Закони природи як рецепт чи репортаж
Автор: Маріо Губерт, доцент філософії Мюнхенського університету Людвіґа–Максиміліяна.
На сьогодні фізики та філософи сформулювали три протилежні моделі, які пояснюють, як працюють закони природи. Яка з них найкраща?
Сонце сходить щодня. Вода кипить при температурі 100°C. Яблука падають на землю. Ми живемо у світі, в якому об’єкти поводяться однаково за однакових обставин. Уявімо інший світ: такий, що постійно змінюється; світ, де Сонце не сходить щодня; світ, у якому вода одного дня кипить при 50°C, а іншого — при 120°C; світ, де яблука часом падають із дерев, а часом здіймаються у небо. Тільки завдяки тому, що наш світ демонструє стабільні закономірності, ми здатні надійно формувати своє середовище й планувати своє життя.
Ми інтуїтивно відчуваємо, що ці закономірності зумовлені законами природи. Проте ми рідко ставимо собі запитання про те, чим саме є ці закони і як вони діють із точки зору базових метафізичних принципів. Натомість ми припускаємо, що наука не лише відкриває ці закони, але й розкриває їхню структуру та метафізичний статус, навіть якщо відповіді є лише частковими. Коротше кажучи, ми віримо, що завдяки науці існує певний «рецепт» для пояснення законів природи. Ми беремо стан Всесвіту в конкретний момент — усі факти про всі його аспекти — та поєднуємо його з законами природи, припускаючи, що це дозволить передбачити або, принаймні, визначити стан Всесвіту в наступний момент.
Я називаю це моделлю Всесвіту як листкового пирога, яка бере початок від філософа XVII століття Рене Декарта. Невдовзі після того, як Декарт прийняв ідею детерміністичного Всесвіту, Ісаак Ньютон представив математичний закон гравітації, який дав цій концепції потужне кількісне обґрунтування. Сила гравітації, що діє на одне тіло в один момент часу, визначається розташуванням усіх тіл у Всесвіті в цей момент; стан Всесвіту разом із законом гравітації говорять вам, як рухатимуться всі тіла: справжня модель листкового пирога.
Вплив Декарта та Ньютона на те, як ми думаємо про закони природи, величезний — і не безпідставний. Їхня модель допомогла об’єднати цілі галузі фізики, включаючи механіку, гравітацію та електромагнетизм. Вона досі настільки поширена у науковій спільноті та має таке видатне походження, що вчені можуть навіть не усвідомлювати, що вони взагалі підтримують модель листкового пирога.
Але незручна істина полягає в тому, що існує багато аспектів сучасної фізики, які, здається, є контрприкладами моделі листкового пирога. До цього часу деякі з цих альтернатив займали лише вузьку нішу у фізиці. Проте їх слід вивчати глибше та розуміти ширше, оскільки вони створюють серйозні проблеми для фундаментального розуміння Всесвіту — як він виник, куди прямує та яка сутність, якщо така є, рухає ним.
Перший серйозний виклик для моделі листкового пирога з’явився у ХХ столітті — ним стала теорія загальної відносности Альберта Айнштайна. Закони природи, які лежать в основі цієї теорії, себто рівняння Айнштайна, зовсім не відповідають моделі листкового пирога.
Різниця стає очевидною, якщо розглянути структуру самих математичних формул. Рівняння, що відповідає моделі листкового пирога, описує зміни у просторі через фундаментальні причини цих змін. Наприклад, рівняння другого закону руху Ньютона описує прискорення фізичних тіл через сили, що викликають це прискорення. Натомість рівняння Айнштайна описують саму структуру простору-часу як рушій змін для руху фізичних тіл. Насправді, більшість розв’язків рівнянь Айнштайна дають структуру простору-часу несумісну з моделлю листкового пирога. Стикаючись із цим викликом, фізики вдаються до підходу, який багато про що говорить: вони цілеспрямовано шукають розв’язки рівнянь Айнштайна, які узгоджуються з моделлю листкового пирога, і виключають ті розв’язки, що не відповідають цій моделі, класифікуючи їх як «нефізичні» — тобто такі, що є лише математичними рівняннями, які не відображають реальність, або, принаймні, ту реальність, у якій ми живемо.
