Je lahko geometrija kaosa temeljna za obnašanje vesolja? – Svet fizike

Dvom, če smo to mi
Pomaga osupljivemu umu
V skrajni tesnobi
Dokler ne najde podlage –

 Neresničnost je posojena,
Usmiljeni Mirage
To omogoča življenje
Medtem ko ustavi življenja.

V svojem tipično hudomušnem slogu ameriška pesnica 19. st Emily Dickinson čudovito zajame paradoks dvoma. Njena pesem opominja, da sta po eni strani rast in sprememba odvisni od dvoma. A po drugi strani dvom tudi paralizira. V svoji novi knjigi Primarnost dvoma, fizik Tim Palmer razkriva matematično strukturo dvoma, ki podpira ta paradoks.

Palmer, ki dela na Univerzi v Oxfordu v Združenem kraljestvu, se je izobraževal na področju splošne relativnostne teorije, vendar je večino svoje kariere porabil za razvoj robustnega “ansambelska napoved” za napovedovanje vremena in podnebja. Koncept dvoma, ki je osrednjega pomena za napovedovanje, je nepresenetljivo prevladoval Palmerjevo intelektualno življenje. Primarnost dvoma je poskus pokazati, da obstaja globoka povezava med dvomom in kaosom, ki je zakoreninjena v osnovni fraktalni geometriji kaosa. Predlaga, da prav ta geometrija pojasnjuje, zakaj je dvom prvinski v naših življenjih in širše v vesolju.

Provokativen predlog Tima Palmerja je, da ima geometrija kaosa vlogo tudi v kvantni fiziki – in da bi lahko bila celo temeljna lastnost vesolja.

Običajno domnevamo, da se kaos – ker je nelinearen pojav – pojavlja na mezoskopskih in makroskopskih lestvicah, saj je Schrödingerjeva enačba, ki opisuje obnašanje kvantnih sistemov, linearna. Palmerjev provokativen predlog pa je, da ima geometrija kaosa vlogo tudi v kvantni fiziki – in da bi lahko bila celo temeljna lastnost vesolja.

Preden dekonstruiramo Palmerjevo tezo, se spomnimo, da se kaos – izraz, ki ga pogovorno uporabljamo za opis »norih«, neurejenih dogodkov – s tehničnega vidika nanaša na sistem, ki kaže neponavljajoče se, časovno ireverzibilno vedenje, občutljivo na začetne pogoje. Pionir je bil ameriški matematik in meteorolog Edvard Lorenz, je bil kaos predmet številnih knjig, od katerih so številne obravnavale njegove slavne tri enačbe, ki ga opisujejo in učinek metulja. Kar ločuje Palmerjevo knjigo od drugih, je njen poudarek na Lorenzovem manj znanem odkritju – geometriji kaosa – in njegovih posledicah za razvoj vesolja.

Negotovost v vseh oblikah

Tudi če je Palmerjeva teza napačna, je knjiga koristen opomin na različne vrste negotovosti – kot so nedoločenost, stohastičnost in deterministični kaos – od katerih ima vsaka svoje posledice za predvidljivost, posredovanje in nadzor. Primarnost dvoma bo zato uporaben tako za znanstvenike kot za neznanstvenike, glede na našo težnjo, da enačimo negotovost le s stohastičnostjo.

Vendar cilj knjige ni zagotoviti taksonomijo negotovosti ali biti vodnik za ravnanje z njo v podnebnih spremembah, pandemijah ali borzi (čeprav so vse te teme zajete). Palmer je veliko bolj ambiciozen. Predstaviti želi svojo idejo – razvito v več raziskovalnih člankih – da je geometrija kaosa temeljna lastnost vesolja, iz katere izhaja več organizacijskih principov.

Palmerjeva teza temelji na uspešnem dokazovanju, da je Schrödingerjeva enačba – ki opisuje valovno funkcijo v kvantni mehaniki – skladna z geometrijo kaosa kljub temu, da je enačba linearna. Natančneje, Palmer nakazuje, da obstaja fizična povezava med skritimi spremenljivkami delca in načinom, kako delec registrirajo ali zaznavajo drugi delci in merilne naprave, posredovano prek matematičnih lastnosti fraktalne geometrije.

