Ar putea geometria haosului să fie fundamentală pentru comportamentul universului? – Lumea Fizicii

O îndoială dacă suntem noi
Ajută Mintea uluitoare
Într-o angoasă extremă
Până să găsească picioarele -

 Se împrumută o Irealitate,
Un miraj milostiv
Asta face posibil viața
În timp ce suspendă viețile.

În stilul ei tipic răutăcios, poetul american din secolul al XIX-lea Emily Dickinson surprinde frumos paradoxul îndoielii. Poemul ei este o reamintire a faptului că, pe de o parte, creșterea și schimbarea depind de îndoială. Dar, pe de altă parte, îndoiala este și paralizantă. În noua lui carte Primatul îndoielii, fizician Tim Palmer dezvăluie structura matematică a îndoielii care stă la baza acestui paradox.

Cu sediul la Universitatea din Oxford din Marea Britanie, Palmer s-a antrenat în relativitatea generală, dar și-a petrecut cea mai mare parte a carierei dezvoltându-se robuste. „prognoza ansamblului” pentru prognoza vremii și a climei. Conceptul de îndoială, care este esențial pentru predicție, a dominat în mod nesurprinzător Viața intelectuală a lui Palmer. Primatul îndoielii este o încercare de a arăta că există o relație profundă între îndoială și haos înrădăcinată în geometria fractală subiacentă a haosului. El sugerează că această geometrie explică de ce îndoiala este primordială în viețile noastre și în univers mai larg.

Propunerea provocatoare a lui Tim Palmer este că geometria haosului joacă un rol și în fizica cuantică – și că ar putea fi chiar o proprietate fundamentală a universului.

În mod normal, presupunem că haosul – fiind un fenomen neliniar – apare la scară mezoscopică și macroscopică, deoarece ecuația Schrödinger care descrie comportamentul sistemelor cuantice este liniară. Cu toate acestea, propunerea provocatoare a lui Palmer este că geometria haosului joacă un rol și în fizica cuantică – și că ar putea fi chiar o proprietate fundamentală a universului.

Înainte de a deconstrui teza lui Palmer, amintiți-vă că haosul – un termen pe care îl folosim în mod colocvial pentru a descrie evenimentele „nebunești”, dezordonate – din punct de vedere tehnic se aplică unui sistem care prezintă un comportament nerepetabil, ireversibil în timp, sensibil la condițiile inițiale. Inițiat de matematicianul și meteorologul american edward lorenz, haosul a făcut obiectul a numeroase cărți, dintre care multe au acoperit celebrele sale trei ecuații care îl descriu și efect fluture. Ceea ce diferențiază cartea lui Palmer este accentul pus pe descoperirea mai puțin cunoscută a lui Lorenz – geometria haosului – și implicațiile sale asupra modului în care evoluează universul.

Incertitudinea sub toate formele ei

Chiar dacă teza lui Palmer este greșită, cartea este o reamintire utilă a diferitelor tipuri de incertitudine – cum ar fi indeterminarea, stocasticitatea și haosul determinist – fiecare dintre acestea având propriile implicații pentru predictibilitate, intervenție și control. Primatul îndoielii va fi, prin urmare, util pentru oamenii de știință și non-oameni de știință deopotrivă, având în vedere tendința noastră de a echivala incertitudinea doar cu stocasticitatea.

Scopul cărții nu este, totuși, de a oferi o taxonomie a incertitudinii sau de a fi un ghid pentru abordarea acesteia în schimbările climatice, pandemii sau piața de valori (deși aceste subiecte sunt toate acoperite). Palmer este mult mai ambițios. Vrea să-și introducă ideea – dezvoltată în mai multe lucrări de cercetare – că geometria haosului este o proprietate fundamentală a universului din care decurg câteva principii de organizare.

Teza lui Palmer se bazează pe a demonstra cu succes că ecuația Schrödinger – care descrie funcția de undă în mecanica cuantică – este în concordanță cu geometria haosului, în ciuda faptului că ecuația este liniară. Mai precis, Palmer sugerează că există o legătură fizică între variabilele ascunse ale unei particule și modul în care particula este înregistrată sau percepută de alte particule și dispozitive de măsurare, mediată prin proprietățile matematice ale geometriei fractale.

