Главная
Главная
О журнале
О журнале
Архив
Архив
Авторы
Авторы
Контакты
Контакты
Поиск
Поиск
Активизм и политика: корректировать или менять Систему?
Статья об общественно-политической ситуации в обществе, оценке протестных движен...
№13
(366)
01.11.2019
Естествознание
Физика в поисках эффективной теории
(№13 [366] 01.11.2019)
Автор: Александр Винничук
Александр Винничук

Эволюция взглядов на происхождение вселенной: от простейших законов к Мультиверсу и модельно-зависимому реализму

      Научный взгляд на устройство окружающего мира стремительно меняется. Первая половина 20 века принесла человечеству существенные открытия — в изучении радиоактивности, относительности времени, квантовой теории и Большого взрыва. Но изменения, произошедшие в научной картине мира за последние 50 лет, не менее драматичные, чем слом физической парадигмы в начале 20 века. М-теория, которая является лучшим кандидатом на создание полной теории Всего, допускает очень большое количество возможных историй для нашей Вселенной. Большинство из этих историй совершенно не подходят для развития разумной жизни наподобие человеческой. Либо они пусты, либо время их существования слишком короткое, либо пространство в них сильно изогнуто, либо эти миры неподходящи как-то по-другому. Антропный принцип гласит, что Вселенная должна быть более или менее такой, какой мы ее видим, потому что, если бы она была другой, то в ней не было бы никого, кто мог бы ее наблюдать.

     Таким образом, сам факт того, что мы существуем как существа, которые могут задать вопрос «Почему Вселенная такая, какая она есть?» является скорее граничными условиями для истории той конкретной Вселенной, в которой мы живем. Об этих граничных условиях и пойдет речь. 

    Если в нашей Вселенной человек существует, это значит, что из всех возможных наборов законов и историй приходится выбирать те, которые допускают наше существование. Многим ученым не нравится антропный принцип, потому что он кажется немного большим, чем простое сотрясание воздуха, и этот принцип не обладает большой предсказательной силой. Антропному принципу можно дать и более точную формулировку, но пока он схож с различными телеологическими объяснениями: космос направленно стремится к появлению человека. Однако современная научная картина мира не предполагает наличия такой предзаданной цели. Человек в этой картине мира – существо случайное и произвольное. С изрядной долей вероятности его могло бы вообще не быть. 

    В геноме человека около 26000 активных генов. Каждый из них имеет по меньшей мере два варианта, или аллеля. Значит, число генетически различных индивидов, которое может кодировать геном, составляет 2 в степени 26000, что примерно равно единице с десятью тысячами нулей – столько потенциальных индивидов позволяет структура нашей ДНК. Предполагают, что около ста миллиардов людей родились с тех пор, как возник наш вид. Это означает, что доля рождённых генетически возможных индивидов составляет меньше, чем 0,0…01 (на месте многоточия 9998 нулей).  Подавляющее большинство генетически возможных индивидов остаются нерожденными. В какой фантастической лотерее, как назвал её Ричард Докинз, человеку повезло выиграть, чтобы появиться на свет! Вот уж случайность в высшей степени.

     Существует, правда, точка зрения, по которой эволюция сознательной жизни обусловлена подходящими мутациями, происходившими в различное время. Предположительно это были квантовые события, поэтому они могли бы существовать только в виде линейной суперпозиции до тех пор, пока не довели эволюцию до мыслящих существ. Но могут ли это быть просто совпадения, или же природа в своем развитии подчиняется не зависящим от места и времени правилам? Наука изучает эти правила, выводя из регулярных наблюдений за окружающей действительностью законы природы. Первым, кто четко и строго сформулировал понятие законов природы в нашем нынешнем представлении, стал французский ученый Рене Декарт.

    Декарт полагал, что все физические явления следует объяснять в терминах столкновения движущихся масс, управляемых тремя законами — предтечами знаменитых ньютоновских положений. Он утверждал, что законы природы действуют всегда и везде, и подчинение им не предполагает наличия разума у этих движущихся масс.

    Научная картина мира — это взаимосвязанная система законов. Основные «философские» вопросы науки: 

1. Существует ли первоисточник законов природы? 

