Читать книгу Найкоротша історія часу - Стивен Хокинг - Страница 4

Щоб говорити про природу Всесвіту й міркувати про те, чи має він початок або кінець, слід усвідомити, що таке наукова теорія. Виходитимемо з того наївного уявлення, що теорія – це просто модель Усесвіту або певної його частини, а також набір правил, які допомагають встановити зв’язок між абстрактними величинами й конкретними спостереженнями. Теорія існує тільки в наших головах і не має іншої реальності (що б це слово не означало). Будь-яка теорія гарна, якщо вона відповідає двом вимогам: точно описує великий масив спостережень на основі моделі, що містить лише кілька довільних елементів, і дозволяє робити точні передбачення щодо результатів подальших спостережень. Наприклад, Аристотель визнавав теорію Емпедокла, згідно з якою все складається з чотирьох елементів: землі, повітря, вогню й води. Це була досить проста теорія, але вона не дозволяла робити жодних певних передбачень. Теорія всесвітнього тяжіння Ньютона заснована на ще простішій моделі, згідно з якою тіла притягуються із силою, пропорційною їхнім масам та обернено пропорційною квадрату відстані між ними. Утім, ця теорія з високою точністю передбачає рух Сонця, Місяця й планет.

Будь-яка фізична теорія завжди умовна в тому розумінні, що вона є лише припущенням: ви нізащо її не доведете. Скільки б разів результати експериментів не збігалися з прогнозами теорії, ви ніколи не зможете бути впевнені, що наступного разу між ними не виникне протиріччя. Водночас одне-єдине спостереження, що не збігається з прогнозами теорії, здатне її спростувати. Щоразу, коли результати нових експериментів узгоджуються з передбаченнями теорії, вона виживає й наша довіра до неї збільшується. Однак, якщо бодай одне спостереження суперечить теорії, ми повинні її відкинути чи переглянути. Принаймні передбачають, що так має бути, проте ви завжди можете засумніватися в компетентності того, хто здійснював спостереження.

На практиці нова теорія найчастіше є розвитком попередньої. Наприклад, вельми точні спостереження за планетою Меркурій виявили невеликі розбіжності між її реальним рухом і тим, що передбачає теорія всесвітнього тяжіння Ньютона. Загальна теорія відносності Ейнштейна дещо відхиляється від теорії Ньютона. Те, що передбачення Ейнштейна, на відміну від ньютонівських, збіглися зі спостереженнями, стало одним із найважливіших підтверджень нової теорії. Проте ми досі використовуємо теорію Ньютона для практичних завдань, адже відмінності між її прогнозами й передбаченнями загальної теорії відносності вельми незначні. (До того ж теорія Ньютона має велику перевагу: працювати з нею набагато простіше, ніж із теорією Ейнштейна!)

Кінцева мета науки полягає в тому, щоб запропонувати єдину теорію, яка описує весь Усесвіт. Однак на практиці науковці ділять це завдання на дві частини. Першу частину становлять закони, що описують, як Усесвіт змінюється з часом. (Якщо ми знаємо стан Усесвіту в певний момент часу, то ці фізичні закони повíдають нам, яким буде його стан згодом.) До другої частини належать питання, що стосуються первісного стану Всесвіту. Деякі люди переконані, що наука має займатися тільки першою частиною, а питання про початковий стан відносять до царини метафізики чи релігії. Вони кажуть, що Бог, відзначаючись усемогутністю, міг би дати початок Усесвіту, якби йому заманулося. Може, це й справді так, але тоді Всевишній міг також змусити Всесвіт формуватися хтозна-як. Однак, схоже, Творець звелів йому розвиватися достоту за певними законами. Тому чи не розумніше було б припустити, що якісь закони керували й початковим станом Усесвіту?

Виявляється, дуже важко винайти теорію, що описує весь Усесвіт. Натомість ми розбиваємо завдання на частини й створюємо безліч часткових теорій. Кожна з них описує й передбачає деякий обмежений клас спостережень, нехтуючи впливом інших величин або подаючи їх у вигляді простих наборів чисел. Можливо, цей підхід зовсім неправильний. Якщо все у Всесвіті фундаментально залежить одне від одного, то, може, годі дійти абсолютного розв’язання, досліджуючи частини проблеми окремо. Утім у минулому саме цей спосіб дозволив досягнути певного успіху. Класичний приклад – та ж таки теорія Ньютона, яка говорить нам, що гравітаційна взаємодія між двома тілами залежить тільки від однієї їхньої властивості – маси – і не бере до уваги те, з чого вони складаються. Тож нам не потрібна теорія внутрішньої будови Сонця й планет, аби розрахувати їхні орбіти.

