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/ NetNews Usenet Archive 1992 #20 / NN_1992_20.iso / spool / sci / physics / 14672 < prev    next >
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Internet Message Format  |  1992-09-14  |  7.2 KB

  1. Xref: sparky sci.physics:14672 sci.math:11468
  2. Newsgroups: sci.physics,sci.math
  3. Path: sparky!uunet!stanford.edu!CSD-NewsHost.Stanford.EDU!Sunburn.Stanford.EDU!pratt
  4. From: pratt@Sunburn.Stanford.EDU (Vaughan R. Pratt)
  5. Subject: Re: Report on Philosophies of Physicists
  6. Message-ID: <1992Sep15.060213.16561@CSD-NewsHost.Stanford.EDU>
  7. Sender: news@CSD-NewsHost.Stanford.EDU
  8. Organization: Computer Science Department,  Stanford University.
  9. References: <TORKEL.92Sep14074902@bast.sics.se> <1992Sep14.073224.1714@CSD-NewsHost.Stanford.EDU> <TORKEL.92Sep14100615@isis.sics.se>
  10. Date: Tue, 15 Sep 1992 06:02:13 GMT
  11. Lines: 120
  12.  
  13. In article <TORKEL.92Sep14100615@isis.sics.se> torkel@sics.se (Torkel Franzen) writes:
  14. >If you (consistently) add to ZFC an axiom saying that a
  15. >certain Diophantine equation has a solution (and thus, perhaps,
  16. >implying that lots of interesting Diophantine equations have solutions), why
  17. >should I, as a mathematician, be interested in the resulting theory?
  18.  
  19. Well, maybe you'd like a Nobel prize in physics.  Here's how to get one
  20. using foundations.
  21.  
  22. Trying to capture the discreteness of quantum mechanics in a natural
  23. way, Ticklehammer has spent most of the 1980's and early 1990's trying
  24. to come up with an integer-coefficient polynomial in eight variables
  25. having formal properties that make it satisfy a certain integer version
  26. of Dirac's equation involving partial difference operators in place of
  27. partial derivatives.  In this model the roots of the polynomial turn
  28. out to be states (or some such concrete thing that any model needs to
  29. have to make sense--you needn't take this too literally, I'm only
  30. trying to make a foundational point here).  The integers are of course
  31. critical, since this is intended to be a discrete theory with
  32. everything having only discrete solutions.
  33.  
  34. At JIPC'94 Ticklehammer announces a polynomial with these properties.
  35. Great excitement, both the professional and popular press are full of
  36. reports on Ticklehammer's polynomial, affectionately nicknamed Tick,
  37. and in the ensuing months many amazing properties of Tick are found and
  38. reported.  Integer quantum mechanics based on Tick seems to be taking
  39. shape.
  40.  
  41. Then at JIPC'95 the other shoe falls.  Squozz proves an amazing
  42. property of Tick: for any countable cardinal b it is undecidable
  43. whether Tick has b roots.  Uproar: everyone realizes at once that this
  44. means Ticklehammer's theory might have no model, not in the
  45. mathematical sense that it is inconsistent but in the physical sense
  46. that it may have no states.  (How could this discovery have taken so
  47. long, the newspapers wanted to know?  People replied that it just never
  48. occurred to them to actually *look* for an example of a state, everyone
  49. had been spending all their time investigating formal properties of
  50. Tick, using it to make predictions of measurements, and comparing the
  51. model's behavior with that of Hilbert space and path integral models.
  52. One group said they had recently written a code to plot phase spaces
  53. but it was unexpectedly having trouble plotting even the first point,
  54. which Squozz's result now seemed to explain.)
  55.  
  56. Now this is where you come in.  Since the question at hand is
  57. undecidable you take the bold step of simply deciding it on your own
  58. initiative.  You decide you want aleph-null states, so you simply
  59. postulate that Tick has that many solutions, call this postulate T.
  60. You proceed to work in ZFC+T.
  61.  
