¿Por qué alguien pensaría que los físicos deberían ser más rigurosos en el uso de las matemáticas?

Estudié Física y Matemáticas como estudiante universitario, y ahora vivo y trabajo con matemáticos aplicados (que a menudo se hacen pasar por ingenieros eléctricos, hago teoría de la información). En mi opinión, la noción de que los físicos no son lo suficientemente rigurosos proviene de la siguiente tendencia de los físicos:

Describir un objeto intuitivamente sin traducir esa intuición en ecuaciones.

Debido a que las ecuaciones son claras y concisas, la ausencia de ecuaciones tiende a ser interpretada por personas con una inclinación más matemática como una falta de concreción. Un físico está bastante contento de hacer argumentos que dependen mucho de la intuición, tales como: ¿Qué es el descuido? – Además de la descripción cautivadora (en palabras) de los modelos descuidados, no hay un vistazo acerca de lo que significa medir el “comportamiento de los modelos descuidados multiparamétricos”, la gráfica en el lado inferior izquierdo tiene ejes sin marcar, etc. En este punto un matemático comienza a ponerse de mal humor con esta “charla de cafetería” y se retira a su prístina cueva de teoremas, corolarios y pruebas numerados. Mientras que la intuición por sí sola llevará a un físico bastante lejos, un matemático no llamará a algo argumento a menos que se vea así: http://statweb.stanford.edu/~ade…; ni una pregunta que valga la pena a menos que se vea así: https://www.stat.berkeley.edu/~a…. Por supuesto, todo esto es una generalización y dicho ‘no rigor’ afecta a algunos subcampos de física más que a otros (¡pero vea también la nota al pie!).

A pesar del “no rigor” de los físicos, todavía han hecho contribuciones sustanciales a las matemáticas. A menudo, los físicos introducen modelos conceptuales que luego resultan teóricamente interesantes. Un ejemplo es el modelo Ising (1920) de giros en una red con interacciones vecinas más cercanas, desde el cual los físicos estaban lo suficientemente contentos como para poder calcular cantidades físicamente observables como exponentes críticos. Más tarde, esto fue ‘secuestrado por los matemáticos’ (en palabras de un amigo), adornado con interacciones frustradas de largo alcance en el modelo Sherrington-Kirkpatrick, el modelo gaussiano, etc. Estos se han convertido en los juguetes favoritos de la investigación matemática en curso hoy en día. A este respecto, también debe mencionarse el método de la réplica , que primero fue inventado por el físico teórico Parisi (no rigurosamente, se podría decir) para resolver el modelo de Sherrington-Kirkpatrick, y luego aclarado por los matemáticos más tarde. Tenga en cuenta, el rigor vino después de la intuición! Puede leer sobre un intercambio similar entre los teóricos de cuerdas y los matemáticos aquí: Cómo la teoría cuántica está inspirando nuevas matemáticas | Quanta Magazine

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Nota al pie: Quizás la comparación anterior de páginas web no es totalmente justa porque una es una página web destinada a explicar la investigación de uno a un público lego, y la otra es un conjunto de notas de clase / una pregunta planteada a una audiencia con educación matemática. Sin embargo, busqué (durante 5 minutos, así que quizás no de manera exhaustiva) un intento comparablemente serio por parte de matemáticos de investigación para comunicar su investigación a los no matemáticos, y no pude encontrar uno 😉

Uno puede dividir aproximadamente la educación matemática en tres etapas:

  1. La etapa “pre-rigurosa”, en la que las matemáticas se enseñan de una manera informal e intuitiva, basada en ejemplos, nociones confusas y agitar las manos. (Por ejemplo, el cálculo generalmente se introduce por primera vez en términos de pendientes, áreas, tasas de cambio, etc.). El énfasis está más en la computación que en la teoría. Esta etapa generalmente dura hasta los primeros años de pregrado.
  2. La etapa “rigurosa”, en la que ahora se le enseña que para hacer las matemáticas “correctamente”, se necesita trabajar y pensar de una manera mucho más precisa y formal (por ejemplo, rehacer el cálculo usando epsilones y deltas en todo el sitio). El énfasis ahora está principalmente en la teoría; y se espera que uno sea capaz de manipular cómodamente objetos matemáticos abstractos sin enfocarse demasiado en lo que dichos objetos realmente “significan”. Esta etapa generalmente ocupa los últimos años de pregrado y posgrado.
  3. La etapa “post-rigurosa”, en la que uno se ha sentido cómodo con todos los fundamentos rigurosos del campo elegido, y ahora está listo para volver a visitar y refinar la intuición pre-rigurosa sobre el tema, pero esta vez con la intuición sólidamente respaldada por Teoría rigurosa. (Por ejemplo, en esta etapa, uno podría realizar cálculos de forma rápida y precisa en el cálculo vectorial mediante el uso de analogías con el cálculo escalar, o el uso informal y semi-riguroso de infinitesimales, notación Big-O, etc., y ser capaz de convierta todos estos cálculos en un argumento riguroso cuando sea necesario.) El énfasis ahora está en las aplicaciones, la intuición y el “panorama general”. Esta etapa generalmente ocupa los últimos años de posgrado y más allá.

