Юрий Артамонов - Ли Смолин. Возрожденное время: От кризиса в физике к будущему вселенной
Чтобы применить закон природы без аппроксимации, мы должны применить его к целой вселенной. Но имеется только одна вселенная - а один случай не дает достаточных доказательств для подтверждения притязаний, что применяется особый закон природы. Это может быть названо космологической дилеммой.
Космологическая дилемма не мешает нам применять законы природы - вроде ОТО или законов движения Ньютона - для подсистем вселенной. Они работают, фактически, во всех случаях, и именно поэтому мы называем их законами. Но каждое такое применение есть аппроксимация, основанная на фиктивности рассмотрения подсистемы вселенной, как если бы кроме нее ничего не было [4]. Также космологическая дилемма не препятствует нам воображать, что история нашей вселенной является решением к некоторому закону, вроде ОТО, с материей, описываемой Стандартной моделью. Но она не объясняет, почему это решение выбрано как единственное, чтобы быть реализованным в природе. Также одно решение не подтверждает, что законы природы, которые существуют, являются комбинацией ОТО и Стандартной модели, поскольку только одно решение могло бы аппроксимировать решения ко многим разным законам [5].
Приведем пример, чтобы проиллюстрировать, почему закон должен быть проверяем более чем в одном случае, чтобы быть отличимым от простого наблюдения. В семье один ребенок, Мира, которая любит мороженое. Ее любимым является шоколадное - на самом деле первое мороженое, которое она когда-либо попробовала, было шоколадным, и она с тех пор всегда предпочитает именно его.
Родители Миры верят, что имеется всеобщий закон, что все дети любят
к оглавлению
мороженое. Но без наблюдения любых других детей у них нет способа проверить это, нет способа отличить это от того, что они наблюдали, то есть что Мира любит мороженое. Отец Миры также верит в другой закон, что все дети предпочитают шоколадное мороженое. Пока он отдыхает с рюмкой, когда Мира ушла спать, ее мать выступает с еще одной гипотезой: Все дети предпочитают тот вид мороженого, который они первым попробовали.
Обе возможности согласуются с теми данными, которые у них есть. Они делают различные предсказания, которые могли бы быть проверены путем опроса родителей на детской площадке, следовательно, обе есть возможные законы. Но предположим, что Мира является единственным существующим ребенком. Тогда не будет способа проверить, является ли любая из гипотез ее родителей всеобщим законом или только наблюдением.
Родители Миры могут спорить, основываясь на человеческой биологии, что дети будут любить все, сделанное из сахара и молока, и это придаст силу, по меньшей мере, одному из их предсказаний. Это могло бы быть верно, но их доказательства используют знания, собранные из изучения многих людей. В этом месте аналогия терпит крах, поскольку в космологии имеется исключительно один случай. В научной дискуссии о вселенной нельзя предположить, что она является выделенным случаем из более общего класса, поскольку нельзя утверждать, что характеристики этого класса проверяемы.
Тот факт, что законы, применяемые к подсистемам, должны быть приблизительными, является центральным в космологической дилемме, так что позвольте мне оставить в стороне мороженое и дать простой пример указанного факта из физики. Первый закон движения Ньютона утверждает, что все свободные частицы двигаются вдоль прямых линий. Он был проверен и подтвержден в многочисленных случаях. Но каждая проверка содержит в себе приблизительность, поскольку нет истинно свободных частиц. Каждая частица в нашей вселенной чувствует гравитационные силы от любой другой. Если мы ожидаем точного подтверждения закона, то он не будет применим ни в одном случае.
Первый закон Ньютона может, в лучшем случае, быть приближением к некоторому другому более точному закону. Действительно, он аппроксимирует второй закон Ньютона, который описывает, как влияют ощущаемые частицей силы на ее движение. Теперь тут есть нечто интересное! Каждая частица во вселенной гравитационно притягивается любой другой. Имеются также силы между каждой парой заряженных частиц. Это целая куча сил, соперничающих друг с другом. Чтобы проверить, действует ли второй закон Ньютона точно,
к оглавлению
вы должны были бы сложить вместе более 1080 сил, чтобы предсказать движение только одной частицы во вселенной.
