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

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.

к оглавлению

9

Космологический вызов

Величайшие теории физики 20-го столетия - теория относительности, квантовая теория и Стандартная Модель - представляют высочайшие достижения физической науки. Они имеют прекрасные математические выражения, что приводит к точным предсказаниям для экспериментов, которые были подтверждены в большом числе случаев с великой точностью. И тем не менее я только что утверждал, что ничто в русле этих теорий не может служить в качестве фундаментальной теории. В свете их успеха это является смелым заявлением.

Чтобы поддержать данное заявление, я могу указать на особенность, которую разделяют все установленные теории физики и которая делает трудным их распространение на всю вселенную: Каждая теория разделяет мир на две части, одна из которых изменяется во времени, а вторая предполагается фиксированной и неизменной. Первая часть есть подвергаемая изучению система, чьи степени свободы изменяются со временем. Вторая часть есть остальная часть вселенной; мы можем назвать ее фоном.

Вторая часть не может быть описана явно, но может быть обрисована неявно в терминах, которые придают смысл движению, описываемому в

к оглавлению

первой части. Измерение расстояния неявно ссылается на фиксированные точки и линейки, необходимые для измерения этого расстояния; заданное время подразумевает существование часов вне системы, время которой измеряется.

Как мы видели в игре в мяч в Главе 3, положение мяча многозначно за счет ссылки на то, где стоит Дэнни. Движение определяется с использованием часов, которые предполагаются тикающими с постоянным темпом. И Дэнни и его часы находятся вне системы, описываемой конфигурационным пространством, и предполагаются статическими. Без указанных фиксированных точек отсчета мы не могли бы знать, как связать предсказания теории с записями эксперимента.

Разделение мира на динамическую и статическую части есть фикция, но она чрезвычайно успешна, когда применяется к малой части вселенной. Вторая часть, предполагаемая статической, в реальности состоит из других динамических объектов вне анализируемой системы. Игнорируя их динамику и эволюцию, мы создаем рамки, в которых мы открываем простые законы.

Для большинства теорий, за исключением ОТО, фиксированный фон включает геометрию пространства и времени. Он также включает выбор законов, которые предполагаются неизменными. Даже ОТО, которая описывает динамическую геометрию, предполагает другую фиксированную структуру, такую как топология и размерность пространства [1].

Это разделение мира - на динамическую часть и фон, который окружает первую и определяет понятия, в которых мы ее описываем, - способствует гениальности Ньютоновской парадигмы. Но есть также то, что делает парадигму непригодной для применения к целой вселенной.

Проблема, перед которой мы встаем, когда распространяем науку на теорию всей вселенной, заключается в том, что тут не может быть статической части, поскольку все во вселенной изменяется, а за ее пределами нет ничего - ничего, что могло бы послужить фоном, по отношению к которому мы измеряем движение остатка. Изобретение способа преодоления этого барьера можно назвать космологическим вызовом .

Космологический вызов требует от нас формулировки теории, которая может быть содержательно применена к целой вселенной. Это должна быть теория,

к оглавлению

в которой каждое динамическое действующее лицо определено только в терминах других динамических действующих лиц. Такая теория была не нужна и не готовилась для фиксированного фона; мы называем такую теорию фоново-независимой [2].

Теперь мы можем видеть, что космологическая дилемма встроена в структуру Ньютоновской парадигмы, поскольку особые свойства, ответственные за успех малых масштабов, - включая зависимость от фиксированных фонов и тот факт, что один закон имеет бесконечное число решений, - оказываются причиной краха парадигмы как базиса для теории космологии.