Принципы новой космологии

Мы ищем теорию, которая сможет стать истинной теорией Вселенной. В такой теории не должно быть космологической дилеммы. Она должна быть фононезависима, то есть не предлагать разделение мира на две части: динамически развивающуюся и составляющую статический фон для первой. Такая теория имеет дело с реальными объектами, которые должны быть определены путем их отношения к остальной реальности и так обусловливать изменения.

Что мы требуем от истинной космологической теории?

1) Любая новая теория должна включать все, что мы уже знаем о природе . Стандартная модель (СМ), общая теория относительности (ОТО) и квантовая механика должны стать частными случаями неизвестной пока космологической теории, когда мы применяем ее на масштабах расстояний и времени гораздо меньших, чем размер и время жизни Вселенной.

2) Новая теория должна быть научной . Подлинные объяснения доказывают свою состоятельность, предлагая мириады неожиданных предсказаний. Теория – это не просто красиво рассказанная история. Она должна предлагать конкретные проверяемые предсказания.

3) Новая теория должна ответить на вопрос “Почему именно эти законы?” Она должна давать представление о том, как и почему те или иные элементарные частицы и силы, описанные в СМ, отобраны природой. В частности, теория должна объяснить невероятные значения фундаментальных констант, реализованные в нашей Вселенной – такие параметры, как массы элементарных частицы и константы различных взаимодействий, описанных СМ.

4) Новая теория должна ответить на вопрос “Почему именно эти начальные условия?” и объяснить, почему наша Вселенная обладает свойствами, которые кажутся необычными на фоне свойств возможных Вселенных, подчиняющихся тем же законам.

Это минимальные требования. Учитывая, что мы говорим о теории Вселенной в целом, коллективная мудрость тех, кто боролся за создание теории мира (среди них Кеплер, Галилей, Ньютон, Лейбниц, Мах и Эйнштейн), диктует, что мы можем требовать большего[72]. Вот моя интерпретация того, чему учат нас великие. Объяснения свойств нашей Вселенной должны зависеть лишь от того, что существует или происходит в пределах Вселенной. За ее пределами не должно выстраиваться логических цепочек. Мы должны требовать соблюдения принципа замкнутости объяснений.

Теория не обязана давать точный ответ на любой вопрос. Должно существовать много вопросов, на которые, как мы верим, мы могли бы ответить, если бы знали о Вселенной больше. Принцип достаточного основания Лейбница гласит: должен существовать ответ на любой разумный вопрос, который можно задать о том, почему Вселенная имеет некоторые конкретные особенности. Растет или нет количество вопросов, на которые можно ответить, – важный тест научной теории. Если можно объяснить причины, по которым Вселенная обладает некими особенностями, не объяснимыми прежними теориями, то можно говорить о прогрессе. Принцип Лейбница имеет некоторые следствия, которые помогают ограничить класс космологических теорий. В частности, во Вселенной не должно существовать ничего, что воздействует на другие объекты, не являясь, в свою очередь, объектом их воздействия. Эйнштейн использовал принцип взаимного воздействия при создании ОТО взамен ньютоновой теории гравитации. Его смущало, что абсолютное пространство Ньютона определяет движение тел, но тела не оказывают влияния на абсолютное пространство. Абсолютное пространство существовало само по себе. В ОТО взаимоотношения между материей и геометрией пространства взаимны: геометрия определяет, как двигаются тела, а присутствие материи определяет искривление пространства-времени. Также нет ничего, что могло бы повлиять на ход абсолютного времени. Ньютон полагал, что время течет независимо от материи. В ОТО наличие материи влияет на ход часов.

Этот принцип запрещает любое упоминание фиксированных структур на заднем плане, свойства которой неизменны независимо от движения материи. Эти структуры – бессознательное физики, неявно формирующее образ наших мыслей, придающее смысл понятиям о мире. Мы думаем, будто знаем, что такое “положение”, поскольку бессознательно полагаем существование абсолютной системы координат. Несколько важных шагов в науке были сделаны через отбрасывание застывших фоновых структур и замену их динамическими, находящимися в пределах Вселенной. Так сделал Мах, когда он отверг концепцию Ньютона, предположив, что при вращении мы чувствуем головокружение потому, что движемся относительно материи во Вселенной, а не относительно абсолютного пространства.

Если мы исключаем существование фоновых структур, мы приходим к тому, что каждый объект во Вселенной развивается динамически, во взаимодействии со всем остальным. Авторство этой концепции, реляционизма, приписывают Лейбницу (см. главу 3). Можно развить эту мысль: свойства космологической теории должны отражать развивающиеся отношения между динамическими сущностями. Но если свойства объекта, с помощью которых мы отличаем его от других объектов, суть отношения с другими объектами, во Вселенной не может существовать двух объектов с одинаковым набором отношений к Вселенной. Два объекта, которые имеют одинаковые отношения к Вселенной, тождественны. Это еще один из принципов Лейбница – тождество неразличимых . Это также следствие принципа достаточного основания: если существуют два объекта, одинаковых по отношению к миру, нет причины, по которой они не должны быть взаимозаменены.

