UNDERSTANDING IS A POOR SUBSTITUTE FOR CONVEXITY (ANTIFRAGILITY)

Nassim Nicholas Taleb

The point we will be making here is that logically, neither trial and error nor "chance" and serendipity can be behind the gains in technology and empirical science attributed to them. By definition chance cannot lead to long term gains (it would no longer be chance); trial and error cannot be unconditionally effective: errors cause planes to crash, buildings to collapse, and knowledge to regress.

NASSIM NICHOLAS TALEB, essayist and former mathematical trader, is Distinguished Professor of Risk Engineering at NYU’s Polytechnic Institute. He is the author the international bestseller The Black Swan and the recently published Antifragile: Things That Gain from Disorder. (US: Random House; UK: Penguin Press)

Nassim Nicholas Taleb's Edge Bio

---

UNDERSTANDING IS A POOR SUBSTITUTE FOR CONVEXITY (ANTIFRAGILITY)

Something central, very central, is missing in historical accounts of scientific and technological discovery. The discourse and controversies focus on the role of luck as opposed to teleological programs (from telos, "aim"), that is, ones that rely on pre-set direction from formal science. This is a faux-debate: luck cannot lead to formal research policies; one cannot systematize, formalize, and program randomness. The driver is neither luck nor direction, but must be in the asymmetry (or convexity) of payoffs, a simple mathematical property that has lied hidden from the discourse, and the understanding of which can lead to precise research principles and protocols.

MISSING THE ASYMMETRY

The luck versus knowledge story is as follows. Ironically, we have vastly more evidence for results linked to luck than to those coming from the teleological, outside physics—even after discounting for the sensationalism. In some opaque and nonlinear fields, like medicine or engineering, the teleological exceptions are in the minority, such as a small number of designer drugs. This makes us live in the contradiction that we largely got here to where we are thanks to undirected chance, but we build research programs going forward based on direction and narratives. And, what is worse, we are fully conscious of the inconsistency.

The point we will be making here is that logically, neither trial and error nor "chance" and serendipity can be behind the gains in technology and empirical science attributed to them. By definition chance cannot lead to long term gains (it would no longer be chance); trial and error cannot be unconditionally effective: errors cause planes to crash, buildings to collapse, and knowledge to regress.

The beneficial properties have to reside in the type of exposure, that is, the payoff function and not in the "luck" part: there needs to be a significant asymmetry between the gains (as they need to be large) and the errors (small or harmless), and it is from such asymmetry that luck and trial and error can produce results. The general mathematical property of this asymmetry is convexity (which is explained in Figure 1); functions with larger gains than losses are nonlinear-convex and resemble financial options. Critically, convex payoffs benefit from uncertainty and disorder. The nonlinear properties of the payoff function, that is, convexity, allow us to formulate rational and rigorous research policies, and ones that allow the harvesting of randomness.

_{Figure 1- More Gain than Pain from a Random Event. The performance curves outward, hence looks "convex". Anywhere where such asymmetry prevails, we can call it convex, otherwise we are in a concave position. The implication is that you are harmed much less by an error (or a variation) than you can benefit from it, you would welcome uncertainty in the long run.}

OPAQUE SYSTEMS AND OPTIONALITY

Further, it is in complex systems, ones in which we have little visibility of the chains of cause-consequences, that tinkering, bricolage, or similar variations of trial and error have been shown to vastly outperform the teleological—it is nature's modus operandi. But tinkering needs to be convex; it is imperative. Take the most opaque of all, cooking, which relies entirely on the heuristics of trial and error, as it has not been possible for us to design a dish directly from chemical equations or reverse-engineer a taste from nutritional labels. We take hummus, add an ingredient, say a spice, taste to see if there is an improvement from the complex interaction, and retain if we like the addition or discard the rest. Critically we have the option, not the obligation to keep the result, which allows us to retain the upper bound and be unaffected by adverse outcomes.

