¿La física es principalmente matemática?

La pregunta es demasiado amplia para empezar.

La física es la ciencia del mundo físico. Estudiarlo revela misterios y belleza más allá de la imaginación. Piense en el proceso de aprendizaje como capas. Existe la capa de observación y la capa analítica. Un niño puede aprender que 2 objetos que tienen diferentes pesos caen juntos al suelo. El objeto más pesado no golpea el suelo más rápido que el ligero. De manera similar, un niño puede ver la maravilla de un arco iris formado por la luz que pasa a través de un prisma o los ecos del sonido en un cañón. Esta es la capa de observación.

Si deseamos comprender el “por qué” y el “cómo” necesitamos diferentes niveles de matemáticas. Un jugador de billar experto no necesita las matemáticas para predecir el efecto de una bola golpeando a otra en cualquier ángulo particular. La habilidad requerida para tener éxito requiere una comprensión del comportamiento de los objetos en movimiento, así como la coordinación ojo-cerebro-mano para crear los resultados deseados. Hay matemáticas que explican todo esto y para aquellos de nosotros que no tenemos la habilidad de ser grandes jugadores de billar todavía podemos entender el movimiento debido a las matemáticas. Para el jugador de billar, ser capaz de hacer los cálculos es de utilidad marginal o nula.

Un músico no necesita matemáticas de alto orden para comprender los armónicos de una cuerda vibrante. Un buen afinador de pianos entiende, sin embargo, el concepto de “estiramiento”. Una octava se define como múltiplos enteros. Por lo tanto, cada octava de un piano debe ser exactamente el doble de la frecuencia que la que está debajo. En realidad, debido a las imperfecciones en las cuerdas y sus terminaciones, cada octava debe estar sintonizada a una frecuencia ligeramente mayor que el doble para que suene bien. La comprensión de los materiales y las matemáticas puede explicar todo esto y por qué un piano con cuerdas más largas tiene menos efecto. El afinador de piano entiende estas cosas desde un nivel práctico.

A medida que intentamos comprender cosas de mayor complejidad, nuestra capacidad para predecir el comportamiento requiere niveles crecientes de matemáticas. Aprender a ser un gran jugador de billar lleva meses / años jugando. Las matemáticas para explicarlas se enseñan en la escuela secundaria en una o dos clases. No tengo forma de que sepa comprender el comportamiento de las partículas subatómicas. Tenemos matematicas

Entonces, al final, la cantidad de matemáticas requerida depende de la profundidad de la comprensión que requerimos. Obtuve un título en ingeniería, que requería mucha física, pero no era realmente un genio de las matemáticas. Tendría que entender el comportamiento antes de entender las matemáticas para explicarlo. Otros entenderían las matemáticas mucho antes de poder aplicarlas al comportamiento físico real.

Antes de llegar a la respuesta, me gustaría aclarar que preguntas como “is X (principalmente) Y?”, Para cualquier “X” que no sea solo un concepto o idea simple y aislada (como, por ejemplo, un número) y cualquier “Y” que no sea simplemente otro nombre para “X”, está virtualmente garantizada para obtener respuestas que no serán aceptadas universalmente. Esto se debe a que invitan implícitamente a respuestas que reducen “X” a algo menos de lo que realmente abarca. Como consecuencia, las personas que tienen diferentes puntos de vista sobre cómo “X” podrían reducirse a algo que realmente es menos que “X” (por ejemplo, porque se centran en diferentes aspectos de “X”, y tratan de reducirlo a los aspectos se centran en) están obligados a estar en desacuerdo, ya veces incluso se contradicen entre sí.

Una forma de abordar este problema es explotar la premisa detrás de la pregunta, que la “X” posiblemente podría reducirse a algo que es menos de lo que “realmente” es, es decir, simplemente “(en su mayoría) Y”. Me gustaría hacer eso por medio de una analogía en términos de una imagen. Mira esto:

Desde lo suficientemente lejos, solo se ve como el contorno de un retrato de Lincoln, sin mucho más detalle.

Pero una vez que te acercas, ves que está compuesto principalmente de centavos (“en su mayoría” porque hay espacios entre ellos):

Pero si te acercas aún más, ves que cada centavo contiene un pequeño perfil de Lincoln:

Entonces, ¿es el objeto que ves sobre todo un retrato de Lincoln? ¿O sobre todo una colección de monedas especialmente arregladas de diferentes tonos? ¿O sobre todo una colección de mini-perfiles particularmente arreglados de Lincoln?

Por supuesto, son todos esos, y es por eso que preguntar a cuál de ellos “en su mayoría es” en gran medida se le escapa el punto sobre lo que “realmente” es.

Ahora, hablemos concretamente de la física. Si adopta una visión muy global y “alejada” de la física, análoga a la primera imagen, es principalmente un tipo de filosofía: es una colección de ideas, conceptos y marcos que han demostrado ser los más confiables y exitosos de todos. Cualquier medio que sepamos para aprender más sobre la naturaleza y la realidad. Muchas de las preguntas que motivaron la creación o el descubrimiento de estos marcos o teorías existieron durante mucho tiempo antes de que la física se convirtiera en una ciencia. Las personas tendrían debates filosóficos o teológicos que nunca llegarían a una conclusión definitiva, hasta que algunos filósofos naturales imaginativos como Galileo y Newton encontraran formas de llegar a respuestas concluyentes, a saber, mediante la observación, formulando teorías y haciendo predicciones, luego probándolas. significa más observación o experimentos y luego repite el mismo proceso, con más refinamiento y sofisticación con el paso del tiempo.

