Итак, мы рассмотрели объект, язык и инструмент научного познания, и, теперь, мы вполне готовы к тому, чтобы окинуть взглядом картину мира, которую нам дает научный метод в основном с тем, чтобы попытаться наметить ее границы. Сразу оговоримся, что мы будем считать пространство и время наиболее элементарными сущностями, доступными нашему сознанию. К тому есть 3 основания:
1) Пространственно-выременные характеристики существовали во всех сколь угодно древних языках, во всех регионах мира.
2) Toetomi были приведены результаты исследований, показавших, что в человеческом мозгу имеются зоны, ответственные за восприятие пространственно-временных сущностей.
3) За всю историю науки не было ни одной удачной попытки уйти от представлений о пространстве и времени.
У меня есть еще один аргумент, свидетельствующий в пользу того же самого, но его я бы хотел приберечь до 5-й части.
Итак, тысячи лет человек жил в мире макроскопических явлений, т.е. явлений, соразмерных повседневной человеческой жизни. Когда Ньютон сформулировал свои законы механики, то картина этих явлений стала постепенно замыкаться сама на себя, и к концу 19-го века у сообщества ученых сложилось мнение, что в общем-то в этом мире все ясно за исключением нескольких белых пятен, которые вот-вот будут прояснены. Однако, к чему привело раскрытие этих белых пятен, всем известно: была создана новая физика, а за ней последовал невообразимый технический прогресс.
У Ньютона порстранство-время считалось не более, чем ареной для разворачивающихся на ней событий. Считалось, что зная пространственно-временные характеристики системы в какой-то момент времени и массы ее элементов, мы можем определить состояние системы в любой момент времени, как в прошлом, так и в будущем. Проблема состоит только в точности и полноте определения начальных параметров, т.е. по сути эта проблема является чисто технической. Потрясающая эффективность такого подхода была продемонстрирована на примере описания движения планет солнечной системы. Новые планеты открывались на кончике пера
, и только позже их наблюдали в телескопы. Таким образом, эта парадигма обладает
абсолютной предсказательной силой.
С тем , чтобы показать, что привнесла сюда новая физика, я хотел бы обратиться к одному примеру, который уже проскакивал в дискуссиях. Как-то раз Toetomi в качестве примера абстрактного мышления человека приводил следующее: если человек видит падающий камень, ему не обязательно видеть, как он упадет на землю; абстрактное мышление, мол, само достроит траекторию падения. Можно долго спорить, насколько данный пример иллюстрирует абстрактное мышление человека, но единственное, что мы можем легко проверить этого человека на знание законов новой физики.
Итак, начнем с классического случая. Действительно, человек видит падающий камень. Что значит, видит? Видит, значит оценивает его пространственное положение и скорость в определенный момент времени. Далее, мы должны принять во внимание, что камень находится в поле тяжести Земли. Задача о теле, брошенном под углом к горизонту, известна каждому со школьной скамьи, и каждый легко определит, упадет ли в самом деле на землю камень. Скорее всего, конечно, интуиция не подводит нашего человека, и камень действительно упадет.
Теперь, возьмем следующий случай. Пусть наш человек зарегистрировал каким-то образом в верхних слоях атмосферы пи-мезон. Измерил его скорость и положение в какой-то момент времени. Будет ли он прав, утверждая, что пи-мезон упадет на Землю? Ньютоновская картина мира ответит: да, конечно; современная скажет конечно нет, то есть, может прав, а может и нет. Связано это с тем, что пи-мезон подвержен распаду, а распад - это
квантовый процесс, в отношении которого никто не может сказать точно, когда он произойдет.
Теперь давайте представим следующую ситуацию. Пусть наш человек находится где-то неподалеку от черной дыры, и он обнаружил падающий на ее поверхность камень. Будет ли он прав, утверждая, что пи-мезон упадет на черную дыру? Ньютоновская картина мира ответит: да, конечно; а современная спросит в ответ: а что значит упал? Действительно, если сам этот человек захочет проследить падение этого камня, он ничего не поймет. Камень будет с его точки зрения лететь туда бесконечно долго, потому что свет с поверхности черной дыры не может достичь наблюдателя, течение времени там бесконечно замедлено. Говоря более научно, пространство-время на поверхности черной дыры
сильно искривлено.
Итак, как мы видим, новая физика прежде всего ограничивает предсказательную силу самой себя двумя феноменами - квантовой неопределенностью и искрывлением пространства-времени.