This "optionality" is what is behind the convexity of research outcomes. An option allows its user to get more upside than downside as he can select among the results what fits him and forget about the rest (he has the option, not the obligation). Hence our understanding of optionality can be extended to research programs — this discussion is motivated by the fact that the author spent most of his adult life as an option trader. If we translate François Jacob's idea into these terms, evolution is a convex function of stressors and errors —genetic mutations come at no cost and are retained only if they are an improvement. So are the ancestral heuristics and rules of thumbs embedded in society; formed like recipes by continuously taking the upper-bound of "what works". But unlike nature where choices are made in an automatic way via survival, human optionality requires the exercise of rational choice to ratchet up to something better than what precedes it —and, alas, humans have mental biases and cultural hindrances that nature doesn't have. Optionality frees us from the straightjacket of direction, predictions, plans, and narratives. (To use a metaphor from information theory, if you are going to a vacation resort offering you more options, you can predict your activities by asking a smaller number of questions ahead of time.)

While getting a better recipe for hummus will not change the world, some results offer abnormally large benefits from discovery; consider penicillin or chemotherapy or potential clean technologies and similar high impact events ("Black Swans"). The discovery of the first antimicrobial drugs came at the heel of hundreds of systematic (convex) trials in the 1920s by such people as Domagk whose research program consisted in trying out dyes without much understanding of the biological process behind the results. And unlike an explicit financial option for which the buyer pays a fee to a seller, hence tend to trade in a way to prevent undue profits, benefits from research are not zero-sum.

THINGS LOVE UNCERTAINTY

What allows us to map a research funding and investment methodology is a collection of mathematical properties that we have known heuristically since at least the 1700s and explicitly since around 1900 (with the results of Johan Jensen and Louis Bachelier). These properties identify the inevitability of gains from convexity and the counterintuitive benefit of uncertainty ^{ii iii}. Let us call the "convexity bias" the difference between the results of trial and error in which gains and harm are equal (linear), and one in which gains and harm are asymmetric ( to repeat, a convex payoff function). The central and useful properties are that a) The more convex the payoff function, expressed in difference between potential benefits and harm, the larger the bias. b) The more volatile the environment, the larger the bias. This last property is missed as humans have a propensity to hate uncertainty.

Antifragile is the name this author gave (for lack of a better one) to the broad class of phenomena endowed with such a convexity bias, as they gain from the "disorder cluster", namely volatility, uncertainty, disturbances, randomness, and stressors. The antifragile is the exact opposite of the fragile which can be defined as hating disorder. A coffee cup is fragile because it wants tranquility and a low volatility environment, the antifragile wants the opposite: high volatility increases its welfare. This latter attribute, gaining from uncertainty, favors optionality over the teleological in an opaque system, as it can be shown that the teleological is hurt under increased uncertainty. The point can be made clear with the following. When you inject uncertainty and errors into airplane ride (the fragile or concave case) the result is worsened, as errors invariably lead to plane delays and increased costs —not counting a potential plane crash. The same with bank portfolios and fragile constructs. But it you inject uncertainty into a convex exposure such as some types of research, the result improves, since uncertainty increases the upside but not the downside. This differential maps the way. The convexity bias, unlike serendipity et al., can be defined, formalized, identified, even on the occasion measured scientifically, and can lead to a formal policy of decision making under uncertainty, and classify strategies based on their ex ante predicted efficiency and projected success, as we will do next with the following 7 rules.

_{Figure 2 The Antifragility Edge (Convexity Bias). A random simulation shows the difference between a) the process with convex trial and error (antifragile) b) a process of pure knowledge devoid of convex tinkering (knowledge based), c) the process of nonconvex trial and error; where errors are equal in harm and gains (pure chance). As we can see there are domains in which rational and convex tinkering dwarfs the effect of pure knowledge ^iv.}

SEVEN RULES OF ANTIFRAGILITY (CONVEXITY) IN RESEARCH

Next I outline the rules. In parentheses are fancier words that link the idea to option theory.

1) Convexity is easier to attain than knowledge (in the technical jargon, the "long-gamma" property): As we saw in Figure 2, under some level of uncertainty, we benefit more from improving the payoff function than from knowledge about what exactly we are looking for. Convexity can be increased by lowering costs per unit of trial (to improve the downside).

2) A "1/N" strategy is almost always best with convex strategies (the dispersion property): following point (1) and reducing the costs per attempt, compensate by multiplying the number of trials and allocating 1/N of the potential investment across N investments, and make N as large as possible. This allows us to minimize the probability of missing rather than maximize profits should one have a win, as the latter teleological strategy lowers the probability of a win. A large exposure to a single trial has lower expected return than a portfolio of small trials.

