Главная Физика Почему теория относительности Эйнштейна лучше теории Ньютона

Способна ли наука постичь истину?

Во многих отношениях наука, которой занимается человек, - высшее стремление к истине. Задавая вопросы о природе и Вселенной, мы стремимся понять, что представляет собой мироздание, какие правила им управляют, и как все стало таким, каким оно есть сегодня.

Наука - это полный набор знаний, которые мы получаем в результате наблюдений, измерений и проведения экспериментов, но это также и процесс, с помощью которого мы проводим эти исследования.

Легко понять, как мы получаем знания в результате этой деятельности, но как ученые приходят к идее научной истине? И когда мы приходим к ней, насколько тесно связаны эти научные истины с нашими представлениями об "абсолютной истине"? На каких основаниях мы, с научной точки зрения, определяем, что что-то является истинным, а что - неистинным?

Когда мы говорим с научной точки зрения, понятие "истина" сильно отличается от повседневности и жизненного опыта. Вот как понять научное использование слова "истина", включая то, что оно означает и не означает для нашей реальности.

Рассмотрим следующее утверждение: "Земля круглая". Если вы не ученый (а также не сторонник плоской Земли), вы можете подумать, что это утверждение не подлежит сомнению.

Вы думаете, что это научная истина. На самом деле утверждение о том, что Земля круглая, является обоснованным научным выводом и научным фактом, по крайней мере, если противопоставить круглую Землю плоской.

Но всегда есть дополнительный нюанс и оговорка. Если измерить диаметр Земли по экватору, то мы получим значение, равное 12 756 км.

Как выглядит Земля без воды и атмосферы

Если измерить диаметр от северного полюса до южного, то получится немного другое значение - 12 712 км. Земля - не идеальная сфера, а скорее, почти сферическая форма, выпуклая на экваторе и сжатая на полюсах.

Для ученого это очень хорошо иллюстрирует оговорки, связанные с таким термином, как научная истина.

Конечно, более верно, что Земля - шар, чем то, что Земля - диск или круг. Но то, что Земля - шар, не является абсолютной истиной, потому что правильнее называть ее не шаром, а продолговатым сфероидом. Впрочем, и «продолговатый сфероид» не является абсолютной истиной.

На Земле существуют особенности поверхности, которые демонстрируют значительные отклонения от гладкой формы, подобной шару или продолговатому сфероиду. Это горные хребты, реки, долины, плоскогорья, глубокие океаны, впадины, хребты, вулканы и многое другое.

 

Есть места, где суша поднимается почти на 9 км от уровня моря, а есть места, где вы не коснетесь поверхности Земли, пока не окажетесь на глубине 11 км под поверхностью океана.

Такой пример подчеркивает несколько важных особенностей научного мышления, которые отличаются от нашего обыденного восприятия действительности.

В науке нет абсолютных истин; есть только приблизительные истины.

Является ли утверждение, теория или схема истинной или нет, зависит от количественных факторов и от того, насколько тщательно изучатся или измеряются результаты.

Каждая научная теория имеет конечный диапазон достоверности: внутри этого диапазона теория неотличима от истины, а за его пределами она уже не является истинной.

Научный способ мышления принципиально отличим от того, как мы думаем о фактах и вымыслах, истине и лжи, или даже о правильном и неправильном.

Как может выглядеть ночное небо планеты, находящейся внутри шарового звёздного скопления

Например, если вы бросите на Землю мяч, вы можете задать количественный, научный вопрос о том, как он себя поведет. Как и все на поверхности Земли, он будет ускоряться вниз со скоростью 9,8 м/с². И это отличный ответ, потому что он приблизительно верен.

Однако в науке необходимо смотреть глубже и видеть, где приближение уже не верно.

Если проводится эксперимент на уровне моря, на разных широтах, то обнаружится, что нам доступен диапазон от 9,79 м/с² на экваторе до 9,83 м/с² на полюсах.

Если вы подниметесь на большую высоту, то обнаружите, что ускорение начинает медленно уменьшаться. А если преодолеете гравитацию Земли, то обнаружите, что это правило вовсе не универсально, а заменено более общим законом всемирного тяготения.

 

Что же до научных законов, то этот закон является еще более общим. Закон всемирного тяготения Ньютона в целом объясняет ускорение Земли, но он проявляется дальше нашей планеты.

Он описывает орбитальное движение спутников планет, самих планет, астероидов и комет Солнечной системы, а также по-разному "взвешивает" на каждой из планет.

Но даже закон Ньютона имеет свои пределы. Когда вы приближаетесь к скорости света, или очень близко подбираетесь к чрезвычайно большой массе, или хотите узнать, что происходит в космических масштабах (как в случае с расширяющейся Вселенной), Ньютонова динамика не поможет. Для этого необходимо отменить Ньютона и перейти к общей теории относительности Эйнштейна.

