Warum wird das Universum von sehr wenigen Gesetzen hoher Allgemeinheit regiert, statt von vielen besonderen?

So fing es nicht an. Aber im Laufe der Zeit entdeckten die Menschen, die gründlich über physikalische Gesetze nachdachten, nach und nach bestimmte sehr allgemeine zugrunde liegende Prinzipien, die zu einer Menge separater Gesetze führten, die dann als Sonderfälle der allgemeineren zugrunde liegenden Prinzipien verstanden wurden.

Dieser Vorgang wird Vereinigung genannt. Beispiele sind die Maxwellschen Gesetze der Elektrodynamik und die elektroschwache Vereinigung von Weinberg/Salaam.

Eine andere Art von Beispiel liefert das Noethersche Theorem, das einzige allgemeine Prinzip, das allen verschiedenen Erhaltungssätzen in der Physik zugrunde liegt.

Es fing so an. Wenn es einen Anfang gab. Was ist überhaupt Zeit? In der Allgemeinen Relativitätstheorie wird es als Dimension dargestellt. Aber das Sicherste, was wir darüber wissen, unsere Theorie von Gravitation + Zeit, ist, dass sie nicht mit der Quantenmechanik zusammenpasst, unserer Theorie von allem anderen – unsere bisher beste Verzahnung, die Wheeler-DeWitt-Gleichung, findet heraus, dass sich die Zeit aufhebt ', es ist keine Variable. Loop Quantum Gravity und andere Ansätze zur Quantengravitation betrachten die Zeit also als emergent und nicht als grundlegend.

Was denken wir, ist eine Dimension? Der Satz von Noether bewies, dass Dimensionen direkt äquivalent zu lokalen kontinuierlichen Symmetrien sind - der Satz von Erhaltungsgesetzen, Energieimpuls usw. sind die Dimensionen. Wir können uns also ein Universum mit entstehenden Dimensionen vorstellen: ein Muster in etwas Fuzzy, wie Quantenschaum oder ein Spin-Netzwerk. Wie ein Kristall, der in einigen Richtungen symmetrisch organisiert ist, in anderen aber nicht, wenn sich eine Flüssigkeit abkühlt – und genau das ist die Idee von Lisis E8-Theorie . Da war dieses glatte, symmetrische System, metaphorisch wie eine Flüssigkeit, und die Gesetze unseres Universums „kristallisierten sich heraus“, mit den Konstanten, die es hat, nur eine von vielen Möglichkeiten, wie es hätte gehen können, vielleicht „besät“ wie Kristalle sein können.

Eines der tiefsten Merkmale, Muster, die wir finden, ist das Unsicherheitsprinzip. Es erlaubt das Ausleihen von ein wenig Energie für eine kurze Zeit, solange das Gleichgewicht wiederhergestellt ist. Aber wir können beobachten, dass es zutreffen muss, denn wenn etwas Interessantes – etwas Seltsames – in diesem kleinen Fenster passiert, geht es nicht ganz zurück, wie es war. Sagen wir, ein Teilchen-Antiteilchen-Paar erscheint. Sie können sich wieder vernichten und den schönen flachen leeren Raum zurückgeben. Aber es kann noch etwas Seltsameres passieren: Im Fuzzy-Unsicherheitsfenster kann die Symmetrie „verletzt“ werden: Ladungs-Paritäts-Zeit- oder CPT-Verletzung im Besonderen, weil das, was wir in unserem Universum sehen, weitaus mehr Materie als Antimaterie gemacht hat . Es ist also wie diese Asymmetrie, diese 'Verletzung' der Dinge, die ordentlich zurückknirschen, die Art und Weise, wie die Zeit nicht wie die anderen Dimensionen ist (oder, CP&T sind ' Alles ganz gleich), gab diese gewaltige Verzögerung bei der Amortisation der geliehenen Energie in Bezug auf das, was passieren kann (die Anzahl der Zustände, die Größe des Wahrscheinlichkeitsraums), bevor die Komplexität wieder zur Einfachheit zusammenbricht, was wir immer noch glauben (nur weil sich die Dinge ändern). Diese Unschärferelation hat also eine tiefe Eleganz: Wir finden sie überall, und sie kann dazu führen,alles - die Gesetze, die Teilchen, die Dimensionen, ihre komplizierten Muster wie unser Urknall.

