Возможно, вселенная – это просто красивое математическое уравнение

Квантовая теория поля озадачила ученых: а что же такое вообще взаимодействие? Иллюстрация Pixabay

Классическая наука, безусловно, предполагает существование внешнего мира, свойства которого определены и независимы от наблюдателя. Объекты существуют и имеют такие физические свойства, как скорость и масса, поддающиеся количественному измерению. В классической науке теория старается описать объекты и их свойства, причем все измерения и человеческие ощущения должны укладываться в эти теории. И наблюдатель, и наблюдаемое существуют в объективной реальности и принципиально не различаются. Специальная теория относительности оставалась классической, поскольку признавала: безусловное соответствие модели и реальности и возможность только одной модели (набора правил или законов) Вселенной.

Таков принцип научного реализма.

Сгустки абстрактных свойств

Согласно теории Альберта Эйнштейна, мы наблюдаем в трехмерном пространстве проекции того движения, которое происходит в пространстве четырехмерном. Это подводит к мысли об искажении нашего восприятия, о возможности большего количества измерений и наложения разных моделей. В каких-то из них действует механика Ньютона, в каких-то – теория электромагнитного поля, а где-то – теория относительности. По сути, это уже и есть модельно-ориентированный реализм, оставалось лишь ввести принцип неопределенности – но с этим принципом квантовой механики создатель специальной и общей теории относительности так и не смог смириться.

Он увязал не только пространство и время: знаменитая формула E=mc2 доказала единство материи и энергии. Число элементов, составляющих Вселенную, сократилось до материи-энергии, проявляющейся в пространстве-времени. Не только «наше» пространство-время может быть искаженной проекцией более сложной системы координат, сама материя-энергия изначально искажена!

В науке последних десятилетий формируется принцип модельно-зависимого реализма, восходящий еще к Нильсу Бору в квантовой физике. Согласно этому принципу, для того чтобы наиболее адекватно описать физический объект, относящийся к микромиру, его нужно описывать во взаимоисключающих, дополнительных системах описания, например одновременно и как волну, и как частицу. Наша классическая логика оказывается недостаточной для описания внешнего мира.

Нильс Бор использует, казалось бы, очень простое средство: признает допустимым взаимоисключающее употребление двух языков, каждый из которых базируется на обычной логике. Они описывают исключающие друг друга физические явления, например непрерывность и дискретность (атомизм) световых явлений. Принцип дополнительности – это, собственно, признание того, что четко построенные логические системы действуют как метафоры, а свет является и потоком частиц, и волной одновременно.

Модельно-зависимый реализм допускает сосуществование нескольких моделей, если все они достаточно точно объясняют и предсказывают события. «Новый» реализм позволяет пользоваться той моделью, которая подходит в данной ситуации. Также модельно-зависимый реализм признает огромную роль наблюдателя.

С открытия электрона начинается – и продолжается до сих пор – изучение внутреннего строения атома. Квантовая теория показала, что составляющие атом субатомные частицы (электроны, протоны и нейтроны) ведут себя скорее как сгустки абстрактных свойств, чем как маленькие бильярдные шарики материи. На каждом более глубоком уровне то, что считалось материей, оказывается чистой структурой. Последним достижением в этом многовековом процессе дематериализации природы является теория струн, которая строит материю из чистой геометрии.

Вслед за протонами и нейтронами, существование которых доказано экспериментально, в модель были добавлены кварки. Они не могут существовать в свободном виде – лишь в группах из трех (протоны и нейтроны) или парами (кварк и антикварк). Затем у этих частиц обнаружилось много подвидов и свойств; появились частицы-переносчики взаимодействий (хорошо знакомые фотоны, переносчики электромагнитных взаимодействий, а также бозоны и глюоны). К сегодняшнему дню открыто более 300 частиц, большинство из них нестабильно и распадается за доли секунды.

