Warum sollte irgendein Physiker etwas über Experimentalphysik wissen? [abgeschlossen]

Ich habe versucht, eine Liste mit Gründen zu entwerfen, warum ein richtiger theoretischer Physiker die Methoden und die Schwierigkeit der experimentellen Physik verstehen sollte . Bisher sind mir nur zwei Punkte eingefallen:

  • Wissen, wie eine Theorie verifiziert werden kann oder nicht;
  • Auf experimentellen Daten basierende Arbeiten lesen können;

Aber das ist ungefähr das, was ich mir vorstellen kann. Verstehen Sie mich nicht falsch, ich denke, experimentelle Physik ist sehr schwer zu bearbeiten, und ich versuche nicht, sie mit meiner lächerlich kurzen Liste zu schmälern. Mir fällt wirklich kein anderer Grund ein. Kann mir jemand helfen?

Was meinen Sie mit einem „ richtigen theoretischen Physiker“?
@MattReece In dem Sinne, dass es in der Physik wie in allen Wissenschaften letztendlich um die reale Welt gehen muss. Sicherlich haben wir alle einen Sinn für Schönheit und Eleganz und setzen das gerne in unsere Theorien um, aber was wirklich wichtig sein sollte, ist, ob diese Theorien das Universum erklären können oder nicht, als solche falsifizierbar sein können. Also ein "richtiger" theoretischer Physiker sollte das immer im Hinterkopf haben oder es verweilt nur im Phantastischen, und das ist für mich keine Wissenschaft.

Antworten (6)

Als Theoretiker erfindet man gerne neue Ideen, wie Dinge funktionieren könnten. Eine entscheidende Komponente der Theoriebildung ist die Suche nach der Verbindung zu Experimenten: Eine Theorie ist physikalisch bedeutungslos, wenn wir sie nicht überprüfen können, denn dann kann sie nicht falsifiziert werden. Ein Theoretiker sollte in der Lage sein, experimentelle Tests für seine Theorien zu entwickeln . Dies erfordert ein gutes Verständnis dafür, wozu Experimentatoren (nicht) fähig sind.

Das perfekte Beispiel hier ist Einstein (ist er nicht immer?), der eine Reihe von experimentell überprüfbaren Vorhersagen seiner Allgemeinen Relativitätstheorie aufgestellt hat (die für die spezielle Relativitätstheorie waren ziemlich offensichtlich, sodass er nicht zu hart arbeiten musste auf diesem). Die bekannteste davon ist die von Eddington und einigen anderen bestätigte Vorhersage der korrekten Lichtablenkung während einer Sonnenfinsternis.

Ein notorisch schlechtes Beispiel in dieser Hinsicht ist die Stringtheorie. Es hat sich bisher als unmöglich erwiesen, die Stringtheorie zu testen, und dies wird von vielen als ernstes Problem angesehen (obwohl es vielleicht nicht mit dem mangelnden Verständnis der Theoretiker der Experimentalphysik zu tun hat).

