ОТКУДА ВЗЯЛИСЬ ЗАКОНЫ ПРИРОДЫ

Любознательный ребенок и немолодой ученый, каждый на свой лад, не перестанут задавать вопросы: почему, откуда это взялось, как оно возникло, в чем причина, какие будут следствия?

Для меня одной из важнейших нерешенных загадок является "детский" вопрос: ОТКУДА ВЗЯЛИСЬ ЗАКОНЫ ПРИРОДЫ? Если вопрос сузить, то: откуда взялись законы физики? Сюда нужно добавить следующий: откуда взялась симметрия законов физики (принципы инвариантности)? За этим тянется еще один вопрос: почему время, в отличие от пространства, асимметрично, т.е. необратимо?

Сейчас мы оставим в стороне вопросы истории возникновения математического естествознания, а будем исходить из достигнутого нашей культурой результата, а именно: человек уверен, что существуют законы природы, что он может их открыть и проверить их справедливость. Если вопрос сузить до области физики и космологии, то принято считать, что законы природы и их симметрия существуют и могут быть математически сформулированы. Поэтому основная научная деятельность направлена на поиск и проверку этих законов.

Иллюстрация взята с сайта HOTPNG:

https://www.hotpng.com/free-png-clipart-hiegg

Сам факт наличия законов природы удивителен и непостижим. Из общего курса физики мы знаем, что некоторые частные законы можно логически вывести из более общих законов. Однако, существуют законы, которые ниоткуда логически не следуют, но могут быть открыты лишь при опытном изучении природы. То же самое относится к симметрии законов физики.

Непостижимо и то, что математика оказывается эффективным инструментом при формулировании и даже при поиске законов природы. Это удивительно, ведь математика оперирует только с абстрактными объектами и конструкциями, придуманными человеком, а в природе находятся объекты и системы материальные, обладающими многими конкретными качествами. Абстрактная математика и конкретная физическая природа - это два разных мира, но они почему-то могут гармонировать. Здесь мы сталкиваемся с еще одним чудом: человек способен постигать законы природы и их симметрию.

Далее. Законы физики содержат в себе фундаментальные физические постоянные. Некоторые из этих постоянных могут быть выведены из других, но существуют фундаментальные постоянные, значения которых можно получить только из эксперимента. Откуда взялись они? И почему они принимают именно такие численные значения? Ведь этот вопрос не получится свести лишь к выбору единиц измерения. Мы же вправе вообразить себе мир, в котором поменяли численные значения постоянная Планка, или гравитационная постоянная, или скорость света, например...

Вероятно, за каждой фундаментальной физической постоянной скрывается какой-то более глубокий уровень физики. Это предположение подкрепляется тем фактом, что некоторые физические постоянные удается вывести из других постоянных, входящих в более фундаментальные законы физики.

Современная космология позволяет строить сценарии эволюции материи и, отчасти, законов физики. Например, с некоторой степенью достоверности наука утверждает, что законы электромагнитного взаимодействия некогда впервые проявились в "чистом виде" при отделении электромагнитных сил от электрослабого взаимодействия (~ 10 в степени минус 12 секунд от Начала). Тогда же впервые проявились в "чистом виде" законы слабого взаимодействия. До момента отделения существовали законы единого электрослабого взаимодействия. Таким образом, произошла дифференциация свойств материи и законов физики, законов стало больше, фундаментальных констант стало больше. Но еще ранее, как полагают, могло произойти отделение электрослабого и сильного взаимодействий (~ 10 в степени минус 34 секунды от Начала). После момента указанного отделения существовали законы электрослабого и сильного взаимодействий, в "чистом виде" каждого. А до момента указанного отделения должны были существовать законы "великого объединения", как иногда его называют, или законы электроядерного взаимодействия. Вместе с тем, уникальное значение имеют законы гравитационного взаимодействия, которые, по всей вероятности, имеют особую от указанных выше сил природу. Гравитационное взаимодействие является универсальным, и оно могло быть когда-то объединено с известными остальными силами, хотя и не существует в этом полной уверенности. Если гравитационные силы все же были изначально объединены с остальными силами, то у этой "теории всего" должны были проявляться свои законы. Отделение гравитационного взаимодействия от остальных сил могло произойти раньше всех подобных отделений (~ 10 в степени минус 43 секунды от Начала).

Иллюстрация: художник Александр Басс, с обложки романа Ивана Ефремова "Туманность Андромеды" (издание Киев: Вэсэлка, 1989)

Далее. Сегодня в космологии популярна теория о том, что стадия горячего большого взрыва наступила после инфляционной стадии (~ 10 в степени минус 34 секунды от Начала). Скалярное поле стадии инфляции при своем распаде породило известные элементарные частицы. Это загадочное физическое поле (инфлатон) теоретики характеризуют определенными законами, постулируемыми в инфляционных моделях. Например, очень популярны гипотезы вечной хаотической инфляции, в которой рождается Мультивселенная, состоящая из огромного числа почти несвязанных вселенных, одна из которых есть наша Вселенная. Предполагается, что в силу особого механизма в каждой такой вселенной могут "случайно выпадать" свои значения фундаментальных физических постоянных, а может быть даже формироваться свои законы физики. Вот какой богатой природой должен обладать гипотетический инфлатон (скалярное поле).