Ищите третьего

В отличие от теории относительности, корректировавшей законы Ньютона, квантовая механика описывает состояния, к которым законы Ньютона (и вообще жестко зафиксированные законы) не применимы. Из корпускулярно-волнового дуализма Вернер Гейзенберг в 1926 году вывел принцип неопределенности. Этот принцип гласит, что определенные пары свойств (так называемые канонически сопряженные переменные) связаны друг с другом таким образом, что не могут быть точно вместе измерены. Одна такая пара переменных – координаты и импульс частицы: чем точнее вы установили положение частицы, тем менее точно вам известно значение ее импульса, и наоборот. Другой парой переменных являются время и энергия: чем точнее вам известен промежуток времени, в течение которого произошло какое-то событие, тем меньше вы знаете об энергии, связанной с этим событием.

Квантовая теория поля озадачила ученых: а что же такое вообще взаимодействие? Действительно, скажем, две частицы провзаимодействовали. А как это произошло? Квантовая теория поля говорит: если видите, что две частицы взаимодействуют – ищите третью. Ведь взаимодействие – это по факту обмен между частицами, из которых состоит вещество, другой частицей, которую мы называем обменным бозоном.

Итак, получены две изумительные теории, которые описывают гравитацию на макромасштабах и взаимодействие частиц на микромасштабах, которые позволяют делать точные расчеты и объясняют многие неразрешимые до этого феномены. Но они абсолютно не стыкуются друг с другом. Если для трех из четырех фундаментальных взаимодействий мы смогли расписать их поля и, изощрившись математически, получить на кончике пера эти самые обменные бозоны, то для гравитации это сделать не удается до сих пор. Поиск особых частиц, ответственных за гравитацию (гравитонов), пока остается безуспешным.

Континуум оказался прерывистым, прямая линия – отнюдь не кратчайшим путем в нем, во Вселенной обнаружились черные дыры, откуда не могут высвободиться ни одна частица и ни один квант энергии. Они же, по предположению Стивена Хокинга, могут оказаться кротовыми норами, ведущими… Куда? В другую часть Вселенной? В другую точку пространства-времени? В иную вселенную или в состояние до появления мира?

Помимо двух давно известных видов взаимодействий – гравитации и электромагнетизма в природе наблюдаются также сильные и слабые ядерные взаимодействия. С середины ХХ века физики пытаются восстановить единую картину мира.

Теория Всего, будучи созданной, заведомо отличалась бы от классической, где принцип неопределенности невозможен. Вопрос в современной научной картине мира остается открытым – возможно ли найти связь между событиями космического уровня и квантовой механикой? Тот принцип, который объединял бы их? Или точку, где они совпадают?

Реальная тень нереальных объектов

Вопреки человеческой интуиции ни фундаментальные параметры, ни законы природы не обусловлены логическими или физическими принципами. В различных уголках мультивселенной параметры могут принимать множество значений, а законы иметь любую форму, допускаемую математически.

Один из радикальных платонистов, американский космолог и математик Макс Тегмарк верит в то, что Вселенная по своей сути имеет математическую природу, а также в то, что математические сущности абстрактны и неизменны в любых возможных мирах. Тегмарк утверждает, будто каждая математическая структура, обладающая непротиворечивым описанием, существует в реальном физическом смысле. Каждая из этих абстрактных структур представляет собой параллельный мир, а все вместе эти параллельные миры образуют математическую мультивселенную.

«Элементы этой мультивселенной не находятся в одном и том же пространстве, но существуют вне пространства и времени», – отмечает Тегмарк. По его мнению, их можно представить себе в виде «статичных скульптур, представляющих математическую структуру физических законов, которые ими руководят».

Математики размышляют о бесконечностях, кристаллических когомологиях и множествах Мандельброта, которые не существуют в нашем пространстве-времени, то есть являются нематериальными. Точка, линия и круг также не представляют собой реальных физических сущностей. Однако и к области сознания (человеческому мозгу) они тоже не относятся, ибо ограниченный нейронной структурой ум математика никак не может вместить весь бесконечный ряд чисел или представить идеальные геометрические формы наподобие шара или параллелепипеда.

