Концепції сучасного природознавства - Бобильов Ю.П. - Розділ 3. НОВІ ФІЗИЧНІ ЗАКОНИ

"Якщо нам дійсно вдасться побудувати всеосяжну фізичну теорію, то згодом її основні принципи стануть доступні розумінню кожного. І тоді всі ми, філософи, учені, фахівці і ні, зможемо взяти участь у дискусії про те, як же так вийшло, що існуємо ми й існує Всесвіт. І якщо буде знайдено відповідь на це "останнє" питання, нам стане зрозумілий задум Бога". Так Стівен Хокінг закінчив свою недавно опубліковану книгу "Від великого вибуху до чорних дір. Коротка історія часу".

Точка зору Хокінга відбиває традиційні уявлення про кінцеву мету фізики. У минулому вчені неодноразово стверджували, що усі великі проблеми чи рано пізно буде вирішено і теоретичній фізиці настане кінець. У наші дні цю віру найчастіше пов'язують зі створенням "Теорії Всього Сущого" – магічного надзакону, з якого можна буде вивести усі форми фізичної реальності – від елементарних частинок до атомів хімічних елементів, галактик і чорних дір. Така теорія звела б Всесвіт до формальної тотожності – абстрактного позачасового опису.

Однак твердженню про те, що фізика близька до свого завершення, можна надати і зовсім іншого змісту. Нобелівська конференція 1989 р. в коледжі Густава Адольфа (Сент-Пол, штат Мінне-сота) була присвячена темі "Кінець науки", але в ці слова вкладали аж ніяк не оптимістичний зміст. Організатори конференції заявили: "Нас не залишає відчуття, що здатність науки давати об'єктивну картину дійсності майже вичерпана". 1 далі: "Якщо ж наука відмовиться від претензії відкривати позачасові, універсальні закони і визнає себе соціальною й історично обмеженою, то вже не можна буде стверджувати, що вона говорить про щось реальне, яке належить поза самою наукою". Основна теза запропонованої концепції прямо протилежна: великі закони не є "всього лише" соціальні чи історичні конструкції, хоча, зрозуміло, будь-які наукові уявлення несуть на собі відбиток своєї епохи.

Можна сказати, що й класичний ідеал об'єктивності, який припускає заперечення часу, теж мав свої історичні корені. Це був сміливий ідеал, що виник на ґрунті західної культури в XVII ст. Ідея об'єктивної фізичної реальності, втілена в динамічному описі, була результатом першої успішної спроби включити час у математичну схему. Більше двох століть – від Галілея до Больцмана – пішло на те, щоб зрозуміти ціну цього досягнення: за нього довелося заплатити протиріччям між симетричними фундаментальними законами фізики і порушенням симетрії часу в реально протікаючих процесах.

Сучасна фізика розглядає стрілу часу як одну з істотних рис нашого світу. В останні десятиліття кілька наукових напрямків сперечалися за привілей надати конструктивного змісту ідеї, відповідно до якої ми живемо в часовому світі. Фізичні теорії, що сьогодні будуються, – часові. Вони охоплюють закони і події, вірогідність і ймовірність. Вторгнення часу у фізику аж ніяк не призводить до втрати об'єктивності чи можливості пізнання. Навпаки, воно відкриває шлях до нового, більш глибокого розуміння. Порушення симетрії часу на мікроскопічному рівні не є результат відмови від ідеалу досконалого знання. До нього нас змушує динаміка хаосу. Спочатку нестійкість виникла як обмеження, викликане чутливістю до початкових умов, але тепер ми вийшли за рамки "негативних" тверджень і прийшли до формулювання законів природи, що охоплюють хаос і стрілу часу.

Зміна самого змісту слова "хаос" від небажаної перешкоди до самостійного об'єкта пізнання стала найбільш фундаментальним і несподіваним результатом дослідження парадоксу часу. Включення в динаміку ймовірності і незворотності, звичайно ж, обумовлено глибинними процесами, що йдуть у самій науці. Стріла часу не проникла б на фундаментальний рівень фізики, якби не було інтенсивного пошуку сприятливої можливості розв'язання парадоксу часу. Сприятливу можливість ми розуміємо як історичний діалог людини з природою в часі. Діалог, в якому оперування символами відіграє важливу роль. Символьне мислення породжує свій світ, що одночасно бідніший і спрощеніший, багатший і змістовніший реального світу. Думка, що оперує символами, підсилює ті аспекти класичної і квантової фізики, що наголошують на симетрії в часі. Втілену в символах думку можна порівняти з твором мистецтва. Подібно до нього, вона здатна збуджувати і почуття замилування, і почуття незадоволеності. Вона кидає нам виклик, спонукаючи йти вперед. При цьому головний спонукальний стимул концепції можна коротко виразити так: "Час не може виникнути поза часом. Позачасові закони не можна вважати остаточною істиною, тому що така істина робить нас чужими в цьому світі і зводить до простої видимості різноманіття явищ, які спостерігаються" (І. Р. Пригожин, І. Стенгерс).

