Нет никаких законов физики, есть только ландшафт

Original author: Robbert Dijkgraaf
  • Translation

Учёные ищут единое описание реальности. Но современная физика позволяет описывать её множеством способов, многие из которых эквивалентны друг другу, и связаны через обширный ландшафт математических возможностей




Допустим, мы попросили Алису и Боба приготовить еду. Алисе нравится китайская еда, Бобу – итальянская. Каждый из них выбрал свой любимый рецепт, закупился в местном магазине, специализирующемся на нужных продуктах, и тщательно следовал инструкциям. Но когда они достали свои блюда из духовки, то очень удивились. Оказалось, что оба блюда идентичны. Можно представить себе, какими экзистенциальными вопросами будут задаваться Алиса и Боб. Как из разных ингредиентов может получиться одно и то же блюдо? Что вообще означает готовка китайского или итальянского блюда? Нет ли в их подходе к готовке какого-то фатального недостатка?

Именно такое недоумение испытывают специалисты по квантовой физике. Они обнаружили множество примеров двух совершенно разных описаний одной и той же физической системы. Только в случае физики ингредиентами служат не мясо и соус, а частицы и силы; рецепты – это математические формулы, кодирующие взаимодействия; а готовка – это процедура квантования, превращающая уравнения в вероятности физических явлений. И, как Алиса с Бобом, физики недоумевают, как разные рецепты привели к одному итогу.

Может ли природа выбирать свои фундаментальные законы? Альберт Эйнштейн, как известно, считал, что существует уникальный способ построить непротиворечивую, рабочую версию Вселенной на основании базовых принципов. С точки зрения Эйнштейна, если мы достаточно глубоко заберёмся в сущность физики, там окажется один-единственный способ, которым все компоненты – материя, излучение, силы, пространство, время – будут связаны друг с другом, так, чтобы реальность работала, уподобляясь тому, как шестерёнки, пружины, циферблаты и шкивы механических часов уникальным образом комбинируются и отсчитывают время.

Текущая Стандартная модель физики частиц в самом деле является тщательно подогнанным механизмом с небольшим количеством ингредиентов. И, тем не менее, вместо того, чтобы оставаться уникальной, Вселенная является одним из бесконечного количества возможных миров. Мы совершенно не представляем, почему именно такой набор частиц и сил лежит в основе структуры природы. Почему существует шесть ароматов кварков, три поколения нейтрино и одна частица Хиггса? Более того, в Стандартной модели перечислено 19 констант природы – таких значений, как масса и заряд электрона – которые необходимо измерять экспериментально. Значения этих "свободных параметров", кажется, не имеют глубокого смысла. С одной стороны, физика частиц – это чудо элегантности; с другой – история о том, что оно всё такое, потому что такое есть.

Если наш мир – один из множества, что делать с альтернативами? Текущую точку зрения можно рассмотреть как противоположность мечты Эйнштейна об уникальном космосе. Современные физики принимают огромное пространство возможностей и пытаются понять его общую логику и взаимосвязанность. Из золотоискателей они превратились в географов и геологов, размечая детали ландшафта и изучая силы, его формирующие.

Поменять ситуацию и изменить перспективу помогла теория струн. В данный момент это единственный жизнеспособный кандидат на теорию природы, способную описать все частицы и взаимодействия, включая гравитацию, при этом подчиняясь строгим логичным правилам квантовой механики и теории относительности. Хорошая новость состоит в том, что в теории струн нет свободных параметров. У неё нет никаких ручек подстройки, с которыми можно было бы поиграть. Не имеет смысла вопрос, какая именно теория струн описывает нашу Вселенную, поскольку она всего одна. Отсутствие дополнительных особенностей ведёт к радикальным последствиям. Все числа природы должны определяться самой физикой. Нет никаких «природных постоянных», только переменные, фиксируемые уравнениями (возможно, что и чрезвычайно сложными).

И это приводит нас к плохим новостям. Пространство решений теории струн огромно и сложно. В физике такое бывает. Мы традиционно проводим различие между фундаментальными законами, заданными математическими уравнениями, и их решениями. Обычно существует всего несколько законов и бесконечное количество решений. Возьмём законы Ньютона. Они строгие и элегантные, но описывают огромное количество явлений, от падающего яблока до орбиты луны. Если вам известны начальные условия определённой системы, возможности этих законов позволяют вам решить уравнения и предсказать, что случится далее. Мы не ожидаем и не требуем наличия уникальных решений, описывающих всё.

