Odpowiedź „ponieważ nie potrzebujemy więcej” autorstwa @rubenvb jest w porządku.

Studiując fizykę, musisz zdać sobie sprawę, że fizyka nie odpowiada na podstawowe pytania „dlaczego”.Fizyka wykorzystuje narzędzia matematyczne do modelowania pomiarów i modele te muszą pasować do nowych danych, tj. Być predykcyjne.Dopóki modele nie zostaną sfałszowane, są uważane za ważne i przydatne.Po sfałszowaniu poszukuje się modyfikacji, a nawet drastycznych nowych modeli.Najważniejszy przykład mechaniki kwantowej, kiedy mechanika klasyczna została unieważniona: promieniowanie ciała doskonale czarnego, efekt fotoelektryczny i widma atomowe zafałszowały wysiłki modelowania klasycznego.

Fizyka przy użyciu odpowiednich modeli pokazuje, „jak” przechodzi się od danych do prognoz dla nowych danych eksperymentalnych.Szukając „dlaczego” w modelach, idzie się w górę lub w dół matematyki i dociera do odpowiedzi „ponieważ to właśnie zostało zmierzone”

Ponieważ nie potrzebujemy więcej

Cóż, nie znaleźliśmy żadnych innych dowodów. A do tego czasu nie ma takiej potrzeby. To prawda, niektóre eksperymenty mogą wskazywać na coś innego, co popycha do rewizji Modelu Standardowego.

Od strony matematycznej można to wyjaśnić na podstawie symetrii: Lagrangian Modelu Standardowego podlega pewnemu zestawowi operacji symetrii, które fizycy zakładają, że są poprawne. Z tego lagrangianu, używając formalizmu kwantowej teorii pola, można wyprowadzić oddzielne „podstawowe interakcje”. Z Wikipedii (wyróżnienie moje):

Globalna symetria Poincarégo jest postulowana dla wszystkich relatywistycznych kwantowych teorii pola. Składa się ze znanej symetrii translacyjnej, symetrii obrotowej i inercjalnej niezmienności układu odniesienia, kluczowej dla teorii szczególnej teorii względności. Lokalna symetria cechowania SU (3) × SU (2) × U (1) jest symetrią wewnętrzną, która zasadniczo definiuje Model Standardowy. R Ogólnie rzecz biorąc, trzy czynniki symetrii cechowania dają początek trzem fundamentalnym interakcjom. Pola należą do różnych reprezentacji różnych grup symetrii Modelu Standardowego (patrz tabela).

Trzy wspomniane tutaj interakcje to nieco inne kategoryzacje czterech podstawowych interakcji, ale zasadniczo takie same (może z wyjątkiem części Brout-Englert-Higgs). Zakłada się, że czwarta, grawitacja, jest w pewnym stopniu związana z częścią Higgsa Modelu Standardowego, a jeszcze nie całkiem pasuje do reszty Modelu Standardowego.

Ponieważ to najmniejsza liczba praw, jakie udało nam się wymyślić, aby jak najlepiej wyjaśnić to, co obserwujemy.

Alternatywa: Fizycy od ponad wieku pracują nad redukcją liczby podstawowych praw, najlepiej do jednego, a jak dotąd zmniejszyli ją do czterech.

Czy istnieje odpowiedź na pytanie, dlaczego istnieją tylko cztery podstawowe interakcje natury?

Nie, i nigdy go nie będzie

Nie mamy w ogóle nauki, która mogłaby odpowiedzieć na jakiekolwiek sensowne pytanie „dlaczego” dotyczące struktury wszechświata, a zwłaszcza nie o to, dlaczego brakuje rzeczy, których nie obserwujemy. .

Najlepsze, co możemy wymyślić, to obserwować kilka cech i wymyślić nieco pasujące teorie matematyczne / fizyczne na temat ich wzajemnych powiązań. I cały czas to mylimy.

Moje słowo „znaczący” tam w górze oznacza schodzenie do „najniższego żółwia”, kiedy coś wyjaśniam; tj. nie jest po prostu odpowiedzią, która wywodzi się z teorii, które mamy, a które wydają się pasować do naszego obecnego rozumienia natury.