У випадку загальної теорії відносности для цього є вагомі підстави, але в інших випадках виклик, який кидає модель листкового пирога, стає дедалі важче ігнорувати. У класичній механіці, наприклад, існує метод Лагранжа, згідно якого при русі між двома окремими точками, A і Б, фізичне тіло обирає найефективніший шлях. Це не схоже на модель листкового пирога, тому що для того, щоб фізичне тіло пішло шляхом максимальної ефективности, точка Б, яка лежить у майбутньому, має бути визначена заздалегідь. На перший погляд, це здається парадоксальним, так ніби майбутня дія визначає рух тіла в минулому.
Як би дивно це не звучало, але виявилось, що з формулювання Лагранжа можна вивести знайомі нам ньютонівські рівняння руху. Через це вчені часто розглядають ньютонівську версію, яка узгоджується з теорією листкового пирога, як таку, що відображає справжню будову світу. Метод Лагранжа вважають цікавим та іноді практичним, але ніколи не називають метафізично точним, радше математичним переформулюванням.
Проте метод Лагранжа — це лише початок. У фізиці є багато інших теорій, де майбутнє нібито якось впливає на минуле. Особливості квантової механіки призвели до розвитку так званих ретропричинних моделей. А такі велетні фізики середини століття, як Джон Арчибалд Вілер та Ричард Фейнман, розробили теорію класичного електромагнетизму, сенс якої полягає в тому, що майбутні заряди посилають світлові сигнали в минуле.
Я не стверджую, що будь-яка з цих альтернатив моделі Всесвіту як листкового пирога є правильною, але вони заслуговують на більш детальне вивчення. Це відкриває шлях до дослідження інших можливих способів, як закони діють у Всесвіті.
У сучасній філософії модель листкового пирога відстоює філософ Тим Модлін, професор Нью-Йоркського університету. У своїй книжці «Метафізика у фізиці» (2007) він називає дві ключові метафізичні риси: закони є примітивними сутностями, і закони визначають майбутнє поточного стану. У цьому контексті «примітивний» означає незвідний до чогось іншого, або такий, що існує сам по собі. Тож примітивні закони існують самі по собі, і вони не є конкретними об’єктами на кшталт столів чи автомобілів, які ми можемо відчувати і взаємодіяти з ними за допомогою наших органів чуття, а радше є абстрактними сутностями, схожими на числа. Одразу виникає проблема: як закони можуть впливати на будь-який фізичний об’єкт у світі?
Загалом, ми стикаємося з подібною проблемою і в контексті юридичних законів: як ці абстрактні закони, що їх прийняв Конґрес, можуть впливати на нашу поведінку? Але відповідь проста: як тільки ми дізнаємося про закон і розуміємо його, ми можемо вирішити, чи дотримуватися його. Той факт, що в нас є вибір, чи дотримуватися закону, також означає, що в нас є вибір не дотримуватися закону.
Закони природи працюють інакше. Електрон змушений їм підкорятися (навіть якщо вони недетерміністичні), і, що ще важливіше, залишається незрозумілим, як саме ці примітивні абстрактні сутності, якими є закони, можуть впливати на поведінку електрона.
Для того, щоб пом’якшити проблему того, як електрони здатні підкорятися цим законам, філософ Дейвід Льюїс запропонував іншу концепцію, яка отримала назву «Г’юмізм щодо законів природи», в пам’ять про Дейвіда Гʼюма.
У праці «Розвідка про людське розуміння» (1748) Г’юм порушив проблему, пов’язану з поняттям причинности. Він проілюстрував її на прикладі зіткнення більярдних куль. Коли більярдна куля А вдаряє більярдну кулю Б, яка спочатку перебувала в стані спокою, ми спостерігаємо, що більярдна куля Б починає рухатися після зіткнення. Ми стверджуємо, що рух кулі Б спричинила куля А. На перший погляд, це здається беззаперечним. Принаймні, нам відомо, що завдяки причинно-наслідковому зв’язку між двома більярдними кулями, щоразу, коли куля А вдаряє кулю Б, куля Б починає рухатися. Але як саме цей причинно-наслідковий зв’язок пов’язує рух кулі А зі зміною руху кулі Б так, що куля Б завжди реагує однаково, коли в неї влучає куля А? Для Г’юма це питання залишається без відповіді. Ми, як люди, не можемо спостерігати цей причинно-наслідковий зв’язок безпосередньо; усе, що ми можемо бачити, — це постійний рух кулі А та подальший рух кулі Б. І це єдине, що ми можемо впевнено сказати про причинно-наслідковий зв’язок.
