Дэйв Голдберг

Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, ативещество и бозон Хиггса

© 2013 by Dave Goldberg

© Бродоцкая А. перевод на русский язык, 2015

© ООО «Издательство АСТ», 2015

* * *

Отзывы на книгу

«Вселенная в зеркале заднего вида»

Помните Чудесный год Эйнштейна – 1905 год? Это уравнение – жемчужина его специальной теории относительности, формула, лежащая в основе атомной энергетики и определяющая жизнь нашего Солнца. А также поведение вещества, из которого вы состоите.

Что такое масса и энергия (соответственно m и E), всем более или менее понятно. Соединяет их c, скорость света и абсолютный предел скорости во вселенной.

Честно говоря, название «скорость света» не очень-то удачное, поскольку со скоростью с перемещается любая частица, лишенная массы. В том числе, конечно, и фотон, частица света, но кроме фотона, есть еще по крайней мере несколько таких частиц. Например, глюоны – частицы, отвечающие за то, чтобы скреплять ядра из протонов.

У фотонов с глюонами уйма общего. Физической вселенной управляют четыре фундаментальные силы, и у каждой из них есть по крайней мере одна частица-переносчик, своего рода субатомный посредник. Вот как действуют эти силы. Работа частицы-переносчика – субатомный аналог передачи записочки на уроке физкультуры, и, например, для электромагнетизма фотоны служат посредниками, которые сообщают одинаковым зарядам, что им положено отталкиваться, а противоположным – притягиваться. Глюоны играют ту же роль в сильном ядерном взаимодействии – самой мощной из всех фундаментальных сил. На другом полюсе находится гравитация: как ни странно, вопреки нашему повседневному опыту, это самая слабая из фундаментальных сил, и частица-переносчик у нее то ли есть, то ли нет. Мы заранее назвали ее гравитоном, поскольку было бы так красиво и элегантно, если бы гравитация была устроена так же, как и остальные три фундаментальные силы. Однако зарегистрировать гравитон нам пока не удалось.

Все эти частицы – фотоны, глюоны и гравитоны (если они существуют), лишены массы, а поэтому перемещаются со скоростью света. Поскольку вы, вероятно, состоите из массивных частиц, то навеки обречены перемещаться со скоростью меньше скорости света. Такова жизнь.

К счастью, в обыденной жизни соблюдать это ограничение не очень обременительно. Скорость света очень велика, примерно 300 000 километров в секунду или около миллиарда километров в час[13]. Земля перемещается со скоростью более 100 000 километров в час и обходит вокруг Солнца за год. Свету на такой же путь нужно всего лишь около 52 минут.

Уравнение Эйнштейна задает своего рода соотношение валютного курса массы и энергии. Вводишь какое-то количество массы, полностью уничтожаешь – и получаешь сколько-то энергии. Чтобы вы не думали, будто я задаром выдаю государственные тайны, поясню, что это легко сказать, но трудно сделать.

Для начала возьмите килограмм водорода, разогрейте примерно до 10 миллионов градусов по Кельвину[14] и плотно упакуйте. Готово! Вы восхитительны! Вы сделали себе ядерный реактор наподобие Солнца, способный превращать водород в гелий и некоторые другие частицы, гораздо более легкие.

Когда термоядерный синтез закончится, у вас будет 993 грамма конечного продукта, в основном – пепел, оставшийся после ядерных реакций. Так вот, вся магия происходит с 7 «исчезнувшими» граммами. Они превращаются в чистую энергию, и хотя кажется, будто это достаточно скудные дивиденды, с так огромна, что в результате высвобождается колоссальное количество энергии. Даже если коэффициент превращения составляет 0,7 %, Солнце будет гореть[15] около 10 миллиардов лет. Подобное же солнце на угле проработало бы сущую малость – какие-то 10 тысяч лет.

Или возьмем радиоактивный распад. Кусок радия быстро начнет распадаться на элементы вроде радона и гелия, которые в сочетании заметно легче первоначального атома радия. Излишек превращается в высокоэнергичное рентгеновское излучение.

Мари Кюри, одна из первооткрывателей радиоактивности, на себе испытала все ее вредоносное воздействие. Подобная профессия чревата смертельными опасностями; в частности, близкий контакт с материалами вроде радия губителен для здоровья. Мари Кюри умерла от апластической анемии, вызванной облучением, и весь ее архив и по сей день хранится в свинцовых коробках: бумаги так радиоактивны, что работать с ними опасно. На фотопленке, заложенной между страниц, проявились отпечатки пальцев Мари.

У формулы E = mc² есть и обратная сторона. Можно производить энергию из массы – однако и энергия может создавать массу. Однако c² – огромное число, а следовательно, много массы из энергии при обычных обстоятельствах не получишь. Но если у тебя есть достаточно энергии, можно творить поразительные вещи. Представьте себе, что какая-то особенно предприимчивая сверхцивилизация решила по-быстрому создать много-много массы. Если покрыть всю Землю самыми производительными солнечными батареями, в принципе, можно создавать 2 кило вещества в секунду. И это будет соответствовать потреблению энергии примерно в 50 000 раз большему, чем потребляет сегодня все человечество[16].

Мы можем и не дожидаться сверхцивилизации – на субатомном уровне энергия постоянно конвертируется в массу. Протоны и нейтроны – это «кирпичики», из которых строится вещество, однако они, в свою очередь, тоже состоят из элементарных частиц – так называемых кварков, по три на штуку. Поразительно, но факт: если сложить массы кварков, получится лишь примерно 2 % массы протона. Остальные 98 % составляет колоссальная энергия, которая участвует в движении и взаимодействии кварков внутри протона.

Подведем итоги. Вы состоите из фундаментальных частиц, то есть почти полностью из пустоты, а те крохи, которые в этой пустоте попадаются, совсем не так уж массивны. Такими они кажутся из-за эфемерной энергии. Частицы могут создаваться целиком и полностью из энергии и тут же распадаться. Вы – не просто куда больше, чем сумма своих частей, строго говоря, составляющие вас части – не более чем кучка спичек в водовороте пульсирующих и визжащих энергетических взаимодействий. Так-то!

А где все антилюди?

Энергию можно применять для создания вещества «с нуля», однако одновременно создается и антивещество: своего рода побочный эффект. Я уже говорил, что у антивещества своя роль, но еще не объяснил, какая именно. Готовьтесь – вас совсем не ждет потрясение! У каждой частицы есть своя антиверсия, которая ведет себя практически так же, как и обычная частица, например, у нее такая же масса, – только с противоположным зарядом. Позитрон ведет себя точь-в‑точь как электрон, только у электрона отрицательный заряд, а у позитрона, наоборот, положительный. Заряд у антипротона отрицательный, в противоположность положительному заряду протона, и т. д.

Самое, пожалуй, безумное во всей истории с антивеществом – то, что если бы у вас хватило ума – а у английского физика П. А. М. Дирака его, очевидно, хватило, – то вы предсказали бы ее существование еще до того, как ее открыли. В 1928 году Дирак вывел уравнения релятивистской квантовой механики. Да, суть ее так же заковыриста, как и название. Пропахав уравнения, Дирак отметил, что некоторые решения в них не учтены. Например, он обнаружил, что из этой теории естественным образом следует существование не только электронов, но и других частиц той же массы и с противоположным зарядом.

Согласно уравнению Дирака, у любой частицы вроде электрона должна быть античастица. Поначалу он сделал не совсем верные выводы. Например, позитрон в его представлениях был таков:

Электрон с отрицательной энергией, который движется во внешнем поле так, словно обладает положительным зарядом.

Дирак сам не знал, о чем говорят его уравнения. Если бы его первоначальные интуитивные догадки оказались верны, можно было бы, в сущности, генерировать бесконечную энергию, просто производя позитроны. Это все равно что вести бизнес, набирая бесконечные беспроцентные кредиты.

Но потом Дирак понял, как все обстоит на самом деле: позитроны – это просто обратная сторона электронов. Иначе говоря, судя по всему, существует глубокая симметрия вещества и еще не открытого антивещества.

Чтобы подтвердить существование этой глубинной симметрии мироздания, было мало только продраться сквозь математические дебри. В то время не было никаких экспериментальных свидетельств существования позитрона и прочих античастиц, вот почему все так обрадовались, когда вскоре, в 1932 году, Карл Андерсон открыл позитроны в своей лаборатории при Калифорнийском технологическом институте. Иногда всякая запредельная математика все же связана с реальностью…

А реальность этого близнеца-перевертыша – античастицы – состоит в том, что хотя противоположности притягиваются, частицам и античастицам стоит от этого воздерживаться. Стоит электрону с позитроном вступить в контакт друг с другом – и тут же волшебная формула E = mc ² превращает их массу в огромное количество энергии.

Какую частицу мы назовем просто «обычной», а какую «анти», в принципе, все равно. В параллельной вселенной, которая полностью состоит из того, что мы называем антивеществом, антилюди наверняка называют свои атомы обычными, а мы для них «анти». И это как раз тот редкий случай, когда все правы – и мы, и они. Вопрос названия.