Na przykład: wiemy, że nic nie może iść szybciej niż c , głównie dlatego, że według Einsteina uzyskanie czegoś o masie nawet do c wymagałoby nieskończonej ilości energii code>, nie wspominając o szybszym. Ale w sensie tej odpowiedzi nie jest to odpowiedź na pytanie „dlaczego nic nie może działać szybciej niż c ?”. Interpretuję to pytanie jako „Dlaczego nasz wszechświat jest tak skonstruowany, że potrzebujesz nieskończonych ilości energii, aby dostać się do c ?”.

W rzeczywistości dowolnego dnia ktoś może znaleźć błąd w naszych teoriach i znaleźć sposób na poruszanie się szybciej niż c , odbyć podróż w czasie lub znaleźć piąta podstawowa interakcja. Ponieważ nie możemy nawet wiedzieć nic o wszechświecie z absolutnym, podstawowym bezpieczeństwem, z pewnością nie możemy odpowiedzieć „dlaczego”.

Bardzo fajny film na ten temat: Richard Feynman. Dlaczego.

Więc nie będę w stanie odpowiedzieć na pytanie „dlaczego magnesy się przyciągają?” z wyjątkiem tego, aby powiedzieć, że tak jest i aby powiedzieć, że jest to jeden z [...] różnych rodzajów sił [...] [... i wyjaśnić trudniejszymi słowami ...]

To nie jest dokładnie to samo, o czym tutaj mówimy, ale powinno pokazać ducha, odpowiadając na pytania „dlaczego”.

Outlook

To fascynujący temat i możesz zrobić coś gorszego niż sprawdzenie zasady antyroficznej i ukrytej za nią fosy filozoficznych tematów. Ta zasada występuje w dwóch wersjach:

• Silna zasada antroficzna zasadniczo mówi (moje sformułowanie), że wszechświat został dostrojony „tak”, aby umożliwić inteligentne życie (nam!), tj. z zamiarem.
• Słaba wersja mówi, że „gdyby wszechświat nie był w stanie utrzymać życia takiego jak nasze, nie bylibyśmy tutaj, aby zadać to pytanie”.

Mocna wersja skręca prosto w kierunku wierzeń i religii i chociaż dla wielu ludzi może być ważna, z pewnością nie ma ona zastosowania tutaj, w fizyce, SE (i chociaż wśród fizyków mogą być wierzący, z pewnością tak jest nie podawaj nam żadnych nowych informacji).

Słaba wersja jest oczywiście prawdziwa i prowadzi do uprzedzeń co do tego, jakie cechy musi mieć nasz wszechświat. Ale także nie odpowiada na żadne głębokie, konkretne pytanie „dlaczego”.

Myślę, że błędem jest twierdzenie, że pytania „dlaczego” są poza zasięgiem fizyki lub że nigdy nie będzie odpowiedzi na to pytanie. Bardzo często fizyka może wyjaśnić, dlaczego coś jest prawdą, używając bardziej podstawowych zasad. Czasami przyczyny tych bardziej fundamentalnych zasad można wyjaśnić za pomocą zasad, które są jeszcze bardziej fundamentalne. Ale zawsze istnieje najniższa obecnie rozumiana warstwa, o której można powiedzieć tylko „to model, który najlepiej pasuje do naszych obserwacji”.

Na przykład, kiedy Kepler opracował swoje prawa orbitalne, były to tylko podstawowe fakty natury. Gdybyś zapytał, dlaczego to zrobili, odpowiedź brzmiałaby: „to jest to, co zostało zmierzone”, cytując odpowiedź anny v.

Ale potem Newton znalazł powód, dla którego prawa Keplera są prawdziwe: zasada uniwersalnej grawitacji. A teraz możemy powiedzieć, że prawo odwrotnych kwadratów przyciągania grawitacyjnego jest w przybliżeniu prawdziwe ze względu na sposób, w jaki masa powoduje zakrzywienie czasoprzestrzeni. Ale w tym momencie musimy przestać. Nie znamy głębszego powodu, dla którego masa miałaby to robić z czasoprzestrzenią. To jest właśnie to, co obserwujemy.

Tak wygląda sytuacja z czterema siłami. Najlepsze modele, jakie mamy, zawierają je i to jedyny powód, dla którego możemy teraz podać. Nie ma jednak gwarancji, że nie odkryjemy jakiejś głębszej teorii, która może wyjaśnić istnienie czterech zamiast trzech lub pięciu sił, jako konsekwencja bardziej fundamentalnej zasady. Ale w pewnym sensie wrócilibyśmy wtedy z powrotem do punktu wyjścia, ponieważ ta zasada nie miałaby powodu, dla którego jest prawdą.

