Физика долгое время жила мечтой редукционизма — казалось, достаточно разгадать секреты мельчайших частиц, и все остальные явления Вселенной объяснят себя сами. Но этот трюк не работает ни со школьным законом Ома, ни с галактическими сверхскоплениями. Ученым нужен взгляд не только «снизу вверх», но и «сверху вниз».
Если спросить физика-редукциониста, как устроен мир, он ответит просто: всё есть сумма частей. Люди состоят из органов, органы из клеток, те — из молекул, молекулы из атомов. Ну а атомы — это комбинации фундаментальных субатомных частиц вроде электронов и кварков, удерживаемых вместе глюонами.
Поддержать нас на Boosty
Поддержать нас на Дзен
Звучит логично и очень удобно. Кажется, если мы досконально изучим Стандартную модель (описывающую все эти частицы и их взаимодействия), у нас в руках окажется универсальный чит-код от реальности. Комбинируя эти кирпичики, можно математически вывести абсолютно любое явление в космосе.
Проблема в том, что такой взгляд упускает две критически важные детали, без которых Вселенная просто отказывается работать по формулам: граничные условия (boundary conditions) и космологическое формирование «сверху вниз».
С некоторыми вещами физика частиц действительно справляется отлично. Если у вас есть конечный объем газа, вы можете взять скорости и импульсы всех его молекул и вывести из них давление, температуру и энтропию. Это называется эмерджентностью — когда макросвойства системы рождаются из микросвойств её деталей.
Но давайте посмотрим на электричество и знаменитый закон Ома (V=IR, где напряжение равно току, умноженному на сопротивление). Мы знаем, что ток — это просто поток заряженных частиц (электронов) через проводник. Казалось бы, зная все свойства электронов, мы должны легко вывести закон Ома.
Однако вы не можете вывести сопротивление (R) исключительно из свойств самого электрона. Сопротивление не фундаментально: оно зависит от материала, геометрии проводника и, что самое главное, от температуры. Чем горячее металл, тем сильнее хаотично мечутся атомы решетки, мешая электронам течь. А если охладить материал ниже определенной критической отметки, начнется странное: сопротивление внезапно упадет до абсолютного нуля, и возникнет эффект сверхпроводимости.
Пытаться объяснить сверхпроводимость, изучая исключительно поведение одиночного электрона в вакууме — все равно что пытаться понять причины автомобильных пробок, разбирая карбюратор. Чтобы описать систему, вам нужно знать граничные условия — правила и ограничения среды, в которой эта система находится. Граничные условия требуются везде: от расчета того, как электромагнитные волны бегут по коаксиальному кабелю, до моделирования плазмы в Солнце и расщепления энергетических уровней атомов в магнитных полях (эффект Зеемана).
Но сильнее всего чисто редукционистский подход трещит по швам на макроуровне космологии. Как Вселенная обзавелась своими нынешними формами — галактиками, звездами и великой космической паутиной? У физиков было два лагеря.
Первый настаивал на росте «снизу вверх» (bottom-up): мельчайшие квантовые флуктуации после Большого взрыва заставили материю слипаться сначала в крошечные комки (звезды), те стали объединяться в галактики, а они — в огромные скопления. Второй лагерь выступал за рост «сверху вниз» (top-down): гравитация сначала создала гигантские космические «блины» и нити колоссальных размеров, которые затем дробились на галактики, а те, в свою очередь, рассыпались на звезды.
Ответ, как это часто бывает, нашелся в данных наблюдений. Астрофизики измерили так называемый скалярный спектральный индекс — параметр, показывающий, на каких масштабах во Вселенной изначально было больше «силы» (космической мощности) для стягивания материи. Если бы Вселенная росла строго «снизу вверх», индекс тяготел бы к малым масштабам.
Но данные реликтового излучения показывают, что спектральный индекс равен 0.965. Значение меньше единицы означает, что первоначальная плотность материи была почти равномерной, но с легким (на 3,5%) перевесом в пользу гигантских, крупномасштабных структур. То есть стартовые чертежи космоса имели выраженный уклон «сверху вниз».
Да, из-за конечной скорости света (и, соответственно, скорости распространения гравитации) мелкие локальные структуры успели схлопнуться в первые звезды и галактики гораздо быстрее, чем гигантские «блины» осознали свою массивность и начали формировать скопления. Но без учета этих изначальных глобальных, макроскопических условий мы никогда не сможем объяснить современную архитектуру космоса.
Значит ли это, что редукционизм мертв, а Стандартная модель бесполезна? Разумеется, нет. В физике нет места мистике или аргументам в духе «Бога белых пятен» — мы не открыли никаких новых магических законов природы, которые внезапно проявляются только на макроуровне.
Всё действительно построено из элементарных частиц. Но само понятие «фундаментального» нужно расширять. Свойства окружения, стартовые данные космоса и граничные условия системы так же фундаментальны, как масса бозона Хиггса или заряд электрона.
Поиск самых глубоких законов природы оказался чуть сложнее, чем сборка мебели из ИКЕИ по инструкции. Выяснилось, что в мануале прописаны лишь свойства винтиков и деревянных панелей. Но чтобы понять, почему готовый шкаф выглядит именно так, нужно еще знать, что собирать его пришлось в условиях микрогравитации, при абсолютном нуле температур и на борту падающего космического корабля. А значит, физикам придется иногда отрывать взгляд от микромира и чаще смотреть на доску целиком.
Поддержать нас на Boosty
Поддержать нас на Дзен
Читайте также: Теория сборки утверждает, что время имеет фундаментальное значение
Комментировать можно ниже в разделе “Добавить комментарий”.