Почему законов физики на самом деле не существует

То, что мы называем законами физики, часто является лишь математическим описанием некоторых частей природы. Конечных физических законов, вероятно, не существует, и физика от этого только выигрывает, говорит физик-теоретик Санкар Дас Сарма.

Недавно я читал старую статью теоретика струн Робберта Дейкграафа в журнале Quanta под названием "Законов физики не существует". Вам может показаться немного странным, что физик утверждает, что законов физики не существует, но я с ним согласен. Более того, я не только согласен с ним, но и считаю, что моя область от этого только выиграет. И я надеюсь убедить в этом и вас.

Сначала о главном. То, что мы часто называем законами физики, на самом деле является просто последовательными математическими теориями, которые, кажется, соответствуют некоторым частям природы. Это справедливо как для законов движения Ньютона, так и для теорий относительности Эйнштейна, уравнений Шредингера и Дирака в квантовой физике или даже теории струн. Таким образом, это не законы как таковые, а точные и последовательные способы описания реальности, которую мы видим. Это должно быть очевидно из того факта, что эти законы не статичны; они развиваются по мере совершенствования наших эмпирических знаний о Вселенной.

Дело вот в чем. Несмотря на то, что многие ученые видят свою роль в открытии этих высших законов, я просто не верю в их существование.

Сто лет назад подобное мнение не вызвало бы споров. До этого большинство так называемых законов физики были напрямую связаны с конкретными аспектами природного мира, например, закон Гука, описывающий, какая сила необходима для растяжения пружины, или закон Бойля о взаимосвязи между давлением, температурой и объемом газа. Но ситуация начала меняться в начале 20 века, когда такие люди, как Альберт Эйнштейн, взялись за поиски окончательной теории всего. Он провел последние 30 лет своей жизни в безуспешных поисках. Дирак тоже верил в эту точку зрения, заявив, что вся химия может быть выведена только из его уравнения - хотя я думаю, что это конкретное замечание, вероятно, апокрифично.

В человеческом мозге насчитывается около 86 миллиардов нейронов. Это меньше, чем количество звезд в Млечном Пути, который является лишь мизерной частью известной нам Вселенной. Вселенная кажется почти бесконечной по сравнению с ограниченными возможностями человеческого мозга, что оставляет нам, возможно, мало шансов понять высшие законы. Удивительно то, что мы можем понять некоторые аспекты Вселенной с помощью законов физики. Возможно, Ричард Фейнман впервые сказал, что вопрос не в том, насколько мы, люди, умны в понимании того, как работает природа, а в том, насколько природа умна в следовании нашим законам!

По мере того, как мы узнаем больше о природе, мы можем оттачивать наши описания, но этот процесс бесконечен - как чистка бесконечного лука, чем больше мы чистим, тем больше остается чистить.

Возьмем в качестве примера теорию струн. Это теория, очень плотная с математической точки зрения и довольно волшебная в том смысле, что она эквивалентно рассматривает гравитацию и квантовую механику, согласуясь со многими нашими наблюдениями за Вселенной. Она многообещающа, но до сих пор не смогла дать никаких проверяемых конкретных предсказаний, выходящих за рамки нашего нынешнего понимания.

Она также имеет довольно сложный камень преткновения, известный как проблема ландшафта, когда буквально миллионы вселенных (около 10500, число настолько велико, что кажется неприличным) являются приемлемыми решениями теории. Если теория струн верна, то можно объявить победу, поскольку одна из этих миллиардов вселенных должна быть нашей вселенной, и все, что нужно сделать, это каким-то образом найти это конкретное решение, чтобы выяснить, каковы законы физики для нас. Конечно, это невыполнимая задача из-за исключительно большого количества возможных вселенных, существующих в природе, и все они имеют свои собственные законы.

Такой сценарий часто называют мультивселенной. Все возможные законы, мыслимые и немыслимые, допускаются в какой-то возможной вселенной, и законы физики больше не имеют смысла или уникальности с фундаментальной точки зрения, поскольку они полностью зависят от того, в какой части ландшафта мультивселенной находится человек. Иронично, что теория всего оказалась подразумевающей все, которое экспоненциально больше, чем все, что кто-либо мог себе представить до этого.