В теории струн определённые особенности физики, которую мы обычно считали бы законами природы – например, определённые частицы или взаимодействия – на самом деле являются решениями. Они определяются формой и размером скрытых дополнительных измерений. Пространство всех решений часто называют «ландшафтом», но это чудовищное преуменьшение. Даже самая захватывающая горная местность покажется ерундой по сравнению с необъятностью этого пространства. И хотя его географию мы понимаем очень слабо, мы знаем, что на ней существуют континенты огромных измерений. Одна наиболее соблазнительная его черта состоит в том, что, возможно, всё связано со всем – то есть, любые две модели связаны непрерывным путём. Если потрясти Вселенную достаточно сильно, мы должны суметь перейти от одного возможного мира к другому, изменяя то, что мы считаем неизменными законами природы и особой комбинацией элементарных частиц, составляющих нашу реальность.

Но как нам изучить огромный ландшафт физических моделей Вселенной, в котором могут оказаться сотни измерений? Полезно представлять себе ландшафт как неразработанную дикую природу, большая часть которой скрыта под толстыми слоями непроходимой сложности. И только на самых её краях мы можем найти обитаемые места. На этих аванпостах жизнь проста и приятна. Здесь мы обнаруживаем полностью понятные нам базовые модели. Они мало чем помогают в описании реального мира, но служат удобными отправными точками для изучения окрестностей.

Хорошим примером будет КЭД, квантовая электродинамика, описывающая взаимодействия между материей и светом. В этой модели есть один параметр, постоянная тонкой структуры α, измеряющая силу взаимодействия двух электронов. В абсолютном выражении она близка к 1/137. В КЭД все процессы можно рассматривать как следствие элементарных взаимодействий. КЭД предлагает нам рассмотреть все возможные способы, которыми два электрона могут обменяться фотоном, что на практике потребовало бы от физиков нахождения чрезвычайно сложной и бесконечной суммы. Но теория даёт нам обходной путь: каждый последующий обмен фотоном добавляет член, в котором присутствует α, возведённая в дополнительную степень. Поскольку это число довольно малое, то члены с большим количеством обменов вносят малый вклад. Ими можно пренебречь, примерно оценивая «реальное» значение.

Эти слабо связанные теории мы считаем аванпостами ландшафта. Здесь сила взаимодействий мала, и имеет смысл разговаривать о списке покупок, состоящем из элементарных частиц, и рецепте вычисления их взаимодействий. Но если мы оставим ближайшее окружение и отправимся на дикие территории, связи станут крупнее, а каждый дополнительный член начнёт становиться важнее. И теперь мы уже не можем различить отдельные частицы. Они растворяются, превращаясь в перепутанную сеть энергий, как ингредиенты торта в горячей духовке.

Не всё, однако, потеряно. Иногда путь сквозь тёмную чащу заканчивается на другом аванпосте. То есть, на другой хорошо контролируемой модели, собранной из совершенно другого набора частиц и взаимодействий. В таком случае они становятся двумя альтернативными рецептами для одной и той же лежащей в их основе физики, как блюда Алисы и Боба. Эти дополняющие описания называют дуальными моделями, а их взаимосвязь – дуализмом. Мы можем рассматривать эти дуализмы в виде великого обобщения знаменитого корпускулярно-волнового дуализма, открытого Гейзенбергом. В случае Алисы и Боба он принимает вид перехода между китайским и итальянским рецептами.

Почему это так интересно для физики? Во-первых, заключение, сводящееся к тому, что многие, если не все модели являются частью огромного взаимосвязанного пространства, находится среди наиболее потрясающих результатов современной квантовой физики. Это смена перспективы, достойная термина "смена парадигм". Она говорит о том, что вместо исследования архипелага из отдельных островов, мы открыли один массивный континент. В каком-то смысле, достаточно глубоко изучая одну модель, мы можем изучать их все. Мы можем изучать то, как эти модели связаны, что будет раскрывать нам общее в их структурах. Важно подчеркнуть, что это явление по большей части не зависит от вопроса о том, описывает ли теория струн реальный мир, или нет. Это внутреннее свойство квантовой физики, которое уже никуда не уйдёт, каким бы ни оказалось будущее «теории всего».