Patrząc z nieco innego punktu widzenia na pytanie, odpowiedź „nie potrzebujemy więcej” jest zdecydowanie poprawna, ale dalej powiedziałbym, że nie potrzebujemy więcej, a im mniej, tym lepiej .

Aby odpowiedzieć na pytanie, dlaczego tak jest, musimy wiedzieć o problemie nazywanym czasem nadmiernym dopasowaniem. Idea overfittingu jest następująca; Powiedzmy, że projektuję model predykcyjny, na przykład chcę uzyskać zależność między właściwościami soku dębowego a wiekiem dębu. Dowiaduję się o wieku 100 dębów z zapisów ich sadzenia i mierzę lepkość ich soku, kolor, gęstość, zawartość wody i 46 innych obserwacji. Zaczynam od przyjrzenia się zależności między lepkością a wiekiem. Może za pomocą modelu kwadratowego z 3 parametrami. To dość silny związek i mogę uzyskać około 20 lat życia każdego drzewa, używając tylko lepkości soku. Ale jest jeszcze 49 zmiennych! Więc konstruuję złożony model wieku drzewa, który przewiduje, jak wiek powinien wpływać na wszystkie 50 zmiennych, a następnie dopasowuję 150 parametrów tego modelu. Dzięki dostrojeniu złożonego modelu mogę przewidzieć wiek wszystkich 100 drzew w ciągu jednego dnia, jakie to cudowne. Wtedy ktoś pokazuje mi inny dąb, mówi „Wiem, ile lat ma ten dąb, użyjmy go do przetestowania twojego modelu”. Prosty model tylko lepkości i model złożony dają bardzo różne odpowiedzi. Prosty model znacznie dokładniej przewiduje wiek nowego drzewa. Czemu? Ponieważ złożony model w ogóle nie uczył się wieku 100 drzew, uczył się identyfikować 100 drzew za pomocą szumu w danych, który nie był związany z ich wiekiem, a następnie dostroiłem jego parametry tak, aby dawały mi odpowiednią wagę dla każdego drzewa. Nie było możliwe to zrobić dla prostego modelu, ponieważ nie było dostępnych wystarczających parametrów do dostrojenia, więc prosty model był zmuszony znaleźć prawdziwą korelację, jeśli taka była do znalezienia. Złożony model jest nadmiernie dopasowany.

A więc im bardziej złożony jest dowolny model, tym większa jest jego skłonność do nadmiernego dopasowania.Kiedy model zaczyna się nadmiernie dopasowywać, traci moc predykcyjną.Jestem przekonany, że ktoś mający wystarczająco dużo czasu i cierpliwości mógłby wyprowadzić model, który zawierałby 5 sił.Mogą nawet znaleźć model, który byłby bardziej intuicyjny lub łatwiejszy w obróbce.Jednak ten bardziej złożony model miałby mniejsze prawdopodobieństwo dopasowania do nowych, niewidocznych wyników, ponieważ jego złożoność byłaby dostosowana do wyników, które widzieliśmy, a więc wykorzystaj szum do zidentyfikowania danych i udzielenia nam odpowiedzi, którą próbowaliśmy dopasować.Ten hałas nie jest czymś, co chcieliśmy dopasować, a prostszy model ma mniejsze prawdopodobieństwo, że będzie w stanie dopasować hałas w pierwszej kolejności.

Nie ma powodu, by sądzić, że only powinno wynosić cztery. Cztery to największa liczba podstawowych interakcji, jakie widzieliśmy do tej pory, ale mogą istnieć inne, wyjątkowo słabe * siły, których po prostu jeszcze nie zaobserwowaliśmy. Nawet dzisiaj jest wielu eksperymentatorów poszukujących nowych makroskopowych sił podstawowych; w rzeczywistości jako student spędziłem większość moich badań właśnie na tym!