Один из возможных выводов из этого заключается в том, что традиционный редукционистский подход физики частиц, где законы природы все больше и больше сосредотачиваются на все более мелких строительных блоках (таких как молекулы, атомы и частицы) и фундаментальных силах (таких как гравитация и электромагнетизм), действующих между ними, больше не является плодотворным способом рассмотрения физического мира. Нет ни фундаментальных строительных блоков, ни фундаментальных сил, и, как таковых, нет законов, потому что строгое размышление о конечных редукционистских законах привело к возможному существованию 10500 вселенных, и только одна из них, возможно, подчиняется законам, необходимым для существования Homo sapiens.

Единственное, что нам остается, - это ландшафт, где "законы" зависят от конкретной вселенной, с которой мы имеем дело. Это настолько умопомрачительно сложно, что вся идея естественных законов должна быть изменена. Это странный конец достойного пути, который начался с атомов как гипотетических неделимых составляющих материи 2500 лет назад и завершился великим триумфом в виде экспериментального открытия частицы Хиггса в 2012 году. В конце концов, наши физические законы вовсе не являются внутренне присущими, они полностью зависят от того, в каком месте ландшафта мы находимся.

Как физик-теоретик по конденсированной материи я не нахожу этот сценарий обескураживающим - совсем наоборот. Тот факт, что существует бесконечное число возможных законов, делает занятия наукой еще более увлекательными, потому что исследование ландшафта будет оставаться активным и творческим занятием всегда. Теоретическая физика никогда не закончится, потому что ландшафт просто слишком обширен.

Из своего 40-летнего опыта работы над реальными физическими явлениями я знаю, что вся идея конечного закона, основанного на уравнении, использующем только строительные блоки и фундаментальные силы, неработоспособна и по сути является фантазией. Мы никогда не знаем точно, какое уравнение описывает конкретную лабораторную ситуацию. Вместо этого нам всегда приходится строить модели и приближения для описания каждого явления, даже если мы знаем, что уравнение, управляющее им, в конечном счете, является некой формой уравнения Шредингера!

"А как же квантовая механика?" - спросите вы. На протяжении почти 100 лет она добилась огромного успеха в согласовании всех наших экспериментов на квантовом уровне. Но квантовая механика на самом деле больше похожа на набор правил, которые мы используем для выражения наших законов, чем на сам закон. Например, стандартная модель физики частиц, теория сверхпроводимости и теория атомных спектров построены с использованием правил квантовой механики, но они имеют мало общего друг с другом. Кроме того, пространство и время являются переменными, которые приходится вводить в теорию вручную, в то время как пространство и время должны вытекать естественным образом из любого конечного закона физики. Это остается, пожалуй, самой большой загадкой фундаментальной физики, не имеющей решения.

Трудно представить, что через тысячу лет физики все еще будут использовать квантовую механику в качестве фундаментального описания природы. Что-то другое должно заменить квантовую механику к тому времени так же, как сама квантовая механика заменила ньютоновскую механику. Я понятия не имею, что это может быть за нечто другое, но я не вижу особых причин для того, чтобы наше описание того, как устроена физическая вселенная, достигло вершины внезапно в начале 21 века и навсегда застряло на квантовой механике. Это была бы поистине удручающая мысль!

Законы Ньютона были чрезвычайно успешными в течение 300 лет, но нам пришлось выйти за их пределы по мере того, как мы узнавали больше о Вселенной, и то же самое должно произойти с квантовыми законами когда-нибудь в будущем.

Любая такая неизвестная новая теория будущего должна основываться на физике квантовой механики и включать ее в себя, точно так же, как квантовая механика основывалась на классической механике и включала ее в себя. Наше понимание физического мира должно продолжаться бесконечно, не останавливаемое поиском окончательных законов. Законы физики постоянно развиваются - они никогда не будут окончательными.

Санкар Дас Сарма - физик-теоретик, работающий в Университете Мэриленда, Колледж-Парк. Его интересы разнообразны: от странных свойств материи до того, как следует понимать информацию в квантовой области.

источник