Я не хочу сказать, что в нашей вселенной нет антивещества. Антивещество непрерывно создается в недрах Солнца, которое рождает позитроны в виде побочного эффекта синтеза гелия из водорода. А поближе к дому мы можем наблюдать всевозможные экзотические античастицы в больших ускорителях вроде Большого Адронного Коллайдера, который расположен во Франции и Швейцарии.

В лабораторных условиях можно даже создавать антиверсии атомов. В 2002 году Европейская организация по ядерным исследованиям (ЦЕРН)[17] сумела создать и зарегистрировать буквально тысячи атомов антиводорода с точно такими же качествами, что и у обычного водорода. В 2011 году был побит рекорд массы античастицы: на Релятивистском коллайдере тяжелых ионов на Лонг-Айленде было создано первое ядро антигелия. Правда, античастицы быстро покидают этот мир. Они быстро распадаются или сталкиваются с обычными частицами и аннигилируют.

Итак, античастицы выглядят точно так же, как и обычные, однако одинаковы ли они на самом деле? Это наша первая официальная симметрия, поэтому я дам ей четкое определение, чтобы вы понимали, насколько это важно.

С-симметрия, она же Зарядовое сопряжение, состоит в том, что физические законы применимы к античастицам точно так же, как и к соответствующим обычным частицам.

И хотя мы даже дали этой симметрии особое название (С-симметрией она названа по первой букве слова «charge» – «заряд»), из нее не обязательно следует, что вещество и антивещество и в самом деле ведут себя в нашей вселенной одинаково. Такой вывод – это, скорее, обоснованная догадка.

Однако поскольку мы не в силах наслать такие чары, чтобы все частицы разом заменились на соответствующие античастицы, нам придется делать кое-какие умозрительные заключения, что и подведет нас к главной тайне вещества и антивещества.

В лаборатории – то есть во всех субатомных реакциях, которые мы так или иначе наблюдали, – невозможно создавать частицы, не создавая одновременно соответствующего числа античастиц. Неуловимые частицы вроде бозона Хиггса мы регистрируем, наблюдая не саму частицу, а ее распад на частицу и античастицу.

А обратная сторона медали такова, что если положить электрон и позитрон в кастрюлю и хорошенько размешать, то оба они будут уничтожены, и высвободится вся энергия, которую пообещал вам Эйнштейн. Именно это постоянно происходит в космическом вакууме. Частицы и античастицы создаются и уничтожаются, и это идеально согласованные процессы.

По крайней мере, сейчас именно это и происходит. Когда-то, в далеком прошлом, обычное вещество одерживало верх. Так было не только в нашем захолустном уголке вселенной – похоже, так было везде. Важная, но еще не вполне осознанная задача современной космологии – разобраться, почему тогда была нарушена нынешняя С-симметрия вселенной, а для этого нам придется заглянуть в прошлое.

В 2001 году НАСА запустило космический аппарат WMAP – Зонд микроволновой анизотропии имени Уилкинсона. Как явствует из сокращенного названия, где ясно видно слово «map» – «карта», задачей аппарата было создать подробную карту реликтового микроволнового излучения, пережитка первых эпох существования вселенной.

Я уже говорил, что свет состоит из частиц под названием фотоны, однако уклонился от ответа на вопрос, чем фотоны отличаются друг от друга. Различия сводятся к энергии. Например, у синего света энергии в пересчете на отдельный фотон больше, чем у красного. При еще более низкой энергии, чем у красного света, за пределами чувствительности глаз, мы обнаруживаем инфракрасное, а если энергия еще ниже – микроволновое излучение. На другом конце спектра, при энергиях, которые высоковаты для наших глаз, находятся ультрафиолетовые фотоны. При энергиях еще выше получается рентгеновское излучение, а при самых высоких – гамма-излучение.

Если вам случалось надевать инфракрасные очки, вы, наверное, заметили, что живые теплокровные существа светятся чуть-чуть ярче, чем их более прохладное окружение. Именно поэтому Хищник так здорово охотится. Все теплые тела испускают излучение, некоторые – особенно сильно, если вы меня понимаете… Раскаленные уголья светятся красным, однако вселенная гораздо холоднее угля, ее температура составляет около 2,7 К, и она светится в микроволновом диапазоне. В глубоком космосе холодно, очень холодно.

Однако стужа царила здесь не всегда. Вселенная расширяется, а это значит, что энергия все сильнее и сильнее рассеивается. На ранних этапах истории вселенной все было упаковано гораздо плотнее, и температуры стояли куда как выше. Например, спустя 14 миллионов лет с момента возникновения вселенной, в ней стояла приятная, комнатная температура в 310 К, и вселенная светилась в инфракрасном диапазоне. Если заглянуть еще дальше, то окажется, что через 1 секунду после Большого взрыва температура вселенной составляла 10 миллиардов градусов, а еще раньше, через 1 микросекунду после него, – более 10 триллионов градусов!

На заре вселенной энергии было просто пруд пруди, и постоянно создавались всевозможные пары «частица-античастица». Два невероятно высокоэнергичных гамма-фотона налетели друг на друга – бац! – и их энергия превратилась в электрон и позитрон или в какую-то другую пару из частицы и античастицы. Видите? Я же говорил, что своим существованием вы обязаны гамма-излучению!

А потом вселенная охлаждалась и в конечном итоге дошла до точки, когда новые пары уже не могли создаваться. Поскольку вселенная уже не могла создавать новое вещество, все частицы и античастицы должны были разыскать друг дружку и аннигилировать.

Вот он, ключ к ответу на великую загадку: если бы вещество и антивещество постоянно создавались и разрушались в равных количествах, сегодня не было бы ни того, ни другого, и все же вот они мы – целиком из вещества, и на первый взгляд это явно противоречит всему, что мы до сих пор наблюдали в лаборатории. Как будто вселенная припрятала козырь в рукаве.

Так откуда же вы взялись? И где все антилюди?

Итак, вещество и антивещество одинаковы, а может быть, и нет

Иногда нам удается получить несколько античастиц в лабораториях или из космических лучей, но они живут недолго. В конечном итоге мы состоим из обычного вещества на 100 процентов. Что же случилось с симметрией, вокруг которой столько шума?

Один вариант – и где-то его уже прорабатывает какой-то писатель-фантаст: на самом деле относительно вещества-антивещества вселенная симметрична. Может быть, половина галактик во вселенной состоит из вещества, а другая половина из антивещества, и просто так вышло, что мы живем в галактике из обычного вещества.

Достойная попытка, Капитан Наука, но нет.

Тут возникает несколько осложнений, не последнее из которых – то, что с астрономической точки зрения подобное четкое и последовательное разделение вещества и антивещества попросту невероятно. Это как будто кофе в вашей чашке с левой стороны вдруг вскипел, а с правой замерз. Каковы шансы такого развития событий? Вероятность того, что по чистой случайности возникнет галактика, состоящая целиком из обычного вещества, при том, что где-то соберется точно такое же количество антивещества, такая же, как вероятность, что монетка упадет решкой вверх, скажем, 10⁶⁹ раз подряд.

Кроме того, галактики постоянно сталкиваются, а мы никогда не наблюдали внегалактическое столкновение, при котором высвободилась бы такая неукротимая и безбрежная энергия, какой следовало бы ожидать, если бы целая галактика из вещества налетела на галактику из антивещества. Короче говоря, судя по всему, вся видимая вселенная состоит из обычного вещества.

А теперь мне придется открыть вам страшную правду. Мы (то есть физики) не знаем, как объяснить подобный дисбаланс и почему вселенная состоит из обычного вещества. Когда речь заходит о веществе и антивеществе, законы физики становятся как материнская любовь: все мамы говорят, что любят всех своих детей одинаково, но их поступки рисуют совершенно иную картину. В нас есть что-то особенное, что-то такое, что бережет нас от исчезновения вместе с антивеществом. Однако неприглядный факт состоит в том, что вселенная пребывает в состоянии разложения – и, вообще говоря, если частица может распасться на что-то более легкое, то распадется обязательно. Скажем, свободные нейтроны распадаются и превращаются в протоны (которые немного легче) минут через десять. А вот протонам уже не во что распадаться.

Если симметрия вещества и антивещества абсолютна, протон буквально вечен – он же не может распасться. Эксперименты подтверждают, что так, возможно, и есть. Нынешний предел жизни протона – как минимум 10⁴³ лет. Да, я отдаю себе отчет, что это гораздо дольше возраста Вселенной, однако мы можем одновременно следить за множеством протонов – у нас их, по правде говоря, целое море, – и чем дольше мы ждем, тем длиннее оказывается минимальная продолжительность жизни протонов.

И вот тут-то и начинается потусторонняя жуть. Если протоны не распадаются, то вселенная и в самом деле никогда не сможет изменить общий баланс между веществом и антивеществом, однако если бы дело было именно в этом, у нас прежде всего не получилось бы избытка обычного вещества.

«Прежде всего» – это в течение очень короткого времени после Большого взрыва, и если вещество и антивещество поначалу слегка отличались друг от друга, значит, можно предположить, что и сейчас положение дел сохранилось. Если мы будем ждать долго-долго, то протон все-таки на что-то распадется, вопрос в том, когда и на что – и ответ на этот вопрос многое расскажет нам о разнице между веществом и антивеществом. Чтобы выяснить, чем они отличаются друг от друга, нам придется углубиться в параллельную антивселенную, а делать это самим нам что-то не хочется.

