Mungkinkah geometri chaos menjadi dasar perilaku alam semesta? – Dunia Fisika

Mungkinkah geometri chaos menjadi dasar perilaku alam semesta? – Dunia Fisika

Stempel Waktu: 3 Januari 2024 6

Jessica Flack ulasan Keutamaan Keraguan oleh Tim Palmer

Foto abstrak partikel sulur, menggambarkan kekacauan
Pertanyaan yang rumit Mungkinkah geometri chaos berperan dalam fisika kuantum dan bahkan menjadi properti fundamental alam semesta? (Sumber: iStock/gremlin)

Keraguan apakah itu Kami
Membantu Pikiran yang mengejutkan
Dalam Penderitaan yang lebih ekstrem
Hingga menemukan pijakan –

 Sebuah Ketidaknyataan dipinjamkan,
Mirage yang penuh belas kasihan
Itu membuat kehidupan menjadi mungkin
Sementara itu menghentikan kehidupan.

Dalam gayanya yang biasanya nakal, penyair Amerika abad ke-19 Emily Dickinson menangkap dengan indah paradoks keraguan. Puisinya mengingatkan bahwa di satu sisi pertumbuhan dan perubahan bergantung pada keraguan. Namun di sisi lain, keraguan juga melumpuhkan. Dalam buku barunya Keutamaan Keraguan, fisikawan Tim Palmer mengungkapkan struktur keraguan matematis yang mendasari paradoks ini.

Berbasis di Universitas Oxford di Inggris, Palmer mempelajari relativitas umum tetapi menghabiskan sebagian besar karirnya untuk berkembang dengan baik “perkiraan ansambel” untuk prediksi cuaca dan iklim. Konsep keraguan, yang merupakan inti dari prediksi, secara mengejutkan telah mendominasi kehidupan intelektual Palmer. Keutamaan Keraguan adalah upaya untuk menunjukkan adanya hubungan mendalam antara keraguan dan kekacauan yang berakar pada geometri fraktal yang mendasari kekacauan. Dia berpendapat bahwa geometri inilah yang menjelaskan mengapa keraguan adalah hal utama dalam kehidupan kita dan alam semesta secara lebih luas.

Usulan provokatif Tim Palmer adalah bahwa geometri chaos juga berperan dalam fisika kuantum – dan bahkan bisa menjadi properti fundamental alam semesta.

Kita biasanya berasumsi bahwa kekacauan – sebagai fenomena nonlinier – muncul pada skala mesoskopik dan makroskopis, karena persamaan Schrödinger yang menggambarkan perilaku sistem kuantum adalah linier. Namun, usulan provokatif Palmer adalah bahwa geometri chaos juga berperan dalam fisika kuantum – dan bahkan bisa menjadi properti fundamental alam semesta.

Sebelum mendekonstruksi tesis Palmer, ingatlah bahwa chaos – istilah yang biasa kita gunakan untuk menggambarkan kejadian “gila” dan tidak teratur – dari sudut pandang teknis berlaku untuk sistem yang menunjukkan perilaku yang tidak berulang dan tidak dapat diubah oleh waktu, sensitif terhadap kondisi awal. Dipelopori oleh ahli matematika dan meteorologi Amerika Edward Lorenz, kekacauan telah menjadi pokok bahasan dalam banyak buku, banyak di antaranya yang membahas tiga persamaan terkenal yang menjelaskannya dan efek kupu-kupu. Yang membedakan buku Palmer adalah penekanannya pada penemuan Lorenz yang kurang dikenal – geometri kekacauan – dan implikasinya terhadap bagaimana alam semesta berevolusi.

Ketidakpastian dalam segala bentuknya

Sekalipun tesis Palmer salah, buku ini merupakan pengingat yang berguna mengenai berbagai jenis ketidakpastian – seperti ketidakpastian, stokastisitas, dan kekacauan deterministik – yang masing-masing memiliki implikasi tersendiri terhadap prediktabilitas, intervensi, dan pengendalian. Keutamaan Keraguan oleh karena itu akan berguna bagi ilmuwan dan non-ilmuwan, mengingat kecenderungan kita untuk menyamakan ketidakpastian hanya dengan stokastisitas.

Namun, tujuan buku ini bukan untuk memberikan taksonomi ketidakpastian atau menjadi panduan cara menghadapi perubahan iklim, pandemi, atau pasar saham (walaupun semua topik tersebut sudah dibahas). Palmer jauh lebih ambisius. Ia ingin memperkenalkan idenya – yang dikembangkan dalam beberapa makalah penelitian – bahwa geometri chaos adalah sifat dasar alam semesta yang menjadi dasar beberapa prinsip pengorganisasian.

