Космологическое заблуждение

До сих пор мы следовали дорогой мистики, стремясь выйти за пределы своего привязанного к времени опыта и открыть вечные истины. Мы узнали о значительном успехе ньютоновой парадигмы и увидели, что этот успех дался нам ценой устранения времени из физики. Далее мы увидим, что все-таки не должны платить эту цену: ньютонова парадигма к Вселенной в целом неприменима. Нам нужна новая теория, в которой реальность времени является центральным элементом.

Вернемся к истокам науки и обратимся к Анаксимандру (ок. 610–546 гг. до н. э.). Он первым стал искать причины природных явлений в самой природе, а не в капризах богов[58]. В те времена даже самые знающие считали себя обитателями Вселенной, ограниченной двумя плоскостями. Под их ногами лежала земля, простирающаяся во все стороны. Над головой было небо. Во Вселенной существовало одно выделенное направление: вниз. Основной закон природы, подтвержденный опытом, гласил: все падает. Единственным исключением было небо и закрепленные там небесные тела.

Когда люди попытались распространить этот закон на Вселенную, они столкнулись с парадоксом: если все, что не закреплено на небе, падает, то почему не падает Земля? Ее должно что-нибудь поддерживать. Одна из гипотез гласила, что Земля покоится на спине гигантской черепахи. Но что тогда поддерживает черепаху? Бесконечная башня, сложенная из черепах?

Анаксимандр понял: чтобы создать успешную теорию Вселенной и избежать reductio ad absurdum [доведения до абсурда] – бесконечной башни из черепах, – необходима концептуальная революция. Он выдвинул идею, вполне очевидную для нас, но шокировавшую современников философа: “вниз” – значит “по направлению к Земле”. Дело не в том, что все предметы падают вниз, а в том, что все предметы падают на Землю. Это позволило бы Анаксимандру сделать еще одно революционное открытие: что Земля круглая. Но он этого шага не сделал. И все же переопределение “вниз” освободило путь представлению о Земле как о теле, парящем в пространстве. Анаксимандр предположил, что небо вокруг Земли: и под ногами, и над головой.

Это понимание существенно упростило космологию. Тот очевидный факт, что Солнце, Луна и звезды восходят на востоке и заходят на западе, мог быть объяснен суточным вращением. Уже не было необходимости ежеутренне “порождать” Солнце и ежевечерне “убивать” его. После заката Солнце возвращается в исходную точку, скрытно проделав путь у нас под ногами. Представьте себе восхищение людей в тот момент, когда пришло понимание этого! Это избавило их от вечного беспокойства о том, что дух, ответственный за рождение Солнца, может в одно прекрасное утро проспать или просто оставить свой пост. Вклад в науку Анаксимандра был, возможно, гораздо значительнее, нежели вклад Коперника: он избавил людей от необходимости объяснять, на чем покоится Земля.

Философы, желавшие знать, на чем покоится Земля, ошибочно применяли локальный закон к Вселенной целиком. Их Вселенная содержала Землю и небо, а мы живем в бесконечном космосе с галактиками, но впадаем в ту же ошибку, и следствием ее является бесконечная путаница в современной космологии. Хотя, кажется, нет ничего естественнее применения к Вселенной закона или принципа, который мы успешно применяем в мире подсистем, это значит впасть в космологическое заблуждение .

Вселенная отличается от любой своей части. Это не просто сумма частей. Все свойства объектов во Вселенной следует понимать с позиции их связи или взаимодействия с другими объектами. Но сама Вселенная есть сумма всех отношений, и она не может обладать свойствами, определяемыми отношением к другому, подобному ей объекту.

Земля во Вселенной Анаксимандра – единственное, что не падает, поскольку это то, куда все падает. Точно так же Вселенная единственная не может быть объектом воздействия ничего внешнего по отношению к ней, потому что она и есть сумма всех действий.

Если уместно сравнение современной и древнегреческой науки, то из-за распространения локальных законов на Вселенную возникают парадоксы. Мы со своей верой в ньютонову парадигму не в состоянии найти ответ на два простых вопроса:

а) Почему именно эти законы? Во Вселенной действует определенный набор законов. Как были отобраны эти законы из всех, которые также, возможно, могли управлять миром?

б) Вселенная образовалась в результате Большого взрыва с определенным набором начальных условий. Почему именно этот набор? Пусть мы установили законы, но есть еще бесконечное количество начальных условий, при которых Вселенная могла образоваться. Как выбраны реальные исходные условия из бесконечного множества возможностей?