Ту ж незадоволеність виражали й інші фізики. Так, Роджер Пенроуз у своїй книзі "Новий розум імператора" зазначив: "Нерозуміння нами фундаментальних законів фізики не дозволяє нам схопити суть розуму у фізичних або логічних термінах". Пенроуз також окремо виділяє проблему часу. Він пише: "На мою думку, наша фізична картина світу в тій своїй частині, що стосується природи часу, здатна викликати серйозними потрясіння, ще сильніші, ніж ті, що були викликані теорією відносності і квантовою механікою". Однак, наскільки можна судити, Пенроуз очікує рішення проблеми з боку квантової теорії гравітації, яка повинна об'єднати ці дві теорії. Стратегія Пригожина більш консервативна, оскільки він виходить з динамічної нестійкості, що лежить у фундаменті фізики вже сьогодні. Але Пенроуз має рацію в тому, що нам дійсно необхідне "нове розуміння". Кожен період розвитку науки має свої ключові невирішені проблеми, віхи, що вказують напрямок подальшого розвитку. Найбільший подив викликає той факт, що розв'язок парадоксу часу, який виник у результаті невдалої спроби Больцмана і Планка дати динамічну інтерпретацію стріли часу, дозволив вирішити і два інші парадокси – квантовий і, до деякої міри, космологічний.

І все-таки цього можна було очікувати. Усі три парадокси тісно пов'язані між собою. Виключення стріли часу з необхідністю приводить до двоїстого опису Всесвіту: з одного боку, до мікроскопічних, оборотних у часі законів, а з іншого – до феноменологічних законів з порушеною симетрією часу. Тут ми знову зустрічаємося з традиційним декартівським дуалізмом між матерією, що характеризується протяжністю, і людським духом з його здатністю мислити. Загальна теорія відносності і квантова механіка служать хорошими прикладами такого дуалізму: перша прагне до геометричного бачення світу (витонченої форми декартівської протяжності); інша, з її амплітудами імовірності, може бути уподібнена потенційним, мислимим можливостям (на відміну від актуальних, спостережуваних імовірностей).

Чи слід у такому разі розглядати світ як потенційну можливість для наших спостережень? Деякі фізики заходять так далеко, що в квантовій механіці відводять людському розумові ключову роль: на їхню думку, світ, описуваний у термінах хвильових функцій, ніби жадає знайти спостерігача, який зможе актуалізувати одну з його потенційних можливостей. У цьому смислі організатори Нобелівської конференції мали рацію: ми дійсно підійшли до "кінця науки" – такої науки, що пов'язує пізнання з відкриттям детерміністських позачасових законів, які лежать за рамками становлення. Згадаймо, що для Ейнштейна будь-яке відхилення від цього ідеалу означало відмову від розуміння світу, від основного призначення науки.

Однак ми не можемо з очевидних причин погодитися з такими поглядами, які звужують смисл пізнання. Там, де мова йде про живих істот, ми не ототожнюємо розуміння зі слухняним виконанням правил – ми відмовилися б визнати дійсною кішку, поведінку якої завжди можна передбачити. А от у фізиці ми найчастіше думаємо якраз навпаки. Не можна не погодитися з Володимиром Набоковим, який висловив таку думку: "Те, що повністю контролюється, ніколи не буває цілком реальним. Те, що реально, ніколи не буває цілком контрольованим". Фундаментальні закони поєднували в собі два елементи, які ми тепер можемо розділити.

Один з них полягав у вимозі справжнього діалогу з природою, який означає, що людський розум повинен будувати математичні залежності, спрямовуванні експериментом. (З цього погляду, сама можливість універсальних законів природи не могла не викликати подив, що підтверджує скептичне сприйняття законів Ньютона у XVIII ст.).

Інший елемент – перспектива створення наднауки, що повинна займатися вивченням самих законів природи. Дуже парадоксально, що західна наука, яка бачила свою вищу мету в тому, щоб прислухатися до фактів (на відміну від спекулятивних домагань метафізики), найкращим чином відповідає тому, що Річард Тарнас цілком обґрунтовано назвав "найглибшою пристрастю західного розуму до об'єднання із самою основою свого буття".

