Вести с полей науки: в поисках фундамента

anairos — 06.05.2019

Продолжаю вольный пересказ статей из сборника «Что такое фундаментальное?» с моими отступлениями и комментариями.


Ученые стремятся к фундаментальной теории мироздания. И при этом мало кто из них может внятно сформулировать, что это должно значить, и как они поймут, что достигли цели.

Одно популярное мнение гласит: фундаментально то, что уже не требует дальнейшего объяснения. Поиск окончен, мы нашли первопричину, всем спасибо, можно расходиться по домам.

За последние века несколько научных революций были связаны с изменением представления, что фундаментально, а что нет. Классический пример – атомы, которые когда-то считались минимальными кирпичиками мироздания, теперь оказываются сложными системами, чье устройство необходимо дополнительно исследовать.

Это устройство, кстати, вовсе не очевидно. Чтобы объяснить, почему протоны в ядре не разлетаются в стороны под действием собственного электрического отталкивания, пришлось ввести принципиально новый вид взаимодействия – сильное внутриядерное, которое ведет себя совершенно не так, как известные уже давно электричество и гравитация.

Бывает и наоборот. Для Аристотеля покой был естественным состоянием всех вещей, а вот движение требовалось как-то объяснять. Для параболической траектории брошенного камня древние физики разработали сложную модель, включающую в себя завихрения воздуха, толкающие камень вперед.

Потом пришел Ньютон и все перевернул. Теперь естественным, не требующим объяснения и потому фундаментальным стало движение тела с постоянной скоростью (в том числе нулевой), а для любого изменения скорости нужно вмешательство внешней силы.


Еще одним фундаментальным понятием долгое время считалась неопределенность.

У людей с древних времен есть представление, что она действительно существует. Есть события, которые объективно невозможно предсказать. Мы можем говорить о них только в терминах вероятностей – насколько можно ожидать, что случится то или другое.

Однако ученые не склонны с этим соглашаться. В теории вероятностей случайность – не более чем мера неведения.

Джордж Спенсер Браун приводил пример. Предположим, что время от времени ко мне заглядывает приятель. Для него самого эти визиты не случайны. Он заходит вполне целенаправленно и, возможно, даже планирует их заранее. Но поскольку я не в состоянии предсказать его приход, остается лишь вычислять вероятность очередного визита.

К началу двадцатого века статистика переопределила большинство классических вероятностей как частоты: если событие повторяется достаточно долго, мы подсчитываем, сколько раз в среднем случается тот или иной исход. Никакой случайности тут нет, а есть только невозможность заранее рассчитать, что произойдет в этом конкретном случае.

Затем пришла квантовая физика и показала, что на микроуровне неопределенность и непредсказуемость правят бал. Уравнения квантовой физики дают результаты только в виде распределения вероятностей. Более того, доказано, что по-другому и быть не может. Уменьшая неопределенность в одной переменной, мы всегда увеличиваем ее в другой.

Так значит, объективные, фундаментальные шансы все же существуют, и наши предки верно догадались?

Проблема в том, что квантовая неопределенность надежно скрыта от нашего опыта, она никогда не проявляется в макромире. А значит, тем, кто когда-то пришел к выводу о существовании объективных вероятностей, неоткуда было об этом узнать.

Значит, нельзя сразу отвергать и другую версию: неопределенность и здесь маскирует наше незнание. Обнаружив феномен, совершенно неизвестный и не поддающийся объяснению, мы приспособили к нему модель объективной случайности, которая уже была под рукой.

Когда мы не в силах найти объяснение какому-то факту или закону, мы просто объявляем его фундаментальным и перестаем копать в эту сторону. Фундаментальность – признак нашего поражения.


Получается интересно. Ученый продолжает поиск, рано или поздно устает, втыкает флаг в землю и говорит: «Вот, это самое фундаментальное, что только может быть». Но, говоря так, он в то же время понимает – рано или поздно флаг придется переносить.

И все-таки большинство ученых сходятся в вере, что рано или поздно у этого поиска должен быть настоящий конец. Версия «там до самого низа одни только черепахи» неприятна, она царапает душу ученого, привыкшую к логике и системности.

Но вот вопрос: что вообще выпадет в сухом остатке, когда мы объясним все, что только можно объяснить?

Простейший и в то же время самый амбициозный ответ – ничего. Фундаментальная теория объяснит все во вселенной и покажет, что наш мир попросту не может быть каким-то другим.

Поверить в это, конечно, сложно. Мы уже знаем достаточно, чтобы предполагать: наш мир мог бы быть другим, причем множеством разных способов.

