Где основы?

[Windzorro]

Проникая всё дальше вглубь строения материи, мы думаем, что приближаемся изучением к основам устройства Природы.
Однако, основы кажется должны быть просты и немногочисленны, а квантовомеханические теории становятся чем дальше - тем сложнее: как в описаниях, так и в понимании.
Не означает ли это, что на самом деле мы не приближаемся к основам, а удаляемся от них?

[warlock66613]

Основы никому ничего не должны.

[Ende]

Тема перемещена из форума «Дискуссионные темы (Гум)» в форум «Беседы на околонаучные темы»
Причина переноса: в теме нет ничего гуманитарного.

[mathpath]

Каковы основные особенности современных квантовомеханических теорий ?
Принцип суперпозиции — состояние есть вектор в гильбертовом пространстве, а не набор определённых значений.
Нелокальность и запутанность , которые нельзя объяснить локальными скрытыми параметрами (теорема Белла).
Вероятностный характер — фундаментальная роль амплитуд вероятности, а не детерминированных траекторий.
Ренормализация — параметры теории зависят от масштаба энергии; «константы» не постоянны.
Калибровочная симметрия — взаимодействия диктуются требованиями симметрии.
Контекстуальность — результат измерения зависит от полного контекста эксперимента.
Дуальность — волна-частица, дуальности в теориях струн и т.д.
Голографический принцип - информация о объёме закодирована на границе.

[Anton_Peplov]

"Основы должны быть простыми". Какие старые грабли. Как давно человечество разбило себе о них лоб.

"Аксиома - это утверждение, которое принимается без доказательства в силу своей очевидности". Примерно так мне говорили в школе на уроках геометрии. И было время, когда взрослые не только глупеньким детям так говорили, но и сами так думали. И какие взрослые - умнейшие люди своих эпох! Что любое знание должно выводиться из аксиом, а аксиомы должны быть очевидными и, следовательно, простыми (сложное не бывает очевидным). Эта точка зрения была порождена величием евклидовых "Начал". Будучи первым и в течение двух тысяч лет непревзойденным образцом аксиоматического метода, они, конечно, поразили воображение современников. Философы стали думать, что и природу можно постичь так же, как геометрию - начав с простых аксиом и выводя из них следствия, в уме, без экспериментов. Вайнберг в книге "Объясняя мир" пишет о том, что даже такой великий экспериментатор как Архимед не признавался, что получил свой закон путем экспериментов. В его сочинении "О плавающих телах" нет и намека на эксперименты, вместо этого Архимед подобрал аксиомы, чтобы вывести из них свой закон. Эти аксиомы не были очевидными - единственная уступка, на которую пошел Архимед. Очевидных аксиом, из которых он мог бы вывести свой закон, ему подобрать не удалось.

В другом месте Вайнберг пишет об одном из возражений против закона всемирного тяготения, высказанном сторонниками Декарта и Лейбница. Они говорили: неизвестны причины, по которым может существовать сила, действующая через пустоту на огромные расстояния, и пока такая причина не найдется, эту гипотезу нельзя принимать. Вайнберг видит в этом возражении отголосок античного стремления вывести все из немногих самоочевидных положений, которое мешало утвердиться новому подходу: "наше дело – создать математическую модель, предсказывающую результаты наблюдений".

Гюйгенс в "Трактате о свете" уже декларирует, что утверждения трактата не выводятся, как в геометрии, из аксиом, принятых в силу своей очевидности. Сделанные предположения подтверждаются наблюдаемыми следствиями из них. Но обратим внимание, что Гюйгенсу приходится это декларировать. Значит, его современникам это не очевидно.

В целом Вайнберг рассматривает подход "все должно быть выведено из простых и самоочевидных аксиом" как сильный тормоз на пути развития научной мысли. И я склонен с ним согласиться.

Вы говорите - квантовая механика сложна? А что делать, если эксперименты показывают, что свет излучается дискретными порциями, а электроны дифрагируют на кристаллах? Придумывать сто способов скрестить ужа с ежом (классическую волну с классической частицей)? Ну так с этих попыток квантовая механика и начиналась. И к современному математическому аппарату она, наверное, пришла не зря, хотя отдельные ниасилившие гильбертовы пространства утверждают (в основном в интернете), что надо было продолжать попытки скрещивания.