Відкриття симетричних у часі детерміністських законів природи відповідало цій пристрасті, але ціною відторгнення цієї основи від творчої часової реальності. Ситуація змінилася: необоротність і ймовірність стали об'єктивними властивостями, які відбивають той факт, що фізичний світ не може бути зведений до окремих траєкторій (у ньютонівському описі) чи хвильових функцій (у шредингерівському).

Нове уявлення про ансамблі не спричиняє втрати інформації, навпаки, воно дозволяє більш повно охопити властивості дисипативних хаотичних систем. Стійкі й оборотні в часі класичні системи, як ми тепер розуміємо, відповідають граничним, винятковим випадкам (у квантовому світі становище складніше, тому що порушення симетрії в часі є необхідною умовою для спостереження мікрооб'єктів – для переходу від амплітуд імовірності до самих імовірностей). Типові саме нестійкі хаотичні системи, описувані імовірнісними законами, – вони відповідають переважній більшості випадків, що становлять фізичний інтерес.

Причина успіху цього підходу криється у звертанні до нових математичних засобів. Добре відомо, що задача, нерозв'язна за допомогою одного алгоритму, може стати розв'язною, якщо використовувати інший. Наприклад, питання про існування коренів алгебраїчного рівняння нерозв'язне в області речовинних чисел (воно може не мати жодного речовинного кореня), але варто перейти в область комплексних чисел, як відповідь стає дуже простою: кожне рівняння n-го ступеня має п коренів. Пошук співвідношення між проблемами і засобами, необхідними для їхнього вирішення, – процес відкритий, здатний служити чудовою ілюстрацією творчої праці, вільної і в той же час обмеженої розв'язуваною задачею.

Як не дивно, але тепер вчені в змозі вирішити і деякі конкретні проблеми, що не піддавалися розв'язанню колись. У класичній динаміці закони хаосу асоціюються з інтегруванням "неінтегровних" систем Пуанкаре, а запропоновані методи дають більш потужні алгоритми. Також і в квантовій механіці вони дозволяють усунути труднощі, що стоять на шляху розв'язання задачі на власні значення (реалізації програми Гейзенберга). Навіть така проста проблема, як розсіювання частинок у потенційному полі, приводить до неінтегровних систем Пуанкаре (інтегровні системи Пуанкаре – це досить прості системи, у яких взаємодію елементів можна математично виключити; у рівняннях, що описують їхній рух, минуле і майбутнє не розрізнюються. Неінтегровні – більш складні системи, у яких взаємодія елементів стає принципово важливою – у них з'являється стріла часу).

Уведення незвідних ймовірнісних зображень зажадало розгляду так званих "узагальнених просторів". Гільбертів простір сам уже є узагальнення скінченновимірних векторних просторів (його елементи – уже не вектори, а функції), але в ньому ми можемо використовувати тільки досить "хороші" функції. В узагальнених же просторах можна оперувати також сингулярними, чи узагальненими, функціями (ці функції дозволяють математично коректно описувати використовувані у фізиці ідеалізовані зображення. Наприклад, рівна одиниці щільність маси матеріальної точки, розташованої на початку координат або електричного заряду, виражається а функцією Дірака). Усе це аналогічне переходу від плоскої евклідової геометрії до викривленої риманової.

Інший істотний елемент теорії – хронологічне, або часове, впорядкування. Гармонійний осцилятор (класичний або квантовий) оборотний у часі. Але в неінтегровній системі виникає природне впорядкування, що задається спрямуванням самого процесу. Найпростіший приклад – різниця, що виникає в електродинаміці між запізнілими і випереджувальними потенціалами. Якщо стійкі системи пов'язані з детерміністським, симетричним часом, то нестійкі хаотичні – з ймовірнісним, що порушує рівноправність минулого і майбутнього. Обмеженість традиційного опису в термінах окремих траєкторій або хвильових функцій не повинна дивувати. Коли ми говоримо про архітектуру, то маємо на увазі не цеглини, а будинок у цілому.

Нерідко доводиться чути, що історія в наші дні прискорила свій біг; і в цьому випадку сказане стосується не зміни природи окремих людей, а зміни відносин між ними через небувалий розвиток засобів зв'язку. Навіть народження нових ідей будь-якою людиною обумовлене тим, що вона занурена у поділюваний багатьма світ значень, проблем і відносин. Іншими словами, це є властивість усієї системи в цілому.

Ситуація, з якою ми стикаємося у фізиці, набагато простіша. Однак і там нам слід відмовитися від думки, начебто час є параметр, що описує рух окремих елементів системи. Адекватний фізичний опис хаотичних процесів, що включив би необоротність і ймовірність, можливий тільки при їх цілісному розгляді на рівні ансамблів.