Вселенная

Этот простой пример демонстрирует важные аспекты работы эффективных теорий. Во-первых, обратите внимание на то, что те сущности, о которых мы говорим, — онтология теории — могут совершенно по-разному описываться в эффективной теории и в более полной микроскопической теории. Микроскопическая теория рассматривает кварки, эффективная теория — протоны и нейтроны. Это пример эмерджентности; терминология, которой мы пользуемся при описании флюида, совершенно отличается от терминологии описания молекул, хотя и флюид, и молекулы существуют в одной и той же физической системе.

Изумительную простоту и мощность эффективных теорий можно продемонстрировать всего на двух примерах. Во-первых, в основе любой эффективной теории может лежать много разных микроскопических теорий. Это множественная реализуемость в контексте квантовой физики. Следовательно, нам не требуется знать всех деталей микротеорий, чтобы уверенно судить о макроскопических явлениях. Во-вторых, любая эффективная теория обычно обладает крайне ограниченным набором динамических свойств. Квантовые поля при низких энергиях просто не допускают большего разнообразия. Расскажите мне, какие частицы охватывает ваша теория, и мне останется всего лишь измерить некоторые их параметры, например массы и силы взаимодействий, после чего теория будет полностью описана. Точно так же, как с планетами, вращающимися вокруг Солнца: ничего страшного, что Юпитер — горячий газовый гигант, а Марс — холодная скалистая планета; обе планеты движутся по орбитам так, что движение центров их масс подчиняется законам Ньютона.

Вот почему мы так уверены, что Базовая теория принципиально верна в своей области применения. Даже если бы на микроуровне происходило нечто принципиально иное — там вообще не было бы не только теории поля, но и ни пространства, ни времени в нашем понимании, — то эмерджентная эффективная теория при этом так и оставалась бы обычной теорией поля. Фундаментальная основа реальности может коренным образом отличаться от чего бы то ни было, что может вообразить себе любой из живших на свете физиков; но при этом в нашем повседневном мире физика всё равно будет подчиняться законам квантовой теории поля.

* * *

Всё это звучит устрашающе, если только вы не физик, работающий над формулировкой Теории Всего, но обратная сторона проблемы такова: мы уже практически обзавелись очень хорошей Теорией Некоторых Низкоэнергетических Явлений, в частности понимаем все те явления, с которыми сталкиваемся в повседневной жизни.

Мы знаем, что Базовая теория — не истина в последней инстанции. Она не учитывает тёмную материю, из которой состоит большая часть вещества во Вселенной, не описывает чёрные дыры и не позволяет понять, что произошло в момент Большого взрыва.

Следовательно, можно себе представить, что эта теория может быть улучшена, если дополнить её некой «новой физикой», которая адекватно бы описывала астрофизические и космологические феномены. В таком случае мы сможем представить области применения различных теорий в виде диаграмм Венна, рассматривавшихся в главе 12. Астрофизикам недостаточно Базовой теории, но весь наш повседневный опыт уверенно вписывается в область её применения.

Эту идею можно сформулировать и иначе, задумавшись, какие явления зависят от каких иных явлений — что над чем главенствует, как сказали бы философы. Это показано на следующем рисунке. Астрофизические феномены зависят не только от Базовой теории, но и от новой физики. И всё это, разумеется, зависит от одной и той же основополагающей реальности. Однако самое важное — тот факт, что эмерджентные феномены, которые мы наблюдаем в повседневной жизни, не зависят ни от тёмной материи, ни от иной новой физики. Более того, они зависят от основополагающей реальности лишь постольку, поскольку зависят от частиц и взаимодействий Базовой теории. Такова сила квантовой теории поля. Вполне возможно, что разнообразные квантово-гравитационные парадоксы не сохраняются на глубинных уровнях основополагающей реальности, но это никоим образом не влияет на физику стульев, машин и центральной нервной системы; вся эта физика является подмножеством эффективной теории поля, относящейся к Базовой теории.

Именно сила эффективной теории поля позволяет нам утверждать: «на сей раз всё иначе», когда мы выступаем с дерзким заявлением о том, что все законы физики, лежащие в основе повседневной жизни, уже полностью известны. Когда Ньютон и Лаплас размышляли о великолепии классической механики, они, вполне возможно, допускали, что когда-нибудь её заменят более полные теории.

