Archive for July, 2014

ВСИЧКО ЛИ Е НАПРАВЕНО ОТ ЧИСЛА?

Фактът, че светът около нас може да бъде описан математически ни казва нещо дълбокомислено, казва Аманда Гефтер.

Когато Алберт Айнщайн накрая завършва общата теория на относителността през 1916 г., той поглежда уравненията и открива едно неочаквано съобщение: Вселената се разширява.

Айнщайн не вярва, че физическата Вселена може да се разширява или свива, така че той игнорира това, което уравненията му казват. Но 30 години по-късно Едуин Хъбъл открива ясно доказателство за разширението на Вселената. Така че Айнщайн пропуска възможността да направи най-драматичното научно пророчество в историята.

Как обаче уравнението на Айнщайн “узнава“,  че Вселената се разширява, а той не разбира? Ако ли математиката не е нещо повече от език, който използваме, за да описваме света и при това език- изобретение на човешката мисъл, как е възможно да изкара наяве нещо отвъд това, което е заложено като замисъл в него? “Трудно е да се избегне впечатлението, че срещу нас има чудо“, пише физикът Юджийн Уигнър в класическия си труд – “Неприемливата ефективност на математиката в естествените науки”.

Далновидността на математиката изглежда не по-малко чудата и в наши дни. В Големият Адронен Колайдер при ЦЕРН, в околностите на Женева в Швейцария, физиците наскоро потвърдиха съществуването на частица, която беше спорно открита преди 48 години криеща се в уравнения от физика на частиците. Как е възможно математиката да “знае” относно частиците на Хигс или някои други особености на физичната реалност? “Може би защото математиката е реалност“, казва физика Брайън Грийн от Колумбийския Университет в Ню Йорк. Може би дори ако се заровим достатъчно дълбоко, ще  открием, че физичните обекти като маси, столове са като цяло не изградени от частици или връзки, а от числа.

“Това са много сложни въпроси”, казва научния философ Джеймс Лейдиман от Университета в Бристъл, Великобритания, “но може би е по-малко подвеждащо да се каже, че Вселената е направена математически, вместо да кажем, че е изградена от материя.” Трудно е, разбира се. Какво значи да кажеш, че Вселената е “направена от математика” ?

Една очевидна стартова точка е да запитаме от какво е направена математиката. Покойният физик Джон Уелър казваше,  че “основата на всички математики е 0=0”. Всички математически структури могат да бъдат определени от нещо наричано “празно множество“, множество което не съдържа елементи. Да кажем, че това множество съответства на нула; можете да дефинирате числото 1 като множество, което съдържа единствено празно множество, 2 като множество съдържащо множество съответстващо на 0 и 1 и т.н. “Продължавай да отваряш гнездо след гнездо в нищото подобно на руски матрьошки и евентуално цялата математика ще се появи.” Математикът Ян Стюарт от Университета в Уоруик, Великобритания, нарича това –  “ужасяващата тайна на математиката: всичко  се базира на нищо.”  Реалността може да бъде сведена до математика, но математиката може да бъде сведена само до нищо.

Това може да бъде абсолютния ключ към съществуването – все пак Вселена направена от нищо не изисква и обяснение. Разбира се математическите структури не изглежда да се нуждаят изобщо  от физическо начало”. Додекаедъра не беше никога създаван”, казва Макс Тегмарк от МИТ. “За да бъде създадено нещо, то първо трябва да не съществува във времето и пространството и след това трябва да съществува“. Додекаедъра не съществува в пространствено-времевия континуум като цяло, той съществува независимо от тях, продължава Макс. “Времето и пространството сами по себе си са запълнени с по-големи математически структури“, добавя той; те не могат да бъдат създадени или разрушени.

Това обаче повдига и следващия голям въпрос: защо Вселената е изградена само от някаква част от достъпната математика? “Има доста математика там“, казва Грийн. “В наши дни само тънък отрязък от математиката има реализация във физическия свят. Издърпайте произволна книга по математика от лавицата и ще видите, че повечето от уравненията вътре не кореспондират на никакви физични обекти или физични процеси.” Истина е, че колкото и математиката да изглежда мистериозна и нефизична, понякога и тя има връзка с реалния свят. Имагинерните числа за пример бяха някога считани за тотално заслужаващи името си, но сега се използват,  за да се описва поведението на елементарните частици;  не-Евклидовата геометрия евентуално се проявява като гравитация в този контекст.
Дори и така, тези феномени представляват малка част от цялата математика. Не бързайте толкова, казва Тегмарк. “Аз вярвам, че физическото съществуване и математическото съществуване са едно и също нещо, така че ако някоя структура съществува математически, тя също е реална“. А какво тогава можем да кажем за математиката, която нашата Вселена не използва? “Другите математически структури кореспондират на други Вселени“, допълва Марк. Той нарича това: “Мултивърс от 4-то ниво“, който е много по-странен от мултивърсите, които космолозите често дискутират. Техните обичайни мултивърси са управлявани от същите математически правила като нашата Вселена, но Мултивърса от 4-то ниво на Тегмарк оперира с напълно различна математика.

