Дэвид Дойч - Структура реальности. Наука параллельных вселенных
В редукционистском мировоззрении законы, управляющие взаимодействием субатомных частиц, имеют первостепенную значимость, поскольку они являются основой иерархии всего знания. Но в реальной структуре научного знания и в структуре нашего знания в целом такие законы играют гораздо более скромную роль.
Какова же эта роль? Мне кажется, что ни одна из рассматривавшихся до сих пор теорий-кандидатов на звание «теории всего» не содержит большой новизны в способе объяснения. Возможно, самый передовой подход с объяснительной точки зрения – это теория суперструн, в которой элементарными строительными блоками материи являются протяженные объекты, «струны», а не точечные частицы. Но ни один существующий подход не предлагает нового способа объяснения – нового в том смысле, в каком новым было объяснение Эйнштейном сил притяжения на основе искривленного пространства и времени. На самом деле ожидается, что «теория всего» унаследует практически всю объяснительную структуру существующих теорий электромагнетизма, ядерных сил и гравитации: их физические концепции, их язык, их математическое описание и форму их объяснений. Поэтому мы видим в этой базовой структуре, которая нам уже известна из существующих теорий, вклад фундаментальной физики в наше общее понимание.
В физике существует две теории, значительно более глубокие, чем остальные. Первая – это общая теория относительности, которая, как я уже говорил, является нашей лучшей теорией пространства, времени и гравитации. Вторая – еще более глубокая – это квантовая теория. Эти две теории (но никакая из существующих или ожидаемых теорий субатомных частиц) создают подробную объяснительную и формальную концептуальную основу, в рамках которой выражаются все остальные теории современной физики, и содержат основные физические принципы, которым подчиняются все прочие теории. Объединение общей теории относительности и квантовой теории – с целью получения квантовой теории гравитации – было на протяжении нескольких десятилетий основным предметом поисков физиков-теоретиков. Оно должно было стать частью любой теории всего, как в узком, так и в широком смысле этого термина. Как мы увидим в следующей главе, квантовая теория, как и теория относительности, дает революционно новый способ объяснения физической реальности. Причина, по которой квантовая теория глубже теории относительности, лежит большей частью не в физике, а вне ее, поскольку ее следствия простираются далеко за пределы физики и даже за пределы самой науки в привычном ее понимании. Квантовая теория является одной из четырех основных нитей, образующих наше современное понимание структуры реальности.
Прежде чем назвать три другие нити, я должен упомянуть еще один способ искажения редукционизмом структуры научного знания. Редукционизм предполагает не только то, что объяснение всегда состоит в разделении системы на меньшие и более простые системы, но и то, что все поздние события объясняются через более ранние; другими словами, единственный способ что-то объяснить – это указать причины. А это подразумевает, что, чем раньше произошли события, на основе которых мы что-то объясняем, тем лучше объяснение, так что в конечном счете все лучше объяснять на основе первоначального состояния Вселенной.
«Теория всего», исключающая характеристику первоначального состояния Вселенной, не является полным описанием физической реальности, потому что она дает только законы движения; а законы движения сами по себе порождают лишь условные предсказания. То есть они никогда не дают однозначных утверждений о том, что происходит, а лишь о том, что произойдет в заданный момент времени, если известно, что происходило раньше. Только если известна полная характеристика начального состояния, в принципе можно вывести полное описание физической реальности. Существующие космологические теории не дают полной характеристики начального состояния даже в принципе, но они утверждают, что изначально Вселенная была очень маленькой, очень горячей и очень однородной по своей структуре. Но мы также знаем, что Вселенная не могла иметь абсолютно однородную структуру, потому что это будет несовместимо (в соответствии с теорией) с тем распределением галактик, которые мы наблюдаем сегодня на небе. Первоначальные вариации плотности, или «комковатость» материи, должны были значительно усилиться под действием гравитации – относительно более плотные участки собирали больше материи и становились более плотными, так что сначала эти вариации могли быть очень слабыми. Но какими бы маленькими они ни были, они имеют огромное значение для любого редукционистского описания реальности, потому что почти все, что мы наблюдаем вокруг, – от распределения звезд и галактик в небе до появления бронзовых статуй на планете Земля – с точки зрения фундаментальной физики является следствием этих вариаций. Если наше редукционистское описание стремится охватить нечто большее, чем самые важные свойства наблюдаемой вселенной, нам нужна теория, которая описывает эти исключительно важные первоначальные отклонения от однородности.
