هل يمكن أن تكون هندسة الفوضى أساسية لسلوك الكون؟ – عالم الفيزياء

هل يمكن أن تكون هندسة الفوضى أساسية لسلوك الكون؟ – عالم الفيزياء

الطابع الزمني: 3 كانون الثاني (يناير) 2024 ، الساعة 6:00 صباحًا

جيسيكا فلاك ارآء العملاء أولوية الشك بواسطة تيم بالمر

صورة مجردة لجزيئات المحلاق، تصور الفوضى
سؤال معقد هل يمكن لهندسة الفوضى أن تلعب دورًا في فيزياء الكم، بل ويمكن أن تكون خاصية أساسية للكون؟ (مجاملة: إستوك / جريملين)

شك إذا كان نحن
يساعد العقل المذهل
في شدة العذاب
حتى تجد القدم -

 يتم إقراض غير واقعي ،
سراب رحيم
وهذا يجعل العيش ممكنا
بينما يعلق الحياة.

بأسلوبها الماكر عادة، الشاعرة الأمريكية في القرن التاسع عشر اميلي ديكنسون يجسد بشكل جميل مفارقة الشك. قصيدتها هي تذكير بأن النمو والتغيير يعتمدان على الشك من ناحية. ولكن من ناحية أخرى، فإن الشك يسبب الشلل أيضًا. في كتابه الجديد أولوية الشك، فيزيائي تيم بالمر يكشف عن البنية الرياضية للشك التي تدعم هذه المفارقة.

تدرب بالمر، المقيم في جامعة أكسفورد بالمملكة المتحدة، على النسبية العامة، لكنه أمضى معظم حياته المهنية في تطوير نظرية النسبية العامة "التنبؤ الجماعي" للتنبؤ بالطقس والمناخ. ولم يكن من المستغرب أن يهيمن مفهوم الشك، وهو أمر أساسي في التنبؤ حياة بالمر الفكرية. أولوية الشك هي محاولة لإظهار وجود علاقة عميقة بين الشك والفوضى المتجذرة في الهندسة الكسورية الكامنة وراء الفوضى. ويشير إلى أن هذه الهندسة هي التي تفسر سبب كون الشك أساسيًا في حياتنا وفي الكون على نطاق أوسع.

يتمثل اقتراح تيم بالمر الاستفزازي في أن هندسة الفوضى تلعب دورًا في فيزياء الكم أيضًا، بل ويمكن أن تكون خاصية أساسية للكون.

نحن نفترض عادة أن الفوضى - كونها ظاهرة غير خطية - تظهر على المقاييس المجهرية والعيانية، حيث أن معادلة شرودنغر التي تصف سلوك الأنظمة الكمومية خطية. ومع ذلك، فإن اقتراح بالمر الاستفزازي هو أن هندسة الفوضى تلعب دورًا في فيزياء الكم أيضًا، بل ويمكن أن تكون خاصية أساسية للكون.

قبل تفكيك أطروحة بالمر، تذكر أن الفوضى ــ وهو المصطلح الذي نستخدمه بالعامية لوصف الأحداث المجنونة المضطربة ــ من وجهة نظر فنية تنطبق على نظام يُظهر سلوكًا غير متكرر وغير قابل للعكس وحساسًا للظروف الأولية. ابتكرها عالم الرياضيات والأرصاد الجوية الأمريكي إدوارد لورينزكانت الفوضى موضوعًا للعديد من الكتب، وقد تناول الكثير منها معادلاته الثلاث الشهيرة واصفًا إياها و تأثير الفراشة. ما يميز كتاب بالمر هو تركيزه على اكتشاف لورنز الأقل شهرة - هندسة الفوضى - وتأثيراته على كيفية تطور الكون.

عدم اليقين بجميع أشكاله

وحتى لو كانت أطروحة بالمر خاطئة، فإن الكتاب يعد بمثابة تذكير مفيد بالأنواع المختلفة من عدم اليقين - مثل عدم التحديد، والعشوائية، والفوضى الحتمية - ولكل منها آثاره الخاصة على القدرة على التنبؤ، والتدخل والسيطرة. أولوية الشك ولذلك سيكون مفيدًا للعلماء وغير العلماء على حدٍ سواء، نظرًا لميلنا إلى مساواة عدم اليقين مع العشوائية فقط.

ومع ذلك، فإن هدف الكتاب ليس تقديم تصنيف لحالات عدم اليقين أو أن يكون دليلاً إرشاديًا للتعامل معها في تغير المناخ، أو الأوبئة، أو سوق الأوراق المالية (على الرغم من تغطية هذه المواضيع كلها). بالمر أكثر طموحا بكثير. يريد أن يقدم فكرته - التي تم تطويرها في العديد من الأوراق البحثية - بأن هندسة الفوضى هي خاصية أساسية للكون تتبعها العديد من المبادئ المنظمة.