Льюїс перетворив цей епістемічний висновок на онтологічний. Мало того, що ми не відчуваємо, як саме закони впливають на фізичні об’єкти, тепер закони природи ні на що не впливають і нічого не створюють у цьому світі. Модель листкового пирога є абсолютною фікцією. Натомість закони природи ефективно описують те, що відбувається у світі. Вони повідомляють про факти у світі так само, як це робить газетний репортаж. Тому, щоб підкреслити основну ідею цієї пропозиції, я назву її моделлю законів природи як газети.
Модель газети є, можливо, найпопулярнішою теорією законів природи серед професійних філософів, і наразі вона є популярною темою для досліджень. Її привабливість полягає у метафізичній витонченості: в ній немає таємничих, незрозумілих причинно-наслідкових зв’язків, як того вимагає модель листкового пирога. Закони лише підсумовують історію фізичних об’єктів.
Однак модель газети має свої недоліки. Оскільки у світі об’єкти не пов’язані між собою причинно-наслідковими зв’язками, немає жодної причини, чому більярдна куля Б повинна рухатися, коли в неї влучає більярдна куля А. Вона може просто залишатися в спокої, рухатися без поштовху від іншої кулі, розлетітися на шматки або просто розчинитися в повітрі. Може статися що завгодно. Якби це було так, закони природи постійно змінювалися б, адже вони описували б мінливі факти у світі. І все ж, більярдна куля Б завжди поводиться однаково і закони залишаються незмінними. Як це можливо?
Метафізичну витонченість забезпечує принцип Г’юма про одноманітність природи. Згідно моделі газети, те, що світ завжди поводиться однаково, — це примітивний непояснений факт; більярдна куля Б завжди рухається однаково після поштовху від більярдної кулі А, навіть коли ніщо не змушує кулю Б поводитися саме так. Льюїс повторив думку Г’юма, написавши: «якщо природа буде ласкавою до нас, жодних проблем не виникне». Іншими словами, як і в моделі листкового пирога, закони природи залишаються незмінними з часом і зберігають свою структуру в моделі газети.
Наприклад, закони Ньютона залишаються такими ж, якими їх записав Ньютон, незалежно від того, чи інтерпретуються вони як такі, що передбачають майбутнє, чи як такі, що описують світ. З формулювання закону не можна зрозуміти, яке метафізичне підґрунтя він має. Принаймні, без додаткової інформації.
Усі закони природи узгоджуються з моделлю газети, зокрема закони Ньютона, які говорять нам про те, що майбутній стан світу можна обчислити і вивести з теперішнього стану так само, як теперішній стан постав з минулого. Але як модель газети може підтримувати формулювання закону, який виглядає як модель листкового пирога? Це обґрунтовується ідеєю, що закони Ньютона є найефективнішим описом світу (в межах ньютонівської фізики), балансуючи між простотою та інформативністю. Ймовірно, можна було б описати рух планет по-іншому. Наприклад, можна створити довгий список з точними часовими і просторовими координатами планет; такий список був би дуже інформативним (навіть більш інформативним, ніж закони Ньютона), але занадто складним. Найкращий баланс між простотою та інформативністю для опису руху планет — це саме те, як Ньютон сформулював свої закони.
Не всі закони природи насправді узгоджуються з моделлю листкового пирога, яка передбачає, що минулий стан спричинив теперішній, а теперішній — майбутній. Щоб зробити цю концепцію зрозумілою, Модлін додає третій компонент — припущення про існування первинного потоку часу, незалежного від фізичних законів. Це узгоджується зі здоровим глуздом: минуле визначає теперішнє, а теперішнє визначає майбутнє.
Однак у фізиці та філософії ідея примітивного плину часу є надзвичайно суперечливою. Деякі фізичні закони не відповідають цій структурі. Наприклад, закони ретроказуальних моделей квантової механіки, де майбутнє визначає минуле, явно несумісні з моделлю листкового пирога та концепцією примітивного плину часу. Закони спеціяльної теорії відносности також не вписуються в цю модель, оскільки заперечують існування поняття абсолютної одночасности, яке є невід’ємною частиною ньютонівської механіки.
