我的爱好:寻找我们的宇宙

注意:这里的想法已经在 Wolfram物理项目
看到公告: 18l18luck新利 (2020年4月14日)

(本文最初发表于Wolfram的博客.)

这些天我没有太多的时间从事业余爱好,但偶尔也会放纵一下自己。几天前,我做了一个视频会议,谈论我的一个爱好:寻找物理的基本定律。

物理是我的第一个领域(事实上,我成为在我十几岁的时候,我是一名正式的物理学家)。碰巧的是,我刚才的演讲欧洲随机几何网络是由我的一个老伙伴组织的物理的合作者

物理学家通常认为他们在处理科学中最基本的问题。但实际上,我在1981年左右意识到的是,它下面有一整个层。

我们不仅要考虑我们自己的物理宇宙,还要考虑整个可能的宇宙。

如果一个人要做理论科学,他最好是在处理某种确定的规则。但问题是:什么规则?

现在我们有一个很好的方法来参数化可能的规则:尽可能的计算机程序。我已经建立了一个科学他们发现,即使是非常简单的程序也能产生各种丰富而复杂的行为。

这在物理、生物和社会科学的所有系统建模中都是相关的,在发现有趣的技术等方面也是相关的。

但我的一个大爱好是:我们的物质世界呢?它能按照这些简单的规则之一运行吗?

如果规则足够简单,人们可能会做一些看起来相当离谱的事情:搜索宇宙中所有可能的规则,并找到我们自己的物理宇宙。

显然,我们的宇宙根本就没有简单的规则。事实上,看看宇宙中发生的所有复杂的事情,人们可能会认为规则不可能非常简单。

当然,正如早期神学家指出的那样,宇宙显然有某种秩序,某种“设计”。可能宇宙中的每个粒子都有自己独立的规则,但实际上事情要简单得多。

但到底有多简单呢?一千行Mathematica密码一百万行?或者说,三行?

如果它足够小,我们真的可以通过搜索找到它。我认为如果我们的宇宙就在那里,用今天的科技可以找到,而我们甚至没有尝试过,那就太尴尬了。

当然,这根本不是当今大多数物理学家喜欢思考的方式。他们喜欢想象,通过纯粹的思考,他们可以像宇宙工程师一样,以某种方式构建宇宙定律。

最近参加我的视频会议的物理学家们与我的观点更接近,尽管我所做的方法和技术对他们来说仍然相当陌生。

但好吧,如果宇宙有一个简单的规则,它会是什么样的呢?我在这方面做了很多工作,也写了很多关于它。

需要意识到的一件重要的事情是,如果这个规则很简单,它几乎不可避免地不会明确显示任何与普通日常物理相似的东西。因为在一个非常小的规则中,空间的有效维度没有空间容纳一个明确的“3”,或者一个人喜欢的粒子的明确质量。

事实上,几乎可以肯定的是,这里甚至没有空间来容纳一个明确的空间或时间概念。

因此,从某种意义上说,我们必须深入到空间和时间之下的更基本的原语。那么这些是什么呢?

毫无疑问,有很多方法来表述它们。但我认为,大多数有前途的可能性最终都相当于这样的网络:

样本的网络

这里没有“空间”——只是一堆以某种方式连接的点。但我认为它有点像,比如说,液体:即使在最低的能级只有一堆分子在周围跳跃,在足够大的尺度上,一个连续体结构出现了。

通常在物理学中,人们认为空间是某种背景,物质和粒子等分别存在于其中。

但我怀疑它实际上是更综合的:一切都是“空间”,粒子是网络中与空间相对应的特殊的小块连接。

在他的晚年,阿尔伯特·爱因斯坦实际上努力地为物理学建立类似这样的模型,在这个模型中,一切都是从太空中出现的。但他不得不使用连续方程作为他的“原始方程”,而他永远无法让它工作。

许多年后,有一定数量的物理学家(他们中的许多人参加了我的视频会议)认为网络可能代表空间。他们还没有达到我的抽象程度。他们仍然倾向于想象网络中的点在某些背景空间中有实际定义的位置,或者至少有一些定义好的面拓扑。

我在一个更抽象的层次上操作:所有定义的是组合的连接。当然,我们总可以用它来制作一张图片GraphPlotGraphPlot3D

但这幅画的细节是很随意的。

然而,有趣的是,当网络足够大时,它的组合学本身就可以定义与普通空间的对应关系。

它并不总是有效的。事实上,大多数网络(如下面的最后两个)并不对应于3D空间的流形。但是一些。我怀疑我们的宇宙就是其中之一。

网络空间

但是,好吧,有空间是不够的。还有时间。

现在的物理学倾向于说,时间就像空间一样——只是另一个维度。这当然和它在程序中的工作方式非常不同。在程序中,在空间中移动可能对应于查看数据的另一部分,但在时间上移动则需要执行程序。

对于网络来说,最普遍的一种程序就是用一种结构的网络块替换成另一种结构。

网络替代规则

通常会有许多不同的方法将这样的规则应用于特定的网络。通常,每个可能的规则应用序列可能对应于“不同的时间分支”。

但事实证明,如果一个人思考网络中的一个实体(比如宇宙中的我们),那么我们能够应用规则的唯一方面就是他们的“因果网络”:这个网络表明什么“更新事件”会影响其他事件。