Оставаясь в рамках ньютоновой парадигмы, невозможно даже начать отвечать на два этих фундаментальных вопроса, поскольку законы и начальные условия аксиоматичны по отношению к парадигме. Если физика останется в рамках ньютоновой парадигмы, мы никогда не получим ответ.

Мы привыкли считать, будто знаем, откуда берутся эти законы. Многие теоретики считали, что только одна математически последовательная квантовая теория может объединить четыре основные силы природы (электромагнетизм, сильные и слабые ядерные силы, гравитацию). Но если бы это было так, то ответ на вопрос, почему мы имеем дело с данными законами, гласил бы: лишь один из возможных наборов физических законов может породить мир, подобный нашему.

У нас достаточно доказательств, что теории, включающей все известное о природе (по сути, теории, согласующейся с общей теорией относительности и квантовой механикой), не существует. В последние 30 лет наблюдается прогресс в теории квантовой гравитации. Ученые пришли к выводу, что мир, описываемый здесь в рамках всех подходов, не уникален. Наиболее развитым подходом в квантовой гравитации является петлевая квантовая гравитация, но и она допускает возможность широкого выбора элементарных частиц и сил.

То же справедливо и в отношении теории струн, которая, как ожидается, объединит теорию гравитации и квантовую физику. Есть свидетельства существования бесконечного количества струнных теорий, и многие из них зависят от большого набора параметров: чисел, которые могут быть заданы вручную и принимать любые значения, какие мы выберем. Все эти теории кажутся одинаково самосогласованными математически.

Подавляющее их число описывает миры со спектром элементарных частиц и сил, примерно соответствующих нашему миру. Однако сейчас нет ни одной теории струн, которая включала бы стандартную модель физики элементарных частиц (СМ). Сначала теория струн внушала надежду, что она станет уникальной фундаментальной теорией, точно воспроизводящей СМ и позволяющей делать предсказания для наблюдений за ее пределами. Но в 1986 году Эндрю Строминджер разрушил эти надежды, обнаружив, что теория струн имеет огромное количество версий[59]. Это побудило меня заняться проблемой отбора законов в нашей Вселенной и привело к концепции реальности времени.

Но – хватит о неразрешимых вопросах. А что насчет дилеммы?[60]Оказывается, дилемма содержится уже в понятии закона в ньютоновой парадигме. Когда мы говорим о “законе”, речь идет о множестве случаев. Если что-либо произошло один раз, это просто наблюдение. Но любое применение закона в любой части Вселенной предполагает приближение (как мы увидели в главе 4), потому что приходится пренебрегать всеми взаимодействиями между этой частью и остальной Вселенной. И многие подтверждаемые экспериментально случаи действия закона являются приближениями.

Чтобы применить закон природы без приближения, мы должны применить его ко всей Вселенной. Но ведь существует лишь одна Вселенная, и в таком случае у нас нет достаточных доказательств того, что некий закон природы здесь применим. Это можно назвать космологической дилеммой.

Космологическая дилемма не мешает нам применять законы природы (например, ОТО или законы Ньютона) к подсистемам Вселенной. Они работают практически во всех случаях и поэтому-то и называются законами. Но каждое из таких приложений закона является аппроксимацией, основанной на фантастическом предположении об отсутствии влияния остальной Вселенной на подсистему[61]. Также ничто не мешает нам представить, что история нашей Вселенной – это решение, найденное в теории, такой как ОТО, и мир в ней описывает СМ. Но это нисколько не объясняет, почему именно данное решение было выбрано и затем реализовано в природе. И ни одно найденное решение не доказывает то, что существующие законы природы представляют собой комбинацию ОТО и СМ, потому что любое решение является приближением для множества законов[62].

Чтобы показать, чем закон отличается от наблюдения, рассмотрим пример. В семье один ребенок, Мира, и она любит мороженое – шоколадное. Впервые она попробовала именно шоколадное мороженое и с тех пор предпочитает его всем другим сортам. Родители Миры считают, что есть закон природы, в силу которого все дети любят мороженое. Но, не имея возможности наблюдать за другими детьми, они не могут убедиться в этом. Отец Миры верит и в закон, гласящий: дети предпочитают шоколадное мороженое. У матери другая гипотеза: дети предпочитают тот сорт, который впервые попробовали.

Обе гипотезы согласуются с данными. Родители Миры делают предсказания, которые могут быть проверены путем опроса других родителей. Следовательно, обе гипотезы могут считаться законами. Но предположим, что Мира – единственный ребенок на планете. В этом случае нет возможности проверить, являются ли гипотезы ее родителей законами.