Further, research payoffs have "fat tails", with results in the "tails" of the distribution dominating the properties; the bulk of the gains come from the rare event, "Black Swan": 1 in 1000 trials can lead to 50% of the total contributions—similar to size of companies (50% of capitalization often comes from 1 in 1000 companies), bestsellers (think Harry Potter), or wealth. And critically we don't know the winner ahead of time.

_{Figure 3-Fat Tails: Small Probability, High Impact Payoffs: The horizontal line can be the payoff over time, or cross-sectional over many simultaneous trials.}

3) Serial optionality (the cliquet property). A rigid business plan gets one locked into a preset invariant policy, like a highway without exits —hence devoid of optionality. One needs the ability to change opportunistically and "reset" the option for a new option, by ratcheting up, and getting locked up in a higher state. To translate into practical terms, plans need to 1) stay flexible with frequent ways out, and, counter to intuition 2) be very short term, in order to properly capture the long term. Mathematically, five sequential one-year options are vastly more valuable than a single five-year option.

This explains why matters such as strategic planning have never born fruit in empirical reality: planning has a side effect to restrict optionality. It also explains why top-down centralized decisions tend to fail.

4) Nonnarrative Research (the optionality property). Technologists in California "harvesting Black Swans" tend to invest with agents rather than plans and narratives that look good on paper, and agents who know how to use the option by opportunistically switching and ratcheting up —typically people try six or seven technological ventures before getting to destination. Note the failure in "strategic planning" to compete with convexity.

5) Theory is born from (convex) practice more often than the reverse (the nonteleological property). Textbooks tend to show technology flowing from science, when it is more often the opposite case, dubbed the "lecturing birds on how to fly" effect ^{v vi.} In such developments as the industrial revolution (and more generally outside linear domains such as physics), there is very little historical evidence for the contribution of fundamental research compared to that of tinkering by hobbyists. ^vii Figure 2 shows, more technically how in a random process characterized by "skills" and "luck", and some opacity, antifragility —the convexity bias— can be shown to severely outperform "skills". And convexity is missed in histories of technologies, replaced with ex post narratives.

6) Premium for simplicity (the less-is-more property). It took at least five millennia between the invention of the wheel and the innovation of putting wheels under suitcases. It is sometimes the simplest technologies that are ignored. In practice there is no premium for complexification; in academia there is. Looking for rationalizations, narratives and theories invites for complexity. In an opaque operation to figure out ex ante what knowledge is required to navigate is impossible.

7) Better cataloguing of negative results (the via negativa property). Optionality works by negative information, reducing the space of what we do by knowledge of what does not work. For that we need to pay for negative results.

Some of the critics of these ideas —over the past two decades— have been countering that this proposal resembles buying "lottery tickets". Lottery tickets are patently overpriced, reflecting the "long shot bias" by which agents, according to economists, overpay for long odds. This comparison, it turns out is fallacious, as the effect of the long shot bias is limited to artificial setups: lotteries are sterilized randomness, constructed and sold by humans, and have a known upper bound. This author calls such a problem the "ludic fallacy". Research has explosive payoffs, with unknown upper bound —a "free option", literally. And we have evidence (from the performance of banks) that in the real world, betting against long shots does not pay, which makes research a form of reverse-bankingvⁱⁱⁱ .

---

ⁱ Jacob, F. , 1977, Evolution and tinkering. Science, 196(4295):1161–1166.
ⁱⁱ  Bachelier, L. ,1900, Theorie de la spéculation, Gauthiers Villard.
ⁱⁱⁱ Jensen, J.L.W.V., 1906, “Sur les fonctions convexes et les inégalités entre les valeurs moyennes.” Acta Mathematica 30.
^iv Take F[x] = Max[x,0], where x is the outcome of trial and error and F is the payoff. ∫ F(x) p(x) dx ≥ F(∫ x p(x)) , by Jensen's inequality. The difference between the two sides is the convexity bias, which increases with uncertainty.
^v Taleb, N., and Douady, R., 2013, "Mathematical Definition and Mapping of (Anti)Fragility",f.. Quantitative Finance
^vi Mokyr, Joel, 2002, The Gifts of Athena: Historical Origins of the Knowledge Economy. Princeton, N.J.: Princeton University Press.
^vii Kealey, T., 1996, The Economic Laws of Scientific Research. London: Macmillan.
^viii Briys, E., Nock,R. ,& Magdalou, B., 2012, Convexity and Conflation Biases as Bregman Divergences: A note on Taleb's Antifragile.
 

http://www.edge.org/conversation/understanding-is-a-poor-substitute-for-convexity-antifragility

Лоуренс Краусс. Вселенная из ничего.

