Юрий Артамонов - Ли Смолин. Возрожденное время: От кризиса в физике к будущему вселенной
Чтобы объединить все, что может посягнуть на нашу лабораторию извне, потребовалась бы модель всей вселенной. Мы не можем делать физику, не исключая все указанные возможности из моделей и расчетов. Кроме того, исключать их, в принципе, означает основывать нашу физику на аппроксимациях.
Эффективные, но приблизительные теории.
Все главные теории физики есть модели отдельных срезов природы, произведенных экспериментаторами. Они могут представляться как фундаментальные теории, когда они изобретались, но со временем теоретики пришли к пониманию, что они суть эффективные описания ограниченного числа степеней свободы.
Физика частиц обеспечивает хороший пример роли эффективных
к оглавлению
теорий. Эксперименты до сегодняшнего дня изучали фундаментальную физику только вплоть до определенного масштаба длин вниз. На сегодня это около 10-17 сантиметров; зондирование этого расстояния начато на Большом Адронном Коллайдере в ЦЕРНе. Это означает, что Стандартная Модель Физики Частиц, которая до сих пор согласуется со всеми известными экспериментами, должна рассматриваться как аппроксимация (сверх того факта, что она ничего не говорит по поводу гравитации). Она игнорирует неизвестные на сегодня явления, которые могут появиться, когда мы сможем прозондировать более короткие расстояния.
В квантовой физике вследствие принципа неопределенности имеется обратная зависимость между масштабом длины и энергией. Чтобы прозондировать определенный масштаб длин, нам нужны частицы или излучение не менее чем определенной энергии. Чтобы подойти к более коротким расстояниям, нам нужны высокоэнергетические частицы. Так что наименьший предел шкалы длин, который мы можем достигнуть, базируется на верхнем пределе энергий наблюдаемых нами процессов. Но поскольку энергия и масса одно и то же (в соответствии с СТО), это означает, что если мы исследовали только энергии до определенного масштаба, мы могли бы проигнорировать частицы, слишком массивные, чтобы они могли быть до сих пор созданными в наших коллайдерных экспериментах. Потерянные явления могли бы включать не только новые виды элементарных частиц, но также и прежде неизвестные силы. Или могло бы оказаться, что базовые принципы квантовой механики не верны и требуют модификации до точного описания феноменов, скрытых при более коротких длинах и высоких энергиях.
Из-за этих проблем мы говорим о Стандартной Модели как об эффективной теории, одной из теорий, совместимых с экспериментом, но применимой только в пределах определенной области.
Понятие эффективных теорий ниспровергает некоторые поношенные понятия, такие как банальность, что простота и красота являются отличительными признаками истины. Поскольку мы не знаем, что могло бы скрываться при более высоких энергиях, многие гипотезы физики за пределами их области определения согласуются с той или иной эффективной теорией. Так что эти эффективные теории имеют внутреннюю простоту, поскольку они должны быть согласованы с простейшим и наиболее элегантным путем, которым они могли бы быть расширены на неизвестные области. Большая часть элегантности ОТО и Стандартной Модели объясняется пониманием их как эффективных теорий. Их красота является следствием их свойства быть эффективными и приблизительными. Тогда
к оглавлению
простота и красота являются не признаками истины, а признаками хорошо сконструированной приблизительной модели для ограниченной области явлений [9].
Понятие эффективной теории представляет вызревание профессии теории элементарных частиц. Наши юные романтические личности мечтали, что мы имеем фундаментальные законы природы в наших руках. После нескольких десятилетий работы со Стандартной Моделью мы теперь более уверены, что она корректна в пределах ограниченной области, в которой она проверена, и одновременно менее уверены в ее расширяемости за пределы этой области. Не похоже ли это сильно на реальную жизнь? По мере того, как мы становимся старше, мы копим уверенность в том, что мы реально знаем, и одновременно находим, что все легче игнорировать то, чего мы не знаем.
