Возрожденное время. От кризиса в физике к будущему вселенной

Чтобы обрисовать аргументы Части I, я прослежу развитие концепции времени, использовавшейся в физике от Аристотеля и Птолемея через Галилея, Ньютона, Эйнштейна и других до наших современных квантовых космологов, и покажу, как наша концепция времени шаг за шагом ослаблялась по мере прогресса физики. Разговор об истории под таким углом также позволяет мне мягко ввести материал, который нужен непрофессионалам для понимания аргументов. На самом деле ключевые позиции могут быть введены на обычных примерах падающих шаров и кружащихся планет. Часть II рассказывает о более современной истории, поскольку дискуссия о том, что время должно быть заново внедрено в ядро науки, возникла в результате недавних разработок.

Мои доводы начинаются с простого наблюдения: Успех научных теорий от Ньютона до наших дней основан на использовании этими теориями особой системы объяснений, изобретенной Ньютоном. В соответствии с этой системой природа состоит только из частиц с не зависящими от времени свойствами, чьи движения и взаимодействия определены не зависящими от времени законами. Свойства частиц, такие как их массы и электрические заряды, никогда не меняются, и так же не меняются законы, которые на них воздействуют. Эта система идеально подходит для описания малых частей вселенной, но она разваливается на части, когда мы пытаемся применить ее ко вселенной как целому.

Все главные теории физики относятся к части вселенной — радио, мяч в полете, биологическая клетка, Земля, галактика. Когда мы описываем часть вселенной, мы оставляем себя и наши измерительные приспособления вне системы. Мы не принимаем во внимание нашу роль в выборе или приготовлении изучаемой нами системы. Мы не упоминаем эталонные тела отсчета, которые служат для установления местоположения системы. И самое критичное для нашего заключения о природе времени, мы не включаем в систему часы, с помощью которых мы измеряем изменения в системе.

Попытки расширить физику до космологии приносят новые проблемы, которые требуется заново осмыслить. Космологическая теория не может исключить что-либо из рассмотрения. Чтобы быть полной, она должна принимать во внимание все во вселенной, включая нас самих как наблюдателей. Она должна учитывать наши измерительные инструменты и часы. Когда мы разрабатываем космологию, мы сталкиваемся с новыми обстоятельствами: Невозможно оказаться вне системы, которую мы изучаем, если эта система вся вселенная.

Более того, космологическая теория должна работать без двух важных аспектов научной методологии. Основное правило науки заключается в том, что эксперимент должен быть проведен много раз, чтобы быть уверенным в результате. Но мы не можем сделать это со вселенной как целым — вселенная происходит только один раз. Так же мы не можем приготовить систему иными способами и изучить последствия. Все это весьма реальные препятствия, которые сильно усложняют научный поиск на уровне вселенной как целого.

Несмотря на это, мы хотим расширить физику до космологической науки. Наше первое побуждение взять теории, которые так хорошо работают в применении к малым частям вселенной, и увеличить их масштаб для описания вселенной как целого. Как я покажу в Главах 8 и 9, это не может работать. Ньютоновская система не зависящих от времени законов, действующих на частицы с не зависящими от времени свойствами, неприменима для задачи описания целой вселенной.

На самом деле, как я подробно покажу, именно особенности, которые делают эти виды теорий столь успешными в применении к малым частям вселенной, приводят к их краху, когда мы пытаемся применить их ко вселенной как целому.

Я осознаю, что это утверждение идет в разрез с практикой и надеждами многих коллег, но я только прошу, чтобы читатель уделил все внимание предлагаемому в Части II обоснованию этого. Там я покажу в общем случае и проиллюстрирую частными примерами, что когда мы пытаемся увеличить масштаб применения наших стандартных теорий до космологической теории, мы получаем в награду дилеммы, парадоксы и вопросы, на которые нет ответа. Среди них крах любой стандартной теории при попытке применить ее к оценке выборов, сделанных в ранней вселенной, — выбора начальных условий и выбора самих законов природы.