«Естественность» теорий становится горячей темой

Слова «естественность» (naturalness) или «неестественный» (unnatural) в применении к теории или к природе стали в последнее время всё чаще встречаться в заголовках теоретических статей. Можно сказать, что сейчас естественность становится горячей (или просто модной?) темой в физике элементарных частиц.

Главным виновником разгорающегося интереса является Большой адронный коллайдер. Физики рассчитывали уже в первые годы его работы найти яркие проявления Новой физики и с ее помощью объяснить многие загадки Стандартной модели естественным образом. Однако в данных LHC никаких надежных указаний на отклонения от наскучившей всем Стандартной модели до сих пор нет. Конечно, теоретики с этим могут справиться, но только теперь их модели и объяснения уже не удовлетворяют требованию естественности. Подробнее об этой проблеме см. в самом конце новости Суперсимметрия в свете данных LHC: что делать дальше?

Тут есть сразу несколько сложных вопросов. В чем измерять (не)естественность? Нужно ли вообще ориентироваться на требование естественности? Насколько сильно данные LHC конфликтуют с этим требованием? Есть ли сейчас в наличии теории, которые были бы во всём хороши, за исключением одной лишь естественности? Все эти вопросы обсуждаются сейчас в множестве статей.

Не пускаясь в перечисление работ, приведем только две ссылки на е-принты, появившиеся несколько дней назад: arXiv.1307.7879 и arXiv.1308.0545. Это два обзорных доклада, сделанных на недавних конференциях очень видными физиками. В них дан краткий обзор проблемы и изложены их собственные точки зрения на нее. Эти доклады будут полезны тем, кто хочет получить краткое и не слишком техническое введение в этот круг вопросов.


12
Показать комментарии (12)
Свернуть комментарии (12)

  • trtrMitya  | 13.08.2013 | 00:06 Ответить
    А почему нельзя использовать стандартный (естественный) Попперовский критерии для того, чтобы использовать научную теорию (фальсифицируемость). Создатель(и) мат. модели физической теории должен предлагать и искать пути к тому, чтобы была возможность фальсифировать теорию. А до этого момента, это считать матем. модель. В этом плане, несмотря на изысканность и красоту теории струн, на мой непосвященный взгляд, ее нельзя пока считать физической теорией, а только математической моделью (претендентом и т.д.). Почему нельзя вопрос ставить таким образом? И если на ваш взгляд возможность найти подобные эксперименты вообще в ближайшем будующем?
    Ответить
    • spark > trtrMitya | 13.08.2013 | 02:56 Ответить
      Прежде всего скажу, это всё-таки совершенно другая тема. Тут речь шла про естественность в ее техническом понимании (см. новость про суперсимметрию и все ссылки по теме), а совсем не про «истинность» или «не истинность» теории.

      Тепреь по вашему вопросу. Я сформулирую так, как я понимаю ситуацию, и я думаю, что я понимаю ее правильно (т.е. корректно передам то понимание, которое сложилось у большинства физиков-теоретиков, думавших на эту тему).

      Теоретическая физика (по крайней мере, теорфизика микромира) не претендует на то, чтобы заявлять, как мир устроен _на самом деле_. Теорфизика занимается тем, что формулирует _математическое модели реального мира_. Так что всякие крики альтернативщиков, что они-де лучше всех физиков знают, как всё «на самом деле» — пустая болтовня.

      К этим моделям предъявляются очень серьезные требования. Нужно, чтобы они опирались на строгую математику и были математически самосогласованными. Нужно, чтоб то, что они собираются описывать, совпадало с экспериментальными данными. Нужно также, чтоб они могли предсказывать намного больше величин, чем количество степеней совободы, заложенное в их формулировку (т.е. «теории», в которых вы делаете по два предположение на каждое выдаваемое предсказание — не теории). Возможно, еще что-то, сейчас не сформулирую.

