Популярно о конечной математике и ее интересных применениях в квантовой теории

Ответ автора на рецензию

Я признателен рецензенту за то, что он подробно изложил свои возражения. К моему подходу можно относиться по-разному, но, надеюсь, что рецензент, по крайней мере, признаёт, что подход нестандартный. Понимаю, что из-за этого у читателей могут быть проблемы с пониманием. Я старался подробно объяснить свой подход, но, по крайней мере, убедить рецензента мне не удалось. Вполне допускаю, что объяснение может быть не всегда ясным. Поэтому всегда благодарен за любую критику (в том числе и неправильную) т. к. она помогает понять в чем объяснение должно быть улучшено. В связи с замечаниями рецензента, статья значительно переработана. Ниже попытаюсь подробно ответить на все возражения рецензента.

1. Почему конечная математика более фундаментальна чем непрерывная. Рецензент пишет: "Разделение математики на фундаментальную (конечную) и нефундаментальную (непрерывную) совершенно произвольно. Прежде всего, автор не дает определения фундаментальной и нефундаментальной теорий, а рассматривает на формальном уровне возможность перехода от конечной математики к непрерывной. Очевидно, что с таким же успехом на таком же уровне строгости можно перейти от непрерывной математики к конечной.”

Этот вопрос я старался подробно объяснить в статье [15], которую рецензент читал. Но, раз он считает объяснение неубедительным, то попробую подробно объяснить этот пункт, чтобы в нем была полная ясность. Вначале приведу три примера хорошо известных из физики.

Рассмотрим специальную теорию относительности (СТО) и классическую механику. Фразу, что первая теория более фундаментальна чем вторая можно понимать так. В СТО есть конечный параметр c, и классическую механику можно считать формальным пределом СТО при c?? потому, что любой эффект классической механики можно получить из СТО в таком формальном пределе. Но когда мы уже перешли к пределу и получили классическую механику, то вернуться назад к СТО мы уже не можем и классическая механика не может описать все эффекты СТО. Она может описать с хорошей точностью только явления, где v/c<<1.

Рассмотрим де Ситтер (dS) инвариантную теорию и Пуанкаре инвариантную теорию, т. е. СТО. Фразу, что первая более общая чем вторая можно понимать так, что в первой есть конечный параметр R (который можно назвать радиусом мира) и вторая теория может быть получена из первой в формальном пределе R??. Поэтому любой эффект второй теории можно получить из первой в таком формальном пределе. Но, когда мы уже перешли к пределу и получили СТО, то вернуться назад к dS теории мы уже не можем и СТО не может описать все эффекты dS теории.

В своей знаменитой статье “Missed opportunities” ("Упущенные возможности") Dyson пишет, что СТО лучше классической механики, а dS теория лучше СТО не только из физических, но и из чисто математических соображений. Группа Пуанкаре более симметричная чем группа Галилея и переход от первой ко второй при c?? формально описывается процедурой контракции. Аналогично группа де Ситтера более симметричная чем группа Пуанкаре и переход от первой ко второй при R?? формально тоже описывается процедурой контракции. Однако, группа де Ситтера полупростая и поэтому имеет максимально возможную симметрию. Поэтому эта группа не может быть получена из какой-то еще более симметричной группы при помощи контракции.

Сравним квантовую и классическую теории. Первая понимается как более общая чем вторая, например, потому, что вторая может трактоваться как формальный предел первой при h?0. Любой эффект классической теории можно получить из квантовой в таком формальном пределе. Но, когда мы уже перешли к пределу, то вернуться назад к квантовой теории мы уже не можем.

Во всех трех рассмотренных случаях есть общая закономерность. Мы рассматриваем две теории, так что первая содержит какой-то конечный параметр, а вторая получается из первой в формальном пределе, когда этот параметр стремится к нулю или бесконечности. Тогда первая теория трактуется как более фундаментальная чем вторая. Когда мы уже перешли к пределу, то вернуться назад к первой теории мы уже не можем.