Если вам случалось читать книги Льюиса Кэрролла, то вы, наверное, замечали, что автор просто одержим симметрией. Как-никак в повседневной жизни Чарльз Доджсон – именно так его звали на самом деле – был математиком. Чтобы изучить разницу между нашим миром и другими, очень похожими, но с небольшими отличиями – например, где все вещество превращается в антивещество – нам нужен «аватар», и я не вижу лучшего кандидата, чем Алиса из «Алисы в Стране чудес» и «Алисы в Зазеркалье».

Как ни странно, Страна чудес – совсем такая же, как наш мир, только состоит из антивещества. Что обнаружит Алиса, когда спрыгнет в кроличью нору и попадет в антимир? Заметит ли она разницу?

Как я уже объяснял, история будет очень короткой, хотя и крайне увлекательной. Стоит Алисе очутиться на земле – а точнее, соприкоснуться с воздухом – как она исчезнет, поскольку все ее протоны и нейтроны аннигилируют, столкнувшись с антипротонами и антинейтронами Страны чудес.

А теперь давайте предположим, что в кроличьей норе с Алисой произошло чудесное превращение, и все ее атомы стали антиатомами. Можно ли представить себе эксперимент – какой угодно! – благодаря которому она поймет, что находится в Стране чудес, состоящей из антивещества? Теперь Алиса не взорвется, и вообще не произойдет ничего интересного – если и Алиса, и мир вокруг нее состоят из антивещества, ей ничего не грозит.

Алиса может даже построить лабораторию – и почти любой эксперимент будет выглядеть одинаково по обе стороны портала. На обычной Земле северные полюса двух магнитов будут отталкиваться друг от друга, а северный и южный – притягиваться. В Стране чудес, где все из антивещества, север превратится в юг, и наоборот, но поскольку перевернулись оба магнита, отталкиваться будут те же самые концы.

Не буду утруждать Алису. Почти любой эксперимент, какой может провести Алиса, в Стране чудес будет выглядеть точно так же, как и в нашем мире. Однако если Алиса будет очень упорной и настойчивой, то заметит малюсенькую разницу – благодаря участию частицы, о которой очень часто забывают, так называемого нейтрино.

При всей своей скромности и незаметности нейтрино (что значит «нейтральненькое» – правда, прелесть?) – одна из самых распространенных частиц во вселенной. Больше здесь только фотонов. Мы часто забываем о них, поскольку 1) они такие легкие, что лишь в 1998 году эксперимент на детекторе Супер-Камиоканде в Японии показал, что у нейтрино вообще есть масса, и 2) они электрически нейтральны, а следовательно, с ними не взаимодействует свет.

Зарегистрировать нейтрино необычайно трудно. Даже увидеть их мы смогли лишь в 1956 году, с приходом ядерной эры. В процессе повседневной работы ядерных реакторов создается очень много нейтрино и антинейтрино. Фредерик Райнес и Клайд Коуэн из Национальной лаборатории в Лос-Аламосе поставили эксперимент, в ходе которого антинейтрино сталкивались с протонами и то и дело создавали позитроны. Поскольку позитроны только об одном и думают – как бы самоуничтожиться, столкнувшись с электронами, и создать свет – Райнес и Коуэн измерили характеристики получившегося света и доказали, что нейтрино действительно существуют. Пара пустяков!

Нейтрино так неохотно взаимодействуют с другими частицами, что если бы мне пришлось запустить нейтрино в свинцовую пластину толщиной в световой год, шансы, что оно проскочит ее насквозь, ничего не задев, составляли бы пятьдесят на пятьдесят. К счастью, нам достаточно было увидеть всего несколько нейтрино, чтобы узнать о них ужасно много. Если выстроить детекторы под горами – что заставляет вспомнить средиземскую Морию – можно регистрировать с полдюжины нейтрино в день.

Между тем роль нейтрино в нашей жизни очень заметна. Я уже упоминал три фундаментальные взаимодействия – это сильное ядерное взаимодействие, электромагнетизм и гравитация. Об одном я еще не говорил – это слабое взаимодействие. Когда происходят слабые взаимодействия, почти всегда так или иначе участвует нейтрино. И хотя взаимодействие и слабое, именно благодаря этой силе солнце превращает водород в гелий, а в качестве побочного продукта вырабатывает свет и тепло, обеспечивающие жизнь на Земле. Нет слабого взаимодействия – нет и жизни, нет и нас с вами.

По большей части слабое взаимодействие в Стране чудес из антивещества происходит совершенно так же, как и на нашей Земле, однако есть одно очень тонкое различие, которое проявляется в так называемом спине – направлении вращения частицы. Казалось бы, в понятии спина нет ничего непривычного, но на самом деле спин – это очень странно, гораздо страннее, чем кажется на поверхностный взгляд.

Представьте себе частицу, например, электрон, в виде маленькой заряженной сферы. Спин электрона не такой, как у земли. Земля оборачивается вокруг своей оси за один день. На самом деле это и есть определение дня. Однако тут-то и таится подвох: из-за притяжения луны продолжительность дня медленно-медленно нарастает, примерно на две миллисекунды в столетие[18]. А изменить спин у субатомных частиц в принципе невозможно ни при каких условиях. Все до единой частицы, обнаруженные нами до сих пор, обладают врожденным неизменным спином, в том числе и нейтрино, о которых мы только что беседовали. Нейтрино, электроны, а если уж на то пошло, то и протоны нельзя ни затормозить, ни разогнать.

У некоторых частиц – точнее, у заряженных – измерить направление спина относительно легко. Направление спина измеряют точно так же, как находят полюса у Земли: при помощи магнитов. Внутри у Земли расплавленное железо, и когда Земля вращается, это железо генерирует гигантское магнитное поле. А мы можем измерить это магнитное поле при помощи другого магнита – хотя вы, вероятно, знаете его под названием «компас».

Электроны во многом устроены точно так же. При вращении они генерируют маленькие магнитные поля. Если посмотреть на электрон сверху, понятно, что он может вращаться двумя способами. Если один электрон вращается по часовой стрелке, говорят, что у него спин направлен вверх, а если против, говорят, что спин направлен вниз.

Чтобы разобраться, где верх, а где низ, можно пропустить электроны через устройство, состоящее из пары обычных магнитов, и посмотреть, в какую сторону электрон отклонится. На рисунке внизу показано, что у тех, которые отклоняются вверх, спин направлен вверх, а те, которые отклоняются вниз – вниз.

Ориентировать магниты мы можем как угодно. Понятия «вверх» и «вниз» в нашем эксперименте никак не связаны с тем, как ориентирована Солнечная система, и вообще ни с чем, просто нам будет гораздо легче не сойти с ума, если мы с вами договоримся установить системы координат так, чтобы потолок и у меня, и у вас был сверху.

У спина есть одна странная и противоречащая интуиции особенность. Если магниты ориентированы вертикально, по результатам эксперимента получится, что у электрона может быть либо спин вниз, либо спин вверх, ничего промежуточного. То ли дело вращение Земли, ось которой наклонена примерно на 23½ градуса к плоскости Солнечной системы. Аналогичным образом, если повернуть устройство для измерения горизонтального спина электрона, окажется, что спин у него может быть либо влево, либо вправо. Таково волшебство квантовой механики.

Но это не самый курьезный факт, касающийся спина. Представьте себе, что у вас происходит распад элементарной частицы и – хлоп! – вылетает нейтрино. Каждое отдельное нейтрино, если смотреть на него прямо, будет вылетать со спином по часовой стрелке. Поскольку зарегистрировать и пронаблюдать нейтрино трудно, то какой у него спин, мы устанавливаем косвенно, по спинам позитронов и прочего, однако спин по часовой стрелке, судя по всему, – это непреложный закон мироздания.

В антивеществе все ровно наоборот. Антинейтрино, получающиеся в результате распада частиц, будут вращаться против часовой стрелки. Видимо, вещество и антивещество понимают разницу между правым и левым – в сущности, это единственное важное различие между ними. Как вы и то лицо, которое вы видите в зеркале по утрам – ну, примерно.

Казалось бы, различие тривиальное – и к тому же для того, чтобы его исследовать, нужно оборудование стоимостью десятки миллионов долларов – но если вы параноидально боитесь, что упали в кроличью нору, а никто и не заметил, у вас есть запасный выход.

Спин нейтрино и антинейтрино

Да, я предвижу, что все, кто читает эти строки, сейчас презрительно покривились. Получается, мы продрались сквозь все эти дебри, столько говорили о различиях между веществом и антивеществом, а обнаружили всего-навсего, что какая-то частица, с которой мы не в состоянии общаться напрямую, вращается не в ту сторону, что ее античастица?

Потерпите мое общество еще немного, поскольку пустячное различие в спине – это всего лишь верхушка айсберга.

Физика в зеркале

Итак, вещество и антивещество почти идентичны, не считая малюсенькой разницы: у нейтрино спин направлен в одну сторону, а у антинейтрино в другую. Такова фундаментальная асимметрия вселенной, однако на этом история не заканчивается. Вернемся к лицу в зеркале.

