Атомы и Галактики
Атомы и Галактики
Чтоб гласить о природе Вселенной и рассуждать о том, имеет ли она начало либо конец, следует уяснить, что представляет собой научная теория. Мы будем исходить из того доверчивого представления, что теория менее чем модель Вселенной либо некой ее части, также набор правил, которые помогают сопоставить абстрактные величины и практические наблюдения. Теория существует исключительно в наших разумах и не имеет другой действительности (что бы ни означало это слово).
Неважно какая теория хороша, если она удовлетворяет двум требованиям:
точно обрисовывает большой класс наблюдений на базе модели, содержащей всего несколько случайных частей;
позволяет делать четкие пророчества о результатах будущих наблюдений.
К примеру, Аристотель признавал теорию Эмпедокла, согласно которой все состоит из 4 частей: земли, воздуха, огня и воды. Это была довольно обычная теория, но она не позволяла делать никаких определенных пророчеств.
С другой стороны, теория глобального тяготения Ньютона базирована на еще больше обычный модели, согласно которой тела притягивают друг дружку с силой, пропорциональной их массам и назад пропорциональной квадрату расстояния меж ними. Но невзирая на свою простоту, эта теория с высочайшей точностью предвещает движение Солнца, Луны и планет.
Неважно какая физическая теория всегда условна, в том смысле, что она является только предположением: вы никогда не сможете обосновать ее. Сколько бы раз результаты тестов ни совпадали с пророчествами теории, вы никогда не сможете быть убеждены, что в последующий раз меж ними не возникнет противоречия. С другой стороны, одно единственное наблюдение, не согласующееся с пророчествами теории, способно ее опровергнуть .
Как подчеркивал философ науки Карл Поппер, отменная теория отличается тем, что делает огромное количество пророчеств, которые в принципе могут быть опровергнуты либо, как молвят философы, фальсифицированы наблюдениями. Всякий раз, когда результаты новых тестов согласуются с пророчествами теории, она выживает и наше доверие к ней возрастает; но, если хоть одно наблюдение противоречит теории, мы должны ее откинуть либо пересмотреть.
По последней мере, подразумевается, что так должно быть, но вы всегда сможете подвергнуть сомнению компетентность того, кто делал наблюдения.
На практике новенькая теория часто является развитием предшествующей. К примеру, очень четкие наблюдения за планеткой Меркурий нашли маленькие расхождения меж ее реальным движением и тем, что предвещает теория глобального тяготения Ньютона. Пророчества общей теории относительности Эйнштейна малость расползаются с выводами теории Ньютона. То, что пророчества Эйнштейна, в отличие от ньютоновских, совпали с наблюдениями, стало одним из важных подтверждений новейшей теории. Но мы по прежнему используем теорию Ньютона для практических задач, так как различие меж ее пророчествами и пророчествами общей теории относительности очень невелики. (А не считая того, с теорией Ньютона намного проще работать, чем с теорией Эйнштейна!)
Конечная цель науки заключается в том, чтоб дать миру единую теорию, которая обрисовывает всю Вселенную. Но на практике ученые делят эту задачку на две части. Первую часть составляют законы, описывающие, как Вселенная меняется с течением времени. (Если мы знаем состояние Вселенной в определенный момент времени, то эти физические законы произнесут нам, каково будет ее состояние потом.) Ко 2-ой части относятся вопросы, касающиеся начального состояния Вселенной. Некие люди убеждены, что наука должна заниматься только первой частью, оставив вопрос о исходном состоянии метафизике либо религии. Они молвят, что Бог, будучи всевластным, мог дать начало Вселенной хоть каким угодным Ему образом. Может быть и так, но тогда Он также мог вынудить ее развиваться совсем произвольным образом. Но, похоже, что Творец предписал ей развиваться в серьезном согласовании с определенными законами. Потому не разумнее ли представить, что некоторые законы управляли и исходным состоянием Вселенной?
Оказывается, очень тяжело одним ударом изобрести теорию, описывающую всю Вселенную. Заместо этого мы разбиваем задачку на части и создаем огромное количество личных теорий.
Любая из этих теорий обрисовывает и предвещает некий ограниченный класс наблюдений, пренебрегая воздействием других соотношений либо представляя их ординарными наборами чисел. Может быть, этот подход является в корне неверным. Если все во Вселенной взаимозависимо самым базовым образом, то может статься, что нельзя подойти к полному решению, исследуя части трудности по отдельности. Все же, действуя таким методом в прошедшем, ученые достигнули узнаваемых фурроров. Традиционный пример — все та же теория Ньютона, которая ставит гравитационное взаимодействие меж 2-мя телами в зависимость только от 1-го их свойства — массы, не принимая в расчет, из чего они сложены. Другими словами, нам не нужна теория внутреннего строения Солнца и планет для расчета их орбит .