Jest również wiele powodów, by sądzić, że może istnieć więcej niż cztery podstawowe siły. Główny artykuł, którego użyliśmy do uzasadnienia naszego szczególnego rodzaju badań, wyprowadził 16 potencjałów wymiany z nierelatywistycznych QFT, z których tylko jeden faktycznie pasował do znanego potencjału skalarnego 1 $ / r $ wspólnego dla grawitacji i elektromagnetyzmu ( https: // arxiv. org / pdf / hep-ph / 0605342.pdf). Istnieje wiele, wiele innych artykułów, które na różne sposoby przewidują istnienie dodatkowych sił fundamentalnych, więc jest to podatna dziedzina badań eksperymentalnych.

* Cóż, albo skrajnie słabe, albo w inny sposób zajmujące niejasne narożniki przestrzeni fazowej (jak siła, która jest najsilniejsza w skali mikrona lub taka, która wymaga szczególnej kombinacji polaryzacji spinu i prędkości translacyjnej, która nie jest często testowana eksperyment).

Poszukiwanie ujednoliconej teorii pola zakłada, że ​​istnieje jedno podstawowe pole. Oczekuje się, że wszystkie cztery siły zostaną zjednoczone w skali Plancka, która jest o wiele rzędów wielkości poza obecnym zasięgiem eksperymentalnym, chociaż obserwatoria grawitacyjne i modele kosmologiczne mogą dostarczyć informacji.

Trzy z czterech podstawowych sił zostały zintegrowane ze sobą, a także masa i szczególna teoria względności, w kwantowej teorii pola (QFT). Pozostaje tylko grawitacja, którą wiodącymi próbami ujednolicenia są teoria strun i pętlowa grawitacja kwantowa. Należy zauważyć, że będzie to wymagało radzenia sobie z naturą i pojawieniem się czasu, które nie są uwzględnione w QFT.

Trzy połączone ze sobą siły podstawowe zostały wykazane, że powstają z trzech podstawowych symetrii i związanych z nimi zasad zachowania, w czasie (energii), w przestrzeni jest translacja i rotacja ( momentum) i symetria wewnętrzna (tożsamość cząstek i liczby kwantowe). Rozważania te prowadzą do zrozumienia rodzin cząstek jako lokalnych grup symetrii mierników symetrii, które łączą wymianę bozonów i cząstek wirtualnych w to, co nazywamy siłami podstawowymi lub polami. Mamy bozon Higgsa, z którego pochodzi masa, ale nie ma dowodów na to, że grawiton spodziewany jest, że będzie w nim pośredniczył.

Tak więc podstawowe siły okazały się być powiązane z właściwościami topologicznych właściwości naszego wszechświata. Teoria strun zakłada szerszą dziedzinę możliwości dla praw fizycznych. Odkrywamy, że znaczące właściwości powodujące złożoność naszego Wszechświata wydają się być wynikiem precyzyjnego dostrojenia, a żyjemy w dobrze dostrojonym wszechświecie, który wydaje się naruszać przyjęte przez nas założenia o „ naturalności”. Wydaje się nieuniknione, że istnieje pewna przestrzeń prawdopodobieństwa, w której te fundamentalne stałe są różne, która jest zwykle nazywana multiwersem, co sprawia, że ​​problem precyzyjnego dostrojenia polega na zlokalizowaniu w niej naszego własnego wszechświata.

Szerokie odpowiedzi na te kwestie to kwestionowanie precyzyjnego dostrojenia (w szczególności jako subiektywnego antropocentryzmu), krytyka wynikająca z braku wyobraźni (nasza niezdolność do zbadania 11-wymiarowych topologii daje nam bardzo małe pojęcie o innych opcjach) oraz antropiczna zasada (wiele wariantów, w tym hipoteza symulacji).

Nie twierdzę, że jestem w tym ekspertem, ani nawet nie posiadam dużej wiedzy. Wydawało mi się tylko, że ta podstawa nie została uwzględniona w innych odpowiedziach. Z czego wynika wysoki stopień sceptycyzmu i niechęci do tych kwestii, mimo że są one oczywistymi rezultatami i otwartymi problemami współczesnej fizyki. Chciałbym, żeby ktoś poprawił mnie z referencjami i tam, gdzie to możliwe, kwestionując oświadczenia w moich referencjach.

Fizyka (i ogólnie nauka) ma na celu odpowiedzieć na pytanie "Jakimi regułami to się wydaje" .