В литературе есть термин chG куб физических теорий. Смысл такой, что самая общая теория – это квантовая релятивистская теория гравитации, которая содержит все три параметра, менее общие теории содержат меньшее число параметров, а наименее общая теория – классическая, не квантовая и без гравитации не содержит ни c, ни h ни G. В своих статьях я пишу, что, во-первых, исходя из сказанного выше, лучше говорить о chR кубе, а не chG кубе. А во-вторых, из этой терминологии может создаться впечатление, что как раз наоборот, классическая неквантовая теория без гравитации самая общая т. к. она не содержит параметров вообще. На самом деле такая теория содержит три параметра – (kg,m,s), а в самой общей dS инвариантной квантовой теории вообще нет никаких параметров и размерностей. Они возникают только потому, что мы хотим выражать chR через классические размерности. Эти параметры нужны только для формального перехода от более общей теории к менее общей. Этот вопрос обсуждается в моих статья и в данной статье тоже.

Наконец, обсудим вопрос о связи конечной математики со стандартной. Стандартная математика начинается с натурального ряда и, как следует из теорем Гёделя, любая теория, содержащая натуральный ряд, автоматически имеет неразрешимые проблемы с обоснованием. Рецензент пишет: "Невнятная ссылка на теоремы Гёделя не имеет отношения к данному вопросу, так как эти теоремы касаются и натурального ряда чисел, который используется автором как исходный строительный материал… Однако, в рецензируемой статье, говоря о теоремах Гёделя, автор просто выбросил упоминание о натуральном ряде чисел…".

Обычно, когда у меня возникает неясность, я стараюсь не делать сразу вывод, что кто-то чего-то не понимает и пытаюсь понять, что, может быть, я чего-то не понимаю. Но в данном случае не могу найти объяснение другое чем то, что рецензент не понимает. Конечная математика не может содержать натуральный ряд “как исходный строительный материал” хотя бы потому, что натуральный ряд бесконечен. Рецензент пишет, что, говоря о теоремах Гёделя на стр. 9, я сознательно выбросил упоминание о натуральном ряде. Но я говорил о теоремах только в связи со стандартной математикой. В конечной математике нет натурального ряда и теорем Гёделя.

Конечная математика начинается не с натурального ряда, а с набора чисел R

=(0,1,2,…p-1) который в литературе называется кольцом вычетов по модулю p, и это отмечено в статье на стр. 8. В этом наборе сложение, вычитание и умножение определяются как обычно, но по модулю p. В теории чисел фраза что что-то берется по модулю p означает, что берется только остаток от деления этого числа на p. Например, возьмем набор чисел (0,1,2,3,4), т. е., p=5. Тогда 3+1=4 как обычно, но 3+2=0 и 3+3=1. Этот набор замкнут относительно этих трех операций т. к. мы всегда получим число из этого набора. А если p простое, то этот набор становится не только кольцом, но и полем т. к. можно ввести деление. Например, 1/2=3, 1/4=4 и т. д. Можно сказать, что все это – экзотика и (или) патология, которая не имеет отношения к жизни, т. к. 3+2 всегда 5, а не ноль.

Ответ на это возражение такой. Допустим, для простоты, что p нечетное. Т. к. операции в нашем наборе определяются по модулю p, то R

можно представить и как R

=(-(p-1)/2,-(p-3)/2 … – 1,0,1,… (p-3)/2,(p-1)/2). Тогда, если p очень большое, то для чисел, которые по абсолютной величине <=p, сложение, вычитание и умножение будут такими же как обычно, т. е., в этом случае мы не замечаем p. Отличие от обычного случая будет только для чисел, у которых абсолютная величина сравнима с p. Можно выдвинуть возражение, что все равно все это нефизично т. к. 1/2 равно большому числу (p+1)/2. Но т.к. состояния в квантовой теории проективные, то это возражение ничего не опровергает (как подробно обсуждается в моих работах). Более того, возникает вопрос (см. новый вариант статьи) является ли обычное деление фундаментальной операцией.