+1 Schöne Beispiele. Ihr Punkt war im Grunde das, was ich mit meinem ersten Punkt meinte.
Ich nehme Anstoß an Ihrem „Es hat sich bisher als unmöglich herausgestellt, einen Weg zu finden, die Stringtheorie zu testen“. Die Stringtheorie wird nicht im luftleeren Raum als mathematisches Spielzeug entwickelt. Es wird auf Konsistenz mit der Quantenfeldtheorie, dem Standardmodell, Gravitationstheorien getestet. Es ist eine Theorie höherer Ordnung, deren experimentelles Testfeld die bisher validierten niederen Theorien sind. Es sagt Supersymmetrie voraus, und dies muss noch getestet werden. Das Modell der großen Extradimensionen wurde bei den LHC-Energien nicht validiert, aber es war ein String-Modell, das auf Validierung überprüft werden kann.
@annav Alle "Vorhersagen" (eigentlich Nachworte) der Stringtheorie, die jetzt validiert werden können, werden von ihren Vorgängern geerbt. Das richtig zu machen, ist eine Mindestanforderung für einen Kandidaten für eine neue Theorie, und es ist ein mathematischer Triumph, der noch von keinem anderen Theoriekandidaten erreicht wurde, aber es macht die Stringtheorie nicht experimentell validiert. Die Stringtheorie ist eine wissenschaftliche Theorie, weil sie falsifiziert werden könnte, wenn sie falsch wäre, aber sie hat sich noch keinem Test gestellt, bei dem ein negatives Ergebnis nicht abgeschrieben werden kann, indem man sagt: "Nun, wir sind noch nicht auf der Skala, wo das so ist erscheint noch“ .
Ich denke, Anna V präsentiert einen sehr wichtigen zusätzlichen Punkt in ihrer Antwort (ich spreche jetzt nicht über die Saitendiskussion). Der Punkt ist, dass der Theoretiker verstehen sollte, was der Großteil der harten Daten ist und wie sie gewonnen wurden. Andernfalls wird der Theoretiker niemals die möglichen "blinden Flecken" irgendeiner Theorie oder einer anderen Interpretation eines Experiments verstehen, die bei der Formulierung eines neuen ausgenutzt werden kann. Dh wenn Sie nur die formale Beschreibung und nicht die Fakten kennen, können Sie die Fakten nicht umschreiben.
@dmckee Vielleicht verstehe ich deine Argumentation falsch. Wollen Sie damit sagen, dass wir, wenn die Stringtheorie zufällig vor den Theorien aufgestellt worden wäre, mit denen sie harmoniert, wissenschaftlich berechtigt wären, diese Theorien als nicht falsifizierbar abzuschreiben? Wenn die Stringtheorie die gleichen Ergebnisse wie andere Theorien vorhersagt (postdiktiert?), dann muss sie genauso falsifizierbar sein wie diese Theorien. Wenn sie außerdem eleganter, einfacher oder in sich geschlossener ist, würde man meinen, sie wäre die bevorzugte Theorie, bei Occams Rasiermesser.
@Aaron Die String-Theorie ist im Prinzip falsifizierbar, aber sie wurde noch keinem experimentellen Test unterzogen, der sie hätte falsifizieren können. Die Lorentz-Invarianz und die Symmetrien der elektroschwachen und starken Wechselwirkungen waren bereits als Merkmale des Universums gut etabliert, als die Stringtheorie zusammengebracht wurde, sodass keine Theorie, die sie nicht beinhaltete, hätte in Gang kommen können. Die neue Vorhersage der Sting-Theorie wurde nicht beobachtet, aber das ist nicht beweiskräftig, da wir möglicherweise nicht die erforderliche Energieskala erreicht haben. Die Stringtheorie ist testbar, aber nicht getestet.
@dmckee Ist es nicht ein logischer Irrtum, eine Theorie unterschiedlich zu beurteilen, je nachdem, wann sie im Verhältnis zu anderen Theorien entdeckt / erfunden wurde? Wenn es vor QED, GR, dem Standardmodell erfunden wurde, würden Sie sagen, es wurde getestet und validiert, und Sie würden die neueren Theorien als überflüssig zurückweisen? Ist es nicht logisch widersprüchlich zu behaupten, dass die Stringtheorie sowohl mit früheren Theorien harmoniert als auch ungetestet ist? Zu viel mehr Diskussion wäre hier unangebracht, aber dieser Punkt geht direkt auf die Richtigkeit dieser Antwort ein.
@Aaron Diese bereits vorhandenen Symmetrien werden getestet. Bußgeld. Darüber streitet niemand. Aber sie neu zu schreiben, fügt der Summe des menschlichen Wissens nichts Neues hinzu. Die Mathematik selbst fügt der Mathematik etwas hinzu, aber an dieser Stelle gibt es keinen experimentellen Grund, die Stringtheorie dem Wirrwarr bestehender Theorien vorzuziehen. Es gibt philosophische Gründe: Die Theorie ist großartig und einheitlich. Aber das sind keine Daten. Und die neue Vorhersage wurde nicht getestet . Oder besser gesagt, die Theorie hat den Test über die zugänglichen Energiebereiche nicht bestanden.
@dmckee Danke für deine Geduld. Diese Erklärung hat ziemlich geholfen. Dieses Problem ist eines, über das ich mich oft gewundert habe, wenn ich auf Bemerkungen wie die OPs zur Stringtheorie gestoßen bin.

Denn sonst bist du Mathematiker.

Der Zweck der Physik besteht darin, die Natur mit der Sprache der Mathematik zu beschreiben, aber die einzige Möglichkeit, mit der Natur in Kontakt zu bleiben, besteht darin, durch Experimente und Beobachtungen mit ihr zu interagieren.

Wenn Sie völlig die Fähigkeit verlieren, zu verstehen, wie ein Prozess beginnt und sich entwickelt, wie sehr er von externen Faktoren beeinflusst werden kann, wie man signifikante Daten extrahiert, um ihn zu verstehen und zu reproduzieren; dann spielst du nur mit Zahlen. Sie finden vielleicht interessante Dinge, aber Sie machen keine Physik mehr.

Darüber hinaus werden heutzutage viele Theorien mit Computersimulationen getestet, die viele der Techniken teilen, die den Experimentatoren seit Ewigkeiten bekannt sind, insbesondere in der Datenanalyse. Sich von Zeit zu Zeit die Hände schmutzig zu machen, macht Sie zu einem viel besseren Physiker, nicht nur, wenn es darum geht, einen experimentellen Test für Ihre Arbeit zu entwerfen: Dies wäre in der Tat eine leichte Aufgabe, wenn Sie Ihr Modell nahe genug an der Natur gehalten hätten.

+1 für den Computersimulationsvergleich, aber es wäre schön, wenn Sie dies näher erläutern könnten!
@Phonon Das ist ziemlich einfach: Wenn Sie ein komplexes, nicht integrierbares Modell für etwas erhalten, können Sie seine Gültigkeit nur mit Hilfe eines Computers testen. Das bedeutet, ein virtuelles Wort einzurichten, das die Regeln Ihres Modells respektiert, und es mit der realen Welt zu vergleichen. Aus diesem Grund ist die moderne Physik so hungrig nach Rechenleistung: Wir neigen dazu, alles zu simulieren, um zu sehen, ob wir alle Aspekte eines Systems haben.
Danke für die Antwort, Sie haben meine Frage vielleicht missverstanden, ich weiß genau, was Computersimulationen sind, deshalb hat mir gefallen, dass Sie es in Ihrer Antwort angesprochen haben, was ich gefragt habe, war ziemlich eng mit dem verbunden, was PML ist, dh Auf welche Weise kann ein Experte für die Entwicklung von Computersimulationen von einem möglichen Erfahrungshintergrund in der Experimentalphysik profitieren? Der Punkt ist, dass die meisten Experten auf diesem Gebiet, die ich kenne, alle theoretische Physiker sind, die sich auf die Richtigkeit der bestehenden Theorie verlassen, auf deren Grundlage sie Simulatoren schreiben, und nicht auf "experimentelle Ergebnisse".
Bei der Art von Simulationen, an die Sie denken, nehmen Sie eine konsolidierte Theorie und wenden sie auf komplexe Randbedingungen an. In anderen Situationen ist jedoch die Theorie selbst Gegenstand der Untersuchung, hier versucht man die Randbedingungen so einfach wie möglich zu halten und muss natürlich mit experimentellen Daten abgleichen. Das konkreteste Beispiel, das ich bringen kann, stammt aus der Kernphysik: Hier möchte man vielleicht testen, wie ein neuartiges Modell in der Lage ist, das Verhalten und die Eigenschaften des Kerns vorherzusagen.
Schönes Beispiel und Punkt gemacht, ich denke, Sie könnten Ihrem Beitrag ein paar Beispiele wie dieses hinzufügen, es wird viel schöner zu lesen sein, da bin ich mir sicher;)

Für mich als Experimentator erstaunt mich die Zahl der theoretisch veranlagten Menschen, die ich hier beobachtet habe, die mit Konzepten zappeln, die Philosophie sein sollten, und die über den Kollaps der Wellenfunktion nabelhaft staunen.

Ich würde einen Kurs in Teilchenphysik bestellen, das wird eine Intuition dafür geben, was es bedeutet, sich in den quantenmechanischen Dimensionen zu bewegen, eine Verbindung mit der Realität und harten Zahlen. Ohne eine klare Karte der reellen Zahlen, die wir beherrschen und die die Natur beschreiben, ist ein Theoretiker nur ein Mathematiker, soweit es die Intuition betrifft. Deshalb gibt es Leute, die meinen, sie hätten „Compositness“ oder eine neue Art, die Natur zu sehen, gefunden: weil sie die Masse an harten Daten nicht kennen, die sich im Laufe der Jahre angesammelt haben und in eine höhere Ordnung einfließen müssen Theorie.

In diesem Sinne kommt die starke Unterstützung von Stringtheorien durch viele Physiker, weil sie die Gruppen- und Gleichungsstruktur hat, um alle hart erkämpften Messungen der letzten Jahrzehnte in einen kohärenten Rahmen einzubetten. Auf der anderen Seite hat dies vielleicht Theoretiker dazu gebracht zu glauben, dass sie einfach physikalische Theorien erfinden und erstellen können, weil die Stringtheorie eine Theorie ist, die durch Theorien validiert wurde, die durch Daten validiert wurden. Hoffen wir, dass es mehr Vorhersagen als Supersymmetrie gibt, obwohl sie, wenn sie gefunden wird, groß genug sein wird, und große extradimensionale Modelle zum Testen in der nächsten Generation von Messungen am LHC und möglicherweise am ILC angeboten werden.

Einige Fälle mit Beispielen aus meinem Fachgebiet (nur weil ich es am besten kenne), aber auf andere übertragbar:

  • Achten Sie auf die Observables. Sie liefern Anfangs- und Endpunkte für eine Theorie.
    • Ein Beispiel: Wenn Sie die 3D-Struktur von Proteinen modellieren, könnten Sie daran interessiert sein, Kontaktkarten zu erstellen (im Grunde alle Atompaare, die nahe beieinander liegen), da es experimentelle Beweise dafür gibt. oder anderweitig als Eingabe verwenden. Sie müssen die Grenzen dieser Daten kennen, um zu sehen, ob die Unterschiede zwischen Ihrer Theorie und dem Experiment signifikant sind. Sie müssen sich beispielsweise auch der Unterschiede zwischen Pflanzen und Menschen auf Proteinebene bewusst sein, was bei dem einen gut funktioniert, muss es beim anderen möglicherweise nicht.
  • Einige Teile Ihrer Theorie sind möglicherweise sehr schwer analytisch zu beschreiben. Aber man kann zum Beispiel versuchen, Machine Learning einfach auf die Daten anzuwenden und einfach zu nutzen. Das bedeutet, dass Sie sich seiner Grenzen bewusst sein müssen und welche Aspekte in einer machbaren Zeitspanne verbessert werden können (leichte technologische Verbesserungen, andere Einstellungen usw.).
    • Ein Elektronenfluss, der auf ein Protein trifft, neigt dazu, es zu fragmentieren, und einige Punkte sind schwächer als andere. Dies mag theoretisch durch einige Monte-Carlo-Simulationen und Störungstheorie lösbar sein, aber in der Praxis ist es rückgängig zu machen (oder war es zumindest bisher). Aber es gibt Tausende von Maschinen , die jede Stunde buchstäblich Gigabyte an Daten generieren. Man könnte gerade genug davon sammeln, um ein gutes Modell zu bekommen. Und es wurde keine einzige Wellenfunktion benötigt.
    • Bei der vorherigen Vorrichtung kann man weniger Rauschen und eine bessere Auflösung erzielen, indem man einfach die Integrationszeit erhöht. Das bedeutet, dass wir weniger Proben erhalten, aber sie werden genauer sein. Wenn Ihre spezielle Anwendung von mehr Genauigkeit profitieren würde, wissen Sie, dass Sie mit den heutigen Maschinen ein paar Falze erzielen können. Andererseits lassen sich andere Lärmquellen nicht einfach verbessern, und man muss einen Weg finden, mit ihnen umzugehen.

