10. Принципы новой космологии.

Теперь мы начинаем поиск теории, которая действительно может быть теорией целой вселенной. Такая теория должна избежать космологической дилеммы, а также она должны быть фоново-независимой — не предполагать деления мира на две части, одна из которых содержит динамические переменные, которые эволюционируют, а другая содержит фиксированные структуры, обеспечивающие фон, чтобы придать смысл эволюционирующей части. Все, что утверждает теория, это что часть реальности должна определяться ее взаимосвязями с остатком реальности, что в известном смысле превращает его в субъект изменений.

Что мы должны требовать от правильной космологической теории?

— Любая новая теория должна содержать то, что мы уже знаем о природе. Нам нужно, чтобы текущие теории — Стандартная Модель Физики Частиц, ОТО и квантовая механика — возникали как приближения к неизвестной космологической теории всякий раз, когда мы ограничиваем наше внимание масштабами расстояний и времени, меньшими, чем космические.

— Новая теория должна быть научной. Настоящие объяснения показывают свою применимость, имея мириады неожиданных следствий. Тут могут быть не просто придуманные вещи, поскольку они выглядят красиво. Реальная теория должна заключать в себе особые проверяемые предсказания.

— Новая теория должна отвечать на вопрос «Почему эти законы?». Она должна давать нам глубокое понимание, как и почему были выбраны отдельные элементарные частицы и силы, описываемые Стандартной моделью. В особенности, она должна объяснять специальные и неправдоподобные значения фундаментальных констант, которые существуют в нашей вселенной, — параметров вроде масс элементарных частиц и интенсивностей различных сил, которые устанавливаются Стандартной Моделью.

— Новая теория должна отвечать на вопрос «Почему эти начальные условия?», объясняя, почему наша вселенная имеет свойства, которые кажутся необычными при сравнении с возможными вселенными, которые могут быть описаны теми же законами.

Это минимальные требования. Установив, что мы говорим о теории целой вселенной, коллективная мудрость физиков — содержащаяся в трудах великих умов, которые боролись за изобретение теорий естественного мира, среди которых Кеплер, Галилей, Ньютон, Лейбниц, Эрнст Мах и Эйнштейн — диктует, что мы можем точно определить несколько больше[74]. Вот моя интерпретация того, чему эти мудрецы могли бы нас научить:

Объяснения такой теории, дающие особенности нашей вселенной, должны зависеть только от вещей, которые существуют или появляются внутри вселенной. Цепь объяснений не может указывать за пределы вселенной. Так что мы должны потребовать соблюдение принципа объяснительной замкнутости.

Чтобы быть научной, теории не требуется давать точный ответ на любой вопрос, который вы можете себе вообразить, но должно быть большое число вопросов, на которые мы верим, что смогли бы ответить, если бы мы знали вселенную более детально. Принцип достаточного обоснования Лейбница постулирует, что должен быть ответ на любой обоснованный вопрос, который мы можем задать о том, почему вселенная имеет некоторое особое свойство. Важный тест новой научной теории заключается в том, возрастает ли с ней число вопросов, на которые мы можем ответить. Прогресс возникает тогда, когда мы открываем причины тех аспектов вселенной, которые не могли быть объяснены более ранними теориями.

Принцип Лейбница имеет некоторые следствия, которые должны накладывать ограничения на космологическую теорию. Одно из них, что во вселенной не должно быть ничего, что действовало бы на другие вещи, не подвергаясь в свою очередь действию от них. Все влияния или силы должны быть обоюдными. Мы можем назвать это принципом отсутствия действий без взаимности. Эйнштейн ссылался на этот принцип для подтверждения своей замены Ньютоновской теории гравитации на ОТО. Его мыслью было, что Ньютоновское абсолютное пространство говорит телам, как двигаться, но ничего обратного не происходит; тела во вселенной не влияют на абсолютное пространство. Абсолютное пространство просто есть. В ОТО Эйнштейна взаимосвязь между материей и геометрией взаимна: Геометрия говорит материи, как двигаться, а материя, в свою очередь, влияет на кривизну пространства-времени. Также никто не может повлиять на течение Ньютоновского абсолютного времени. Ньютон предполагал, что оно течет одинаково, пуста ли вселенная или полна материей. В ОТО присутствие материи влияет на поведение часов.

В таком случае этот принцип запрещает ссылку на структуры фиксированного фона — объекты, чьи свойства постоянно фиксированы безотносительно к движению материи.

