ОТО это другой пример теории, которая однажды была кандидатом на фундаментальное описание природы, но которая теперь понимается как эффективная теория. С одной стороны, она не принимает во внимание область квантовых явлений. ОТО, в лучшем случае, является приближением к объединенной квантовой теории природы и может быть получена как усечение этой более фундаментальной теории.
Квантовая механика тоже является, вероятно, приближением к более фундаментальной теории. Одним из признаков этого является факт, что ее уравнения линейны — что означает, эффекты всегда прямо пропорциональны своим причинам. В любых других примерах, когда в физике используются линейные уравнения, известно, что теория появляется как аппроксимация к более фундаментальной (но все еще эффективной) теории, которая нелинейна (в том смысле, что эффекты могут быть пропорциональны более высоким степеням причин), и лучшей ставкой будет то, что это окажется верным и для квантовой механики тоже.
Является фактом, что каждая теория, которую мы до сих пор использовали в физике, была эффективной теорией. Будет отрезвляющим понять, что частью стоимости их успеха было осознание того, что они суть аппроксимации.
Мы все еще можем вынашивать амбиции по поводу изобретения фундаментальной теории, которая описывает природу без аппроксимаций. И логика, и история говорят нам, что это невозможно, пока мы придерживаемся Ньютоновской парадигмы. Так что столь замечательные теории, как Ньютоновская физика, ОТО, квантовая механика и Стандартная Модель, не могут быть шаблоном для фундаментальной космологической теории. Единственно возможный путь к такой теории заключается в том, чтобы обсуждать космологический вызов и разрабатывать теорию, не основанную на Ньютоновской парадигме, теорию, которая могла бы быть применена к целой вселенной без аппроксимаций.
10
Принципы новой космологии
Теперь мы начинаем поиск теории, которая действительно может быть теорией целой вселенной. Такая теория должна избежать космологической дилеммы, а также она должны быть фоново-независимой — не предполагать деления мира на две части, одна из которых содержит динамические переменные, которые эволюционируют, а другая содержит фиксированные структуры, обеспечивающие фон, чтобы придать смысл эволюционирующей части. Все, что утверждает теория, это что часть реальности должна определяться ее взаимосвязями с остатком реальности, что в известном смысле превращает его в субъект изменений.
Что мы должны требовать от правильной космологической теории?
— Любая новая теория должна содержать то, что мы уже знаем о природе. Нам нужно, чтобы текущие теории — Стандартная Модель Физики Частиц, ОТО и квантовая механика — возникали как приближения к неизвестной космологической теории всякий раз, когда мы ограничиваем наше внимание масштабами расстояний и времени, меньшими, чем космические.
— Новая теория должна быть научной. Настоящие объяснения показывают свою применимость, имея мириады неожиданных следствий. Тут могут быть не просто придуманные вещи, поскольку они выглядят красиво. Реальная теория должна заключать в себе особые проверяемые предсказания.
— Новая теория должна отвечать на вопрос «Почему эти законы?». Она должна давать нам глубокое понимание, как и почему были выбраны отдельные элементарные частицы и силы, описываемые Стандартной моделью. В особенности, она должна объяснять специальные и неправдоподобные значения фундаментальных констант, которые существуют в нашей вселенной, — параметров вроде масс элементарных частиц и интенсивностей различных сил, которые устанавливаются Стандартной Моделью.
— Новая теория должна отвечать на вопрос «Почему эти начальные условия?», объясняя, почему наша вселенная имеет свойства, которые кажутся необычными при сравнении с возможными вселенными, которые могут быть описаны теми же законами.
Это минимальные требования. Установив, что мы говорим о теории целой вселенной, коллективная мудрость физиков — содержащаяся в трудах великих умов, которые боролись за изобретение теорий естественного мира, среди которых Кеплер, Галилей, Ньютон, Лейбниц, Эрнст Мах и Эйнштейн — диктует, что мы можем точно определить несколько больше
[74]. Вот моя интерпретация того, чему эти мудрецы могли бы нас научить:
Объяснения такой теории, дающие особенности нашей вселенной, должны зависеть только от вещей, которые существуют или появляются внутри вселенной. Цепь объяснений не может указывать за пределы вселенной. Так что мы должны потребовать соблюдение принципа объяснительной замкнутости.
Чтобы быть научной, теории не требуется давать точный ответ на любой вопрос, который вы можете себе вообразить, но должно быть большое число вопросов, на которые мы верим, что смогли бы ответить, если бы мы знали вселенную более детально. Принцип достаточного обоснования Лейбница постулирует, что должен быть ответ на любой обоснованный вопрос, который мы можем задать о том, почему вселенная имеет некоторое особое свойство. Важный тест новой научной теории заключается в том, возрастает ли с ней число вопросов, на которые мы можем ответить. Прогресс возникает тогда, когда мы открываем причины тех аспектов вселенной, которые не могли быть объяснены более ранними теориями.
Принцип Лейбница имеет некоторые следствия, которые должны накладывать ограничения на космологическую теорию. Одно из них, что во вселенной не должно быть ничего, что действовало бы на другие вещи, не подвергаясь в свою очередь действию от них. Все влияния или силы должны быть обоюдными. Мы можем назвать это принципом отсутствия действий без взаимности. Эйнштейн ссылался на этот принцип для подтверждения своей замены Ньютоновской теории гравитации на ОТО. Его мыслью было, что Ньютоновское абсолютное пространство говорит телам, как двигаться, но ничего обратного не происходит; тела во вселенной не влияют на абсолютное пространство. Абсолютное пространство просто есть. В ОТО Эйнштейна взаимосвязь между материей и геометрией взаимна: Геометрия говорит материи, как двигаться, а материя, в свою очередь, влияет на кривизну пространства-времени. Также никто не может повлиять на течение Ньютоновского абсолютного времени. Ньютон предполагал, что оно течет одинаково, пуста ли вселенная или полна материей. В ОТО присутствие материи влияет на поведение часов.
В таком случае этот принцип запрещает ссылку на структуры фиксированного фона — объекты, чьи свойства постоянно фиксированы безотносительно к движению материи.
Эти фоновые структуры являются бессознательным физики, молча формируя наше мнение о придании смысла базовым концепциям, которые мы используем, чтобы представить мир. Мы думаем, что мы знаем, что означает «положение», поскольку мы делаем неосознанное допущение о существовании абсолютной системы отсчета. Некоторые из фундаментальных этапов в развитии физики состояли в осознании существования структуры фиксированного фона внутри вселенной, удалении этой структуры и замене ее на динамическую причину. Именно это делал Эрнст Мах, когда опровергал Ньютона, утверждая, что мы чувствуем головокружение, когда вращаемся, потому что мы движемся относительно материи во вселенной, а не относительно абсолютного пространства.