Всичко това звучи странно, но хипотезата, че физичната реалност е в основата си математическа минава на всеки тест, на който е подложена. “Ако физиката срещне препятствие по пътя си, след което се разбира, че не може да продължи, ние можем и да открием, че природата не може да бъде обхваната математически“, казва Тегмарк. “Но пък е наистина забележително, че това не се случва. Още Галилео казва, че книгата на природата е написана на езика на математиката, и това – близо 400 години преди нашето време.” И ако реалността, не е в дъното си математика, то какво е? “Може би някой ден ще открием извънземна цивилизация и ще им покажем това, което сме открили по отношение на Вселената“, казва Грийн. “А те ще кажат: ‘Аааа, математика, ние това го опитахме. Ще ви откара само до едно място. Ей това тук е истинското нещо’, а Какво ли ще бъде то? Трудно е да си представим. Нашето разбиране за фундамента на реалността е в твърде ранна възраст.”

Назад към част 4                                                                                                                                      Напред към част 6

n00bscientist.wordpress.com agrees to indemnify RBI and New Scientist against any claim arising from incorrect or misleading translation.

Advertisements

ФУНДАМЕНТЪТ НА ВСИЧКО

Нашето основно разбиране за материята и енергията е впечатляващо, но то поддава при опит да изградим цялостна теория за реалността, казва Валери Джеймисън

Е ли всичко реално? Въпросът изглежда привлича един-единствен отговор: Разбира се, че е.  Ако ли имате съмнения, то просто ритнете камък. И оставяйки настрана въпроса дали на сетивата ни може да се вярва, какво всъщност ритате?  Когато се сведе до дъно – всъщност не много.  Науката се нуждае от забележително малко съставки, които да опише като камък: шепа подходящи частици, сили които да управляват взаимодействията им плюс няколко правила заложени от квантовата механика.

Това изглежда като твърд захват към реалността, но той бързо започва да се усеща като неоснователен такъв. Ако хванете и разпрашите камък ще откриете, че основните му съставки са атоми – може би 1000  трилиона трилиона от тях, в зависимост от размера на камъка. Атомите разбира се, са изградени от по-малки субатомни частици, основно протони и неутрони- те пък на свой ред са изградени от кварки, и електрони. Иначе казано, атомите (и ерго – камъните) са предимно празно пространство. Ако атом бъде мащабиран по начин такъв, че ядрото му да бъде с размера на Земята, то дистанцията до най-близкия му електрон ще бъде 2.5 пъти дистанцията между Земята и Слънцето. Помежду им като цяло – няма нищо. И ако толкова много от реалността е изградена от празно пространство, то какво дава на камъка и други обекти тяхната форма и размери?

Физиката няма проблем да даде отговор на този въпрос: електроните. Квантовите правила определят, че два електрона не могат да заемат едно и също квантово състояние. Последица от това е, че без значение колко упорито се опитвате, не можете да натъпкате два електрона заедно на едно и също място. “Електроните вършат цялата работа що се отнася до структурата на материята, която виждаме около нас“, казва физикът Шон Карол от Калифорнийският Технологичен Институт в Пасадена. Това естествено не значи, че ядрото е излишно. По-голяма част от масата на атома произлиза от протоните и неутроните и силите, които ги свързват заедно, което се изнася като процес от частици наречени глуони. И това всъщност е, което е – електрони, кварки (повечето от които от видовете – “горе” и “долу“) и глуони са отговорни за повечето от нещата около нас. Но не за всичко. И други основни съставки на реалността съществуват – 17 като цяло, които заедно изграждат стандартния модел на физиката на елементарните частици. Този модел е отговорен за огледалния свят на антиматерията с допълващия комплект античастици.

Някои частици от стандартния модел са познати като фотоните на светлината и различните неутрино преминаващи през нас идващи от Слънцето и други източници. Други, изглежда не са част от всекидневната реалност, включващо кварките от върха и дъното, както и електроно-подобните  тау-частици. “За да бъдем точни обаче – те не играят роля“, казва Пол Дейвис от Аризонския Университет в Темпи и продължава: “Някъде дълбоко навярно,  може би всички са свързани“. Това е така защото стандартният модел е по-скоро списък на частиците. Неговите основи лежат на разбирания като симетрията и груповата теория – един от примерите за мистериозната връзка между реалността и математиката.

particles

фиг.1 – Стандартният комплект изграждащ познатата ни реалност

Стандартният модел е спорен и дори странен за нещата, които не съдържа. Той не казва нищо за невидимата тъмна материя, която изглежда изгражда по-голямата част от материята във Вселената. Както и не казва нищо за тъмната енергия. Това са сериозни пропуски, когато считаш, че тъмната енергия и тъмната енергия заедно са съставна част на около 96% от Вселената. Така също е напълно неясно как стандартният модел се свързва с феномен, който е реален – като времето и гравитацията.

Така че стандартният модел в най-добрият случай е мъгляво приближение, включващ нещо, но не всичко, което изглежда се съдържа в физичната реалност, плюс парчета и частички, които не се.