Esto marcó la transformación de la filosofía natural en la ciencia de la física, pero desde la perspectiva global global que estoy considerando ahora, la física todavía tiene el carácter de una filosofía sobre el mundo natural. No se equivoquen que, desde esta perspectiva fuertemente “alejada”, realmente tiene el carácter de una filosofía. Para llevar ese punto a casa, considere que en principio podría haber elegido una filosofía general alternativa sobre el mundo, como una en la que todo parece seguir ciertas regularidades que podemos describir bien usando las matemáticas, pero en realidad, los ángeles y los espíritus invisibles (o “Dios”) mueve las cosas solo para hacer que todas las predicciones matemáticas salgan bien. En ese caso, todas las matemáticas en el mundo no lo ayudarán a distinguir la diferencia entre esta filosofía (más específicamente, esta metafísica ) y lo que sobrepasa la física como lo entendemos.

La mayoría de los físicos, sin embargo, no operan en este nivel. La mayoría está preocupada por un conjunto de problemas o preguntas más especializadas dentro de un subcampo de la física que requiere una cantidad sustancial de matemáticas. En principio, es posible expresar cualquier relación en la física puramente con palabras, no importa cuán matemáticamente complicada, pero el uso de lenguaje natural en lugar de matemático es probable que agregue ambigüedades lingüísticas y reste claridad conceptual, concisión expresiva y precisión matemática. Es por eso que en lugar de usar un lenguaje natural, como decir inglés, usamos las matemáticas como el lenguaje con el que comunicar ideas en física. Y así, como se ve en este “nivel de zoom” intermedio, la física es, en su mayoría, matemática. Otra forma de ver esto es que en prácticamente cualquier curso avanzado de física o de posgrado, hablar sobre las matemáticas por lo general ocupa aproximadamente el 95% del tiempo de clase.

Pero podemos “acercar” aún más, al nivel de un problema de física autónomo individual. ¿Por qué querría un físico resolverlo (asumiendo que es un problema de la vida real, en lugar de una prueba o una pregunta sobre la tarea)? ¿Porque él o ella disfruta encontrando la respuesta? Claro, pero fíjese, el físico generalmente no trata de resolver tal problema porque quiere resolver un problema matemático. Eso es lo que hace un matemático. El físico quiere resolverlo porque quiere descubrir algo sobre el mundo. Y eso nos devuelve a la filosofía, esta vez en una forma microencapsulada: las matemáticas para resolver ese problema no son más que un medio para otra cosa, no es un fin en sí mismo. El final conecta la física con algo que se encuentra fuera de las matemáticas y, a menudo, tiene un carácter casi filosófico, ya que motiva la pregunta e influye en la interpretación de un problema y su solución. Casi siempre está relegado a un segundo plano porque

a) en ese “nivel micro”, el acuerdo sobre cualquier aspecto filosófico es esencialmente universal, por lo que los desacuerdos filosóficos que resaltarían el lado filosófico virtualmente nunca se producen;

b) resolver matemáticamente el problema es considerado casi universalmente como el medio más definitivo para encontrar un hecho sobre el mundo.

Sin embargo, el hecho de que todavía exista un aspecto micro filosófico de esto puede verse en el hecho de que, en ausencia de cualquier interpretación de los términos matemáticos, resolver un problema de física no es más que manipular cadenas de símbolos de acuerdo con ciertas reglas, es decir, , haciendo matematicas.

La aparición de un personaje filosófico en los niveles macro y micro en física es la razón por la que encuentro la analogía de Lincoln tan clara, aunque todavía he reducido la física a menos de lo que conlleva.

Por ejemplo, para ser más completo, debería haber mencionado que incluso en niveles de zoom intermedios, las preguntas filosóficas pueden imponerse, en particular cuando el formalismo matemático resuelve de manera incompleta las cuestiones de significado, como en aspectos específicos de la teoría cuántica, por ejemplo. O debería haber mencionado que el temperamento, la forma de pensar, la actitud filosófica de uno (y sí, “la filosofía es una tontería” es una actitud filosófica) y la comodidad con el uso de métodos matemáticos, así como factores psicológicos y socioculturales, desempeñan un papel en la configuración de hasta qué punto los profesionales de la física enmarca a la física como “principalmente matemática”.

Pero nada de esto niega el hecho de que la física es principalmente matemática solo cuando se la considera bajo ciertos puntos de vista restringidos que seguramente perderán mucho más de lo que se trata la física.

Hay muchas personas que ven la física principalmente como matemáticas. Es poco probable que alguno de ellos haga una contribución significativa al tema de la física.

Hay personas que ven la física como casi completamente conceptual. También están fuera de suerte en términos de romper terreno ahora en estos días, pero eso no siempre fue cierto. Michael Faraday era uno de los grandes físicos, y su capacidad para usar las matemáticas era inferior a la de muchos de los estudiantes de primer año de secundaria que solía enseñar. Trabajó con conceptos y modelos mentales.

A falta de una comprensión conceptual, todo lo que queda es resolver problemas físicos que ya se han resuelto. No hay un trampolín que pueda usarse para alcanzar nuevos conocimientos.

Si lees lo suficiente sobre la vida y los logros de Einstein, llegarás a comprender la importancia de su conceptualización de la simetría en el desarrollo de nuevas ideas y en encontrar defectos que otros no puedan ver.