Исходя из собственных познаний в биологии человека, родители Миры могут заявить, что дети любят все, сделанное из сахара и молока. Но здесь они опираются на знания, полученные в результате изучения многих людей. И здесь аналогия перестает работать, поскольку в космологии мир лишь один. В науке Вселенная не может считаться единичным экземпляром из класса, потому что ни одно утверждение в отношении свойств этого класса нельзя проверить.

Теперь пример из физики. Первый закон движения Ньютона, гласящий, что все свободные частицы движутся по прямой, многократно подтвержден. Но каждый случай приблизителен, потому что ни одна частица во Вселенной не может быть подлинно свободной. Все частицы испытывают гравитационное воздействие со стороны всех остальных тел. Если бы мы хотели проверить закон точно, у нас не было бы возможности применить его.

Первый закон Ньютона в лучшем случае может служить приближением к другому, более точному закону. И действительно, он является частным случаем второго закона Ньютона, описывающего движение частицы под воздействием сил. Очень интересно: каждая частица во Вселенной гравитационно притягивает любую другую. Есть также силы, действующие между каждой парой заряженных частиц. Сил слишком много, чтобы их все можно было учесть. Чтобы проверить, является ли второй закон Ньютона точным, и предсказать движение лишь одной частицы, нам придется учесть более 1080 сил.

На практике, конечно, мы не можем сделать ничего подобного. Мы учитываем взаимодействие с одним или несколькими близлежащими телами и пренебрегаем всеми остальными. В случае притяжения, например, мы можем обосновать пренебрежение взаимодействием с далекими телами, потому что их влияние мало. (Это не так очевидно. Хотя взаимодействие с далекими частицами слабее, число далеко расположенных тел многократно превышает количество тел, расположенных вблизи.) В любом случае, никто не пытается проверить, является ли второй закон Ньютона абсолютно верным. Мы проверяем лишь приближение к нему.

Другая серьезная проблема, связанная с экстраполяцией ньютонова понятия “закон” на мироздание, заключается в том, что существует одна бесконечная Вселенная – и множество вариантов начальных условий. Этому соответствует бесконечное количество решений уравнений предполагаемого космологического закона – решений, описывающих бесконечное множество возможных Вселенных. Но реальная Вселенная лишь одна.

Уже то, что у закона бесконечное число решений, заставляет заключить, что его следует применять к подсистемам Вселенной, наличествующим в огромном количестве версий. Полнота природы соответствует множеству решений. Поэтому, когда мы применяем закон к небольшой подсистеме Вселенной, свобода выбора начальных условий превращается в необходимую часть успеха приложения закона.

По той же причине, когда мы применяем закон, имеющий бесконечное число решений, к такой уникальной системе, как Вселенная, многое становится необъяснимым. Свобода выбора начальных условий обращается из преимущества в недостаток: возникают вопросы о Вселенной, на которые не отвечает теория, выражаемая этим законом (например, вопросы о любом свойстве Вселенной, зависящем от выбора начальных условий). Что думать о всех других историях, которые также являются решениями гипотетического космологического закона, но которые не происходят во Вселенной? Почему среди бесконечного числа решений лишь одно реализуется? Эти рассуждения приводят к выводу: мы ошиблись в том, какие законы природы могут работать на космологических масштабах. Тому есть три причины:

1) Утверждение, что закон распространяется на космологические масштабы, подразумевает огромное количество информации о предсказаниях, касающихся несуществующих Вселенных. Следовательно, для описания Вселенной необходимо нечто гораздо более слабое, нежели закон. Нам не нужны экстравагантные объяснения, опирающиеся на предсказания, которые нельзя проверить. Вполне достаточно объяснения, которое учитывает лишь то, что на самом деле происходит в нашей – единственной – Вселенной.

2) Обычные законы не могут объяснить, почему решение, которое описывает нашу Вселенную, единственно и описывает именно наш вариант мироздания.

3) Закон не может объяснять сам себя. Он не предлагает разумного обоснования, почему в природе реализуется именно этот, а не какой-либо другой закон.

Так что обычные законы природы применительно к Вселенной объясняют слишком много – и в то же время недостаточно.

Единственный способ избежать этих проблем – найти методы, выходящие за рамки ньютоновой парадигмы, новую парадигму, применимую в масштабах Вселенной. Если мы не хотим, чтобы физика уступила место мистике, мы должны изменить ее методы.

Доводы в пользу устранения времени из физики основаны на предположении, что ньютонова парадигма может быть распространена на Вселенную. Если это не так, то доводы за устранение времени утрачивают силу. Отказываясь от ньютоновой парадигмы, придется отказаться и от этих доводов. И тогда можно предположить, что время реально. Можем ли мы предложить истинную космологическую теорию, если мы примем реальность времени? Ниже я расскажу, почему ответ на этот вопрос – да.