      Когда теорфизики говорят, что они с помощью этой теории объяснили, как работает то или иное природное явление, то они _на самом деле_ имеют в виду, что они построили рабочую математическую модель с мощной предсказательной силой, предсказания которой подтверждаются последующими экспериментами (вплоть до практических применений), которая согласована с другими столь же эффективными моделями, и которая для этого круга явлений является наиболее мощной и наиболее экономной по сравнению с возможными альтернативами.

      Никто не знает абсолютно точно, что такое _на самом деле_ электрон, на самом ли деле искривлено пространство-время, никто не знает абсолютно точно, что частица, обнаруженная на LHC, _на самом деле_ есть хиггсовский бозон, и что там вообще рождается какая-то частица. Просто все эти вещи укладываются в соответствующие исключительно эффективные математические модели, альтернатив которым у нас нет.

      Далее, все эти теории, конечно, фальсифицируемы в том смысле, что для каждой из них можно _в принципе_ поставить реальный эксперимент, который — при соответствующем исходе — четко смог бы сказать: эта теория не отражает реальность. Противоположное утверждение («да, эта теория точно соответствует реальности»), разумеется, доказать невозможно — у возможных будущих альтернатив всегда есть шанс. Другое дело, что некоторые их этих экспериментов могут быть _технически сложными_, настолько сложными, что нам в ближайшие века они не светят. Ту же суперсимметрию _в принципе_ можно опровергнуть, если построить коллайдер до энергий порядка планковских, но нам это сейчас не светит.
      Ответить
      • xolod > spark | 13.08.2013 | 11:54 Ответить
        Но что будет, если довести этот подход до крайности?

        Предположим, что кто-то "додумался" и решил применить для физики какой-нибудь изощренный метод машинного обучения (data mining) - это направление в IT сейчас активно развивается т.е. когда компьютер автоматически обрабатывает статистические данные, выводит взаимосвязи в них и выдает на выходе математическую модель.

        И предположим (посмотрим чуть в будущее вычислительной техники), подали мы в компьютер статистические данные о каком-то физическом явлении, обработали, и на выходе получили набор рабочих, но осмысленно не перевариваемых уравнений. И эти уравнения могут обладать отличной предсказательной силой для того явления, статистика о котором обрабатывалась.

        Что будет если попадем в ситуацию: имеем математическую модель. Модель обладает предсказательной силой. Но модель выведена компьютером после обработки данных и каким-либо образом ее интерпретировать невозможно. Будет ли, например, такой подход иметь какое-то отношение к науке?
        Ответить
        • niki > xolod | 13.08.2013 | 13:42 Ответить
          А мы и находимся в такой ситуации. Очень показательна в этом отношении квантовая химия. Берем десяток другой атомов. Лепим из них молекулу (на экране). Запускаем программу и получаем искомый набор свойств. Многие из которых столь много раз проверялись, что и ним доверия не меньше чем к эксперименту. (Не ко всем конечно).

          Как эти результаты интерпретируются? Никто не может пройтись по миллиардам интегралов и понять почему их сумма дала такое-то свойство.
          Дальше мы либо просто говорим - расчет дал такое-то свойство. Основываясь на нем мы приходим к таким-то практическим выводам.
          Либо мы переводим это в какую-то наглядную схему и интерпретируем в рамках каких-то эмпирических представлений. В химии не мало эмпирических схем. А результаты квантовых расчетов добавляют к ним количественные оценки.
          Так и живем.

          Тут конечно нет вывода принципиально новой модели.
          Но наглядности нет. Нет понимания почему результат такой-то. Мы не можем его проверить, разве что повторив на аналогичной программе. А вот предсказательная сила есть.
          Ответить
        • spark > xolod | 13.08.2013 | 15:56 Ответить
          Можно добавить, что теория должна быть еще доступна человеческому пониманию, как в целом, так и в отдельных звеньях. А без понимания будем называть просто моделью.

          Скажем, вот есть проблема конфайнента. Удовлетворительного по-настоящему теоретического понимания пока нет. Однако есть КХД на решетках, который показывает конфайнмент и в принципе может вычислить свойства адронов. Если нам дать в миллиард раз более мощные компьютеры, мы улучшим точность еще и еще. Но будет ли это считаться, что мы поняли конфайнмент? Многие считают, что нет. Это как раз и есть ваш пример.

