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

Так что в природе не может быть фундаментальных симметрий. Симметрия есть преобразование физической системы, которое меняет местами ее части, в то же время оставляя теми же все ее физически наблюдаемые величины [2]. Пример симметрии Ньютоновской физики есть трансляция подсистемы из одного места в пространстве в другое. Поскольку законы физики не зависят от того, где система находится в пространстве, предсказания будут неизменными, если лаборатория - и все, что может оказывать воздействие на экспериментальные результаты, - переместилась на шесть футов влево. Мы констатируем независимость экспериментальных результатов от положения в пространстве, говоря, что физика инвариантна относительно трансляции системы в пространстве.

Симметрии присущи всем известным нам физическим теориям. Некоторые из наиболее полезных орудий в инструментарии физиков используют наличие симметрий. Однако, если принципы Лейбница справедливы, симметрии не должны быть фундаментальными.

Симметрии возникают из акта трактовки подсистемы вселенной, как если бы она была единственной существующей вещью. Это только потому, что мы игнорируем взаимодействия между остальной вселенной и атомами в нашей лаборатории, так что не имеет значения, двигаем ли мы лабораторию в пространстве. Это также объясняет, почему не имеет значения, вращаем ли мы изучаемую нами подсистему. Не имеет значения, поскольку мы игнорируем взаимодействия

к оглавлению

между этой подсистемой и остатком вселенной. Если мы приняли эти взаимодействия во внимание, определенно вращение подсистемы стало бы иметь значение.

Но что если сама вселенная транслируется или вращается? Нет ли тут симметрии? Нет, поскольку не меняется ни одно относительное положение внутри вселенной. С реляционистской точки зрения не имеет смысла транслировать или вращать вселенную. Симметрии, такие как трансляции и вращения, тогда не являются фундаментальными; они возникают из разделения мира на две части, как это описывалось в предыдущей главе. Эти и другие симметрии являются свойством только приблизительных законов, применяемых к подсистемам вселенной.

Это имеет ошеломляющее следствие: Если эти симметрии приблизительны, тогда такими же являются законы сохранения энергии, импульса и момента импульса. Эти базовые законы сохранения зависят от допущения, что пространство и время симметричны относительно трансляций во времени, трансляций в пространстве и вращений. Связь между симметриями и законами сохранения является содержанием основополагающей теоремы, доказанной в начале 20-го столетия математиком Эмми Нётер [3]. Я не хочу пытаться объяснить здесь ее доводы, но ее теорема является одной из опор физики и заслуживает б о льшей известности.

Итак, неизвестная космологическая теория не будет иметь ни симметрий, ни законов сохранения [4]. Некоторые специализирующиеся на частицах физики, находясь под впечатлением успеха Стандартной Модели, решили сказать, что чем более фундаментальной является теория, тем больше симметрии одна должна иметь. Это точно неверный урок, который можно извлечь [5].

*

Мы подошли теперь к самому важному вопросу по поводу неизвестной космологической теории: Что она должна сказать о природе времени? Будет ли время ликвидировано, как в ОТО Эйнштейна? Исчезнет ли время, и будет возникать только когда необходимо, как в квантовой космологии Барбура? Или время будет играть существенную роль в отличие от любой из теорий со времен Ньютона?

Я уверен, что время необходимо для любой теории, которая отвечает на вопрос Почему

к оглавлению

такие законы ? Если законы должны быть объяснены, они должны развиваться. Это обсуждалось Чарльзом Сандерсом Пирсом, которого я цитировал во Введении. Посмотрим на эту цитату еще раз, чтобы вычленить приведенный им довод. Он начинает: 'Допускать, что универсальные законы природы поддаются постижению умом, и все еще не иметь обоснования для их особых форм, просто констатируя необъяснимость и иррациональность, едва ли является позволительной позицией'.

Мы можем понимать это как изложение принципа достаточного обоснования Лейбница: Мы должны быть в состоянии сказать, почему законами являются открытые нами законы природы, а не какие-то другие. Пирс еще раз подчеркнул это в следующих двух предложениях: 'Единообразие есть в точности тот сорт фактов, которые должны быть вычисленными. ... Закон поистине есть вещь, которая ожидает обоснования'.

Это изложение вопроса Почему эти законы? . Факты о мире должны быть объяснены, а более всего требует объяснения факт, почему мы наблюдаем, что в нашей вселенной удерживаются конкретные законы.

Далее он утверждает, что 'единственно возможный путь вычисления для законов природы и для единообразия в целом - предположить их результатом эволюции'. Это сильное заявление. Пирс не приводит аргументов в пользу своего заключения, что законы должны развиваться; он просто утверждает, что это 'единственно возможное' решение вопроса Почему эти законы ? Я не знаю, приводил ли он когда-либо и где-либо в своих многочисленных рукописях и записных книжках доводы к своему заключению. Но вот один из доводов, который он мог бы сделать.

Наша задача объяснить, почему объект - в данном случае, вселенная - имеет особое свойство, а именно, что элементарные частицы и силы взаимодействуют посредством процессов, описываемых Стандартной Моделью Физики Частиц. Проблема манящая, поскольку мы знаем, что Стандартная Модель со своими особыми параметрами есть только один из гигантского числа возможных выборов законов природы. Так как же нам объяснить, почему объект имеет особые свойства из огромного набора возможных альтернатив?

Поскольку альтернатив много, мы не видим принципа, устанавливающего точные законы. Если нет необходимого обоснования для выбора, то должно быть некоторое обоснование, почему не хватает логической необходимости. Это могут быть

к оглавлению

или могли бы быть случаи, в которых выбор был сделан по-разному. Как нам объяснить, как был сделан выбор в случае нашей вселенной?

Если на самом деле имеется только один случай, никогда не будет достаточного объяснения, потому что в силу самого факта не существует логического принципа, который определил бы выбор. Достаточное объяснение требует, чтобы были другие вселенные, с самого начала обеспеченные законами. Что означает, должно было быть более чем одно событие, подобное нашему Большому Взрыву, в котором были выбраны законы природы. (Для простоты мы предполагаем, что законы выбраны при таком драматическом событии как наш Большой Взрыв; мы, безусловно, не имеем подтверждений, что законы природы с тех пор изменились).