Как отмечено в моих работах (например, в [15], которую рецензент читал), указанный набор наглядно можно представить в виде точек на окружности. Это следует из того, что если возьмем любой элемент a?R

и будем все время прибавлять 1, то за p шагов исчерпаем всё R

по аналогии с тем, что, когда движемся по окружности в одном направлении, то когда-то вернемся в исходную точку. В то же время, кольцо целых чисел Z можно изобразить целыми точками на бесконечной прямой. Когда p увеличивается, то для все большей части нашего набора сложение, вычитание и умножение становятся как в обычном случае. Это аналогично тому, что когда мы находимся на кривой поверхности, то кривизну не замечаем до тех пор пока расстояния радиуса кривизны. Формальный предел p?? наглядно означает, что из R

мы делаем Z, т. е. как бы разрываем окружность и делаем из нее прямую.

Историческая аналогия здесь очевидна. В течении многих лет люди думали, что Земля плоская, а потом все же поняли, что она круглая. Пока мы имеем дело с расстояниями радиуса кривизны, то кривизну не замечаем. Аналогично, пока еще абсолютное большинство людей думают, что набор чисел – это прямая. Это происходит потому, что в настоящее время число p очень большое и, когда мы имеем дело с числами p, то «кривизну» не замечаем.

Когда мы разрываем окружность, то теряем симметрию т. к. окружность – более симметричная фигура чем бесконечная прямая. Это следует из того, что если возьмем a?Z и будем все время прибавлять 1, то не исчерпаем всё Z. Для этого надо к a прибавлять +1 и -1, причем бесконечное число раз. И, когда мы разорвали окружность и получили набор целых чисел, то теперь с ними можем наводить большую науку, вводить, рациональные, действительные числа и т.д. Как я объясняю в своих работах (см. также новый вариант статьи), рациональные и действительные числа являются искусственными и для квантовой теории они не нужны. Никто не спорит, что техника стандартного анализа полезна во многих приложениях, но эта техника часто является хорошим приближением потому, что p очень большое. И раз стандартная математика часто хорошо описывает данные даже в квантовой теории, то это не значит, что всегда будет достаточно применять стандартную математику. Например, классическая механика описывает много данных с высокой точностью, но перестает работать когда v/c не мало.

Итак, стандартная математика может трактоваться как формальный предел конечной при p??. Конечная математика является более общей (или фундаментальной) т.к. она может воспроизвести все результаты стандартной математики, если взять p достаточно большим. И наоборот, в отличие от того, что пишет рецензент, когда мы уже перешли к пределу p??, то вернуться назад мы уже не можем. Стандартная математика не может воспроизвести все результаты конечной т. к. в стандартной математике уже нет операций по модулю p. Ситуация полностью аналогична той, которая описана выше для трех случаев: менее общая теория получается из более общей, когда некоторый параметр, который в более общей теории конечен, формально устремляется к нулю или бесконечности. Это я объясняю в своих работах, в том числе в [15], которую рецензент читал. Но т. к. это не убедило рецензента, то в новом варианте я это объясняю более подробно, тем более, что ЭЧАЯ является обзорным журналом.

Рецензент пишет, что в [15] p – это константа, такая что конечная математика имеет дело с конечным числом объектов p, а в настоящей работе"…p характеристика конечного поля или кольца. Какая именно характеристика автор не уточняет.". В учебниках по конечной математике число p называется характеристикой конечного поля или кольца, так что все операции производятся по модулю p. Это я писал в предыдущих работах. В настоящей работе смысл p объясняется и в конце раздела 2 говорится, что в теории чисел p – это стандартное обозначение для характеристики поля или кольца, так что тоже объясняется в каком смысле p характеристика. Но все же, в связи с замечанием рецензента, теперь и в новом варианте статьи, как только ввожу p, то сразу пишу, что оно называется характеристикой.