2. Существуют ли исключения из законов и насколько велика их роль? 

3. Единственный ли это комплект законов, или возможна Вселенная с иными законами или даже с отсутствием таковых? 

     Первые два вопроса не взаимообусловлены: существование Бога возможно и без чудес – деистический Бог Ньютона похож на часовщика, подкручивающего механизм вселенной. 

В современной науке законы природы выражаются математически, они должны основываться на проведенных наблюдениях и неукоснительно соблюдаться при оговоренном перечне условий. Закон не только описывает реальность, но и позволяет делать прогноз. Если прогноз опровергается, то пересматривается и закон. 

     С момента, как люди обнаружили цикличность лунных затмений и перестали объяснять их прихотью богов, можно говорить о зарождении науки. Вопрос о законах тесно связан с вопросом происхождения нашей Вселенной. Древние греки предполагали происхождение мира из первостихии — воды, воздуха, огня или эфира. Из этих идей и развивается в итоге гениальная догадка Демокрита об атомах. Собственно физических законов греки открыли немного: физический закон опирается на результаты наблюдений и устанавливает постоянную связь явлений. Таковы теория Пифагора о связи между длиной струны и высотой звука и три закона Архимеда — правило рычага, закон плавучести и равенства углов падения и отражения. В основном греков интересовало не «как», а «почему»: не владея научным методом и не придавая ценности эксперименту, они искали умозрительные принципы. Поэтому исторически способ рассуждения о мире идет от вопросов «почему?» к вопросам «как?». Это путь современной науки. 

      Другой способ мышления лежит в противоположном направлении. Допустим, вы заметили особое свойство, выделяющее этот мир из всех возможных реальностей. И вы считаете, что эта особенность строения мира («как?») способна дать ключ к причине его существования («почему?»). Так  можно рассмотреть всевозможные варианты устройства реальности. Один из них – наша Вселенная, которая появилась 15 миллиардов лет назад в результате Большого взрыва. Однако реальность может включать в себя и другие миры, существующие параллельно нашему, даже если мы не имеем к ним прямого доступа. Эти миры могут отличаться в каких-то важных чертах: в своей истории, в управляющих ими законах, в природе составляющего их вещества. Подобный метод исповедует современный оксфордский философ Дерек Парфит.

    Мощное влияние на развитие европейской науки оказал Аристотель, строивший физику на интеллектуальных и эстетических принципах: началом в его концепции выступал Перводвигатель, светила двигались по круговым орбитам, тела «предпочитали» состояние покоя, а если падали на Землю, то с постоянной скоростью. Поскольку это противоречило наблюдениям, Аристотель объяснил ускорение при сближении с Землей «ликованием» вещества. Чувства и разум приписывались объектам и много позднее: даже в XVII веке Кеплер утверждал, что планеты сознательно исполняют предписанные им законы движения. 

     На основании геометрических вычислений Аристарх из Самоса установил, что Солнце намного больше Земли, а потому предположил, что Земля вращается вокруг Солнца. Звезды были тоже далекие солнца. К этой теории вернулись лишь в XVII веке: Кеплер, Коперник и Галилей в результате наблюдений заложили основы научной физики и астрономии. Галилей проводил эксперименты с падающими предметами и видел задачу науки в установлении количественных связей между явлениями. Но окончательный облик классическая картина мира принимает в трех законах Ньютона: 

  1.  Покой лишь частный случай равномерного движения.

  2.   Ускорение объясняется воздействием силы.

  3. Действие силы равно противодействию.

    Эти три закона описывают огромное количество явлений видимого мира, постоянно корректируются и дополняются последующими открытиями. Классическая физика достигает высшей точки, и же сразу обнажаются её будущие проблемы. Бог в этой картине удерживается лишь волей Ньютона: через сто лет Лаплас произносит знаменитое «Государь, я не нуждаюсь в этой гипотезе». Лаплас формулирует принцип научного детерминизма: для данного состояния Вселенной в конкретный момент времени существует комплект законов, позволяющий полностью определить как будущее, так и прошлое её состояния. Но без гипотезы Бога система законов нуждается в постоянной коррекции в связи с новыми физическими открытиями, и это уже нельзя препоручить «часовщику». 