Наверное, вам уже пришло в голову, что если смотреть на антивещество в зеркале, оно будет выглядеть как раз как надо. Случилось так, что я правша, однако моя зеркальная версия, очевидно, левша. Так же и спин. Нейтрино-левша в зеркале выглядит правшой.

Зеркальные симметрии – одни из самых распространенных в природе и, пожалуй, самые симпатичные. Почти все позвоночные обладают двусторонней симметрией, по крайней мере, внешне, и очевидно, что мы генетически запрограммированы на то, чтобы нас на это тянуло. Вспомним беднягу Нарцисса, который увидел свое отражение в воде и был так потрясен собственной красотой, что навеки застыл на месте, а потом превратился в цветок. Если бы люди были отчетливо асимметричны относительно вертикальной оси, фигура, которую Нарцисс увидел в воде, была бы ему незнакома и до того неприятна, что он только отпрянул бы в отвращении, и трагедии удалось бы избежать.

Это выходит и за пределы физического мира. Всевозможные рифмоплеты и буквоеды прямо до потолка прыгают от восторга при виде зеркальной симметрии в словах и предложениях, которые читаются одинаково что справа налево, что слева направо и называются «палиндромы». Во фразах вроде «Я сличил то и то – вот и отличился» и «Ах, у печи, мы дым, мадам, мы дым и чепуха» есть что-то очень притягательное для острого ума. Палиндромы встречаются и в изобразительном искусстве – обратите внимание на работы М. К. Эшера – и даже в музыке. В своей классической книге «Гедель, Эшер, Бах» Дуглас Хофштадтер упоминает «Крабий канон» Иоганна Себастьяна Баха, который можно сыграть задом наперед, и он будет звучать так же, как и в нормальном исполнении.

Однако большинство предметов отличаются от своих зеркальных отображений, по крайней мере, в человеческом мире. Читаем мы обычно слева направо. Леонардо да Винчи, который мог многое рассказать о симметрии как таковой, воспользовался асимметрией письменной речи и, как известно, делал заметки левой рукой и писал в обратном направлении, как и Льюис Кэрролл, чье стихотворение «Бармаглот» в первый раз появляется в зеркальном отображении.

Подобным же образом водители в большинстве стран должны придерживаться правой стороны дороги. Однако нам ничто не мешает представить себе обратную зеркальную страну, полную всевозможных ужасов: движение там левостороннее, пиво подают подогретым, а дневники Леонардо выглядят совершенно нормально.

Зеркальные асимметрии проявляются даже в нашей биологии – внутри, а не снаружи: сердце у нас сдвинуто к левой стороне груди. Люди, как и автомобили, снаружи более или менее симметричны, однако внутри у них имеются асимметрии – результат исторических случайностей.

Наша ДНК закручена в спираль очень хитроумным образом. Если посмотреть на нее с торца, она всегда закручена по часовой стрелке, то есть представляет собой правозакрученную спираль. Так же устроен и винт: как его ни верти, резьба остается прежней. Направо – закручиваем, налево – откручиваем[19].

Так устроена ДНК любого живого существа на планете. Если биологу показать зеркальное отражение ДНК, он сразу распознает подвох. Кстати, одинаковое направление закрученности – очередной веский довод в пользу единого происхождения жизни на Земле.

Пропустите свет сквозь водный раствор сахара. Напомню, что сахар получают из сахарного тростника, то есть это продукт не просто химии, но и биологии. Природные молекулы сахара скручены особым образом, и свет, пройдя через раствор, поляризуется, то есть будет светить скорее в одном направлении, чем в другом. Теперь стащите 3D-очки из кинотеатра. Одним глазом вы увидите только левозакрученный поляризованный свет, а другим – только правозакрученный. Так вот, если смотреть на свет, прошедший через сахарный раствор, правому глазу он покажется ярче, чем левому.

Откуда молекулы сахара знают, в чем разница между правым и левым? Сами молекулы, как и ДНК, закручены в определенном направлении, которое в зеркале меняется на противоположное. Лево-поляризующий сахар химически тождествен право-поляризующему, но если мы разведем в чашке культуру бактерий и искусственно создадим лево-поляризующий сахар (зеркальное отражение «настоящего»), бактерии будут голодать, потому что не смогут его есть. Ферменты, расщепляющие сахара, тоже асимметричны и приспособлены для работы только с правозакрученным сахаром. И в самом деле, зачем было бы создавать другие, раз в природе сахар только правозакрученный? Как сказала Алиса в «Зазеркалье»: «… Не знаю, можно ли пить зазеркальное молоко? Не повредит ли оно тебе, Китти…» (Пер. Н. Демуровой)

Чтобы разобраться, откуда вообще взялось фундаментальное различие между левым и правым и так ли уж оно фундаментально, нам придется как следует вглядеться в зеркало. Легко представить себе планету, где действуют точно такие же законы физики, только у людей сердце справа и пишут они наоборот – и т. д. Нам ни в коем случае нельзя забывать о подобного рода асимметриях. Они не запрограммированы – просто так получилось. Но раз уж так получилось, изменить что-то очень-очень трудно. Попробуйте проехаться по левой стороне дороги – и сами убедитесь. Однако во вселенной, которую мы видим в зеркало заднего вида, все едут по левой полосе!

Зеркальная вселенная, как и антивещество, отличаются от обычных не так разительно, как нам казалось. Ричард Фейнман поясняет это на наглядном примере:

Представьте себе, что мы собрали какой-то прибор, ну, скажем, часы, в которых много всяких колесиков, шестеренок и циферок; часы тикают, часы идут, пружина заведена. Мы смотрим на часы в зеркало. Как они выглядят в зеркале, сейчас неважно. Но давайте соберем еще одни часы, точно такие же, как зеркальное отражение первых: вместо всех винтиков с правой резьбой возьмем такие же винтики, но с левой… Если начальные условия у обоих часов были одинаковыми, если пружины были заведены с одинаковой силой, будут ли и те, и другие с тех пор идти в точности как зеркальные отражения друг друга?

Интуиция – и, наверное, любой эксперимент, который вы сможете провести в своей домашней лаборатории – подскажет, что если посмотреть на «перевернутые» часы в зеркале, они должны быть точно такими же и идти точно так же, как и оригинал.

Представьте себе, что Алиса оказалась в Зазеркалье, в параллельном мире, где каждый предмет – отражение земного. Сможет ли она их различить? Иначе говоря, сумеет ли она разобраться, какая рука у нее на самом деле левая?

Такое превращение посложнее, чем превращение вещества в антивещество, поскольку полностью погрузиться в предлагаемые обстоятельства практически невозможно. Скорее всего, вашей первой реакцией будет что-то вроде «Конечно, заметит. Не задавайте глупых вопросов».

Однако вспомните, что в раннем детстве вам частенько случалось путать право и лево. Как вы напоминали себе, где у вас какая рука? Англоязычных детишек учат так: оттопырь большой и указательный пальцы, и на левой руке получится буква L – «left». Так вот этот фокус у Алисы не получится. Зеркало отражает и буквы тоже, так что L будет повернута в другую сторону. И тогда Алиса примет свою правую руку за левую. Она не сможет разобраться, на какой Земле находится – на обычной или зазеркальной – просто поглядев себе на руки.

И в этом нет ничего удивительного. Если бы отражение в зеркале не выглядело правдоподобно, я бы не попадал постоянно впросак и не налетал на зеркальные стены в ресторанах, решив, будто это продолжение зала. Каждый раз!

Мне бы хотелось, чтобы вы не забывали об одном обстоятельстве. Дело не в том, что антивещественная Страна чудес и зазеркальная вселенная тождественны вашей. Конечно, не тождественны. Вопрос в том, как видно из примера с часами, который приводит Фейнман, тождественны ли законы в этих вселенных законам в нашей, или же в них есть какое-то тонкое различие.

Алиса вольна прыгать на месте, играть с магнитами, изучать структуру атома. И все это приведет к тем же самым результатам, как и до того, как она прошла сквозь зеркало. Если бы в реальном мире все происходило точно так же, как в зеркале (на самом деле нет), у нас была бы симметрия следующей разновидности –

Р-симметрия, она же Пространственная четность, – это когда все законы физики действуют точно так же, если смотреть на происходящее в зеркало.

Р – значит «parity», то есть четность. Мы уже знаем, что в нашей вселенной эта симметрия соблюдается не всегда. Если частица, электрон или нейтрино, например, создается в результате слабого взаимодействия, она всегда левозакрученная (то есть если она летит на вас, кажется, что частица вращается по часовой стрелке). Античастицы обладают противоположным спином. В этом-то все и дело!

Вот в чем состоит разница между С-симметрией и Р-симметрией. Они не одинаковы, однако очень тесно связаны. Между нейтрино и антинейтрино ровно два отличия: они друг другу античастицы (С) и у них противоположный спин (Р). По отдельности ни та, ни другая симметрия в физике не абсолютны, а вот их сочетание очень похоже на фундаментальную симметрию природы.

Возьмите антиверсию левозакрученного нейтрино, посмотрите на нее в зеркало – и вы увидите правозакрученное антинейтрино. Начальное и конечное состояния различаются, однако и левозакрученное нейтрино, и правозакрученное антинейтрино существуют в реальности.