Эти фоновые структуры являются бессознательным физики, молча формируя наше мнение о придании смысла базовым концепциям, которые мы используем, чтобы представить мир. Мы думаем, что мы знаем, что означает «положение», поскольку мы делаем неосознанное допущение о существовании абсолютной системы отсчета. Некоторые из фундаментальных этапов в развитии физики состояли в осознании существования структуры фиксированного фона внутри вселенной, удалении этой структуры и замене ее на динамическую причину. Именно это делал Эрнст Мах, когда опровергал Ньютона, утверждая, что мы чувствуем головокружение, когда вращаемся, потому что мы движемся относительно материи во вселенной, а не относительно абсолютного пространства.

Если мы настаиваем на обоюдном действии и исключаем структуры фиксированного фона, мы имеем в виду, что каждый объект во вселенной развивается динамически, во взаимодействии с любым другим. В этом сущность философии реляционализма, которую обычно приписывают Лейбницу (вспомним наше обсуждение понятия «положение» в Главе 3). Мы можем расширить эту идею до утверждения, что все свойства в космологической теории должны отражать эволюционирующие взаимоотношения между динамическими объектами.

Но если свойства тела — свойства, по которым мы его идентифицируем и отличаем от других тел, — суть взаимоотношения с другими телами, то не может быть двух тел, которые имеют одинаковые взаимоотношения с остальной вселенной. Две вещи, которые имеют те же самые взаимосвязи со всем остальным во вселенной, должны на самом деле быть одной и той же вещью. Это другой принцип Лейбница, называемый идентичность неразличимых. Он тоже является следствием принципа достаточного обоснования, так как если имеются два разных объекта с одинаковыми взаимосвязями с остальным миром, нет оснований, чтобы они были как они есть и не обменивались бы местами. Это бы означало наличие фактов о мире, которые не имеют рационального объяснения.

Так что в природе не может быть фундаментальных симметрий. Симметрия есть преобразование физической системы, которое меняет местами ее части, в то же время оставляя теми же все ее физически наблюдаемые величины[75]. Пример симметрии Ньютоновской физики есть трансляция подсистемы из одного места в пространстве в другое. Поскольку законы физики не зависят от того, где система находится в пространстве, предсказания будут неизменными, если лаборатория — и все, что может оказывать воздействие на экспериментальные результаты, — переместилась на шесть футов влево. Мы констатируем независимость экспериментальных результатов от положения в пространстве, говоря, что физика инвариантна относительно трансляции системы в пространстве.

Симметрии присущи всем известным нам физическим теориям. Некоторые из наиболее полезных орудий в инструментарии физиков используют наличие симметрий. Однако, если принципы Лейбница справедливы, симметрии не должны быть фундаментальными.

Симметрии возникают из акта трактовки подсистемы вселенной, как если бы она была единственной существующей вещью. Это только потому, что мы игнорируем взаимодействия между остальной вселенной и атомами в нашей лаборатории, так что не имеет значения, двигаем ли мы лабораторию в пространстве. Это также объясняет, почему не имеет значения, вращаем ли мы изучаемую нами подсистему. Не имеет значения, поскольку мы игнорируем взаимодействия между этой подсистемой и остатком вселенной. Если мы приняли эти взаимодействия во внимание, определенно вращение подсистемы стало бы иметь значение.

Но что если сама вселенная транслируется или вращается? Нет ли тут симметрии? Нет, поскольку не меняется ни одно относительное положение внутри вселенной. С реляционистской точки зрения не имеет смысла транслировать или вращать вселенную. Симметрии, такие как трансляции и вращения, тогда не являются фундаментальными; они возникают из разделения мира на две части, как это описывалось в предыдущей главе. Эти и другие симметрии являются свойством только приблизительных законов, применяемых к подсистемам вселенной.

Это имеет ошеломляющее следствие: Если эти симметрии приблизительны, тогда такими же являются законы сохранения энергии, импульса и момента импульса. Эти базовые законы сохранения зависят от допущения, что пространство и время симметричны относительно трансляций во времени, трансляций в пространстве и вращений. Связь между симметриями и законами сохранения является содержанием основополагающей теоремы, доказанной в начале 20-го столетия математиком Эмми Нётер[76]. Я не хочу пытаться объяснить здесь ее доводы, но ее теорема является одной из опор физики и заслуживает большей известности.

