Categorieën
Astronomie

Het einde van de theoretische fysica zoals wij die kennen.

*Martin Knops:

Dit Artikel van Sabine Hossenfelder geeft m.i. een goed beeld hoe onze wetenschap, m.n. de theoretische fysica, momenteel onderzoek doet.

* Een citaat uit het artikel dat dit mooi weergeeft:

” Maar voor mij is het meest interessante aspect van deze ontwikkeling dat het uiteindelijk de manier waarop we natuurkunde beoefenen, verandert. Bij kwantumsimulaties is het wiskundige model van ondergeschikt belang. We gebruiken momenteel de wiskunde om een geschikt systeem te identificeren, omdat de wiskunde ons vertelt naar welke eigenschappen we moeten zoeken. Maar dat is strikt genomen niet nodig. Misschien zullen experimentalisten in de loop van de tijd gewoon leren welk systeem aan welk ander systeem is toegewezen, omdat ze hebben geleerd welk systeem aan welke wiskunde is gekoppeld. Misschien zullen we op een dag, in plaats van berekeningen te doen, alleen observaties van vereenvoudigde systemen gebruiken om voorspellingen te doen.

Ik ben er zeker van dat de meeste van mijn collega’s op dit moment geschokt zouden zijn door deze toekomstvisie. Maar volgens mij is het bouwen van een vereenvoudigd model van een systeem in het laboratorium conceptueel niet zo verschillend van wat natuurkundigen al eeuwen doen: vereenvoudigde modellen van fysische systemen opschrijven in de taal van de wiskunde.”

Zie ook de artikelen die dezelfde benadering hebben:

Er zijn geen natuurkundige wetten. Er is alleen het landschap. (Robbert Dijkgraaf)

Frontier of Physics: Interactive Map | Quanta Magazine


Hieronder het volledige artikel van Sabine Hossenfelder:

Computersimulaties en op maat gemaakte kwantumanalogen veranderen wat het betekent om naar de natuurwetten te zoeken.

Theoretische fysica heeft de reputatie ingewikkeld te zijn. Ik ben het er niet mee eens. Dat we natuurwetten überhaupt in wiskundige vorm kunnen opschrijven, betekent dat de wetten waarmee we te maken hebben eenvoudig zijn – veel eenvoudiger dan die van andere wetenschappelijke disciplines.

Helaas is het oplossen van die vergelijkingen vaak niet zo eenvoudig. We hebben bijvoorbeeld een prima theorie die de elementaire deeltjes quarks en gluonen beschrijft, maar niemand kan berekenen hoe ze samenkomen om een proton te maken. De vergelijkingen kunnen gewoon niet worden opgelost met bekende methoden. Evenzo kan een samensmelting van zwarte gaten of zelfs de stroom van een bergstroom in bedrieglijk eenvoudige bewoordingen worden beschreven, maar het is afschuwelijk moeilijk om te zeggen wat er in een bepaald geval gaat gebeuren.

Natuurlijk verleggen we onophoudelijk de grenzen, op zoek naar nieuwe wiskundige strategieën. Maar in de afgelopen jaren is veel van het pushen niet afkomstig van meer geavanceerde wiskunde, maar van meer rekenkracht.

Toen de eerste wiskundige software in de jaren tachtig beschikbaar kwam, deed het niet veel meer dan iemand een zoektocht besparen door enorme gedrukte lijsten met opgeloste integralen. Maar zodra natuurkundigen computers binnen handbereik hadden, realiseerden ze zich dat ze de integralen niet meer hoefden op te lossen, maar gewoon de oplossing konden uitzetten.

In de jaren negentig waren veel natuurkundigen tegen deze “plot it” -benadering. Velen waren niet getraind in computeranalyse en soms konden ze fysieke effecten niet onderscheiden van coderingsartefacten. Misschien is dit de reden waarom ik me veel seminars herinner waarin een resultaat werd gedegradeerd tot ‘louter numeriek’. Maar in de afgelopen twee decennia is deze houding duidelijk veranderd, niet in de laatste plaats dankzij een nieuwe generatie natuurkundigen voor wie codering een natuurlijke uitbreiding is van hun wiskundige vaardigheid.

Dienovereenkomstig heeft de theoretische fysica nu veel subdisciplines gewijd aan computersimulaties van systemen uit de echte wereld, studies die op geen enkele andere manier mogelijk zouden zijn. Computersimulaties zijn wat we nu gebruiken om de vorming van sterrenstelsels en supergalactische structuren te bestuderen, om de massa van deeltjes te berekenen die zijn samengesteld uit verschillende quarks, om erachter te komen wat er gebeurt bij de botsing van grote atoomkernen en om zonnecycli te begrijpen, om maar een paar onderzoeksgebieden te noemen die voornamelijk computergebaseerd zijn.

De volgende stap van deze verschuiving, weg van puur wiskundige modellering, is al onderweg: natuurkundigen ontwerpen nu laboratoriumsystemen op maat die in de plaats komen van andere systemen die ze beter willen begrijpen. Ze observeren het gesimuleerde systeem in het lab om conclusies te trekken over en voorspellingen te doen over het systeem dat het vertegenwoordigt.

