¿Cómo nos ayuda la informática a comprender mejor el universo?

Esta es una pregunta muy interesante. Hay algunas conexiones profundas entre la física teórica y la informática que pueden ayudarnos a comprender un poco mejor la naturaleza.

Una forma es a través de la teoría de la computabilidad. La invención de la máquina de Turing fue una herramienta para analizar formalmente qué funciones son o no computables. Por ejemplo, decir que los números reales comprenden un conjunto infinito incontable es más o menos equivalente a decir que hay números reales que no son computables (para que un número sea computable requiere un algoritmo para calcular sus dígitos de alguna manera) [1]. También hay otros paralelismos con los problemas clásicos, el más famoso es la equivalencia de los teoremas de incompletitud de Goedel y el problema de la detención. Luego tenemos la tesis de Church-Turing que dice que cualquier cosa que puedas calcular también es una función computable para una máquina de Turing. Tenga en cuenta que la tesis de Church-Turing es en realidad un hecho empírico sobre la computación, no lógico (y no es probable que alguna vez lo sea).

Este podría ser un lugar interesante para comenzar desde una perspectiva física. Una cosa que podría intentar decir es que cualquier sistema físico podría ser calculado por una máquina universal de Turing. La física clásica supone que el universo es continuo, lo que obviamente es incompatible con las máquinas de Turing. La teoría cuántica es discreta, pero no estamos fuera de peligro aquí porque la mecánica cuántica permite violaciones de la tesis de Church-Turing [2]. Es una pregunta abierta si las versiones cuánticas de las máquinas de Turing pueden simular cualquier sistema físico arbitrario [3], aunque se ha realizado algún trabajo en la simulación de teorías de campo cuántico, ver Freedman, 2000 y Jordan, 2011 (esto es realmente muy significativo si asumimos AdS / La correspondencia CFT es verdadera porque simular un QFT es como un cálculo “dual” para sistemas de gravedad cuántica también). En cualquier caso, una declaración como esta nunca se puede probar matemáticamente porque se basa en nuestro conocimiento de la ley física [verdadera], para lo cual no podemos expresar una certeza completa.

Podemos pasar a la teoría de la complejidad, que amplía la computabilidad para hablar sobre el tiempo de ejecución y los recursos de memoria de clases particulares de algoritmos. Probablemente haya escuchado sobre el problema [matemática] \ text {P} [/ matemática] vs. [matemática] \ text {NP} [/ matemática]. Una pregunta interesante es si la naturaleza puede encontrar el estado fundamental de un sistema físico arbitrario en un tiempo sub-exponencial en promedio (ejemplos de problemas incluyen plegamiento de proteínas y configuraciones de vidrio giratorio de energía mínima) [4]. Dado que la naturaleza es fundamentalmente cuántica, podemos preguntarnos si una computadora cuántica universal (equivalente a una máquina cuántica de Turing) es capaz de darnos un aumento significativo en la eficiencia para estos problemas difíciles [5]. Para introducir un poco de lenguaje teórico de la complejidad, descubriendo la relación entre [matemáticas] \ text {NP} [/ matemáticas] y [matemáticas] \ texto {BQP} [/ matemáticas], la clase de algoritmos cuánticos eficientes (también hay [math] \ text {QMA} [/ math], el análogo cuántico de [math] \ text {NP} [/ math]), sería un buen paso hacia las respuestas a algunas preguntas interesantes, como si el universo está realizando cálculos en el sentido de Turing (el cómputo de funciones no computables se llama hipercomputación) o si alguna vez podríamos verificar experimentalmente el espacio de Hilbert exponencialmente grande en el que viven los estados cuánticos (si la aceleración teórica dada por el algoritmo de Shor se mantiene, entonces tenemos algunas pruebas muy profundas y convincentes que la mecánica cuántica es de hecho cierta). La creencia actual es que [math] \ text {BQP} [/ math] es un superconjunto de [math] \ text {P} [/ math] (ya que tenemos algoritmos cuánticos para hacer cosas mucho más rápido que los puramente clásicos caso, como la factorización de enteros) y tiene una superposición significativa con problemas en [math] \ text {NP} [/ math].

