Почему дело физики - не объяснять устройство мира, а предсказывать будущее

Университет ИТМО стал одной из площадок для кинопоказов Фестиваля актуального научного кино, который по традиции проходит в конце осени в нескольких городах России. В вузе был показан фильм «Вселенная Стивена Хокинга. Космическая удача», который рассказывает о физических аспектах проблемы путешествий во времени. Киноленту прокомментировал профессор кафедры физики Университета ИТМО Александр Чирцов. Также в интервью ITMO.NEWS он рассказал о том, почему классическая физика – это лишь одна из возможных приближенных интерпретация мира, почему мир не всегда полностью подчиняется формулируемым законам физики и зачем физики-теоретики постоянно пытаются «угадать» правильные уравнения с правильными решениями, а физики-экспериментаторы ищут пути их опровержения.

Источник: jeffreyritter.com

Об устойчивых заблуждениях, распространенных в научно-популярных форматах для облегчения понимания

В фильме говорилось, что невозможно движение со скоростью, большей, чем скорость света. Нет, можно. Например, рентгеновское и гамма- излучение достаточно большой частоты в веществе распространяется с фазовой скоростью выше, чем скорость света в вакууме. Но при этом оказывается невозможной передача сообщения со скоростью, большей, чем скорость света в пустоте. Также в фильме утверждалось, что наш мир четырехмерен. С подобными выражениями надо быть осторожнее. Ведь часто упоминаемая картина мира, традиционно называемая четырехмерным пространством-временем, это, скорее, наглядная геометрическая картинка, иллюстрирующая весьма нетривиальные математические соотношения, вытекающие из базовых идей релятивизма.

Александр Чирцов
Александр Чирцов

Она полезна в том смысле, что человеку проще воспринимать или запоминать какие-то пусть даже весьма необычные образы, чем громоздкие формулы и уравнения. Вот для этого и придумали это изящное четырехмерное пространственно-временное описание. Но, на самом деле, в эту картину можно было добавить еще много чего, например, цвет. Если мы будем двигаться, то какой-либо цвет будет меняться из-за эффекта Доплера.

Более того, даже в классической (нерелятивисткой) физике, положение такого обычного объекта, как руки, требует задания спомощью векторов с не менее чем 82 компонентами, то есть по существу задается 82-мерным вектором. Поэтому при желании можно считать, что пространство нашего обитания имеет размерность, существенно большую, чем три или четыре. Все зависит от того, какую задачу мы собираемся решать. 

О недосказанных высказываниях в научно-популярном формате, которые нужно бы объяснить, но они не объясняются

В фильме звучало множество высказываний по тематике, относящихся к физике, содержательная сторона которых звучала, скорее, как квазифизика, поскольку какая-либо содержательная информация об окружающем нас мире, не подкрепленная сколько-нибудь убедительным  обоснованием  или  ссылкой на результаты эксперимента воспринимается мною (что я советую  исключительно всем) не более, как увлекательная или нудная (в  зависимости  от  особенностей  подачи  этой  информации) сказка.

Но даже если в научно-популярном форме сказки можно считать допустимыми, мне хотелось хотя бы услышать предысторию сказки и ее концепцию. Например, было сказано, что на уровне квантов есть некие «червоточины», в которых происходят скачки (или еще что-нибудь – не в словах дело) во времени. Что это за теория? Откуда она взялась? Ни слова не сказано, откуда она, является ли она развитием общей теории относительности или это какой-то синтез СТО или ОТО с квантовой механикой? Или в фильме также был презентован космический корабль (разумеется, существующий лишь в фантазиях), который способен за 80 лет разогнаться до скорости, обеспечивающей заметное замедления времени внутри него.

Фестиваль актуального научного кино в Университете ИТМО
Фестиваль актуального научного кино в Университете ИТМО

У меня сразу возник вопрос: а на каком топливе полетим? Потому что пока неизвестно топливо, рассчитать время разгона до скорости, близкой к скорости света, невозможно. Если это будет обычная реактивная тяга, то для достижения нужной скорости нужно будет выбросить количество топлива, по массе в несколько раз больше, чем масса галактики.

О фильме «Вселенная Стивена Хокинга» в целом

Что касается черных дыр, размещающихся в центре нашей галактики, временных «червоточин», «временных ворот для самозастреливаний ради изумления зрителей», то я, не будучи ни космологом, ни научным фантастом, ни автором фэнтези, предпочел бы высказываться более осторожно. Ведь мы не можем поставить физический эксперимент и проверить все космические теории, пускай даже доказанные математически.

Например, почему в фильме с уверенностью сообщалось, что в центре нашей галактики – огромная черная дыра? Кто-то там был или хотя бы может сообщить  о  ее  достоверных  наблюдениях? Это всего лишь предположение, но об этом не упомянули. Все концепции, которые описывают космос – это лишь одна из возможных интерпретаций того, что там происходит. Ведь когда-то давно говорили, что Земля плоская, и ведь много было на эту тему всяких «научных» споров: обсуждали, на скольких китах она стоит, на скольких черепахах и так далее.

Постер фильма «Вселенная Стивена Хокинга. Космическая удача». Источник: kinoafisha.info
Постер фильма «Вселенная Стивена Хокинга. Космическая удача». Источник: kinoafisha.info

О предназначении физики

Дело физики не объяснять, почему мир устроен так, как устроен, а предсказывать будущее. Физики не объясняют, что происходит, а предсказывают, что будет, если сделать так-то, так-то или так-то, или что надо сделать, чтобы получилось так-то. Вопрос в том, верим ли мы в уравнения, с помощью которых описываем нашу реальность. И все визуальные картинки, которые мы подстраиваем под эти уравнения, используются в тех или иных случаях, потому что так удобнее. Вот смотрите: можно сказать, что вы видите меня как биологическое тело, а я скажу, что вижу вас как вторичные электромагнитные поля, рассеянные атомами вашего тела.