Более радикальный вывод состоит в том, что нам придётся избавиться от всех традиционных описаний фундаментальной физики. Частицы, поля, взаимодействия, симметрии – это всё артефакты простого существования на аванпостах этого обширного ландшафта неприступной сложности. Судя по всему, подход к физике в терминах элементарных строительных блоков неверен, или, по крайней мере, весьма ограничен. Возможно, существует радикально новая платформа, объединяющая фундаментальные законы природы, игнорирующая все знакомые концепции. Математическая запутанность и связность теории струн сильно мотивирует на такую точку зрения. Но надо сказать честно. Очень мало сегодняшних идей о том, что заменит частицы и поля, оказываются «слишком безумными, чтобы быть правдой», если цитировать Нильса Бора. Как Алиса и Боб, физика готова выбросить старые рецепты и принять современную фьюжн-кухню.
Support the author
Share post

Comments 43

    +3
    Давайте не будем признавать, что это наша теория (струн) просто пока неспособна быть полезной на практике, а лучше скажем, что это так и должно быть, так как законов физики просто нет. Супер! Воистину, это худшая статья на QuantaMagazine.

    Уже только ленивый не покритиковал ее, например можно почитать тут или тут, или тут.
    • UFO just landed and posted this here
        +1

        Вы так говорите, будто обратное уже доказано. Теория струн говорит о том, что законы физики лишь следствие существования Вселенной, а фундаменталисты утверждают, что причина. Оба утверждения на данный момент не могут быть опровергнуты. При этом фундаменталисты считают, что побеждают в этом споре, потому что у них больше фактов на руках. Но это не научно без конечного доказательства.

          0
          У меня нет претензий к теории струн. Она пока не имеет отношения к физике, но это очень интересная область математики. У меня претензии к статье.
          Теория струн говорит о том, что законы физики лишь следствие существования Вселенной

          Нееет, они говорят (точнее, этот мужик в статье говорит) что осмысленные законы физики вообще невозможно сформулировать, так что можно расслабиться и получать удовольствие. Такой подход контрпродуктивен в первую очередь для самой теории струн — вместо того, чтобы пытаться привести ее в соответствие с физикой, он предлагает не париться, потому что это все равно невозможно, мол. Это не научный подход.
          0
          так как законов физики просто нет. Супер!

          Если построить апупенно много-много-мерное пространство состояний всех нейронов головного мозга, то в данный момент вы всего лишь точка в нем. И так для каждого человека, невзирая на его физику (точнее биологию, физиологию и тд). А в сумме — ландшафт человеческих вселенных, со своей физикой для каждого. Многим точкам ничего не соответствует, тк такой физики нет, или она не жизнеспособна. Это так, вольная фантазия на тему.
          0
          Это не наука ;-)
          Это некий каприз за то, чтобы наука описывала «замысел».
            +2
            Теория струн не фальсифицируема (потому что каждый опровергающий ее эксперимент объясняет изменением ландшафта), а значит — не научна :).
              0
              Нужно всего-то построить теорию с колв-ом свободных параметров меньше, чем у Стандартной модели. И получить из неё те параметры, которые дает эксперимент.
              Там всего-то 18 констант, правда 2 из них точно не константы.
                0
                В гитаре всего-то семь струн — а столько музыкальных миров порождается… и что обидно, как не перебирай эти струны от попсы ну никак не избавиться)
                0
                Вопрос задан интересный. И поэтому: во множестве вселенных существуют единые настройки? Или только подобные ландшафты — похожие взаимосвязи между сходными объектами?
                Вот Эверетт предположил существование множества миров (вселенных), как когда-то Джордано Бруно. Человечество пока не нашло следов взаимодействия разных вселенных, но пора еще придет… Все течет, все изменяется и, прежде всего, наши представления о мире. а теперь уже и о мирах.
                  +1
                  Или только подобные ландшафты — похожие взаимосвязи между сходными объектами?

                  Ландшафт в их понимании именно что само множество вселенных. Есть один ландшафт, который описывает всю множественность возможных вселенных.