Итак, и в моих предыдущих работах и в данной работе p – это одна и та же величина. Слова рецензента, что p – это константа, такая что конечная математика имеет дело с конечным числом объектов p, в общем случае, неправильные. Например, квадратичное расширение колъца R

является конечным аналогом комплексных чисел и здесь число объектов равно p

. И логика рецензента противоречива: в одном месте он говорит, что я использую натуральный ряд (т. е., бесконечное множество) как "исходный строительный материал" и выбросил упоминание о натуральном ряде, а в другом, что конечная математика имеет дело с конечным числом объектов. Из этих рассуждений следует, что в любой физической теории основанной на конечной математике обязательно есть конечный параметр p, который является характеристикой конечного поля или кольца. Можно было бы сказать, что стандартная теория лучше т. к. в ней нет такого параметра. Но это аналогично тому, что в рассмотренных выше примерах физических теорий сказать, что нерелятивистская классическая теория без гравитации является самой лучшей т.к. в ней нет никаких параметров.

Возникает вопрос, есть ли какие-то соображения для выбора p. Рецензент пишет, что в данной работе "В процессе эволюции Вселенной параметру p необходимо придавать различные значения. По какому закону это надо делать – автор не указывает. Как это согласуется с утверждением, что p – это фундаментальная константа (см пункт (а)), автор не поясняет.".

Вопрос о выборе p очень сложный и, т.к. FQT – еще далеко не законченная теория, в ней нет однозначного ответа на этот вопрос. Когда я начинал работать над FQT, то предполагал, что эта теория должна быть основана на конечном поле. В этом случае p обязательно должно быть простым и, например в [23] обсуждаются различные варианты. Но, после изучения работ M. Saniga и переписки с ним, сейчас думаю, что это необязательно и, т.к. деление не является фундаментальной операцией, то теория над кольцом более привлекательна. В этом случае p необязательно должно быть простым.

В первоначальных работах по FQT я не рассматривал эволюцию, трактовал p как фундаментальный параметр, но не писал, что p – это константа, которая одинакова на всех стадиях эволюции Вселенной. Например, в современных теориях величины chG считаются фундаментальными константами, но нет закона, что в процессе эволюции Вселенной они все время одинаковы, особенно большие дебаты идут о том меняется ли G со временем. В настоящей работе я рассматриваю гипотезу, что то, что мы воспринимаем как классическое время является следствием того, что p разное на разных стадиях эволюции Вселенной. Т. е. я не говорю, что p меняется со временем т. к. в этой гипотезе само существование времени – следствие того, что p меняется. Основная цель работы – привести аргументы в пользу этой гипотезы. Отмечу, что многие известные факты в науке первоначально были сформулированы как гипотезы и некоторые из них не доказаны до сих пор, например, гипотеза Римана о дзета-функции. Но вокруг этой гипотезы идут большие споры, так что неправильно сказать, что Риман не должен быть публиковать свою гипотезу.

Если моя гипотеза верна и на каждом шаге эволюции то что мы воспринимаем как время каждый раз меняется на одну и ту же величину, то, как следует из формулы (77), величина ?lnp каждый раз меняется приблизительно на одну и ту же величину. Но этот вопрос требует дальнейшего исследования. Надеюсь, что итог этого длинного рассуждения ясен: конечная математика является более фундаментальной чем стандартная. Если рецензент имеет возражения и все равно считает, что вопрос неясен, то буду признателен за любую конструктивную критику.

Рецензент прав, что в [15] FQT трактуется как теория, которую только предстоит построить. Однако, я не понимаю, почему рецензент решил, что в данной работе FQT трактуется как реальная теория. Таких утверждений в статье нет. На стр. 9 написано: «In Refs. [13, 9] and other publications we have proposed an approach called FQT (Finite Quantum Theory) when Lie algebras and representation spaces are over a finite field or ring with characteristic p». Т. е., FQT характеризуется как подход, а не как уже сформировавшаяся теория.