Таким образом, в природе не существует фундаментальных симметрий. Симметрии – это трансформация физической системы, перестановка ее частей, при которой все ее физические наблюдаемые величины остаются неизменными[73]. Примером симметрии ньютоновой физики является перенос подсистемы из одного места в другое. Поскольку законы физики не зависят от того, где находится система, предсказания останутся неизменными, если лаборатория (и все, что может повлиять на результаты эксперимента) перемещается на 6 футов влево. Мы утверждаем независимость экспериментальных результатов от положения в пространстве: физика инвариантна относительно переноса системы.

Симметрии присущи всем известным физическим теориям. Несколько из наиболее полезных инструментов в физике опираются на факт существования симметрий. Но если принципы Лейбница справедливы, симметрии не должны быть фундаментальными.

Симметрии возникают из-за того, что мы рассматриваем подсистемы Вселенной как будто они – все, что существует. Это происходит потому, что мы игнорируем взаимодействие атомов в лаборатории с остальной Вселенной, так что не имеет значения, насколько мы переместим лабораторию в пространстве. Это также объясняет, почему неважно, будем ли мы вращать изучаемую подсистему: мы пренебрегаем взаимодействием между подсистемой и остальной Вселенной. Если бы мы приняли эти взаимодействия во внимание, то, безусловно, вращение подсистемы имело бы значение.

Но что если сама Вселенная перемещается или вращается? Разве это не симметрия? Нет, потому что никакое относительное положение внутри Вселенной при этом не меняется. С реляционной точки зрения нет смысла говорить о перемещающейся или вращающейся Вселенной. Следовательно, симметрии, такие как перемещение и поворот, не фундаментальны. Они происходят от разделения мира на две части (см. главу 9). Эти и другие симметрии отражают лишь свойства приблизительных законов, применяемых к подсистемам во Вселенной.

Но если эти симметрии приблизительны, то таковы и законы сохранения энергии, импульса и углового момента. Законы сохранения основаны на предположении, что пространство и время симметричны по отношению к переносу во времени, перемещению в пространстве и вращению. Основную теорему о связи между симметриями и законами сохранения в начале XX века доказала Эмми Нетер[74]. Я не буду пытаться повторить здесь ее доказательство. Скажу лишь, что теорема является одним из столпов физики и заслуживает широкой известности.

Поэтому будущая космологическая теория не содержит ни симметрий, ни законов сохранения[75]. Некоторые физики, работающие в области физики элементарных частиц и находящиеся под сильным впечатлением от успеха стандартной модели (СМ), убеждены, что фундаментальная теория должна содержать больше симметрий. Это однозначно не так[76].

Мы подошли к самому важному вопросу: что будущая теория скажет о природе времени? Будет ли здесь понятие времени устранено, как в ОТО? Будет ли время исчезать и снова возникать лишь при необходимости, как в квантовой космологии Барбура? Или время будет играть в ней важную роль, в отличие от любой теории со времен Ньютона?

Я считаю, что время необходимо в любой теории, отвечающей на вопрос, почему мы имеем дело именно с этими законами. Давайте взглянем еще раз на цитату Чарльза С. Пирса, которого я цитировал выше[77]:

Предполагать, что универсальные законы природы могут быть поняты разумом и однако же не иметь никакого обоснования своим особенным формам, оставаясь необъяснимыми и иррациональными, – позиция вряд ли оправданная.

Это соответствует принципу достаточного основания: мы должны быть в состоянии объяснить, почему законы природы, с которыми мы имеем дело, именно таковы. Пирс это подчеркивает:

Единообразия – это и есть те самые факты, которые необходимо объяснять… Закон – это par exellence вещь, требующая объяснений.

Это касается вопроса, почему законы таковы. Факты должны быть объяснены, и более всего в объяснении нуждается существование во Вселенной конкретной формы законов. Пирс утверждает, что

единственно возможный путь объяснить законы природы и единообразие в целом – предположить, что они являются результатом эволюции.

Сильное заявление! Пирс не приводит доказательств эволюции законов. Он просто утверждает, что это единственный возможный ответ на вопрос, почему законы именно таковы, каковы они есть. Я не знаю, приводил ли где-нибудь Пирс аргументы, но вот один довод, который он мог бы озвучить.

Наша задача состоит в том, чтобы объяснить, почему объект, в данном случае Вселенная, обладает особыми свойствами, а именно: конкретным спектром элементарных частиц и взаимодействий, описываемых СМ. Эта проблема представляется сложной, потому что мы знаем: СМ с ее конкретными параметрами – лишь один из огромного ряда вариантов законов природы. Как объяснить, почему что-либо обладает особым свойством?

Так как есть множество равнозначных вариантов, ни один принцип не может оправдать существование конкретной формы наблюдаемых законов. Если нет необходимой причины, должна иметься излишняя с точки зрения логической необходимости причина. Может быть, имеют место случаи, в которых был сделан разный выбор. Как мы можем объяснить, как выбор был сделан в случае нашей Вселенной?