嗯,这里有一个例子重要的事情:存在的规则具有这样的性质,无论它们的应用顺序是什么,它们总是给出相同的因果网络。

现在有一个重要的事实:这些因果不变规则不仅意味着在宇宙中只有一条可感知的时间线;它们也暗示了空间和时间的特殊关系,即狭义相对论。

事实上,还有更多。如果底层网络的微观更新足够随机,那么结果就是,如果网络成功地在有限维度空间内对应,那么这个空间就必须满足爱因斯坦的广义相对论方程。

这有点像液体的情况。如果分子间的微观相互作用足够随机,但满足数守恒和动量守恒,那么遵循整个连续的流体必须满足标准n - s方程

但现在我们正在为宇宙推导类似的东西:我们说,这些几乎没有“内建”的网络以某种方式产生了与物理上的万有引力相对应的行为。

这都是详细说明了NKS书.很多物理学家肯定读过这本书的这一部分。但不知怎么的,每次我描述这个(就像我几天前做的那样),都会有某种惊讶。

狭义相对论和广义相对论是物理学家通常认为从一开始就建立在理论中的东西,几乎是作为公理(或者至少在弦理论中,作为一致性条件)。认为它们可能来自更基本的东西的想法是相当陌生的。

外星人的感觉还不止于此。另一个看似陌生的想法是,我们的整个宇宙及其完整的历史可以由一些特定的小网络开始,然后应用明确的规则产生。

在过去的75多年里,量子力学一直是物理学的骄傲,它似乎表明,这种决定论的思维是不正确的。

这是一个有点长的故事(通常仍然被物理学家误解),但在产生给定的因果网络的更新顺序的任意性和在一个网络中不只是局部3D空间的事实之间,这看起来就像一个人自动开始得到许多量子力学的核心现象——甚至从一个实际上是确定性的基础模型中。

好的,但是什么是统治我们的宇宙?我还不知道。

寻找它并不容易。一个人尝试一系列不同的可能性。然后逐个运行。

那么问题来了:有没有人找到了我们的宇宙?

嗯,有时候很容易看出来。有时,一个人的候选世界在一小段时间后就消失了。或者有某种奇异的指数空间,在这个空间里,任何东西都不能与其他任何东西相互作用。或者其他病理。

但困难的情况是发生的事情更加复杂。一个人开始了自己的候选宇宙。它会增长到数百万甚至数十亿个节点。人们看不到它在做什么。一个使用GraphPlot.还有很多奇特的分析技术。但人们只能说,它在四处冒泡,在做一些复杂的事情。

我们的宇宙有被捕获吗?问题是:NKS的一个发现是一种现象,我称之为计算不可约性该理论认为,许多看似复杂的系统,其行为通常无法“简化”为更简单的计算。

在某种程度上,我们的宇宙将不可避免地具有这种性质。但我们只能希望,我们“网中捕捉”的候选宇宙具有足够的可还原性,这样我们就能判断它真的是我们的宇宙。

在过去的几年里,我们一直在做的是尝试建立“宇宙识别”的技术。这一点也不琐碎。实际上,我们正在尝试的是建立一个系统,它可以自动地再现整个物理学的历史——在一毫秒或几毫秒内。

我们需要能够将我们在候选宇宙中观察到的东西,以某种方式建立起它的有效物理定律,并看看它们是否与我们的宇宙相对应。

当然,这更像是数学而不是传统的物理。因为在某种意义上,我们有潜在的“公理”,我们试图看到它们隐含的定律,而不是把一切都建立在纯实验的基础上。

我觉得有个类比很有用。当我在写NKS的书的时候,我想了解一些关于数学的基础

特别是,我想知道我们所做的数学在所有可能的数学中处于什么位置。

所以我开始列举公理系统,并试图发现在可能的公理系统中,我们熟悉的数学领域出现了什么。

有人可能会认为这很疯狂——就像在可能存在的宇宙空间中寻找我们的宇宙一样。

但NKS认为并非如此。因为它表明,拥有简单规则的系统可以拥有任何东西的丰富性。

事实上,当我搜索,例如布尔代数(逻辑),我确实发现一个微小的公理系统这是我使用的第50000个公理系统。

证明它是正确的,需要各种各样的自动化定理证明技术——尽管我很高兴地说Mathematica 6FullSimplify就能做到!

我想宇宙也会是这样的。要避免冗长的计算不可约性,需要大量的努力——还有一点运气。但希望是我们能够做到。

参加视频会议的物理学家们很好奇我是否已经有了候选宇宙。答案是肯定的。但我还不知道分析它们有多难。

我的一个好朋友一直鼓励我不要丢弃任何看似合理的宇宙——即使我们可以证明它们不是我们的宇宙。他认为交替宇宙一定有好处。

我当然认为这将是一个有趣的,几乎是形而上学的时刻,如果我们最终有一个简单的规则,我们可以告诉我们的宇宙。这样我们就能知道我们的宇宙在所有可能宇宙的枚举中是多少。

这是一种哥白尼式的时刻:我们将会知道我们的宇宙到底有多特殊。

我想知道的是,无论答案是什么,该如何思考。这让我想起了科学史早期的情况。牛顿知道了行星的运动,但除了一个超自然的生物首先使它们运动之外,他什么也想象不到。

达尔文了解了生物进化,但无法想象第一个活细胞是如何产生的。

我们可能有宇宙的规则,但理解为什么它是这个规则而不是另一个规则是完全不同的。

宇宙搜寻是一项非常技术密集型的工作。这些年来,我一直在逐步建立我认为是必要的技术,其中相当一部分出现在奇怪的角落Mathematica

但我认为还需要一段时间才能看到更多成果。在我们把《我们的宇宙》作为示范之前Wolfram演示项目.在我们拿到新的ParticleData收集可计算的数据,并推导其中的每一个数字。

但探索宇宙是个不错的爱好。很高兴几天前有机会讨论这个问题。

发布:新型科学物理

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