2. Об энергии вакуума

Рецензент пишет: «Автор сознательно умалчивает о том, что «предсказание» окончательной квантовой теории (FQT) о равенстве нулю вакуумной энергии… противоречит хорошо известному в современной физике эффекту Казимира. В рецензируемой статье автор не упоминает об этом «предсказании» FQT… и пояснений не дает». Опишу в чем смысл моего результата о нулевой вакуумной энергии. Возьмем какую-то стандартную QFT, например QED. Здесь считается, что энергия вакуума должна быть нулевой, но после квантования для нее получается бесконечное выражение. Чтобы избежать этого, говорят, что операторы рождения-уничтожения должны быть записаны в нормальной форме. Из постулатов теории это не следует, просто мы хотим иметь нулевую энергию вакуума. В работе [15], которую упоминает рецензент, я ссылаюсь на свое подробное вычисление, например, в [3]. Это вычисление заключается в следующем. Во-первых, как написано в [15], я рассматриваю случай когда частицы не нейтральны, т.е., не совпадают со своими античастицами. Беру выражение для энергии вакуума, которое в стандартной теории является бесконечным, но считается, что энергия должна быть нулевой. Вычисляю эту же сумму, но над конечным полем и получаю что для частиц со спином 1/2 сумма равна нулю. Далее в [15] я пишу: “Our conclusion is that while in standard theory the vacuum energy is infinite, in FQT it is not only finite (in finite mathematics it cannot be infinite) but is exactly zero if s=1 (i.e. s=1/2 in the usual units)”.

Так что результат чисто технический: просто вычисляется сумма, которая в стандартной теории бесконечна и показывается, что в FQT для не нейтральных частиц со спином 1/2 она равна нулю. Не буду обсуждать насколько результат фундаментальный, но, во всяком случае, чисто формально никакого противоречия с эффектом Казимира нет.

Но все же замечу следующее. Во-первых, в литературе обсуждается, согласуется ли эффект Казимира с тем, что в квантовой гравитации считается, что энергия вакуума обязана быть нулевой. Кроме того, в эффекте Казимира речь идет не о вакуумной энергии всей системы, а о вакуумной энергии только электромагнитного поля в присутствии других тел. Т.е., даже не совсем понятно, может ли в таком случае термин «вакуумная энергия» быть физически правильным т.к. среднее значение оператора энергии электромагнитного поля не равно нулю не в вакууме, а когда есть другие тела.

Так что заявление рецензента, что я сознательно скрыл свой результат, чтобы не показать противоречие FQT с эффектом Казимира, необоснованно. Противоречия никакого нет, и к данной работе этот результат не имеет отношения.

3. Проблема времени в квантовой теории.

Вначале о чисто техническом вопросе, который обсуждает рецензент. Он говорит, что в разделе 8 формулы (77) вообще нет. Это не так т.к. на стр. 33 четвертая строка снизу написано: Since time is a dimensionful parameter, we define time such that its variation is given by ?t = R?lnp/lnp. Это как раз формула (77), но в единицах c=1, которые приняты в данном разделе. Далее рецензент пишет: «…величины n и p в правой части формулы (77) – целые числа, поэтому ?t может принимать только дискретные значения, что, очевидно, не позволяет трактовать t как классическое время. Таким образом, предположение автора о природе (классического) времени (формула (77)) совершенно несостоятельно».

Видимо, здесь описка т.к. в (77) величины n нет совсем, но смысл утверждения рецензента кажется понятным. Опять-таки, как я писал выше, если у меня есть неясность, то я стараюсь не заключать сразу, что кто-то другой не понимает. Но в данном случае опять не могу найти другого объяснения чем то, что представление рецензента о классическом времени (мягко говоря) довольно странное.