Ich möchte hinzufügen, dass man im zweiten Fall je nach verwendetem ML-Algorithmus tatsächlich eine physikalische Interpretation der Parameter vornehmen kann. Etwas Ähnliches wie das Flüssigkeitstropfenmodell für die Kernmassen: Es ist nur eine Anpassung vieler Parameter, aber interessanterweise liegen die Werte für einige von ihnen, die (zumindest teilweise) theoretisch modelliert werden können, im gleichen Bereich.

Hier ist ein Grund, der noch nicht berührt wurde (aber auf den Ihre Frage anspielt): um neue Theorien bilden zu können.

Viele der interessantesten Theorien in der Physik stammen von jemandem, der über ein Experiment liest und versucht, die Ergebnisse zu erklären. Wir hätten keine Relativitätstheorie, wenn Einstein nicht über das Michelson-Morley-Experiment gelesen und gesagt hätte: „Hmm … nehmen wir an, es gibt keine Fehler, hier passiert etwas Komisches“.

Es werden immer noch viele Experimente mit unerwarteten Ergebnissen mit unvollständigen oder nicht so überzeugenden Erklärungen veröffentlicht. Ja, viele von ihnen sind in weniger glamourösen Bereichen wie Strömungsmechanik oder Akustik oder Crowd-Dynamik tätig. Aber hin und wieder entlocken wir ihnen interessante Theorien und hin und wieder ergeben zwei scheinbar unzusammenhängende Bereiche eine einzige vereinheitlichende Theorie.

Soweit ich weiß, ist es bestenfalls umstritten, ob das Michelson-Morley-Experiment Einstein beeinflusst hat ( en.wikipedia.org/wiki/Michelson%E2%80%93Morley_experiment )

Ich weiß nicht, ob es hilft, aber vielleicht könnte es hilfreich sein, das, was verifiziert werden kann, in die messbaren Größen aufzuschlüsseln? Vielleicht auch in welchen Grenzen die Größen aus dem Modell gültig sind.

Ich muss als gescheiterter Physiker (ich denke auf allen Ebenen) zugeben, dass theoretische Physik für mich eher angewandte Mathematik in dem Sinne ist, dass mathematische Konzepte angewendet werden, um physikalische Probleme anzugehen, während Mathematiker sich mehr mit der Entwicklung mathematischer Konzepte befassen. Das bedeutet natürlich nicht, dass einige Konzepte in den Händen theoretischer Physiker entstehen und von Mathematikern übernommen und vertieft werden. Beide Gruppen sind notwendig und wichtig.

Ich muss zugeben, dass für mich die Nabelschau (was ich etwas hart finde) wie das Treten der Reifen bei QM (Messproblem usw.) unerlässlich ist, um die Grenzen des Modells wirklich zu verstehen. Nur indem wir versuchen, über die gegenwärtigen Grenzen unseres Verständnisses hinauszugehen, kommen wir voran.

Ich für meinen Teil muss zugeben, dass ich immer noch Vorbehalte gegen die Störungstheorie habe (für mich scheint es immer noch so, als würde man versuchen, einen quadratischen Stift in ein rundes Loch zu stecken, indem man Bits abschabt – es passt, aber ist es richtig). Aber das könnte möglicherweise daran liegen, dass ich sehr wenig verstehe.

Warum sollte irgendein Physiker etwas über Experimentalphysik wissen? [abgeschlossen]
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