Данная статья является вольным переводом этой статьи.

Автор статьи - Деннис Овербай.

Что толку в законах физики, если мы не можем решить уравнения, которые их описывают?

Именно этот вопрос возник у меня при чтении статьи в The Guardian.

Даже если представить, что человечество в конце концов откроет «теорию всего», охватывающую все отдельные частицы и силы, объяснительная ценность этой теории для всей Вселенной в целом, скорее всего, будет незначительной, — пишет доктор Понтцен.

Независимо от того, насколько хорошо мы думаем, что знаем основные законы физики и постоянно расширяющийся список элементарных частиц, нам недостаточно вычислительной мощи для изучения вселенной, чтобы уследить за ними всеми. И мы никогда не сможем узнать достаточно, чтобы достоверно предсказать, что произойдет, когда все эти частицы столкнутся или иным образом будут взаимодействовать. Десятичная точка, добавленная к оценке, скажем, местоположения или скорости частицы, может отразиться в истории и изменить результат спустя миллиарды лет, благодаря так называемому эффекту бабочки из теории хаоса.

Эффект бабочки — термин в естественных науках, обозначающий свойство некоторых хаотичных систем: незначительное влияние на систему может иметь большие и непредсказуемые последствия, в том числе в совершенно другом месте.

Подумайте о такой простой вещи, как, скажем, орбита вращения Земли вокруг Солнца, — говорит доктор Понтцен. Если оставить все на самотек, наш мир или его окаменелость будет вечно двигаться по одной и той же орбите. Но в полноте космического времени гравитационные толчки от других планет Солнечной системы могут изменить его курс. В зависимости от того, насколько точно мы охарактеризуем эти толчки, и от того, что именно подталкивается, гравитационные расчеты могут дать сильно расходящиеся предсказания того, где Земля и ее родственники будут находиться через сотни миллионов лет.

В результате на практике мы не можем предсказать ни будущее, ни прошлое. Астрономы, подобные доктору Понтцену, могут подстраховать себя, уменьшив масштаб и рассмотрев общую картину — большие скопления материала вселенной, такие как газовые облака, или системы, чье коллективное поведение предсказуемо и не зависит от индивидуальных вариаций. Мы сможем сварить макароны, не следя ни за одной молекулой в воде.

Но есть риск предположить слишком большой и сложный порядок, алгоритм выполнения. Возьмите муравейник, — предлагает доктор Понтцен. Движения каждого отдельного муравья кажутся случайными. Но если взглянуть на муравейник в целом, то кажется, что в нем есть цель и организация. Заманчиво увидеть в этом коллективное сознание, пишет доктор Понтцен, но «это всего лишь одинокие муравьи», которые следуют простым правилам. «Сложность возникает из‑за огромного количества индивидуумов, следующих этим правилам», — отмечает он, цитируя принстонского физика Филипа В. Андерсона: «Больше правил — это уже иной алгоритм».

В космологии правдоподобное объяснение истории возникновения и развития Вселенной сформировалось благодаря простым предположениям о веществе, о котором мы ничего не знаем — темной материи и темной энергии, — но которое, тем не менее, составляет 95 процентов Вселенной. Предположительно, эта «темная сторона» Вселенной взаимодействует с 5 процентами известного вещества — атомами — исключительно посредством гравитации. После Большого взрыва, как гласит история, образовались бассейны темной материи, которые притянули к себе атомную материю, которая сконденсировалась в облака, которые нагрелись и превратились в звезды и галактики. По мере расширения Вселенной темная энергия, пронизывающая ее, также расширялась и начала толкать галактики все дальше и быстрее друг от друга.

Но эта версия обрывается уже в самом начале, в первые несколько сотен миллионов лет, когда звезды, галактики и черные дыры формировались в беспорядочном, малопонятном процессе, который исследователи называют «гастрофизикой» (gastrophysics).

Механику ее возникновения предсказать невероятно сложно, поскольку она включает в себя магнитные поля, природу и состав первых звезд и другие неизвестные эффекты. «Конечно, никто не может сделать это прямо сейчас, основываясь только на хорошо известных законах физики, независимо от количества предлагаемых компьютерных мощностей», — сказал доктор Понтцен в своем электронном письме.

Недавние данные космического телескопа Джеймса Уэбба, обнаружившие галактики и черные дыры, которые кажутся слишком массивными и слишком ранними во Вселенной, чтобы их могла объяснить «стандартная модель» космологии, похоже, добавляют проблем. Достаточно ли этого, чтобы космологи вернулись к своим чертежным доскам?

Доктор Понтцен не убежден, что космологам пора отказаться от с таким трудом созданной модели Вселенной. Космическая история слишком сложна для детального моделирования. Одно только наше Солнце, отмечает он, содержит 10^57 атомов, а таких звезд — триллионы и триллионы.

Полвека назад астрономы обнаружили, что Вселенная с ее звездами и галактиками наполнена микроволновым излучением, оставшимся после Большого взрыва. Картирование этого излучения позволило астрономам создать детскую картину космоса, каким он был всего через 380 000 лет после начала самого времени.

В принципе, вся история могла бы быть вписана в тончайшие завитки и сгустки первозданной энергии. На практике же невозможно прочесть ход времени в этих микроволнах достаточно хорошо, чтобы различить взлет и падение динозавров, зарю атомного века или появление вопросительного знака в небе миллиарды лет спустя. Почти 14 миллиардов лет квантовой неопределенности, случайностей и космического мусора стоят между тем временем и сейчас.

По последним подсчетам, физики определили около 17 типов элементарных частиц, из которых состоит физическая Вселенная, и по крайней мере четыре способа их взаимодействия — гравитация, электромагнетизм и так называемые сильные и слабые ядерные силы.

Космическая ставка, которую сделала наука, заключается в том, чтобы показать, что этих четырех сил и, возможно, других, еще не открытых, действующих на огромный ансамбль атомов и их составляющих, достаточно для объяснения звезд, радуги, цветов, нас самих и, собственно, существования Вселенной в целом. Это довольно большая интеллектуальная и философская гора, на которую нужно подняться.

По словам доктора Понтцена, при всей нашей вере в материализм мы можем так и не узнать, удалось ли нам это. «Наши истоки написаны на небе, — говорит он, — и мы только учимся их читать».

В своей новой книге «Вселенная в коробке: Моделирование и стремление закодировать космос» Доктор Понтцен цитирует клятву, предложенную Эмануэлем Дерманом, физиком элементарных частиц, который стал количественным аналитиком в Goldman Sachs, а сейчас является профессором Колумбийского университета: «Я не буду давать людям, которые используют мои модели, ложных гарантий их точности. Я сделаю предположения и просчеты явными для всех, кто их использует».

В своем письме доктор Понтцен добавил: «Я полагаю, что иногда это хорошая фраза и для физики, особенно в таких сложных областях, как космическое моделирование».

Пока же, добавил он, мы можем утешиться мыслью о том, что Вселенная закономерна: «В конечном счете, галактики меньше похожи на машины и больше на животных — малопонятные, полезные для изучения, но лишь частично предсказуемые. Принятие этого требует изменения перспективы, но это делает наше видение Вселенной еще более богатым».

Какие же тайны поведает нам вселенная в будущем? Поведает ли вообще?.. Предлагаю вам порассуждать в комментариях.