Tesis Palmer bertumpu pada keberhasilan menunjukkan bahwa persamaan Schrödinger – yang menggambarkan fungsi gelombang dalam mekanika kuantum – konsisten dengan geometri chaos meskipun persamaannya linier. Lebih khusus lagi, Palmer menyarankan adanya hubungan fisik antara variabel tersembunyi suatu partikel dan bagaimana partikel tersebut dicatat atau dirasakan oleh partikel lain dan perangkat pengukuran, yang dimediasi melalui sifat matematika geometri fraktal.

Tim Palmer
Tidak diragukan lagi Tim Palmer, yang berbasis di Universitas Oxford, mempelajari relativitas umum sebelum beralih ke prediksi cuaca (Sumber: Tim Palmer/Perimeter Institute for Theoretical Physics)

Dalam dua bab (2 dan 11), Palmer menjelaskan mengapa penjelasan ini “tidak bersifat konspirasi dan tidak dibuat-buat”. Palmer, misalnya, menunjukkan bahwa ada dua jenis geometri – Euclidean dan fraktal – dengan geometri fraktal yang memiliki keuntungan mengakomodasi ketidakpastian kontrafaktual mekanika kuantum dan keterjeratan tanpa memerlukan tindakan seram dari jarak jauh, yang merupakan gagasan kontroversial dalam fisika. masyarakat.

Jika penyusunan ulang Palmer benar, hal ini akan memaksa fisikawan untuk mempertimbangkan kembali argumen Einstein – yang tumbuh dari perselisihannya dengan Niels Bohr tentang apakah ketidakpastian kuantum bersifat epistemik (Einstein) atau ontologis (Bohr) – bahwa alam semesta adalah kumpulan dunia deterministik. Dengan kata lain, Palmer mengatakan bahwa alam semesta kita mempunyai banyak kemungkinan konfigurasi, namun konfigurasi yang kita lihat paling tepat digambarkan sebagai sistem dinamika chaos yang diatur oleh dinamika fraktal.

Disampaikan oleh Palmer sebagai salah satu dari dua dugaan dalam bukunya, gagasan tersebut menyiratkan bahwa alam semesta memiliki bahasa dan struktur alami. Dalam pandangannya, hal ini berarti realisasi konfigurasi alam semesta bukanlah kurva 1D seperti yang umumnya diasumsikan. Sebaliknya, ini lebih seperti tali atau heliks lintasan yang disatukan, dengan setiap heliks menghasilkan heliks yang lebih kecil dan setiap kelompok tali berhubungan dengan hasil pengukuran dalam mekanika kuantum.

Dengan kata lain, kita “hidup” pada untaian ini dalam ruang fraktal dan geometri ini meluas hingga ke tingkat kuantum. Gagasan bahwa alam semesta adalah sistem dinamis yang berevolusi berdasarkan penarik fraktal memiliki beberapa implikasi menarik. Sayangnya, Palmer merugikan para pembacanya (dan ide-idenya sendiri) dengan menyebarkan implikasinya ke seluruh teks daripada secara eksplisit menyaringnya ke dalam prinsip-prinsip yang menurut saya memang demikian.

Empat prinsip

Yang paling menonjol adalah apa yang disebut “prinsip kemunculan”. Pada dasarnya, Palmer lebih menyukai pemikiran statistik daripada mengambil perilaku skala makro dari prinsip atau mekanisme pertama, yang menurutnya sering kali sulit dilakukan dan oleh karena itu salah arah. Pandangan ini sebagian berasal dari karier Palmer yang dihabiskan untuk mengembangkan pendekatan ansambel dalam meramalkan cuaca, namun juga masuk akal jika alam semesta memiliki struktur fraktal.

Untuk memahami alasannya, pertimbangkan hal berikut. Kondisi di mana skala makro dapat dimodelkan tanpa menggunakan skala mikro mencakup dua ujung spektrum yang berlawanan. Salah satunya adalah ketika skala makro disaring (misalnya, tidak peka terhadap fluktuasi dan gangguan skala mikro, misalnya, karena pemisahan skala waktu). Yang lainnya adalah ketika, dalam arti tertentu, secara efektif tidak ada pemisahan karena invarian skala (atau kesamaan diri), seperti dalam kasus fraktal.

Dalam kedua kasus tersebut, menurunkan skala makro dari skala mikro hanya diperlukan untuk menunjukkan bahwa sifat makroskopis adalah hal yang mendasar, bukan hasil dari bias pengamat. Jika kondisi ini terjadi, hal-hal berskala mikro dapat diabaikan secara efektif. Dengan kata lain, deskripsi statistik skala makro menjadi berguna baik untuk prediksi maupun penjelasan. 