Оригинал взят у в Лоуренс Краусс. Вселенная из ничего.

"Безбожник, думает он додумался о понимании существования мира, наивный."-из комментария на ютубе

CONSTRUCTOR THEORY

A Conversation with  DAVID DEUTSCH



"There's a notorious problem with defining information within physics, namely that on the one hand information is purely abstract, and the original theory of computation as developed by Alan Turing and others regarded computers and the information they manipulate purely abstractly as mathematical objects. Many mathematicians to this day don't realize that information is physical and that there is no such thing as an abstract computer. Only a physical object can compute thing"



DAVID DEUTSCH is a Physicist at the University of Oxford. His research in quantum physics has been influential and highly acclaimed. His papers on quantum computation laid the foundations for that field, breaking new ground in the theory of computation as well as physics, and have triggered an explosion of research efforts worldwide. He is the recipient of the $100,000 Edge of Computation Prize, and he is the author of THE BEGINNING OF INFINITY and THE FABRIC OF REALITY.



CONSTRUCTOR THEORY


Some considerable time ago we were discussing my idea, new at the time, for constructor theory, which was and is an idea I had for generalizing the quantum theory of computation to cover not just computation but all physical processes. I guessed and still guess that this is going to provide a new mode of description of physical systems and laws of physics. It will also have new laws of its own which will be deeper than the deepest existing theories, such as quantum theory and relativity. At the time, I was very enthusiastic about this, and what intervened between then and now is that writing a book took much longer than I expected. But now I'm back to it, and we're working on constructor theory and, if anything, I would say it's fulfilling its promise more than I expected and sooner than I expected.



One of the first rather unexpected yields of this theory has been a new foundation for information theory. There's a notorious problem with defining information within physics, namely that on the one hand information is purely abstract, and the original theory of computation as developed by Alan Turing and others regarded computers and the information they manipulate purely abstractly as mathematical objects. Many mathematicians to this day don't realize that information is physical and that there is no such thing as an abstract computer. Only a physical object can compute things.



On the other hand, physicists have always known that in order to do the work that the theory of information does within physics, such as informing the theory of statistical mechanics, and thereby, thermodynamics (the second law of thermodynamics), information has to be a physical quantity. And yet, information is independent of the physical object that it resides in.



I'm speaking to you now: Information starts as some kind of electrochemical signals in my brain, and then it gets converted into other signals in my nerves and then into sound waves and then into the vibrations of a microphone, mechanical vibrations, then into electricity and so on, and presumably will eventually go on the Internet. This something has been instantiated in radically different physical objects that obey different laws of physics. Yet in order to describe this process you have to refer to the thing that has remained unchanged throughout the process, which is only the information rather than any obviously physical thing like energy or momentum.



The way to get this substrate independence of information is to refer it to a level of physics that is below and more fundamental than things like laws of motion, that we have been used thinking of as near the lowest, most fundamental level of physics. Constructor theory is that deeper level of physics, physical laws and physical systems, more fundamental than the existing prevailing conception of what physics is (namely particles and waves and space and time and an initial state and laws of motion that describe the evolution of that initial state). … MORE:   http://www.edge.org/conversation/constructor-theory   

Bringing Schrödinger's Cat to Life

by Philip Yam

Recent experiments have begun to demonstrate how the weird world of quantum mechanics gives way to the familiarity of everyday experience

FRAMEWORK OF PHYSICS must somehow connect the exotica of quantum mechanics

Editor’s note (10/9/2012): We are making the text of this article freely available for 30 days because the article was cited by the Nobel Committee as a further reading in the announcement of the 2012 Nobel Prize in Physics. The full article with images, which originally appeared in the June 1997 issue, is available for purchase here.