Повечето физици биха се съгласили, че стандартният модел има сериозна нужда от ремонт. Той може би е най-добрият модел, с който разполагаме по отношение на реалността, но е твърде далече от това да покрива всичко.

Към част 1                                                                                                                Към част 3

 n00bscientist.wordpress.com agrees to indemnify RBI and New Scientist against any claim arising from incorrect or misleading translation.

РЕАЛНОСТТА

Posted: July 29, 2014 in New Scientist

Когато се събуди тази сутрин, ти откри света толкова голям колкото, когато го остави. Ти си беше ти; стаята в която се събуди беше същата, в която заспа. Външният свят не беше пренареден. Историята беше непроменена и бъдещето – все така непознато. С други думи – ти се събуди в реалността. Но какво е реалността? Изненадващо трудно да се определи с думи. Дори дефинирането и е сложно. Каквото всъщност е реалността, не е това, което всъщност изглежда…

ДЕФИНИРАЙКИ РЕАЛНОСТТА

reality1

Какво точно имаме предвид под реалност, пита Ян Вестерхоф? Праволинейният отговор е, че така означаваме всичко, което се показва пред петте ни сетива – всичко онова, което можем да видим, помиришем, докоснем и т.н. И да, този отговор игнорира някои проблемни единици като електроните,  рецесията и числото 5, които ние не можем да усетим, но които са доста истински. Така също този отговор елиминира фантомните крайници и въображаемите миризми. Последните две могат да възникнат ослепително истински, но ние бихме казали, че те просто не са част от реалността.

Можем всъщност да изкривим дефиницията посредством уеднаквяване на реалността, с това което възниква като такава пред достатъчно голяма група хора, елиминирайки по такъв начин субективните халюцинации. За нещастие има халюцинации преживявани от големи групи индивиди, като масовата заблуда известна като “коро”, главно наблюдавана в Югоизточна Азия, която фактически включва убеждението, че гениталиите се свиват обратно в тялото на човека. Но това че множество хора вярват в нещо, не го прави реално по никакъв начин.

Друг съществен белег на реалността, върху който можем да се фокусираме е съпротивата, която тя ни оказва: както писателя-фантаст Филип К. Дик го дефинира – реалността е това, в което ако спреш да вярваш то не изчезва. Нещата които си измисляме дават храна на желанията и това което искаме, но реалността е упорита. И само защото аз вярвам, че пред мен има поничка със сладко, това не означава че има такава реална. Но отново тази дефиниция е проблемна. Нещата, които не искаме да отнесем като реални могат също да бъдат неподатливи, както знае всеки, който е бил по средата на кошмар посред нощ. И някои неща, които са реални, ката стоковата борса например, не се покриват от това определение, защото ако всеки спре да вярва в тях, те ще спрат да съществуват.

Има две дефиниции за реалност, които са до голяма степен успешни. Първата уравновесява реалността със света около нас, света недокоснат от човешки желания и намерения. Според тази дефиниция много от нещата, които отнасяме като реални – езиците, войните, финансовите кризи – са нещо, което не съществува. Но пък е солидна основа, тъй като елиминира човешкият субективизъм от картината.

Втората дефиниция слага знака за равенство между реалността и най-фундаменталните неща, от които всичко зависи. В материалният свят, молекулите зависят от изграждащите ги атоми, атомите от електроните и ядрото, което на свой ред е зависимо от протоните и неутроните и т.н.  В тази йерархия, всяко ниво е в зависимост от онова под него, по този начин можем да дефинираме реалността като изградена от някакъв обект, който седи на дъното във веригата от зависимости и по тази начин не зависи от нищо друго.

Тази дефиниция всъщност е дори по-рестриктивна, отколкото “светът без нас”, тъй като неща като планината Еверест не се считат за част от реалността; реалността е ограничена до непознати основи, от които целия свят зависи. Дори и по този начин, когато изучаваме дали нещо е реално или не е, тези две очертани дефиниции са това, което трябва да имаме предвид. Част 2.

n00bscientist.wordpress.com agrees to indemnify RBI and New Scientist against any claim arising from incorrect or misleading translation.

Един от най-значимите моменти в живота е, когато като деца, за първи път открием тази малка, но невероятно мощна думичка – “защо ?“. И това е това, което ни отличава като вид. Ние не сме толкова Homo sapiens, колкото Homo curiosum. Не е трудно да си представим нашите далечни предци гледащи към звездите, наблюдавали смяната на сезоните или държащи новороденото си чудейки се всъщност: Защо?

Любопитството ни не знае граници и е извървяло с нас дълъг път – от саваните на Източна Африка до доминация на планетата, дори и отвъд.

По-голямата част от прогреса се е случил през последните 300 години, благодарение на въвеждането на системния начин на задаване на въпроси и отговарянето им. Този метод наричаме наука и той ни предоставя постоянно плодовете си. Но ние все още копнеем да знаем: Защо. Има толкова много, от това което не разбираме и всяко ново откритие отваря куп нови въпроси.

n00bscientist.wordpress.com agrees to indemnify RBI and New Scientist against any claim arising from incorrect or misleading translation.