Почему наша Вселенная такая странная и существуют ли законы физики?

Природа может быть разной для разных людей. Природа может быть чудесной. Природа может быть странной. У природы есть законы. Природа продолжает удивлять ученых, которые пытаются эти законы понять. За последние несколько десятилетий научное сообщество пришло к принятию концепции «естественности» – это термин, придуманный Эйнштейном, который описывает изящно сложные законы природы. Ученые считают, что если Вселенная естественна, то ее можно объяснить математически. Но если ее природа неестественна, то некоторые законы физики произвольны и кажутся чрезвычайно тонко настроенными, чтобы позволить жизни (как мы ее знаем) возникнуть и существовать. И все же, ученые стремятся к единому описанию реальности. Но современная физика допускает множество различных описаний, многие из которых эквивалентны друг другу и связаны ландшафтом математических возможностей.

Тайны Вселенной

В череде обыденных будней может показаться, что мы знаем о мире и Вселенной достаточно, чтобы утвердительно ответить на вопрос о том, существуют ли все известные законы физики. Однако ученые, изучающие квантовый мир могут с этим не согласиться. Как пишет Quanta Magazine, физики нашли много примеров двух совершенно различных описаний одной и той же физической системы.

Итак, если физические ингредиенты – это частицы и силы, то рецепты – это математические формулы, кодирующие их взаимодействия. В таком случае, сам процесс приготовления пищи – и есть процедура квантования, которая превращает уравнения в вероятности физических явлений. Вот почему квантовые физики задаются вопросом, как разные «рецепты приготовления» приводят к одинаковым результатам.

Альберт Эйнштейн, как известно, считал, что, учитывая некоторые общие принципы, существует уникальный способ построить последовательную, функционирующую вселенную. С точки зрения Эйнштейна, если бы мы достаточно глубоко исследовали сущность физики, существовал бы один и только один способ, которым все компоненты — материя, излучение, силы, пространство и время — сочетались бы вместе, чтобы заставить реальность работать, подобно тому, как уникально сочетаются шестеренки, пружины, циферблаты и колесики механических часов.

Физика элементарных частиц

Современная Стандартная модель физики элементарных частиц действительно представляет собой плотно сконструированный механизм, состоящий всего из нескольких компонентов. Однако вместо того, чтобы быть уникальной, Вселенная кажется одним из бесконечного множества возможных миров. Мы понятия не имеем, почему именно эта комбинация частиц и сил лежит в основе структуры природы.

Возможно, мы живем в Мультивселенной

Кроме того, стандартная модель содержит 19 констант природы — такие числа, как масса и заряд электрона, которые должны быть измерены в экспериментах. Значения этих «свободных параметров», по-видимому, не имеют более глубокого смысла.

Если наш мир – всего лишь один из многих, то как мы можем существовать одновременно с альтернативными вселенными? Нынешнюю точку зрения можно рассматривать как полярную противоположность эйнштейновской мечте об уникальном космосе. Современные физики охватывают огромное пространство возможностей и пытаются понять его всеобъемлющую логику и взаимосвязь. Из золотоискателей они превратились в географов и геологов, детально описывающих ландшафт и изучающих силы, которые его сформировали.

Теория струн

Теория струн стала переломным моментом для современной физики. На данный момент она является единственной теорией, ближе всех подобравшейся к той самой «теории всего» – мечте Альберта Энйштена, способную описать все частицы и силы, включая гравитацию, а также подчиняясь строгим логическим правилам квантовой механики и теории относительности.

Хорошей новостью во всей этой истории является то, что у теории струн нет циферблата (как у механических часов). Не имеет смысла спрашивать, какая теория струн описывает нашу Вселенную, потому что существует только одна. Отсутствие каких-либо дополнительных признаков приводит ученых к выводу о том, что все числа в природе должны определяться самой физикой. Они не являются «константами природы», а лишь переменными, фиксируемыми уравнениями (возможно, неразрешимо сложными).

Однако важно понимать, что существует сложное, огромное количество решений теории струн. В физике это не является чем-то необычным. Мы традиционно различаем фундаментальные законы, заданные математическими уравнениями и решения этих уравнений. Как правило, существует всего несколько законов, но бесконечное число решений. Возьмем законы Ньютона. Они четки и элегантны, но описывают невероятно широкий спектр явлений, от падающего яблока до орбиты Луны.

Если вы знаете начальные условия конкретной системы, то сила этих законов позволяет решать уравнения и предсказывать, что произойдет дальше. Мы не ожидаем и не требуем априори уникального решения, которое описывает все.

В теории струн некоторые особенности физики, которые мы обычно рассматриваем как законы природы — такие как конкретные частицы и силы, на самом деле являются решениями. Они определяются формой и размером скрытых дополнительных измерений. Пространство всех этих решений часто называют «ландшафтом», но это преуменьшение. Даже самые впечатляющие горные пейзажи бледнеют в сравнении с необъятностью этого пространства.

Ландшафт Вселенной

Но как ученые изучают обширный ландшафт физических моделей Вселенной, которые легко могут иметь сотни измерений? Чтобы это понять, давайте представим себе ландшафт как в значительной степени неразвитую пустыню, большая часть которой скрыта под толстыми слоями неразрешимой сложности. Только на самых окраинах мы находим пригодные для жизни места. Здесь мы находим основные модели, которые полностью понимаем. Они не имеют большой ценности для описания реального мира, но служат удобной отправной точкой для изучения местных окрестностей.

Возможно, законов физики не существует

Хорошим примером может служить теория квантовой электродинамики (КТП), описывающая взаимодействие материи и света. Эта модель имеет единственный параметр, называемый константой тонкой структуры α, которая измеряет силу силы между двумя электронами. В теории квантовой электродинамики все процессы можно рассматривать как возникающие из элементарных взаимодействий. Например, силу отталкивания между двумя электронами можно представить в виде обмена фотонами. КТП просит нас рассмотреть все возможные способы, которыми два электрона могли бы обмениваться фотоном, что на практике означало бы, что физики должны решить сложнейшую задачу, с бесконечным множеством решений.

Почему все это так волнительно для физики? Прежде всего, вывод о том, что многие, если не все, модели являются частью одного огромного взаимосвязанного пространства, является одним из самых удивительных результатов современной квантовой физики. Это изменение перспективы, достойное термина «сдвиг парадигмы». Он говорит нам, что вместо того, чтобы исследовать архипелаг из отдельных островов, мы обнаружили один огромный континент.

В некотором смысле, изучая одну модель достаточно глубоко, мы можем изучить их все. Мы можем исследовать, как эти модели связаны, освещая их общие структуры. Важно подчеркнуть, что это явление в значительной степени не зависит от того, описывает ли теория струн реальный мир или нет. Это неотъемлемое свойство квантовой физики, которое останется здесь, какой бы ни оказалась будущая “теория всего”.