Так в каком смысле математические понятия существуют? Ответ зависит от того, что мы понимаем под словом «существование». Древнегреческий философ Платон ответил бы, что математические понятия существуют в реальности. Более того, он считал, что математические объекты неизменны и не подвержены течению времени, а значит, более реальны, чем объекты, доступные нашему непосредственному восприятию. С точки зрения Платона, подобные математические формы и составляют истинную реальность, а все остальное – всего лишь отбрасываемая ею тень.

Разумеется, абстрактные идеи – например, идеи чисел и множеств – не могут использоваться в объяснении обычных причинно-следственных связей: нельзя сказать, что число «пи» привело к сингулярности – Большому взрыву. Однако в случае объяснения существования мира в целом стоит ли автоматически отвергать конечную причину, выраженную абстрактно и математически?

В современной науке есть одно недоказанное допущение: любое объяснение всегда должно включать физические объекты. Согласно этому допущению, для объяснения определенного факта (например, факта существования Вселенной в целом) нужно прибегнуть к другим фактам физической реальности. Но что, если причину существования мира в целом следует искать в области таких не-фактов и не-объектов, как логические законы, математические понятия или принцип неопределенности из квантовой физики?

Создание всеохватывающей теории Всего было мечтой Эйнштейна, однако он так и не увидел ее осуществления. Над Теорией Великого Объединения продолжали работать физики и второй половины ХХ века. Такая единая теория Всего будет более общей по отношению к частным теориям, которые она заменит в силу большей простоты.

Вместо постулирования четырех сил, каждая из которых подчиняется своему набору законов, будет всего одна сила, а стало быть, один набор законов. Подобная единая теория может оказаться максимально близкой к полному физическому объяснению того, почему мир таков, какой он есть. И все равно в ней не будет ответа на то, почему эта теория окончательна, поэтому она не удовлетворяет принципу достаточного основания Лейбница, который требует наличия объяснения для каждого факта. Почему именно эта сила, именно этот закон? Ведь для каждого истинного утверждения должно быть основание, почему оно истинно, а для каждого существующего явления или события должна быть причина, почему оно существует.

Окончательная теория Всего обещает заглянуть гораздо дальше современной физики в прояснении вопроса о происхождении Вселенной и человека. Например, она может показать, как пространство и время появились из более фундаментальных сущностей, о которых мы пока не имеем и понятия. Однако непонятно, как даже окончательная теория могла бы объяснить, почему существует Вселенная, а не Ничто. Разве законы физики или математические уравнения могут как-то сообщить Пустоте, что в ее чреве зреет Бытие? Если это так, то где живут сами законы физики и математики?

Физики, ведомые своим чувством математической красоты, ищут все более и более фундаментальные принципы, позволяющие связать стандартную модель с общей теорией относительности Эйнштейна во всеобъемлющую окончательную теорию.

А может, законы – не просто описания реальности, а сами по себе имеют независимое существование? В отсутствие пространства, времени и материи на каких нематериальных сущностях они могут быть записаны? Если носитель математики – это ум, означает ли это, что ум должен предшествовать Вселенной?

Если фундаментальные законы физики, подобно вечным и неизменным формам в теории идей Платона, обладают собственной реальностью, то это приводит к новой загадке – точнее, к двум загадкам. Что придает этим законам их силу, что оживляет их? Ведь даже Платону понадобился божественный демиург, чтобы выполнить работу по созданию мира в соответствии с планом, представленным формами. Вторая загвоздка относится к еще более фундаментальному основанию: почему существуют именно эти, а не какие-то другие законы?

Если никакая окончательная теория не сможет объяснить тайну бытия, то, как написал физик Стивен Вайнберг в книге «Первые три минуты», хотя бы попытка познать Вселенную станет для нас «одной из очень немногих вещей, которые приподнимают человеческую жизнь над уровнем фарса и придают ей черты высокой трагедии». 

Ростов-на-Дону