¿Por qué tenemos tantas teorías en física?

Me he preguntado lo mismo. Los científicos los inventan a medida que avanzan. En realidad, son más metódicos que eso. Se les ocurre una teoría para explicar las preguntas sin respuesta de ese tiempo y, cuando esa teoría arroja más preguntas que respuestas, se les ocurre una teoría para cada una. Ocasionalmente, se les ocurre una teoría que los gobierna a todos. Por ejemplo:

En 1995, Edward Witten comenzó lo que se llamó la Segunda Revolución de las Supercuerdas al introducir la teoría M en el mundo. Esta teoría combina las 5 teorías de cuerdas diferentes (junto con un intento previamente abandonado de unificar la Relatividad General y la Mecánica Cuántica llamada 11D-Supergravedad) en una sola teoría.

Si hubieras estado presente en ese momento, habrías escuchado a la gente gritar “Teoría M”, “Teoría M”, etc. y habrías alabado a Ed Witton como un héroe. Pensé, por fin hemos llegado al final del camino y hemos producido una teoría de todo. Pero luego, dijeron que necesita 10 dimensiones para funcionar. De todos modos, 21 años después y ¿qué tenemos? Nada.

En 1964, cuando se inventaron los quarks para explicar el “zoológico de partículas”, comenzaron a construir un Modelo Estándar cuyas ecuaciones fueron aclamadas como “hermosas” y pueden caber en una camiseta. Todavía lo hacen por cierto. Luego su globo explotó cuando descubrieron que esas ecuaciones fallarían si las partículas fundamentales tuvieran una masa intrínseca.

Entonces, Peter Higgs y sus colegas hicieron una sugerencia: ¿qué pasaría si las partículas no tuvieran masa? Las ecuaciones funcionaron maravillosamente de nuevo. ¿Pero qué le da masa a esas partículas? Peter Higgs sugirió que un campo impregna el universo y cuando las partículas atraviesan el campo, interactúan con él; aquellos que sienten una interacción fuerte adquieren más masa, etc. y aquellos que no interactúan con él viajan a la velocidad de la luz. Entonces llamaron a este campo después de Peter Higgs.

En 1979, unificaron la interacción débil con el campo electromagnético para formar la interacción electrodébil para completar el modelo estándar, ya que la gravedad se dejó fuera deliberadamente del modelo principalmente porque era difícil de explicar y, por lo tanto, no encajaba en las ecuaciones. En 2012, encontraron el bosón de Higgs porque cada campo tiene un bosón.

Escribí en una respuesta anterior que el mecanismo de Higgs establece que los fotones no interactúan con el campo de Higgs y, por lo tanto, no tienen masa como lo sugirió Einstein muchos años antes. Pero Einstein, incluso entonces, dijo que los fotones (energía) contribuyen a la masa. Quiero decir, ¿cómo puede hacerlo cuando no interactúa con el campo de Higgs?

Entonces, Einstein está equivocado o Peter Higgs et al están equivocados. Sospecho que Einstein tiene la mitad de razón porque los fotones contribuyen a la masa, debido a su masa intrínseca, cuando dijo que no tenían masa. Si tienen masa, entonces el mecanismo de Higgs es falso. Tiempo para otra teoría. No, no la teoría de todo de Gordon porque es una repetición del modelo estándar fallido.

Lo que necesitamos es un descanso completo del Modelo Estándar actual y las formas actuales de pensar. Echa un vistazo a The One Force of Nature, un libro electrónico de David Simmons para un nuevo modelo estándar que marcará el comienzo de la teoría del campo electromagnético como la nueva teoría del todo. Como siempre, la gravedad es el escollo, para todas las teorías que parece.

Bueno, de los que enumeró, los dos primeros son especulativos y el tercero no, así que dividiré esto en dos preguntas diferentes.

La primera es, “¿por qué hay tantas teorías [de la gravedad cuántica]?”. En pocas palabras, la respuesta a esta pregunta es: porque es un problema difícil y, sin ninguna forma clara de avanzar, muchas personas diferentes han tenido Hay muchas ideas diferentes para las que es difícil hacer cálculos matemáticos y entre las cuales no podemos distinguir fácilmente.

El segundo es lo que literalmente preguntaste: ¿por qué hay tantas teorías? La respuesta a esta pregunta es: porque hacemos ciertas aproximaciones, y diferentes teorías representan diferentes aproximaciones que podríamos hacer. Esto es relevante en primer lugar porque no tenemos un TOE (teoría de todo), y en segundo lugar porque hacer problemas reales desde cero sería computablemente insoluble.

Supongamos que tomamos un TOE teórico. Caída de la gravedad (con lo que quiero decir “no tengo mucha masa”), se obtiene la teoría del campo cuántico. Abandona la cuantidad (con lo que quiero decir “asumir un tamaño grande”), obtienes la relatividad general clásica. Suelta ambos, obtienes una relatividad especial. Deje caer la relatividad por completo (es decir, “bajas masas” y “bajas velocidades”) y obtendrá una mecánica cuántica no relativista. Agregue “tamaño grande” y se ha reducido a la mecánica clásica. Ahora conviértalo en “muchas partículas” y tendrá física estadística.