          Конечно, если есть какая-то область, в которой успешной оказывается именно модель без понимания, эта ситуация не очень приятна, хочется найти понимание. Ну люди тогда над этим работают, ищут понимание. Но в некоторых областях и работающей модели пока нет. В той же Стандартной модели много необъясненного и невыведенного. Так что даже если тут будут работающие модели, и то хлеб.
          Ответить
      • niki > spark | 13.08.2013 | 14:00 Ответить
        Ну, если говорит об абсолютной точности, то этого вообще не бывает. Тут нечего обсуждать. А вот, если я правильно понял, некий класс математических моделей, кончено при очень жестких условиях, объявляется теориями. То есть ставится знак равенства между теорией и моделью (пусть очень хорошей). Что-то от этого пахнет идеализмом..
        При такой постановке вопроса получают поддержку позиция - а, эти ученые все равно ничего не знают.
        Ответить
        • spark > niki | 13.08.2013 | 15:49 Ответить
          > некий класс математических моделей, кончено при очень жестких условиях, объявляется теориями.

          А в чем у вас различие между теорий и моделью? В том, что теория _понята_ человеком, доступна человеческому пониманию как в целом, так и в отдельных звеньях, а модель что-то там вычисляет и непонятно, как именно? Ну тогда да, не всякую модель следует приравнивать к теории. Но в той же квантовой химии (я в ней правда не разбираюсь) — ясно же, что основа, которая может быть названа теорией, это квантовая механика (с релятивистскими модификациями). А когда вы на это навешиваете упрощенные методы обсчета многоэлектронных систем и всякие предположения, это уже пошла модель. Ну да, некоторые называют это теорией, но при вашем разделении смыслов это не теория.

          > При такой постановке вопроса получают поддержку позиция - а, эти ученые все равно ничего не знают.

          Ну, это часто бывает первым шагом на пути к «... потому что они запутались в своей матемтаике, оторвались от реальности, а вот Я знаю, как на самом деле». Запретить людям так думать нереально, равно как невозможно запретить фантазировать о летающих тарелках, теориях заговора и т.п. По-моему, это можно изменить только полным переключением всего образования (во всех сферах жизни) на естественнонаучный лад, и то не сразу, а через два поколения.
          Ответить
          • niki > spark | 13.08.2013 | 16:22 Ответить
            Не только. Моделировать можно что угодно. Бои гномов с эльфами. Вот только теорией я бы это не назвал. Теория должна иметь привязку к реальности. Модель это точно не теория, а вот является ли теория моделью... Теория это то что выявляет какие-то элементы реальности. В этом смысле теория, в отличии от модели, неубиваема. Если реальность выявлена, то позже может смениться интерпретация, но не наличие этой реальности.
            Ответить
            • spark > niki | 13.08.2013 | 17:38 Ответить
              > Теория должна иметь привязку к реальности.

              Ну я выше и написал: нужно, чтобы теория претендовала на аккуратное описание некоторых экспериментальных данных.
              Ответить
              • niki > spark | 13.08.2013 | 18:17 Ответить
                Не в коем случае. Описание вообще никакого значения не имеет. Есть очень универсальные описания, например - бог знает.
                В счет идет только предсказание.
                Ответить
                • spark > niki | 13.08.2013 | 19:28 Ответить
                  Это не описание, это «попытка объяснения», не путайте. Я говорю не про то, как описывают, а про то, что описывают. Моделирование битвы эльфов с гномами не относится к реальности, моделирование химических реакций — относится, а уж насколько оно предсказательно, это следующий вопрос.
                  Ответить
  • Serg_Y  | 28.08.2013 | 22:08 Ответить
    Естественно, это когда для поиска черной кошки в темной комнате, приносишь ей что-то вкусное, а не естественно, когда машешь руками, пинаешь ногами на ощупь. Вся проблема в том, на мой взгляд, что мы не знаем, что любит кошка.
    Ответить
Написать комментарий
Элементы

© 2005–2025 «Элементы»