avangard-pressa.ru

Насколько велика наша физическая реальность? - Механика

Я горжусь тем, дорогой читатель, что вы остались со мной до последней главы. Мы проделали долгий путь от сверхгалактического макрокосма до субатомного микрокосма, встретившись с реальностью более величественной, чем я мог себе представить в детских мечтах, – реальностью с четырьмя уровнями параллельных вселенных.

Мое представление о том, как все это связано, отражено на рис. 13.1. В первой части книги мы занимались вопросом, насколько велико все сущее, и исследовали крупные масштабы. Мы живем на планете в галактике в такой вселенной, которая, как я полагаю, располагается в полном двойников мультиверсе I уровня, входящем в более разнообразный мультиверс II уровня в квантово-механическом мультиверсе III уровня из мультиверса IV уровня, содержащего все математические структуры. Во второй части мы задавались вопросом, из чего все состоит, и исследовали все меньшие масштабы. Мы сложены из клеток, состоящих из молекул, состоящих из атомов, состоящих из элементарных частиц – а те являются чисто математическими структурами в том смысле, что все свойства, которыми они обладают, являются математическими. Хотя мы пока не знаем, из чего состоят эти частицы (если они вообще из чего-то состоят), теория струн и ее основные конкуренты предполагают, что любые более мелкие «строительные блоки» также являются чисто математическими. В этом смысле две наши интеллектуальные экспедиции, хотя и были отправлены в противоположных направлениях – к очень большому и очень малому, – привели к одному и тому же месту: к царству математических структур. Хотя говорят, что все дороги ведут в Рим, обе дороги к реальности привели к математике. Это элегантное слияние отражает тот факт, что одна математическая структура может содержать другие, объясняя все открытые физикой математические закономерности как проявления или приближенные свойства величественной математической структуры, которая являет собой нашу внешнюю реальность. На самых больших и самых малых масштабах математическая природа реальности очевидна, тогда как на промежуточных масштабах, с которыми люди обычно имеют дело, ее трудно заметить[92].

Рис. 13.1.Когда мы спрашиваем, из чего все состоит, и изучаем все меньшие масштабы, то обнаруживаем, что мельчайшие “строительные блоки” материи – это математические структуры: объекты, свойства которых являются математическими. Когда мы спрашиваем, насколько велико все сущее, и переходим к все большим масштабам, мы приходим к тому же самому – царству математических структур: к мультиверсу IV уровня, охватывающему все математические структуры.

Случай реальности малого

Я нарисовал картину фундаментальной физической реальности такой, как я ее вижу. Лично я считаю эту реальность захватывающе красивой и величественной. Но не может ли эта картина вводить в заблуждение, а ее величие оказаться миражом? Действительно ли мы живем в мультиверсе? А может, сам этот вопрос глуп и лежит за пределами науки?

С самого появления представлений о мультиверсе их ждала скорая расправа: Джордано Бруно с его бесконечным мультиверсом сожгли в 1600 году на костре, а Хью Эверетт со своим квантовым мультиверсом в 1957 году не нашел работы в области физики. Я и сам почувствовал, что припекает, когда старший коллега предположил, что публикации, связанные с мультиверсом, погубят мою карьеру. Однако в последние годы произошли радикальные изменения. Все теперь сходят с ума по параллельным вселенным, они появились в книгах, в фильмах и даже в шутках: «Во многих параллельных вселенных вы сдали экзамен. Но не в этой».

Успех этих идей, конечно, не привел к консенсусу среди ученых, однако он сделал дискуссию о мультиверсе гораздо более тонкой и, на мой взгляд, интересной. Ученые перестали просто перекрикивать друг друга и искреннее пытаются понять оппонентов. Замечательным примером может служить недавняя антимультиверсная статья в журнале «Сайентифик американ», написанная одним из пионеров релятивизма Джорджем Эллисом. Я очень рекомендую ее прочитать[93].

Как отмечалось в гл. 6, мы используем термин «наша Вселенная» для обозначения физической области пространства, из которой свет успел дойти до нас за 14 млрд лет с момента нашего Большого взрыва. Говоря о параллельных вселенных, мы различаем четыре их уровня:

I уровень. Другие такие области, находящиеся далеко в пространстве, где наблюдаемые законы физики такие же, однако история разворачивалась иначе, поскольку она по-другому началась;

II уровень. Области пространства, в которых даже наблюдаемые законы физики оказываются другими;

III уровень. Параллельные миры в гильбертовом пространстве, где разворачивается квантовая реальность;

IV уровень. Совершенно не взаимосвязанные реальности, управляемые различными математическими уравнениями.