Давайте чуть подробнее рассмотрим каждый из них. Начнем с квантовой неопределенности. Как мы знаем, для полноты описания поведения системы в ньютоновской парадигме, нам надо знать в какой-то момент времени координаты и скорости элементов системы. Так вот, принцип квантовой неопределенности говорит о том, что координата и скорость принципиально не могут быть измеренны одновременно. Чем точнее мы будем измерять одно, тем меньше будет точность другого. Таким образом, с абсолютной точностью мы можем измерить лишь один параметр. Что же тогда возможно? А возможно вот что. Зная, например, скорости элементов системы, мы можем для каждого из них получить плотности вероятности их нахождения в данной точке пространства. То есть, сказать, где вероятнее будет найти тот или иной элемент системы. Электронные облака, которые все изучали в школьном курсе химии - это как раз картинки из этой серии. Таким образом, получается следующее. Действительно, мы не можем предсказать поведение одной квантовой частицы, но поведение ансамбля одинаковых квантовых частиц довольно хорошо детерминировано, потому что оно усреднено по той самой плотности вероятности. Не надо думать, что квантовые эффекты - есть нечто от нас далекое. Квантовые эффекты окружают и нас, и человека столько, сколько он существовал. Так, излучение Солнца есть квантовый эффект, фотосинтез есть квантовый эффект, да и вообще, там, где речь идет о химических связях и реакциях, нельзя обойтись без квантовых явлений.
Что касается искривления пространства, то этот феномен необходимо рассматривать в связи с другим феноменом - абсолютом скорости света. Вместе их можно назвать
релятивистскими феноменами, то есть, феноменами теории относительности (relativity). В чем же состоит абсолют скорости света? Состоит он буквально в том, что скорость света постоянна во всех системах отсчета. Тут можно рассматривать много мысленных экспериментов. Такой например. Пусть у нас есть поезд с прожектором, светящим вперед, и есть 2 наблюдателя - в поезде и на перроне, мимо которого поезд проносится со скоростью порядка скорости света. Так вот, несмотря на величину скорости поезда, оба наблюдателя будут мерять одинаковую скорость света, хотя здравый смысл подсказывает нам, что эти скорости должны различаться на величину скорости поезда. Одним из проявлений этого является, например, магнитное поле (хотя человеку, далекому от физики, наверное трудно представить, что это так). Далее, утверждается, что пространство-время в сильных гравитационных полях (полях тяжести) искривляется, а свет движется со своей постоянной скоростью не по прямым "траекториям", а по мировым линиям, отслеживающим кривизну пространства. Иными словами, свет может "огибать" области с сильным гравитационным полем. Гравитационное поле может быть настолько сильным, что может замкнуть мировые линии. Тогда образуется черная дыра, то есть область пространства, откуда свет не может выйти наружу. Что происходит с веществом в черной дыре, как мы выяснили, сказать нельзя, потому что у нас нету "связи" с этим, если хотите, потусторонним миром. Эффекты кривизны пространства тоже не столь далеки от нас, как может показаться. Например, некоторые особенности орбитального вращения Меркурия вокруг Солнца удалось понять только с помощью этих эффектов.
Квантовая случайность и искривление пространства-времени заставили ученых отойти от понимания пространства-времени, как просто арены для разворачивающихся на них событий. Пространство-время поддается действию на него материальных тел (искривляется) и проявляет совершенно удивительные свойства в квантовых взаимодействиях. Если в ньютоновской механике время обратимо, т.е. мы можем легко описать систему в прошлом и будущем, зная ее состояние в определенный момент времени, то в квантовой механике время необратимо принципиально. Если мы возьмем такой квантовый процесс, как излучение атомом кванта света, мы легко это поймем. Допустим, это случилось в определенный момент времени. Квант света, фотон, полетел в бесконечность. Но теперь пустим мысленно время вспять: фотон летит назад к атому. Наконец, наступает момент взаимодействие, но это взаимодействие квантовое, т.е. недетерминированное. Фотон может поглатиться обратно, а может и пролететь мимо. Вобщем, пространство и время современной физики - это вовсе не то прострнство и время, к которому мы привыкли в обыденной жизни. Человеческому познавательному инструменту пришлось изрядно напрячься, чтобы уяснить эти новые представления.
Вот теперь мы вплотную подошли к проблеме возможной границы пространственно-временного описания материи. Как ни странно, эта граница хорошо предсказывается современной наукой. Связана она с совмещением квантовых и релятивистских феноменов. При определенной достаточно большой плотности вещества
существенной квантовой неопределенности становится подверженой кривизна пространства-времени. Фактически это означает разрушение пространства-времени как такового. То есть, если бы мы нарисовали в таком флуктуирующем пространстве прямую линию, она непредсказуемым образом бы искривлялась в различных точках. Наш пространственно-временной познавательный инструмент совершенно бессилен в такой среде.
Теперь зададимся вопросом, а что же является причиной квантовой неопределенности и искривления пространства? Очевидно, эти причины находятся за рамками представлений о пространстве-времени, раз эти феномены приводят к разрушению последнего. Обосновываются они исключительно экспериментальными фактами. С другой стороны за рамками представлений о пространстве-времени находится, как мы уже не раз отмечали, наш познавательный инструмент, т.е. человеческое сознание. Таким образом, оно становится в некотором смысле соразмерно квантовым и релятивистским феноменам. И это представляет собой одну из интереснейших загадок бытия.
.