Afirmó que uno de sus momentos más felices fue comprender que para una persona en caída libre en un sentido importante, la gravedad no existe.

Una vez escuché a un historiador de la ciencia en la Universidad de Pittsburgh decir que Riemann estaba tratando de elaborar un enfoque geométrico de las fuerzas y posiblemente incluso de la gravedad. Desarrolló las matemáticas que Einstein utilizó en última instancia para resolver este problema, pero carecía de la base conceptual para que funcionara.

Cuando se trataba de dar sentido a la radiación del cuerpo negro, había muchos físicos que tenían las habilidades matemáticas para manejar cálculos relevantes, pero solo una persona decidió convertir el problema en uno de matemática discreta en lugar de continua. Al hacer esto, Max Planck inició la idea de los niveles de energía cuantificados que impulsaron la teoría cuántica.

En algún lugar de su maravilloso libro, Inward Bound , Abraham Pais escribió que tres físicos instrumentales para llevar a cabo la teoría cuántica escribieron documentos clave que todos tenían errores matemáticos significativos alrededor de 1926 o 1927, pero también tenían los conceptos necesarios para llegar a los siguientes pasos.

Tengo una vista de la persona también. Una vez asigné un problema a una clase de física AP de Halliday y Resnick solo para descubrir que mis alumnos no podían resolverlo y yo tampoco. Mi habilidad matemática no era el problema. Siete años después volví al problema y decidí probar un enfoque completamente diferente al algebraico que había estado usando. Resolví el problema en mi cabeza mientras conducía a casa un viernes después de la escuela. ¡Había estado dejando que las matemáticas se interpusieran para entender el problema!

Las matemáticas son esenciales para la física contemporánea, pero la física es mucho más que las matemáticas.

Si encuentras que las matemáticas son un reto, entonces la física es principalmente matemática. Si encuentras que las matemáticas son fáciles (como la mayoría de las carreras de física), entonces el desafío es entender la física; Las matemáticas son solo una herramienta.

Aquí hay una pregunta similar para el estudio de la literatura: ¿se trata principalmente de teclado? Después de todo, eso es lo que necesita usar para escribir sus trabajos de 20 páginas. La respuesta por supuesto es no . El teclado es solo una herramienta, al igual que las matemáticas para la física.

Si considera que las matemáticas son difíciles, puede que no sea posible que se convierta en un físico profesional. Hay excepciones; Michael Faraday, uno de los mejores físicos de todos los tiempos, nunca se sintió realmente cómodo con las matemáticas. Y si encuentra que las matemáticas son difíciles, eso no significa que no pueda ser un gran profesor de física en la escuela secundaria, ya que dicha física requiere poco más que el álgebra (o, para los cursos AP, algunos cálculos).

No, totalmente no.

Una estudiante de primer año en física dijo que tenía problemas con la electrostática, así que traté de ayudarla. Un punto de carga genera un cierto potencial, no hay problema aquí. Varios cargos puntuales generan un potencial que es la suma de los potenciales individuales, de nuevo, no hay problema. Una carga continua genera un potencial, que se obtiene al integrar los potenciales sobre el área cargada, aquí ella tropezó. Una integral no es una suma finita, entonces ¿por qué el comportamiento de muchos cargos puntuales nos da información sobre los cargos continuos? Las apelaciones a la intuición fueron rechazadas. Finalmente, definí la topología de convergencia débil, expliqué por qué esta es la topología que observamos en el mundo real y demostré que cada distribución continua puede aproximarse mediante sumas finitas. Ahora ella estaba satisfecha. Entonces le dije que debía abandonar la física y estudiar matemáticas, porque un físico debería haberse sentido sin pensar que en esta situación puede pasar de sumas finitas a la integral, y la mayoría de los estudiantes de primer año en matemáticas no habrían entendido la débil topología. En absoluto, y mucho menos tan rápido. Un año después ella cambió de tema y finalmente hizo un doctorado. en lógica

Moraleja: ningún físico hace las matemáticas adecuadas, ningún matemático entiende por qué ciertos errores matemáticos tienen sentido físico, mientras que otros errores son solo errores.

La física teórica es el estudio de las matemáticas a nuestro alrededor, como sucede desde el principio hasta el final de nuestro Universo.

La matemática fundamental es un estudio de todo lo que podría haber sido o será o nunca será. Todavía existe la matemática describiéndola. Los artículos a menudo se mueven entre estos dos estantes a medida que descubrimos más.

Por ejemplo, los matemáticos conocían y estudiaban durante muchos años los llamados grupos de Li simples y semi-simples. Fue un estudio de clases de simetrías que está totalmente abstraído de todo lo relacionado con la física. Fue bien investigado en el campo de sus propios méritos matemáticos. Las personas escribieron libros y estudiaron grupos de Li durante décadas como un campo de estudio matemático puro.

Totalmente ajenos al mundo matemático, los físicos experimentales estaban construyendo aceleradores de partículas más grandes y mejores a mediados del siglo pasado. Estos aceleradores arrojaban más y más partículas “elementales” que parecían cada vez menos elementales a medida que su número crecía en cientos.