Джордж Эллис разбирает множество аргументов в пользу этих уровней мультиверса и показывает, почему все они сталкиваются с проблемами. Вот мое резюме его основных антимультиверсных аргументов:

1. Теория инфляции может быть ошибочной (или инфляция не вечна).

2. Квантовая механика может быть ошибочной (или не унитарной).

3. Теория струн может быть ошибочной (или не допускать множества решений).

4. Мультиверсы могут быть нефальсифицируемы.

5. Некоторые свидетельства в пользу существования мультиверса сомнительны.

6. Аргументы о точной настройке могут содержать слишком много допущений.

7. Это скользкий путь к еще более крупным мультиверсам.

(Джордж не упоминает в статье аргумент № 2, но я добавил его, поскольку, думаю, он и сам бы сделал это, выдели ему редактор более шести полос.)

Как я отношусь к этой критике? Как ни странно, я согласен со всеми семью утверждениями, и, тем не менее, с радостью поставлю на существование мультиверса все свои сбережения!

Начнем с первых четырех аргументов. Инфляция естественным образом порождает мультиверс I уровня (гл. 6 ), и если прибавить теорию струн с ландшафтом возможных решений, вы получите также и II уровень. Как было показано в гл. 8, квантовая механика в своей простейшей математической бесколлапсной («унитарной») форме дает III уровень. Так что если эти теории отброшены, то ключевые аргументы в пользу мультиверсов рушатся. Запомните: параллельные вселенные – это не теория, а предсказания определенных теорий.

Для меня ключевым моментом является то, что если теория научна, то правомерной научной деятельностью будет получение и обсуждение всех ее следствий, даже если они включают в себя ненаблюдаемые сущности. Чтобы теория была фальсифицируемой, нет нужды наблюдать и проверять все ее предсказания – достаточно хотя бы одного из них. Поэтому мой ответ на аргумент № 4 таков: научно проверяемыми являются наши математические теории, но не обязательно их следствия, и это совершенно нормально. Поскольку, как говорилось в гл. 6, общая теория относительности Эйнштейна успешно предсказала многие вещи, доступные наблюдению, мы также всерьез относимся к ее предсказаниям относительно вещей, которые мы наблюдать не можем, например относительно того, что происходит внутри черных дыр. Подобным образом, если нас до сих пор впечатляли успешные предсказания теории инфляции или квантовой механики, мы должны серьезно относиться и к иным их предсказаниям, включая мультиверсы I и III уровней. Джордж даже упоминает возможность того, что теория вечной инфляции может быть однажды отброшена: для меня это просто аргумент, подтверждающий научность теории вечной инфляции.

Теории струн, конечно, еще далеко в отношении проверяемости до теории инфляции и квантовой механики. Однако я предполагаю, что мы находимся в мультиверсе II уровня, даже если теория струн окажется ошибочным направлением. Математические уравнения очень часто имеют множество решений, и если это относится к фундаментальным уравнениям, описывающим нашу реальность, то вечная инфляция в общем случае создает огромные области пространства, в которых физически реализуется каждое из этих решений (гл. 6 ). Например, уравнения, управляющие молекулами воды, которые не имеют ничего общего с теорией струн, имеют три решения, соответствующих водяному пару, жидкой воде и льду, и если само пространство сходным образом может существовать в разных фазах, инфляция будет стремиться реализовать их все.

Джордж перечислил ряд наблюдений, которые, как считается, поддерживают мультиверсные теории. На самом деле они в лучшем случае сомнительны – вроде свидетельств о том, что некоторые физические постоянные в действительности непостоянны, или данных о наличии в космическом микроволновом фоне следов от столкновений с иными вселенными либо о странной связности пространства. Я полностью разделяю его скептицизм. Во всех этих случаях, однако, анализ данных вызывал много споров, и это очень напоминало скандальную ситуацию вокруг холодного ядерного синтеза в 1989 году. Но для меня сам факт, что исследователи выполняют эти измерения и рассуждают о результатах, является дополнительным свидетельством в пользу того, что такая деятельность лежит в рамках науки: именно этим научный спор и отличается от ненаучного.