                  Вот Эверетт предположил существование множества миров (вселенных)

                  Та множественная вселенная, о которой идет речь в посте, не имеет отношения к Эверетту. Эверетт — это интерпретация квантовой механики, а в посте про космологию.
                    –1
                    Эверетт — это интерпретация квантовой механики, а в посте про космологию

                    Вроде бы принципы КМ вполне используются в современной космологии (даже есть термин «квантовая космология», известные труды в этой области А.Д. Линде, Лоуренса Краусса и т.д.). Почему интерпретация Эверетта (я не говорю верная ли она или нет) или другие интерпретации КМ не могут иметь отношения к космологии?
                      0
                      Да просто потому что миры Эверетта и миры в космологии — это разные конструкции, которые случайно получили одинаковое название.
                        0
                        У Эверетта Вселенная ветвится постоянно, в каждый момент измерения. В космологии вселенные возникли давным-давно, и новых не появляется. Собственно это относится и к любым другим теориям: квантовая космология про то, как формировалась вселенная с учетом квантовых эффектов, км про здесь и сейчас.
                    +4
                    Пример про Боба и Алису — абсурден по своей сути.
                    Физики имеют готовое «блюдо» и пытаются подобрать «рецепт» и «ингредиенты» так, что бы оно его можно было приготовить. В таком случае глупо удивляться, что результат получается примерно одинаков.
                      0
                      Речь о другом мне кажется. Два готовых «блюдо», которые являются одним. Под каждое подобран «рецепт» и «ингредиенты». Тут уже можно работать над доводкой за счет обьединения моделей двух «блюдо» в некую единую.
                      +3

                      Теория струн давно уже слабо подергивается в конвульсиях, хватит вытаскивать этот полутруп. The Trouble with Physics больше 10 лет, и глубокий кризис этой теории был очевиден уже тогда. Мало того, что она до сих пор не смогла описать существующие явления, не говоря уже о том, чтобы предсказать новые, так еще не доказано, что она внутренне непротиворечива.

                        0
                        в середине нулевых число рецензируемых научных публикаций*, содержащих термин «теория струн» стало падать, тогда как до этого постоянно росло. Тоже самое с заголовок/краткое описание (абстракт)/ключевые слова (сверху график только по заголовкам, снизу заголовок/краткое описание (абстракт)/ключевые слова) image image

                        * индексируемых базой публикаций Scopus
                        0
                        С тех пор, как Ли Смолин написал свою книжку «Неприятности с физикой» в теории струн случился какой-то масштабный качественный скачок? Я что-то пропустил?
                          0
                          То что нет законов физики а есть только ландшафт — достаточно логичный вывод; из самых общих соображений, если бы наука получила конкретную «формулу всего» с конкретными параметрами, описывающую все фундаментальные законы и явления Вселенной — возник бы вопрос: а почему именно эта формула? Почему именно эти параметры? И ответа на этот вопрос не было бы.
                          А так, похоже, мы рано или поздно придем к гипотезе Тегмарка, которая снимает вопрос «а почему мир устроен именно так».
                            0
                            Не понимаю, как эта гипотеза может работать.
                            Если есть математическая структура, достаточная для описания уравнения zn+1=zn2+c, то каким образом из неё возникнет картинка множества Мандельброта?

                            Чтобы из этой структуры появлялись решения, нужен интерпретатор, который и будет настоящей физической реальностью, а не исключительно какая-то структура поверх него.
                              0
                              Вероятно так: если в ландшафте существует математическая структура, достаточно сложная чтобы описать сознание, то это сознание (возникающее из факта возможности его математического описания) воспринимает окружающую реальность как Вселенную с какими-то законами.
                              Если нет — то нет, такой ландшафт остается просто математической абстракцией, которую мы можем представить, но не можем полноценно попасть туда в силу того, что та часть ландшафта не способна описать сложные структуры из нашей части.
                              Введение любых интерпретаторов просто перекладывает ответственность на «следующий уровень», хотя конечно возможно что та часть ландшафта в которой мы живем, устроена как интерпретатор, интерпретирующий какие-то данные из другой части ландшафта. Раз это возможно, то значит где-то так наверняка и есть; может у нас, может и нет. Причем и тех, и других вариантов скорее всего бесконечно много.
                                0
                                Вероятно так: если в ландшафте существует математическая структура
                                На вики не так написано. Там нет никаких ландшафтов, достаточно любой возможности существования структуры. То есть, все миры всех книг, написанных и ненаписанных (но которые могут быть написаны), одинаково реальны. Если есть диск с игрой, можно считать, что все персонажи и все ситуации, которые допускает код игры, реальны.