Еще раньше, как предполагают теоретики, могла быть "планковская" эпоха в эволюции мироздания (до ~ 10 в степени минус 43 секунды от Начала). Для "планковской" эпохи считаются неприменимыми современные представления о пространстве и времени. Поэтому иногда говорят о некоей "пространственно-временной пене", о "кипении" вакуума. Вплоть до "планковской" эпохи (если смотреть в прошлое, к Началу) ученые используют известные на сегодня представления о материи и фундаментальные законы физики. И даже для "планковской" эпохи надеются открыть свои фундаментальные законы. Некоторые ученые полагают, что именно на планковском масштабе генерируются законы физики...

Из всей этой картины возникает законный вопрос: так откуда появились законы природы и их симметрия (принципы инвариантности)?

Если законы физики, которые мы знаем для современного состояния Вселенной, или физические постоянные в этих законах, могли генерироваться на планковском масштабе или при распаде "инфлатона", то придется брать во внимание тот факт, что существует множество независимых постоянных. В стандартной модели элементарных частиц содержится аж 19 (!) независимых параметров, играющих роль фундаментальных физических констант. И пока не обнаруживается тенденции к уменьшению числа фундаментальных постоянных. Скорее, наоборот: по мере того, как человек углублялся в строение материи, открывались новые фундаментальные постоянные, хотя и удавалось некоторые из физических постоянных свести к более фундаментальным. Что же касается симметрии законов физики, то ученые полагают, что ближе к Началу эти законы обладали очень высокой степенью симметрии. Но, по мере развития Вселенной происходило быстрое понижение симметрии законов по механизму спонтанного нарушения симметрии, хотя и неизвестно почему так...

Мне представляется, что "планковское" состояние материи и/или инфлатон должны обладать таким богатым физическим содержанием, чтобы обеспечить генерацию все возрастающего множества физических законов и фундаментальных физических постоянных. И у меня такое чувство, что "планковская" эпоха не есть первая стадия эволюции Вселенной (или Мультивселенной) непосредственно от Начала, но по мере проникновения в тайны физики и космологии окажется, что там скрыто неисчерпаемое множество "начальных" и еще более "начальных" стадий и состояний материи. И в этой бездне содержится все безграничное богатство физических законов и абстрактных математических конструкций, готовых проявиться в подходящей ситуации, и которые еще предстоит открывать человеку. И никакой "теории всего" нам не видать! И Вселенная в принципе не описывается конечным набором фундаментальных математических уравнений.

Наверное, это даже к лучшему. Никакого конца физики не наступит...

Литература и видео для общего ознакомления

1. Шафрановский И.И. Симметрия в природе. Доступно в интернете.

2. Фейнман Ричард. Характер физических законов. Доступно в интернете.

3. Эйнштейн Альберт. Собрание научных трудов. Т. IV. Статьи, рецензии, письма. Эволюция физики. М.: Наука, 1967.

4. Паули В. Физические очерки. Сборник статей. М.: Наука, 1975.- 258 с.

5. Вигнер Е. Этюды о симметрии. Пер. с англ. Ю.А.Данилова. Под ред. Я.А.Смородинского. М.: Мир, 1971.

6. Элементарный учебник физики. Под ред. акад. Г.С. Ландсберга. Доступно в интернете.

7. Физика космоса: Маленькая энциклопедия / Редкол. Р.А. Сюняев и др. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Сов. энциклопедия, 1986. Доступно в интернете.

8. Штерн Б.Е. Прорыв за край мира. О космологии землян и европиан / Борис Е. Штерн. - М.: Троицкий вариант, 2014. - 304 с.

9. Линде А. Самовоспроизводящаяся инфляционная вселенная. Доступно в интернете.

10. Левин А. Натуральна ли естественность? Доступно в интернете.

11. Вернадский В.И. Философские мысли натуралиста. Доступно в интернете.

12. Пригожин И., Стенгерс И. Время, хаос, квант. К решению парадокса времени. Пер. с англ. Ю.А.Данилова. Под ред. В.И.Аршинова. М.: Эдиториал УРСС, 2000. - 240 с.

13. Рубаков В.А. Иерархии фундаментальных констант. УФН, т.177, N4, 2007. - С.404-414.

14. Черепащук А.М. История истории Вселенной. УФН, т.183, N5, 2013. - С.535-556.

15. Каршенбойм С.Г. Фундаментальные физические константы: роль в физике и метрологии и рекомендованные значения. УФН, т.175, N3, 2005. - С.271-298.

16. Алексей Семихатов. Математический язык в познании и мышлении. www.YouTube.com. Доступно в интернете.

17. Алексей Семихатов. Абстрактное и конкретное в математике. www.YouTube.com. Доступно в интернете.

18. Алексей Семихатов. Почему человек способен делать предсказания? www.YouTube.com.Доступно в интернете.

19. Сергей Попов. Законы природы и математика. www.YouTube.com. Доступно в интернете.

20. Черепанов В.И. Симметрия и принципы инвариантности в физике. Доступно в интернете.

21. История Вселенной. Материал из Википедии. Доступно в интернете.

В.Ю. Скосарь, апрель-июнь 2020 г.