Was würde der „Anfang“ in einem zeitlosen Universum bedeuten? Es ist philosophisch sowieso problematisch, denn wenn die Zeit damit begonnen hat , was bedeutet es zu fragen, was vorher passiert ist?

Roger Penrose, der auf seinem außergewöhnlich langen und abwechslungsreichen Weg in der Physik endlich einen wohlverdienten Nobelpreis gewonnen hat, hat diese schöne Idee der konformen zyklischen Kosmologie. Wir wissen, dass schwarze Löcher schließlich verdampfen werden, wir glauben, dass Protonen wahrscheinlich zerfallen, und das Gegenteil dessen, was das „glatte“ frühe Universum in Teilchenklumpen verwandelte, wird sich umkehren. Nur eine Suppe aus Photonen, von denen wir glauben, dass sie nicht zerfallen können – und, wie Penrose betonte, die keine Zeit erfahren. Wir haben also wieder einen glatten flachen Zustand der einfachsten Dinge, wie diese Metapher für eine Flüssigkeit. Und CCC schlägt vor, das ist genau wie der Urknall, von dem wir wissen, dass er explodiert! Es ist hier nicht wichtig, ob CCC Recht hat, mein Punkt ist, was passiert, wenn wir nach „vor“ dem Urknall fragen, und dass kluge Leute Ideen haben. Es'

Was wir also ohne Zeit haben, ist ein kompliziertes Muster, ein Punkt, der sich ausdehnt und zusammenzieht, der in der Weite herumhüpftImaginärer Raum aller möglichen Universen, wie der Kristall kühlt und wärmt, kompliziert und einfach wird. Wann ist es am einfachsten zu verstehen? Wenn es einem Punkt am nächsten kommt, der totalen Einfachheit am nächsten: eine vereinte Kraft, eine Teilchenart, ein Kraftträger. Was wollen wir dann wissen? Der riesige Raum ist aller Wahrscheinlichkeit nach immer schnell unüberschaubar. In der Physik nennen wir diesen Ort den Hilbert-Raum, aber wir können nur dort wirklich arbeiten, wo die Teilchenzahlen darin klein und die Wechselwirkungen sehr begrenzt sind. Allerdings haben wir mit unserem Universum einen „Cheat“: Wir wissen, wo wir gelandet sind, welche Menge der etwa 20 fundamentalen Konstanten der Staat gewählt hat. Es ist, als würde man versuchen, sich mit allen möglichen Klängen auseinanderzusetzen, die eine Gitarrensaite jemals erzeugen könnte, anstatt nur einen bestimmten zu analysierenTon. Und dieser Ton kann uns alles darüber erzählen, wie wir von der einfachen Stelle, der „nicht gezupften Saite“, zu dieser besonderen gelangt sindkomplizierter Ort. Das kann uns etwas über das „Zupfen“ sagen oder von welchem ​​Echo diese Note resoniert (z. B. „vor“ dem Urknall) und darüber, wie dieses Echo abklingen wird: ein großer Riss, sanfter Hitzetod, viele Optionen. Und vielleicht, wie in CCC, kann dieses 'endgültige' Photonenmuster in das nächste Universum eingespeist werden, vielleicht kann so jedes Universum etwas komplexer werden, einen anderen Satz von Konstanten 'säen', und so sind wir dazu gekommen riesigen komplexen Universum sehen wir. Und wir sind Teil des Universums, das sich selbst studiert, um auf einen endgültigen Zustand hinzuarbeiten, der noch mehr Komplexität erzeugen wird – eine riesige Musikpartitur, die Zeitachse jedes gesamten Universums, eine Note. Als die Gesetze gerade komplex genug wurden, haben die Zeitlinien des Universums Verstand und sie machen die Dinge komplexer .

In diesem Bild ist es nicht wirklich wahr zu sagen, dass Komplexität „von“ oder aus Einfachheit gemacht ist. Es ist nur, dass alle Zustände immer miteinander verbunden sind, eine mehrdimensionale Skulptur von allem, was war oder sein wird, und etwas „rollt herum“; Bewusstsein, 'jetzt', Zustandsinformationen kräuseln sich um das Muster herum, borgen von sich selbst und zahlen sich selbst zurück. Dies ist die Ansicht, dass alles niemals aufhört, nichts zu sein (innerhalb der Grenzen der Unsicherheit). Und nichts, kann nicht anders, als alles zu machen.