                                Гипотеза предполагает, что миры, соответствующие различным наборам начальных состояний, физических констант, или совсем других уравнений, можно рассматривать как одинаково реальные
                                  0
                                  Там нет никаких ландшафтов, достаточно любой возможности существования структуры. То есть, все миры всех книг, написанных и ненаписанных (но которые могут быть написаны), одинаково реальны. Если есть диск с игрой, можно считать, что все персонажи и все ситуации, которые допускает код игры, реальны.

                                  Миры книг не реальны потому что не обладают математической структурой достаточно богатой, насколько я понимаю. Вообще теория Тегмарка соблазнительно в отдельных аспектах, но как и с многими философскими теориями всегда будут люди, которые по складу своего ума не будут ее принимать и кому она будет казаться нелепой. Ну и вообще если размышлять о ней глубоко, то там возникают вопросы.
                                    0
                                    Мир книги наследует весь мир читателя, добавляя свои правила и аксиомы. Никто же не разъясняет в книге всю физику, биологию, географию (полагая, что она известна). Аналогично, в любой математической работе никто не начинает с основ логики и исчисления высказываний.
                              0
                              Какой-то солипсизм в Матрице получается… Или матрица в сознании единственного мыслящего существа? Но да, к этому нас тщательно толкает квантовая механика. Ибо все происходящее так или иначе является сверткой волновой функции. Довольно обидно быть (вроде бы) мыслящей сверткой волновой функции…
                              0
                              Почему существует шесть ароматов кварков, три поколения нейтрино и одна частица Хиггса?
                              Меня немного удивляет массовое непонимание связей теорий в физике:
                              Сегодня мы придумали вот это объяснение.
                              Завтра мы придумает объяснение для нашего сегодняшнего объяснения.
                              А послезавтра мы установим теорию для объяснения для нашего сегодняшнего объяснения.
                              Это и есть развитие науки. У каждого постулата существует причина. И еще раз: у каждого постулата существует причина. У каждой причины существует своя причина. Это нормально. Так и должно быть. Некоторые являения можно описать множеством теорий. Это нормально.
                                0
                                Не может быть такого, что в итоге придем к тому, что цепочка причин кончится, придем к «это дано в условиях задачи»? Учёные могут продолжать искать причины именно таких условий, но объективная реальность не даст им их найти в виду их отсутствия.
                                  0

                                  и причины могут расходиться, быть несводимыми к какой-то одной, а наоборот на каждом более глубоком уровне их будет все больше и больше. С одной стороны, это выглядит странно, с другой, надежда, что в основе Всего лежит какая-то одна самодостаточная причина, если подумать, выглядит ещё более странно.

                                    0
                                    Как по мне, то бесконечная цепочка причинно-следственных связей мироздания возможна, но вот у нас есть предел продвижения по ней, предел познания, рано или поздно придём к выводу «причин такого положения дел в мироздании мы выяснить не можем, так как являемся его частью».
                                      0
                                      Вряд ли мы сможем формально доказать, что продвижение дальше невозможно. Скорее всего, будет застой на много лет, а потом снова открытие.
                                        0
                                        Я не исключаю как раз формального доказательства по типу "… из чего следует, что уравнение не имеет корней на множестве вещественных чисел", то есть что-то вроде "… из чего следует, что являюсь частью системы внутри системы мы не можем ни понять почему параметры и свойства системы именно такие, ни узнать существуют ли системы с иным набором параметров"
                                          0
                                          Это в случае, если аксиоматическая база не меняется. В физике же нет никаких проблем принять новые постулаты, если они помогают объяснить наблюдаемые факты.
                                            0
                                            Я о ситуации, когда физика доходит до построения единой модели мироздания, все наблюдаемые явления ею описываются и объясняются, утрируя, какой-то системой уравнений, в которой есть константа типа 42. Но вот почему значение константы именно такое никак не понять, и есть ли мироздания с другим значением константы проверить невозможно, хотя математически и могут быть, но математически же никак не может какая-то матреия, информация и т. п. передаваться между ними.
                                              0
                                              И чем это принципиально отличается от современной «стандартной модели», в которой тоже есть ряд констант, ниоткуда не выводимых. Как может быть устроено доказательство, что их вывод невозможен?
                                                0
                                                Тем, что, насколько я знаю, стандартная модель не может описать все наблюдаемые явления.
                                                  0
                                                  Предположим, что описывает. Как может быть устроено доказательство?
                                –1
                                Статья ни о чем. Просто потратил свое время. Новички мало чего поймут, а опытным все итак очевидно.
                                  0
                                  Интересно, а если реальность такова, какой её описывает теория струн — ну, со всеми этими колебаниями струн и адовым количеством ландшафтов-миров — то, получается, наука в принципе не сможет охватить эту область реальности? И что тогда делать? Ждать откровений из параллельных миров? XDD
                                    0
                                    Наука имеет практическую ценность. Знания порождают технологии, которых раньше не было. Если теория струн или любая другая теория позволит нам создать что-то, до чего без этой теории мы бы не додумались — значит теория годная.
                                    А «уравнения всего» скорее всего действительно нет, как нет абсолютного центра Вселенной, абсолютных понятий верха и низа и прочего геоцентризма.
                                      0
                                      о, получается, наука в принципе не сможет охватить эту область реальности?