А теперь философический вопрос. По какой, собственно, причине мир в своих основах должен быть прост и понятен для сообразительных приматов с маленькой планетки на периферии рядовой галактики, чей разум эволюционировал ради завоевания половых партнеров и избегания хищников? Понятно, почему проста истина "если бросить камень сильнее, он полетит дальше". Наши предки миллионы лет бросали камни, так что т.н. интуитивная физика - практически предустановленный софт в нашей голове. А с чего бы поведению элементарных частиц быть для нас простым и понятным, если до XX века мы с этими частицами никогда дела не имели? Скорее нужно удивляться, что людям хватило ума придумать квантовую механику. "Самое непонятное в нашем мире то, что он все-таки понятен" - фраза приписывается Эйнштейну, хотя ему каких только фраз не приписывается.

Тренд, который действительно наблюдается в истории физики: при продвижении вглубь вещества "действующих лиц" становится меньше, но их поведение становится сложнее. От не поддающегося точному подсчету числа веществ - к сотне с небольшим химических элементов. От сотни элементов - к паре десятков фундаментальных частиц. И от зоопарка сил - к четырем, а на самом деле трем, фундаментальным взаимодействиям. Но по мере того как "кирпичиков" становится меньше, законы их поведения становятся все более математически сложными и менее интуитивными. Уже нерялитивистская квантовая механика намного сложнее классической механики, а в квантовой теории поля я, например, даже не пытаюсь разобраться.

[ozheredov]

Anton_Peplov в сообщении #1735462 писал(а):

Понятно, почему проста истина "если бросить камень сильнее, он полетит дальше". Наши предки миллионы лет бросали камни

Я правильно понимаю, что если бы движение камня НЕ описывалось простыми уравнениями, то за осмысленное время приматы бы не научились бросать его по наперед заданной траектории => не смогли бы убить животных и их съесть => умерли бы. Антропный принцип: уравнения простые потому, что в случае сложных нас бы не было?

[Ghost_of_past]

Windzorro в сообщении #1735417 писал(а):

Не означает ли это, что на самом деле мы не приближаемся к основам, а удаляемся от них?

Это может означать все, что угодно. Начиная от того, что никаких основ нет и заканчивая тем, что понятными и простыми они быть не обязаны, о чем сказали уважаемые warlock66613 и Anton_Peplov.

[Anton_Peplov]

ozheredov в сообщении #1735465 писал(а):

Я правильно понимаю, что если бы движение камня НЕ описывалось простыми уравнениями, то за осмысленное время приматы бы не научились бросать его

Если бы да кабы. Для начала, будь законы механики другими, образовались бы вообще звезды и планеты? Реки бы текли, дождь шел, воздух циркулировал? Сердца стучали? Деревья гоняли сок от корней к верхушке?

Если законы макромира таковы, что живые организмы могут существовать, то они и таковы, что живые организмы могут ими пользоваться. Даже одноклеточная водоросль хламидомонада умеет плыть на свет, шевеля жгутиками, и плевать ей, что у нее всего одна клетка и та не нервная. Это первая ступень лестницы к коту, прыгающему на стол, и примату, берущемуся за палку, еще даже не умея говорить. Если физические законы разрешают первые ступени этой лестницы, не вижу, как они могут запрещать последние. В конце концов, все мы в некотором смысле тесно интегрированные колонии одноклеточных. Впрочем, мало ли чего я не вижу. Для начала, я никогда не видел мира с другими физическими законами.

Так что да, антропный принцип. Но в более жесткой формулировке: будь законы другими, боюсь, не было бы не только нас, но и хламидомонады.

[mathpath]

Обычно выделяют т.н. шорт-лист базовых констант, которые действительно критичны для структуры Вселенной:
постоянная тонкой структуры α ≈ 1/137
константа сильного взаимодействия α_s
отношение масс протона и электрона μ = m_p/m_e
константа гравитационного взаимодействия (или G в планковских единицах)
космологическая постоянная Λ
отношение масс кварков (особенно m_u/m_d)
амплитуда первичных флуктуаций Q

Некоторые из этих констант в квантовой теории поля зависят от масштаба энергии (бегут).

Постоянная тонкой структуры α:
Если α увеличить на ~4%, углерод не мог бы синтезироваться в звёздах (резонанс Хойла сдвинулся бы).
Если α уменьшить сильно — атомы стали бы слишком «рыхлыми», химия усложнилась бы.
При α ≳ 0.1 звёзды не могли бы существовать устойчиво.

Константа сильного взаимодействия α_s:
Если увеличить - водород сгорел бы в гелий в ранней Вселенной.
Если уменьшить — нуклоны не связывались бы, не было бы ядер.

Существует немало моделей, показывающие последствия изменения констант.

1. Антропный ландшафт струнной теории (Susskind, Bousso, Polchinski):
Ландшафт из ~10^500 вакуумов с разными значениями констант.
Наша Вселенная — один из островков, где возможно возникновение жизни.