Una cosa que vale la pena considerar es el límite de Holevo, que simplemente expresa el hecho de que su computadora cuántica está haciendo cálculos en un espacio de estado con un tamaño [matemático] 2 ^ n [/ matemático] (donde [matemático] n [/ matemático] es el número de qubits) pero solo permite que se extraigan [math] n [/ math] bits de ese cálculo (una sola medición del estado qubit representa una muestra de la distribución de posibles estados superpuestos). Entonces, por alguna razón, la naturaleza puede usar una cantidad exponencial de datos, pero nosotros no. En cierto sentido, tenemos un número infinito de estados posibles porque los coeficientes para los estados base se encuentran en la recta numérica real.

Cualquier discusión sobre las ideas sobre el funcionamiento del universo es incompleta sin mencionar los agujeros negros. En este caso, son muy relevantes en términos de la paradoja de la información del agujero negro, donde se pensaba que arrojar materia en un agujero negro daría como resultado la pérdida de información. Esta es una clara violación de la mecánica cuántica porque la teoría se basa en el supuesto de que las evoluciones del estado cuántico son unitarias (es decir, reversibles y, por lo tanto, conservadoras de información). Un desarrollo más reciente son los cortafuegos, que intentan resolver un problema más específico con el enredo entre qubits salientes, entrantes y radiantes dentro o alrededor de un agujero negro. Esta publicación de blog es un buen lugar para leer más.

Otro pensamiento divertido proviene de [5], donde las curvas cerradas en forma de tiempo (viaje en el tiempo) pueden explotarse para el cálculo. En pocas palabras, puede realizar un cálculo, obtener la respuesta y luego retroceder en el tiempo para leerlo a su antiguo yo sin realizar el cálculo todavía. Esto daría una complejidad [de tiempo] de [math] \ mathcal {O} (1) [/ math] para cualquier algoritmo.

Al cambiar de marcha, podemos ver las cosas desde una perspectiva de comunicación. Claude Shannon pudo articular un concepto matemático de información que era independiente de la forma en que eligió implementar la comunicación. Esto fue naturalmente bastante útil, pero en última instancia falló en el contexto de la física cuántica [6]. Un resultado interesante que muestra esto con bastante claridad está dado por la codificación súper densa, donde si tiene dos partes comunicantes que comparten un qubit entrelazado [al máximo], entonces el número de bits clásicos de información codificada es el doble del número de qubits enviados a través del canal. Y, por supuesto, existe el problema obvio del enredo cuántico y cómo un qubit enredado sabe cómo se midió su compañero instantáneamente, independientemente de la distancia entre ellos. La relatividad especial requiere que la comunicación no sea más rápida que la velocidad de la luz y, de hecho, esto no se ve violado por el problema de enredos (aún es necesario comunicarse de manera clásica para extraer información útil), pero esto no es satisfactorio cuando se piensa en la naturaleza de enredo en sí mismo.

La mecánica cuántica es relativamente nueva, y la informática teórica es aún más nueva. Ciertamente deberíamos esperar que surjan más ideas sobre la naturaleza fundamental de la realidad de la intersección de estos dos campos.


[1] La forma mucho menos descuidada de decir esto es muy técnica. Algunas lecturas adicionales: Página en mathoverflow.net
[2] Ver: [quant-ph / 9706006] Funciones computables, mediciones cuánticas y dinámica cuántica
[3] Teoría cuántica, el principio de Church-Turing y la computadora cuántica universal.
[4] Es un poco más complicado que esto. Para un hamiltoniano de 2 locales, se sabe que la complejidad es NP completa, pero para un problema de 3 locales es QMA completa (básicamente, “NP cuántica” completa). Consulte el siguiente documento para leer más: [quant-ph / 0406180] La complejidad del problema local hamiltoniano
[5] [quant-ph / 0502072] Problemas NP-completos y realidad física
[6] Esta tesis es un buen recurso: [1303.4690] Recursos teóricos de la información en la teoría cuántica. Véase también el libro de Nielson y Chuang, Computación cuántica e Información cuántica .

El manuscrito mencionado a continuación ofrece una explicación total de cómo funciona el universo.

La teoría de las singularidades y las partículas espaciales

La naturaleza y estructura de las partículas subatómicas.