Алисе не нужно рассматривать такие трудноуловимые частицы, как нейтрино, чтобы понять, что в Зазеркалье все немного не так. В 1956 году Ву Цзяньсюн и ее коллеги поставили эксперимент с радиоактивным изотопом кобальта. Они направляли спин атомов кобальта в определенную сторону. Представьте себе, что если смотреть на атомы сверху, все они вращаются против часовой стрелки – то есть спин у них вверх. При распаде кобальта получались электроны. Парадоксально, но факт: большинство из них вылетали вверх. Вывод напрашивается сам собой: при распаде кобальта электроны вылетают в ту же сторону, что и спин.

Распад кобальта‑60

Как, вы не удивились? Странно.

Чтобы понять, насколько удивителен этот результат, надо представить себе всю конструкцию в зеркале. Зеркала меняют спин частиц на противоположный. В зеркале атомы кобальта вращаются по часовой стрелке, что значит, что спин у них вниз. Электроны, с другой стороны, по-прежнему вылетают вверх – что в зеркале, что без. Наконец-то найден эксперимент, который точно покажет, где вы – в Зазеркалье или дома!

Зеркала и антивещество

Вся эта суета вокруг зеркал и прочего, скорее всего, отвлекла ваше внимание от важного вопроса, который я пока оставил в стороне. Еще раз: откуда взялось все вещество во вселенной? Ах, конечно. Мелкая подробность.

Чтобы в этом разобраться, нам придется представить себе еще одну параллельную вселенную.

1. Возьмите все частицы во вселенной и превратите их в античастицы (а античастицы – в частицы).

2. Посмотрите на результат в зеркало.

Вот вам вопрос на 64 000 долларов: будут ли в этой вселенной – гибриде Страны чудес и Зазеркалья – те же физические законы, что и в «настоящей»[20]? Такое сочетание называется СР-симметрией, или Комбинированной четностью.

Электрический ток в проводе

Представьте себе, что у вас есть провод, по которому течет электрический ток. У электрона отрицательный заряд, у протона – положительный. Электроны бегут по проводу, а ток движется в противоположном направлении. Скажем, электроны бегут налево, тогда ток течет направо. Теперь возьмем версию Страны чудес (антивещественную): тогда налево бегут уже позитроны. Переверните провод в зеркале – и теперь позитроны бегут направо, и получается в точности такой же ток, как и в первоначальном варианте. Это на самом деле очень важно, поскольку от электрического тока возникает магнитное поле, а значит, при комбинированной четности провод производит точно такое же магнитное поле, что и в первоначальной ситуации.

Итак, электромагнетизм испытания прошел, однако не всякий эксперимент ведет себя так послушно.

В 1967 году советский физик Андрей Сахаров обнаружил минимальные условия, необходимые для того, чтобы обойти проблему асимметрии вещества и антивещества; коротко говоря, чтобы проделать СР-преобразование в масштабах вселенной, что-то приходится изменить. Как говорят профессионалы, происходит нарушение СР-инвариантности.

Ваше существование и в целом преобладание вещества над антивеществом – это очень сильный довод против идеальной СР-симметрии, однако экспериментальные данные, по крайней мере на данный момент, свидетельствуют об обратном.

Мы уже видели, что наблюдение за распадом частиц позволяет узнать об устройстве вселенной очень многое. При очень высоких энергиях в ускорителях могут возникать частицы под названием каоны, а также их античастицы. Если вы слышите о каонах впервые в жизни, стыдиться тут нечего. Живут они в среднем всего несколько миллиардных долей секунды, а потом распадаются на более легкие частицы, а те, как правило, очень-очень быстро распадаются дальше. Так что каоны на дороге не валяются[21].

И это не страшно, поскольку самое интересное начинается, когда каон уже распался. В 1964 году Джеймс Кронин и Вэл Фитч из Принстонского университета провели, что называется, вскрытие покойных каонов и получили неожиданные результаты. Оказалось, что каоны и антикаоны – частицы, до той поры считавшиеся идентичными – распадаются по-разному[22]. Так было найдено отличие вещества от антивещества.

Это отличие гораздо тоньше и коварнее, чем кажется на первый взгляд. Каоны и антикаоны медленно осциллируют туда-сюда, переходят из одной формы в другую – прямо как день и ночь.

В среднем день и ночь длятся примерно одинаково, однако эта симметрия, очевидно, иногда нарушается. Например, летом день длиннее ночи. Точно так же и симметрия между веществом и антивеществом предполагала бы, что частица должна половину времени проводить в обличье каона, а другую половину – в виде антикаона, и хотя сказать заранее, в каком состоянии она будет, мы не можем, зато можем определить, в каком состоянии и какого типа была частица перед распадом.

Если начинать с каона, то он иногда распадается на электрон и еще кое-какие остатки, которые нас не интересуют. А вот если начинать с антикаона, то он распадается на позитрон и уже другие остатки.

Ход рассуждений таков: если в начале у тебя есть огромная гора каонов и антикаонов, они осциллируют туда-сюда, и во вселенной с идеальной СР-симметрией можно рассчитывать, что на выходе будет равное количество электронов и позитронов.

А получается не так.

В подобных экспериментах позитронов на выходе получается немного больше, чем электронов. Причем не надо придавать особого значения тому, что больше получается именно позитронов. Главное – что разом поменять вещество на антивещество в масштабах всей вселенной не получится, даже если после этого поглядеть на все в зеркало и обнаружить, что все выглядит по-прежнему. Сочетание симметрии заряда и четности в нашей вселенной не наблюдается. А это очень важный вывод, и за него Кронин и Фитч получили в 1980 году Нобелевскую премию.

Со времен экспериментов Кронина и Фитча было получено очень много похожих и даже еще более удивительных результатов – и все говорили примерно об одном и том же: между веществом и антивеществом существует какая-то асимметрия, которая, судя по всему, проявляется при слабом взаимодействии. Однако надо понимать, что ни один их этих экспериментов не привел к тому, что вещества производилось больше, чем антивещества – мы просто выяснили, что вещество и антивещество распадаются по-разному.

Однако все это в конечном итоге не объясняет нам, почему вещество и антивещество отличаются друг от друга. Какие реакции обеспечили положение дел, при котором одного создается больше, чем другого? Ведь это и был бы окончательный ответ на вопрос, откуда мы взялись.

Как именно развивались события в первые мгновения существования вселенной, пока что никто не разобрался. Нам известно лишь одно: мы существуем благодаря какому-то нарушению симметрии вселенной, которое произошло почти сразу после ее зарождения. А тогда было очень жарко – может быть, в этом и дело?

То и дело мы слышим, как говорят, что якобы в ускорителях «воссоздаются условия Большого взрыва». И да, и нет. В прошлом температура во вселенной, а значит, и энергия, была выше. Чем ближе к Большому взрыву, который нам хочется изучить, тем жарче. Пока что в ускорителях частиц мы не наблюдали ничего, что хотя бы отчасти напоминало бы перепроизводство вещества по сравнению с антивеществом. На данный момент предполагается, что небольшое смещение симметрии вещества-антивещества произошло очень-очень рано – примерно через 10^-35 с после Большого взрыва, когда температура была более чем в квинтильон раз выше, чем в центре Солнца. Достаточно сказать, что добиться таких энергий в лаборатории мы не можем. И даже при таких колоссальных энергиях асимметрия между веществом и антивеществом очень мала. На миллиард античастиц создавалась миллиард одна частица. Всего одна лишняя. Всего одна. Нам это известно, потому что во вселенной на данный момент фотонов примерно в миллиард раз больше, чем протонов. Когда миллиард антипротонов аннигилировали с миллиардом протонов, от них остались те миллиарды фотонов, которые мы наблюдаем сейчас, хотя расширение вселенной их очень заметно ослабило.

В конечном итоге все античастицы аннигилировали с почти всеми частицами, оставив ту самую одну миллиардную часть, из которой и возникло все «вещество», которое мы теперь наблюдаем. Вот как об этом сказал Эйнштейн:

Меня всегда интересовало, как так вышло, что электрон отрицательно заряжен. Отрицательный и положительный заряд – это идеальная физическая симметрия, нет никаких причин предпочитать одно другому. Почему же электрон заряжен именно отрицательно? Я долго над этим размышлял – и ничего не мог придумать, кроме «Отрицательный заряд победил!»

Иными словами, вы – всего лишь некоторая ошибка округления, сделанная примерно через 10^-35 секунд после Большого взрыва. Невелик повод для гордости, верно?

Правда, для антилюдей это не менее обидно.

Глава вторая. Энтропия

В которой мы выясним, откуда берется время и есть ли оно вообще

Думаю, не я один рисую себе в воображении светлое будущее, в котором мы будем рассекать по вселенной в звездолетах галактического класса. Да что тут говорить – одним из главных стимулов к написанию этой книги стала слабая надежда, что кто-то из вас решит сделать решительный шаг и разберется наконец, как сделать гиперпространственный двигатель. Однако мой долг, прежде чем вы начнете прогибать так называемые законы физики, коротко предупредить вас о том, что из этого может получиться. Я говорю не о взрывах звезд и не о вогонах из «Автостопом по галактике» (хотя и о них тоже). Я говорю об опасности сбиться с пути.