تعتمد أطروحة بالمر على إثبات أن معادلة شرودنغر - التي تصف الدالة الموجية في ميكانيكا الكم - تتوافق مع هندسة الفوضى على الرغم من كون المعادلة خطية. وبشكل أكثر تحديدًا، يقترح بالمر وجود صلة فيزيائية بين المتغيرات المخفية للجسيم وكيفية تسجيل الجسيم أو إدراكه بواسطة الجسيمات الأخرى وأجهزة القياس، من خلال الخصائص الرياضية للهندسة الكسورية.

تيم بالمر
لا شك في ذلك تيم بالمر، المقيم في جامعة أكسفورد، تدرب على النسبية العامة قبل الانتقال إلى التنبؤ بالطقس (Courtesy: Tim Palmer/Perimeter Institute for Theoretical Physics)

في فصلين (2 و11)، يصف بالمر لماذا هذا التفسير "ليس تآمريًا ولا مستبعدًا". يشير بالمر، على سبيل المثال، إلى أن هناك نوعين من الهندسة - الإقليدية والكسورية - حيث يتمتع الأخير بميزة استيعاب عدم التحديد المخالف للواقع في ميكانيكا الكم والتشابك دون الحاجة إلى إجراء عصبي على مسافة، وهي فكرة مثيرة للجدل في الفيزياء. مجتمع.

إذا كانت إعادة صياغة بالمر صحيحة، فإن ذلك من شأنه أن يجبر الفيزيائيين على إعادة النظر في حجة أينشتاين ــ التي نشأت من نزاعه مع نيلز بور حول ما إذا كان عدم اليقين الكمي معرفيا (آينشتاين) أو وجوديا (بوهر) ــ بأن الكون عبارة عن مجموعة من العوالم الحتمية. بمعنى آخر، يقول بالمر إن كوننا لديه العديد من التكوينات المحتملة، لكن أفضل وصف للتكوين الذي نراه هو أنه نظام ديناميكي فوضوي تحكمه ديناميكيات كسورية.

الفكرة التي قدمها بالمر كأحد التخمينين في الكتاب، تشير إلى أن الكون له لغة وبنية طبيعية. ومن وجهة نظره، فإن هذا يعني أن التكوين المحقق للكون ليس منحنى أحادي الأبعاد كما يُفترض عادةً. بدلاً من ذلك، فهو أشبه بحبل أو حلزون من المسارات الملفوفة معًا، حيث ينتج كل حلزون حلزونًا أصغر وكل مجموعة من الحبال تتوافق مع نتائج القياس في ميكانيكا الكم.

بمعنى آخر، نحن "نعيش" على هذه الخيوط في الفضاء الكسري وتمتد هذه الهندسة على طول الطريق وصولاً إلى المستوى الكمي. إن فكرة أن الكون عبارة عن نظام ديناميكي يتطور على جاذب كسورية لها العديد من الآثار المثيرة للاهتمام. لسوء الحظ، يتسبب بالمر في ضرر لقرائه (وأفكاره الخاصة) من خلال تشتيت المضامين في جميع أنحاء النص بدلاً من استخلاصها صراحةً في المبادئ التي أعتقد أنها كذلك.

أربعة مبادئ

وأبرزها ما يمكن أن نطلق عليه "مبدأ الانبثاق". في الأساس، يفضل بالمر التفكير الإحصائي بدلاً من استخلاص السلوك على نطاق واسع من المبادئ أو الآليات الأولى، والتي يعتقد أنها غالبًا ما تكون مستعصية على الحل وبالتالي مضللة. إنها وجهة نظر تأتي جزئيًا من مسيرة بالمر المهنية التي قضاها في تطوير نهج جماعي للتنبؤ بالطقس، ولكنها أيضًا منطقية إذا كان للكون بنية كسورية.

لفهم السبب، ضع في اعتبارك ما يلي. تتضمن الشروط التي يمكن بموجبها نمذجة المقياس الكبير دون اللجوء إلى المقياس المجهري طرفين متقابلين من الطيف. أحدهما هو عندما يتم حجب المقياس الكبير (على سبيل المثال، عدم الحساسية للتقلبات والاضطرابات الميكروية بسبب، على سبيل المثال، الانفصال بين النطاق الزمني). والآخر هو عندما لا يكون هناك، بمعنى ما، أي انفصال فعليًا بسبب ثبات الحجم (أو التشابه الذاتي)، كما هو الحال في حالة الفركتلات.

في كلتا الحالتين، يعد اشتقاق المقياس العياني من المقياس المجهري ضروريًا فقط لإظهار أن الخاصية العيانية أساسية، وليست نتيجة لتحيز المراقب. عندما يستمر هذا الشرط، يمكن تجاهل الأشياء المجهرية بشكل فعال. وبعبارة أخرى، تصبح الأوصاف الإحصائية على نطاق واسع قوية لكل من التنبؤ والتفسير. 