В гл. 6 мы узнали, что наша Вселенная кажется удивительно точно настроенной для жизни: если варьировать многие из физических констант, то жизнь, какой мы ее знаем, станет невозможной. Почему? Если существует мультиверс II уровня, где эти «константы» принимают все возможные значения, то неудивительно, что мы обнаружили себя в одной из редких пригодных для жизни вселенных. Это не более удивительно, чем то, что мы оказались на Земле, а не на Меркурии или Нептуне. Джордж подвергает критике тот факт, что выдвигать мультиверсную теорию приходится, чтобы получить этот вывод. Но ведь именно так мы проверяем любую научную теорию: предполагаем, что она верна, выводим следствия и отбрасываем теорию, если ее предсказания не совпадают с наблюдениями. Некоторые настройки подобраны настолько точно, что это порождает серьезные затруднения. Например, чтобы галактики были пригодными для жизни, темная энергия должна быть настроена примерно до 123-й значащей цифры. Для меня такое необъясненное совпадение служит четким сигналом о пробеле в наших научных представлениях. Отрицание его со словами: «Нам просто повезло, и перестаньте искать объяснения!» – не только неудовлетворительно, но равносильно игнорированию потенциально важнейшей улики.

По мнению Джорджа, если мы всерьез признаем, что происходит все, что может произойти, мы вступаем на скользкую дорожку, ведущую к все более крупным мультиверсам, таким как мультиверс IV уровня. Поскольку это мой любимый уровень и я один из его немногочисленных защитников, я только счастлив скользить по этой дорожке!

Джордж также упоминает, что мультиверсы могут нарушать принцип бритвы Оккама, вводя ненужные усложнения. Я физик-теоретик и сужу об элегантности и простоте теории не по ее онтологии, а по элегантности и простоте ее математических уравнений, и меня поражает, что математически простейшие теории тяготеют к мультиверсам. Как выяснилось, чрезвычайно трудно построить теорию, которая объясняет точно такую вселенную, какую мы видим, и никакую больше.

Наконец, существует аргумент против мультиверса (Джордж обошел его, и я ему за это признателен), который является, на мой взгляд, наиболее убедительным для большинства людей: параллельные вселенные слишком странные, чтобы быть реальными. Но именно этого следует ожидать (гл. 1 ). Эволюция наделила нас интуицией лишь для распознавания обыденных проявлений физики, важных для выживания наших предков, и всякий раз, когда мы используем технологии, чтобы взглянуть на реальность за пределами человеческих масштабов, наша выработанная эволюцией интуиция должна отказывать. Мы видели, как это случалось с противоречащими интуиции особенностями теории относительности, квантовой механики и т. д., и должны ожидать, что окончательная физическая теория, какой бы она ни оказалась, будет еще более странной.

Случай реальности большого

Кратко разобрав аргументы против мультиверса, проанализируем аргументы за него. Я собираюсь показать, что все спорные вопросы снимаются, если принять гипотезу внешней реальности из гл. 10: существует внешняя физическая реальность, совершенно независимая от людей . Допустим, что эта гипотеза верна. Тогда большая доля критики в адрес мультиверса будет основываться на трех сомнительных допущениях:

1. Допущение о всевидении . Физическая реальность должна быть такой, чтобы по меньшей мере один наблюдатель мог в принципе наблюдать ее целиком.

2. Допущение о педагогичности реальности . Физическая реальность должна быть такой, чтобы все достаточно информированные люди-наблюдатели чувствовали, что они интуитивно ее понимают.

3. Допущение о невозможности копий . Ни один физический процесс не может копировать наблюдателя или породить субъективно неотличимых наблюдателей.

Допущения №№ 1 и 2, по-видимому, не мотивированы ничем, кроме человеческого высокомерия. Допущение о всевидении, по сути, переопределяет слово «существует» как синоним того, что наблюдаемо, а это значит прятать голову в песок. Те, кто настаивает на допущении о педагогичности реальности, будут, как правило, отвергать комфортные представления вроде Санта-Клауса, евклидова пространства, зубной феи и креационизма, но достаточно ли усердно трудились они над тем, чтобы освободиться от более глубоко укорененных убаюкивающих представлений? По моему мнению, задача ученых состоит в том, чтобы пытаться понять, как устроен мир, а не диктовать ему, как он должен быть устроен.