Tenga en cuenta que en cada etapa suponemos que cierta cantidad es pequeña (masa, velocidad) o grande (tamaño en comparación con la constante de Planck, número de partículas). Estas son simplificaciones; permiten descuidar ciertos factores, lo que facilita los cálculos. Incluso con las computadoras, los sistemas cuánticos grandes son prácticamente imposibles de simular, por lo que hacemos modelos más simples y “clásicos” (que también coinciden mejor con nuestra intuición).

Por lo tanto, hay dos razones por las que uno podría obtener muchas teorías. En el primer caso, las diferentes teorías representan incertidumbre en el verdadero estado de las cosas. En el segundo caso, tenemos un montón de modelos, cada uno de los cuales funciona bien en regímenes particulares y es más fácil trabajar con esos regímenes (y contiene toda la información relevante , con una precisión razonable), lo que representa no incertidumbre, sino pragmatismo. – un intento de llegar a los detalles esenciales.

Piense en el último tipo de teoría, como usar los teoremas matemáticos existentes para derivar uno nuevo. Los matemáticos prueban un teorema, luego usan ese teorema para probar otros. Como físicos, tomamos nuestros “axiomas” de nuestra teoría fundamental, calculamos lo que hace en cierta aproximación, luego nos preocupamos por trabajar en esa aproximación en lugar de volver a nuestro TOE todo el tiempo. Los matemáticos no vuelven a probar un teorema cada vez que lo usan; los físicos no vuelven a los principios básicos de QFT para un problema donde la mecánica clásica será suficiente.

Ya hay algunas buenas respuestas, pero tengo una opinión ligeramente diferente (aunque algunas personas ya han hecho algunos de estos puntos). Esta respuesta se centra en por qué la física es diferente de otros campos del conocimiento.

  1. A pesar de los enormes esfuerzos de investigación para recopilar datos, simplemente no tenemos suficientes datos en condiciones extremas para distinguir una teoría de otra. En algunos casos, ni siquiera sabemos qué datos serían necesarios.
  2. En algunos campos, la falta de datos no daría lugar a teorías (tal vez algunas especulaciones), pero la física es especial porque la elegancia matemática ha demostrado en el pasado ser una guía confiable de la teoría, antes de que la evidencia llegara a confirmarla. Pero hay muchas ideas diferentes de elegancia.
  3. Luego está el hecho de que en física es posible tener una teoría matemática que es demasiado compleja para elaborar predicciones específicas. Es decir, puede tener una idea general que le permita probar algunas cosas y estimar algunas otras, sin poder trabajar con todos los detalles.
  4. Finalmente, los físicos son lo suficientemente honestos, y existe la posibilidad suficiente de eventualmente resolver algunas de estas cosas, que las teorías no se eligen por consenso antes de que los datos estén disponibles.

No puedo pensar en otro campo donde existan las cuatro condiciones. Hay campos donde cada practicante tiene su propia teoría, campos sin teoría, campos con teorías oficiales, campos con teorías que nadie se ha molestado en probar; y todo tipo de otros; pero la física parece estar aparte.

Es demasiado difícil describir todas las acciones de universos en un reino cuántico y físico en una teoría.

Necesitamos teorías separadas para describir diferentes ideas .

Algunas de las teorías que hacemos se contradicen entre sí y estamos en una búsqueda eterna para encontrar la verdad sobre los comportamientos y funciones de la realidad.

En nuestra etapa actual en física teórica, estamos tratando de combinar las dos teorías más grandes en física (teorías generales y especiales de la relatividad y teoría cuántica de Einstein) como un intento de describir los comportamientos de lo muy grande y lo muy pequeño en una teoría unificada del universo.

No solo en física sino también en otras ciencias. De hecho,

Cada resultado en la ciencia (aparte de las definiciones y las matemáticas) es una teoría.

Este es el problema de la ciencia. Solo podemos tener una lógica inductiva en la ciencia que sea insuficiente para probar algo.

¿Puede la ciencia (excluyendo las matemáticas) ser alguna vez deductiva?

Una pregunta hecha por mí, obteniendo una respuesta negativa.

Solo hay un cierto nivel de detalle que actualmente es posible probar.

Central para el método científico es la idea de Falsificabilidad de Popper de que solo podemos probar una teoría científica haciendo predicciones de la teoría y luego realizando un experimento para tratar de probar que está equivocado o falsificarlo.

El problema es que todas las diferentes teorías requieren mucha más energía de la que podemos generar actualmente. Por lo tanto, no hay forma de que podamos distinguir las teorías que funcionan.

Creo que la respuesta más simple es porque hay mucho que aprender. Somos naturalmente curiosos y queremos entender el mundo y cómo funciona, por lo que buscamos patrones y razones y los formulamos como teorías. Si somos científicos, diseñaremos y realizaremos experimentos (o compararemos continuamente los datos disponibles) para probar esas teorías.

Creo (y espero) que es muy probable que a través de toda la historia de la humanidad hasta este punto, hayamos descubierto solo una pequeña fracción de las maravillas de la naturaleza. No puedo pensar en un mayor deseo o regalo para las generaciones venideras que la alegría de continuar explorando y descubriendo. ¡Que haya muchas, muchas más teorías!

EDITAR: Es como los ciegos y el elefante; Las teorías que uno propone o examina dependen de la perspectiva. Si uno está mirando las interacciones subatómicas, es natural que las teorías (descripciones) sean diferentes de las que están mirando los filamentos cósmicos. E incluso una persona vidente que realiza una disección de un elefante nunca podrá describir todo en una sola oración.