Кіріспе
1960 жылғы Юджин Вигнердің "Табиғи ғылымдарда математиканың ақылға сыймайтын тиімділігі" мақаласы – физик Юджин Вигнердің 1960 жылы "Таза және қолданбалы математикадағы хабарламалар" журналында жарияланған мақаласы. Онда Вигнер теориялық физиканың математикалық құрылымы жиі сол теорияны одан әрі дамытуға және эмпирикалық болжамдар жасауға бағыт беретінін атап көрсетеді. Математикалық теориялар көбінесе табиғатты сипаттауда болжамдық күшке ие.
"The Unreasonable Effectiveness of Mathematics in the Natural Sciences" is a 1960 article written by the physicist Eugene Wigner, published in Communication in Pure and Applied Mathematics. In it, Wigner observes that a theoretical physics's mathematical structure often points the way to further advances in that theory and to empirical predictions. Mathematical theories often have predictive power in describing nature.
Байқаулар мен дәлелдер
Вигнер математикалық ұғымдар бастапқыда жасалған контекстен тыс қолданылатынын айтады. Ол былай деп жазады: "Физиктің көбінесе дөңгелек тәжірибелерін математикалық тұжырымдау, көптеген жағдайларда құбылыстардың үлкен тобын таңғаларлық дәлдікпен сипаттауға әкеледі" деп атап өту маңызды. Ол "табиғат заңдары математика тілінде жазылған" деген Галилейдің үш жүз жыл бұрын айтқан сөзі "қазір бұрынғыдан да шындыққа жақын" екенін айтады. Вигнердің алғашқы мысалы – Исаак Ньютонның гравитация заңы. Бастапқыда Жер бетінде еркін құлап түсетін денелерді модельдеу үшін қолданылған бұл заң, Вигнердің "өте аз байқауларға" негізделіп, кеңейтілді. Вигнердің айтуынша, "Ньютон жерге лақтырылған тастың траекториясының параболасы мен аспандағы айдың орбитасының шеңберінің эллипс математикалық нысанының ерекше жағдайлары екенін байқады және сол кезде өте жуық сандық сәйкессіздік негізінде ғаламдық гравитация заңын жорамалдады". Вигнердің екінші мысалы кванттық механикадан: Макс Борн "Гейзенберг берген есептеу ережелерінің математиктер бұрыннан белгілеген матрицалармен есептеу ережелерімен формальды түрде сәйкес екенін байқады. Борн, Иордан және Гейзенберг классикалық механика теңдеулеріндегі координаталар мен импульс айнымалыларын матрицалармен алмастыруды ұсынды. Олар матрицалық механика ережелерін бірнеше өте идеалданған проблемаларға қолданды және нәтижелер өте қанағаттанарлық болды. Алайда, сол кезде олардың матрицалық механикасының нақтырақ жағдайларда дұрыс болатынына ешқандай рационалды дәлел болмады". Бірақ Вольфганг Паули олардың жұмысы сутегі атомын дәл сипаттағанын анықтады: "Бұл тәжірибемен сәйкес нәтиже берді". Екі электроннан тұратын гелий атомы күрделірек, бірақ "оған қарамастан, бірнеше ай бұрын Корнеллдегі Киношита мен Стандарттар бюросындағы Базли жүргізген гелийдің ең төменгі энергия деңгейін есептеу, бақылаулардың дәлдігі бойынша тәжірибелік деректермен келіседі, бұл он миллионнан бір бөлігі. Бұл жағдайда біз теңдеуге енгізбеген нәрсені 'алдық' деуге болады". Ауыр элементтердің атомдық спектрлері де осыған ұқсас. Вигнердің соңғы мысалы кванттық электродинамикадан: "Ньютонның гравитация теориясының тәжірибемен айқын байланысы болғанмен, тәжірибе матрицалық механиканың тұжырымдамасына тек Хайзенбергтің рецептілерінің тазартылған түрінде ғана енді. Беттің ойлағаны және Швингердің анықтағаны бойынша, Ламб ығысуының кванттық теориясы – бұл таза математикалық теория және эксперименттің тікелей үлесі өлшенетін эффекттің бар екенін көрсету болды. Есеппен келісім мыңнан бір бөліктен де жақсы". Вигнер айтқаннан басқа да мысалдар бар. Тағы бір жиі келтірілетін мысал – Максвелл теңдеулері, олар 19 ғасырдың ортасында белгілі болған элементарлы электрлік және магниттік құбылыстарды модельдеу үшін алынған. Теңдеулер сонымен қатар 1879 жылы Джеймс Клерк Максвелл қайтыс болған кезде Дэвид Эдвард Хьюз ашқан радио толқындарын да сипаттайды.
