Юрий Артамонов - Ли Смолин. Возрожденное время: От кризиса в физике к будущему вселенной
Вернемся к истокам науки, к персоне, которую называют первым ученым, к философу до-сократовского периода Анаксимандру (610 - 546 до н.э.). Как описывается в недавней книге Карло Ровелли, Анаксимандр был первым, кто пытался найти причины естественных явлений в самой природе, а не в непостоянной воле богов [1].
В те времена даже самые информированные люди думали о себе как об обитателях вселенной, ограниченной двумя плоскими средами. Под
к оглавлению
нашими ногами была Земля, протянутая вокруг нас во всех направлениях. Над нашими головами были небеса. Вся вселенная, как они понимали, была организована вокруг присутствия специального направления - вниз, направления, в котором падают вещи. Основной закон природы, согласующийся со всем их опытом, был тот, что вещи падают по направлению вниз. Единственным исключением были сами небеса и небесные тела, которые там были закреплены.
Когда они пытались распространить этот успешный закон на вселенную (Землю и небо), они столкнулись с парадоксом: если все, не закрепленное на небе, падает вниз, то почему сама Земля не падает? Поскольку тенденция падать вниз универсальна, Земля должна иметь под собой что-то, поддерживающее ее - одно из таких предположений заключалось в том, что Земля покоится на спине гигантской черепахи. Но тогда что удерживает черепаху? Может ли быть бесконечный 'строй черепах на всем пути вниз'?
Анаксимандр осознал, что для создания успешной теории вселенной, которая избежала бы сведения к абсурду в виде бесконечной башни черепах, нужна концептуальная революция. Он предложил идею, очевидную для нас, но шокирующую в его время, - что 'вниз' это не универсальное направление, а просто направление к Земле. Правильный способ установления закона не в том, что вещи падают вниз, а в том, что вещи падают по направлению к Земле. Это сделало возможной другую революцию - открытие, что Земля не плоская, а круглая. Сам Анаксимандр не сделал этот потрясающий шаг, но его переопределение понятия 'вниз' освободило его для рассмотрения Земли как тела, плавающего в пространстве. Так что он мог сделать изумительное предположение, что небо простирается во все стороны вокруг Земли - как под нашими ногами, так и над нашими головами.
Это прозрение существенно упростило космологию того времени, поскольку факт, что Солнце, Луна и звезды восходят на востоке и заходят на западе, смог быть понят как следствие ежедневного вращения неба. Больше не было необходимости заново создавать Солнце каждое утро на востоке и уничтожать каждый вечер после его захода на западе; после захода Солнца оно возвращалось на свою стартовую позицию, пройдя путь под нашими ногами. Вообразите восторг от понимания этого в первый раз! Это удалило великий источник античного страха, - что некий дух, отвечающий за создание нового Солнца каждое утро, может проспать или покинуть свой пост. Революция Анаксимандра была, возможно, более великой, чем революция Коперника, поскольку
к оглавлению
его переопределение понятия 'вниз' объявило спорной необходимость объяснить, что же поддерживает Землю.
Философы, которые пытались найти, что поддерживает Землю, делали простую ошибку - брали закон, который применим локально, и применяли его к целой вселенной. Их вселенной была Земля и небо, а нашей - гигантский космос, заполненный галактиками, но та же самая ошибка в большой степени лежит в основании неразберихи в текущей космологической теории. И еще, что может быть более естественным, если закон универсален, то почему не применить его ко вселенной? Остается великим соблазном взять закон или принцип, который мы можем успешно применять ко всем подсистемам мира, и применить его ко вселенной как целому. Делать так означает совершать ошибку, которую я буду называть космологическим заблуждением.
Вселенная это объект, отличающийся по виду от любой из ее частей. Она также не является просто суммой своих частей. В физике все свойства объектов во вселенной понимаются в терминах взаимосвязей и взаимодействий с другими объектами. Но вселенная есть сумма всех таких отношений и, как таковая, не может иметь свойства, определяемые отношениями с другими сходными объектами.