Сейчас ученые обрисовывают Вселенную в определениях 2-ух главных личных теорий — общей теории относительности и квантовой механики. Это величайшие заслуги разума первой половины двадцатого столетия. Общая теория относительности обрисовывает действие гравитации и крупномасштабную структуру Вселенной, другими словами структуру на масштабах от нескольких км до миллиона миллионов миллионов миллионов (единица с 20 4-мя нулями) км — размера наблюдаемой Вселенной . Квантовая механика, напротив, имеет дело с максимально малыми масштабами, порядка миллионной толики от миллионной толики сантиметра (рис. 3). Как досадно бы это не звучало, но понятно, что эти две теории несовместимы вместе: совместно они не могут быть правильны. Одной из основных задач нынешней физики и главной темой этой книжки является поиск новейшей теории — квантовой теории гравитации, которая включит в себя обе сегодняшние теории. Еще пока мы не располагаем таковой теорией, и, может быть, нам предстоит еще длинный путь к ней, но нам уже известны многие из числа тех параметров, которыми она должна владеть. И мы покажем дальше, что уже знаем приличное количество пророчеств, которые должна делать квантовая теория гравитации.
Рис. 3. Атомы и галактики.
В первой половине двадцатого века физики раздвинули пределы исследуемых явлений от обычного нам мира, подчиняющегося законам Ньютона, до микро— и макрокосма.
Если вы верите, что Вселенная не беспорядочна, а управляется определенными законами, то должна быть возможность в конечном счете свести все личные теории в одну полную объединенную теорию, которая обрисует все во Вселенной. Но поиски общей теории заключают внутри себя базовый феномен. Принципы сотворения научных теорий, сформулированные выше, подразумевают, что мы оптимальные существа, которые вольны следить Вселенную по собственному разумению и делать логические выводы из того, что мы лицезреем. В таком случае навязывается предположение, что мы могли бы подбираться все поближе к законам, которые управляют нашей Вселенной. И если б вправду была полная объединенная теория, она, может быть, предназначила бы наши собственные деяния. А означает, и результаты наших поисков самой объединенной теории! И почему она должна предназначить, что мы создадим правильные заключения из того, что лицезреем? Не может ли оказаться, что с таким же фуррором мы создадим некорректные выводы? Либо вообщем никаких выводов?
Единственный ответ, который можно дать на эти вопросы, основан на принципе естественного отбора Дарвина. В хоть какой популяции самовоспроизводящихся организмов неминуемы варианты в генетическом веществе и воспитании разных особей. Эти различия предполагают, что некие индивиды способны точнее других судить об внешнем мире и действовать в согласовании со своими суждениями. Подобные индивиды с большей вероятностью выживут и дадут потомство, а стало быть, их поведение и образ мышления станет доминировать. Не подлежит сомнению, что в прошедшем то, что мы называем умом и научным мышлением, давало достоинства в борьбе за выживание. Не совершенно ясно, но, дают ли они схожее преимущество сейчас. Наши научные открытия способны убить всех нас, и, даже если этого не произойдет, полная объединенная теория не прирастит наших шансов на выживание. Но, если Вселенная развивалась по определенным законам, мы могли бы ждать, что способность к мышлению, которой наделил нас естественный отбор, поможет нам также в поисках полной объединенной теории и не приведет нас в конечном счете к неверным заключениям.
Личные теории, которыми мы уже располагаем, достаточны для того, чтоб делать четкие пророчества во всех ситуациях, кроме самых экстремальных. Потому поиск конечной теории Вселенной, похоже, тяжело оправдать соображениями практической полезности. (Необходимо отметить все же, что схожий аргумент мог употребляться и против теории относительности и квантовой механики, а они дали нам ядерную энергию и микроэлектронную революцию!) Открытие полной объединенной теории может и не посодействовать выживанию людского рода. Оно может даже не отразиться на нашем стиле жизни. Но с самого зарождения цивилизации люди отрешались считать явления лишенными взаимосвязей и не поддающимися объяснению. Они жаждали понять лежащий в базе всего миропорядок. Сейчас мы все еще стремимся выяснить, откуда и каким образом появились мы в этом мире. Базовая тяга населения земли к познанию — достаточное основание для продолжения поисков. И мы не удовольствуемся наименьшим, чем полное постижение Вселенной, в какой мы живем.