Wenn Sie eine Reihe von Dingen haben und wiederholen, was sie sind, wie das Schütteln eines Tabletts mit Würfeln oder Münzen, erhalten Sie mehr Ergebnisse für die einfacheren Fälle. Damit das Universum in einen so „ungewöhnlichen“ Zustand gerät und etwa 20 Fundamentalkonstanten benötigt, um zu erklären, was im Unsicherheitsfenster passieren kann, bedeutet dies einen riesigen Hilbert-Raum. Der Kristall muss also viele Male mit weniger Komplexität gekühlt haben, die Saite hatte weniger komplexe Echos. Die „einfachen“ Gesetze erzählen uns von einer Vielzahl anderer Möglichkeiten, wie das Universum hätte sein können. Wie bei einem Hilbert-Raum erhöht jede Interaktion die Widerspenstigkeit erheblich. Es könnte Muster geben, aber wir konnten sie nie sehen. Und mit Blick auf das Anthropische Prinzip gibt es Muster , und wir sind hier und sehen sie, also musste es so sein, dass die grundlegenden Wechselwirkungen gering genug waren, dass sie für einfache Wechselwirkungen handhabbar wären. Andere mögliche Zustände des Universums, der Verstand konnte nicht vorankommen. Dafür brauchen wir es einfach genug, um die Regeln mit einem endlichen Klumpen Materie zu verstehen, aber komplex genug, um so etwas wie unser Universum zu bauen, dann wird es Geister geben, und sie können das nächste Universum komplexer machen (aber immer noch für Geister handhabbar). oder das Feedback endet).

Entschuldigung, dass ich mich nicht prägnanter ausgedrückt habe. Und was den verbleibenden Jargon anbelangt, habe ich darauf geachtet, so wenig wie möglich zu verwenden. Ich hoffe, Sie haben das Gefühl, dass dies zumindest darauf hindeutet, welche Form eine Antwort annehmen könnte, wenn wir bessere Antworten haben, um die von Hand gewellten Teile zu füllen.

Es scheint mir, dass man sehr vorsichtig sein muss, den Zustand des Universums und die objektive Realität darüber (oder vielmehr unsere Wahrnehmung davon) mit unserem Verständnis davon zu verwechseln. Um es klarer zu sagen, Aussagen wie "das Universum wird von einer kleinen Anzahl von Gesetzen regiert ..." oder "es gibt ein einziges Gesetz, das Gesetz der universellen Gravitation, das die Umlaufbahnen aller Planeten kontrolliert" sind ehrlich gesagt bedeutungslos mir.

Das „Gesetz“ ist nichts anderes als unsere mathematische Beschreibung von etwas, obwohl es auf grundlegenderen Prinzipien beruhen mag, ist es einfach die Art und Weise, wie Menschen es geschafft haben, bestimmte Phänomene zu beschreiben, vorherzusagen und sich selbst zu erklären, in denen sie eine gewisse Regelmäßigkeit entdeckt haben. Newtons oder Einsteins Gravitationsgesetze sind nur Beschreibungen, Modelle, wenn Sie so wollen, sie bringen die Planeten nicht dazu, sich auf eine bestimmte Weise zu bewegen, sie helfen uns nur, dieses Verhalten zu beschreiben und vorherzusagen.

Fragen wie „Warum gibt es ein paar Gesetze, die die Realität beschreiben?“ sind für mich dann viel mehr Fragen darüber, wie der menschliche Verstand funktioniert, als Fragen über das physikalische Universum. Ich denke, wir haben Gehirne entwickelt, die es vorziehen, mit hohen Abstraktionsebenen umzugehen, plus die Fähigkeit, Abstraktionen auf Abstraktionen aufzubauen. Sobald wir das haben, braucht es nur noch einen Sinn für Ästhetik/Ökonomie des Denkens, um uns die saubersten möglichen Erklärungen zu geben, in den elegantesten Begriffen, mit den wenigsten Annahmen, die möglich sind, etc. für bestimmte Phänomene.

TL;DR: Es ist nicht das Universum, das wenige Gesetze bevorzugt, sondern unser Verstand. Das Universum ist, wie es ist, egal wie schlau wir es beschreiben.