Es bien sabido que la transición de la primera etapa a la segunda es bastante traumática, ya que las temidas “preguntas de prueba” son la ruina de muchos estudiantes de pregrado en matemáticas. (Ver también “Las matemáticas tienen más que calificaciones, exámenes y métodos”.) Pero la transición del segundo al tercero es igualmente importante y no debe olvidarse.

Por supuesto, es de vital importancia que sepa cómo pensar rigurosamente, ya que esto le proporciona la disciplina para evitar muchos errores comunes y eliminar muchos conceptos erróneos. Desafortunadamente, esto tiene la consecuencia involuntaria de que el pensamiento “más difuso” o “intuitivo” (como el razonamiento heurístico, la extrapolación juiciosa de los ejemplos o las analogías con otros contextos como la física) se desaconseja como “no riguroso”. Con demasiada frecuencia, uno termina descartando la intuición inicial y solo puede procesar las matemáticas a un nivel formal, quedando estancado en la segunda etapa de la educación matemática. (Entre otras cosas, esto puede afectar la capacidad de uno para leer documentos matemáticos; una mentalidad demasiado literal puede conducir a “errores de compilación” cuando uno encuentra incluso un solo error tipográfico o ambigüedad en dicho documento).

El punto de rigor no es destruir toda intuición; en su lugar, debe usarse para destruir la mala intuición mientras aclara y eleva la buena intuición. Es solo con una combinación de formalismo riguroso y buena intuición que uno puede abordar problemas matemáticos complejos; uno necesita el primero para tratar correctamente los detalles finos, y el segundo para tratar correctamente el panorama general. Sin uno u otro, pasarás mucho tiempo dando vueltas en la oscuridad (lo que puede ser instructivo, pero es muy ineficiente). Entonces, una vez que esté completamente cómodo con el riguroso pensamiento matemático, debe volver a visitar sus intuiciones sobre el tema y usar sus nuevas habilidades de pensamiento para probar y refinar estas intuiciones en lugar de descartarlas. Una forma de hacer esto es hacerse preguntas tontas; otro es volver a aprender su campo.

El estado ideal para alcanzar es cuando cada argumento heurístico sugiere naturalmente su contraparte rigurosa, y viceversa. Entonces podrá abordar los problemas matemáticos utilizando las dos mitades de su cerebro a la vez, es decir, de la misma manera que ya aborda los problemas en la “vida real”.

Como Max Tegmark sigue señalando, las matemáticas describen el universo extremadamente bien. Por lo tanto, se puede inferir que la falta de rigor no lo hace.

Hubiéramos tenido relatividad cien años antes si los físicos hubieran escuchado a los matemáticos. Eso fue lento, descuidado y absolutamente inexcusable.

Los errores introducidos en las matemáticas son responsables de la mayoría de los callejones sin salida en los que los físicos han estado atrapados a lo largo de los años.

Si asume que 1 + 1 = 3 está lo suficientemente cerca, puede probar cualquier cosa.

La reducción al absurdo y métodos similares de análisis presuponen que todos los axiomas invocados entre el inicio y el final son correctos porque solo prueban que hay un error (generalmente un número impar de errores) y si ese error radica en su razonamiento más que en el argumento prueba, no podrás decirlo.

Muchos no se dan cuenta de que las matemáticas son tan útiles en física porque nuestro universo obedece a cierta lógica. Pero la física tiene una piedra de toque muy poderosa: observación y experimento. Eso es lo que revela los secretos del universo. Poco importa si las matemáticas son rigurosas, en comparación con si el resultado describe la realidad y permite predicciones útiles.

La matemática es principalmente una disciplina que se deriva de observar la realidad física. Aparte de eso, los humanos inteligentes pueden descubrir estructuras y comportamientos que no se derivan de las observaciones. Esto se debe a la capacidad de los humanos de asociar el ruido con el conocimiento existente y de esa manera construir nuevas teorías.

El rigor es el anti-error, incluso si eres un físico experimental. Probablemente, más del 90% del tiempo de un físico se pasa fuera del laboratorio en preparación y análisis de mediciones. En resumen, este es un pensamiento crítico basado en las matemáticas.

Porque es verdad

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