V dveh poglavjih (2 in 11) Palmer opisuje, zakaj ta razlaga ni "niti zarotniška niti namišljena". Palmer na primer poudarja, da obstajata dve vrsti geometrij – evklidska in fraktalna –, pri čemer ima slednja prednost, da sprejme nasprotno faktografsko nedoločenost kvantne mehanike in zapletenosti, ne da bi zahtevala strašljivo dejanje na daljavo, kar je kontroverzna ideja v fiziki. skupnosti.

Če je Palmerjevo preoblikovanje pravilno, bi to prisililo fizike, da ponovno razmislijo o Einsteinovem argumentu – ki je izhajal iz njegovega spora z Nielsom Bohrom o tem, ali je kvantna negotovost epistemična (Einstein) ali ontološka (Bohr) – da je vesolje skupek determinističnih svetov. Z drugimi besedami, Palmer pravi, da ima naše vesolje veliko možnih konfiguracij, toda tisto, ki jo vidimo, je najbolje opisati kot kaotičen dinamičen sistem, ki ga upravlja fraktalna dinamika.

Ideja, ki jo je Palmer predstavil kot eno od dveh domnev v knjigi, implicira, da ima vesolje naravni jezik in strukturo. Po njegovem mnenju to pomeni, da realizirana konfiguracija vesolja ni 1D krivulja, kot se običajno domneva. Namesto tega je bolj podoben vrvi ali vijačnici trajektorij, zvitih skupaj, pri čemer vsaka vijačnica daje še manjše vijačnice in vsaka skupina vrvi ustreza izidu meritve v kvantni mehaniki.

Z drugimi besedami, "živimo" na teh nitih v fraktalnem prostoru in ta geometrija sega vse do kvantne ravni. Ta ideja, da je vesolje dinamičen sistem, ki se razvija na fraktalnem atraktorju, ima več zanimivih posledic. Na žalost Palmer dela medvedjo uslugo svojim bralcem (in lastnim idejam) s tem, da razprši implikacije po celotnem besedilu, namesto da bi jih eksplicitno razdelil v načela, za katera mislim, da so.

Štirje principi

Najvidnejši med njimi je tisto, kar bi lahko imenovali "načelo pojava". V bistvu je Palmer naklonjen statističnemu razmišljanju, namesto da bi vedenje na makro ravni izpeljal iz prvih načel ali mehanizmov, za katere meni, da so pogosto nerešljivi in ​​zato napačno vodeni. To je pogled, ki deloma izhaja iz Palmerjeve kariere, v kateri je razvijal ansambelski pristop k napovedovanju vremena, vendar je tudi smiseln, če ima vesolje fraktalno strukturo.

Če želite razumeti, zakaj, upoštevajte naslednje. Pogoji, pod katerimi je mogoče modelirati makroskalo brez uporabe mikroskalice, vključujejo dva nasprotna konca spektra. Eden je, ko je makroskala zaslonjena (na primer neobčutljivost na nihanja in motnje na mikroskali zaradi, recimo, ločitve časovne skale). Drugi je, ko v nekem smislu dejansko ni ločitve zaradi nespremenljivosti merila (ali samopodobnosti), kot v primeru fraktalov.

V obeh primerih je izpeljava makroskale iz mikroskale potrebna samo za prikaz, da je makroskopska lastnost temeljna in ne rezultat pristranskosti opazovalca. Ko ta pogoj velja, lahko stvari na mikrorazsežnosti dejansko prezremo. Z drugimi besedami, statistični opisi na makro ravni postanejo močni tako za napovedovanje kot za razlago. 

Vprašanje je pomembno za gorečo, dolgotrajno razpravo v številnih vejah znanosti – kako daleč moramo iti navzdol, da napovemo in razložimo vesolje na vseh ravneh? Knjigi bi dejansko koristila razprava o tem, kdaj se pričakuje, da geometrija kaosa naredi izpeljavo nepomembno in kdaj ne. Navsezadnje vemo, da je za nekatere sisteme mikroskala pomembna tako za napovedovanje kot za razlago – ustrezni grobo zrnati opisi znotrajceličnega metabolizma lahko vplivajo na tekmovanje med vrstami, tako kot lahko izidi spopadov med opicami spremenijo strukturo moči.