На практике, конечно, мы ничего подобного не делаем. Мы принимаем во внимание только одну или несколько сил от ближайших тел и игнорируем все остальные. В случае гравитации, например, мы можем обосновать пренебрежение силами от удаленных тел, поскольку их влияния слабее. (Это не так очевидно, как звучит, поскольку, хотя силы от далеких частиц слабее, имеется намного больше удаленных частиц, чем близких). В любом случае никто никогда не пытается проверить, справедлив ли второй закон Ньютона точно. Мы проверяем только крайние приближения к нему.
Другой большой проблемой с экстраполяцией Ньютоновского понятия 'закон' на всю вселенную является то, что имеется только одна вселенная, но бесконечный выбор начальных условий. Это соответствует бесконечному числу решений уравнений предполагаемого космологического закона - решений, которые описывают бесконечный набор возможных вселенных. Но имеется только одна действительная вселенная.
Сам по себе факт, что закон имеет бесконечное число решений, описывающих бесконечное число возможных историй, заставляет нас заключить, что он предназначен для применения к подсистемам вселенной, которые в природе имеются в гигантском числе версий. Обилие проявлений природы соответствует обилию решений. Так что когда мы применяем закон к малой подсистеме вселенной, свобода установления начальных условий является необходимой частью успеха закона.
К тому же, когда мы применяем закон, который имеет бесконечное число решений, к единственной в своем роде системе, такой как вселенная, мы оставляем многое необъясненным. Свобода выбора начальных условий превращается из полезного качества в обузу, поскольку это означает, что есть существенные вопросы по поводу одной вселенной, на которые теория (которую выражает закон) не дает ответа. Они включают любую особенность вселенной, которая зависит от начальных условий вселенной.
Что мы должны думать по поводу всех других историй, которые тоже являются решениями предполагаемого космологического закона, но которым вселенная не следует? Почему при гигантской расточительности бесконечного числа решений, лишь не более чем одно из них смогло что-нибудь сделать с природой?
к оглавлению
Эти размышления указывают на одно заключение: Мы ошибаемся по поводу того, какой закон природы мог бы быть на космологическом масштабе. Обоснуем:
(1) Утверждение, что закон применим на космологическом масштабе, означает гигантское количество информации по поводу предсказаний, относящихся к несуществующим случаям - то есть, к другим вселенным. Это наводит на мысль, что вселенную может объяснить нечто более слабое, чем закон. Нам не нужно объяснение, настолько экстравагантное, что оно делает предсказания о бесконечном числе случаев, которые никогда не случаются. Достаточно было бы объяснения, которое описывает только то, что на самом деле происходит в нашей единственной вселенной. (2) Обычный вид закона не может объяснить, почему решение, которое описывает нашу вселенную, является тем единственным, которое мы переживаем. (3) Закон не может объяснить сам себя. Он не предлагает ничего рационального в ответ на вопрос, почему действует он, а не некоторый другой закон.
Итак, обычный закон природы, примененный ко вселенной, объясняет одновременно путь к слишком многому и совсем недостаточно.
Единственный способ избежать этих дилемм и парадоксов - попытаться найти методологию, которая бы выходила за пределы Ньютоновской парадигмы, - новую парадигму, применимую к физике на масштабах вселенной. Если мы не согласны допустить конец физики в иррациональности и мистицизме, метод, который являлся основой ее успеха до сегодняшнего дня, должен быть заменен.
Но все аргументы в пользу изгнания времени из физики, приведенные в Части I, базировались на предположении, что Ньютоновская парадигма может быть распространена на вселенную как целое. Если это не так, тогда указанные аргументы в пользу удаления времени, разрушаются. Когда мы отказываемся от Ньютоновской парадигмы, мы должны отказаться и от этих аргументов, и становится возможным поверить в реальность времени.
Можем ли мы сделать что-то лучшее в создании правильной космологической теории, если мы признаем реальность времени? В следующих главах я буду объяснять, почему ответ - да.
