Это означает — не только на практике, но и в принципе — что в природе нет вещей и систем, изолированных от влияния остальной вселенной. Это заключение достойно возведения в принцип, который я буду называть принципом отсутствия изолированных систем.
Есть и другая причина, почему модель открытой системы в виде системы изолированной всегда является аппроксимацией, заключающаяся в том, что мы не можем предвидеть хаотические разрушительные вторжения. Мы можем измерять, предвидеть и работать с шумом. Но внешний мир может существенно ухудшить наши попытки изолировать нашу систему Самолет может потерпеть крушение в здании, где расположена наша лаборатория, или его может опрокинуть землетрясение. Астероид может столкнуться с Землей. Облако темной материи может пройти через солнечную систему, возмутить земную орбиту и забросить нас в Солнце
[72]. Или может быть, кто-то выключит электричество в лаборатории, щелкнув выключателем в подвале. Список вещей, которые могут привести к нарушению хода нашего эксперимента в этой большой вселенной, фактически, бесконечен. Когда мы моделируем эксперимент, как если бы он был над изолированной системой, мы исключаем из нашей модели все эти возможности.
Чтобы объединить все, что может посягнуть на нашу лабораторию извне, потребовалась бы модель всей вселенной. Мы не можем делать физику, не исключая все указанные возможности из моделей и расчетов. Кроме того, исключать их, в принципе, означает основывать нашу физику на аппроксимациях.
Эффективные, но приблизительные теории.
Все главные теории физики есть модели отдельных срезов природы, произведенных экспериментаторами. Они могут представляться как фундаментальные теории, когда они изобретались, но со временем теоретики пришли к пониманию, что они суть эффективные описания ограниченного числа степеней свободы.
Физика частиц обеспечивает хороший пример роли эффективных теорий. Эксперименты до сегодняшнего дня изучали фундаментальную физику только вплоть до определенного масштаба длин вниз. На сегодня это около 10–17 сантиметров; зондирование этого расстояния начато на Большом Адронном Коллайдере в ЦЕРНе. Это означает, что Стандартная Модель Физики Частиц, которая до сих пор согласуется со всеми известными экспериментами, должна рассматриваться как аппроксимация (сверх того факта, что она ничего не говорит по поводу гравитации). Она игнорирует неизвестные на сегодня явления, которые могут появиться, когда мы сможем прозондировать более короткие расстояния.
В квантовой физике вследствие принципа неопределенности имеется обратная зависимость между масштабом длины и энергией. Чтобы прозондировать определенный масштаб длин, нам нужны частицы или излучение не менее чем определенной энергии. Чтобы подойти к более коротким расстояниям, нам нужны высокоэнергетические частицы. Так что наименьший предел шкалы длин, который мы можем достигнуть, базируется на верхнем пределе энергий наблюдаемых нами процессов. Но поскольку энергия и масса одно и то же (в соответствии с СТО), это означает, что если мы исследовали только энергии до определенного масштаба, мы могли бы проигнорировать частицы, слишком массивные, чтобы они могли быть до сих пор созданными в наших коллайдерных экспериментах. Потерянные явления могли бы включать не только новые виды элементарных частиц, но также и прежде неизвестные силы. Или могло бы оказаться, что базовые принципы квантовой механики не верны и требуют модификации до точного описания феноменов, скрытых при более коротких длинах и высоких энергиях.
Из-за этих проблем мы говорим о Стандартной Модели как об эффективной теории, одной из теорий, совместимых с экспериментом, но применимой только в пределах определенной области.
Понятие эффективных теорий ниспровергает некоторые поношенные понятия, такие как банальность, что простота и красота являются отличительными признаками истины. Поскольку мы не знаем, что могло бы скрываться при более высоких энергиях, многие гипотезы физики за пределами их области определения согласуются с той или иной эффективной теорией. Так что эти эффективные теории имеют внутреннюю простоту, поскольку они должны быть согласованы с простейшим и наиболее элегантным путем, которым они могли бы быть расширены на неизвестные области. Большая часть элегантности ОТО и Стандартной Модели объясняется пониманием их как эффективных теорий. Их красота является следствием их свойства быть эффективными и приблизительными. Тогда простота и красота являются не признаками истины, а признаками хорошо сконструированной приблизительной модели для ограниченной области явлений
[73].
Понятие эффективной теории представляет вызревание профессии теории элементарных частиц. Наши юные романтические личности мечтали, что мы имеем фундаментальные законы природы в наших руках. После нескольких десятилетий работы со Стандартной Моделью мы теперь более уверены, что она корректна в пределах ограниченной области, в которой она проверена, и одновременно менее уверены в ее расширяемости за пределы этой области. Не похоже ли это сильно на реальную жизнь? По мере того, как мы становимся старше, мы копим уверенность в том, что мы реально знаем, и одновременно находим, что все легче игнорировать то, чего мы не знаем.
Это может показаться разочаровывающим. Физика предполагается существующей для открытия фундаментальных законов природы. Эффективная теория по определению не такая. Если у вас слишком наивный взгляд на науку, вы можете думать, что теория не может одновременно соответствовать всем уже проведенным экспериментам и рассматриваться, в лучшем случае, как приближение к истине. Концепция эффективной теории важна, поскольку она выражает это тонкое различие.
Это также показывает, как мы понимаем прогресс в физике элементарных частиц. Это говорит нам, что физика есть процесс конструирования все лучших и лучших приблизительных теорий. Когда мы продвигаем наши эксперименты к более коротким расстояниям и более высоким энергиям, мы можем открыть новые явления, и, если это удалось, нам понадобится новая модель, чтобы к ним приспособиться. Точно так же, как Стандартная Модель, это будет эффективная теория, хотя и применимая в более широкой области.
Понятие эффективной теории подразумевает, что прогресс в физике влечет за собой революции, которые полностью меняют концептуальную базу нашего понимания природы, хотя и сохраняют успех более ранних теорий. Ньютоновская физика может быть рассмотрена как эффективная теория, применимая к области, в которой скорость существенно меньше скорости света и могут игнорироваться квантовые эффекты. В пределах этой области она остается эффективной, как всегда и была.
