¿Por qué las matemáticas puras tienen aplicaciones del mundo real? ¿Cómo pueden las ideas abstractas relacionarse con la estructura del universo físico?

En realidad es bastante simple! Empezaré con una analogía con las matemáticas.

Digamos que las matemáticas en realidad eran lingüísticas o algo similar. Así que tratas de describir qué es un auto con palabras. Pero un automóvil es precisamente esta cosa con algunas características (cuatro llantas, un motor, asientos, etc.) y, ¿y si tiene dos o tres llantas, sigue siendo un automóvil? Resumiendo un poco, digamos que son vehículos automotores, y luego decidimos que queremos una palabra para todas las cosas que … van a los lugares. Como cohetes y aviones. Así que vehículo es tu palabra general.

Las matemáticas son así. Tienes estos números, digamos, y luego te abstraes de allí hasta que llegas a otras cosas como conjuntos infinitos que no parecen tener ningún propósito real. O números complejos. O tome la geometría plana y después de unos cientos de años llegará a espacios vectoriales de dimensiones infinitas. ¿Pero a quién le importa, y cómo ayuda eso a alguien?

En algún momento, te darás cuenta de que estas construcciones lógicas que hemos creado para divertirnos son realmente útiles. Quieres comunicar a algunos alienígenas lo más rápido posible qué es un avión. Defina un vehículo, defina una atmósfera, defina un motor a reacción y tendrá lo básico. Si tuviera un montón de definiciones ultra específicas alrededor, no podría ver los conceptos de nivel superior y las conexiones. Así que alguien se dio cuenta de que los espacios de Hilbert correspondían a estados de giro cuántico entrelazados. Y esa solución de un sistema lineal puede darle soluciones a la ecuación diferencial acoplada que le indica la dinámica de un montón de péndulos. O que una teoría gravitacional puede explicarse con alguna geometría loca.

Aquí hay otra analogía. Generalmente cuando construimos herramientas reales, tenemos un propósito para hacerlo. Tal vez necesitas algo que mantenga unidas las cosas, así que inventas un tornillo. Entonces te das cuenta de que sería genial tener un destornillador. Pero luego piensas, sería realmente útil construir tornillos gigantes, o algo así como tornillos (pernos), y unir vigas de acero. Y luego necesitas un destornillador muy fuerte y … bueno, eso es casi el final de mi conocimiento sobre atornillar vigas de acero. Pero imagina que a algunas personas les encantan las herramientas porque las herramientas son geniales. Y que realmente no cuesta mucho hacerlos, solo hay que pensar en ellos. Eso es lo que son las matemáticas. Es básicamente la creación de herramientas lógicas.

No estoy seguro de si realmente respondí el “por qué”. Sabemos que podemos describir las cosas con lógica, es solo una cuestión de cuánta complejidad podemos soportar. Una bola que rueda por un avión es bastante fácil, pero entender los derivados financieros es ridículo. Pero todo está ahí … sabemos que las cosas se pueden describir de manera lógica (al menos, suponemos eso y encontramos que el supuesto nos da un marco bastante bueno (física y otras ciencias matemáticas) que predice las cosas con mucha precisión). Y es ese principio el que hace que las matemáticas sean útiles.

Las matemáticas puras han encontrado muchas aplicaciones en la informática, ya que gran parte de la utilidad de la informática es más abstracta que física.

Por ejemplo, el esquema de cifrado RSA, que se usa ampliamente, se basa en la teoría de los números elementales (y algunas conjeturas) para hacer que los mensajes cifrados sean difíciles de descifrar. Más o menos, descifrar RSA se reduce a ser capaz de factorizar grandes números en factores primos.

Además, la mayoría de los algoritmos están diseñados con garantías teóricas que se basan en las matemáticas, especialmente en las matemáticas discretas, por ejemplo, combinatoria, álgebra abstracta, teoría de números.

Básicamente, hay cosas en el mundo que obedecen a la lógica , haciendo que su análisis sea adecuado para las matemáticas. La razón por la que las matemáticas se utilizan tanto en la informática es que el campo de la informática tiene sus fundamentos en la lógica matemática y, de hecho, no puedo imaginar que el campo se desarrolle sin tales fundamentos.

Creo que la única diferencia entre “matemática pura” y “matemática aplicada” es que la primera es simplemente matemática hecha sin ninguna aplicación en mente, mientras que la última se hace con la aplicación en mente. Ambos son capaces de tener aplicaciones.