إن هذه القضية ذات صلة بنقاش حاد طويل الأمد في العديد من فروع العلوم - إلى أي مدى نحتاج إلى الذهاب للتنبؤ بالكون وتفسيره على جميع المستويات؟ في الواقع، كان الكتاب سيستفيد من مناقشة متى يكون من المتوقع أن تجعل هندسة الفوضى الاشتقاق غير ذي صلة. ففي نهاية المطاف، نحن نعلم أنه بالنسبة لبعض الأنظمة، فإن المقياس المجهري مهم للتنبؤ وكذلك للتفسير - فالأوصاف الخشنة المناسبة لعملية التمثيل الغذائي داخل الخلايا يمكن أن تؤثر على المنافسة بين الأنواع تماما كما يمكن لنتائج القتال بين القرود أن تغير بنية السلطة.

تشمل المبادئ الأخرى المثيرة للاهتمام التي استخلصها بالمر (دون تسميتها صراحة) ما أسميه "مبدأ المجموعة"، و"مبدأ الضوضاء"، ومبدأ "الأولوية بدون مقياس". يقول الأخير بشكل أساسي أنه يجب علينا تجنب مساواة المقاييس الأساسية بالمقاييس الصغيرة كما هو الحال غالبًا في الفيزياء. وكما يشير بالمر، إذا أردنا أن نفهم طبيعة الجسيمات الأولية، فإن الطبيعة الكسرية للفوضى تشير إلى أن "بنية الكون على أكبر مقاييس المكان والزمان" لا تقل أهمية.

مبدأ الضوضاء، الذي يرتبط بتفضيل بالمر للنماذج الإحصائية على الاشتقاق، يجسد فكرة أن إحدى طرق التعامل مع نمذجة الأنظمة عالية الأبعاد هي تقليل أبعادها مع إضافة الضوضاء في نفس الوقت. تسمح إضافة الضوضاء إلى النموذج للباحث بالتبسيط مع احترام الأبعاد الحقيقية للمشكلة أيضًا. يؤدي تضمين الضوضاء أيضًا إلى التعويض عن القياسات منخفضة الجودة أو "ما لا نعرفه بعد". في الفصل الثاني عشر، يتناول بالمر كيفية استخدام الطبيعة نفسها لمبدأ الضوضاء، مشيرًا (كما فعل الكثيرون) إلى أن الأنظمة العصبية مثل الدماغ البشري تعمل في مجال الحوسبة باستخدام نماذج ذات رتبة أقل من الضوضاء من نماذج ذات رتبة أعلى من أجل التنبؤ والتكيف. وبتكلفة حسابية أقل.

وفي الوقت نفسه، فإن مبدأ المجموعة هو فكرة أنه لالتقاط الانتظام في الأنظمة الفوضوية أو عالية الأبعاد، يجب تشغيل النموذج عدة مرات لتحديد عدم اليقين المتأصل في التنبؤ. في الفصل الثامن، يستكشف بالمر فائدة هذا النهج في الأسواق والأنظمة الاقتصادية باستخدام أعمال النمذجة القائمة على الوكيل التي أجراها الفيزيائي دوين فارمر و اخرين. ويربط الفصل العاشر نهج التنبؤ الجماعي بالذكاء الجماعي ويستكشف مدى فائدته في اتخاذ القرارات بشأن السياسة العامة.

أعطاني الكتاب فهمًا أكثر ثراءً للفوضى وأقنعني بأنه لا ينبغي إبعادها إلى زاوية علم التعقيد.

إذا كانت لدي مشكلة مع الكتاب، فهي المنظمة. ينشر بالمر الخلفية والمبررات في الثلثين الأول والأخير من الكتاب، لذلك أجد نفسي في كثير من الأحيان أقلب ذهابًا وإيابًا بين تلك الأجزاء. ربما كان سيخدم القراء بشكل أفضل من خلال تقديم النظرية بالكامل أولاً قبل المضي قدمًا. ومن وجهة نظري، كان ينبغي على بالمر أن يوضح بوضوح مبادئه الثلاثة وارتباطها بالهندسة، مع ترك الجزء الأخير للتطبيقات في مركز الاهتمام.

ومع ذلك، وجدت الكتاب مثيرًا وأفكاره مجزية للتفكير فيها. من المؤكد أنه أعطاني فهمًا أكثر ثراءً للفوضى وأقنعني بأنه لا ينبغي إبعادها إلى زاوية علم التعقيد. أتوقع أن يكون كتاب بالمر مفيدًا للقراء المهتمين بالبنية الرياضية للفوضى، أو فكرة أن الكون له لغة طبيعية، أو فكرة وجود مبادئ توحد الفيزياء والبيولوجيا.

وبالمثل، فإن القراء الذين يريدون فقط معرفة كيف يمكن للفوضى أن تساعد في التنبؤ بالأسواق المالية أو المناخ العالمي، يجب أن يجدوا هذا الكتاب مفيدًا أيضًا.

  • 2022 مطبعة جامعة أكسفورد / الكتب الأساسية 320pp 24.95 جنيهًا إسترلينيًا / 18.95 دولارًا أمريكيًا

الطابع الزمني:

اكثر من عالم الفيزياء