Юрий Артамонов - Ли Смолин. Возрожденное время - От кризиса в физике к будущему вселенной

Позвольте мне объяснить указанные позиции подробнее:

Экспериментальная физика является изучением срезов природы.

Подсистема вселенной, моделируемая так, как если бы она была единственной вещью во вселенной, пренебрегая всем за пределами этой подсистемы, называется изолированной системой . Но мы никогда не должны забывать, что изоляция от целого никогда не бывает полной. Как отмечалось, в реальном мире всегда имеются взаимодействия между любой подсистемой, которую мы можем определить, и вещами за ее пределами. В той или иной степени подсистемы вселенной всегда являются тем, что физики называют открытыми системами . Это ограниченные системы, которые взаимодействуют с вещами, находящимися за пределами их границ. Так что когда мы делаем физику в ящике, мы аппроксимируем открытую систему изолированной системой.

Большое искусство экспериментальной физики заключается в превращении открытой системы в (приблизительно) изолированную систему. Мы никогда не можем сделать

к оглавлению

это совершенным образом. Для одних вещей измерения, которые мы делаем над системой, вторгаются в нее. (Это большая проблема в интерпретации квантовой механики; но на данный момент будем придерживаться макромира). Каждый эксперимент есть битва за выделение данных, которые вы хотите получить, из неизбежного присутствия помех, приходящих из-за пределов вашей несовершенно изолированной системы. Экспериментатор тратит большие усилия, чтобы убедить себя и коллег, что виден реальный сигнал, выделенный из шума, и мы сделали все, что смогли, чтобы уменьшить влияние шума.

Мы защищаем наши эксперименты щитами от засорения внешними вибрациями, полями и радиацией. Для многих экспериментов этого хватает, но некоторые эксперименты столь тонки, что на них влияют помехи от космических лучей, попадающих в детекторы. Чтобы хорошо изолировать лабораторию от космических лучей, вы можете разместить ее в шахте на глубине в несколько миль; именно так мы делаем для детектирования нейтрино от Солнца. Это уменьшает хаотический фоновый шум от сторонней радиации до контролируемых величин, хотя нейтрино все еще проходят. Но нет практически никакого способа изолировать лабораторию от нейтрино. Детекторы нейтрино, спрятанные глубоко в лед на Южном полюсе, записывают нейтрино, которые проникли с Северного полюса и прошли весь путь сквозь Землю.

Даже если бы вы смогли построить стену астрономической толщины и плотности, экранирующую от нейтрино, все еще остается кое-что, что может проникнуть, и это гравитация. В принципе ничто не может экранировать силу гравитации или остановить распространение гравитационных волн, так что ничто не может быть изолировано совершенным образом. Я раскрыл это важное обстоятельство при подготовке своей диссертации на степень доктора философии. Я хотел смоделировать ящик, содержащий гравитационные волны, отражающиеся назад и далее внутрь, но мои модели потерпели неудачу, поскольку гравитационные волны проходят прямо через стенки. Я представлял себе повышение плотности стенок ящика все выше и выше до точки, где они стали бы отражать гравитационное излучение, но перед этим я достиг точки, в которой модель показала коллапс материала стенок в черную дыру. Поломав голову некоторое время по этому поводу, пытаясь тем или иным способом избежать этого, я в конце концов осознал, что препятствие, которое я хотел было преодолеть, само по себе является куда более интересным открытием, чем то, на котором я пытался сделать работу. После некоторых дальнейших размышлений я смог показать, сделав только несколько предположений, что, ни одна стена

к оглавлению

не может экранировать гравитационные волны [7]. Не имеет значения, из чего стена сделана или насколько она толста или плотна. Чтобы прийти к этому заключению, я предположил только что верны законы ОТО, что содержащаяся в материи энергия положительна и что звук не может двигаться быстрее света.

Это означает - не только на практике, но и в принципе - что в природе нет вещей и систем, изолированных от влияния остальной вселенной. Это заключение достойно возведения в принцип, который я буду называть принципом отсутствия изолированных систем .

Есть и другая причина, почему модель открытой системы в виде системы изолированной всегда является аппроксимацией, заключающаяся в том, что мы не можем предвидеть хаотические разрушительные вторжения. Мы можем измерять, предвидеть и работать с шумом. Но внешний мир может существенно ухудшить наши попытки изолировать нашу систему Самолет может потерпеть крушение в здании, где расположена наша лаборатория, или его может опрокинуть землетрясение. Астероид может столкнуться с Землей. Облако темной материи может пройти через солнечную систему, возмутить земную орбиту и забросить нас в Солнце [8]. Или может быть, кто-то выключит электричество в лаборатории, щелкнув выключателем в подвале. Список вещей, которые могут привести к нарушению хода нашего эксперимента в этой большой вселенной, фактически, бесконечен. Когда мы моделируем эксперимент, как если бы он был над изолированной системой, мы исключаем из нашей модели все эти возможности.