Юрий Артамонов - Ли Смолин. Возрожденное время: От кризиса в физике к будущему вселенной
к оглавлению - Она должна решать проблему начальных условий. - Она не должна постулировать ни симметрий, ни законов сохранения. - Она должна быть замкнутой с причинной и объяснительной точек зрения. Ничто за пределами вселенной не должно быть необходимым, чтобы объяснить любую вещь внутри вселенной. - Она должна удовлетворять принципу достаточного обоснования, принципу отсутствия действия без взаимности и принципу идентичности неразличимых. - Ее физические переменные должны описывать эволюционирующие взаимосвязи между динамическими объектами. Не должно быть фоново-зависимых структур, в том числе фиксированных законов природы. Отсюда законы природы развиваются, что подразумевает реальность времени.
Принципы хороши, но на деле нам нужны гипотезы, приводящие к теориям, которые делают проверяемые предсказания. В следующих нескольких главах я опишу некоторые примеры гипотез и теорий, которые реализуют эти принципы, и мы увидим, что эти принципы действительно ведут к проверяемым гипотезам.
к оглавлению
11
Эволюция законов
Главное послание Части II до сих пор заключалось в том, что для прогресса космологии физика должна отказаться от идеи, что законы не зависят от времени, и принять вместо этого идею, что они эволюционируют в реальном времени. Этот переход необходим, так что мы можем достичь космологической теории - той, которая объясняет выбор законов и начальных условий, - которая проверяема и даже уязвима для фальсификации через выполнимые эксперименты. Сделав (я надеюсь) это дело в принципе, я продемонстрирую в данной главе объяснение и предсказание наблюдаемых результатов с помощью сравнения применимости двух теорий, одной вневременной и одной с эволюционирующими законами.
Теория, в которой законы эволюционируют, называется космологический естественный отбор, который я разработал в конце 1980-х и опубликовал в 1992 [1]. В этой статье я сделал два предсказания, которые могли бы быть фальсифицированы в течение двух десятилетий с того момента, но не были. Конечно, это не доказывает, что теория корректна, но, по меньшей мере, я показал, что теория эволюционирующих законов может объяснить и предсказать реальные черты нашего мира.
Для примера вневременной теории я возьму версию сценария множественных вселенных, названную вечная инфляция, предложенную в 1980-х Александром
к оглавлению
Виленкиным и Андреем Линде и с тех пор широко изученную [2]. Вечная инфляция бывает в разных формах, отражающих факт, что некоторые из ее гипотез регулируются. Чтобы рассмотреть мой вопрос, я выбрал одну простую форму, которая лучше всего соответствует слову 'вечная', поскольку она дает не зависящую от времени картину мультивселенной. Имеются и другие версии инфляционных мультивселенных, в которых время играет более существенную роль, и в той степени, в какой они включают подлинное понятие эволюционирующих законов, они разделяют некоторые аспекты космологического естественного отбора.
Одна из причин, по которой космологические сценарии с эволюционирующими законами преуспевают в выдаче реальных предсказаний, состоит в том, что они не полагаются на антропный принцип - который устанавливает, что мы можем жить только во вселенной, чьи законы и начальные условия создали благоприятный для жизни космос, - чтобы соединить мультивселенную со вселенной, которую мы наблюдаем. Одной из задач этой главы является опровержение утверждения, что антропный принцип может играть роль в создании предсказательной теории.
Космологический естественный отбор был темой моей первой книги, Жизнь Космоса, так что я опишу его только в тех деталях, которые достаточны для прояснения вопроса, почему эволюция законов во времени приводит к их фальсифицируемому объяснению [3].
