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

Нам повезло жить в то время, когда успех физики привел к первым попыткам изучить космологию научным образом. Не удивительно, что одна из реакций на космологическую дилемму заключается в постулировании, что вселенная суть одна из гигантского собрания, поскольку все наши теории могут быть применены только к части невообразимо большей системы. Именно так я понимаю притягательность многочисленных сценариев множественной вселенной.

*

Когда мы проводим эксперимент в лаборатории, мы контролируем начальные условия. Мы меняем их, чтобы проверить гипотезы по поводу законов. Но когда речь идет о космологических наблюдениях, начальные условия были выбраны в ранней вселенной, так что мы должны выдвигать гипотезы о том, какими они были. Итак, чтобы объяснить результат космологического наблюдения с использованием Ньютоновской парадигмы, мы строим две гипотезы: Мы предполагаем, какими были начальные условия и какие законы на них действовали. Это приводит нас к намного более сложной ситуации, чем обычная ситуация физики в ящике, в которой мы используем имеющийся у нас контроль над начальными условиями, чтобы проверить гипотезы о законах.

Тот факт, что мы должны одновременно проверять гипотезы о законах и о начальных условиях, существенно ослабляет нашу способность сделать то и другое хорошо. Если мы делаем предсказание и оно расходится с наблюдениями, имеются два пути исправления нашей теории: Мы можем модифицировать нашу гипотезу о законах или мы можем модифицировать нашу гипотезу о начальных условиях. То и другое может повлиять на результаты эксперимента.

к оглавлению

Это поднимает новую проблему, а именно, как нам узнать, какую из двух гипотез нужно откорректировать? Если наблюдалась малая часть вселенной, вроде звезды или галактики, мы основываем нашу проверку закона на анализе множества случаев. Все они подчиняются одному и тому же закону, так что любое отличие между ними должно быть связано с отличиями в начальных условиях. Но если вопрос касается вселенной, мы не можем различить эффекты изменения гипотез о законе от эффектов изменения гипотез о начальных условиях.

Эта проблема время от времени возникает в космологических исследованиях. Главным тестом для теории ранней вселенной является расчет структур, видимых в космическом микроволновом фоне (КМФ). Это радиация, оставшаяся со времен ранней вселенной, которая дает нам краткую характеристику условий, существовавших примерно через 400 000 лет после Большого Взрыва. Одним из глубоко исследованных предположений является космологическая инфляция, которая постулирует, что очень рано в своей истории вселенная испытала гигантское и быстрое расширение. Это растянуло и уменьшило любые из ее начальных особенностей, какими бы они ни были, и привело к большой, относительно лишенной характерных черт вселенной, которую мы наблюдаем. Инфляция также предсказывает структуры в КМФ, очень похожие на те, которые видны в наблюдениях.

Несколько лет назад наблюдатели сообщили о подтверждении новых особенностей в микроволновом фоне, а именно - негауссовости, что не предсказывалось обычной теорией инфляции [3]. (Не имеет значения, что такое негауссовость; все, что нам необходимо знать об этой истории, что это структура, которая может наблюдаться в КМФ и которая не должна возникать по предсказаниям стандартной теории инфляции). У нас есть две возможности для объяснения новых наблюдений: Мы можем модифицировать теорию или мы можем модифицировать начальные условия.

Теория инфляции согласуется с Ньютоновской парадигмой, так что ее предсказания зависят от начальных условий, на которые действуют законы. В течение дней с момента публикации первой статьи, представившей свидетельства негауссовости, появились статьи, пытающиеся объяснить наблюдения. Одни модифицировали законы, другие модифицировали начальные условия. Обе стратегии преуспели в объяснении задним числом заявленных наблюдений - действительно, любая стратегия может работать, если ответ уже известен [4]. Как обычно бывает на передовом рубеже наблюдательной науки, дальнейшие наблюдения не подтвердили

к оглавлению

начальные утверждения. Как об этом пишут, мы все еще не знаем, есть ли на самом деле негауссовость в КМФ [5].

Это пример случая, в котором имеются два различных способа подгонки теории под данные. Если мы рассматриваем ситуацию, что законы и начальные условия описываются некоторыми параметрами, имеются две отдельные подгонки параметров под наблюдаемые данные. Наблюдатели называют этот вид ситуации вырождением . Обычно, если имеет место вырождение, мы делаем дополнительные наблюдения, чтобы различить, какая подгонка корректна. Но в случае, подобном КМФ, который является следом события, произошедшего лишь однажды, мы можем никогда не суметь разрешить ситуацию вырождения. Специально задавая пределы того, насколько хорошо мы можем измерять КМФ, возможно, что мы не сможем отвязать объяснение, базирующееся на модификации законов, от объяснения, базирующегося на модификации начальных условий [6]. Но без способности отделить роль законов от роли начальных условий Ньютоновская парадигма теряет свою мощь в объяснении причин физических явлений.

*

Мы готовы поменять ожидания, которые руководили физикой со времен Ньютона до совсем недавних времен. Некогда мы думали о теориях типа механики Ньютона или квантовой механики как о кандидатах на фундаментальную теорию, которая - если она успешна - могла бы быть совершенным зеркалом естественного мира в том смысле, что любая вещь, справедливая в отношении природы, отражалась бы в математическом факте, справедливом в отношении теории. Сама структура Ньютоновской парадигмы, основанная на вневременных законах, действующих на вневременном конфигурационном пространстве, мыслилась достаточной для этого зеркального отображения. Я предполагаю, что это стремление было метафизической фантазией, гарантированно приводящей к вышеупомянутой дилемме и путанице, как только мы пытаемся применить парадигму к целой вселенной. Это положение требует переоценки статуса теорий в рамках Ньютоновской парадигмы - от статуса кандидатов на фундаментальные теории к статусу приблизительных описаний малых подсистем вселенной. Это переоценка, которая уже имела место среди физиков и состояла в двух связанных изменениях во взглядах:

к оглавлению

(1) Все теории, с которыми мы работаем, включая Стандартную Модель Физики Частиц и ОТО, являются приблизительными теориями, применимыми к отдельным срезам природы, которые включают в себя только ограниченный набор степеней свободы во вселенной. Мы называем такую приблизительную теорию эффективной теорией . (2) Во всех наших экспериментах и наблюдениях, касающихся отдельных срезов природы, мы записываем величины ограниченного набора степеней свободы и игнорируем все остальное. Итоговые записи сравниваются с предсказаниями эффективных теорий.