导语

通过计算机模拟和定制构建量子相似物,这种做法正在改变我们寻找自然规律的意义。

编译:集智俱乐部翻译组

来源:quantamagazine

原题:The end of theoretical physics as we know it

理论物理学以复杂而闻名,但我对此并不认同。

我们能用数学语言写下自然定律,这意味着我们要处理的自然法则非常简单,比其他科学简单的多。

然而不幸的是,在实际工作中,求解方程并没有那么简单。我们有一个完美的理论去描述,夸克和胶子这样的基本粒子。但是没有人能计算出他们是如何聚集在一起形成质子的。这些方程式无法通过任何已知方法求解。

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同样地,黑洞的合并甚至溪水的流动看似可以用简单的形式描述出来,但很难说在特定条件下会发生什么情况。

我们正在不懈地去触及这个极限,去寻找新的数学方法解决问题。但是,近些年,最有力的发展推动并不是来自复杂的数学,而是来自更加强大的计算能力。

计算机模拟

20世纪80年代,问世的第一个数学软件所能做的工作仅仅是为人们节省查找巨大的积分表的时间。但是,一旦物理学家拥有了计算机,他们就意识到求解积分已经不是首要问题,他们只需要描绘出问题的解。

20世纪90年代,许多物理学家反对这种“仅仅描绘问题”的解决方法。因为很多人没有受过计算机分析方面的培训,所以他们无法了解编码工作对物理学的收益。这就是为什么我记得许多学术研讨会被降级为“数字研讨会”。

但是在过去的20年中,这样的态度已经发生了明显的转变,这主要是因为,对于新一代的物理学家来说编程只是在自然地延伸他们的数学技能。

因此,现在的理论物理学有许多分支在致力于用计算机模拟真实的世界,这样的研究是其他方式无法做到的。从研究星系和超星系的形成,到计算夸克组成的粒子的质量;从探究大原子核碰撞,到理解太阳周期,这几个例子都是以计算机模拟为基础的研究领域。

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这种脱胎于纯数学建模的转变已经开始了:现在的物理学家正在设计具有针对性的实验室系统,用这样的系统来代表他们希望能更加深入理解的真实世界的系统。他们在实验室中观测模拟系统,得出结论,进而预测它所代表的真实系统。

量子模拟

这个领域中最佳的案例可能就是“量子模拟”。

这是由相互作用的复合物体组成的系统,如原子云。物理学家能操纵这些物体之间的相互作用方式,因此这个系统就像更基本的粒子之间的相互作用。

例如,在电路量子电动力学中,研究人员使用微小的超导电路来模拟原子,然后研究这些人造原子如何与光子相互作用。或者在慕尼黑的一个实验室中,物理学家使用超冷原子组成的超流体去解决类希格斯粒子能否存在于空间中的两个维度这个争论(答案是肯定的)。

这样的模型,不仅有助于我们去克服已知理论中的数学障碍,我们也可以用这样的模型来探索未知新理论能产生的结果,以及我们还不知道的相关性。

探讨时间和空间

探讨空间和时间自身的量子行为是非常有趣的事情,因为我们并没有一个足够好的理论。

例如,在最近的一项实验中,加拿大安大略省滑铁卢大学量子计算研究所的物理学家 Raymond Laflamme 和他的团队使用量子模拟来研究所谓的自旋网络,一些理论说,这种结构是构成时空的基础。慕尼黑大学的物理学家 Gia Dvali 提出了一种用超冷原子气体模拟黑洞信息处理的方法。

在引力模拟领域也有了类似的想法,物理学家使用流体来模拟重力场中粒子的行为。正如 Jeff Steinhauer 声称在模拟黑洞中测量霍金辐射一样(仍存在争议),黑洞时空引起了人们的极大关注。不过,研究人员了也用流体模拟重力这个办法研究了早期宇宙的快速膨胀。

此外,物理学家通过观察被称为准粒子的替代物来研究假设的基本粒子。这些准粒子表现得像基本粒子,但它们是由许多其他粒子的集体运动产生的。了解它们的特性可以让我们更多地了解它们的行为,从而帮助我们找到观测真实事物的方法。

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这一系列的研究带来了一个重大问题。

首先,如果,我们可以通过使用复合准粒子来模拟我们现在认为是基本粒子的东西,那么,我们现在认为的基本粒子(空间、时间以及构成粒子物理学标准模型的25个粒子)可能是由一个隐含的结构构成。

量子模拟也促使我们思考解释系统行为的意义。使用一个系统的简化版本进行观察,测量与预测是否等同于解释?

研究前景

但是对于我来说,这个发展最有趣的一面是,它改变了我们研究物理的方式。

在量子模拟中,数学模型是次要的。目前,我们使用数学来确定合适的系统,因为数学告诉我们应该寻找什么特性。但严格来说,这不是必要的。

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也许随着时间的推移,实验主义者,将只需要学习如何把一个系统映射到另外一个系统,就好像他们曾经学过如何把一个系统映射到数学上一样。也许有一天,我们将不用再进行计算,而仅仅通过对简化系统的观测来进行预测。

目前我很确信,我的大多数同事都会对这一前景感到震惊。但在我看来,就概念上而言,如今研究者在实验室里建立简化的系统模型的做法,跟物理学家几个世纪以来一直用数学语言去描述物理系统简化模型的做法,并没有不同。

翻译:Leo

审校:李周园编辑:王怡蔺

原文:

https://www.quantamagazine.org/the-end-of-theoretical-physics-as-we-know-it-20180827/

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