Este manuscrito es para todos los lectores que estén interesados ​​en algunos experimentos de pensamiento “listos para usar” en física teórica. Estos experimentos mentales se refieren a varias teorías como: Relatividad general, Mecánica cuántica, Teoría cuántica de campos (QFT), Gravedad cuántica de bucles, Teoría de cuerdas (M), Cromodinámica cuántica y otras, ya que todas ofrecen respuestas parciales a la naturaleza y al funcionamiento de el universo. No hay intención de usar las matemáticas o realizar experimentos para validar estos pensamientos. Sin embargo, se ha hecho mucho para asegurar que sean consistentes con todos los experimentos reportados, probados y probados por físicos teóricos. Estos experimentos mentales han estado en proceso durante muchos años. Han visto muchas modificaciones para asegurarse de que están en línea con los últimos hallazgos de los físicos. También se han utilizado para ofrecer explicaciones racionales tentativas a muchas de las preguntas sin respuesta en la física de hoy. También están hechos para alentar un pensamiento fresco y para ofrecer algunas visualizaciones posibles de los hallazgos detrás de la teoría de la Cadena (M) y otros.

Cuando los físicos suponen que todas las partículas elementales son en realidad bucles unidimensionales, o “cuerdas”, cada una de las cuales vibra a una frecuencia diferente, la física se vuelve mucho más fácil. La teoría de cuerdas permite a los físicos conciliar las leyes que gobiernan las partículas, llamadas mecánica cuántica, con Las leyes que rigen el espacio-tiempo, llamadas relatividad general, intentan unificar las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza en un solo marco, pero el problema es que la teoría de cuerdas solo puede funcionar en un universo con 10 u 11 dimensiones: tres grandes espaciales, seis o siete espaciales compactadas y una dimensión de tiempo. Las dimensiones espaciales compactadas, así como las cuerdas vibratorias en sí, son aproximadamente una billonésima parte de una billonésima parte del tamaño de un núcleo atómico. No hay una forma concebible de detectar algo tan pequeño, así que no hay forma conocida de validar o invalidar experimentalmente la teoría de cuerdas. Por otro lado, la teoría de campo cuántico explica la realidad de la pequeña escala como vibraciones en qua ntum campos que no contradicen la flecha del tiempo.

Nuestros experimentos mentales apoyan algunos aspectos de todas las teorías anteriores al sugerir una estructura común y muy simplificada detrás de todas las partículas subatómicas. También sugieren la existencia de “Partículas Espaciales” y destacan sus roles en la configuración de nuestra realidad. Se espera que este enfoque ofrezca algunas explicaciones racionales a las muchas preguntas sin respuesta en la física de hoy. Este trabajo responde a las grandes contribuciones de muchos físicos para popularizar el pensamiento fresco en física teórica. Todos los comentarios, a favor o en contra, para enriquecer estos pensamientos son muy bienvenidos.

Este trabajo cubre muchos de los aspectos básicos esenciales para la comprensión fundamental de la física. Le estamos dando el título de “Teoría de Singularidades y Partículas Espaciales: la naturaleza y estructura de las partículas subatómicas y espaciales o, en resumen, la Teoría S” para significar el énfasis en “Partículas espaciales” simplificadas, “Singularidades giratorias” como La base de este modelo del universo.

Las proposiciones clave de la Teoría de Singularidades y Partículas Espaciales comienzan con las sugerencias de que el universo comenzó debido a un Gran Rebote. Las partículas espaciales, los neutrinos y los antineutrinos estaban densamente empaquetados en forma de Dark Matters. La estructura del espacio se desplegó primero, como condición previa para que el universo exista. Esto fue seguido por enormes actividades atómicas debido al gran depósito de energía potencial desatada, que representa la escurridiza Energía Oscura. El universo es de tamaño finito, pero parece ser infinito ya que los fotones necesitan la estructura del espacio para viajar a través de él. La estructura del espacio está limitada por la cantidad de energía que se le asigna. Desde el muy original Big Bounce, el universo perpetuo ha estado en un estado de continuas expansiones y contracciones.

Se propone que todas las partículas subatómicas de Fermion (las partículas que forman el universo tal como lo conocemos) y las partículas espaciales propuestas están hechas de dos energías fundamentales en forma de:

a) Singularidades girando a la velocidad de la luz en los núcleos de todas las partículas subatómicas. Se ha propuesto una ley para la conservación de las singularidades. Esto lleva a la conclusión de que las partículas subatómicas no se aniquilan por completo en los fotones, sino que siempre generan otras partículas subatómicas como los neutrinos y los antineutrinos, que son casi sin masa y difíciles de detectar.

b) Quanta de energía en forma de cuerdas vibratorias idénticas con helicidad de la mano izquierda o derecha.