Итак, неизвестная космологическая теория не будет иметь ни симметрий, ни законов сохранения[77]. Некоторые специализирующиеся на частицах физики, находясь под впечатлением успеха Стандартной Модели, решили сказать, что чем более фундаментальной является теория, тем больше симметрии одна должна иметь. Это точно неверный урок, который можно извлечь[78].

* * *

Мы подошли теперь к самому важному вопросу по поводу неизвестной космологической теории: Что она должна сказать о природе времени? Будет ли время ликвидировано, как в ОТО Эйнштейна? Исчезнет ли время, и будет возникать только когда необходимо, как в квантовой космологии Барбура? Или время будет играть существенную роль в отличие от любой из теорий со времен Ньютона?

Я уверен, что время необходимо для любой теории, которая отвечает на вопрос Почему такие законы? Если законы должны быть объяснены, они должны развиваться. Это обсуждалось Чарльзом Сандерсом Пирсом, которого я цитировал во Введении. Посмотрим на эту цитату еще раз, чтобы вычленить приведенный им довод. Он начинает: «Допускать, что универсальные законы природы поддаются постижению умом, и все еще не иметь обоснования для их особых форм, просто констатируя необъяснимость и иррациональность, едва ли является позволительной позицией».

Мы можем понимать это как изложение принципа достаточного обоснования Лейбница: Мы должны быть в состоянии сказать, почему законами являются открытые нами законы природы, а не какие-то другие. Пирс еще раз подчеркнул это в следующих двух предложениях: «Единообразие есть в точности тот сорт фактов, которые должны быть вычисленными… Закон поистине есть вещь, которая ожидает обоснования».

Это изложение вопроса Почему эти законы?. Факты о мире должны быть объяснены, а более всего требует объяснения факт, почему мы наблюдаем, что в нашей вселенной удерживаются конкретные законы.

Далее он утверждает, что «единственно возможный путь вычисления для законов природы и для единообразия в целом — предположить их результатом эволюции». Это сильное заявление. Пирс не приводит аргументов в пользу своего заключения, что законы должны развиваться; он просто утверждает, что это «единственно возможное» решение вопроса Почему эти законы? Я не знаю, приводил ли он когда-либо и где-либо в своих многочисленных рукописях и записных книжках доводы к своему заключению. Но вот один из доводов, который он мог бы сделать.

Наша задача объяснить, почему объект — в данном случае, вселенная — имеет особое свойство, а именно, что элементарные частицы и силы взаимодействуют посредством процессов, описываемых Стандартной Моделью Физики Частиц. Проблема манящая, поскольку мы знаем, что Стандартная Модель со своими особыми параметрами есть только один из гигантского числа возможных выборов законов природы. Так как же нам объяснить, почему объект имеет особые свойства из огромного набора возможных альтернатив?

Поскольку альтернатив много, мы не видим принципа, устанавливающего точные законы. Если нет необходимого обоснования для выбора, то должно быть некоторое обоснование, почему не хватает логической необходимости. Это могут быть или могли бы быть случаи, в которых выбор был сделан по-разному. Как нам объяснить, как был сделан выбор в случае нашей вселенной?

Если на самом деле имеется только один случай, никогда не будет достаточного объяснения, потому что в силу самого факта не существует логического принципа, который определил бы выбор. Достаточное объяснение требует, чтобы были другие вселенные, с самого начала обеспеченные законами. Что означает, должно было быть более чем одно событие, подобное нашему Большому Взрыву, в котором были выбраны законы природы. (Для простоты мы предполагаем, что законы выбраны при таком драматическом событии как наш Большой Взрыв; мы, безусловно, не имеем подтверждений, что законы природы с тех пор изменились).

Тогда вопрос заключается в том, как организованы Большие Взрывы — события, выбирающие законы. Тут мы можем сослаться на принцип, что вселенная должна быть замкнута с объяснительной и причинной точек зрения. Это означает, мы допускаем, что вселенная содержит все цепочки причин, необходимых для объяснения чего угодно внутри нее. Если мы хотим объяснить, как при нашем Большом Взрыве были выбраны эффективные законы, мы можем обратиться только к событиям в прошлом Большого Взрыва. И мы можем применить ту же самую логику для причин выбора законов, сделанного при Взрыве приоритетными для нас. Таким образом, должна быть последовательность Взрывов, бесконечно распространяющаяся назад в прошлое. Выберем произвольную стартовую точку много Взрывов назад и проследим за выборами законов вперед. Мы увидим, что законы эволюционируют в процессе достижения нашей сегодняшней вселенной. Так мы дошли до заключения Пирса, что если мы надеемся объяснить законы, эти законы должны развиваться[79].