Это может показаться разочаровывающим. Физика предполагается существующей для открытия фундаментальных законов природы. Эффективная теория по определению не такая. Если у вас слишком наивный взгляд на науку, вы можете думать, что теория не может одновременно соответствовать всем уже проведенным экспериментам и рассматриваться, в лучшем случае, как приближение к истине. Концепция эффективной теории важна, поскольку она выражает это тонкое различие.
Это также показывает, как мы понимаем прогресс в физике элементарных частиц. Это говорит нам, что физика есть процесс конструирования все лучших и лучших приблизительных теорий. Когда мы продвигаем наши эксперименты к более коротким расстояниям и более высоким энергиям, мы можем открыть новые явления, и, если это удалось, нам понадобится новая модель, чтобы к ним приспособиться. Точно так же, как Стандартная Модель, это будет эффективная теория, хотя и применимая в более широкой области.
Понятие эффективной теории подразумевает, что прогресс в физике влечет за собой революции, которые полностью меняют концептуальную базу нашего понимания природы, хотя и сохраняют успех более ранних теорий. Ньютоновская физика может быть рассмотрена как эффективная теория, применимая к области, в которой скорость существенно меньше скорости света и могут игнорироваться квантовые эффекты. В пределах этой области она остается эффективной, как всегда и была.
ОТО это другой пример теории, которая однажды была кандидатом на фундаментальное описание природы, но которая теперь понимается как эффективная теория. С одной стороны, она не принимает во внимание
к оглавлению
область квантовых явлений. ОТО, в лучшем случае, является приближением к объединенной квантовой теории природы и может быть получена как усечение этой более фундаментальной теории.
Квантовая механика тоже является, вероятно, приближением к более фундаментальной теории. Одним из признаков этого является факт, что ее уравнения линейны - что означает, эффекты всегда прямо пропорциональны своим причинам. В любых других примерах, когда в физике используются линейные уравнения, известно, что теория появляется как аппроксимация к более фундаментальной (но все еще эффективной) теории, которая нелинейна (в том смысле, что эффекты могут быть пропорциональны более высоким степеням причин), и лучшей ставкой будет то, что это окажется верным и для квантовой механики тоже.
Является фактом, что каждая теория, которую мы до сих пор использовали в физике, была эффективной теорией. Будет отрезвляющим понять, что частью стоимости их успеха было осознание того, что они суть аппроксимации.
Мы все еще можем вынашивать амбиции по поводу изобретения фундаментальной теории, которая описывает природу без аппроксимаций. И логика, и история говорят нам, что это невозможно, пока мы придерживаемся Ньютоновской парадигмы. Так что столь замечательные теории, как Ньютоновская физика, ОТО, квантовая механика и Стандартная Модель, не могут быть шаблоном для фундаментальной космологической теории. Единственно возможный путь к такой теории заключается в том, чтобы обсуждать космологический вызов и разрабатывать теорию, не основанную на Ньютоновской парадигме, теорию, которая могла бы быть применена к целой вселенной без аппроксимаций.
к оглавлению
10
Принципы новой космологии
Теперь мы начинаем поиск теории, которая действительно может быть теорией целой вселенной. Такая теория должна избежать космологической дилеммы, а также она должны быть фоново-независимой - не предполагать деления мира на две части, одна из которых содержит динамические переменные, которые эволюционируют, а другая содержит фиксированные структуры, обеспечивающие фон, чтобы придать смысл эволюционирующей части. Все, что утверждает теория, это что часть реальности должна определяться ее взаимосвязями с остатком реальности, что в известном смысле превращает его в субъект изменений.
Что мы должны требовать от правильной космологической теории?
- Любая новая теория должна содержать то, что мы уже знаем о природе. Нам нужно, чтобы текущие теории - Стандартная Модель Физики Частиц, ОТО и квантовая механика - возникали как приближения к неизвестной космологической теории всякий раз, когда мы ограничиваем наше внимание масштабами расстояний и времени, меньшими, чем космические. - Новая теория должна быть научной. Настоящие объяснения показывают