2. Численные симуляции структурообразования (например, работы Tegmark, Rees, Adams):
Меняя α, α_s, Λ, Q в симуляциях, смотрят, образуются ли галактики, звёзды, тяжёлые элементы.
Область допустимых значений узка, но не бесконечно узка.

3. Работы по настройке ядерных резонансов (Hoyle, Livio, Oberhummer):
Показано, что синтез углерода в звёздах крайне чувствителен к параметрам ядерных сил.
Небольшие изменения — и углеродная жизнь невозможна.

4. Квантовая гравитация и мета-законы (Smolin, Woit, другие):
Гипотезы, что константы не случайны, а определяются динамикой на планковском уровне.

Вообще наблюдения за квазарами например показывают, что изменение константы α за космологическое время маловероятно.

[YVB]

Windzorro в сообщении #1735417 писал(а):

Не означает ли это, что на самом деле мы не приближаемся к основам, а удаляемся от них?

Как ни странно, но вы абсолютно правы, чтобы вам тут не писали. Это именно то, от чего "страдает" современный поиск физических основ. Более того, об этом многие пишут и говорят. Например, в квантовой гравитации, а она самый что ни на есть фундамент, давно осознается, что мы зашли в тупик в том смысле, что нужна смена парадигмы и мы упускаем что-то сверхкраеугольное (я знаю, что ). По крайней мере высказывалось и писалось не раз, что гравитация - это не сила наподобие электрослабых взаимодействий. И проблема не в том "А что ж она тогда есть?", а "Где искать-то вообще?".

Подскажу. Причина проблемы в том, что мы до сих пор строим теорию как "квантование". То есть квантование чего-то классического. Это есть ошибка! Проникнитесь этим даже если вам будут говорить противоположное. Останьтесь со своим внутренним инстинктом наивного why, это полезно. На худой конец, попросите любого специалиста подтвердить заклинание типа "квантовая теория, как физическая теория, всегда есть, была и будет квантованием моделью". Вы увидите вдруг как этот здравомыслящий "спец" либо замолчит, либо начнет вилять в стороны (QED). И пока мы от ошибки квантования (+ мракобесные ахинеи с параллельными мирами и интерпретациями) не избавимся, бесплодное топтание на месте неизбежно. Тысячи раз сказано, что кванты не должны зависеть от классики (привет Ландау!).

Ту простоту, которую вы вероятно ищете, я для начала высказал бы за вас так: "с какого перепугу надо что-то квантовать операторами?" (и не бойтесь задавать такие "глупые" вопросы). Вряд ли какой спец ответит вам: "ни с какого и не надо". А именно это и есть правильный ответ. Добавлю, классику надо интерпретировать, а не кванты. Кстати, другое следствие этого "недоразумения" - попытка (безнадежная) реализовать квантовые вычисления как мы их сейчас провозгласили и разрабатываем, ... пытаясь избавиться от шумов.

Я предполагаю, что сдвиг в сторону "правильного" взгляда (на мироздание ) будет найден в нынешней жизни, а помешательство с квантовым компьютингом сойдет на нет после того, как сдвинется дело с основами. Но хайп с этой алхимией XXI века сейчас стоит колоссальный.

Возвращаясь к вашему вопросу. Да, основы должны быть не только просты, но в некотором смысле даже банальны, примитивны. Как, например, банальностью сейчас является переосмысление в начале XX века того, что такое наблюдение, проблема измерения, наблюдаемые и т.п. См. самое первое предложение первой статьи Гейзенберга 1925. Никакие очередные лагранжианы, перенормировки гравитации или попытки пошевелить физические константы не спасут. Где собака зарыта и что это за примитивы - отдельный разговор.

Гейзенберг-Шредингер осознали идеологию/принцип - [observable + state] - и нашли к нему математику. А современные же деятели взяли математику и, не вводя и не переосмысливая никаких новых "идеологических идей" (я слегка огрубляю), пытаются возвести здание теории всего. Ну-ну ... На гравитацию нарвались, да и с КТП далеко не порядок. Думали, что птолемеевскими циклами фейнмановскими диаграммами ухватят бога за бороду. Ну-ну ... Беглый пример из прошлого. Про одновременность даже ничего не писали столетиями, потому что это банальность. Ну так сделайте переход от этой банальности к естественной самонапрашивающейся формуле $(ct)^2 - x^2 = \mathrm{const}$. Вот вам принцип, революция 1905(!), да и Максвелл ждал уже давно.