Permasalahan ini relevan dengan perdebatan sengit yang telah berlangsung lama di berbagai cabang ilmu pengetahuan – sejauh mana kita perlu melakukan prediksi dan menjelaskan alam semesta pada semua skala? Memang, buku ini akan mendapat manfaat dari diskusi tentang kapan geometri chaos diharapkan dan tidak membuat derivasi menjadi tidak relevan. Bagaimanapun, kita tahu bahwa untuk beberapa sistem, skala mikro berperan penting dalam prediksi dan penjelasan – deskripsi kasar yang tepat mengenai metabolisme intraseluler dapat memengaruhi persaingan antarspesies seperti halnya hasil pertarungan di antara monyet dapat mengubah struktur kekuatan.

Prinsip menarik lainnya yang disaring Palmer (tanpa menyebutkan namanya secara eksplisit) mencakup apa yang saya sebut sebagai “prinsip ensemble”, “prinsip kebisingan”, dan prinsip “keutamaan tanpa skala”. Yang terakhir ini pada dasarnya mengatakan kita harus menghindari menyamakan fundamental dengan skala kecil seperti yang sering terjadi dalam fisika. Seperti yang dikemukakan Palmer, jika kita ingin memahami sifat partikel elementer, sifat fraktal dari kekacauan menunjukkan bahwa “struktur alam semesta pada skala ruang dan waktu yang paling besar” juga sama mendasarnya.

Prinsip noise, yang menghubungkan kembali preferensi Palmer terhadap model statistik dibandingkan derivasi, menangkap gagasan bahwa salah satu cara untuk mendekati pemodelan sistem berdimensi tinggi adalah dengan mengurangi dimensinya sekaligus menambahkan noise. Menambahkan noise ke model memungkinkan peneliti untuk menyederhanakan namun juga menghormati dimensi sebenarnya dari masalah. Memasukkan kebisingan juga mengkompensasi pengukuran berkualitas rendah atau “apa yang belum kita ketahui”. Dalam bab 12, Palmer membahas bagaimana prinsip kebisingan digunakan oleh alam sendiri, dan menyatakan (seperti yang dilakukan banyak orang) bahwa sistem saraf seperti otak manusia berada dalam urusan komputasi dengan model tingkat kebisingan yang lebih rendah dari model tingkat yang lebih tinggi untuk meramalkan dan beradaptasi. dengan biaya komputasi yang lebih rendah.

Sementara itu, prinsip ansambel adalah gagasan bahwa untuk menangkap keteraturan dalam sistem yang kacau atau berdimensi tinggi, sebuah model perlu dijalankan berkali-kali untuk mengukur ketidakpastian yang melekat pada suatu perkiraan. Dalam bab 8, Palmer mengeksplorasi kegunaan pendekatan ini di pasar dan sistem ekonomi dengan menggunakan karya pemodelan berbasis agen dari fisikawan tersebut. Petani Doyne dan lain-lain. Bab 10 menghubungkan pendekatan perkiraan ansambel dengan kecerdasan kolektif dan mengeksplorasi manfaatnya dalam pengambilan keputusan mengenai kebijakan publik.

Buku ini memberi saya pemahaman yang lebih kaya tentang kekacauan dan meyakinkan saya bahwa hal itu tidak boleh dikesampingkan dalam sains kompleksitas.

Jika saya memiliki keluhan terhadap buku ini, itu adalah organisasinya. Palmer menyebarkan latar belakang dan pembenaran di sepertiga pertama dan terakhir buku ini, jadi saya sering mendapati diri saya bolak-balik di antara bagian-bagian itu. Dia mungkin bisa melayani pembaca dengan lebih baik dengan terlebih dahulu menyajikan teorinya secara lengkap sebelum melanjutkan. Palmer kemudian, dalam pandangan saya, harus dengan jelas menguraikan ketiga prinsipnya dan kaitannya dengan geometri, dengan bagian terakhir membiarkan penerapannya menjadi pusat perhatian.

Meskipun demikian, menurut saya buku ini provokatif dan ide-idenya bermanfaat untuk dipikirkan secara matang. Hal ini tentu memberi saya pemahaman yang lebih kaya tentang kekacauan dan meyakinkan saya bahwa hal ini tidak boleh dikesampingkan dalam sains kompleksitas. Saya berharap buku Palmer akan bermanfaat bagi pembaca yang tertarik pada struktur matematis dari chaos, gagasan bahwa alam semesta memiliki bahasa alami, atau gagasan bahwa ada prinsip yang menyatukan fisika dan biologi.

Demikian pula, pembaca yang hanya ingin mengetahui bagaimana kekacauan dapat membantu meramalkan pasar keuangan atau iklim dunia juga akan merasakan manfaatnya.

  • Oxford University Press/Buku Dasar 2022 320pp £24.95/$18.95hb

Stempel Waktu:

Lebih dari Dunia Fisika