                                      Ну возможно наука не всемогуща. В это неприятно верить, но это может быть так. С другой стороны сегодня говорить об этом конечно рано.
                                      0
                                      По самым последним данным, из моей области видимости вселенной, картина всего и ничего обстоит так:
                                      Теоретически существует бесконечное множество вариантов развития событий, соответственно и т.н. параллельных вселенных. Но, как мне видится, на практике веток на порядки меньше.
                                      Моё видение сформировалось изучением новейших технологий, а именно блокчейна. Как пример можно взять DPoS блокчейн, каждый момент времени работы DPoS блокчейна возможно бесконечное множество вариантов развития событий, но тем не менее основная цепь одна единственная, и обусловлена она консенсусом. Несомненно могут возникать и ответвления от цепи, и они могут становиться вполне реальными объектами действительности, и в некоторых случаях даже становиться более обширными чем изначальная цепь, и опять же всё это обусловленно консенсусом. Но даже консенсус одного единственного наблюдателя с самим собой создаёт возможность для существования этой отдельной ветки/реальности.
                                      Тем не менее, технологии не стоят на месте, и если с проецировать блокчейн всем известного проекта TON, на возможную картину реальности, то становится ещё более интереснее. Так например концепция безграничного шардинга выглядит вполне естественно для применения в таких огромных информационных системах, как моя область видимости вселенной.
                                      Несомненно, это исключительно попытки байта познать уголь используемый для трансформации в электричество необходимого для компьютера на котором запущенн калькулятор ищущий вычесление 2 в 56 степени, к которым можно относиться только с иронией.
                                        –2

                                        Физика угодила в 10ʌ500 вариантов ландшафтов Теории струн потому, что «перепрыгнула» через Теорию связанных электрических и магнитных вихрей. Пока мы не доисследуем эту область мы будем «шарахаться» между волновой, квантовой и струнной теориями, хотя все они должны иметь какую-то единую концептуальную основу. Приведу примеры. В опытах Ф.Ф. Менде уже обнаружено образование новых зарядов, объяснением этого м.б. ортогонально пересекающиеся тороидальные и азимутальные электрические вихри (пока это гипотеза, но ее можно проверить). Постоянство скорости света (сколько копий на эту тему сломано?), а на самом деле, если свет – это «печатанье» в пространстве последовательности связанных электрических и магнитных вихрей, то этот процесс никак не зависит от перемещения источника или приемника света. Или те же замкнутые струны – чем это не замкнутый элементарный вихрь, который генерирует связанный вихрь, и вместе они образуют первичную корпускулу пространства. И т.д., и т.д., и т.д. Надо отметить, что все эти и еще много других моделей на основе ЭМ-вихрей являются детерминированными и сводят многообразие ландшафтов от указанного выше к одному единственному варианту. Теорию образования и эволюции Вселенной из связанных ЭМ-вихрей можно прочитать, кликнув в сети «S_теория Чибисов».

                                        Only users with full accounts can post comments. Log in, please.