En algún momento, las personas notaron que estas partículas “elementales” se agrupaban en grupos de 8, 15 y otros números que coincidían perfectamente con los grupos de Li semi-simples. ¡Tan interesante! Los físicos tomaron un libro sobre grupos de Li semi-simples y comenzaron a leer qué más hay allí. Resultó que estos grupos tenían las siguientes propiedades:

  • El grupo más pequeño, SU (3) tenía solo 3 miembros.
  • Todos los otros grupos se pueden generar a partir de estos 3 miembros “elementales”.
  • Traducido a propiedades físicas, estos 3 miembros estaban totalmente locos por una partícula elemental, como tener una carga eléctrica fraccionaria 1/3.

En ese momento, nadie vio tales partículas saliendo del acelerador. Basado en un modelo matemático puro que estuvo sentado en estantes polvorientos de la biblioteca durante aproximadamente 60 años, Gell-Mann y George Zweig ofrecieron una teoría de que estas partículas son reales y, de hecho, todas las demás partículas se “construyen” a partir de ellas utilizando reglas que gobiernan la multiplicación de los grupos Li. .

Un premio Nobel de física más tarde, ahora conoce a estos miembros de SU (3) de viejos libros de matemáticas como “quarks”.

¿La física es principalmente matemática?

No. Las matemáticas son un lenguaje en la física. Decir que la física es principalmente matemática es como decir que “Juego de tronos” es principalmente inglés. En cierto sentido, por supuesto que lo es, pero eso no es lo que lo hace Juego de Tronos.

La física usa las matemáticas como una novela usa el inglés, el francés o el chino. Es un lenguaje utilizado para expresar nuestra comprensión de ciertos aspectos de la realidad. Al describir Juego de tronos, dirías cosas como “es una película en inglés sobre un grupo de personas que viven en un mundo que se parece a la Edad Media pero con magia real que lucha por un trono de aspecto extraño”. Al describir la física, diría algo como “es el estudio matemático de cómo los objetos se mueven e interactúan entre sí, generalmente enfocándose en objetos simples como las partículas más pequeñas o sistemas de muchas partículas idénticas”. Observe que el idioma importa, pero está lejos de toda la historia.

Esta pregunta ya tiene un gran conjunto de discusiones.

Lo que ofrezco aquí es una mezcla turbia de símil y aforismo; una mezcla sin sentido de estadística y determinación.

La relación entre Matemáticas y Física es como la relación del Aprendizaje Profundo y la Verdad.

En la nomenclatura actual de Aprendizaje profundo, el artefacto matemático que crea una instancia del algoritmo hace su trabajo de manera opaca; correlaciona o calcula o lo que sea, pero nadie sabe las matemáticas. El algoritmo aprendido no genera su modelo matemático. De hecho, ahora hay toda una subcategoría de investigación que intenta realizar ingeniería inversa y así “entender” cómo el modelo alcanzó sus resultados, sus “conclusiones”.

Para ser más explícitos, un matemático puede calcular un modelo físico sin entender la física, pero un físico debe ser más exigente al crear el modelo en primer lugar.

¿Es el aprendizaje profundo de las matemáticas o la física?

Para obtener más detalles, lea los siguientes extractos o lea El secreto oscuro en el corazón de AI por Will Knight en el MIT Technology Review del 11 de abril de 2017
https://www.technologyreview.com

“El funcionamiento de cualquier tecnología de aprendizaje automático es inherentemente más opaco, incluso para los informáticos, que un sistema codificado a mano. Esto no quiere decir que todas las futuras técnicas de inteligencia artificial sean igualmente desconocidas. Pero por su naturaleza, el aprendizaje profundo es una caja negra particularmente oscura “.

“No puedes simplemente mirar dentro de una red neuronal profunda para ver cómo funciona. El razonamiento de una red está integrado en el comportamiento de miles de neuronas simuladas, organizadas en docenas o incluso cientos de capas intrincadamente interconectadas “.
“Las muchas capas en una red profunda le permiten reconocer cosas en diferentes niveles de abstracción. ”

“Se han utilizado estrategias ingeniosas para tratar de capturar y, por lo tanto, explicar con más detalle lo que está sucediendo en tales sistemas. En 2015, los investigadores de Google modificaron un algoritmo de reconocimiento de imágenes basado en el aprendizaje profundo para que, en lugar de detectar objetos en las fotos, los generara o modificara. Al ejecutar el algoritmo de manera efectiva a la inversa, podrían descubrir las características que el programa utiliza para reconocer, por ejemplo, un pájaro o un edificio. Las imágenes resultantes, producidas por un proyecto conocido como Deep Dream, mostraban animales grotescos, parecidos a alienígenas que emergían de las nubes y plantas, y pagodas alucinantes que florecían a través de bosques y cordilleras. Las imágenes demostraron que el aprendizaje profundo no necesita ser completamente inescrutable; revelaron que los algoritmos encierran características visuales familiares como el pico o las plumas de un ave. Pero las imágenes también insinuaron qué tan diferente es el aprendizaje profundo de la percepción humana, en el sentido de que podría hacer algo de un artefacto que ignoraríamos. Los investigadores de Google notaron que cuando su algoritmo generaba imágenes de una mancuerna, también generaba un brazo humano que lo sostenía. La máquina había llegado a la conclusión de que un brazo era parte de la cosa “.

Incepcionismo: Profundizando en las redes neuronales.

[1] Fuente de citas e imágenes MIT Technology Review El secreto oscuro en el corazón de AI por Will Knight 11 de abril de 2017

Notas al pie

[1] Hay un gran problema con la IA: incluso sus creadores no pueden explicar cómo funciona

No absolutamente no . En primer lugar, permítame decirle qué es la física. La física es la búsqueda humana de comprender la naturaleza. La física es solo sentimientos que puedes expresar en matemáticas. Exactamente como sientes algo y luego empiezas a escribir un poema en algún idioma. Aquí el lenguaje es la matemática. Si las matemáticas son el lenguaje de la naturaleza, entonces la física es su poesía.

