Creator of Wolfram Alpha Has a Bold Plan to Find a New Fundamental Theory of Physics

Stephen Wolfram is a cult figure in programming and mathematics. He is the brains behind Wolfram Alpha, a website that tries to answer questions by using algorithms to sift through a massive database of information. He is also responsible for Mathematica, a computer system used by scientists the world over.

Last week, Wolfram launched a new venture: the Wolfram Physics Project, an ambitious attempt to develop a new physics of our Universe.

The new physics, he declares, is computational. The guiding idea is that everything can be boiled down to the application of simple rules to fundamental building blocks.

Why do we need such a theory? After all, we already have two extraordinarily successful physical theories.

These are general relativity – a theory of gravity and the large-scale structure of the Universe – and quantum mechanics – a theory of the basic constituents of matter, sub-atomic particles, and their interactions. Haven’t we got physics licked?

Not quite. While we have an excellent theory of how gravity works for large objects, such as stars and planets and even people, we don’t understand gravity at extremely high energies or for extremely small things.

General relativity „breaks down” when we try to extend it into the miniature realm where quantum mechanics rules. This has led to a quest for the holy grail of physics: a theory of quantum gravity, which would combine what we know from general relativity with what we know from quantum mechanics to produce an entirely new physical theory.

The current best approach we have to quantum gravity is string theory. This theory has been a work in progress for 50 years or so, and while it has achieved some success there is a growing dissatisfaction with it as an approach.

Wolfram is attempting to provide an alternative to string theory. He does so via a branch of mathematics called graph theory, which studies groups of points or nodes connected by lines or edges.

Think of a social networking platform. Start with one person: Betty. Next, add a simple rule: every person adds three friends. Apply the rule to Betty: now she has three friends. Apply the rule again to every person (including the one you started with, namely: Betty). Keep applying the rule and, pretty soon, the network of friends forms a complex graph.

Wolfram’s proposal is that the universe can be modelled in much the same way. The goal of physics, he suggests, is to work out the rules that the universal graph obeys.

Key to his suggestion is that a suitably complicated graph looks like a geometry. For instance, imagine a cube and a graph that resembles it.

Wolfram argues that extremely complex graphs resemble surfaces and volumes: add enough nodes and connect them with enough lines and you form a kind of mesh. He maintains that space itself can be thought of as a mesh that knits together a series of nodes in this fashion.

How can complicated meshes of nodes help with the project of reconciling general relativity and quantum mechanics? Well, quantum theory deals with discrete objects with discrete properties. General relativity, on the other hand, treats the universe as a continuum and gravity as a continuous force.

If we can build a theory that can do what general relativity does but that starts from discrete structures like graphs, then the prospects for reconciling general relativity and quantum mechanics start to look more promising.

If we can build a geometry that resembles the one given to us by general relativity using a discrete structure, then the prospects look even better.

While Wolfram’s project is promising, it does contain more than a hint of hubris. Wolfram is going up against the Einsteins and Hawkings of the world, and he’s doing it without a life spent publishing in physics journals.

(He did publish several physics papers as a teenage prodigy, but that was 40 years ago, as well as a book A New Kind of Science, which is the spiritual predecessor of the Wolfram Physics Project.)

Moreover, his approach is not wholly original. It is similar to two existing approaches to quantum gravity: causal set theory and loop quantum gravity, neither of which get much of a mention in Wolfram’s grand designs.

Nonetheless, the project is notable for three reasons.

First, Wolfram has a broad audience and he will do a lot to popularise the approach that he advocates. Proponents of loop quantum gravity in particular lament the predominance of string theory within the physics community. Wolfram may help to underwrite a paradigm shift in physics.

Second, Wolfram provides a very careful overview of the project from the basic principles of graph theory up to general relativity. This will make it easier for individuals to get up to speed with the general approach and potentially make contributions of their own.

Third, the project is „open source”, inviting contributions from citizen scientists.

If nothing else, this gives us all something to do at the moment – in between baking sourdough and playing Animal Crossing, that is. 

 

Creatorul Wolfram Alpha are un plan îndrăzneț pentru a fundamenta o nouă teorie a fizicii

Stephen Wolfram este un cult pentru oamenii de știință din programare și matematică. El este creierul din spatele lui Wolfram Alpha, un site web care încearcă să răspundă la întrebări folosind algoritmi pentru a cerne informațiile dintr-o bază masivă de date . El este, de asemenea, responsabil pentru Mathematica, un sistem informatic folosit de oamenii de știință din întreaga lume.

Săptămâna trecută, Wolfram a lansat un nou proiect: Wolfram Physics Project, o încercare ambițioasă de a dezvolta o nouă fizică a Universului nostru.
Noua fizică, declară el, este de calcul. Ideea călăuzitoare este că totul poate fi redus la aplicarea unor reguli simple pe blocurile fundamentale.

Care este sensul „noii fizici ”?