Todas las partículas subatómicas (generación uno del modelo estándar) tienen un total de seis singularidades que giran en sentido horario o antihorario. Las partículas espaciales tienen seis de cada una. Las diferentes cargas eléctricas de las partículas subatómicas están determinadas por la dirección neta de su giro. El número “6” es dominante en las diversas actividades del universo.

La Teoría de Singularidades y Partículas Espaciales (SP) predice que el dominio de las materias sobre la antimateria en el universo se debe principalmente a la interacción más lenta de los electrones con el SP en comparación con la de los antielectrones (los positrones).

También se propone que los neutrones y los antineutrones estén constituidos por las mismas partículas fundamentales de energía elemental y, por lo tanto, sean idénticos, al igual que los fotones y los antifotones. Debido a la ley de conservación de las singularidades, la Teoría de las Singularidades y las Partículas Espaciales predice que el Neutron está hecho de quark up, dos quarks down y antineutrino. También predice que los neutrones / antineutrones son estables bajo presión extrema y podrían constituir una gran masa densa con una gravedad muy alta. Ayudan, con o sin fracciones de Dark Matters, en la recolección del polvo cósmico para formar las estrellas y los planetas que siguen a Big Bounce.

La Teoría de Singularidades y Partículas Espaciales ofrece explicaciones unificadas a las 4 fuerzas de la naturaleza. Define la microgravedad como las distorsiones en la geometría hexagonal de las partículas espaciales. Las principales distorsiones en la estructura del espacio, de ahí la creación de la gravedad y la masa, son el resultado de la formación de las seis dimensiones adicionales asociadas con la formación de los confines de los protones y los neutrones. El impulso rotacional irregular de los quarks debido a sus cargas no enteras, impulsadas por los gluones, desempeña un papel clave en la creación de los confinamientos. Sin embargo, la macrogravedad, tal como la conocemos, es la suma acumulativa de estas distorsiones en la estructura del espacio a nivel micro. La Teoría de Singularidades y Partículas Espaciales define los Gravitones predichos por la Teoría de Cuerdas y explica su papel en la creación de las atracciones gravitacionales entre dos masas.

La fuerte fuerza generada por los Gluones, que son energía almacenada en el confinamiento, tuvo lugar al momento de crear los protones. Los 6 cambios de sabores de los protones se explican utilizando las leyes de las conservaciones de las singularidades. Se proponen las reglas para estas actividades subatómicas. La teoría también predice un cambio de sabor adicional que involucra al electrón, como en el caso del neutrón, lo que conduce a la última inestabilidad en ausencia de una presión fuerte o la fuerza fuerte residual encontrada en los átomos. En el caso de los protones, 3 de los cambios de sabores están mediados por partículas de leptones creadas temporalmente y los otros 3 se deben a acciones entre dos quarks con diferentes helictitas. En el caso de los neutrones, hay 4 cambios de sabores mediados por partículas de leptones reaccionadas temporalmente además de los otros tres sabores quark / quark.

La Teoría de Singularidades y Partículas Espaciales también propone la existencia de una quinta fuerza que conecta las Partículas Espaciales para formar la estructura flexible del espacio. Apoya los hallazgos de la teoría de cadenas de la existencia de códigos de computadora impedidos en las cadenas de energía. Estos códigos ofrecen respuestas racionales a muchos de los acertijos actuales en física.

The Singularities and Space Particles Theory intenta ofrecer posibles respuestas con respecto a la naturaleza de Black Matters, Black Energy y sus roles en el funcionamiento del universo perpetuo.

También ofrece algunas explicaciones posibles a los siguientes:

– El misterio del colapso de la función de las ondas de los electrones cuando se observa en los experimentos de doble rendija.

– El misterio del enredo.

– La definición de la dimensión del tiempo como las instantáneas continuas del “Ahora-Tiempo” por segundo cósmico que es equivalente a un tiempo de Planck.

– Las preguntas de si vivimos en un holograma y mucho más.

