Ли Смолин. Возрожденное время: От кризиса в физике к будущему вселенной - Юрий Артамонов
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
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.
Большое искусство экспериментальной физики заключается в превращении открытой системы в (приблизительно) изолированную систему. Мы никогда не можем сделать
к оглавлению
это совершенным образом. Для одних вещей измерения, которые мы делаем над системой, вторгаются в нее. (Это большая проблема в интерпретации квантовой механики; но на данный момент будем придерживаться макромира). Каждый эксперимент есть битва за выделение данных, которые вы хотите получить, из неизбежного присутствия помех, приходящих из-за пределов вашей несовершенно изолированной системы. Экспериментатор тратит большие усилия, чтобы убедить себя и коллег, что виден реальный сигнал, выделенный из шума, и мы сделали все, что смогли, чтобы уменьшить влияние шума.
Мы защищаем наши эксперименты щитами от засорения внешними вибрациями, полями и радиацией. Для многих экспериментов этого хватает, но некоторые эксперименты столь тонки, что на них влияют помехи от космических лучей, попадающих в детекторы. Чтобы хорошо изолировать лабораторию от космических лучей, вы можете разместить ее в шахте на глубине в несколько миль; именно так мы делаем для детектирования нейтрино от Солнца. Это уменьшает хаотический фоновый шум от сторонней радиации до контролируемых величин, хотя нейтрино все еще проходят. Но нет практически никакого способа изолировать лабораторию от нейтрино. Детекторы нейтрино, спрятанные глубоко в лед на Южном полюсе, записывают нейтрино, которые проникли с Северного полюса и прошли весь путь сквозь Землю.
Даже если бы вы смогли построить стену астрономической толщины и плотности, экранирующую от нейтрино, все еще остается кое-что, что может проникнуть, и это гравитация. В принципе ничто не может экранировать силу гравитации или остановить распространение гравитационных волн, так что ничто не может быть изолировано совершенным образом. Я раскрыл это важное обстоятельство при подготовке своей диссертации на степень доктора философии. Я хотел смоделировать ящик, содержащий гравитационные волны, отражающиеся назад и далее внутрь, но мои модели потерпели неудачу, поскольку гравитационные волны проходят прямо через стенки. Я представлял себе повышение плотности стенок ящика все выше и выше до точки, где они стали бы отражать гравитационное излучение, но перед этим я достиг точки, в которой модель показала коллапс материала стенок в черную дыру. Поломав голову некоторое время по этому поводу, пытаясь тем или иным способом избежать этого, я в конце концов осознал, что препятствие, которое я хотел было преодолеть, само по себе является куда более интересным открытием, чем то, на котором я пытался сделать работу. После некоторых дальнейших размышлений я смог показать, сделав только несколько предположений, что, ни одна стена
к оглавлению
не может экранировать гравитационные волны [7]. Не имеет значения, из чего стена сделана или насколько она толста или плотна. Чтобы прийти к этому заключению, я предположил только что верны законы ОТО, что содержащаяся в материи энергия положительна и что звук не может двигаться быстрее света.
Это означает - не только на практике, но и в принципе - что в природе нет вещей и систем, изолированных от влияния остальной вселенной. Это заключение достойно возведения в принцип, который я буду называть принципом отсутствия изолированных систем.
Есть и другая причина, почему модель открытой системы в виде системы изолированной всегда является аппроксимацией, заключающаяся в том, что мы не можем предвидеть хаотические разрушительные вторжения. Мы можем измерять, предвидеть и работать с шумом. Но внешний мир может существенно ухудшить наши попытки изолировать нашу систему Самолет может потерпеть крушение в здании, где расположена наша лаборатория, или его может опрокинуть землетрясение. Астероид может столкнуться с Землей. Облако темной материи может пройти через солнечную систему, возмутить земную орбиту и забросить нас в Солнце [8]. Или может быть, кто-то выключит электричество в лаборатории, щелкнув выключателем в подвале. Список вещей, которые могут привести к нарушению хода нашего эксперимента в этой большой вселенной, фактически, бесконечен. Когда мы моделируем эксперимент, как если бы он был над изолированной системой, мы исключаем из нашей модели все эти возможности.