Ahora puedes juzgar si la física es principalmente matemática o no.

Ahora ven a mi perspectiva, somos humanos y tenemos muy poco espectro para realizar la naturaleza. Incluso un animal puede sentir más que nosotros. Así que estamos obligados a tomar la ayuda de otros dominios, es decir, las matemáticas, por supuesto, nunca quisimos.

Pero prácticamente necesitas dominar las matemáticas para entender la física exactamente como necesitas dominar la literatura para sentir poemas. Pero recuerda que todavía la física no es matemática, es solo sentimientos.

La física es para las matemáticas lo que el sexo es para la masturbación.

Richard Feynman

Siente esta línea.

Absolutamente no.

Creo que la respuesta de Rich Muller a esto es bastante buena (“matemáticas es el (a) lenguaje de la física, que es bastante diferente a la física en sí misma”), por lo que solo agregaré un breve comentario.

Cuando les pido a los alumnos que me expliquen un poco de física, ya sean estudiantes de primer año en un curso introductorio de física o estudiantes graduados durante su examen completo, si su primer instinto es escribir una ecuación (“hacer un poco de matemáticas”), entonces tengo una idea bastante buena de que no saben / no están seguros de lo que están haciendo. A menudo es fácil esconderse detrás de las matemáticas cuando se hacen problemas de física. Muchos estudiantes de física son bastante buenos en matemáticas y, francamente, las matemáticas en física (en comparación, es decir, con las matemáticas en una clase de matemáticas en un nivel comparable) es bastante fácil. Entonces se siente bien manipular ecuaciones y obtener una respuesta. Pero si no pueden hacer un dibujo y explicar con palabras lo que está pasando, entonces están perdiendo completamente la física.

No me malinterpretes, las matemáticas son un lenguaje / herramienta hermoso e increíblemente útil para hacer física. Nos permite ser concisos y precisos al describir la naturaleza. Pero es distinto de la física. De ahí la expresión común al resolver un problema de física “… y el resto son las matemáticas”.

No, pero las matemáticas son esenciales . Aquí hay un sistema de tres puntos de lo que es esencial para la física.

  1. Matemáticas: obviamente, para todas las teorías principales desde la de Newton se han expresado en términos matemáticos.
  2. Conceptos: como lo señalan algunas otras respuestas. Si observa los trabajos fundamentales para la mecánica clásica, la relatividad y la teoría cuántica, encontrará que los pensadores originales son muy cuidadosos al analizar los conceptos con los que trabajan.
  3. Experimento: el trabajo de Newton, Einstein, aunque lleno de matemáticas y conceptos, también tiene cuidado de mostrar cómo sus predicciones están de acuerdo con el experimento. Hoy en día, los grandes equipos que trabajan con sistemas experimentales grandes y complejos a menudo realizan experimentos y estos son esenciales para avanzar en la física. Algunos ejemplos son el Gran Colisionador de Hadrones y LIGO, el Observatorio de Ondas Gravitacionales de Interferómetro Láser.

Primero, preguntemos, ¿cómo funciona la ciencia?

La respuesta sería: primero, hacemos preguntas y, en base a pistas iniciales, formamos tantas hipótesis como podemos y luego todo lo que hacemos es eliminar las hipótesis erróneas. Las matemáticas pueden ayudarlo a formular la hipótesis, pero debe satisfacer los siguientes criterios necesarios [1]:

  • La hipótesis debe basarse en ciertas pistas iniciales / respuesta cerrada que se verifican experimentalmente en el dominio aplicable.
  • Demanda materialista: la hipótesis debe basarse en procesos y fenómenos materialistas.
  • Una hipótesis debe ser verificable: debe ser capaz de predecir el resultado que sea verificable.
  • Una hipótesis debe ser falsificable : en principio, debería ser posible imaginar experimentos que puedan refutar la hipótesis de ahora en adelante, toda teoría en la ciencia solo se acepta provisionalmente y se considera que se refuta en un tiempo finito. No solo eso, la teoría en sí misma debería mencionar cómo y cuándo puede ser refutada o dejará de sostenerse.

Dado que cualquier reclamo satisface la condición necesaria anterior, el científico elegirá solo aquellas y aquellas hipótesis para verificación experimental que satisfagan los criterios de Adecuación.

Criterios de Adecuación

  • Fructificación : la otra cosa es la constante, la mejor hipótesis es la que no hace ninguna de las nuevas predicciones comprobables.
  • Alcance : La otra hipótesis es que la mejor hipótesis es la que tiene el mayor alcance.
  • Sencillez: la otra cosa es constante, la mejor hipótesis es la que menos se asume.
  • Conservadurismo: el que mejor se ajusta al teorema existente.

Ahora, decir que la física es principalmente matemática es como decir que caminar se trata de llegar al destino. Usted tiene millones de caminos por recorrer y debe elegir el (los) correcto (s), por lo que no puede decir que llegar a su destino se trata de caminar, también se trata de su conocimiento, experiencias anteriores y observaciones. De manera similar, en la ciencia física, incluso después de haber formulado la hipótesis, tiene que someterse a una verificación experimental y es muy posible que sea refutada, de hecho, tiene que satisfacer los criterios de falsabilidad. En las palabras de Richard Feynman:

PS: * En realidad [2] en ciencia, trabajamos al revés, en lugar de tratar de probar las hipótesis, elegimos refutarlas (eliminar las hipótesis equivocadas) y las hipótesis que sobran son las teorías aceptadas provisionalmente, que en es probable que el futuro sea refutado y, por supuesto, sería reemplazado por otra teoría mejor que también es falsificable (se puede refutar).