    Ньютон понял: движение звезд и планет обусловлено тем, что все тела притягиваются друг к другу. И притягиваются тем сильнее, чем больше их массы и чем меньше расстояние между ними. Эти выводы он оформил в закон всемирного тяготения. Теория Ньютона никак не объясняет данное явление, поэтому этим и занялся Эйнштейн. Он пришёл к выводу, что чем больше масса тела, тем сильнее оно искажает само пространство-время. Возьмите увесистый шар и положите его на упругую поверхность, например, на кровать, и вы сможете наблюдать, как ткань под шаром прогнулась. Суть притяжения – скатывание тел в такие ямки.

    В классической картине мира оставалась неразгаданной и загадка света. Скорость света впервые измерил Оле Рёмер за 11 лет до публикации «Начал» Ньютона. Сам Ньютон понимал свет как поток частиц, и некоторые его опыты этому соответствовали, а другие — противоречили. Кроме того, движение этих частиц невозможно было объяснить гравитацией. Ответ нашел лишь в 1865 году Максвелл, описав свет как частный случай электромагнитных волн: эти возмущения поля движутся во все стороны с постоянной скоростью. 

Здесь для классической теории возникли две неразрешимые проблемы:

1. Как свет может вести себя как частица и как волна? 

2. Относительно чего свет распространяется с постоянной скоростью и почему она не меняется при сближении? 

    Из первого вопроса развилась квантовая механика и физика субатомных частиц, где действуют чуждые миру Ньютона принципы дуальности (дополнительности) и неопределенности. Из второго —  выросла теория относительности. Максвелл пытался снять парадокс, предположив существование повсюду в мире эфира, относительно которого свет и движется с постоянной скоростью. Но в 1887 г. опыт Майкельсона-Морли показал, что скорость света с точки зрения наблюдателя на Земле остается постоянной. Эту проблему решил в 1905 году Эйнштейн, сформулировав теорию относительности: все законы физики одинаковы для всех свободно движущихся наблюдателей независимо от их скорости. Скорость света постоянна для движущегося наблюдателя, но возникает парадокс времени: если расстояние, которое проходит тело, с точки зрения двух наблюдателей различно, значит, они по-разному оценивают время. Так время тоже стало относительным — четвертой координатой пространственно-временного континуума. И это — конец классической картины мира, с абсолютизацией если не пространства, то хотя бы времени, с общими законами для всех элементов вселенной. 

    Классическая наука предполагает существование внешнего мира, свойства которого определены и независимы от наблюдателя. Объекты существуют и имеют физические свойства, поддающиеся конкретному измерению. В классической науке теория старается описать объекты и их свойства, причём все измерения и человеческие ощущения должны в неё укладываться. И наблюдатель, и наблюдаемое существуют в объективной реальности, принципиально не различаясь. Специальная теория относительности оставалась классической, поскольку признавала: 

  1. Безусловное соответствие модели и реальности

  2. Возможность только одной модели Вселенной

    Таков принцип научного реализма. В науке последних десятилетий формируется принцип модельно-зависимого реализма, восходящий к квантовой физике Нильса Бора: чтобы наиболее адекватно описать физический объект, относящийся к микромиру, его нужно описывать во взаимоисключающих, дополнительных системах. Значит, признается допустимым взаимоисключающее употребление двух языков, каждый из которых базируется на обычной логике. 

      Модельно-зависимый реализм допускает сосуществование нескольких моделей и признает важную роль наблюдателя. Из Специальной теории относительности вытекает единство пространства и времени, и время перестает считаться абсолютным. Общая теория относительности, созданная через 11 лет после специальной, развивает эти идеи: взамен прежней системы Ньютона предлагается концепция четырехмерного пространства-времени, искривляющегося под воздействием присутствующих в нем масс и энергий. Это принципиально новая модель Вселенной, предсказавшая такие явления, как черные дыры, гравитационные волны, отклонение светового луча. 