Esta es una pregunta que me he preguntado durante mucho tiempo.

Consideremos, por ejemplo, los axiomas de Peano. En forma simplificada, declaran: cero es un número, para cualquier número n, S (n) es un número y S (n) nunca es cero. Además de esto, puede agregar algunos axiomas de definición para =, +, y tener rápidamente un concepto matemático puro de aritmética (consulte los axiomas de Peano para obtener más información). Todo es muy elegante, pero si lo lees en su versión matemática pura, parece completamente separado de la realidad.

Ahora consideremos el concepto muy aplicado del dinero. Si está comprando y vendiendo, y generalmente dirigiendo un negocio, estas ideas de números, +, -, = son exactamente los conceptos que necesita para hacer un seguimiento de su negocio y ver si, a fin de mes, habrá algún camello. En tu pluma y oro en tu bóveda de banco. Y nunca se equivocan, a menos que tenga un ladrón en su campamento, la cantidad de camellos y lingotes de oro siempre será exactamente la predicha por los teoremas que derivan de los axiomas de Peano.

¿Por qué estas dos cosas, axiomas y pruebas en matemáticas puras y cómo dirigir un negocio, tienen algo que ver entre sí? La mejor respuesta que conozco a esto es que los matemáticos no crean en un vacío. Hay un número infinito de conjuntos de definiciones y axiomas que podrían crearse. El arte de crear matemáticas se basa en reconocer patrones profundos y repetidos en el mundo “real” y capturar esos patrones en matemáticas “puras”. Los matemáticos se basan en el trabajo de los demás para extraer estos patrones durante cientos de años (Peano se basó en el trabajo de los matemáticos árabes que estaban construyendo sobre los griegos, etc.).

En cuanto a por qué existen patrones repetibles y comprensibles en el mundo real, y si los matemáticos inventan o descubren estos patrones, esa es una pregunta aún más difícil en la que ni Platón ni Aristóteles estuvieron de acuerdo por completo …

Se puede hacer un argumento coherente (de hecho, se ha hecho en el pasado, ver, por ejemplo, Tegmark, 1998 – http://arxiv.org/pdf/grqc/970400 …) que el universo * es * una estructura matemática. Lo que los humanos llaman matemáticas, entonces, sería simplemente un re-descubrimiento de las reglas reales que subyacen a la realidad.

No es la “estructura del universo físico” lo que se correlaciona con las matemáticas puras, es nuestra comprensión de ello.

Las ‘aplicaciones del mundo real’ y nuestra comprensión del universo siempre cambian, lo que puede considerarse fantástico, imposible o increíble hoy puede no serlo en el futuro .

Los conceptos abstractos de las matemáticas puras a menudo pueden abrir el camino para comprender los nuevos inventos y desarrollos.

Considere las computadoras: uno de los resultados más profundos e importantes en el campo de la Informática es la prueba de Turing de la indecidibilidad del Problema Detenido (no hay un programa informático que pueda decidir si otro programa informático se interrumpirá).

Esta ingeniosa prueba, una cosa de belleza y sorprendente elegancia IMHO, se inspiró en el trabajo seminal de Cantor sobre los infinitos en la teoría de los números.

Otro resultado fantástico inspirado y relacionado con Cantor fueron los teoremas de incompleto de Goedel.

En la época de Cantor (finales del siglo XIX y principios del siglo XX), ¿quién podría haber pensado en las “aplicaciones del mundo real” de su trabajo en las máquinas de vapor, los esfuerzos de electricidad primitivos y demás?

No tuvo que pasar mucho tiempo antes de que los resultados asombrosos anteriores se realizaran.

Los conceptos matemáticos puros son atemporales, esa es también su belleza e importancia, nunca sabemos cuándo podrían convertirse en la clave de alguna nueva “aplicación del mundo real” en el futuro.

Tal vez “las tautologías vacías se correlacionan con la estructura del universo físico” está un poco exagerada. Podría ser que en vez de eso ayuden a los homínidos a percibir y comprender un poco mejor la naturaleza, eso es todo.

Creo que es un milagro que la estructura matemática abstracta sea conforme con los procesos subyacentes de la naturaleza. Eugene Wigner intentó responder a la pregunta y él terminó haciendo penas. Puesto que parece ser un milagro, estemos agradecidos y sigamos obteniendo los beneficios de esta afortunada coincidencia.

Ver: La efectividad irrazonable de las matemáticas en las ciencias naturales.

Hardy estaría retorciéndose en su tumba esta noche.