Notas al pie

[1] Cómo funciona la ciencia, falla. por Vijay Kumar en Mensajes

[2] La respuesta de Vijay Kumar a ¿La ciencia requiere fe?

Otra respuesta humorística sobre la relación entre las matemáticas y el mundo físico.

  • Los ingenieros ven las matemáticas como una herramienta útil para describir el mundo físico.
  • Los físicos ven las matemáticas como la base del mundo físico.
  • Los matemáticos no ven la conexión.

(Me considero que puedo hacer bromas como estas, ya que soy lo suficientemente matemático para sentir que la broma es sobre mí mismo).

Eso es como preguntar: “¿Es la Constitución de los Estados Unidos mayormente inglesa?”. Bueno, sí, algo así, pero no realmente. La física, al igual que la Constitución, es un conjunto de ideas, teorías, creencias, etc., que se expresa y explica con un lenguaje y se comprueba lo correcto o lo incorrecto a lo largo del tiempo. Las matemáticas, como el inglés, son ese idioma. Y al igual que un dominio del idioma inglés, no solo puede ayudarlo a expresar mejor las ideas, sino que también puede ayudar a inspirarlos, así como un dominio de las matemáticas no solo ayuda a expresar conceptos en física, sino que, en muchos casos, ayuda a descubrirlos. Aunque, uno no necesita dominar las complejidades de las matemáticas para simplemente contemplar la belleza de la física. La capacidad de los lenguajes escritos y hablados para explicar conceptos y teorías de la física ha informado a muchos laicos. Pero con todo lo dicho, sí, tienes que saber las matemáticas.

Este tema ha sido también objeto de un profundo razonamiento filosófico. Immanuel Kant escribió sobre “¿Cómo es posible la matemática pura?” En su “Crítica de la razón pura”, Carl Friedrich von Weizsäcker habló y escribió sobre esto, y su conclusión, compartida por mi profesor de mecánica teórica, fue que las matemáticas salen de La física, o más bien el análisis de los problemas de la física.

Por supuesto, este será un debate eterno siempre que haya físicos y matemáticos.

Pero cuando se remonta a la antigua Grecia, considere el término “geometría” y observe lo que significa: “Geometría” significa “medir la tierra”.

Se podría argumentar que el problema práctico de medir el tamaño de un campo de maíz, o verificar las dimensiones de un templo o gran edificio, dio lugar a abstracciones que luego llamaron “geometría”.

Del mismo modo, es imaginable que el problema práctico de la contabilidad dio lugar a la aritmética.

Cuando Newton analizó la ley de la gravedad, ¿utilizó el cálculo matemáticamente probado o inventó el cálculo para analizar el movimiento planetario?

Cuando a Dirac se le ocurrió la función delta para su formulación de la teoría cuántica, no había un análisis funcional bien probado que pudiera aprovechar.

Existe una amplia gama de problemas prácticos o físicos que dieron lugar a nuevos campos de la matemática.

Siempre me gusta decir que los matemáticos y los físicos se necesitan mutuamente. Porque lo que hacen los matemáticos es muy poderoso y extremadamente útil: crean las abstracciones de esos problemas prácticos, verifican su consistencia lógica (también conocida como prueba matemática) y, por lo tanto, forjan herramientas invaluables para que los físicos las usen en campos muy diferentes de aquellos en los que se originaron las matemáticas. .

Y más de una vez, las abstracciones que los matemáticos habían creado, ayudaron a los físicos a resolver sus problemas. Una historia conocida es el modelo de quark de Murray Gell-Mann, que aprovecha la teoría matemática de grupos.

Una vez leí una historia que, cuando Gell-Mann le habló a un matemático sobre los problemas del almuerzo, me sorprendió escuchar cuando el matemático señaló que este era un problema que los matemáticos ya habían resuelto hace mucho tiempo.

Además, creo que el pensamiento matemático tiene algunas diferencias distintas del pensamiento físico. Están estrechamente relacionados, pero no son en absoluto iguales. Me di cuenta como estudiante muchas veces cuando un profesor hizo sutiles puntos matemáticos que me eludían, y viceversa, algunos estudiantes de matemáticas no podían seguir un argumento matemático basado en afirmaciones físicas.

Pero como Richard Muller señaló, cuando la física te parece matemática, tus habilidades matemáticas pueden ser lo suficientemente buenas para hacer física de vanguardia, por lo que la falta de habilidades matemáticas te distrae de hacer física real.

Es bastante comparable a un desarrollador de software que es nuevo y fresco con el último lenguaje de programación de moda; cuando está luchando con las complejidades de la sintaxis y la semántica del lenguaje, y tratando de descubrir el IDE y las sutilezas del sistema de compilación, está tan distraído del problema empresarial real que está tratando de resolver, que la informática parece ser todo. Sobre los lenguajes de programación para él.

