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2018
04-16

物理学家统一科学理论的结构


康奈尔物理学家已经想通了为什么科学工作。或者说,他们已经为科学理论的工作原理提出了一个理论 - 一个元理论。

在“科学”杂志11月1日发表在线期刊上,由物理学教授James P. Sethna领导的研究小组开发了一个统一的计算框架,通过量化预测的程度来揭示科学理论的隐藏层次 - 例如,细胞机制可能在某些条件下工作,或声音如何在空间中传播 - 取决于模型的详细变量。

一个理论使用数学来预测现实世界的行为;大多数理论都通过实验确定了常数或参数。参数可以在“参数空间”中看作轴。根据康奈尔大学的研究人员,预测模型是“马虎”的,因为这个空间中只有少数几个方向对于模型的行为是重要的;从而使参数的黑圈变成一个长而薄的黑色椭圆形的预言,只有漫长的“僵硬”的方向是重要的,行为上发生了很大的变化。沿着椭圆的细轴移动的参数方向是“马虎” - 对于系统行为而言通常不重要。他们发现,在像一个细胞这样一个不可能的复杂系统中,只有这些变量的几个组合才能预测系统的行为。这种系统的集体行为取决于一些“僵硬”的规则组合。系统中的大部分其他细节他们称之为“马虎” - 对于整个事情是如何运作的,这些细节并不重要。

现在,他们已经将自己的工具应用到物理学理论中,并发现了一种类似的僵硬和sl division的划分:前者是僵硬的规则,包含有关所考虑现象的高级或粗略描述的有用信息,而后者,马虎的,隐藏微观的复杂性,在一个更基本的理论更精细的规模相关。换句话说,Sethna说:“我们正在掌握科学是如何运作的。”

新理论从更复杂的微观理论中浮现出来,例如,超导体的行为仅取决于它们所构成的金属的一些性质。在其他领域中,只有微观细节的几个组合被结合成新兴性质的观点与“sl”“模型共享。 Sethna说:“在物理学中,所有的并发症都凝结成一个紧急的,简单的描述。 “在许多其他领域,这种凝聚是隐藏的,但是许多细节并不重要。”

出现的概念在物理学中早已为人所知:复杂的系统来自一系列相对简单的相互作用。理论物理团队已经重新检验了一些具体的模型,例如解释香水在房间中散布的经典扩散方程,并且研究了他们的行为如何改变,因为他们的参数使用与他们用于研究细胞相同的工具。

研究人员说,研究结果表明,从细胞行为到生态系统和经济学的任何理论都不需要反映所有的细节,以便理解和正确。他们说,一个理论只需要捕捉集体的“僵硬的行为”。事实上,这就是为什么理论物理的工作原理 - 理解分子形状和大小的细节对声波理论来说是不必要的。只有密度和可压缩性的因素很重要。同样,高能物理学家也不需要解决弦理论的每个细节来预测夸克的行为。 “如果一个人需要提取真正的基础理论的每一个细节来创造一个有用的理论,科学将是不可能的,”Sethna说。

本文“参数空间压缩是应急理论和预测模型的基础”,包括Benjamin Machta博士的工作。 '12; Ricky Chachra,博士'14; Mark Transtrum博士'11。这项研究得到了美国国家科学基金会的支持。

来源:康奈尔大学