Как появилась Вселенная? Большие и маленькие вопросы о космосе - Герайнт Фрэнсис Льюис

настолько экстремальными, что даже нейтроны разрываются на части и образуют среду из свободно блуждающих кварков. Мы наблюдаем эти тела в виде разбросанных по Галактике пульсаров, подмигивающих нам регулярными частыми всплесками радиоволн. В конце концов, на временных интервалах, значительно превышающих нынешний возраст Вселенной, они остынут и погрузятся во тьму.

Но их тайна остаётся неразгаданной. В нейтронной звезде нет ядерного горения. В отличие от обычной звезды, её равновесие не поддерживается направленными наружу потоками энергии из звёздного ядра.

Что же тогда противодействует гравитации, не даёт ей победить и в конечном счёте стиснуть нейтронную звезду ещё сильнее, превратив её в чёрную дыру? Как вы, возможно, уже догадались, здесь в игру снова вступают кванты, но об этом речь пойдёт позже.

Вся Вселеннaя – квантовый объект?

Как описать Вселенную в целом? На первый взгляд, этот вопрос может показаться очень странным. Чтобы понять, почему на него так важно найти ответ, мы должны рассуждать как физики.

Определить, что такое физика и чем физики занимаются, может оказаться нелегким делом. Примем рабочую версию этого ответа: они наблюдают природные явления во Вселенной и экспериментируют с ними, а затем объясняют то, что они видят, на языке правил и законов. Если говорить языком учебника, физики – наблюдатели и экспериментаторы, которые изучают природу при помощи телескопов, микроскопов и осциллоскопов. Законы открывают теоретики – те, кто знает язык математики и умеет оперировать уравнениями, описывающими физический мир вокруг нас. На деле, однако, такое чёткое разделение не всегда реализуется: многие учёные одинаково успешно работают в обоих областях.

Исаак Ньютон, один из величайших учёных нового времени, был мастером и в теории, и в экспериментах, а вдобавок занимался алхимией и оккультизмом. Для нашей истории о нём важно вспомнить потому, что он одним из первых применил математический подход к науке. В XVII столетии, основываясь на глубоких научных прозрениях Галилея, Ньютон вывел свои три закона движения, из которых, наверно, самый знаменитый – «для каждого действия существует равная ему и противоположно направленная реакция». И когда студенты-физики в начале университетского курса изучают многословные описания физических законов, оставленные Ньютоном, они знают, что истинная их сила – в их математических формулировках. На словах второй закон Ньютона можно сформулировать так: «Скорость изменения количества движения объекта пропорциональна приложенной к нему силе и имеет то же направление, что и эта сила». Математически это многословное утверждение сокращается до гораздо более компактного и сильного уравнения: F = ma.

Используя этот аппарат, можно делать предсказания о поведении физической Вселенной. Например, если вы хотите послать через всю Солнечную систему космический зонд для исследования далёкой кометы, то, чтобы ваш зонд и комета оказались в одно и то же время в одном и том же месте, придётся использовать ньютоновские законы движения и тяготения. Но математические законы – только часть дела: чтобы ваши предсказания исполнялись, вам ещё необходимо знать исходные данные, или, на языке математиков, «начальные условия».

Представьте, что вы ищете пиратские сокровища по инструкции, в которой сказано: «Сделай пять шагов вперёд и поверни налево. Затем сделай ещё три шага и опять поверни налево, потом сделай ещё два шага и копай». Конечно, эти инструкции будут совершенно бесполезны, если вы не знаете, откуда надо начать и в какую сторону повернуться.

Различные аспекты физики требуют задания различных начальных условий. Если вы хотите изучать движения планет и комет вокруг Солнца, вы должны знать точные положения и скорости каждой из них; эту информацию надо будет ввести в математические уравнения. Только после этого удастся предсказать, где планета будет завтра и послезавтра.

Точные астрологические предсказания могут сделать вас богачом! Можете, конечно, хихикать, но, если обратиться к истории, мы увидим: вычисления положений планет на небе очень часто мотивировались именно нуждами астрологов.

Такое практическое применение физических законов было характерно не только для области движений планет и астрологии. Из возникшей во времена промышленной революции необходимости понимать, какое количество работы может выполнить тепловая машина, выросла термодинамика. В этом случае нужны такие параметры, как температура, давление и величина энергии, перетекающей из одного места в другое. Используя математические законы термодинамики, можно подсчитать эффективность паровой машины или время, необходимое для того, чтобы растаял кубик льда в вашем джине с тоником.

В конце XIX века наука подбиралась к осознанию того, что всё состоит из атомов, а газы, изучению которых в основном и была посвящена термодинамика, тоже состоят из почти неисчислимого количества отдельных атомов, сталкивающихся друг с другом и снующих повсюду. Такие величины, как температура и давление, – просто проявления этой атомной суеты.

Здесь демоны!

Теоретически, если бы мы знали точные положения всех атомов в определённом количестве газа, а также скорости и направления их движения, мы могли бы вычислить их будущие траектории и столкновения. Тогда не было бы никакой нужды в термодинамике. Но на практике атомов и их индивидуальных движений просто-напросто слишком много, чтобы такие вычисления было можно выполнить. Джеймс Клерк Максвелл, который вывел уравнения электромагнетизма, тоже задавался этим вопросом. Размышляя о движениях атомов в газах, он представил себе действия воображаемого демона, крошечного существа, способного видеть каждый отдельный атом и точно знающего их параметры.[48] Этому демону были бы ещё известны точные положения и скорости всех атомов и фотонов во Вселенной. Тогда он мог бы вычислить последующую эволюцию каждого.

В милой и простой Вселенной Ньютона и Эйнштейна законы физики – абсолютно детерминистские. Всё, что требовалось бы от демона, – использовать все текущие положения и скорости как начальные условия и подставить их в уравнения Ньютона и Эйнштейна. Тогда мы могли бы сказать, где каждый атом и фотон окажется в будущем.

Конечно, никакого демона нет. И на практике такое предприятие было бы невозможно. Но, в теории, некое устройство, которое бы функционировало как этот демон, не противоречит никаким законам физики. Идея «демона Максвелла» обсуждается уже более полутораста лет, и споры не утихают. Её значение, которое состоит в том, что термодинамика связана с понятием информации, таит в себе противоречие.[49] Мы все представляем себе информацию как описание предмета или ситуации. А термодинамика, с другой стороны, сводится к теплоте и потоку энергии. Эти две концепции выглядят настолько разными, настолько несвязанными, что сам факт их возможной связи выглядит, скажем так, странно.

Некоторым кажется, что идея «демона Максвелла» заводит слишком далеко, а решения этого парадокса размывают связь между термодинамикой и информацией. Но многие предложения по поводу того, как избавиться от демона, основаны на инструменте, который мы сейчас считаем вполне надёжным: на квантовой физике.

Предсказания выглядят во многом иначе, когда мы рассматриваем квантовые законы. Как