  62. Your resulting theory is consistent.  Yet you have not harmed a single
  63. fact among the hundreds that people have discovered about
  64. Ticklehammer's polynomial in the past year.  And all the consequences
  65. of the discreteness of Ticklehammer's charming setup are preserved.  It
  66. remains the discrete theory that Ticklehammer envisaged from the
  67. beginning.  Moreover this is also true for future researchers: the fact
  68. that things are now happening in ZFC+T doesn't prevent you from
  69. ignoring T and just working in good old ZFC, except whenever you
  70. actually need T at some point.
  71.  
  72. That was the easy part, no prize yet.  Now you're going to have to sell
  73. this to physicists who aren't going to like your playing mathematical
  74. God in this way one little bit.  "Cheap logician's shot," they'll say.
  75.  
  76. This is about the point where Abraham Robinson was, halfway through his
  77. development of nonstandard analysis.  Cauchy had claimed that his
  78. infinitesimal-based treatment of calculus was consistent, but did not
  79. have the logical tools to either state or prove what was intuitively
  80. obvious to him.  Robinson observed formally that simply postulating
  81. infinitesimals was consistent with analysis, proving that Cauchy was
  82. right.  But how to sell it to mathematicians, and ultimately to
  83. freshman calculus classes, without making first order logic a
  84. prerequisite and forcing everybody to write all their proofs in a
  85. formal system.
  86.  
  87. Answer: find and describe a natural model of analysis, not the standard
  88. one, that could nevertheless be described in standard terminology.
  89. Various models are possible, e.g. countable models might be thought of
  90. as small and therefore attractive.  However the conceptually most
  91. natural and simplest approach seemed to be to add "nonstandard reals."
  92. Though "nonstandard," these still behave in all respects exactly like
  93. ordinary reals as far as analysis is concerned.  This expanded model of
  94. analysis is called nonstandard analysis, not a very user-friendly name,
  95. they ought to call it something like Cauchy analysis or take back the
  96. name infinitesimal calculus.
  97.  
  98. Now this is where you get your Nobel prize.  Like Robinson you work out
  99. a natural kind of nonstandard integer to add to the standard model,
  100. call these "Ticklehammer integers."  These will have infinitely many
  101. predecessors in your model, as viewed in ZFC.  (This is always how a
  102. nonstandard model of the ZFC integers looks when viewed in the standard
  103. model.)  Ticklehammer's setup won't be at all perturbed about this
  104. because the meaning of "infinity" within ZFC+T will have changed
  105. relative to its meaning in the standard model of the integers so as to
  106. allow the set of integers below each nonstandard integer to appear to
  107. be finite and hence indistinguishable in all *visible* respects from
  108. any ordinary integer.
  109.  
  110. Now you have a more intricate notion of "Ticklehammer integer" to
  111. explain to people.  But it may well be no worse than Hilbert space,
  112. which isn't as simple as the integers either or they'd teach it in high
  113. school.  Since your nonstandard integers aren't that complicated
  114. there's a fair chance they'll teach yours in high school in the not too
  115. distant future.
  116.  
  117. Two years later you and Ticklehammer triumph at Stockholm.  You are
  118. cited for having developed the mathematical foundations that made
  119. Ticklehammer's theory physically meaningful.
  120.  
  121. Now to argue that ZFC+T is not a foundations for physics you will have
  122. to first argue that Robinson's nonstandard analysis is not a
  123. foundations for elementary calculus.  If you want to argue that ZFC+T
  124. is not a foundations for mathematics, go argue that in 1995 with the
  125. burgeoning cottage industry of applied mathematicians out there
  126. exploring the amazing new world of ZFC+T.  But not now, please, I have
  127. a paper to write.
  128.  
  129. -- 
  130. ======================================================| God found the positive
  131. Vaughan Pratt   pratt@cs.Stanford.EDU   415-494-2545  | integers, zero was
  132. ======================================================| there when He arrived.
  133.