Об устойчивой ошибке математиков-теоретиков

Характерная ошибка некоторых математиков-теоретиков, да и физиков тоже в том, что они верят, что и природа подчиняется уравнениям, которые мы написали. Якобы ручка падает вниз потому, что есть закон всемирного тяготения. Нет, ручка падает вниз потому, что так устроен наш мир, а Исаак Ньютон создал под это явление закон всемирного тяготения. То есть он просто описал языком математики, как падает эта ручка, написал одну формулу.

Но если завтра я отпущу ручку, и она полетит? Тогда мы отменим всю ньютоновскую механику, потому что природа не подчиняется нашим законам. Например, еще в позапрошлом веке было замечено, что орбита движения Меркурия вокруг Солнца прецессирует, то есть смещается, а то нарушало ньютоновскую механику. Выход был найден в общей теории относительности Эйнштейна, согласно уравнениям которой Меркурий должен двигаться именно так. Но, вероятно, Эйнштейн тоже подгонял свою теорию под особенности движения планеты.

Фестиваль актуального научного кино в Университете ИТМО
Фестиваль актуального научного кино в Университете ИТМО

О вероятности «угадать» правильное уравнение для описания мира

У физиков есть вера, что уравнения должны быть простые и симметричные, а уравнения в физике, условно говоря, угадывают, то есть подгоняют под реальность. С наибольшей вероятностью уравнение будет верным, если оно симметрично (тип алгебраического уравнения – прим. ред.). Например, когда Максвелл математически описал законы электромагнетизма, то его формулы противоречили закону сохранения заряда. Оказалось, что существовало бесконечное число способов поправить уравнения. Максвелл выбрал самый простой способ – симметричные уравнения, и затем на основе его законов было предсказано и создано радио.

О сложностях интерпретации физических явлений

Например, классическая физика не может ответить на вопрос, откуда берется сила радиационного трения, которая действует на электрон со стороны его собственного электромагнитного излучения. Также классическая электродинамика не может ответить на вопросы о том, откуда берется масса электрона и какого он размера. Для этого пытались ввести такое понятие, как точечный заряд, но если бы это было так, то энергия и масса электрона были бы бесконечны.

Ричард Фейнман. Источник: republic.ru
Ричард Фейнман. Источник: republic.ru

Пусть электрон – это «шарик», но тогда он был бы отрицательно заряжен с двух сторон, соответственно, его бы разрывало изнутри, и для того, чтобы предотвратить это, потребовалась бы настолько мощная сила, которой мы просто не знаем. Но это все эти задачи хорошо описываются и решаются в квантовой электродинамике, созданной Ричардом Фейнманом. Он придумал новый математический язык, настроенный именно на решение задач квантовой механики. Но мы до сих пор точно не знаем, как интерпретировать форму, размер электрона.

Что же нам делать? Выходят из положения так: давайте договоримся, что масса электрона будет не бесконечной, а равна единице. Это называется перенормировка. И тогда все уравнения работают! Но та же самая перенормировка не работает в сильных ядерных взаимодействиях. То есть теория относительная и квантовая механика не соотносятся друг с другом, и теоретики ломают голову над тем, где же эта самая универсальная теория всего? Для этого и разгоняют частицы на Большом адронном коллайдере: пытаются понять, как же устроена Вселенная.

И о джентельменском наборе терминов любителя научпопов

Поэтому я считаю, что на научно-популярных лекциях, в научно-популярных фильмах нужно очень аккуратно использовать различные утвердительные выражения, особенно когда речь идет о теориях, математических гипотезах, не доказанных экспериментально. Кроме того, читать такие лекции должны профессионалы, которые глубоко разбираются в теме, то есть к фильму про астрофизику должен комментарии давать астрофизик. А иначе они не смогут выработать у слушателей лекций или зрителей критическое осмысление услышанного или увиденного.

Фестиваль актуального научного кино в Университете ИТМО
Фестиваль актуального научного кино в Университете ИТМО

Так, я часто замечаю, что на научно-популярных лекциях слушатели, толком не разбираясь в теме, задают вопросы, оперируя таким «стандартным джентльменским набором» популярных понятий  как: черная дыра, горизонт событий, релятивистское излучение, теория относительности, стандартная модель, спин и так далее, далеко не всегда  понимая значений и смысла употребляемых терминов. Мне не совсем ясен смысл такого научно-популярного формата. Но было бы хорошо, если бы хотя бы 20% от слушателей лекции придут домой и почитают какие-то научные труды, а для начала – хорошие учебники по физике по темам, затронутым в этом красочном фильме, в котором, несмотря на мое ворчание, конечно присутствует и множество  положительных  моментов. 

Например, я с интересом узнал, что в  хронометрах,  установленных  на  спутниках GPS-навигации постоянно вводятся поправки к отсчетам  времени, которые необходимы из-за  того, что время на орбите и на земле  течет с чуточку различающимися скоростями. Интересный и поучительный технический факт, указывающий на тесную связь современных наукоемких технологий с кажущимися чисто абстрактными фундаментальными выводами физики!

Редакция новостного портала
Архив по годам:
Пресс-служба