На земле нас окружают всевозможные полезные и удобные знаки и значки, позволяющие выбирать верную дорогу: сила тяжести, Полярная звезда, магнитное поле Земли. Однако в глубоком космосе нет ни верха, ни низа, ни правого, ни левого, ни севера, ни юга.

Можно, конечно, утешаться мыслью, что даже если мы запутаемся в трех измерениях пространства, потеряться во времени нам не удастся. Уж время-то – на наш взгляд – надежное, постоянное, настоящее. Право и лево более или менее взаимозаменяемы, а прошлое и настоящее – это совсем разные вещи. Так ведь?

Предметы в зеркале обычно выглядят совершенно заурядно, однако идея «зеркала времени» представляется какой-то ерундой. Стоит запустить вселенную – да хотя бы свой рабочий день – обратно во времени, и все будет разворачиваться совсем не так, как при проигрывании вперед. Если вы видели фильм Кристофера Нолана «Помни» и сумели с первого раза разобраться в хронологии событий, могу вас только поздравить.

А теперь представьте себе, каково было бы прожить жизнь наоборот.

Есть, например, такой пустячок – причинно-следственные связи. Делаешь что-нибудь – и из-за этого происходит еще что-нибудь. А стоит повернуть вспять часы вселенной – и ни с того ни с сего следствие начнет происходить раньше причины, и все полетит в тартарары.

Вот глупые физики! Зачем столько говорить о направлении оси времени, когда и так очевидно, какое у нее направление?!

Спокойно, спокойно. Ось времени куда непостояннее, чем кажется на поверхностный взгляд.

О том, что пространство и время – это одно и то же. Или нет

Жизнь – это путешествие. В том числе и буквально – вы перемещаетесь в пространстве, видите новые места, – однако и во времени вы тоже путешествуете. Просто во времени вы перемещаетесь со скоростью одна секунда в секунду, и вам кажется, что нет ничего естественнее такого движения.

Однако на самом деле у пространства и времени куда больше общего, чем мы привыкли думать – хотя время и в самом деле отличается от пространственных измерений.

Скорость света – это не только валютный курс между веществом и энергией (E = mc ²), но и темп конверсии между пространством и временем. Возможно, вы слышали о световых годах; световой год – это всего-навсего расстояние, которое свет проходит за год, около 10¹⁶ метров. Если вам трудно такое представить (еще бы!), это примерно четверть расстояния до ближайшей звезды – Проксимы Центавра.

А если вы предпочитаете осмыслить это в терминах ограниченности наших технических возможностей, то вспомните космический корабль «Вояджер‑I»: он запущен НАСА еще в 1977 году и с тех пор летит за пределы Солнечной системы. Это самый далекий рукотворный объект, запущенный с Земли, и сейчас он находится примерно в 20 миллиардах километров от Земли. Это расстояние свет покрывает чуть меньше чем за 17 часов.

Вот вам близкое соотношение между пространством и временем. Многие физики именно так к ним и относятся – понятия секунды и световой секунды для них взаимозаменяемы, а скорость света они легкомысленно приравнивают к единице. С практической точки это вопрос того, как мы определяем меры времени и расстояния[23].

В 1983 году на Семнадцатой Генеральной конференции по мерам и весам – очень пышное название – секунду определили в терминах «сверхтонкого перехода» цезия‑133. Атом цезия периодически испускает свет, и на конференции решили, что секунда – это 9 192 631 770 периодов испускания фотона.

Если знаешь, что такое секунда, рассчитать расстояние – пара пустяков. Метр определяется очень просто: это расстояние, которое свет проходит за 1/299 792 458 секунды.

Из того, что скорость света конечна, следует, что мы вечно смотрим в прошлое. Солнце, которое мы видим сейчас – не то, каково оно в данный момент. Это Солнце 8 минут назад. Может быть, 7 минут назад оно погасло, а мы об этом ничего не знаем и не можем узнать. Когда Нил Армстронг произнес свои бессмертные слова о крошечном шаге одного человека, они были достоянием истории – и в буквальном, и в переносном смысле, поскольку радиоволны, передававшие его сообщение, шли до нас около 1,3 секунды.

Вы заглядываете в прошлое даже в повседневных ситуациях, например, когда читаете книгу. Если вы держите книгу на расстоянии около 30 сантиметров от глаз, значит, вы заглядываете в прошлое примерно на 1 миллиардную секунды.

Выходит, перемещаться в пространстве и во времени – это в некотором смысле одно и то же, однако я хочу подчеркнуть различия. Во-первых, во времени вы двигаетесь гораздо быстрее, чем в пространстве. За одну секунду вы покрываете одну секунду времени (естественно). Но даже самые быстрые искусственные спутники покрывают лишь 0,2 световые миллисекунды пространства в 1 секунду времени. Это все равно что на месте стоять.

Мы путешествуем во времени гораздо быстрее, чем в пространстве, поскольку это прямо следует из безумной скорости света. Свет перемещается так быстро, что еще несколько столетий назад мы не были уверены, что его скорость вообще конечна. Чтобы понять, что такое время, нам нужно сначала понять, что такое пространство – и это не метафора.

Например, первые расчеты расстояния до Солнца – сейчас мы знаем, что оно равно 149 597 870 километрам и называется (несколько неизобретательно) астрономической единицей – были сделаны на основании одной лишь геометрии, и оно исчислялось в радиусах Земли.

Древние – те, которым хватило ума понять, что не Солнце вращается вокруг Земли, а наоборот – применили для вычисления этой важной ступени в лестнице расстояний самые разные и относительно неудачные подходы. Насколько именно они были неудачными, мы судить не можем, поскольку точно не знаем, как переводить древние единицы расстояния в современные. Аристарх Самосский, работавший в III веке до н. э., сделал одну из лучших оценок для своего времени (то есть почти до наших дней) и ошибся примерно в 15 раз.

Лишь около двух тысяч лет спустя, в конце XVIII века, французский астроном Жером Лаланд воспользовался редким и долгожданным астрономическим событием, чтобы точно вычислить расстояние до Солнца: астрономическим транзитом (прохождением) Венеры.

Примерно раз в сто лет планеты выстраиваются так, что Венера проходит точно между Солнцем и Землей. Астрономические транзиты очень познавательны, поскольку из разных точек земного шара они выглядят несколько по-разному. Два наблюдателя, расположившись в двух точках одной параллели (то есть линии восток-запад), увидят начало транзита с очень небольшой временной разницей.

Точно так же видят ваши глаза[24]. Левый и правый глаз видят чуть-чуть разные картинки, а мозг на основе этого рассчитывает расстояние и глубину. Поморгайте то одним, то другим глазом – и вы заметите, как картинка слегка сдвигается, причем чем ближе предмет, тем заметнее. Если выражаться языком математики, мозг определяет все расстояния как отношения к расстоянию между зрачками.

Поскольку орбиты Земли и Венеры наклонены относительно друг друга, сначала тебе дается одна попытка наблюдения, потом ждешь 8 лет второй попытки, а потом тебе уже ничего не светит примерно 120 лет. Последний транзит Венеры был 5–6 июня 2012 года. Если вы его пропустили, то, скорее всего, больше никогда не увидите.

Лаланду очень повезло: он был в расцвете сил как раз между транзитами Венеры 1761 и 1769 годов. Сам он данные не собирал, однако у него была возможность изучить чужие наблюдения, на основании которых он сделал очень хорошую оценку расстояния до Солнца – с точностью до нескольких процентов.

Итак, измерить расстояние до Солнца в метрах мы сумели лишь в конце XVIII века, однако, как выяснилось, приблизительное расстояние в световых минутах было нам известно уже за сто лет до этого. Еще в 1670 годы датский астроном Оле Ремер отметил странности в поведении спутников Юпитера, открытых незадолго до того.

Наверное, вы и сами задумывались о том, что вращающиеся по орбитам небесные тела – это очень удобные часы[25]. Например, ближайшая к Юпитеру луна из четырех ярких Галилеевых спутников называется Ио[26], и период обращения у нее 42 часа, 27 минут и 33 секунды. Ремер сумел отметить фазы лун относительно Юпитера, когда планета была в противостоянии (то есть ближе всего). Затем, примерно через полгода, Ремер снова наблюдал Юпитер.

Теоретически он должен был предсказать точные фазы лун в любой момент. Они же крутятся, как шестеренки в часах. Однако Ремер обнаружил, что когда Юпитер подходит по своей орбите ближе всего к Земле, его спутники опережают время примерно на 22 минуты по сравнению с тем, что бывает, когда Юпитер находится дальше всего. Когда расстояние от Земли до Юпитера было максимальным, Ремер ожидал, что ближайший к Юпитеру спутник – Ио – пройдет перед Юпитером в 9.00 (на основании данных, полученных, когда Земля и Юпитер были ближе всего друг к другу), а ему пришлось ждать до 9.22.

Ремер сделал вывод (кстати, совершенно верный), что свету нужно какое-то время, чтобы дойти от Юпитера до нас, и когда Юпитер дальше, времени требуется больше, чем когда он ближе. Поскольку ближайшая точка орбиты Юпитера находится на 2 астрономические единицы ближе к нам, чем самая дальняя, Ромер подсчитал, что свету требуется около 11 минут на то, чтобы пройти одну астрономическую единицу.