Различные способы рассуждения о мире и их взаимосвязь друг с другом. Сплошные стрелки демонстрируют, как одна теория зависит от другой; например, астрофизика зависит от Базовой теории, а также от тёмной материи и тёмной энергии. Прерывистыми стрелками показаны зависимости, которые могли бы существовать, но на самом деле не существуют; повседневная жизнь не зависит от тёмной материи, а зависит лишь от основополагающей реальности (посредством Базовой теории)

В итоге так и случилось: появились специальная теория относительности, общая теория относительности и квантовая механика. Ньютоновская теория — хорошее приближение в своей области применения, но в конечном счёте она отказывает и нам требуется более качественное описание реальности.

Новизна ситуации в том, что, даже если Ньютон и Лаплас считали свои идеи верными лишь в определённом контексте, они не представляли, как далеко простирается этот контекст. Ньютоновская теория тяготения очень хороша для Земли и для Венеры, но уже не столь точна при изучении орбиты Меркурия, чья крошечная прецессия стала одним из наиболее убедительных доказательств в пользу эйнштейновской общей теории относительности. Но Ньютон явно не мог предположить, каковы пределы точности его теории.

Однако в случае с эффективной теорией поля такая конкретика есть. Эффективная теория поля полностью описывает все явления, происходящие в определённых полях, если только энергии этих полей не превышают известного предела, а сами явления действуют на расстоянии, превышающем минимальный предел (пределы были выяснены экспериментально). Узнав все параметры эффективной теории поля, мы знаем, что будет происходить в наших полях при любом мыслимом эксперименте, относящемся к области её применения, даже если мы пока не поставили такого эксперимента.

Именно это особое свойство квантовой теории поля позволяет нам столь смело заявлять о пределах наших знаний.

* * *

Возможна масса неверных интерпретаций фразы «законы физики, лежащие в основе повседневной жизни, полностью известны». Хотя это, бесспорно, и очень смелое заявление, легко счесть его даже более грандиозным, чем оно в самом деле является, а затем развенчать такое пафосное утверждение. Разумеется, оно не предполагает, что вся физика нам известна.

Кроме того, даже в безумно вольной интерпретации это не означает, что нам известно, как всё устроено в обыденной реальности. Никто в здравом уме не может считать, что у нас есть (или вот-вот будут) полные теории биологии, нейрофизиологии, погоды или, если уж на то пошло, электрического тока в обычных веществах. Эти феномены должны быть совместимы с Базовой теорией, но сами они эмерджентны. Как мы обсуждали в главе 12, чтобы понять эмерджентные феномены, нужны новые знания — следует искать закономерности (там, где они существуют), позволяющие описывать простые явления, вычленяемые из совокупности изменчивых элементов. Иногда само требование совместимости с основополагающей теорией уже о многом нам говорит — как в случае с планетами, вращающимися вокруг Солнца. Закон сохранения импульса сам по себе свидетельствует, что Земля не улетит в неизвестном направлении; отсутствие любых дальнодействующих сил, кроме гравитации и электромагнетизма, означает, что нельзя гнуть ложки силой мысли. Тем не менее, как правило, существует большая пропасть между «знать теорию на одном уровне» и «знать все эмерджентные теории, которые соответствуют ей при том или ином огрублении».

Успех Базовой теории и наше понимание области её применения (благодаря принципам эффективной теории поля) предполагают, что существует колоссальная презумпция (субъективная вероятность по Байесу) в пользу трактовки макроскопических феноменов именно таким образом, чтобы они согласовывались с базовыми законами физики. Всегда возможны исключения. Однако, как мог бы сказать Дэвид Юм, если вы считаете, что определённое явление, бесспорно, идёт вразрез с Базовой теорией, то ваши доводы должны быть достаточно серьёзны, чтобы перевесить всю массу доказательств обратного.

* * *

Даже с оговорками, что наука ничего не доказывает и что всегда возможны сюрпризы, в нашей аргументации о полной изученности законов физики, управляющих повседневной реальностью, по-прежнему остаются некоторые небольшие изъяны. Для интеллектуала было бы нечестно отмахнуться от них, поэтому давайте их обсудим.

Самый очевидный вопрос: а что, если квантовая теория поля попросту не работает в той области применения, к которой относится повседневная реальность? По причинам общего характера это кажется очень маловероятным; признавая основные законы теории относительности и квантовой механики, вы так или иначе вынуждены признавать и квантовую теорию поля. В областях, где гравитация очень сильна, например в окрестностях Большого взрыва и в чёрных дырах, теория поля вполне может отказать. К счастью, у вас в комнате нет чёрных дыр. Но ради полноты картины мы должны признать, что такая возможность существует.