    Согласно теории Эйнштейна, мы наблюдаем в трехмерном пространстве проекции того движения, которое происходит в пространстве четырехмерном. Это подводит к мысли об искажении нашего зрения, о возможности большего количества измерений и наложения разных моделей (где-то действует механика Ньютона, где-то теория относительности). Для модельно-зависимого реализма оставалось ввести принцип неопределенности — но с этим принципом квантовой механики Эйнштейн так и не смог смириться. 

      Эйнштейн увязал не только пространство и время: знаменитая формула E=mc2 сократила число элементов Вселенной до материи-энергии, проявляющейся в пространстве-времени. В 1900 году Макс Планк вводит понятие частицы энергии — кванта, на новом уровне объединив корпускулярную и волновую теорию света. С открытия в 1897 году Дж. Дж. Томсоном электрона, совмещающего свойства частицы и волны, начинается изучение внутреннего строения атома. Вслед за протонами и нейтронами, существование которых было доказано экспериментально, в модель добавились существующие в связанном состоянии кварки (в группах из трех - протоны и нейтроны и двух - кварк и антикварк). Затем у этих частиц обнаружилось множество подвидов и свойств, появились частицы-переносчики взаимодействий (хорошо знакомые фотоны, бозоны и глюоны). В настоящее время открыто более 350 частиц.

     В отличие от теории относительности, корректировавшей законы Ньютона, квантовая механика описывает состояния, к которым эти законы вообще не применимы. Из корпускулярно-волнового дуализма Гейзенберг в 1926 году вывел принцип неопределенности для любой пары характеристик частицы: чем точнее можно измерить одну характеристику, тем менее точно — другую. Движение частиц окончательно разрушило классическое представление о пространственно-временных координатах. 

     Квантовая теория поля озадачила учёных: а что же такое взаимодействие? И ответила: если видите, что две частицы взаимодействуют, ищите третью. Взаимодействие – это обмен между частицами, из которых состоит вещество, другой частицей - обменным бозоном. Получилось две изумительные теории, которые описывают гравитацию на макромасштабах и взаимодействие частиц на микромасштабах, позволяют делать точные расчёты, объясняя многие неразрешимые до этого феномены. Но они абсолютно не стыкуются друг с другом. 

     Континуум оказался прерывистым, прямая линия — отнюдь не кратчайшим путем в нем, во Вселенной обнаружились черные дыры, откуда не может высвободиться ни одна частица. Они же, по предположению Стивена Хокинга, могут оказаться кротовыми норами, ведущими — куда? В другую часть Вселенной? В иную вселенную? 

Вопрос в науке остается открытым – возможно ли найти связь между событиями космического уровня и квантовой механикой? Точку, где они совпадают? 

      Для Стивена Хокинга такой точкой был Большой взрыв. Как ни парадоксально, объединяющим принципом для микро- и макроуровня он выбирает тот самый принцип неопределенности Гейзенберга, который смущал Эйнштейна («Бог не играет в кости»). Как же возможно сочетание классической физики с неопределенностью и непредсказуемостью квантовой механики?

     Согласно принципу неопределенности, мы не можем одновременно предсказать положения частицы и ее скорость. Чем точнее мы знаем о ее месте в пространстве, тем меньшей информацией располагаем относительно скорости движения. Поскольку мы знаем только некоторую комбинацию положения и скорости частицы, мы не можем делать точные прогнозы относительно будущих положений и скоростей частиц. Мы можем назначить вероятность только для определенных комбинаций позиций и скоростей, но никогда для положения и скорости по отдельности. Таким образом, существует определенная вероятность для каждого конкретного будущего Вселенной. Но теперь предположим, что мы пытаемся понять прошлое таким же образом.

      По словам Стивена Хокинга, одно из следствий теории квантовой механики заключается в том, что события, произошедшие в прошлом, не происходили каким-то определённым образом. Вместо этого они могли происходить всеми возможными способами. Это связано с вероятностным характером вещества и энергии согласно квантовой механике: до тех пор, пока не найдётся сторонний наблюдатель, материя будет находиться в неопределённости. Стивен Хокинг пишет: «Независимо от того, какие воспоминания вы храните о прошлом в настоящее время, прошлое, как и будущее, неопределённо и существует в виде спектра возможностей».

