我的爱好:寻找我们的宇宙

注:这里的想法现在在 Wolfram物理项目.
请参阅公告: 最后,我们可能有一条通往物理学基础理论的道路……它很美(2020年4月14日)

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。几天前,我开了一个视频会议,谈论我最喜欢的业余爱好之一:寻找物理的基本定律。

物理是我的第一个领域(事实上,我成为我十几岁时是一名持卡物理学家)。碰巧的是,我刚才的演讲(针对欧洲随机几何网络)由我的一位老人组织物理合作者.

物理学家通常认为他们正在处理科学中最基本的问题。但事实上,我在1981年左右意识到下面有一层。

不仅要考虑我们自己的物理宇宙,还要考虑整个可能宇宙。

如果一个人要做理论科学,最好是处理一些明确的规则。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。我已经建立了一个整体科学通过研究可能的程序,发现即使是非常简单的程序也可以生成各种丰富而复杂的行为。

事实证明,这与物理、生物和社会科学中的各种系统建模,以及发现有趣的技术等都是相关的。

但这里有一个我最大的爱好问题:我们的物质世界怎么样?它能按照这些简单的规则操作吗?

如果这些规则足够简单,人们也许可以做一些看起来非常离谱的事情:搜索宇宙中所有可能的规则,然后找到我们自己的物理宇宙。

我们的宇宙有简单的规则,这当然不明显。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,宇宙显然有一些秩序,一些“设计”。可能宇宙中的每个粒子都有自己的独立规则,但实际上事情要简单得多。

但有多简单?一千行数学软件代码?一百万行?或者说,三行?

如果它足够小,我们真的应该可以通过搜索找到它。我认为,如果我们的宇宙就在那里,可以通过今天的技术找到,而且我们甚至没有尝试过,那会很尴尬。

当然,这根本不是当今大多数物理学家喜欢的想法。他们喜欢想象,通过纯粹的思考,他们可以为类似宇宙的宇宙工程师们构建规律。

在我最近的视频会议上,物理学家们更接近我的观点,尽管我所做的工作的方法和技术对他们来说仍然很陌生。

但是好吧,如果宇宙有一个简单的规则,它实际上会是什么样子?我在这方面做了很多工作相当多关于它。

要认识到的一件重要事情是,如果规则很简单,它几乎不可避免地不会显式地显示出日常物理中熟悉的任何东西。因为在一个非常小的规则中,没有空间为空间的有效维度或人们最喜欢的粒子的明确质量设置明确的“3”。

事实上,几乎可以肯定的是,甚至没有空间来容纳明确的空间或时间概念。

所以在某种意义上,我们必须从空间和时间的角度来研究更基本的原语。那么这些可能是什么呢?

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

示例网络

这里没有“空间”,只有一些以某种方式连接的点。但我认为它有点像,比如说,液体:即使在最低层只有一堆分子在反弹,在足够大的范围内,也会出现连续体结构。

通常在物理学中,人们认为空间是某种背景,其中物质和粒子等分别存在。

但我怀疑它真的更完整:一切都是“空间”,粒子就像网络中与空间相对应的特殊连接性小块。

在他晚年,阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)实际上努力构建了类似于这样的物理模型,其中所有的东西都是从太空中出现的。但他不得不使用连续体方程作为他的“原语”,而且他永远也无法实现。

许多年后,有一定数量的物理学家(其中许多人参加了我的视频会议)考虑可能代表空间的网络。他们还没有达到我所处的抽象水平。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的面拓扑。

我在一个更抽象的层次上操作:所有定义都是组合学连接的数量。当然,人们总是可以用图形绘图图形Plot3D.

但这张照片的细节相当随意。

然而,有趣的是,当一个网络变得足够大时,它的组合就可以有效地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空间这样的流形。但也有人这么认为。我怀疑我们的宇宙就是其中之一。

太空网络

但是,好吧,有足够的空间是不够的。还有时间。

现代物理学倾向于说时间就像空间一样——只是另一个维度。这当然与它在程序中的工作方式大不相同。在程序中,在空间中移动可能对应于查看数据的另一部分,但在时间中移动需要执行程序。

对于网络来说,最通用的程序是一种将一个网络的一部分用一种结构替换成另一种结构的程序。

网络替换规则

通常有许多不同的方法可以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程序序列可能对应于“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(就像宇宙中的我们一样),那么应用我们能够感知到的规则的唯一方面就是它们的“因果网络”:表示“更新事件”影响其他人的网络。

好吧,这是一个重要的事情:有些规则具有这样的性质,即无论应用于何种顺序,它们总是给出相同的因果网络。

现在有一个大事实:这些因果不变量规则不仅意味着宇宙中只有一条感知到的时间线索;它们还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最终具有足够的随机性,那么事实证明,如果网络在有限维空间的极限内成功地对应,那么这个空间必须满足爱因斯坦的广义相对论方程。

这又有点像液体。如果分子之间的微观相互作用足够随机,但满足数量和动量守恒,那么它跟随整体连续流体必须符合标准Navier–Stokes方程.

