計算機模擬和定製量子模擬正在改變尋找自然規律的意義。理論物理學以複雜著稱，以數學形式“書寫”自然規律，這意味著我們所處理的規律非常簡單，至少比其他科學學科要簡單得多。不幸的是，解開方程並不是件易事。例如有一個完美理論可以描述基本粒子夸克和膠子，但沒有人能計算出是如何聚集在一起形成質子。目前這些方程還無法用已知的方法求解。
圖片：James O’Brien for Quanta Magazine
博科園-科學科普：類似地，黑洞合併甚至是山溪流動都可以用看似簡單的術語來進行描述，但要描述出在特定情況下將會發生什麼極為困難。當然，研究人員正在堅持不懈地突破極限，尋找新的數學策略。但近年來，複雜的數學並未推動這一進程，反而是強大的計算機能力推動了這一進程。上世紀80年代，第一個數學軟件問世，它所做的不過是幫人們搜索大量打印出來的積分而已。
但是一旦物理學計算機觸手可及，就不再需要解出積分，只需要畫出解。20世紀90年代，許多物理學家反對這種“畫圖”方法。由於許多人沒有受過計算機分析訓練，所以他們有時無法從編碼工件中分辨出物理現象。這就是為什麼研討會上將它降級為“數字”。但在過去20年裡，這種態度發生了顯著轉變得益於新一代物理學家，新一代物理學家認為編碼是數學技能的自然延伸。
因此理論物理學現在有許多子學科都在致力於研究計算機模擬真實世界的系統。現在已經在使用計算機模擬來研究星系的形成和超星系結構，從而計算出粒子質量是由幾個夸克組成，並且找出原子核碰撞的原因，進一步理解太陽週期，目前一些研究研領域主要以計算機為基礎。這種純數學建模轉變正在不斷向前發展，物理學家們設計實驗室系統來代替理解其他系統。
研究人員只需在實驗室裡觀察模擬系統，進而得出結論並對系統進行預測。名為“量子模擬”研究領域之最為鮮明的例子，這一系統由相互作用的複合物體組成，類似於基本粒子之間的相互作用，這些物體間的相互作用由科學家們掌控。在電路量子電動力學中，研究人員使用微型超導電路來模擬原子，然後研究人造原子如何與光子相互作用。
另外在慕尼黑實驗室裡，物理學家們用超冷原子組成的超流體來解決關於類似希格斯粒子是否能在二維空間中的爭論。這些模擬不僅有助於克服我們已經瞭解的理論中的數學障礙，也可以用它來探索沒從未研究過的新理論，加深瞭解新理論的相關性。當談到空間和時間本身的量子行為時，我們仍沒有合適的理論對它作出解釋。量子計算研究所的物理學家Raymond Laflamme利用量子模擬來研究自旋網絡。在一些理論中，這種結構構成了時空基本結構。
慕尼黑大學的物理學家吉亞·德瓦利提出了利用超冷原子氣體模擬黑洞信息處理的方法。物理學家使用流體來模擬粒子在重力場中的行為被運用到引力領域。黑洞時空已經吸引了大量關注，正如傑夫·史泰因豪爾所說：在黑洞模擬物測量到了霍金輻射一樣。研究人員研究早期宇宙的快速膨脹，就運用了流體模擬引力這一方法。此外物理學家通過觀察準粒子的替代物來研究基本粒子。準粒子的行為很像基本粒子，但它們由許多其他粒子集體運動產生。
瞭解其特性可以更多地瞭解它們的行為，從而幫助我們找到觀察真實事物的方法。如果可以基本採用複合粒子，或許能夠創建出基本的空間、時間和25個粒子組成粒子物理學的標準模型。量子模擬也讓我們想知道如何解釋系統行為。這個發展最有趣的方面是它最終改變了研究物理的方式。在量子模擬中，數學模型是次要的。目前使用數學來確定一個合適的系統，因為數學告訴我們應該尋找什麼特性。
但嚴格來說，這並不是必須的。隨著時間的推移，實驗者或許會知道系統間如何相互映射。也許有一天，會用對簡化系統的觀察來做出預測，而不是通過計算做出預測。目前有科學家會對未來的願景感到震驚，但在實驗室裡建立一個簡化的系統模型在概念上與物理學家們幾個世紀以來所做的沒有多大區別：用數學語言描繪物理系統的簡化模型。
博科園-科學科普｜文：Sabine Hossenfelder/Quanta magazine/Quanta Newsletter
博科園-傳遞宇宙科學之美
閱讀更多 博科園 的文章