Het beste voorbeeld is wellicht het onderzoeksgebied dat ‘kwantumsimulaties’ wordt genoemd. Dit zijn systemen die zijn samengesteld uit op elkaar inwerkende, samengestelde objecten, zoals wolken van atomen. Natuurkundigen manipuleren de interacties tussen deze objecten zodat het systeem lijkt op een interactie tussen meer fundamentele deeltjes. In circuitkwantumelektrodynamica gebruiken onderzoekers bijvoorbeeld minuscule supergeleidende circuits om atomen te simuleren en bestuderen ze vervolgens hoe deze kunstmatige atomen interageren met fotonen. Of in een laboratorium in München gebruiken natuurkundigen een supervloeistof van ultrakoude atomen om het debat te beslechten over de vraag of Higgs-achtige deeltjes in twee dimensies van de ruimte kunnen bestaan (het antwoord is ja).

Deze simulaties zijn niet alleen nuttig om wiskundige hindernissen te overwinnen in theorieën die we al kennen. We kunnen ze ook gebruiken om de gevolgen te onderzoeken van nieuwe theorieën die nog niet eerder zijn bestudeerd en waarvan we de relevantie nog niet kennen.

Dit is vooral interessant als het gaat om het kwantumgedrag van ruimte en tijd zelf – een gebied waar we nog steeds geen goede theorie hebben. In een recent experiment, bijvoorbeeld, gebruikten Raymond Laflamme, een natuurkundige aan het Institute for Quantum Computing van de Universiteit van Waterloo in Ontario, Canada, en zijn groep een kwantumsimulatie om zogenaamde spinnetwerken te bestuderen, structuren die in sommige theorieën , vormen het fundamentele weefsel van ruimte-tijd. En Gia Dvali, een natuurkundige aan de Universiteit van München, heeft een manier voorgesteld om de informatieverwerking van zwarte gaten met ultrakoude atoomgassen te simuleren.

Een soortgelijk idee wordt nagestreefd op het gebied van analoge zwaartekracht, waar natuurkundigen vloeistoffen gebruiken om het gedrag van deeltjes in zwaartekrachtvelden na te bootsen. De ruimtetijden van het zwarte gat hebben de meeste aandacht getrokken, zoals met de (nog steeds enigszins controversiële) bewering van Jeff Steinhauer dat hij Hawking-straling heeft gemeten in een analoog met een zwart gat. Maar onderzoekers hebben ook de snelle expansie van het vroege universum, “inflatie” genoemd, bestudeerd met vloeibare analogen voor zwaartekracht.

Bovendien hebben natuurkundigen hypothetische fundamentele deeltjes bestudeerd door stand-ins te observeren die quasi-deeltjes worden genoemd. Deze quasi-deeltjes gedragen zich als fundamentele deeltjes, maar komen voort uit de collectieve beweging van vele andere deeltjes. Door hun eigenschappen te begrijpen, kunnen we meer over hun gedrag te weten komen en kunnen we daardoor ook manieren vinden om het echte werk te observeren.

Deze onderzoekslijn roept een aantal grote vragen op. Allereerst, als we kunnen simuleren wat we nu als fundamenteel beschouwen door samengestelde quasi-deeltjes te gebruiken, dan is misschien wat we momenteel als fundamenteel beschouwen – ruimte en tijd en de 25 deeltjes waaruit het standaardmodel van deeltjesfysica bestaat – verzonnen van een onderliggende structuur. Kwantumsimulaties doen ons ook afvragen wat het betekent om om te beginnen het gedrag van een systeem uit te leggen. Is het observeren, meten en voorspellen door middel van een vereenvoudigde versie van een systeem een verklaring?

Maar voor mij is het meest interessante aspect van deze ontwikkeling dat het uiteindelijk de manier waarop we natuurkunde beoefenen, verandert. Bij kwantumsimulaties is het wiskundige model van ondergeschikt belang. We gebruiken momenteel de wiskunde om een geschikt systeem te identificeren, omdat de wiskunde ons vertelt naar welke eigenschappen we moeten zoeken. Maar dat is strikt genomen niet nodig. Misschien zullen experimentalisten in de loop van de tijd gewoon leren welk systeem aan welk ander systeem is toegewezen, omdat ze hebben geleerd welk systeem aan welke wiskunde is gekoppeld. Misschien zullen we op een dag, in plaats van berekeningen te doen, alleen observaties van vereenvoudigde systemen gebruiken om voorspellingen te doen.

Ik ben er zeker van dat de meeste van mijn collega’s op dit moment geschokt zouden zijn door deze toekomstvisie. Maar volgens mij is het bouwen van een vereenvoudigd model van een systeem in het laboratorium conceptueel niet zo verschillend van wat natuurkundigen al eeuwen doen: vereenvoudigde modellen van fysische systemen opschrijven in de taal van de wiskunde.


Sabine Hossenfelder

Quantum Magazine.org

Een vaste column waarin toponderzoekers het ontdekkingsproces verkennen. De columniste van deze maand, Sabine Hossenfelder, is een theoretisch natuurkundige aan het Frankfurt Institute for Advanced Studies in Frankfurt, Duitsland. Ze is de auteur van Lost in Math: How Beauty Leads Physics Astray

Gerelateerd:

  1. The Universe Is Not a Simulation, but We Can Now Simulate It
  2. What Makes the Hardest Equations in Physics So Difficult?
  3. What Sonic Black Holes Say About Real Ones
  4. Can Analogies Reveal the Laws of Physics?
  5. Black Hole Echoes Would Reveal Break With Einstein’s Theory

Geef een reactie

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit /  Bijwerken )

Google photo

Je reageert onder je Google account. Log uit /  Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit /  Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit /  Bijwerken )

Verbinden met %s

Deze site gebruikt Akismet om spam te bestrijden. Ontdek hoe de data van je reactie verwerkt wordt.