Las matemáticas sirven como el lenguaje principal utilizado para describir nuestro universo y todo lo que conlleva. Teniendo en cuenta esto, diría que el estudio de la física es principalmente matemática, pero no es matemática en sí. Puede discutir los fenómenos físicos de manera cualitativa con palabras y gramática, pero tales fenómenos solo pueden apreciarse plenamente si la discusión también es cuantitativa, lo que obviamente es imposible en ausencia de las matemáticas. Tal vez, se podría decir que las matemáticas son “naturalmente necesarias”.

La belleza de la utilización de las matemáticas como lenguaje reside en el hecho de que es completamente universal. Un investigador en los Estados Unidos puede estar limitado lingüísticamente al inglés, pero aún así puede transmitir un nuevo descubrimiento físico a un investigador en Rusia a través de la plataforma de las matemáticas. Las muchas funciones y operadores matemáticos que utilizamos hoy (y por mucho tiempo que haya existido la matemática), como integral, del operador, notación Sigma, notación Pi, función factorial y funciones trigonométricas, se reconocen globalmente. Un ingeniero o físico podría desenterrar un plano para un cohete V-2 de Alemania de 1944 o un informe de análisis estructural para las Torres Petronas en Malasia, y poder extraer una gran cantidad de información de dichos documentos, independientemente del idioma que el ingeniero y el fisico entiendo

Es importante tener en cuenta que si bien la disciplina de la física no se puede apreciar completamente sin las matemáticas, las matemáticas no existen únicamente para la física. Puede encontrar que las matemáticas se usan mucho en disciplinas como economía, finanzas, química y biología. Pero, la forma en que se usa es idéntica: como lenguaje y no como “solo una herramienta”. Llamar a las matemáticas una herramienta es menospreciar su significado.

¿La física es principalmente matemática?

¿Los elefantes son en su mayoría rinocerontes? Es más probable que obtenga un “no” del que sostiene el baúl que de los otros.

Y luego está el que sostiene el cuerno. Hablando como un científico teórico de la computación que originalmente se formó como físico teórico, que hizo una carrera en la enseñanza teórica de la computación en el MIT y en Stanford, pero que también escribió este extenso artículo de la enciclopedia sobre álgebra, me acerco a la física como alguien más familiarizado con el rinoceronte. elefantes

Como verá en mi artículo de álgebra, el álgebra es solo una faceta de las matemáticas, a saber, su lógica. Pero incluso esa faceta tiene muchas subfacetas, la mayoría de las cuales no solo no se utilizan, sino que son desconocidas en física.

Esto me lleva a mi primer punto. En la medida en que la física es matemática, los físicos teóricos usan álgebra pero principalmente álgebra elemental. El poco uso que se hace de otros tipos de álgebra tiende a aparecer en revistas como Foundations of Physics , o en las áreas más especulativas de la física, como la teoría de cuerdas y la cosmología. La física experimental, por otro lado, es muy numérica, es decir, punto flotante IEEE, en el sentido de que los números son una condición sine qua non de casi todos los experimentos reproducibles.

Sin embargo, solo unos pocos matemáticos consideran que el álgebra es digno de un estudio serio, incluso menos estudian el continuo, y menos aún estudian su realización finita por punto flotante.

Y en el lado del elefante, casi ningún físico sabe lo suficiente sobre el resto de las matemáticas para apreciar un papel típico en una típica revista de matemáticas.

Para resumir mi primer punto, la intersección de la física con las matemáticas serias es la estratosfera de las dos asignaturas. En aero y astro, los pilotos (aeronautas) no se aventuran mucho por encima de la estratosfera inferior, mientras que los astronautas solo se aventuran en la estratosfera superior cuando frenan para un aterrizaje.

Mi segundo punto se centra en el elefante. ¿Qué es la física? Bueno, pregunte a los físicos que nominan a los físicos para un premio Nobel. ¿Qué tienda ponen por las matemáticas? El premio Nobel de Einstein fue por su descubrimiento del efecto fotoeléctrico, un resultado experimental, no por su obra maestra de relatividad, especial y general, siendo la primera una explicación teórica del sorprendente experimento de Michelson-Morley y la última altamente especulativa. La radiación de fondo cósmico fue predicha por primera vez por Alpher y Herman, pero solo los que realmente la observaron, Penzias y Wilson, fueron considerados dignos de un Nobel.

No todos los nobeles han sido para descubrimientos e invenciones, algunos han sido para leyes y métodos, pero siempre tuvieron como objetivo conceptualizar fenómenos físicos verificables , nunca para teorías especulativas, sin importar cuán profundas o hermosas sean sus matemáticas.

Teniendo en cuenta todo esto, ¿por qué alguien siquiera pensaría en preguntar “la física es principalmente matemática?” Después de todo, si la física puede explicarse al público sin utilizar ninguna matemática, ¿por qué sienten la necesidad de utilizarla cuando se explican cosas entre sí?

Mi respuesta a eso sería, para llegar a un consenso sobre cómo clasificar las hipótesis en competencia sobre los fenómenos físicos. Hay dos criterios principales en juego aquí: precisión numérica y simplicidad algebraica. Una hipótesis cuyas predicciones numéricas se encuentren vergonzosamente alejadas de los valores observados se desempeñará mal en esa competencia. Sin embargo, si está “lo suficientemente cerca del trabajo gubernamental”, la simplicidad, la elegancia y la facilidad de aplicación son criterios de segundo orden que pueden afinar la competencia numérica básica.