У відповідь на обмеження моделі листкового пирога філософ Едді Кемінґ Чен з Каліфорнійського університету в Сан-Дієґо, математик Шелдон Ґолдстин з Ратґерського університету та філософина Емілі Едлем з Університету Чепмена запропонували альтернативний підхід. Вони стверджують, що хоча закони природи можуть бути примітивними, але вони лише обмежують фізичні можливості у світі. Цей підхід називається моделлю законів природи як гамівної сорочки. У цій моделі не потрібні поняття причинного породження або плину часу. Закони лише визначають, що може статися у світі, обмежуючи можливі стани речей. Таким чином, ця концепція поєднує переваги моделі газети, що забезпечує загальність, із перевагами моделі листкового пирога, що пояснює стабільні закономірності у світі. У результаті ми отримуємо метафізичне підґрунтя для ретроказуальних законів і законів спеціяльної теорії відносности, оскільки в моделі гамівної сорочки закони є примітивними й керують світом шляхом обмеження того, що може статися.
Тим не менш, модель гамівної сорочки страждає від тієї ж метафізичної проблеми, яка занапастила модель листкового пирога. Модель листкового пирога не могла пояснити, як закони породжують нові стани. Так само модель гамівної сорочки не пояснює, як закони можуть обмежувати те, що відбувається у світі. Знову здається, що абстрактні закони повинні зачіплятися за реальний світ, щоб вказувати фізичним об’єктам, як поводитися. Як закони можуть це зробити, залишається без відповіді.
Можливі наслідки для будь-якої форми закону природи глибокі. Модель листкового пирога здається інтуїтивно правдоподібною — сьогодення визначається минулим, — але ми з’ясували, що вона вимагає, щоб закони якимось чином впливали на об’єкти в просторі та часі, самі не перебуваючи в просторі та часі.
Оскільки модель листкового пирога є надто обмеженою, щоб охопити інші формулювання фізичних законів, як-от ретропричинність і загальна теорія відносности, була розроблена модель гамівної сорочки. Ця модель дійсно забезпечує основу для пояснення ретропричинности та загальної теорії відносности, але вона страждає від тієї ж метафізичної проблеми, що й модель листкового пирога. Модель газети, з іншого боку, намагається запроваджувати закони без будь-якого метафізичного багажу, і це видається перспективним підходом. Проте нам, можливо, потрібен метафізичний клей, щоб забезпечити стабільну поведінку нашого світу.
Зважаючи на все це, яка теорія законів найкраще пояснює закономірності в нашому світі? Якби модель газети була правильною, то постійним співпадінням було би, наприклад, те, що Сонце сходить щодня або що вода у вашому чайнику кипить при 100°C, оскільки не існувало б метафізичного обмеження щодо того, як об’єкти можуть поводитися. Тому, на відміну від багатьох моїх колег, я вважаю модель газети малопереконливою для пояснення стабільних закономірностей. Модель листкового пирога і модель гамівної сорочки у цьому сенсі показують себе краще. Перевагою моделі гамівної сорочки є те, що вона достатньо універсальна, щоб охопити незвичні закони природи, як-от ті, що описують ретропричинність. Але ця чеснота має і недолік: модель гамівної сорочки настільки універсальна, що під її опис підпадає будь-який закон природи.
Метафізично цікавий аспект законів природи полягає не в тому, що вони обмежують фізичні можливості, а в тому, як вони це роблять. Навіть якщо це питання є дискусійним, модель листкового пирога в широкому сенсі дає на нього найкращу відповідь. Вона чудово пояснює зіткнення більярдних куль. Існують умови, коли модель просто не може пояснити, як закони природи визначають майбутнє, наприклад, ретропричинність; але замість того, щоб шукати єдину нову всеосяжну модель, можливо, було б краще дотримуватися моделі листкового пирога і розробляти окремий спеціяльний опис для кожного типу ситуацій, для яких ця модель не підходить.
Стаття вперше була опублікована англійською мовою під назвою «On seeing the laws of nature as a recipe or a news report» в журналі «Aeon» 14 листопада 2024 року.
Переклали Ірина Басюк, Вероніка Лутаєва, Катерина Мащенко, Ірина Кудлаєнко, Аліна Калінчук, Данутта Єрахтіна, Анастасія Дьяченко, Надія Дубінчук, Лілія Гутник, Катерина Верясова, Єва Кіріянова та Валерія Гладишева.