Este trabajo hace la sugerencia filosófica de que la inteligencia cósmica está destinada a avanzar en el conocimiento y lograr la comunicación interestelar utilizando el tejido del espacio como fibra óptica cósmica, para avanzar en la ciencia y la tecnología. Esto es similar a la creación de Inteligencia Artificial por parte de los humanos para avanzar en el conocimiento.

Los títulos principales de este manuscrito son:

1) Abreviaturas de los términos utilizados en este manuscrito.

2) ¿Cómo comenzó el universo (Genesis Revisited)?

3) Los bloques de construcción más elementales que conforman todo el universo.

4) La ley de hilanderos / conservación de carga.

5) Los cuantos energéticos son responsables de todas las formas de energía.

6) La tela del espacio pixelado.

7) El enigma del enredo, el principio de incertidumbre (Heisenberg) y la dualidad de partículas de onda.

8) Las partículas subatómicas más comunes y sus E Quanta y Spinners.

9) Explicando Fusion y Fission usando las nuevas herramientas.

10) ¿Por qué hay más asuntos que antimateria en el universo?

11) La geometría de las Partículas Espaciales (SP) y la creación de la fuerza gravitacional.

12) Los Roles de las Partículas Espaciales (SP) en la creación de la Fuerza Fuerte.

13) Los Roles de las Partículas Espaciales (SP) en la creación de la fuerza débil.

14) Los roles de las partículas espaciales (SP) en la creación de la fuerza electromagnética.

15) La quinta fuerza propuesta de la naturaleza: la fuerza del bucle giratorio.

16) Asuntos oscuros, energía oscura y las estrellas de neutrones

17) Qué es el tiempo, qué es la realidad y la vida del universo.

18) Los elementos clave asociados con el funcionamiento del universo.

Póngase en contacto con el autor para obtener una copia del manuscrito: [correo electrónico protegido]

Amo la informática. Es un campo emocionante que está en constante evolución y redefiniendo la tecnología. Existe una cultura de piratería, desarrollo de código abierto y la propagación del pensamiento libre construido a su alrededor. Sin embargo, la informática es más que eso. En esencia, los informáticos hacen mucho más que los ingenieros y desarrolladores de software cuando se gradúan con títulos en CS. En ese nivel, la informática es una mezcla fascinante de matemáticas y filosofía que trata de responder a problemas de lógica y abstracción.

Intenta responder a problemas como P vs NP y está trabajando en conjunto con otros campos para ayudarnos a comprender mejor la naturaleza de la conciencia, la complejidad y la computación. Investiga la entropía de la información, la estructuración de datos, la inteligencia artificial, las redes, la seguridad teórica, la eficiencia y la complejidad de los algoritmos y la representación del conocimiento, por nombrar algunos. La informática depende y afecta las matemáticas, la física teórica, la química cuántica, las ciencias cognitivas, la ingeniería, la filosofía y la lingüística.

La informática va más allá de bit, bytes y qbits y nos ayuda a comprender el universo de muchas maneras importantes. Para citar a Edsger Dijkstra o quien sea que fue el primero en decirlo primero: “La informática no se trata más de computadoras que la astronomía de telescopios”.

El concepto de viaje en el tiempo y universos paralelos es análogo a cómo funcionan los commits, las instantáneas y las ramas en el sistema de control de versiones de Git, o en un árbol de búsqueda inmutable puramente funcional.

Se sabe que el viaje en el tiempo puede dar lugar a varias paradojas, entre las cuales se encuentra la reputada paradoja del abuelo. Si retrocedió en el tiempo y alteró los eventos, ¿qué creía que pasaría con la línea de tiempo actual?

El problema sería más evidente, como lo fue en la Paradoja del Abuelo, cuando al cambiar el pasado, accidentalmente evitaste que tu yo presente naciera (por ejemplo, mataste a tu abuelo antes de que conociera a tu abuela), lo que te impediría ir a el pasado; y no viajar en el tiempo evitaría que naciera el presente, lo que nos llevaría de vuelta al punto de partida, y viajar en el tiempo podría volver a suceder. Indefinidamente.

Hay muchas soluciones propuestas para este tipo de paradojas, una de las cuales es la teoría de los universos múltiples , lo que implica que cambiar el pasado crearía un nuevo universo con una línea de tiempo basada en el punto en el tiempo que pretendía modificar.