      Учитывая природу наблюдений, которые мы можем сделать сейчас, все, что мы можем сделать - это присвоить вероятность определенной истории Вселенной. Таким образом, Вселенная должна иметь много возможных историй, а не одну единственную, каждую со своей вероятностью. Идея, что у Вселенной есть различные истории, несмотря на то, что может походить на научную фантастику, имеет неплохую прогностическую силу: если  присвоить каждой возможной истории определенную вероятность, а затем использовать эту вероятность для прогнозирования. 

      Конечно, эта гипотеза сама по себе не скажет нам, как возникла Вселенная или каково ее начальное состояние. Для этого нам нужно что-то дополнительное. Нам нужны так называемые граничные условия, которые говорят нам о том, что происходит на границах сингулярности, на самих границах пространства и времени. Если бы граница вселенной была бы не в экстремальной точке пространства и времени, такой, как сингулярность Большого взрыва, мы могли бы предсказать начальные условия, сформировавшие Большой взрыв. Многие из этих возможных историй Вселенной не смогут сформировать галактики и звезд, что было ключевым для появления человека. Возможно, что другая форма разумной жизни может развиваться без галактик и звезд, однако это кажется маловероятным. Значения физических констант могут быть разными в разных Вселенных, и не всякий комплект физических законов ведет к появлению человека. Следовательно, могут быть вселенные, где человек не может существовать, но эти миры тоже для нас не существуют. Мы можем описать лишь тот мир, который допустил существование человека — и для него ищем единую Теорию Всего. 

    Поскольку ненаблюдаемое прошлое неопределенно, а наблюдение меняет поведение системы, то, по принципу неопределенности Гейзенберга, наблюдая за системой, мы меняем разом и её настоящее, и её прошлое. На повседневном уровне, имея дело с крупными (по сравнению с частицами) объектами, мы продолжаем пользоваться законами Ньютона или теорией относительности. 

      Если проследить историю расширяющейся Вселенной вспять, то по мере того, как мы возвращаемся во времени к моменту Большого взрыва, Вселенная становится все меньше, плотнее и горячее, все меньше и меньше, пока, наконец, не придет к точке, когда вся материя станет настолько сжатой, что ее можно сравнить с бесконечно малой черной дырой. И так же, как с черными дырами, законы природы для сингулярности диктуют нечто совершенно непредсказуемое в рамках парадигмы теории относительности. Само время и пространство исчезает – все четыре измерения Вселенной охлопываются в ноль. Общая теория относительности объединяется здесь с квантовой теорией: искривление времени-пространства настолько велико, что все четыре измерения ведут себя одинаково. Иными словами, времени и пространства как особых параметров нет. Средствами науки мы не никогда сможем добраться до времени Большого взрыва, потому что до момента Большого взрыва в сингулярности время не шло. А если времени до начала Большого взрыва нет, то нет и возможности говорить о начале во времени, что устраняет проблему творения из Ничего. Вековой парадокс разрешается!

     Создание всеохватывающей теории было мечтой Эйнштейна, но он так и не увидел ее осуществления. Над Теорией Всего продолжали работать физики второй половины ХХ века. Стандартная модель сумела объединить сильные и слабые ядерные взаимодействия с электромагнитными, но гравитация так и осталась «на обочине». Поиск гравитонов пока остается безуспешным. Вопреки человеческой интуиции, ни фундаментальные параметры, ни законы природы не обусловлены логическими или физическими принципами. В различных уголках мультивселенной параметры могут принимать множество значений, а законы иметь любую форму, допускаемую математически. Один из радикальных платонистов, космолог и математик Макс Тегмарк верит в то, что Вселенная по своей сути имеет математическую природу, а математические сущности абстрактны и неизменны. Тегмарк утверждает, будто каждая математическая структура, обладающая непротиворечивым описанием, существует в реальном физическом смысле. Каждая из этих абстрактных структур представляет собой параллельный мир, а все вместе эти миры образуют математическую мультивселенную. «Элементы Мультивселенной не находятся в одном и том же пространстве, но существуют вне пространства и времени, представляя математическую структуру физических законов»,– пишет Тегмарк. 