“I am sorry that I ever had anything to do with quantum theory,” Erwin Schrödinger reportedly complained to a colleague. The Austrian physicist was not lamenting the fate of his now famous cat, which he figuratively placed in a box with a vial of poison in 1935. Rather he was commenting on the strange implications of quantum mechanics, the science behind electrons, atoms, photons and other things submicroscopic. With his feline, Schrödinger attempted to illustrate the problem: according to quantum mechanics, particles jump from point to point, occupy several places at once and seem to communicate faster than the speed of light. So why don’t cats—or baseballs or planets or people, for that matter—do the same things? After all, they are made of atoms. Instead they obey the predictable, classical laws quantified by Isaac Newton. When does the quantum world give way to the physics of everyday life? “That’s one of the $64,000 questions,” chuckles David Pritchard of the Massachusetts Institute of Technology.

Pritchard and other experimentalists have begun to peek at the boundary between quantum and classical realms. By cooling particles with laser beams or by moving them through special cavities, physicists have in the past year created small-scale Schrödinger’s cats. These “cats” were individual electrons and atoms made to reside in two places simultaneously, and electromagnetic fields excited to vibrate in two different ways at once. Not only do they show how readily the weird gives way to the familiar, but in dramatic fashion they illustrate a barrier to quantum computing—a technology, still largely speculative, that some researchers hope could solve problems that are now impossibly difficult.

The mystery about the quantum-classical transition stems from a crucial quality of quantum particles—they can undulate and travel like waves (and vice versa: light can bounce around as a particle called a photon). As such, they can be described by a wave function, which Schrödinger devised in 1926. A sort of quantum Social Security number, the wave function incorporates everything there is to know about a particle, summing up its range of all possible positions and movements.

Taken at face value, a wave function indicates that a particle resides in all those possibilities at once. Invariably, however, an observation reveals only one of those states. How or even why a particular result emerges after a measurement is the point of Schrödinger’s thought experiment: in addition to the cat and the poison, a radioactive atom goes into the box. Within an hour, the atom has an even chance of decaying; the decay would trigger a hammer that smashes open the vial of antifeline serum.

The Measurement Problem

According to quantum mechanics, the unobserved radioactive atom remains in a funny state of being decayed and not decayed. This state, called a superposition, is something quantum objects enter quite readily. Electrons can occupy several energy levels, or orbitals, simultaneously; a single photon, after passing through a beam splitter, appears to traverse two paths at the same time. Particles in a well-defined superposition are said to be coherent.

But what happens when quantum objects are coupled to a macroscopic one, like a cat? Extending quantum logic, the cat should also remain in a coherent superposition of states and be dead and alive simultaneously. Obviously, this is patently absurd: our senses tell us that cats are either dead or alive, not both or neither. In prosaic terms, the cat is really a measuring device, like a Geiger counter or a voltmeter. The question is, then, Shouldn’t measuring devices enter the same indefinite state that the quantum particles they are designed to detect do?

continue to source article at scientificamerican.com

Richard Dawkins Foundation for Reason and Science
 ___________________________________________________________________


Мой скромный комментарий. Мне понравилась сея четкая формлировка:

"Yet the team showed that the coherence could be “recovered”— that is, the interference pattern restored—by changing the separation between the paths to some quarter multiple of the laser photon’s wavelength. At those fractions, it was not possible to tell from which path the photon scattered. “Coherence is not really lost,” Pritchard elucidates. “The atom became entangled with a larger system.” That is, the quantum state of the atom became coupled with the measuring device, which in this case was the photon."  

По-моему, это и есть универсальный паттерн всех иерархий - и отсюда они все и проистекают - свободный, независимый элемент, становясь частью некой более общей метасистемы, теряет возможность выбора...

Привет из Зазеркалья

Физики обнаружили утечку нейтронов в параллельный мир

Алиса в Зазеркалье. Иллюстрация John Tenniel, с сайта johntenniel.com

Два итальянских физика - Зураб Бережиани и Фабрицио Нести - заявили, что им удалось обнаружить ощутимую утечку нейтронов в магнитной ловушке неизвестно куда. Сами авторы говорят, что, скорее всего, частицы утекают в зеркальный мир. Их выводам еще предстоит пройти дополнительную экспериментальную проверку, однако, сама новость - прекрасный повод вспомнить некогда популярную физическую гипотезу о существовании зеркальной материи.