De ce avem nevoie de o astfel de teorie? Până la urmă, avem deja două teorii fizice extraordinar de reușite.
Acestea sunt relativitatea generală – o teorie a gravitației și structurilor la scară largă a Universului – și mecanica cuantică – o teorie a constituenților de bază ai materiei, a particulelor sub-atomice și a interacțiunilor acestora. Nu stăpânim fizica?
Nu chiar. Deși avem o teorie excelentă asupra modului în care gravitația funcționează pentru obiecte mari, precum stele și planete și chiar oameni, nu înțelegem gravitația la energii extrem de mari sau pentru lucruri extrem de mici.
Relativitatea generală „se descompune” atunci când încercăm să o extindem în tărâmul miniatural, unde guvernează mecanica cuantică. Aceasta a dus la o căutare a graalului sfânt al fizicii: o teorie a gravitației cuantice, care ar combina ceea ce știm din relativitatea generală cu ceea ce știm din mecanica cuantică pentru a produce o teorie fizică cu totul nouă.
Cea mai bună abordare actuală pe care o avem pentru gravitația cuantică este teoria șirurilor. La această teorie se tot lucrează de vreo 50 de ani și mai bine, iar în timp ce a obținut un anumit succes, există o nemulțumire din ce în ce mai mare cu privire la aceasta.

Cum este diferită abordarea lui Wolfram?

Wolfram încearcă să ofere o alternativă la teoria stringurilor. El o face printr-o ramură a matematicii numită teoria graficului, care studiază grupuri de puncte sau noduri conectate prin linii sau muchii.
Gândiți-vă la o platformă de rețea socială. Începeți cu o persoană: Betty. În continuare, adăugați o regulă simplă: fiecare persoană adaugă trei prieteni. Aplica regula lui Betty: acum are trei prieteni. Aplicați din nou regula oricărei persoane (inclusiv cea cu care ați început, și anume: Betty). Continuați să aplicați regula și, destul de curând, rețeaua de prieteni formează un grafic complex.
Puncte conectate prin linii în rețele.
O regulă simplă de mai multe ori creează o rețea complexă de puncte și conexiuni. (Autor furnizat)
Propunerea lui Wolfram este ca universul să poată fi modelat în același mod. Scopul fizicii, sugerează el, este să elaboreze regulile la care se supune graficul universal.
Cheia sugestiei sale este că un grafic adecvat complicat arată ca o geometrie. De exemplu, imaginați-vă un cub și un grafic care seamănă cu acesta.
foto1
În același mod în care o colecție de puncte și linii poate aproxima un cub solid, Wolfram susține că spațiul în sine poate fi o plasă care tricotează o serie de noduri.
Wolfram susține că graficele extrem de complexe seamănă cu suprafețele și volumele: adăugați suficiente noduri și conectați-le cu linii suficiente și formați un fel de plasă. El susține că spațiul în sine poate fi gândit ca o plasă care tricotează o serie de noduri în acest mod.

Ce legătură are asta cu fizica?

Cum pot ajuta ochiurile complicate de noduri să reconcilieze relativitatea generală cu mecanica cuantică? Ei bine, teoria cuantică se ocupă de obiecte discrete cu proprietăți discrete. Relativitatea generală, pe de altă parte, tratează universul ca un continuum și gravitația ca o forță continuă.
Dacă putem construi o teorie care poate face ceea ce face relativitatea generală, dar care pornește de la structuri discrete precum graficele, atunci perspectivele de reconciliere a relativității generale și a mecanicii cuantice încep să pară mai promițătoare.
Dacă putem construi o geometrie care seamănă cu cea oferită de relativitatea noastră generală folosind o structură discretă, atunci perspectivele arată și mai bine.
Diagrame complexe care ilustrează graficul spațiului.
Spațiul poate fi o plasă complexă de puncte conectate printr-o regulă simplă, care este iterată de mai multe ori. (Wolfram Physics Project)
Deci este timpul să vă entuziasmați?
Deși proiectul lui Wolfram este promițător, acesta conține mai mult decât o ușoară tentă educativă. Wolfram se va ridica împotriva einsteinilor și hawking-ilor lumii, și o face fără o viață petrecută publicând în reviste de fizică.

(El a publicat mai multe lucrări de fizică ca o popularizare pentru adolescenți, dar asta a fost acum 40 de ani, precum și o carte Un nou tip de știință, care este predecesorul spiritual al proiectului de fizică Wolfram.)
Mai mult, abordarea sa nu este deloc originală. Este similară cu două abordări existente ale gravitației cuantice: teoria seturilor cauzale și gravitația cuantică a buclei, niciuna dintre acestea nu obține o mare mențiune în marile concepții ale lui Wolfram.

Cu toate acestea, proiectul este remarcabil din trei motive.
În primul rând, Wolfram are un public larg și va face multe pentru popularizarea abordării pe care o susține. Proponenții gravitației cuantice de buclă, în special, se lamentează de predominanța teoriei șirurilor în cadrul comunității fizicii. Wolfram poate ajuta la rescrierea unei schimbări de paradigmă în fizică.
În al doilea rând, Wolfram oferă o privire de ansamblu foarte atentă a proiectului, de la principiile de bază ale teoriei graficelor până la relativitatea generală.
În al treilea rând, proiectul este „open source”, invitând la contribuții pe oamenii de știință.