În două capitole (2 și 11), Palmer descrie de ce această explicație nu este „nici conspirativă, nici exagerată”. Palmer subliniază, de exemplu, că există două tipuri de geometrii – euclidiană și fractală –, cea din urmă având avantajul de a se adapta la indefinirea contrafactuală a mecanicii cuantice și a încurcăturii fără a necesita acțiune înfricoșătoare la distanță, ceea ce este o idee controversată în fizică. comunitate.

Dacă reformarea lui Palmer este corectă, i-ar forța pe fizicieni să reconsidere argumentul lui Einstein – care a apărut din disputa lui cu Niels Bohr despre dacă incertitudinea cuantică este epistemică (Einstein) sau ontologică (Bohr) – că universul este un ansamblu de lumi deterministe. Cu alte cuvinte, Palmer spune că universul nostru are multe configurații posibile, dar cea pe care o vedem este cel mai bine descrisă ca un sistem dinamic haotic guvernat de dinamica fractală.

Prezentă de Palmer ca una dintre cele două conjecturi ale cărții, ideea implică faptul că universul are un limbaj și o structură naturale. În opinia sa, aceasta înseamnă că configurația realizată a universului nu este o curbă 1D așa cum se presupune de obicei. În schimb, seamănă mai mult cu o frânghie sau un helix de traiectorii înfășurate împreună, fiecare helix dând elice încă mai mici și fiecare grup de frânghie corespunzând unui rezultat al măsurării în mecanica cuantică.

Cu alte cuvinte, „trăim” pe aceste fire în spațiul fractal și această geometrie se extinde până la nivelul cuantic. Această noțiune că universul este un sistem dinamic care evoluează pe un atractor fractal are câteva implicații interesante. Din păcate, Palmer le face cititorilor (și propriilor sale idei) un deserviciu prin împrăștierea implicațiilor în text, mai degrabă decât să le distileze în mod explicit în principiile pe care le cred că sunt.

Patru principii

Cel mai proeminent dintre acestea este ceea ce s-ar putea numi „principiul emergenței”. În esență, Palmer preferă gândirea statistică mai degrabă decât derivarea comportamentului la scară macro din primele principii sau mecanisme, despre care el crede că este adesea insolubil și, prin urmare, greșit. Este o viziune care provine în parte din cariera lui Palmer petrecută dezvoltării unei abordări de ansamblu a prognozării vremii, dar are și sens dacă universul are structură fractală.

Pentru a înțelege de ce, luați în considerare următoarele. Condițiile în care macroscala poate fi modelată fără a recurge la microscale includ două capete opuse ale unui spectru. Unul este atunci când macroscala este ecranată (de exemplu, fiind insensibilă la fluctuațiile și perturbațiile microscalei datorate, de exemplu, separării pe scară temporală). Celălalt este atunci când nu există, într-un anumit sens, efectiv nicio separare din cauza invarianței de scară (sau a auto-asemănării), ca în cazul fractalilor.

În ambele cazuri, derivarea macroscalei de la microscara este necesară doar pentru a arăta că o proprietate macroscopică este fundamentală, nu rezultatul părtinirii observatorului. Când această condiție este valabilă, lucrurile la microscale pot fi ignorate în mod eficient. Cu alte cuvinte, descrierile statistice la scară macro devin puternice atât pentru predicție, cât și pentru explicație. 

Problema este relevantă pentru o dezbatere aprinsă, de lungă durată, în multe ramuri ale științei – cât de departe trebuie să mergem pentru a prezice și explica universul la toate scările? Într-adevăr, cartea ar fi beneficiat de o discuție despre când geometria haosului este și nu este de așteptat să facă derivația irelevantă. La urma urmei, știm că, pentru unele sisteme, microscala contează atât pentru predicție, cât și pentru explicație – descrierile adecvate cu granulație grosieră ale metabolismului intracelular pot influența competiția între specii, la fel cum rezultatele luptei între maimuțe pot schimba structura puterii.