В стандартных теориях величина t считается непрерывной т.к. эти теории используют непрерывную математику. Но понятие бесконечно малых было введено Ньютоном и Лейбницем когда люди не знали, что есть атомы и элементарные частицы и думали, что любое вещество можно разделить на любое сколь угодно большое число сколь угодно малых частей. Но теперь мы знаем, что это невозможно и в природе непрерывности нет, так что теперь кажется общепризнанным, что непрерывность – это только математическая абстракция. Насколько я понимаю, большинство физиков это признают и здесь дискуссии идут только о том с какой точностью величины, которые в непрерывных теориях считаются непрерывными, хорошо приближаются такими теориями.

В частности, что касается времени, то это чисто классическое понятие. В литературе обсуждается какое минимальное время можно измерить. Пишут о наносекунде и даже фемтосекунде. Те, кто серьезно относится к инфляционным моделям, говорят даже о 10

s, а те, кто всерьез относится к Планковским единицам говорят о Планковском времени 10

s. Но, совершенно непонятно, имеют ли смысл времена 10

s или 10

s. Если время изменилось на ?t, а координата r на ?r, то при малых ?t и ?r величина ?r/?t может быть очень близка к величине dr/dt, которую дает какая-то дифференцируемая теория. Но ни в каком физическом эксперименте нельзя измерить ?t и ?r с произвольно большой точностью.

Поэтому требование рецензента, что любая модель времени должна быть строго непрерывной выглядит (мягко говоря) очень странно. В моем подходе, исходящем из FQT никакое время не может быть непрерывным потому что FQT использует только конечную математику. Однако, если величины ?t намного меньше чем стандартные классические времена, то величины типа ?r/ ?t могут быть очень близки к тем, которые дают стандартные классические теории для dr/dt. В частности, величины даваемые формулой (77) могут быть настолько малы, что выражения ?r/ ?t могут быть формально с хорошей точностью заменены на dr/dt, которые удовлетворяют стандартным дифференциальным уравнениям. Все это подробно объясняется в статье, но почему-то, рецензент непреклонен: раз не получилось строго непрерывное время, то он без колебаний объявляет, что «предположение автора о природе (классического) времени (формула (77)) совершенно несостоятельно».

В заключительной части рецензии рецензент пишет: «В статье отсутствуют физически интересные результаты по заявленной автором теме (Предположение о природе времени). Аргументы автора поверхностны и формулируются нечетко, изложение явно тенденциозно… Данная работа не дает ничего содержательного для выяснения проблемы времени и только наглядно демонстрирует беспомощность конечной математики в таком важном для физики вопросе».

Конечно, рецензент вправе иметь свое мнение о моих результатах, но в рецензии это мнение должно быть обосновано. В статье подробно объясняю почему проблема времени в квантовой теории является очень важной и в чем смысл моих результатов. Рецензент тоже пишет, что проблема времени важная. Но в рецензии нет никакого намека на то как рецензент трактует эту проблему. Например, считает ли он проблемой, что в квантовой теории нет оператора времени, считает ли, что время не является первичным понятием, а должно как-то выводиться из квантовой теории или что просто надо постулировать существование непрерывного времени t. Из сказанного выше следует, что единственная причина почему рецензент отвергает мои результаты – потому, что в моем подходе время не может быть строго непрерывным. Если бы так заявил чистый математик, который совершенно не знает физики, то это было бы хоть как-то понятно. Но когда такое заявляет физик, то, как я писал, это выглядит (мягко говоря) очень странно. Кроме того, принципы научной этики предполагают, что любое отрицательное утверждение должно быть обосновано. Рецензент пишет, что мое изложение поверхностно и тенденциозно, но не объясняет в чем конкретно поверхностность и тенденциозность. Если он думает, что это следует из его критических замечаний в рецензии, то, как я объясняю выше, ни одно из его критических замечаний не является правильным.