Взрывы могут быть чисто последовательными или могут ветвиться — в прошлое, или в будущее, или в обоих направлениях. Мы можем сконструировать различные гипотезы, вроде того, есть ли ветвление и как в точности при этих событиях происходит модификация законов природы. Во всех этих случаях мы будем объяснять выбор законов, сделанный в самом последнем Большом Взрыве, только в терминах событий в его причинном прошлом. Сценарий такого вида вполне может быть проверен экспериментально; события перед нашим Большим Взрывом могут быть наблюдаемы через информацию, сохранившуюся (если это имеет место) в остатке, пережившем рождение нашей вселенной. В Главах 11 и 18 мы увидим примеры сделанных теорией предсказаний, которые позволяют законам природы развиваться до нашего Большого Взрыва.

Однако, если Большой Взрыв не имеет прошлого, выбор законов и начальных условий произволен, и таких тестов не будет. Также не будет никаких тестов сценариев, в которых существует огромная или бесконечная популяция вселенных, чьи Большие Взрывы все целиком причинно не связаны с нашей вселенной. В научной космологии постулирование параллельных вселенных, вселенных, которые причинно с нашей не связаны, не может помочь нам объяснить свойства нашей собственной вселенной. Мы приходим к заключению, что единственный путь получить научную космологическую теорию, которая способна делать фальсифицируемые предсказания, это если законы эволюционируют во времени. (Предсказание теории фальсифицируемо, если она могла бы быть опровергнута выполнимым экспериментом).

Роберто Мангабейра Унгер определяет это более элегантно[80]. Время или реально, или нет. Если время не реально, то законы не зависят от времени — но тогда выбор законов необъясним по причинам, которые мы уже обсудили. Если, с другой стороны, время действительно реально, то ничто, даже законы, не может длиться вечно. Если законы природы действуют вечно, мы находимся в Ньютоновской парадигме, и вы можете использовать их, чтобы свести любое свойство мира в более позднее время к свойству в более раннее время. Или, что эквивалентно, вы могли бы заменить любую физическую причинность логическим выводом. Так что реальность времени означает, что законы не длятся вечно. Они должны эволюционировать.

Понятие вневременных законов также нарушает реляционистский принцип, что ничто во вселенной не действует без того, чтобы было обратное действие на него. Если вы отдаете предпочтение исключению законов природы из этого принципа, рассматривая их как нечто вне вселенной, вы ставите законы вне области рационального объяснения. Чтобы сделать законы объяснимыми, вы должны рассматривать их как столь же значительную часть мира, как и частицы, на которые они действуют. Это приводит законы к статусу изменяемых и причинно обусловленных. Они становятся объяснимыми, только когда они принимают участие в танце изменений и взаимного влияния, которое делает мир единым целым.

Хотя у нас еще нет космологической теории, мы уже кое-что о ней знаем, если озвучены выдвинутые мной принципы:

— Она должна содержать то, что мы уже знаем о природе, но как приближение.

— Она должна быть научной; это означает, что она должна делать проверяемые предсказания для выполнимых экспериментов.

— Она должна решать проблему Почему такие законы?

— Она должна решать проблему начальных условий.

— Она не должна постулировать ни симметрий, ни законов сохранения.

— Она должна быть замкнутой с причинной и объяснительной точек зрения. Ничто за пределами вселенной не должно быть необходимым, чтобы объяснить любую вещь внутри вселенной.

— Она должна удовлетворять принципу достаточного обоснования, принципу отсутствия действия без взаимности и принципу идентичности неразличимых.

— Ее физические переменные должны описывать эволюционирующие взаимосвязи между динамическими объектами. Не должно быть фоново-зависимых структур, в том числе фиксированных законов природы. Отсюда законы природы развиваются, что подразумевает реальность времени.

Принципы хороши, но на деле нам нужны гипотезы, приводящие к теориям, которые делают проверяемые предсказания. В следующих нескольких главах я опишу некоторые примеры гипотез и теорий, которые реализуют эти принципы, и мы увидим, что эти принципы действительно ведут к проверяемым гипотезам.