Сьогодні науковці описують Усесвіт у термінах двох основних часткових теорій – загальної теорії відносності та квантової механіки. Це найбільші досягнення розуму першої половини ХХ століття. Загальна теорія відносності описує дію гравітації й масштабну будову Всесвіту, тобто структуру в масштабах від кількох кілометрів до мільйона мільйонів мільйонів мільйонів (одиниця з двадцятьма чотирма нулями) кілометрів – розмірів видимого Всесвіту. Квантова механіка, навпаки, має справу з украй малими масштабами на кшталт мільйонної частки від мільйонної частки сантиметра. Щоправда, відомо, що ці дві теорії несумісні: разом вони не можуть бути правильні. Одним із провідних завдань сучасної фізики й головною темою цієї книжки є пошук нової теорії – квантової теорії гравітації, – яка поєднала б у собі подані часткові. Поки що такої теорії немає, і, можливо, нам доведеться подолати ще довгий шлях до неї, але вже відомо чимало тих властивостей, які мають бути притаманні новому вченню. І ми покажемо далі, що вже знаємо чималу кількість передбачень, які повинна робити квантова теорія гравітації.

Від атомів до галактик

Якщо ви вірите, що Всесвіт не хаотичний, а підпорядкований певним законам, то має існувати можливість урешті-решт звести різні часткові теорії в одну повну, яка опише все у Всесвіті. Проте в пошуках закінченої загальної теорії криється фундаментальний парадокс. Сформульовані вище принципи створення наукових теорій передбачають, що ми раціональні істоти, здатні спостерігати Всесвіт у різні способи й робити логічні висновки з того, що бачимо. У такому разі логічно припустити, що ми могли б підбиратися дедалі ближче до законів, які керують нашим Усесвітом. І якби справді існувала повна об’єднана теорія, вона, можливо, визначила б наші власні дії. А значить, і результати наших пошуків самої об’єднаної теорії! І чому вона повинна зумовлювати те, що ми зробимо правильні висновки зі спостереженого? Чи не може виявитися, що з таким самим успіхом ми зробимо неправильні висновки? Або взагалі не зробимо жодних?

Єдина відповідь, яку можна дати на ці запитання, ґрунтується на принципі природного відбору Дарвіна. У будь-якій популяції самовідтворювальних організмів неминучі варіації в генетичному матеріалі й вихованні різних особин. Ці відмінності означають, що деякі індивідууми здатні судити про навколишній світ точніше за інших і відповідно діяти. Такі особистості матимуть нащадків, а отже, їхня поведінка й спосіб мислення домінуватимуть. Певна річ, те, що ми називаємо інтелектом і науковим мисленням, у минулому давало переваги в боротьбі за виживання. Не зовсім зрозуміло, однак, чи дає це такі переваги сьогодні. Наші наукові відкриття здатні знищити всіх нас, і, навіть якщо цього не станеться, повна об’єднана теорія не збільшить наші шанси на виживання. Однак, якщо Всесвіт розвивався за певними законами, ми могли б очікувати, що здатність до мислення, якою нагородив нас природний відбір, прислужиться в пошуках повної об’єднаної теорії, а отже, не приведе нас до помилкових висновків.

Оскільки часткові теорії, які ми вже маємо, достатні для того, щоб робити точні передбачення у всіх ситуаціях, окрім найбільш екстремальних, то пошук остаточної теорії Всесвіту, схоже, важко виправдати міркуваннями практичної користі. (Варто, утім, зазначити, що такі аргументи могли використовувати й проти теорії відносності та квантової механіки, а вони дали нам ядерну енергію й революцію у сфері мікроелектроніки!) Тож відкриття повної об’єднаної теорії може й не сприяти виживанню людського роду. Воно може навіть не позначитися на нашому способі життя. Але відтоді, як зародилася цивілізація, люди відмовляються вважати явища позбавленими взаємозв’язків і незрозумілими. Вони прагнуть збагнути, що лежить в основі всієї світобудови. Сьогодні ми досі намагаємося дізнатися, звідки та яким чином з’явилися в цьому світі. Фундаментальний потяг людства до знання – достатня підстава для продовження пошуків. І наша мета – щонайменше повний опис Усесвіту, у якому ми живемо.