Alte principii interesante pe care Palmer le distilează (fără a le numi explicit) includ ceea ce eu numesc „principiul ansamblului”, „principiul zgomotului” și principiul „no-scale-primacy”. Acesta din urmă spune în esență că ar trebui să evităm echivalarea fundamentală cu scara mică, așa cum este adesea cazul în fizică. După cum subliniază Palmer, dacă vrem să înțelegem natura particulelor elementare, natura fractală a haosului sugerează că „structura universului pe cele mai mari scale de spațiu și timp” este la fel de fundamentală.

Giorgio Parisi: laureatul premiului Nobel ale cărui interese complexe se întind de la ochelari roti la grauri

Principiul zgomotului, care se conectează la preferința lui Palmer pentru modelele statistice față de derivație, surprinde ideea că o modalitate de a aborda modelarea sistemelor cu dimensiuni înalte este de a reduce dimensionalitatea acestora, adăugând simultan zgomot. Adăugarea de zgomot la un model permite unui cercetător să simplifice, dar și să respecte aproximativ adevărata dimensionalitate a problemei. Includerea zgomotului compensează, de asemenea, măsurătorile de calitate scăzută sau „ceea ce încă nu știm”. În capitolul 12, Palmer ia în considerare modul în care principiul zgomotului este folosit de natură însăși, sugerând (așa cum mulți au făcut-o) că sistemele neuronale precum creierul uman sunt în afacerea de a calcula cu modele de ordin inferior de zgomot din cele de ordin superior pentru a prognoza și adapta. la un cost de calcul mai mic.

Între timp, principiul ansamblului este ideea că, pentru a captura regularități în sisteme haotice sau cu dimensiuni înalte, un model trebuie rulat de mai multe ori pentru a cuantifica incertitudinea inerentă a prognozei. În capitolul 8, Palmer explorează utilitatea acestei abordări pe piețe și sisteme economice folosind munca de modelare bazată pe agenți a fizicianului. Doyne Farmer si altii. Capitolul 10 conectează abordarea prognozei ansamblu de inteligența colectivă și explorează cât de utilă este aceasta pentru luarea deciziilor privind politicile publice.

Cartea mi-a oferit o înțelegere mult mai bogată a haosului și m-a convins că nu ar trebui să fie retrogradat într-un colț în știința complexității.

Dacă am o nemulțumire cu cartea, este organizația. Palmer răspândește fundalul și justificarea pe prima și pe ultimele treimi ale cărții, așa că m-am trezit adesea răsturnând înainte și înapoi între acele părți. S-ar putea să fi servit mai bine cititorii prezentând mai întâi teoria în întregime înainte de a trece mai departe. Palmer ar fi trebuit, în opinia mea, să-și explice clar cele trei principii și legătura lor cu geometria, partea finală lăsând aplicațiile să fie în centrul atenției.

Cu toate acestea, am găsit cartea provocatoare și ideile ei pline de satisfacție. Cu siguranță, mi-a oferit o înțelegere mult mai bogată a haosului și m-a convins că nu ar trebui să fie retrogradat într-un colț în știința complexității. Mă aștept că cartea lui Palmer va fi plină de satisfacții pentru cititorii care sunt interesați de structura matematică a haosului, de ideea că universul are un limbaj natural sau de ideea că există principii care unifică fizica și biologia.

De asemenea, cititorii care doresc doar să știe cum poate ajuta haosul să prezică piețele financiare sau climatul mondial ar trebui să-l considere util.

• 2022 Oxford University Press/Basic Books 320 pp 24.95 GBP/18.95 USD

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Împuterniciți-vă. Accesați Aici.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Mediu inconjurator, Solar, Managementul deșeurilor. Accesați Aici.
• PlatoHealth. Biotehnologie și Inteligență pentru studii clinice. Accesați Aici.
• Sursa: https://physicsworld.com/a/could-the-geometry-of-chaos-be-fundamental-to-the-behaviour-of-the-universe/