Симметричное мироздание

В основе большинства физических теорий лежит понятие симметрии. Ученые, впрочем, понимают его несколько шире, чем геометрическое представление, с которым мы сталкиваемся в обычной жизни (осевая, центральная, поворотные симметрии). Они же под симметрией понимают некоторое нетривиальное преобразование, сохраняющее в некотором смысле законы, описывающие тот или иной процесс. Например, правила, управляющие движением самолета, не зависят от того, летит он с юга на север или с запада на восток. Если говорить более общо, то это иллюстрация понятия изотропности нашего трехмерного пространства - отсутствия в нем особых направлений, вдоль которых законы природы имели бы другую формулировку, нежели в остальных направлениях (на самом деле, конечно, есть финслерова геометрия, в которой этот принцип не выполняется, однако не будем забегать в такие научные дали).

Это понятие, понятие симметрии, играет фундаментальную роль не только потому, что гарантирует красоту получаемых уравнений. Оказывается, фундаментальные законы сохранения энергии, импульса и других физических величин являются прямым следствием наличия симметрий (непрерывных групп симметрий, если быть точным). Этот основополагающий для всей физической науки факт был установлен в начале XX века Эмми Нетер.

Бабочка - пример зеркальной симметрии. Фото с сайта samogo.net

В физике элементарных частиц, о которой и пойдет речь, существуют три основных типа симметрий. Первый тип - это так называемая C-симметрия, от английского charge, что значит заряд. Наличие этой симметрии означает, что законы физики не меняются, если всюду в системе поменять заряды частиц на противоположные, изменив также направления магнитных и электрических полей. Например, утверждение "одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются" можно рассматривать как простейший пример физического закона, удовлетворяющего требованию C-симметрии. Действительно, одноименные заряды остаются одноименными после одновременной перемены знака, равно как и разноименные остаются разноименными.

Второй тип симметрии - это так называемая T-симметрия. Суть ее заключается в том, что при изменении направления течения времени на противоположное закон, описывающий движение частицы, не меняется. Примером такого правила может служить второй закон Ньютона, связывающий силу и ускорение. Чтобы понять, почему это так, представим фильм, который проигрывают задом наперед - это и будет изменение направления течения времени на противоположное. По экрану задом едут машины, пятятся люди. Вместе с тем, делают они это на той же скорости, что и при правильном просмотре фильма, - изменилось только направление. С точки зрения физики это означает, что скорость изменила знак. Ускорение, то есть скорость изменения скорости, остается тем же - по сути ровно потому, что минус на минус дает плюс. Этот факт и влечет инвариантность второго закона Ньютона. Впрочем, этот тип симметрии нам дальше почти не понадобится.

Наконец, третий тип фундаментальной симметрии в мире элементарных частиц - это P-симметрия. Чтобы понять, что это за тип симметрии, достаточно взглянуть на собственные руки. Их две - правая и левая. При этом, как бы мы ни старались, ни крутили правой рукой, мы не сможем сделать так, что она станет выглядеть как левая. Это связано с тем, что с точки зрения математики левая и правая руки по-разному ориентированы. Вместе с тем, поглядев на левую руку в зеркало, мы увидим, что она не отличается от правой. Так вот, P-симметрия это как раз симметрия относительно зеркального отображения пространства, как говорят математики, отображения, меняющего ориентацию. В макромире симметрия такого рода, конечно, есть - например, праворульная машина ездит так же, как и леворульная. В микромире, однако, все гораздо сложнее.

Отсутствие симметрии рождает чудовищ

Теперь перенесемся в 50-е годы прошлого века. Почти все физики уверены в незыблемости C- и P-симметрии применительно к слабому взаимодействию (одно из четырех фундаментальных взаимодействий, связанное, например, с некоторыми типами ядерного распада). В 1956 году молодые китайские физики Чжэндао Ли и Чжэньнин Янг, анализируя накопившееся на тот момент экспериментальные данные, высказывают довольно крамольную на тот момент мысль: при слабом взаимодействии нарушаются оба типа симметрии. Свои выводы они основывают на накопившихся на тот момент данных о разного рода несимметричных процессах, к которым относится, например, распад нейтронов. При таком распаде нейтрино и электроны разлетаются несимметрично (уже в геометрическом смысле). Для проверки собственных предположений ученые предлагают несколько типов экспериментов.