Ричард Хамминг
Математик және Тьюринг сыйлығының лауреаты Ричард Хамминг 1980 жылы Вигнердің түсініксіз тиімділігін талқылап, оны кеңейтті, сондай-ақ оған төрт "жартылай түсіндірме" ұсынды. Хамминг Галилейдің келесі ой экспериментін жүргізгенін көзге елестетеді (Хамминг бұл экспериментті «ғылыми пайымдау» деп атайды, және ол Галилейдің «Қозғалыс туралы» кітабында сипатталған): Егер құлап түскен дене екі бөлікке бөлінсе делік. Әрине, екі бөлік бірден тиісті жылдамдықтарына дейін баяулайды. Бірақ, егер бір бөлігі екіншісіне тиіп қалса не болады? Олар енді бір бөлік болып, екеуі де жылдамдықтарын арттыра ма? Егер екі бөлікті байлап қойсам, оларды бір бөлік ету үшін қаншалықты тығыз байлауым керек? Желкен жіппен ме? Арқанмен ме? Желіммен ме? Екі бөлік қашан бірігеді? Құлап бара жатқан дене мұндай «сұрақтарға» жауап бере алмайды. Сондықтан Галилей «құлап түскен денелердің барлығы бірдей жылдамдықпен құлайды, егер оларға басқа күш әсер етпесе, ештеңе білуінің қажеті жоқ» деген қорытындыға келген болар еді. Осы аргументті келтіргеннен кейін, Хамминг осыған ұқсас талқылауды Пойяның (1963: 83-85 беттер) еңбегінде тапты. Хаммингтің баяндамасы 20 ғасырдағы ғалымдардың Галилейдің не істегені туралы пікір-таластарға көңіл бөлмегенін көрсетеді. Әлемдік тартылыс заңының кері квадраттық тәуелділігі энергияның сақталуынан және кеңістіктің үш өлшемділігінен міндетті түрде туындайды. Әлемдік тартылыс заңындағы көрсеткішті өлшеу – тартылыс өрісінің қасиеттерін тексеруден гөрі кеңістіктің евклидтік екенін тексеруге көбірек мүмкіндік береді. Кванттық механиканың белгісіздік принципінің негізінде жатқан теңсіздік Фурье интегралдарының қасиеттерінен және уақыттың өзгермейтіндігін қабылдаудан туындайды. Хамминг Альберт Эйнштейннің арнайы салыстырмалылық теориясы бойынша жасаған алғашқы жұмысының көбінесе «ғылыми пайымдау» негізінде болғанын айтады. Ол теорияның қалай көрінуі керектігін басынан білген (бірақ бұл туралы Микельсон-Морли эксперименті арқылы ғана білген), және нақты эксперименттер емес, математикалық құралдармен кандидат теорияларды зерттеген. Хамминг Эйнштейннің өзінің салыстырмалылық теорияларының дұрыс екеніне соншалықты сенгендігінен, оларды тексеруге арналған байқаулардың нәтижелері оны қызықтырмады деп мәлімдейді. Егер байқаулар оның теорияларына қайшы келсе, онда кінә байқауларда болар еді. 2. Адамдар жағдайға сәйкес келетін математиканы жасайды және таңдайды. Қолдағы математика әрқашан жұмыс істемейді. Мысалы, күштерді түсіну үшін жай скалярлар қиындық тудырғанда, алдымен векторлар, содан кейін тензорлар ойлап табылды. 3. Математика адам тәжірибесінің тек бір бөлігін қамтиды. Адам тәжірибесінің көп бөлігі ғылым мен математикаға емес, құндылық философиясына жатады, оның ішінде этика, эстетика және саяси философия. Әлемді математика арқылы түсіндіруге болатынын айту – сенім актісі. 4. Эволюция адамдарды математикалық ойлауға бейімдеген. Ең алғашқы тіршілік формаларында адамның ұзақ тізбектей ойлау қабілетінің тұқымдары болған.