Если действительно был реализован лишь один сценарий, этому нет (и не будет) достаточного объяснения: отсутствует логический принцип, определяющий выбор. Принцип достаточного основания требует наличия других Вселенных, изначально наделенных своими законами. То есть должно произойти более одного события, такого как Большой взрыв, в момент которого сделан выбор конкретных законов. Для простоты мы предполагаем, что выбор законов был сделан во время такого драматического события, как наш Большой взрыв, и у нас, конечно, нет доказательств того, что законы природы с тех пор изменились.

Возникает вопрос: как произошел Большой взрыв (событие, во время которого определяется конкретная форма законов)? Здесь мы можем применить принцип объяснимости и причинной замкнутости Вселенной. То есть мы предполагаем, что Вселенная содержит все логические цепочки, необходимые для объяснения в ее пределах. Если мы хотим объяснить, как во время Большого взрыва были отобраны эффективные законы, мы можем сослаться лишь на события до Большого взрыва. Мы можем применить ту же логику к объяснению причин выбора законов во время взрывов до нашего Большого взрыва. Должна, следовательно, существовать бесконечная последовательность взрывов, уходящая в прошлое. Выберем произвольную отправную точку на шкале времени за много взрывов до нашего и проследим за выбором законов. Мы увидим, что по мере приближения к рождению нашей Вселенной законы эволюционировали. Таким образом, мы пришли к выводу Пирса о том, что если мы надеемся объяснить законы природы, то они должны пройти путь эволюции[78].

Взрывы в прошлом и в будущем могут быть последовательными или параллельными. Мы можем строить гипотезы о том, происходит ли ветвление при параллельном образовании Вселенных и что именно происходит, когда изменяются законы природы. Во всех случаях мы объясним выбор законов, сделанный в последний раз во время Большого взрыва, лишь событиями прежде него. Сценарий такого рода может быть проверен экспериментально. О событиях до Большого взрыва можно судить косвенно – по информации, следам (если таковые имеются). В главах 11 и 18 даны примеры предсказаний в рамках теорий, которые позволяют законам природы эволюционировать до нашего Большого взрыва.

Однако если Большой взрыв не имеет прошлого, выбор законов и начальных условий произволен, и это не позволит провести тесты. Нет возможности провести тесты и в том случае, если подавляющее (или бесконечное) число Вселенных не окажется связано причинно-следственными связями с нашей.

В научной космологии постулирование существования параллельных Вселенных, причинно не связанных с нашей, не поможет объяснить ее свойства. Мы считаем, что построение космологической теории, которая могла бы дать научные предсказания, неизбежно влечет признание того, что законы природы развивались во времени. (Предсказания теории лишь тогда научны, когда они могут быть подтверждены или опровергнуты экспериментально.)

Мангабейра Унгер излагает это элегантнее[79]. Время либо реально, либо нет. Если времени не существует, законы природы неизменны, и тогда выбор законов необъясним по причинам, которые мы обсуждали выше. Если время реально, то ничто, даже законы, не вечно. Если законы вечны, то мы (в рамках ньютоновой парадигмы) можем воспользоваться ими, чтобы вывести любое свойство будущего мира из состояния, в котором он находился прежде. Иными словами, можно заменить любой физический причинный процесс логической последовательностью. Таким образом, утверждение, что время реально, означает, что законы должны изменяться.

Понятие вневременных законов также нарушает принцип относительности, гласящий, что ничто во Вселенной не действует без того, чтобы самому не испытывать воздействие. Если вы решите, что законы природы являются исключением из этого принципа, вы поставите их вне сферы рационального объяснения. Чтобы объяснить природу законов, мы должны рассматривать их как часть мира, подобно элементарным частицам, на которые те действуют. Это придает им такие свойства, как изменчивость и причинность. Мы еще не пришли к космологической теории, однако если принципы, которые я перечислил, справедливы, мы уже кое-что знаем о ней:

Она должна содержать в качестве приближения то, что мы уже знаем о природе.

Она должна быть научной, то есть делать экспериментально проверяемые предсказания.

Она должна отвечать на вопрос, почему у нас именно такие законы.

Она должна решить проблему начальных условий.

Она не должна содержать ни симметрий, ни законов сохранения.

Она должна быть причинно и логически полной. Она не должна привлекать ничего, что вне Вселенной, для объяснений явлений внутри нее.

Она должна удовлетворять принципам достаточного основания, взаимного воздействия и тождества неразличимых.

Ее физические переменные должны описывать развитие отношений между динамическими сущностями. Не должно существовать фиксированных фоновых структур, в том числе законов, застывших во времени. Следовательно, законы природы должны эволюционировать, а это означает, что время реально.

Принципы – это прекрасно, но нам нужны гипотезы, ведущие к теории, способной к экспериментально проверяемым предсказаниям. Ниже я опишу несколько гипотез и теорий, реализующих эти принципы, и мы увидим, что они действительно позволяют выдвинуть проверяемые гипотезы.