Ловушка для нейтронов. Изображение с сайта science.compulenta.ru. (Нажмите, чтобы увеличить)

В этом же году группа ученых под руководством китаянки Ву Цзиньсян из лаборатории Колумбийского университета проводит один из предложенных экспериментов. Ядра кобальта-60 при сверхнизкой температуре и в присутствии сильного магнитного поля распадаются на ядра изотопа никеля 60Ni, электроны и электронные нейтрино. Тщательные измерения показывают, что в направлении спина ядра (направление спина тут удобно понимать как направление вдоль оси "вращения" ядра, определенное по правилу правого буравчика) электронов вылетает меньше, чем в противоположном направлении, а это ровно и означает нарушение P-симметрии. Это легко понять, если отразить процесс в зеркале, параллельном вектору скорости. При таком отражении вектор скорости не изменится, а спин поменяет направление на противоположное (ровно потому, что изменилось направление "вращения" ядра).

Именно тогда появился термин "зеркальная материя". Именно так сами Янг и Ли назвали загадочные гипотетические частицы, для которых законы слабого взаимодействия должны быть зеркально симметричны обычным. Тогда идея не прижилась - достаточно быстро возникла теория великого советского физика Льва Ландау о том, что при слабом взаимодействии сохраняется так называемая CP-симметрия (это просто одновременное изменение зарядов, направлений электрического и магнитных полей на противоположные и зеркальное отображение координат). В его теории на роль зеркальных частиц прекрасно подходили античастицы. На тот момент в реальности этого физического объекта никто не сомневался - позитроны (античастицы, соответствующие электронам) были открыты еще в 1932 году. Нет ничего удивительного, что физики предпочли уже существующий объект некой абстракции.

В 1964 году, однако, CP-симметрия испытала сокрушительный удар - американские физики Джеймс Кронин и Вэл Фитч обнаружили в распаде нейтральных каонов (это такие частицы) нарушение этой самой симметрии. За эту работу оба получили Нобелевскую премию по физике в 1980 году (а за объяснение этого феномена, приведшее к появлению третьего семейства кварков, ту же нобелевку дали Йоитиру Намбу, Макото Кобаяси и Тосихидэ Масакава уже в 2008 году).

В это же время зеркальная материя снова оказалась в поле внимания физиков, теперь уже советских. В 1966 году в журнале "Ядерная физика" выходит статья "О возможности экспериментального обнаружения зеркальных частиц", написанная Игорем Кобзаревым, Львом Окунем и Исааком Померанчуком. В этой работе ученые впервые всерьез рассмотрели свойства такой гипотетической материи. В следующих работах, они установили, что она взаимодействует сама с собой. Это означает, что если такая материя существует, то существуют и зеркальные атомы и даже, возможно, зеркальные небесные тела (1983 год). При этом оказалось, что такая зеркальная материя будет взаимодействовать с нашим миром только посредством гравитации. При этом в окрестности Земли этой зеркальной материи почти нет (1979 год). Если бы она была, то она вносила бы существенные возмущения в движение небесных тел, которое астрофизикам, разумеется, давно бы удалось обнаружить.

Как это часто бывает, о существовании зеркальной материи весь остальной мир (не СССР) узнал совсем от других людей - в 1991 году появилась соответствующая статья Роберта Фута из Университета Мельбурна. В настоящее время именно он является самым известным адептом зеркальной теории.

Темная против зеркальной

Интерес к зеркальной материи в последние годы возник благодаря так называемой проблеме скрытой массы, известной также как темная материя. Подробно "Лента.ру" про темную материю уже писала, и не раз. Если коротко, то, наблюдая за вращениями звезд вокруг центров различных галактик, ученые обнаружили, что светила на окраинах движутся слишком быстро. Традиционные модели предсказывают, что скорость должна быть обратно пропорциональна квадратному корню из расстояния до оси вращения. В свою очередь, в действительности скорость остается почти постоянной. Чтобы объяснить этот эффект, было введено понятие скрытой массы, или темной материи.

