Studenci i badacze od dawna rozumieją, że fizyka jest wymagająca. Ale dopiero teraz naukowcom udało się to udowodnić. Okazuje się, że jeden z najczęstszych celów w fizyce – znalezienie równania, które opisuje, jak system zmienia się w czasie – jest określany jako „trudny” przez teorię komputerową. To zła wiadomość dla studentów fizyki, którzy mają nadzieję, że maszyna może rozwiązać wszystkie ich problemy domowe, ale przynajmniej ich przyszłe miejsca pracy w tej dziedzinie są bezpieczne od automatyzacji.

Fizycy są często zainteresowani matematycznym opisem tego, jak zachowuje się system: na przykład, wzór śledzi ruchy planet i ich księżyców w ich skomplikowanym tańcu wokół słońca. Naukowcy opracowują te równania, mierząc obiekty w różnych punktach w czasie, a następnie rozwijając formułę, która łączy wszystkie te punkty razem, takie jak wypełnianie wideo z zestawu ujęć.

Z każdą nową zmienną, jednak, staje się trudniejsze do znalezienia właściwego równania. Komputery mogą to przyspieszyć, przeszukując potencjalne rozwiązania z zawrotną prędkością, ale nawet najlepsze superkomputery na świecie napotykają na przeciwników w pewnej klasie problemów, zwanych „trudnymi”. Problemy te zajmują wykładniczo więcej czasu na rozwiązanie z każdą dodatkową zmienną, która jest wrzucona do mieszanki – dodatkowym ruchem planety, na przykład.

Czasami, trudne problemy mogą być łatwiejsze dzięki sprytnym matematycznym manewrom, ale fizyk kwantowy Toby Cubitt z Uniwersytetu Complutense w Madrycie i koledzy zniszczyli tę nadzieję dla równań fizyki, które opisują system w czasie.

Matematycy rozpoznają zestaw naprawdę trudnych problemów, które nie mogą być uproszczone, wyjaśnia Cubitt. Wiedzą również, że wszystkie te problemy są odmianami jednych od drugich. Pokazując, że zadanie przekształcenia danych fizycznych w równania jest w rzeczywistości jednym z tych problemów w przebraniu, zespół wykazał, że to zadanie jest również naprawdę trudne. W rezultacie żaden ogólny algorytm, który przekształca zbiór danych w formułę opisującą system w czasie, nie może zostać uproszczony tak, by można go było uruchomić na komputerze, donosi zespół w nadchodzącym numerze Physical Review Letters.

Równania fizyki są w dobrym towarzystwie, według informatyka Stephena Cooka z University of Toronto w Kanadzie, który nie był zaangażowany w pracę. „Dosłownie tysiące problemów” mieszczą się w tej kategorii naprawdę trudnych problemów, mówi.

Jest jeszcze krztyna nadziei, że fizycy znajdą sposób na przekształcenie tych rzekomo nieprostych problemów w formy rozwiązywalne komputerowo. Gdyby taka łatwiejsza droga się pojawiła, głęboki efekt domina rozlałby się po matematyce, ponieważ oznaczałoby to, że wszystkie inne trudne problemy również mogłyby zostać uproszczone. Instytut Matematyczny Claya w Cambridge, Massachusetts, oferuje nagrodę w wysokości miliona dolarów każdemu, kto odkryje taki uniwersalny środek do rozwiązywania problemów.

Matematycy jednak mocno podejrzewają, że nie da się tego zrobić (chociaż Instytut Claya zapłaci ci również milion dolarów za udowodnienie, że to podejrzenie jest prawdziwe). W tym przypadku, „nie ma mądrzejszego sposobu” dla komputerów do opracowania tych równań fizyki „niż brute-force sprawdzanie” każdego możliwego równania, Cubitt mówi. Nadal, on zastanawia się, jeśli komputery znaleźć te równania tak trudne do rozgryzienia, dlaczego fizycy byli w stanie obliczyć tak wiele z nich? Fizyk Heinz-Peter Breuer z Uniwersytetu we Freiburgu w Niemczech sugeruje, że to dlatego, że fizycy dać ich mózgi i ich komputery – head start. Oni ustawić scenę z praw fizyki, które zostały już opracowane przez takich jak Newton, Maxwell i Einstein, a to daje zarys równania, mówi. Dane eksperymentalne muszą jedynie uzupełnić szczegóły. Fizyka może być trudna dla komputerów, ale prawdziwi naukowcy radzą sobie z nią, stojąc na ramionach gigantów”.