Каковы пределы физики?

   Об авторе
   Илья Хель 18 Июня 2015 в 15:00

Физика интересна эффектами, которые проявляются на самых крошечных масштабах. Если бы не человеческая любознательность, мир никогда бы не узнал, что снег состоит из молекул. Одни ученые ищут возмущения известных сил, другие ищут экзотические эффекты, которых может даже не существовать — изменения в константах природы, нарушения фундаментальных симметрий… Учитывая невероятную чувствительность этих экспериментов, может показаться, что эта игра немного нечестная по отношению к природе. Но это не так: физики-экспериментаторы хоть и гениальны по-своему, но существуют определенные физические пределы, которых они надеются достичь. Давайте поместим их в три категории: технические ограничения, фундаментальные ограничения и философские ограничения.
  
   Технические ограничения

   Самое слабое из препятствий в поисках экзотической физики — это «технические ограничения», которые значат примерно следующее: когда некоторых вещей нельзя достичь в разумные сроки с использованием существующих технологий. Большой адронный коллайдер — это достойный пример: он сталкивает протоны вместе при энергии в 13 ТэВ не потому, что это идеальные условия протекания эксперимента, а потому что это разумный компромисс. Физики были бы рады поиграть с более высокими энергиями, или же с такими же энергиями в электрон-позитронном коллайдере, но оба этих маневра будут либо слишком дорогими, либо невыполнимыми с учетом доступных нам ресурсов.
   Эти препятствия можно назвать слабыми для новой физики, потому что у технических ограничений есть свойство: они преодолеваются медленным и устойчивым прогрессом или же благодаря умному изменению в новом виде измерений. Новейшая история атомной, молекулярной и оптической физики приводит отличные примеры: поиск электрического дипольного момента электрона продолжался долгие годы, и долгие годы лучшие измерения базировались на изучении атомов таллия. Эксперименты медленно набирали чувствительность, поскольку постоянно имели дело с техническими ограничениями лаборатории — чувствительность измерений определялась размером электрического поля, которое можно было применить к электрону, а его величина определялась целесообразностью (и безопасностью).
   Однако за последние несколько лет этот таллиевый предел был превзойден, сначала в эксперименте 2011 года группой Эда Хиндса в Лондоне, а потом и группой Гарварда и Йельского университета. Быстрый прогресс стал возможен благодаря переходу к другому методу: вместо того чтобы смотреть на атомы, в новых измерениях стали использовать молекулы. Измерения стали в десятки раз более чувствительными, чем были в 2010 году, и станут еще лучше в ближайшие годы.
   Технические ограничения, получается, являются временными. Конкретный эксперимент может быть невозможен при определенном уровне технологического развития, но через пару лет какая-нибудь новая технология может запустить невероятный скачок (возьмите хотя бы изобретение лазера), или какой-нибудь умный физик придумает новый способ взглянуть на старые вещи под другим углом, который не потребует оригинального технологического подхода.
  
   Фундаментальные ограничения

   Следующий шаг сделать чуть сложнее. Фундаментальные ограничения встроены в сами законы физики, и нет никакого способа их обогнуть. Если вы захотите найти экзотический эффект, который противоречит другому, вы попадете в тупик.
   Примером фундаментального ограничения может быть принцип неопределенности Гейзенберга. Вопреки общепризнанному мнению, он не вытекает из измерений, а является фундаментальным ограничением, наложенным волновой природой материи (которую изо всех сил пытаются поставить под вопрос).
   Тот факт, что квантовый объект вроде электрона или фотона обладает длиной волны, связанной с его импульсом, означает, что нет никакого смысла говорить о частицах с прекрасно определенной позицией и импульсом.

Это не значит, что мы недостаточно умны, чтобы провести эти измерения: это значит, что эти величины не будут существовать, если попытаться измерить их одновременно.
   Другой пример фундаментальных ограничений включает «теорему о запрете клонирования», которая демонстрирует, что невозможно сделать идеальную копию одной квантовой системы, а с математической стороны — теорему Гёделя о неполноте, которая показывает, что любая математическая система, достаточно сложная, чтобы быть истинной, всегда позволит сформулировать положения, истинность которых нельзя будет определить. Эти запреты запечатаны в глубокую математическую структуру Вселенной, и нет ничего, что поможет вам обойти их.
   Есть интересная серая зона между технологическими и фундаментальными ограничениями, которая называется «масштабом Планка». Вы можете построить множество единиц физических измерений, объединив постоянную Планка, скорость света, гравитационную постоянную и постоянную Кулона. Эти «планковские единицы» определяют стандарты времени, длины и энергии, которые в некотором роде являются фундаментальными для физики, нам известной, и физики иногда называют «масштаб Планка» фундаментальным ограничением. Возможно, не имеет смысла даже говорить о временных интервалах, которые короче планковского времени, или энергиях, которые больше планковской энергии. С другой стороны, может быть и техническое ограничение другого типа — планковский масштаб может прятать еще более глубокую теорию, после открытия которой мы сможем говорить о невообразимо малых длинах или о невообразимо высоких энергиях, и даже исследовать их с помощью крутых экспериментов.
  
   Философские ограничения

   Последняя категория является либо самой интересной, либо, напротив, безынтересной, в зависимости от вашего отношения к философии. Эти ограничения лежат в основе самих принципов работы науки как попытки определить природу реальности изнутри нашей Вселенной.
   В некотором смысле фундаментальной проблемой здесь будет скрытое допущение нашей характеристики фундаментальных ограничений как «запеченных в глубоко математической структуре Вселенной». Эта имплицитность сама по себе подразумевает наличие глубоко математической структуры. Юджин Вигнер знаменито окрестил эту проблему «необоснованной эффективностью математики» — эмпирически складывается, что каждое физическое явление проверяется простыми математическими правилами, но почему это должно быть верно?
   С более экспериментальной точки зрения подобная проблема проявляется с уникальностью. Наука строится вокруг повторяющихся событий, и мы ничего не можем сделать с единичными событиями вроде сигнала WOW! (необъяснимый радиосигнал, якобы посланный нам инопланетянами). В отсутствие возможности изучить множество проявлений конкретного события или типа событий, нет никакого разумного способа выстроить научную теорию, их объясняющую.
   В обоих случаях основной проблемой будет то, что структура науки зависит от предположения, что Вселенная будет вести себя в повторяемой и логической манере, но нет никаких очевидных причин, почему бы ей стоило так себя вести. Можно представить себе Вселенную, в которой нам только кажется, что наши измерения указывают на согласованный набор математических законов, регулирующих деятельность Вселенной, но эта кажущаяся закономерность вполне может быть иллюзией.
   Такой философский подход может либо бросить вызов нашему представлению о реальности, либо воодушевить в нас дерзость в стиле «хорошо, ну и что теперь?». Ученые склонны полагать, что даже если наша математическая модель окажется иллюзией, ничего это по сути не изменит. Это вопрос из разряда «а что, если свобода воли иллюзорна?» и «а не живем ли мы в матрице?». Что дальше? Нет никакого разумного способа (насколько нам известно) проверить любое из этих допущений, поэтому остается дальше проверять Вселенную на прочность и улучшать нашу (иллюзорную) научную модель. Жизнь слишком коротка, чтобы задаваться вопросами, мол, не дергает ли кто-нибудь за ниточки?