График убегания нейтронов. Изображение с сайта springerlink.com. (Нажмите, чтобы увеличить)

Что такое эта масса, пока никто не знает. В настоящее время одна из наиболее популярных гипотез считает, что скрытая масса состоит из небарионной материи. Фактически это означает, что частицы такой материи почти не участвуют в электромагнитном (отсюда и название "темная", ведь свет есть электромагнитное излучение), слабом и сильном взаимодействиях, однако хорошо участвуют в гравитационном. Одной из наиболее популярных сейчас теорий является теория вимпов - слабо взаимодействующих массивных частиц. Сразу несколько экспериментов по всему миру ищут подобную материю. Так вот, зеркальная материя прекрасно подходит на роль темной материи - ведь, как мы помним, она проявляет себя только посредством гравитационного взаимодействия. В настоящее время, однако, эта гипотеза не слишком популярна, и, за исключением небольшой группы физиков, ею никто толком не занимается.

Результаты двух итальянских физиков, Зураба Бережиани и Фабрицио Нести, возможно, могут в корне переломить эту ситуацию. Что же такого сделали эти двое? Они опубликовали в European Physical Journal статью (pdf), в которой изложили собственный анализ данных эксперимента физика Анатолия Сереброва из Петербургского института ядерной физики Константинова. Серебров во французском Институте Лауэ-Ланжевена экспериментально изучал процесс содержания нейтронов в ультра-холодной нейтронной ловушке. Ему удалось установить, что потери составляют около 1 процента нейтронов. Статистический анализ, проведенный Бережиани и Нести, позволил выявить с достаточной степенью уверенности, что потеря нейтронов не связана с их утеканием через стенки ловушки.

Сам по себе этот факт довольно интересен, особенно если его удастся подтвердить в других экспериментах. Однако в рамках работы сами ученые предлагают неожиданное объяснение. Раз этот процесс вроде бы необъясним с точки зрения стандартной физики, то его можно объяснить так: нейтроны осциллируют, колеблясь между своим привычным состоянием и зеркальным. По сути частицы утекают в параллельный мир.

Главный недостаток новой работы в том, что исследователи оставили коллегам проверку последствий наличия таких осцилляций - довольно часто оказывается, что экзотические теории вступают в противоречие с экспериментальными данными. Лишь единицы выживают в этой теоретической битве и доходят до непосредственной экспериментальной проверки.

С другой стороны, если факт наличия вроде как необъяснимого явления - утечки нейтронов - подтвердится, это будет здорово. Потому что это интересно.

Андрей Коняев

Сайты по теме

• Зеркальная материя

WWW.LENTA.RU

Edge 362: The Edge Question 2012: What Is Your Favorite Deep, Elegant, Or Beautiful Explanation?

The EDGE Question 2012

Scientists' greatest pleasure comes from theories that derive the solution to some deep puzzle from a small set of simple principles in a surprising way. These explanations are called "beautiful" or "elegant". Historical examples are Kepler's explanation of complex planetary motions as simple ellipses, Bohr's explanation of the periodic table of the elements in terms of electron shells, and Watson and Crick's double helix. Einstein famously said that he did not need experimental confirmation of his general theory of relativity because it "was so beautiful it had to be true."

           WHAT IS YOUR FAVORITE DEEP, ELEGANT, OR BEAUTIFUL EXPLANATION?

Since this question is about explanation, answers may embrace scientific thinking in the broadest sense: as the most reliable way of gaining knowledge about anything, including other fields of inquiry such as philosophy, mathematics, economics, history, political theory, literary theory, or the human spirit. The only requirement is that some simple and non-obvious idea explain some diverse and complicated set of phenomena.

[Thanks to Steven Pinker for suggesting this year's EDGE Question and to Stewart Brand, Kevin Kelly, and George Dyson for their ongoing advice and support.]

List of Contributors: http://www.edge.org/contributors/what-is-your-favorite-deep-elegant-or-beautiful-explanation

View All Responses: http://www.edge.org/responses/what-is-your-favorite-deep-elegant-or-beautiful-explanation

The EDGE Question 2012 Permalink: http://edge.org/annual-question/what-is-your-favorite-deep-elegant-or-beautiful-explanation