Если допущение о всевидении ложно, то по определению есть вещи, которые существуют несмотря на то, что даже в принципе ненаблюдаемы. Поскольку определение Вселенной включает все, что в принципе наблюдаемо, значит, Вселенная – это не все, что существует, так что мы живем в мультиверсе. Если допущение о педагогичности реальности ложно, то претензия, состоящая в том, что мультиверсы слишком странны, перестает быть логичной. Если ошибочно допущение о невозможности копий, то нет фундаментальных причин, согласно которым где-то во внешней реальности не может быть ваших копий, – в действительности и вечная инфляция, и безколлапсная квантовая механика обеспечивают механизм их созидания (гл. 6, 8 ).

Более того (гл. 10 ), из гипотезы внешней реальности вытекает гипотеза математической Вселенной, состоящая в том, что наша внешняя физическая реальность является математической структурой. В гл. 12 мы видели, как из нее, в свою очередь, следует существование мультиверса IV уровня, который содержит все остальные уровни мультиверсов. Мы, по сути, оказываемся неразрывно связаны со всеми этими параллельными вселенными, если только признаем существование независимой от нас внешней реальности.

Подведем итоги. Мы видели, как менялось представление человечества о себе. Люди всегда были склонны к высокомерию и самонадеянно представляли себя в центре мироздания. Но постепенно выяснялось, что мы заблуждаемся: это мы обращаемся вокруг Солнца, а оно, в свою очередь, обращается вокруг центра одной из бессчетных галактик во вселенной, которая может быть лишь одной из множества в четырехуровневой иерархии мультиверсов. Я надеюсь, понимание этого делает нас скромнее. Однако, хотя люди переоценивали свою значимость, мы недооценивали силу собственной мысли. Наши предки думали, что привязаны к земле и никогда по-настоящему не поймут природу звезд и того, что за ними. Потом они поняли, как далеко могут зайти, даже без всяких полетов в космос, а просто разрешив полет разуму. Благодаря физике мы все глубже проникаем в природу реальности. Оказалось, что мы обитаем в реальности гораздо более величественной, чем наши предки могли представить, а это значит, что наш жизненный потенциал гораздо больше, чем мы думали. При наличии почти безграничных физических ресурсов ключевую роль станет играть наша изобретательность. Так что наша судьба в наших собственных руках.

Будущее физики

Если я ошибаюсь и гипотеза математической Вселенной неверна, значит, фундаментальная физика рано или поздно натолкнется на непреодолимое препятствие. Выйдя за этот предел, мы уже не сможем расширять свое понимание физической реальности, поскольку для нее не будет математического описания. А если я прав, то все является принципиально познаваемым. Я думаю, это было бы замечательно, поскольку в таком случае мы ограничены лишь своим воображением. Точнее, воображением и готовностью проделать тяжелую работу. Ответ, который Дуглас Адамс дал на свой самый главный вопрос жизни, Вселенной и всего такого, вряд ли снимет все остальные вопросы. А ответ, который я даю на вопрос о фундаментальной природе реальности («она чисто математическая», или, более точно, «это мультиверс IV уровня»), оставляет без ответа большинство наших традиционных больших вопросов. Например, вопрос «Каковы уравнения квантовой гравитации?» превращается в вопрос: «Где мы находимся в мультиверсе IV уровня?», на который, по-видимому, так же трудно ответить, как и на исходный. Поэтому окончательный вопрос о природе реальности надо сформулировать иначе. Отложим сбивающий нас с пути вопрос о том, какие конкретно математические уравнения описывают нашу реальность, и вместо этого поинтересуемся, как путем вычислений представить Вселенную с «лягушачьей» точки зрения – то есть наши наблюдения, – основываясь на ее виде с «птичьей» точки зрения. Это позволило бы определить, открыта ли истинная структура нашей конкретной Вселенной, и помогло бы представить, в каком уголке математического космоса располагается наш дом.

Ситуация, когда ответить на фундаментальные вопросы проще, чем на прикладные, на самом деле типична для физики. Если мы найдем правильные уравнения, описывающие квантовую гравитацию, они обеспечат нам более глубокое понимание пространства, времени и материи, но не помогут точнее смоделировать глобальные изменения климата – хотя в принципе они объясняют всю физику, имеющую отношение к погоде. Дьявол в деталях, и понимание этих деталей часто требует большого труда, причем совершенно независимо от лежащей в основе окончательной теории.

С учетом этого посвятим остаток книги рассмотрению некоторых больших вопросов, которые уводят нас все дальше от фундаментальной физики и подводят все ближе к дому. Поскольку прежде мы концентрировались преимущественно на прошлом, естественно закончить путешествие, занявшись будущим.