Астрономические измерения – дело нелегкое, тем более в XVII веке, когда телескопы были еще в зачаточном состоянии. Как выяснилось впоследствии, расстояние до Солнца свет покрывает скорее за 8 минут 19 секунд. Однако Ремер мыслил верно и ошибся не так уж сильно.

Опять история! Сколько можно?!

Как я уже говорил, свет показывает, как много у пространства и времени общего, однако у них, разумеется, много и различий. В пространстве нет предпочитаемых направлений, а во времени, очевидно, есть одно – из прошлого в будущее. Прошлое и будущее – это разные вещи. А главное – самое значительное событие во вселенной, ее зарождение, а следовательно, и зарождение самого времени, произошло в прошлом. Если, конечно, у вселенной был момент зарождения.

О Большом взрыве слышали все. Однако не сразу очевидно, зачем он был нужен, этот Большой взрыв.

Когда Эйнштейн в 1915 году выдвинул общую теорию относительности, то исходил из предположения, что вселенная вечна, и даже подправил свои формулы исходя из этого. Без этой поправки – а Эйнштейн добавил в уравнения поля определенную величину под названием «космологическая постоянная» – вселенная или вечно расширяется, или сначала расширяется, а потом схлопывается[27]. Космологическую постоянную Эйнштейн ввел именно для того, чтобы уравновесить гравитационное притяжение вещества во вселенной и добиться, чтобы все было статично. Как указывал биограф Эйнштейна Уолтер Айзексон, ученый почти сразу же пожалел о своем решении. Вот как говорил об этом сам Эйнштейн:

Честно говоря, мы вынуждены были ввести дополнительный член в уравнения поля, который не оправдан накопленными на данный момент знаниями о гравитации.

Этот член назвали подгоночным параметром. Прежде чем обвинять Эйнштейна в интеллектуальной ловкости рук, задумайтесь над вопросом вечного времени вот с какой точки зрения: почему так странно жить во вселенной, где произошел Большой взрыв? Как только признаешь, что у вселенной было определенное начало, сразу же придется задаться вопросами, почему мы живем именно сейчас, а не миллиард лет назад и не через триллион лет.

Мы не могли бы жить ни в какой другой момент в истории вселенной, ни в прошлом, ни в будущем. Например, период в истории Земли, когда условия на ней подходят для нашего существования, на удивление краток. Если мы прежде не найдем другого способа самоубийства, примерно через 4 миллиарда лет Солнце превратится в красный гигант и выжжет на Земле все, что умудрится дожить до той поры. Однако по космическим масштабам это всего лишь миг. Хотя вселенная просуществовала всего 14 миллиардов лет – по нашим нынешним оценкам – она продолжит расширяться буквально вечно. Однако существование сложных форм жизни требует определенных благоприятных условий. Для поддержания любой деятельности, с участием жизни и без него, нужно определенное количество энергии, для сложных химических реакций необходимы тяжелые элементы и т. д. Это называется «антропный принцип»[28].

Вселенная разная в разных местах и меняется со временем. Вольные трактовки антропного принципа предполагают всего лишь, что люди скорее всего очутятся в тех регионах пространства и времени, которые лучше всего подходят для их эволюции и существования. Иными словами, мы здесь потому, что если бы нас не было, мы не задавались бы вопросом, как так получилось, что нам повезло жить в одном из немногих мест, приспособленных для жизни.

Видите? Аргументация замкнута сама на себя.

Во вселенной, скорее всего, пройдут еще квадрильоны лет, однако звезды вроде нашего Солнца способны существовать лишь в микроскопически крошечный период на этой оси времени. В глобальном смысле слова мы живем в сумерках мироздания, поскольку дальше будет в основном темно, холодно и крайне неуютно. Мы живем примерно через 10 миллиардов лет после Большого взрыва, поскольку, по нашим сведениям, это более или менее единственный период, в которой мы вообще можем существовать.

Очень легко забыть о том, как недружелюбно вселенная в целом относится к жизни, и предположить, будто все планеты и все эпохи в истории мироздания похожи на наши. По крайней мере некоторые наши предположения о том, что мы можем обнаружить в глубинах космоса, отражают инопланетяне из кино. Даже те, кто не метр восемьдесят ростом (плюс-минус) и не напоминает гуманоида хотя бы смутно, все равно обладают двусторонней симметрией, и потребности и желания у них примерно такие же, как у нас, и разум (несмотря на дополнительные миллиарды лет эволюции) более или менее человеческий.

Чарльз Дарвин еще в XIX веке в своих работах весьма убедительно доказал, что люди были не всегда, а вскоре после него геологические данные продемонстрировали, что возраст Земли тоже имеет свои пределы. Эйнштейну об этом, конечно, было известно, однако в начале XX века мы не знали о вселенной еще очень и очень многого.

Лишь в 1920 году сэр Артур Эддингтон (тот самый, который считал, что теорию относительности понимают лишь они с Эйнштейном) обнаружил, что Солнце и другие звезды горят благодаря термоядерному синтезу. Разумеется, он не смог бы сделать это открытие, если бы Эйнштейн не открыл эквивалентность массы и энергии. Без этих ключевых доказательств у нас не было бы никакой возможности вычислить возраст Солнца, не говоря уже о вселенной.

В 1924 году, спустя девять лет после того, как Эйнштейн выдвинул общую теорию относительности, Эдвин Хаббл открыл, что Млечный Путь – не единственная галактика (или «туманность», как он ее назвал) во вселенной. Прошло еще пять лет – и Хаббл обнаружил, что почти все галактики во вселенной разбегаются от нас, причем чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется. Это несомненный признак, что вселенная расширяется – а следовательно, у нее было начало.

Эйнштейнова модель стационарной вселенной все равно была несостоятельна. Даже если бы космологическая постоянная идеально удерживала вселенную от расширения или коллапса, маленькие участки вселенной все равно бы схлопывались. Модель в целом была крайне нестабильной.

Открытие Хаббла не смутило и не обескуражило, а восхитило Эйнштейна:

Сотрудники обсерватории Маунт-Уилсон – поистине выдающиеся ученые! Недавно они обнаружили, что спиральные туманности распределены в пространстве приблизительно равномерно, и показали наличие сильного эффекта Допплера, пропорционального расстоянию до туманностей, который можно уверенно вывести из общей теории относительности без «космологического» слагаемого.

Однако не все так радовались идее начала вселенной. Фред Хойл, который, кстати, первым употребил выражение «Большой взрыв» в насмешку над этой теорией, а получилось, что он создал общепринятый термин, и его единомышленники пытались развенчать модель Большого взрыва, предложив вместо нее стационарную модель, согласно которой вселенная и в самом деле расширяется, однако постоянно создается новое вещество, чтобы заполнить пустоты. И это совсем не такая дурацкая мысль, как вам, вероятно, показалось на первый взгляд.

Не забывайте, как пуста вселенная в среднем – а значит, модель стационарной вселенной Хойла предполагает, что нужно создавать лишь самую малость дополнительной энергии. За все время жизни нашего Солнца объем пространства размером с Землю был бы должен выработать лишь пару миллиграммов вещества. Право слово, вы этого и не заметили бы.

Сложность со стационарной моделью Хойла состояла в том, что нет причин предполагать, что вещество действительно постоянно создается. Более того, в наши дни стало возможным изучить историю вселенной (то есть наблюдать объекты на разных расстояниях от Земли), и у нас нет никаких сомнений, что вселенная в целом меняется.

В последние два десятка лет наблюдения далеких вспышек сверхновых продемонстрировали, что вселенная не просто расширяется, но еще и ускоряется – именно этого мы могли бы ожидать, если бы во вселенной была большая космологическая постоянная. Теперь это принято называть темной энергией, однако суть осталась более или менее прежней: во вселенной есть какое-то постоянное всепроникающее течение, которое, судя по всему, противодействует гравитации. Это потрясающе важный вывод – настолько, что Сол Перлмуттер, Брайан Шмидт и Адам Рисс, руководители групп, которые к нему пришли, в 2011 году были удостоены Нобелевской премии по физике.

У концепции ускорения вселенной есть несколько интересных следствий. Вселенная будет расширяться вечно и при этом все сильнее остывать – в сущности, беспредельно. Звезды сгорят. Некоторые превратятся в черные дыры, но и те в конце концов испарятся. Протоны (теоретически) распадутся и превратятся в излучение, а излучение по всей вселенной будет все больше рассеиваться и становиться все холоднее и холоднее.

Итак, будущее вселенной холодно и неприглядно, а прошлое – адский круговорот хаоса и огня. Мы и в самом деле живем в особенно благоприятный момент в ее истории.

Но если вселенная различает прошлое и будущее, из этого не обязательно, что их различают законы физики. Может быть, различают, а может быть, и нет. Давайте разберемся.

Окло

Одно из наших самых фундаментальных предположений гласит, что законы физики не меняются со временем, даже если меняются наблюдаемые последствия их действия. Но вы же знаете, что бывает, если неосторожно что-нибудь предположишь.