Suppose that a falling body broke into two pieces. Of course, the two pieces would immediately slow down to their appropriate speeds. But suppose further that one piece happened to touch the other one. Would they now be one piece and both speed up? Suppose I tie the two pieces together. How tightly must I do it to make them one piece? A light string? A rope? Glue? When are two pieces one? There is simply no way a falling body can "answer" such hypothetical "questions." Hence Galileo would have concluded that "falling bodies need not know anything if they all fall with the same velocity, unless interfered with by another force." After coming up with this argument, Hamming found a related discussion in Pólya (1963: 83 85). Hamming's account does not reveal an awareness of the 20th century scholarly debate over just what Galileo did. The inverse square law of universal gravitation necessarily follows from the conservation of energy and of space having three dimensions. Measuring the exponent in the law of universal gravitation is more a test of whether space is Euclidean than a test of the properties of the gravitational field. The inequality at the heart of the uncertainty principle of quantum mechanics follows from the properties of Fourier integrals and from assuming time invariance. Hamming argues that Albert Einstein's pioneering work on special relativity was largely "scholastic" in its approach. He knew from the outset what the theory should look like (although he only knew this because of the Michelson–Morley experiment), and explored candidate theories with mathematical tools, not actual experiments. Hamming alleges that Einstein was so confident that his relativity theories were correct that the outcomes of observations designed to test them did not much interest him. If the observations were inconsistent with his theories, it would be the observations that were at fault. 2. Humans create and select the mathematics that fit a situation. The mathematics at hand does not always work. For example, when mere scalars proved awkward for understanding forces, first vectors, then tensors, were invented. 3. Mathematics addresses only a part of human experience. Much of human experience does not fall under science or mathematics but under the philosophy of value, including ethics, aesthetics, and political philosophy. To assert that the world can be explained via mathematics amounts to an act of faith. 4. Evolution has primed humans to think mathematically. The earliest lifeforms must have contained the seeds of the human ability to create and follow long chains of close reasoning.
Макс Тегмарк
Физик Макс Тегмарк математиканың сыртқы физикалық шындықты сипаттаудағы тиімділігінің себебі физикалық әлемнің абстрактілі математикалық құрылым болуында екенін айтты. Бұл теория, математикалық ғалам гипотезасы деп аталады, бұрынғысы Питер Аткинс ұсынған идеяларға ұқсас. Дегенмен, Тегмарк "біздің әлемізге изоморфты нағыз математикалық құрылым, егер бар болса, әлі табылған жоқ" деп нақты түсіндіреді. Керісінше, физикадағы математикалық теориялар сәтті болуының себебі олар күрделірек және болжам жасауға мүмкіндік беретін математиканы жуықтап көрсетуі. Тегмарк пікірінше, "Біздің сәтті теорияларымыз – физиканы жуықтайтын математика емес, керісінше, қарапайым математика күрделі математиканы жуықтайды".
Айвор Граттан-Гиннес
Айвор Граттан Гиннесс сұрақ туғызған тиімділікті аналогия, жалпылау және метафора сияқты ұғымдар арқылы толыққанды түсіндірілетін және қисынды деп санады.