Es por esto que los aspectos algebraicos numéricos y elementales de las matemáticas desempeñan un papel esencial en la física. Aquellos físicos que pueden combinar la habilidad en la manipulación algebraica con cálculos intuitivos de fondo de envolvente están bien equipados para participar en las competiciones de clasificación de hipótesis.

En el proceso de hacer física, harás matemáticas (literal y filosóficamente).

Sin embargo, la pregunta más profunda es: ¿es matemático el universo? O, ¿existe un sistema matemático que describa perfectamente todo (tal vez más de lo que podemos observar)?

No tengo idea de si esto es cierto, incluso heurísticamente. Personalmente creo que el universo está fundamentalmente separado de la estructura con la que lo describimos, pero la epistemología que aplicamos a la estructura física del universo es matemática.

¿Por qué las teorías físicas parecen funcionar más allá de su competencia (original) (como se explica en el famoso artículo de Wigner), por ejemplo, las ondas gravitacionales o las ecuaciones de Maxwell y las ondas de radio? ¿Hemos ganado una idea de alguna estructura dada por Dios? Mi conjetura es no, pero realmente no lo sé.

“Lo más incomprensible del universo es que es comprensible”. – Albert Einstein

Sí, en el mismo sentido que “Todo en Quora solo se aplica en inglés”.
(Es cierto para muchos más, por supuesto …)

¿Y que?


Lo siento; Eso puede haber sido demasiado críptico. Las matemáticas (que tienen una “vida” separada por sí mismas) se aplican a las ciencias y a menudo se las compara con un lenguaje. Es posible que Galileo haya sido el primero en escribir “El libro de la naturaleza está escrito en el lenguaje de las matemáticas”, pero el pensamiento probablemente sea anterior a él. Al igual que el uso de un lenguaje influye en el pensamiento de uno, el uso de las matemáticas influye en las ciencias naturales y contribuye a su estructura distintiva. Sin embargo, reconocer que la ciencia (en su mayor parte) está formulada, discutida, analizada y avanzada con un uso considerable de las matemáticas dice mucho sobre cómo (por qué medio) sucede esto, pero no tanto sobre qué es lo que se está formulando. , discutido, analizado y avanzado. Y sí, hay ideas clave no matemáticas y formas de pensar que se han incorporado a las ciencias naturales y, posteriormente, se “matematizan” y se incorporan en un enmarcado (re) marco de esas ideas decididamente matemático, y no hay razón para que no Vuelve a pasar.

La física no tiene NADA que ver con Matemáticas y la matemática no tiene NADA que ver con Física. De hecho, la ciencia no tiene nada que ver con las matemáticas y las matemáticas no tienen nada que ver con las ciencias. Son los matemáticos desde los días de los griegos a quienes se les ocurrió la idea de que las matemáticas son el lenguaje de la física. Y fueron Newton, Leibniz y Huygens quienes más tarde reforzaron esta noción incongruente.

Las matemáticas son un LENGUAJE y nada más. Es un lenguaje que SOLO puede usarse para DESCRIBIR … y luego solo cuantitativamente . En la ciencia, nosotros no DESCRIBEMOS. En Ciencia, EXPLICAMOS … y te explicamos que solo puedes explicar cualitativamente . Nuevamente, los matemáticos popularizaron la idea de que “ciencia” se trata de describir en lugar de explicar …

“La ciencia no explica; la ciencia describe ”. D. Simanek, Loch Haven University, un glosario de términos y conceptos de la física frecuentemente mal utilizados o incomprendidos. (Mira debajo de ‘Por qué’)

La razón detrás de este razonamiento de “la ciencia está a punto de describirse ” es que no hay un matemático en la Tierra desde que Pitágoras ha podido EXPLICAR racionalmente un fenómeno único en el que las entidades invisibles sirven como mediadores: luz, gravedad, magnetismo, comportamiento atómico, negro Agujero, materia oscura, etc.

Todos, desde Newton a Faraday, a Einstein y Bohr a Hawking, se dieron por vencidos. Así es como los matemáticos de hoy terminaron con “teorías” ridículas en las que las “partículas” de dimensión cero y las singularidades hacen las interacciones. Y aún así no pueden explicar cómo una partícula o singularidad PULSAR sobre otra. Si hay una fuerza que los “físicos” matemáticos nunca podrán explicar con sus partículas discretas, paquetes de ondas y ondas, es la fuerza de PULL. ¿Cómo una partícula atrae a otra sin un mediador, matemáticos? ¿Cómo un imán atrae a otro desde la distancia, matemáticos? ¿Cómo evita la Tierra que la Luna abandone el Sistema Solar, matemáticos? No necesitamos números, ecuaciones, variables u otras ‘herramientas’ de Matemáticas para EXPLICAR tales fenómenos.

Un matemático es un individuo autista que no tiene nada que ver con la ciencia. Carece de las habilidades básicas para abordar los problemas de la física. Sin embargo, el público los considera genios, expertos y celebridades.

Todo lo que tenemos que hacer para descubrir la naturaleza de la luz, el magnetismo y la gravedad es abandonar de una vez por todas las ondas, partículas, paquetes de ondas, singularidades y otras abstracciones que los matemáticos han estado utilizando durante los últimos 100 años para modelar su física. interpretaciones

ligero:

Una alternativa a las olas y paquetes de olas, Proc. ICPST, Hong Kong (2010)

magnetismo:

Cómo un imán atrae físicamente a otro desde la distancia, Science 344 (2015)

Agujeros negros, materia oscura y otras tonterías.

No hay tal cosa como un agujero negro, Science 345 (2016)

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