但现在我们为宇宙推导出了类似的东西:我们说这些几乎没有“内置”的网络以某种方式产生了与物理学中的引力相对应的行为。

这就是全部详细说明在中NKS手册很多物理学家都读过这本书的这一部分。但不知为何,每次我真正描述这一点时(就像我几天前所做的那样),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构建在理论中的东西,几乎是公理(或者至少在弦论中是一致性条件)。他们可能从更基本的东西中产生的想法是非常奇怪的。

外星人的感觉不止于此。另一件看起来很奇怪的事情是,我们整个宇宙及其完整的历史可以通过从一些特定的小网络开始,然后应用明确的规则来生成。

在过去75多年里,量子力学一直是物理学的骄傲,它似乎表明这种确定性思维是不正确的。

这是一个稍长的故事(物理学家仍然经常误解),但在产生给定因果网络的更新顺序的任意性和网络中不仅仅有局部3D空间的事实之间,看起来,人们似乎会自动开始了解量子力学的许多核心现象,甚至从实际上的确定性基础模型中也能了解到。

好吧,但什么是这个统治我们的宇宙?我还不知道。

搜索它并不容易。一个人尝试一系列不同的可能性。然后一个运行一个。

那么问题是:有人找到我们的宇宙了吗?

嗯,有时候很容易判断。有时,一个人的候选宇宙会在一小段时间后消失。或者有一些奇怪的指数形式的空间,在其中没有任何东西可以与其他东西相互作用。或其他病理学。

但困难的情况是发生的事情更复杂。一个人启动了自己的候选宇宙,它会增长到数百万或数十亿个节点。人们看不到它在做什么。一种用途图形绘图还有许多奇特的分析技术。但所有人都知道,它在冒泡,在做一些复杂的事情。

有人抓住了我们的宇宙吗?问题是:NKS的一个发现是一种我称之为的现象违背了计算不可化归性-这意味着许多看起来复杂的系统将具有永远无法“简化”为更简单计算的行为。

在某种程度上,我们的宇宙必然会有这种特性。但我们必须希望的是,我们“在我们的网络中捕获”的候选宇宙将具有足够的可还原性,我们可以判断出它确实是我们的宇宙。

过去几年我们一直在做的是尝试建立用于“宇宙识别”的技术。这一点也不平凡。实际上,我们正在尝试建立一个系统,可以在一毫秒左右的时间内自动重述整个物理历史。

我们需要能够获取我们在候选宇宙中观察到的东西,并以某种方式建立其有效的物理定律,并查看它们是否与我们的宇宙相对应。

当然,与传统物理相比,它更像数学。因为在某种意义上,我们有潜在的“公理”,我们试图了解它们意味着什么定律,而不是把一切都建立在纯实验的基础上。

我觉得有一个类比很有用。当我在写NKS的书时,我想了解一些关于数学基础.

特别是,我想知道我们所做的数学在所有可能的数学宇宙中的位置。

所以我开始列举公理系统,并试图发现在可能的公理系统空间中,我们熟悉的数学领域出现在哪里。

有人可能会认为这就像在可能的宇宙空间中寻找我们的宇宙一样疯狂。

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

事实上,例如,当我搜索布尔代数(逻辑上),我确实发现微小的公理系统对于它:它是我使用的枚举中的第50000个公理系统。

证明它是正确的,采用了各种花哨的自动化理论证明技术——尽管我很高兴地说,到那时为止数学6完全简化就这么做吧!

我认为这对宇宙来说会有点像这样。要避免计算不可约性这一长臂,需要付出很多努力,也需要一点运气。但希望是我们能够做到这一点。

视频会议上的物理学家非常好奇我是否有候选宇宙。答案是肯定的。但我还不知道分析它们有多困难。

我的一个好朋友一直在鼓励我不要抛弃任何看似模糊的宇宙,即使我们可以证明它们不是我们的宇宙。他认为交替的宇宙一定有好处。

我当然认为,如果我们终于有了一个简单的规则,我们可以分辨出我们的宇宙,那将是一个有趣的、几乎是形而上学的时刻。我们将能够知道,我们的特定宇宙在所有可能宇宙的计数中是如此之多。

这是一个哥白尼式的时刻:我们将知道我们的宇宙有多特别。

我想知道的是如何去思考答案到底是什么。这让我想起了科学史上早期的情况。牛顿发现了行星的运动,但除了一个超自然的存在首次使其运动外,他无法想象其他任何事情。

达尔文了解了生物进化,但无法想象第一个活细胞是如何形成的。

我们可能有宇宙的规则,但理解为什么是这个规则而不是另一个规则是完全不同的。

宇宙狩猎是一项技术密集型业务。多年来,我逐渐建立起我认为需要的技术,其中相当一部分出现在数学软件.

但我认为还需要一段时间才能有更多的结果。在我们把“我们的宇宙”作为一个示范之前Wolfram示范项目在我们拿新的颗粒数据可计算的数据收集并导出其中的每个数字。

但宇宙狩猎是一种很好的爱好。几天前有机会谈论这件事真是太好了。

斯蒂芬·沃尔夫拉姆(2007),“我的爱好:寻找我们的宇宙”,斯蒂芬·沃夫拉姆写作。writings.stephenwolfram.com/2007/09/my-holby-hunting-for-our-universe。
文本
斯蒂芬·沃尔夫拉姆(2007),“我的爱好:寻找我们的宇宙”,斯蒂芬·沃夫拉姆写作。writings.stephenwolfram.com/2007/09/my-holby-hunting-for-our-universe。
CMS公司
斯蒂芬·沃尔夫拉姆。斯蒂芬·沃尔夫拉姆(Stephen Wolfram)写道:“我的爱好:寻找我们的宇宙。”。2007年9月11日。writings.stephenwolfram.com/2007/09/my-hobby-hunting-for-our-universe。
亚太地区
Wolfram,S.(2007年9月11日)。我的爱好:寻找我们的宇宙。斯蒂芬·沃尔夫拉姆的作品。writings.stephenwolfram.com/2007/09/my-holby-hunting-for-our-universe。

发布时间:新型科学物理