Для траекторий частиц, движущихся со скоростью, близкой к скорости света, или для получения очень точных предсказаний орбиты Меркурия, или для объяснения гравитационного искривления звездного света, большого скопления массы (как в случае гравитационного линзирования), теория Эйнштейна оказывается верной там, где теория Ньютона терпит неудачу.

Снимок от радиоастрономической обсерватории NRAO. В кадре скопление Девы, расположенное на расстоянии от 15 до 22 мегапарсек от Земли. Первые объекты скопления были описаны ещё в каталоге Мессье, например, гигантская галактика M87

Фактически, каждое наблюдение или экспериментальное испытание, которому мы подвергали общую теорию относительности, начиная с гравитационных волн и заканчивая дрейфом рамок самого пространства, она проходила с блеском.

Значит ли это, что теорию Эйнштейна можно воспринимать как научную истину?

Когда она применяется к конкретным сценариям, - безусловно. Но есть и другие сценарии, они еще недостаточно проверены, и мы ожидаем, что ОТО не даст количественно точных предсказаний.

На данный момент скопилось много вопросов, которые касаются восприятия реальности и которые требуют иного понимания мира гравитации или где кривизна пространства-времени чрезвычайно сильна: когда важна теория относительности Эйнштейна.

Но кеслиогда масштабы расстояний очень малы, возникают квантовые эффекты, и общая теория относительности перестает работать.

Наиболее проблематичные вопросы:

  • Что происходит с гравитационным полем электрона, когда он проходит через двойную щель?
  • Что происходит с информацией частиц, образующих черную дыру, если конечным состоянием ЧД является распад в тепловое излучение?
  • И каково поведение гравитационного поля/силы в сингулярности и вокруг ЧД?

Теория Эйнштейна не просто ошибается в этих вопросах, она не предлагает разумных ответов.

Мы знаем, что в этих режимах нам нужна более совершенная теория, такая, как действительная квантовая теория гравитации, позволяющая формулировать прогнозы.

 

Да, массы около поверхности Земли ускоряются вниз со скоростью 9,8 м/с², но если мы зададим правильные вопросы или проведем правильные наблюдения и эксперименты, то обнаружим, где и как такое описание реальности не является хорошим приближением к истине.

Законы Ньютона объясняют такие и пободные явления, но мы можем найти феномены, демонстрирующие нам, где теории Ньютона уже недостаточно.

Даже замена законов Ньютона на общую теорию относительности Эйнштейна приводит к той же истории: теория Эйнштейна успешно объясняет все то, что предлагает теория Ньютона, плюс дополнительные явления.

Некоторые из этих явлений уже были известны, когда Эйнштейн создавал свою концепцию; другие в том числе экспериментальные данные еще не были проверены.

Но мы можем быть уверены, что даже величайшее достижение Эйнштейна когда-нибудь будет превзойдено. И когда это произойдет, это случится точно таким же образом.

Наука - это не поиск абсолютной истины о Вселенной. Как бы нам ни хотелось узнать, какова фундаментальная природа реальности, от мельчайших субатомных масштабов до крупнейших космических структур, она не в состоянии ее предоставить.

Все наши научные истины условны, и мы должны признать, что они являются лишь моделями или приближениями к реальности.

Даже самые успешные научные теории имеют ограниченный диапазон достоверности.

Но мы можем теоретизировать как угодно, и если новая теория отвечает следующим трем критериям:

  • она достигает всех успехов преобладающей, ранее существовавшей теории;
  • она преуспевает там, где, нынешняя теория терпит неудачу;
  • и с ее помощью можно измерить неизмеряемые до этого момента явления, отличные от предшествующей теории;
  • критически проходят наблюдательные или экспериментальные тесты;
  • новый концепт вытесняет существующую теорию в качестве наилучшего приближения к научной истине.

Все наши нынешние научные истины, начиная со Стандартной модели элементарных частиц, Большого взрыва, темной материи и темной энергии, космической инфляции и далее, являются лишь предварительными.

Они описывают Вселенную чрезвычайно точно, преуспевая в тех режимах, где все предыдущие модели терпели неудачу.

 

Тем не менее, все они имеют ограничения, когда перестают казаться разумными, не работают предсказания или они не верифицируют реальность. Это не абсолютные истины, а приблизительные, временные.

Ни один эксперимент не может доказать истинность научной теории; мы можем лишь продемонстрировать, что ее истинность либо распространяется, либо не распространяется на тот режим, в котором мы ее проверяем.

Неудача теории на самом деле является высшим научным успехом: это возможность найти еще лучшую научную истину, приближенную к реальности.

Всякий раз, когда мы обнаруживаем, что современное понимание недостаточно для объяснения всего, что есть на свете, да, оно оказывается неверным: неверным в самом лучшем смысле, который только можно себе представить.

Дата: 18 сентября 2022

Автор: Этан Зигель

Поделиться с друзьями: