"فیزیک معکوس" می تواند به پل زدن جهان های کلاسیک و کوانتومی کمک کند

آیا می توانیم فیزیک را معکوس کنیم و به نظریه همه چیز برسیم؟

یک راز آشکار در فیزیک وجود دارد. حتی زمانی که تئوری های ما به خوبی کار می کنند - و برخی از آنها قرن ها به شدت مورد آزمایش قرار گرفته اند - ما همیشه آنها را به طور کامل درک نمی کنیم. ما با شواهد تجربی شروع می‌کنیم، سپس مدل‌ها و نظریه‌های ریاضی می‌سازیم، آنها را آزمایش می‌کنیم و با آزمایش‌های بیشتری به‌روزرسانی می‌کنیم و امیدواریم که همه چیز جمع شود. اغلب، این کار را می کند. اما اگر یک ریاضیدان بپرسد نظریه‌ای که ما به این روش ساخته‌ایم چیست - یعنی اینکه چه نوع اشیاء ریاضی کاملا مشخصی از آن تشکیل شده است - این سؤالی نیست که محققان همیشه بتوانند به طور کامل به آن پاسخ دهند.

گابریل کارکاسی از دانشگاه میشیگان می‌گوید: «احساس بسیاری از فیزیکدانان این است که اینها جزئیات ریاضی هستند و واقعا فیزیک نیستند، بنابراین وظیفه آنها درست کردن آنها نیست. اما اگر بخواهیم با بزرگ‌ترین مشکلات فیزیک، مانند ازدواج مکانیک کوانتومی با نسبیت عام برای تولید نظریه گرانش کوانتومی، مقابله کنیم، ممکن است مجبور شویم راه دیگری را اتخاذ کنیم.

اینجاست که برنامه "فیزیک معکوس" وارد می شود. این پروژه اشتیاق کارکاسی است: او روزهای خود را صرف تلاش برای قرار دادن فیزیک بر روی مبانی دقیق، دقیق و معنی دار ریاضی می کند. او در حال ترسیم پلی است که باید بتوانید پیاده روی کنید تا ریاضیات و فیزیک را به طور کامل به هم متصل کنید. کارکاسی آن را اینگونه بیان می کند: «وقتی ریاضیات از مفروضات فیزیکی درست مشتق شوند، مفروضات فیزیکی را می توان از ریاضیات استخراج کرد.»

مانند بسیاری از فیزیکدانان، من یاد نگرفتم که اینگونه فکر کنم. تمام مفاهیمی که به من آموزش داده شد از فیزیک می‌آمدند، مانند میدان‌ها یا نیروها یا حتی برش‌هایی از فضا-زمان، سپس به اندازه کافی درباره اینکه آنها از نظر ریاضی چه هستند یاد می‌گرفتم تا بدانم کدام معادلات رفتار آنها را پیش‌بینی می‌کنند. اگر از من بخواهید یک شی ریاضی به نام منیفولد لورنتزی را تعریف کنم، واقعا مطمئن نیستم که بتوانم، با این حال تصویر ذهنی نسبتا خوبی از چیز فیزیکی که آن را نشان می دهد دارم: فضا-زمان به عنوان تار و پود واقعیت.

مهندسی معکوس یک نظریه تغییر فضا-زمان، اساسا نظریه نسبیت عام، از ایده هایی مانند منیفولدهای لورنتسی و سایر اجزای ریاضی، مطمئنا در طول تحصیلم در رادار من قرار نگرفته بود.

اما کارکاسی و همکارانش در پروژه فرضیات فیزیک می خواهند این تعاریف معادل و دو طرفه را برای چیزی کمتر از همه فیزیک ایجاد کنند. حداقل بگوییم این یک تعهد بزرگ است.

کارکاسی که به عنوان مهندس آموزش دیده بود، وارد این رشته شد زیرا با فیزیکدانی به نام کریستین آیدالا در دانشگاه میشیگان ازدواج کرد که کتاب‌های فیزیک زیادی در اطراف داشت. خواندن آنها او را متحیر کرد، به ویژه کسانی که در مکانیک کوانتومی بودند. در حالی که بیشتر مردم در مورد اینکه کدام تفسیر از مکانیک کوانتومی درست است - آیا و چگونه یک نظریه واقعیت فیزیکی عینی جهان ما را نشان می‌دهد، یا حتی اگر یک واقعیت عینی وجود داشته باشد - کارکاسی دریافت که هر ایده چیزی را از دست داده است.

او می‌گوید: «برای من، همه این [تئوری‌ها، مانند مکانیک کوانتومی] مدل‌هایی هستند، و من باید بفهمم چه زمانی قابل اجرا هستند و چه زمانی نه، اساسا چه چیزی را باید توصیف کنند و تحت چه مفروضاتی قرار دارند. در حالی که او با این کار دست و پنجه نرم می کرد، وضعیت بدتر شد. او می گوید: «من متوجه شدم که ما واقعا مکانیک کلاسیک را درک نمی کنیم. این بدان معنا نیست که مکانیک کلاسیک کار نمی‌کند، اما از نظر کارکاسی، برخی از اجزای نظری آن نامشخص هستند.

همانطور که صحبت می کردیم، به یاد دوره های مکانیک پیشرفته ام افتادم که در آن اشیایی به نام های "عمل" و "همیلتون" را یاد گرفتم. آن‌ها فوق‌العاده مفید هستند، و من می‌توانم آن‌ها را به زبان انگلیسی به زبان انگلیسی تعریف کنم، و چیزی در مورد مسیر ترجیحی یک شی در فضا یا انرژی آن بگویم، اما من شهودی را ارائه می‌دهم که از طریق مسائل تکالیف بیشتر از دقت ریاضی به آن دست یافتم.

کارکاسی می گوید که تجربه او نیز مشابه بوده است. "شما می دانید چگونه از آنها استفاده کنید. شما ویژگی های آنها را می دانید، اما دقیقا چه چیزی را توصیف می کنند؟ شما نمی دانید. من اساسا مهندسی معکوس بسیاری از این موارد را شروع کردم." این فقط یک نمونه از نوع کار تعریفی است که فیزیک معکوس می تواند ارائه دهد.

او می‌گوید: «مجموعه این است که حداقل مجموعه‌ای از فرضیات فیزیکی را پیدا کنیم که بتوانیم قوانین را به‌طور جدی دوباره استخراج کنیم». در حالت ایده‌آل، این امر می‌تواند بسیاری از پارادوکس‌ها و معماهای فیزیک موجود را حل کند، مانند نقش اندازه‌گیری‌ها در فیزیک کوانتومی که به نظر می‌رسد اشیاء تنها پس از مشاهده شدن به واقعیت ثابتی دست می‌یابند. اگر ما ریاضیات زیربنای این سناریوها را بهتر درک می‌کردیم، می‌توانستیم تشخیص دهیم که آیا جهان اساسا مبهم است یا در نهایت یک واقعیت جامد وجود دارد.

در 11 سال گذشته، تیم فرضیات فیزیک، عمدتا متشکل از کارکاسی و آیدالا، اساسا تمام فیزیک کلاسیک را به مجموعه‌ای از معادل‌های ریاضی تقسیم کرده است که به محققان اجازه می‌دهد از روی پل بین ریاضی و فیزیک در هر جهت عبور کنند. به طور قابل توجهی، آنتروپی - که کمیت می‌دهد که آیا یک سیستم فیزیکی باید یک حالت کاملا منظم را در نظر بگیرد یا می‌تواند خود را در بسیاری از حالت‌های به همان اندازه محتمل‌تر بیابد - به عنوان یک بازیگر کلیدی در تلاش آنها ظاهر شده است.

به عنوان مثال، آنها نشان داده اند که محدود کردن هرگونه تغییر در آنتروپی یک سیستم معادل قوانین شناخته شده قبلی برای چگونگی تکامل چنین سیستمی در طول زمان است. فیزیک معکوس قبلا ارتباطات بین فیزیک کوانتومی و کلاسیک را روشن کرده است - با توجه به فهرست مفاهیم و مفروضات این تیم که زیربنای تمام فیزیک است، به نظر می‌رسد که فیزیک کلاسیک شبیه فیزیک کوانتومی است، اما با آنتروپی بالا.

کارکاسی در حال حاضر روی تعدادی از مسائل کوانتومی کار می‌کند، و صراحتا خاطرنشان می‌کند که مقابله با ویژگی‌های مختلف نظریه میدان کوانتومی (QFT)، که در آن میدان‌های کوانتومی در تمام فضا گسترش می‌یابند و اعداد بی‌نهایت بزرگ ظاهر می‌شوند، دشوار خواهد بود. یکی از اشیای مرکزی که فیزیکدانان برای محاسبات QFT استفاده می کنند - به عنوان مثال، برای پیش بینی نتایج آزمایش های شتاب دهنده ذرات - "انتگرال مسیر" است، که حتی اساتیدی که آن را آموزش می دهند اغلب اذعان می کنند که سردردی است که تعریف ضعیفی برای ریاضیدانان دارد.

من شخصا به اندازه‌ای مجذوب این موضوع شده‌ام که به فصلی از مسیر جدایی‌ناپذیر کتابم اختصاص داده‌ام.

اما امیدهای کوانتومی کارکاسی بالاتر می رود: او فکر می کند فیزیک معکوس می تواند به محققان کمک کند تا با فیزیک کوانتومی و نظریه گرانش آلبرت انیشتین با ارائه وضوح کافی در مورد اینکه چگونه می توان هر دو را از یک پایه ریاضی مشترک ساخته شد، ازدواج کنند. کارکاسی می‌گوید: «چگونه می‌توانیم حتی به تئوری‌های جدید فیزیک دست یابیم، در صورتی که حتی نمی‌دانیم دقیقا چه چیزی در نظریه فعلی داریم؟» جست‌وجوی نظریه گرانش کوانتومی یکی از بزرگترین و کم‌ثمرترین تلاش‌های فیزیک برای چندین دهه بوده است که هر رویکرد جدیدی را مورد استقبال قرار می‌دهد.

به طرز جالبی، روشی که فیزیک معکوس می‌تواند این دو ستون را در هم آمیزد، نسبت به بسیاری از مبارزات کوانتومی رایج در بین فیزیکدانان بی‌تفاوت است. کارکاسی و همکارانش علاقه ای به این ندارند که آیا معادلات نظریه کوانتومی نشان می دهد که ما در چندجهانی زندگی می کنیم یا اینکه، برای مثال، همه چیز در کیهان به طور جدایی ناپذیری با هر چیز دیگری مرتبط است. آنها به اشتراکات بین هر چهارچوب ریاضی ممکن برای فیزیک کوانتومی علاقه مند هستند، و اینکه آیا هر نظریه نتیجه ای که همه آنها را در بر می گیرد با نحوه اندازه گیری و مشاهده جهان منطقی است یا خیر.

تلاش برای انجام مجدد تمام فیزیک از پایه به این روش برای افراد ضعیف نیست. اما چیزی که کارکاسی را مرعوب می‌کند، عمدتا کمبود بودجه و علاقه گسترده به این نوع کار سخت در پایه‌های فیزیک است. او می گوید که با بودجه مناسب و یک تیم بزرگ به اندازه کافی، برنامه فیزیک معکوس می تواند ظرف یک دهه تکمیل شود. داستانی از دوران دانشگاه را به ذهنم می آورد.

یک بار، در ساعات اداری، به یک استاد فیزیک درباره تمام دروس ریاضی که می گذراندم گفتم به این امید که از من فیزیکدان بهتری بسازند. گفتم: «فقط می‌دانم لحظه‌ای فرا می‌رسد که تمام ریاضیات و فیزیک با هم جمع می‌شوند، و در نهایت همه را به دست می‌آورم. پروفسور خندید. او گفت که در تمام دوران حرفه ای خود منتظر آن لحظه بوده است. امیدوارم به زودی انتظار به پایان برسد.