Даже Лейбниц, один из первых, кто выдвинул такое представление, все равно основывал свое мироздание на необъяснимом и непостижимом Боге – для верующего человека Бог и есть наиболее фундаментальное понятие, какое только может быть.

Многие считают, что объяснения требует начальное состояние вселенной. Если верить космологии, мир сразу после Большого взрыва обладал очень специфическими свойствами – например, крайне низкой энтропией. Будь эти свойства чуть-чуть другими, вселенная, какой мы ее знаем, попросту не могла бы появиться. Почему так получилось?

Если подумать, вовсе не очевидно, что начальные параметры мироздания должны иметь какое-то объяснение – но мы хотим, чтобы оно было. Ученому не нравится думать, что вселенная, в которой он живет, на фундаментальном уровне произвольна.


Как правило, мы ищем объяснений закономерностям и инвариантам. Если монета упала тысячу раз подряд, все возможные последовательности орлов и решек, получившиеся при этом, одинаково вероятны. Но если она падала орлом и решкой строго поочередно, мы чувствуем, что это лучше бы как-то объяснить.

Поэтому кое-то из ученых предлагает переход к новой парадигме, позволяющей избавиться от некоторых болезненных вопросов. Научные теории должны объяснять, почему в мире существуют те или иные закономерности – но не то, почему они имеют именно такую, а не какую-то другую форму. Форма произвольна, но это уже не имеет значение, потому что ее существование закономерно.

К примеру, что важнее – объяснить, почему существует стрела времени, или почему она направлена именно туда, куда направлена? Вероятно, все-таки первое.

Проблема с этим подходом в том, что он требует признания фундаментальной, объективной случайности, которая в каждом конкретном случае выбирает форму.


Другой подход еще интереснее. Вместо того, чтобы выбирать, что требуется объяснить, мы меняем взгляд на то, что вообще считать объяснением.

В физике господствует редукционизм. Прошлым можно объяснить настоящее. Свойствами и взаимодействием частей – свойства целого.

В этом есть практический смысл. Нам удобно знать, что сделать сейчас, чтобы получить желаемый исход, и как собрать целое из частей, чтобы оно имело нужные нам свойства.

Но вселенная ведь не обязана следовать нашим практическим надобностям. Она вполне может быть устроена по-другому. Более того – очень похоже, что так и есть.

Редукционисты надеялись, что, чем дальше вглубь, тем проще будет вселенная, пока мы не дойдем до основания, столь простого, что его можно будет объявить первоначалом и на этом остановиться.

Но так не произошло. Наоборот, чем дальше, чем сложнее и экзотичнее становятся открывающиеся перед учеными пейзажи. Надеялись обрести первочастицу, из которой сложено все остальное – получили такую россыпь элементарных частиц, что придется потратить пару минут только на перечисление. Надеялись понять природу электричества и гравитации – обнаружили еще два фундаментальных взаимодействия, ведущих себя противно всякой интуиции. Пытались объяснить это разнообразие – пришлось вводить одиннадцатимерное пространство, в котором все измерения, кроме четырех, невероятно малы и хитро закручены.

Парадоксальным (для редукционистов) образом все становится проще по мере движения вверх. Большинство квантовых теорий можно ренормализовать, так что возникает эффект инфракрасной фиксированной точки.

На простом языке это значит: одну и ту же ситуацию можно описать сотнями разных способов. Они выглядят по-разному в квантовом масштабе, но по мере приближения к макроуровню делаются неразличимыми.

Так что, возможно, возрастающая сложность теорий – звоночек ученым, что они движутся уже против течения. Возможно, истинный фундаментальный уровень вовсе не далеко внизу, а прямо тут.

Тогда вселенная – набор макроскопических закономерностей и ограничений. Все, что не определено этими ограничениями, отдано на откуп произволу в той или иной форме.

Поэтому-то мы и не можем сказать ничего определенного о том, как устроен квантовый мир. Большую часть времени он не устроен никаким определенным образом – ему это просто не нужно. Мир прекрасно функционирует и без необходимости четко определять, что в это время делает каждый конкретный электрон.

Только ученым приходит в голову задавать вопросы, требующие такой точности ответа. Их эксперименты с ускорителями буквально создают микромир – таким, чтобы все равно соблюдались фундаментальные принципы. Физики конструируют частицы, как конструируют и сами ускорители.


Если следовать такой парадигме, придется признать, что атомы более фундаментальны, чем протоны, электроны, а уж тем более кварки.

Возможно, со временем мы решим, что атомы и были с самого начала базовыми кирпичиками мироздания.

Оставить комментарий

Популярные посты:

• Ранее
• Архив