Частично, ситуация уже сильно меняется. Струны и струнщики "отмирают", хотя продержались 50 лет без каких-либо плодов, а на коллайдере не нашли даже намеков на новую физику. Это тоже следствие кризиса отсутствия "банальных основ". То ли еще будет. Ставлю доллар - мы будем свидетелями как вместе со струнами на дно пойдут и квантовые вычисления. Вопрос - в каком виде будет крах? Тихое бегство с корабля (уже есть) или запасаемся попкорном и наблюдаем обвал? Финансисты с Wall Street начнут "просекать развод" постепенно или скачком?

Теперь короче. Пока сообщество не осознает жесточайшую необходимость понять природу перехода от того, ЧТО СОБСТВЕННО мы наблюдаем, к тому, ПОЧЕМУ квантовая математика - это математика операторов, гильбертовых пространств, полей, группы Лоренца и где там тензор Эйнштейна и энтропия. А понимание этого не прийдет из 11-мерных переформулировок, деформационных квантований, некоммутативной геометрии и прочего "переосмысления" идей 1925-40гг; ребята специалисты, не обижайтесь. Фундамент глубже и проще. Но тем и трудней переход от него к объемлющей квантовой теории. "Банальность основ" $\to$ математический аппарат, "философия/метафизика" $\to$ формулы. Это и есть сверхпроблема.

И еще раз, не бойтесь "специалистов" от the Hilbert space Church, отсылающих вас к ЛЛ-3, к неким аксиомам или to shut up ... Проблема не там. Это просто пижонство при незнании. Они, как и вы, не знают ответа на эти прямые вопросы "ЧТО" и "ПОЧЕМУ". Ничего вразумительного про "почему операторами? откуда H-пространство? etc" они вам не скажут. Будут только ломать ваш (правильный!) "комплекс непонимания" основ квантовой механики, чтобы превратить его в привычную для них привычку квантования классических моделей. Круг замкнулся. Не поддавайтесь их влиянию. Понимание - часто антагонизм привычке, а она ... замена их счастию ... гнуть пальцы

Физика уже как более 100 лет стала наукой не законов, а принципов и начал. Тех самых, которые, как вы хотите, должны быть простыми. Принцип суперпозиции или относительности на то и принцип, а не закон. Закон, применительно к нему, это слишком мелко; он глубже. Он про наше мышление и способ рассуждать вообще. Что эти принципы представляют сейчас - отдельный разговор, их можно было бы обсудить (не в этой ветке) и это, уверяю, далеко не философская полуантропная болтовня. Надо только внимательно следить за литературой и в море текстов видеть ключевые идеи.

Беда правда в том, что за 100 лет полнейшего неуспеха сложилась привычка к нерешаемости задачи. Как следствие - индустрия пустопорожних интерпретаций и моделирований физическими моделями с философским "подкреплением математическими вселенными, многими мирами" и прочими "дойчами с тканями реальности". Тут уж ничего не поделаешь. Проблемой занимаются люди. Они же создают и тянут за собой учеников. Гляньте только на тексты из секты QB-стов ...

PS. Вижу любопытную параллель. Просвятите, кто в теме. Хомский с его парадигмой врожденных/генеративных грамматик "побит?" нейросетевыми джапатологами, т.е. "банальными/приземленными" фундаменталистами от статистики? Или не побит? Как на идеи Хомского в этой связи смотрит сейчас сообщество? Революция LLM?

[Mihr]

YVB в сообщении #1735582 писал(а):

Да, основы должны быть не только просты, но в некотором смысле даже банальны, примитивны.

(выделение моё).
Извините, они лично вам должны? Или кому-то ещё? Готовы предъявить долговую расписку? Если нет, — лучше оставьте свой тезис. Природа ни вам, ни мне, ни кому-либо ещё ровно ничего не должна. И принципы её устройства — тоже.

[warlock66613]

YVB в сообщении #1735582 писал(а):

Ничего вразумительного про "почему операторами? откуда H-пространство? etc" они вам не скажут

И вот в очередной раз мы наблюдаем, как человек проецирует своё личное незнание на всех, в том числе специалистов.

[realeugene]

YVB в сообщении #1735582 писал(а):

Это есть ошибка!

Чтобы утверждать, что что-то есть ошибка, вы должны быть готовы показать правильную работающую альтернативу. Работать в случае физики - это правильно предсказывать многочисленные эксперименты. Не хуже, а лучше существующих физических моделей. Как предложите - вам выдадут нобелевскую премию и повесят ваш портрет в каждой школе. Ну а если нет - значит нет...

[Ende]

YVB
Критикуя - предлагайте. Что физики, по Вашему мнению, все делают неправильно, мы поняли. Если Вы знаете, как делать правильно, то излагайте. Правда, если это будет сочтено лженаукой, то последствия - за Ваш счет.