Druga zanimiva načela, ki jih destilira Palmer (brez izrecnega poimenovanja), vključujejo tisto, kar imenujem "načelo ansambla", "načelo hrupa" in načelo "primarnosti brez lestvice". Slednje v bistvu pravi, da se moramo izogibati enačenju temeljnega z majhnimi lestvicami, kot se pogosto dogaja v fiziki. Kot poudarja Palmer, če želimo razumeti naravo osnovnih delcev, fraktalna narava kaosa nakazuje, da je "struktura vesolja na največjih lestvicah prostora in časa" prav tako temeljna.

Giorgio Parisi: dobitnik Nobelove nagrade, čigar zapleteni interesi segajo od očal do škorcev

Načelo šuma, ki se povezuje nazaj s Palmerjevo prednostjo statističnim modelom pred izpeljavo, zajema idejo, da je eden od načinov pristopa k modeliranju visokodimenzionalnih sistemov zmanjšanje njihove dimenzionalnosti ob hkratnem dodajanju šuma. Dodajanje hrupa modelu omogoča raziskovalcu, da poenostavi, a tudi približno upošteva pravo dimenzionalnost problema. Vključitev šuma kompenzira tudi nizkokakovostne meritve oziroma »česar še ne vemo«. V 12. poglavju Palmer razmišlja o tem, kako načelo hrupa uporablja narava sama, in nakazuje (kot mnogi že), da so nevronski sistemi, kot so človeški možgani, v poslu računanja z modeli hrupa nižjega reda iz modelov višjega reda, da bi napovedovali in se prilagajali z nižjimi računskimi stroški.

Načelo ansambla pa je zamisel, da je treba za zajem pravilnosti v kaotičnih ali visokodimenzionalnih sistemih model večkrat zagnati, da se količinsko opredeli inherentna negotovost napovedi. V 8. poglavju Palmer raziskuje uporabnost tega pristopa na trgih in ekonomskih sistemih z uporabo fizikovega modeliranja, ki temelji na agentih. Doyne Farmer in drugi. Poglavje 10 povezuje pristop ansambelske napovedi s kolektivno inteligenco in raziskuje, kako uporabna je za sprejemanje odločitev o javni politiki.

Knjiga mi je dala veliko bogatejše razumevanje kaosa in me prepričala, da ga ne bi smeli potisniti v kot znotraj znanosti o kompleksnosti.

Če imam težave s knjigo, je to organizacija. Palmer razširi ozadje in utemeljitev po prvi in ​​zadnji tretjini knjige, tako da sem se pogosto zalotil, da brskam naprej in nazaj med temi deli. Morda bi bralcem bolje služil, če bi najprej v celoti predstavil teorijo, preden bi nadaljeval. Palmer bi potem moral po mojem mnenju jasno opisati svoja tri načela in njihovo povezavo z geometrijo, pri čemer bi zadnji del pustil aplikacijam osrednjo vlogo.

Kljub temu se mi je zdela knjiga provokativna in njene ideje koristne za razmišljanje. Zagotovo mi je dalo veliko bogatejše razumevanje kaosa in me prepričalo, da ga ne bi smeli potisniti v kot znotraj znanosti o kompleksnosti. Pričakujem, da bo Palmerjeva knjiga nagrajevala bralce, ki jih zanima matematična struktura kaosa, ideja, da ima vesolje naravni jezik, ali ideja, da obstajajo načela, ki združujejo fiziko in biologijo.

Enako bi se moralo zdeti koristno tudi bralcem, ki želijo vedeti, kako lahko kaos pomaga pri napovedovanju finančnih trgov ali svetovnega podnebja.

• 2022 Oxford University Press/Basic Books 320 str 24.95 £/18.95 $ hb

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• PlatoESG. Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/could-the-geometry-of-chaos-be-fundamental-to-the-behaviour-of-the-universe/