Por ejemplo, si mataste a tu abuelo antes de que conociera a tu abuela, la línea de tiempo original, donde tus abuelos finalmente se conocieron, permanecería, pero surgiría otra en otro universo, donde tu abuelo estaba muerto y tú nunca exististe. Desde la perspectiva de alguien en la línea de tiempo original, te teletransportaste a un universo diferente, doblando el espacio-tiempo como un jefe, y la vida continuaría sin ti. Desde su perspectiva, la historia ha cambiado, su abuela terminó con otro hombre y sus padres vivieron en otro universo.

Y así es como funciona la ramificación en Git, o agregar un nuevo elemento a un árbol de búsqueda inmutable.

Para esta discusión, ignoraremos las sutiles diferencias entre un git commit y una git snapshot, y los trataremos como uno e intercambiables.

Un commit o una instantánea es un evento (congelado) en un punto particular en el tiempo, una imagen del universo, muy similar a un solo cuadro en un conjunto de cuadros que comprenden un video. De hecho, el tiempo de congelación es comparable a pausar un video, donde vería una sola imagen bidimensional. En realidad, vería las cosas en tres dimensiones, o cuatro, dependiendo de la dimensión en la que resida; un ser de la quinta dimensión tal vez podría percibir y hacer en el tiempo mismo como podríamos en los objetos cotidianos.

Al igual que un nodo en un árbol inmutable , o un cuadro en un video, una instantánea es (se supone que es) inmutable ; no lo modifica en el lugar, solo se bifurca . La nueva rama serviría como la línea de tiempo o universo paralelo.

El pasado es inmutable.

Otra cosa importante a tener en cuenta es que, cuando provocó la creación de un nuevo universo, no duplica la historia anterior al momento en que regresó; solo los compartes Este intercambio es importante por razones de rendimiento. Recreando cosas del Big Bang sería mucho trabajo. En informática, usaría punteros o referencias internamente, a veces sin darse cuenta, en lugar de copiar en profundidad . En la analogía del video, simplemente podría reutilizar los cuadros.

El cambio no es la única cosa constante en el universo, porque todo es constante. La realidad está hecha de marcos inmutables; Es el tiempo lo que permite la ilusión de movimiento y cambio.

Sin la informática hoy en día, mucha investigación científica sería imposible. Tantos campos de estudio diferentes requieren computación que no se puede hacer sin computadoras: la biología, la química y la física dependen de las computadoras para su investigación. Honestamente, hacer la pregunta en este punto es casi como preguntar si las matemáticas nos ayudan a entender el universo.

More Interesting

Matemática discreta: ¿Cuál es la diferencia entre ser un elemento de un conjunto o ser un subconjunto de un conjunto?

¿Cómo se pueden representar los números negativos en 0 y 1 binarios para que la computadora pueda leer con precisión?

¿Qué es el método de posición falsa y dónde se usa en tiempo real?

¿Una licenciatura en matemáticas y ciencias de la computación se enfoca más en las matemáticas que en ciencias de la computación?

¿Cuáles son algunos de los temas de teoría de gráficos que necesito aprender para hacer el bien en la programación competitiva?

Dado que la programación va a ser cada vez más abstracta, ¿necesitamos estudiar más matemáticas para ser buenos en eso?

Cómo entender las matemáticas del algoritmo de propagación hacia atrás en redes neuronales

¿Cuál es la justificación rigurosa de la exactitud de la segunda formulación de la solución DP de corte de varillas en CLRS?

Si las computadoras no pueden calcular números flotantes con precisión, ¿cómo funcionan las calculadoras y las computadoras científicas?

¿Qué es un decodificador Viterbi?

Cómo resolver [matemáticas] (n + k) ^ j = \ Theta (n ^ j) [/ matemáticas] para k, j en números reales y j> 0

¿Alguien necesita ser bueno en matemáticas para ser un buen programador de computadoras?

¿Qué se entiende por una sólida formación en matemáticas?

¿SymPy es tan poderoso como Maple / Mathematica para las matemáticas simbólicas?

¿Cuál es la probabilidad de que un número generado al sumar diez números aleatorios del 1 al 10 sea divisible por 2 (o 3, o 4, etc.)?