Jesteśmy ludźmi, więc mamy nadzieję uzyskać głębszy wgląd i uzyskać pytania typu „dlaczego?” inspirują nas silnie i często zadajemy te pytania. Jednak badania naukowe koncentrują się na obserwowaniu i testowaniu reguł, które wydają się być zgodne z rzeczywistością, nawet jeśli jako ludzie kierujemy się szerszymi ideałami, a ich odkryciom nadajemy głębsze znaczenie.

Zatem w fizyce pytamy, jakie zasady zdaje się przestrzegać fizyczny wszechświat; w biologii pytamy, jakie fizyczne zasady wydają się przestrzegać żywe systemy (w tym systemy połączone, takie jak ekosfery) i tak dalej.

Aby posłużyć się analogią, istnieje gra dla dzieci, w której jedna osoba wybiera (powiedzmy) określone samochody na drodze, a druga musi zadawać pytania, aby odgadnąć, jaka reguła jest używana. Trochę tak.

Oznacza to, że pojęcie 4 podstawowych sił nie dotyczy tego, jak działa wszechświat. Cóż, może być, ale prawdopodobnie tak nie jest, a filozoficznie i tak jest inaczej:

• Wszechświat może działać na dowolnych zasadach lub bez nich, w tym na takich, których nie możemy sobie wyobrazić, lub takich, które uważamy za irracjonalne. Jeśli tak to działa, to tak działa i jesteśmy z tym skazani. (Oczywiście, że nie, ale chodzi o to, że gdyby tak było, nie moglibyśmy go ręcznie usunąć)
• Mamy ograniczoną wiedzę (w zasadzie wszystko, co wiemy, testujemy lub znajdujemy w tym czasie), więc nasz zestaw narzędzi ogranicza nas do tego, co możemy wyciągnąć. Jeśli nasze metody nie obejmują jeszcze niezbędnych narzędzi, nie możemy uzyskać właściwych odpowiedzi.
• Model to nie to samo, co rzeczywistość. W najlepszym przypadku jest napisane: „To najlepiej przybliża i przewiduje, co się dzieje, i dostarcza pewnej logiki, jak to może być”. Ale jest ściśle powiązany z obserwatorem i nigdy nie jest samą rzeczywistością.

Tak więc obecnie, począwszy od 2018 roku, najlepsze „jakie zasady wydają się przestrzegać”, jakie wymyśliliśmy, ma 4 siły.Najlepsze jutro może mieć 5, 15 lub 1 albo w ogóle nie mieć pojęcia o „siłach podstawowych”, a następny dzień może być znowu inny.

I właśnie dlatego mówimy, że istnieją 4 podstawowe siły.Nie dlatego, że istnieją, ale dlatego, że nasze obecne najlepsze przypuszczenie, „jakie reguły zdaje się przestrzegać”, to zestaw reguł opartych na koncepcji pól kwantowych / oddziaływań / sił i obejmuje 4 z nich.Testujemy to ciężko na różne sposoby i wydaje się, że naprawdę odzwierciedla zasady, którymi kieruje się wszechświat.Jutro nowe obserwacje i nowe najlepsze domysły - kto wie?

Nie ma teorii, które mogłyby przewidzieć liczbę podstawowych interakcji w Naturze i nigdy nie będą one istnieć. Fizyka przez cały czas dominowała na polach o większych skalach energii. W czasach starożytnej Grecji, a nawet prawdopodobnie wcześniej, filozofowie przyrody zdawali sobie sprawę z grawitacji, elektryczności i magnetyzmu, ponieważ ich skutki są zauważalne w skalach energii, których my, ludzie, możemy doświadczać zmysłowo. Próbując zagłębić się w strukturę materii (niższe skale przestrzenne = wyższe skale energii), fizycy zdali sobie sprawę, że istnieją dwa inne rodzaje interakcji, których nie możemy zauważyć na podstawie codziennych doświadczeń, takich jak upadek z roweru lub dywanik z płaszczem lub zabawa magnesami .

Może sięgając głębiej, moglibyśmy znaleźć inny rodzaj interakcji, a może nie, więc odpowiedź na to pytanie jest trochę zbędna. Widziałem inne odpowiedzi, takie jak „dlaczego potrzebujemy więcej” itp. Jeśli po prostu trzymamy się tego pomysłu, jesteśmy leniwi i z ogromnym brakiem entuzjazmu, ponieważ fizyka przez lata odnawia się zgodnie z naszymi sposobami podejścia prawa natury.