Я попытаюсь заново сформулировать последнее требование без редукционистского уклона. Законы движения любой физической системы дают только условные предсказания и, следовательно, совместимы со многими возможными историями этой системы. (Этот вопрос не имеет отношения к ограничениям на предсказуемость, которые накладывает квантовая теория и о которых я расскажу в следующей главе). Например, законы движения, которым подчиняется ядро, выпущенное из пушки, совместимы со многими возможными траекториями, каждая из которых соответствует одному из возможных направлений и углов наклона ствола пушки при выстреле (рис. 1.2). Математически законы движения можно выразить системой уравнений, которые называют уравнениями движения. Существует много различных решений этих уравнений, каждое из которых описывает какую-то возможную траекторию. Чтобы определить, какое решение описывает фактическую траекторию, необходимо предоставить дополнительные данные – некоторую информацию о том, что происходит в действительности. Один из способов осуществить это заключается в описании начального состояния, в данном случае направления ствола пушки. Однако существуют и другие способы. Например, мы точно так же могли бы определить конечное состояние – положение и направление движения пушечного ядра в момент его приземления. Или мы могли бы определить положение самой высокой точки траектории. Неважно, какие именно дополнительные данные мы даем, если они позволяют выбрать одно конкретное решение системы уравнений движения. Объединение любых дополнительных данных такого рода с законами движения и дает теорию, которая описывает все, что происходит с пушечным ядром между моментами выстрела до падения.
Сходным образом законы движения для физической реальности в целом будут иметь много решений, каждое из которых соответствует конкретной истории. Для завершения описания нам придется указать, какой вариант истории произошел в действительности, предоставив достаточно дополнительных данных для выбора одного из многих решений уравнений движения. В простых космологических моделях одним из способов указать такие данные является определение начального состояния Вселенной. Но мы могли бы вместо этого определить конечное состояние или состояние в любой другой момент времени; или мы могли бы предоставить некоторую информацию о начальном состоянии, какую-то информацию о конечном состоянии и сообщить кое-что о промежуточных состояниях. В общем, объединив достаточное количество дополнительных данных разного рода с законами движения, мы получили бы, в принципе, описание физической реальности.
Для пушечного ядра, как только мы определим, скажем, его конечное состояние, мы сможем легко вычислить его начальное состояние, и наоборот, поэтому между различными методами указания дополнительных данных не существует практической разницы. Однако для Вселенной в целом большая часть таких вычислений очень трудна. Я уже говорил, что мы предполагаем существование «комковатости» материи в начальных состояниях на основании сегодняшних наблюдений неоднородности Вселенной. Но это исключение: большая часть нашего знания о дополнительных данных – о том, что именно происходит, – существует в форме высокоуровневых теорий эмерджентных явлений и, следовательно, по определению не поддается практическому выражению в виде утверждений о начальном состоянии. Например, в большей части решений уравнений движения Вселенная в своем начальном состоянии не обладает свойствами, необходимыми для появления жизни. Следовательно, наше знание того, что жизнь появилась, – это значительная часть дополнительных данных. Возможно, мы никогда не узнаем, что конкретно означает это ограничение для детальной структуры Большого взрыва, но мы можем делать выводы непосредственно из него. Например, первая точная оценка возраста Земли была сделана на основе биологической теории эволюции, и она противоречила лучшим физическим теориям того времени. Только редукционистское предубеждение могло заставить нас считать, что эти рассуждения были почему-то менее обоснованными или что в общем случае теоретизирование о начальном состоянии является более «фундаментальным», чем об эмерджентных чертах реальности.