     Гипотеза Мультивселенной лишает человека и особого места в мире, и особой вселенной, не позволяет надеяться на аккуратный «пакет» со всеми законами природы — основным принципом природы оказалась фундаментальная случайность. Однако она привела к появлению вселенной с человеком. Поставленная Эйштейном задача найти единую Теорию Всего также подвергается критике. Поскольку мы воспринимаем не «объективную реальность», а её модель, то в ней происходят определенные искажения. Для цельной картины нужен комплект таких искажений, отчасти перекрывающихся, отчасти дополняющих друг друга. Сейчас на роль Теории Всего претендует комплект законов под общим названием М-теории. Их предшественницей была теория струн, пытавшаяся преодолеть дуальность частицы и волны, представив частицу в виде крошечной колеблющейся струны. В этой теории, как и в более ранней супергравитации, существенную роль играет симметрия — закономерность, ставящая в соответствие каждой частице материи переносчика взаимодействия. М-теория рассматривает частицы не как струны, а как мембраны. Эти многовидовые «браны», могут быть и одномерным, как струны, и  двухмерными, как пленка, и многомерными. Теория предполагает 11 измерений, большая часть которых свернута согласно определенным математическим преобразованиям, и позволяет просчитать 10 с 500 нулями миров. Неплохой задел для изучения Мультивселенной! 

      25 лет назад в «Краткой истории времени» Стивен Хокинг предложил свою версию теории Большого взрыва и расширения Вселенной, но признавал, что вопрос о возникновении и судьбе Вселенной в рамках современной физики остается нерешенным. Соблазнительная надежда, что через несколько лет все ответы будут получены, не оправдала возложенных на ожиданий – траектория науки последнего времени убеждает, что поиск едва ли когда-нибудь остановится. Да и сами представления об общей Теории Всего успели несколько измениться: если Эйнштейн надеялся на несколько изящных уравнений, увязывающих все силы природы, то современная космология предполагает комплект законов, которые будут перекрываться и дополнять друг друга, подобно проекции Земли на плоской карте. Применив квантовую механику к огромным пространствам Вселенной, физики приходят к выводу, что Вселенная имеет не одну историю, как в классической картине мира, а все возможные истории существуют одновременно. Однако мы присутствуем в той конкретной вселенной, где возможно присутствие человека — а значит, все законы этой вселенной подстроены под возможность существования разумной жизни, и из всех предысторий выбираются те, которые приводят к появлению человека. Но «привилегия», дарованная человеку в этой Вселенной, не должна, как это было в древности, подводить нас к мысли об уникальности нашего мира. 

        Список источников

  1. Лейбниц Г.В. Начала природы и благодати, основанные на разуме /Пер.с франц. Н.А. Иванцова// Сочинения в 4 томах. Т.I/ Ред., сост., вст.ст. и примеч. B.В. Соколова; пер. Я.М.Боровского и др. М.:Мысль,1982.
  2. Рейхенбах Г. Направление времени. М.,1962.
  3. Стивен Хокинг. Краткая история времени. От большого взрыва до черных дыр. В пер. Н. Смородинской. Спб., 2001.
  4. Dunne J. W. An Experiment with Time. L.: A&C Black Ltd, 1927. 
  5. Gribbin J . Q Is for Quantum. Free Press, 1998.
  6. Stephen Hawking and Leonard Mlodinow «The Grand Design»
  7. Tegmark M.  Parallel Universes // Scientific American. 2003, May 2. р. 50.

_________________________

© Винничук Александр Александрович

Физика в поисках эффективной теории
Эволюция взглядов на происхождение вселенной: от простейших законов к Мультиверсу и модельно-зависимому реализ...
Предсказуемость планетарной эволюции
Эволюционный ракурс рассмотрения будущего позволит логически связать историю, настоящее и необычные проявления...
Физика в поисках эффективной теории | Александр Винничук
Интернет-издание года
© 2004 relga.ru. Все права защищены. Разработка и поддержка сайта: медиа-агентство design maximum