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

• Название: Ли Смолин. Возрожденное время: От кризиса в физике к будущему вселенной
• Автор: Юрий Артамонов
• Жанр: Современная проза

════Реально ли время? Релятивистский и квантовый полюса современной физики свидетельствуют, что нет, и время является иллюзией. Будущее с точки зрения законов физики фундаментально не отличается от прошлого и полностью определено этими законами и начальными условиями вселенной. Однако, иллюзорность времени приводит к ряду парадоксов и вопросов, на которые нет ответа или приходится отвечать так, что остается неудовлетворенность и чувство тупика. Пример: почему мы имеем те законы, которые имеем? Доминирующая сейчас космологическая парадигма ссылается на теории мультивселенной и антропный принцип, что принципиально не проверяемо и не дает предсказаний наблюдаемых явлений.

════Американский физик-теоретик Ли Смолин в своей четвертой книге "Возрожденное время" утверждает, что есть иной выход. Все обоснования иллюзорности времени опровергаемы. Признание реальности времени открывает ряд новых интригующих возможностей. Например, что законы природы эволюционируют в этом реальном времени и могут быть объяснены своей историей. Или что можно обойти конфликт между объяснением квантовых явлений через скрытые переменные (неизбежно нелокальным) и принципом относительности.

════ Книга программная и вводная, она анонсирует строгий натурфилософский труд по вопросу реальности времени и эволюции законов, который пишется сейчас Смолином вместе с бразильским философом Роберто Унгером. Будет крайне интересно проследить за развитием объявленных идей.

---

    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.

    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.  

    Так что успех физики до сегодняшнего дня всецело основан на изучении срезов природы, которые моделировались эффективными теориями. Искусство изучения физики на экспериментальном уровне всегда заключалось в построении эксперимента, когда изолировалось и изучалось несколько степеней свободы и игнорировалось все остальное во вселенной. Методологии теоретиков нацеливались на изобретение эффективных теорий для моделирования срезов природы, которые изучали экспериментаторы. Никогда в истории физики мы не были в состоянии сравнить предсказания кандидата на по-настоящему фундаментальную теорию - под которой я понимаю теорию, которая не может быть понята как эффективная теория, - с экспериментом.

    Позвольте мне объяснить указанные позиции подробнее:

    Экспериментальная физика является изучением срезов природы.

    Подсистема вселенной, моделируемая так, как если бы она была единственной вещью во вселенной, пренебрегая всем за пределами этой подсистемы, называется изолированной системой. Но мы никогда не должны забывать, что изоляция от целого никогда не бывает полной. Как отмечалось, в реальном мире всегда имеются взаимодействия между любой подсистемой, которую мы можем определить, и вещами за ее пределами. В той или иной степени подсистемы вселенной всегда являются тем, что физики называют открытыми системами. Это ограниченные системы, которые взаимодействуют с вещами, находящимися за пределами их границ. Так что когда мы делаем физику в ящике, мы аппроксимируем открытую систему изолированной системой.