Юрий Артамонов - Ли Смолин. Возрожденное время: От кризиса в физике к будущему вселенной

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.

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.