Основной гипотезой космологического естественного отбора является то, что вселенные воспроизводятся через создание новых вселенных внутри черных дыр. Наша вселенная, таким образом, суть отпрыск другой вселенной, родившийся в одной из черных дыр последней, и каждая черная дыра в нашей вселенной есть семя новой вселенной. В рамках этого сценария мы можем применить принципы естественного отбора. Механизм естественного отбора, который я использую, базируется на методах популяционной биологии, служащих для объяснения, как могут быть выбраны некоторые управляющие системой параметры, что делает ее более сложной, чем она могла бы быть в ином случае. Применение естественного отбора для объяснения сложности системы требует следующего:
- Пространство параметров, которые меняются среди популяции. В биологии этими параметрами являются гены. В физике это константы Стандартной Модели, включая массы различных элементарных частиц и интенсивности основных сил. Эти
к оглавлению параметры формируют разновидность конфигурационного пространства для законов природы - пространство, названное ландшафтом теорий (термин заимствован из популяционной биологии, где пространство генов названо ландшафтом приспособленности). - Механизм воспроизводства. Я перенял старую идею, предложенную мне моим наставником Брюсом ДеВиттом после защиты докторской, которая заключается в том, что черные дыры приводят к рождению новых вселенных. Это является следствием гипотезы, что квантовая гравитация устраняет сингулярности, где время начинается и заканчивается - гипотезы, для которой имеются хорошие теоретические основания. Наша вселенная имеет огромное количество черных дыр, по меньшей мере, миллиард миллиардов, что означает очень большую популяцию потомков. Мы можем предположить, что наша вселенная сама является частью линии поколений, простирающейся далеко в прошлое. - Изменчивость. Естественный отбор работает частично, поскольку гены хаотически мутируют или рекомбинируют во время воспроизводства, так что геномы потомков отличаются от генома любого из родителей. Аналогично мы можем предположить, что всякий раз, когда рождается новая вселенная, имеется небольшое хаотическое изменение в параметрах законов. Так что мы можем отметить на ландшафте точку, соответствующую величинам параметров этой вселенной. Результатом является гигантская и растущая коллекция точек на ландшафте, представляющих вариации параметров законов по мультивселенной. - Различия в приспособленности. В популяционной биологии приспособленность индивидуума есть мера его репродуктивной успешности - то есть, насколько много он производит потомков, которые процветают достаточно долго, чтобы иметь своих собственных детей. Приспособленность вселенной тогда есть мера того, насколько много она рождает черных дыр. Число оказывается чувствительно зависящим от параметров. Не так легко сделать черную дыру; по этой причине многие параметры приводят к вселенным, которые вообще не имеют черных дыр. Немного параметров приводят к вселенным, которые имеют очень много черных дыр. Эти вселенные занимают очень малую область в пространстве параметров. Мы будем предполагать, что эти крайне плодородные области в пространстве параметров представляют собой острова, окруженные намного менее плодородными областями. - Типичность. Мы также предположим, что наша собственная вселенная является типичным
к оглавлению представителем популяции вселенных и что эта популяция возникла после многих поколений. Тогда мы можем предсказать, что любые свойства, разделяемые большинством вселенных, являются свойствами нашей собственной вселенной [4].
Сила естественного отбора как методологии в том, что из этих минимальных допущений могут быть выведены строгие заключения. Основное следствие в том, что после многих поколений большинство вселенных будут иметь параметры внутри областей с высшим плодородием. Следовательно, если мы изменим параметры типичной вселенной, результатом, вероятнее всего, будет вселенная, которая формирует намного меньше черных дыр. Поскольку наша вселенная типична, это должно быть верно и для нашей вселенной.
Это предсказание, которое может быть косвенно проверено. Мы уже знаем, что многие способы изменения параметров Стандартной Модели приводят к вселенным без долгоживущих звезд, необходимых для производства углерода и кислорода. И, что замечательно, углерод и кислород необходимы для охлаждения газовых облаков, в которых формируются массивные звезды, которые порождают черные дыры. Другие пути изменения параметров ослабляют сверхновые, которые не только приводят к черным дырам, но и выбрасывают энергию в межзвездную среду - энергию, которая управляет коллапсом облаков, а значит, формирует новые массивные звезды. Мы уже знаем, по меньшей мере, восемь способов слегка изменить параметры Стандартной Модели, что могло бы привести к вселенным с меньшим количеством черных дыр [5].