Итак, Земля во вселенной Анаксимандра является единственной вещью, которая не падает, поскольку это вещь, на которую падают объекты. Аналогично, наша вселенная является единственной вещью, которая не может иметь причину или объясняться чем-то внешним по отношению к ней, поскольку она есть сумма всех причин.
Если аналогия науки настоящего периода с наукой античных греков уместна, из действия по расширению законов малых масштабов на вселенную как целое следует, что могут возникать парадоксы и вопросы, на которые невозможно ответить. Возникают и те, и другие. В наше время наша вера в Ньютоновскую парадигму привела нас к двум простым вопросам, на которые основанная на этой парадигме теория никогда не могла ответить:
- Почему эти законы? Почему вселенная управляется особым набором законов? Что выбирает действующий закон из других законов, которые могут управлять миром? - Вселенная стартовала с Большого Взрыва с особым набором начальных условий. Почему эти начальные условия? Раз мы зафиксировали законы, все еще имеется бесконечное число начальных условий,
к оглавлению c которых могла начаться вселенная. Через какой механизм выбраны действующие начальные условия из бесконечного набора возможных?
Ньютоновская парадигма не может даже начать отвечать на эти два огромных вопроса, поскольку начальные условия и законы в нее подставляются извне. Если физика, в конечном счете, формулируется в рамках Ньютоновской парадигмы, эти большие вопросы останутся тайнами навсегда.
Подумаем над тем, что нам известно о возможном ответе на вопрос: Почему эти законы? Многие теоретики верили, что только одна математически последовательная теория могла бы объединить четыре фундаментальные силы природы - электромагнетизм, сильное и слабое ядерное взаимодействие и гравитацию - в рамках квантовой теории. Если это так, ответ на вопрос Почему эти законы? был бы таким, что только один возможный закон физики мог бы дать начало миру, грубо похожему на наш.
Но эти надежды были разрушены. На сегодня у нас есть хорошие доказательства того, что нет единственной в своем роде теории, включающей все, что мы знаем о природе - в сущности, теории, примиряющей ОТО и квантовую механику. За последние тридцать лет был достигнут большой прогресс в нескольких разных подходах к квантовой гравитации, и они привели к заключению, что в той степени, насколько каждый преуспевает, он делает это таким образом, который вообще не является уникальным. Наиболее изученный подход к квантовой гравитации - петлевая квантовая гравитация, и, как оказалось, она допускает широкий спектр выбора элементарных частиц и сил.
То же самое верно в отношении теории струн, которая также обещала унификацию гравитации и квантовой теории. Имеются свидетельства существования бесконечного числа теорий струн, многие из которых зависят от большого набора параметров - чисел, которые могут быть настроены руками до любых выбранных нами величин. Все эти теории появляются одинаково последовательными математически. Гигантское их число описывает миры со спектром элементарных частиц и сил, грубо подобных нашему миру - хотя, на сегодняшний день, не было сконструировано теории струн, которая точно включала бы в себя Стандартную Модель Физики Частиц.
Исходные надежды теории струн заключались в том, что могла бы быть единственная фундаментальная теория, которая воспроизводила бы Стандартную Модель и давала бы определенные предсказания для наблюдений за пределами последней.
к оглавлению
В 1986 Эндрю Строминджер открыл, что теория струн бывает в гигантском числе версий, убив указанные надежды [2]. Именно это побудило меня заинтересоваться, как вселенная могла выбрать свои законы, - и привело к моему окончательному выбору реальности времени.
Так много вопросов без ответа. А что по поводу дилемм [3]? Когда происходят затруднительные положения, большое их число лежит в сердце обычного понятия закона физики, как это выражено Ньютоновской парадигмой. Что мы имеем в виду, когда называем нечто 'законом', так это то, что он применим для большинства случаев; если он применим только к одному случаю, он просто был бы наблюдением. Но любое применение закона к любой части вселенной подразумевает аппроксимацию, как мы видели в Главе 4, поскольку мы должны пренебречь взаимодействием между этой частью и остальной частью вселенной. Так что многие применения законов природы, которые проверяемы, все являются аппроксимациями.