Нам всегда следует учитывать возможность, что законы меняются, просто при этом они как-то подстраиваются друг к другу таким образом, чтобы создавать у вас идеальную иллюзию, будто они не меняются. Ну, словно бы кто-то закопал у вас в саду кости динозавра, чтобы создать иллюзию, будто землю когда-то населяли исполинские ящеры. Как бы это ни было маловероятно.

Мы живем именно сейчас, и любой эксперимент, какой только способны произвести люди, может длиться лишь несколько сотен лет из 13,8 миллиардов лет существования вселенной. Даже если законы физики меняются, сомнительно, чтобы они менялись так быстро, что мы, жалкие людишки, успели бы это непосредственно зарегистрировать.

А значит, утверждения о неизменной природе физических законов обязательно должны опираться на эти самые физические законы, чтобы строить предположения о прошлом. Правда, в конечном итоге модели прошлого создают картину на удивление непротиворечивую. Я со своей стороны вполне удовлетворен подобного рода аргументами. Очень трудно делать абсолютно непротиворечивые предположения, которые приводят к непротиворечивым выводам: так бывает только в том случае, если предположения верны.

Очень трудно, но все же, наверное, возможно.

Иногда природа сама проводит эксперименты, которые позволяют получить однозначный ответ о неизменности законов физики. Одна из таких природных «установок» была обнаружена в 1971 году в деревне Окло в Габоне. Французы уже давно добывали в Габоне уран, но тут геологи обнаружили не что-нибудь, а древний ядерный реактор – иначе и не скажешь.

Под словом «древний» я имею в виду не «доисторический»: события, о которых у нас идет речь, произошли два миллиарда лет назад – это значительный период времени, сопоставимый с возрастом и нашей планеты, и вселенной в целом.

Предвосхищая неизбежное, оговорюсь, что сценарий вроде «Колесниц богов» тут совершенно ни при чем. Просто взаимодействие минералов в древних скалах, течение рек и жутко голодные бактерии сговорились и создали в одном месте такую высокую концентрацию урана, какая обычно не встречается вне ядерных реакторов.

Уран – вещество достаточно коварное и опасное, однако существуют разные его изотопы, и не все они ведут себя одинаково. Самый распространенный – это уран‑238, однако главную роль в делении ядер играет уран‑235 (U‑235). Чтобы заработал реактор, где происходит деление ядер, необходимо в числе прочего обогатить уран при помощи ряда центрифуг, чтобы концентрация U‑235 достигла нескольких процентов. В природных породах U‑235 составляет всего лишь 0,7 процента общего количества урана на Земле, однако два миллиарда лет назад его было куда как больше – 3,7 процента; примерно такой уровень применяется в современных легководных ядерных реакторах. Соотношения изменились, поскольку уран постоянно распадается, а U‑235 распадается в шесть раз быстрее, чем U‑238.

Сочетание природного обогащения и больших запасов урана привело к накоплению критической массы. Уран расщеплялся на изотопы палладия и йода с выделением большого количества энергии, что подпитывало дальнейший процесс. Район Окло стал природным ядерным реактором, действовавшим миллионы лет.

Удивительно, что это вообще произошло. Но еще удивительнее, что пропорциональный состав отходов от ядерного деления в точности таков, как у отходов от ядерного деления в современных ядерных реакторах. Ядерные реакции – дело очень хитрое. Если бы ядерные силы со временем менялись – а мы, напомню, говорим о событиях, происходивших два миллиарда лет назад – мы бы сумели это увидеть более или менее непосредственно.

Постоянство физических законов – это отнюдь не просто курьезный факт, они не просто удобные инструменты, позволяющие делать осмысленные выводы о ранней вселенной, хотя и это тоже важно, что и говорить. На самом деле мы имеем дело с очередной симметрией.

Симметрия трансляции времени состоит в том, что все законы физики в разное время ведут себя одинаково.

Казалось бы, просто интересное обстоятельство, однако при ближайшем рассмотрении оказывается, что это, кроме всего прочего, очередная формулировка закона сохранения энергии, согласно которому энергию невозможно ни создать, ни уничтожить. Так что эта невидимая глазу симметрия на самом деле очень важное обстоятельство в жизни вселенной: она позволяет нам заниматься наукой. Любая вселенная, где законы могут меняться, волей-неволей лишила бы нас способности предсказывать будущее.

Стрела времени

Законы физики во вселенной неизменны, однако сама она меняется со временем. А что происходит с осью времени – неизменно ли ее направление?

Столкновение электронов

Персонажи книг – например, Мерлин из «Короля былого и грядущего» Теренса Уайта или Белая Королева из «Зазеркалья» – иногда живут задом наперед. В фильме «Помни» события изложены в обратном порядке, чтобы поставить нас на точку зрения дезориентированного главного героя Леонарда, утратившего долговременную память. То есть авторы намекают нам, что на их героев законы течения времени действуют иначе, чем на нас, остальных смертных.

Однако давайте исключим на время из уравнения самих себя (и своих любимых волшебников) и поглядим, как все происходит на фундаментальном уровне. Если рассмотреть практически любые законы физики, получается, что о течении времени они вспоминают в последнюю очередь. Снимите на видео столкновение двух электронов – и если пустить запись в обратную сторону, она будет выглядеть так же нормально и физически достоверно, как и первоначальный вариант. Похоже, на микроскопическом уровне время абсолютно симметрично[29].

Нам даже не обязательно ограничиваться микроскопическим масштабом. Осмелюсь предположить, в какой-то момент своей биографии вам случалось играть в мяч. Мяч летит по дуге, которая называется «парабола»[30]. Снимите видео про игру в мяч, просмотрите его в обратном направлении, и хотя выглядеть игра будет не совсем так же, как в изначальном варианте – мяч, например, полетит сначала не справа налево, а слева направо – с точки зрения физики она покажется абсолютно достоверной.

Это еще одна симметрия – и, как и у прочих, у нее есть свое название.

Т-симметрия: при обращении течения времени законы физики выглядят по-прежнему.

Тут мы ненадолго остановимся. Взгляните на вселенную в зеркало – и все будет выглядеть более или менее правильно. Буквы написаны наоборот, люди ездят не по той стороне дороги, сердце не в той стороне груди, но в остальном вы чувствуете себя вполне пристойно и, скорее всего, быстро приспособитесь. Подобным же образом все будет выглядеть нормально, если заменить все частицы на античастицы. Правда, наведываться в такие места вам не стоит – иначе вы мгновенно аннигилируете. А вот вселенная, где время течет вспять, на наш взгляд будет совершенно безумной!

Определенно, представляется очевидным, что такой симметрии в нашей вселенной быть не может. Интуитивно кажется, что это невозможно, правда?

С другой стороны, интуиция столько раз нас обманывала. Когда мы говорим о симметрии вселенной, то имеем в виду не преобразование вселенной в целом, а преобразование ее законов. Вот, мол, посмотрим на игру в мяч или на одну-единственную пару электронов, отскочивших друг от дружки, и их и обратим, а больше ничего трогать не станем.

Итак, действуют ли законы физики во вселенной Мерлина? Или, выражаясь более учено, остаются ли неизменными законы физики при Т-преобразовании? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно понять, как Т-симметрия относится к заряду и к старым добрым зеркальным симметриям С и Р, с которыми мы уже знакомы. С точки зрения математики разница между электроном, движущимся вперед во времени, и позитроном, движущимся во времени назад, очень мала.

Ричард Фейнман в своей Нобелевской лекции вспоминает разговор со своим научным руководителем Джоном Уилером:

Когда я учился в магистратуре в Принстоне, мне как-то раз позвонил профессор Уилер и сказал:

– Фейнман, я знаю, почему у всех электронов одинаковый заряд и одинаковая масса.

– Почему?

– Потому что все они – один и тот же электрон!

– Профессор, но ведь позитронов меньше, чем электронов, – возразил я.

– Ну так, может быть, они прячутся в протонах или что-то в этом роде, – сказал Уилер.

К его идее, что все электроны – это один и тот же электрон, я отнесся не так серьезно, как к замечанию, что, возможно, позитроны – это электроны, которые движутся из будущего в прошлое в задней части своей мировой линии. Эту идею я украл!

Помните вышеприведенный пример с током в проводе? Если снять позитрон на видео и посмотреть задом наперед, он произведет точно такое же магнитное поле, как и электрон, который бежит вперед. Мы можем даже представить себе создание параллельной вселенной по следующему алгоритму:

1. Превратим все частицы в античастицы и наоборот.

2. Посмотрим на все в зеркало.

3. Обратим ход времени.

Это называется СРТ-преобразованием, и о нем мы не можем сказать почти ничего, кроме того, что буквально все проделанные человечеством эксперименты показали, что вселенная СРТ-симметрична. И это очень важно, поскольку помимо всего прочего мы наконец-то обнаружили во вселенной абсолютную симметрию.

Иными словами, очень похоже, что физика частиц на микроскопическом уровне более или менее одинакова при «просмотре видеозаписи» в обоих направлениях. С точки зрения фундаментальной физики, в оси времени нет ничего особенного – не больше чем в том, какая из частиц электрон, а какая позитрон.

И все же мы прямо чувствуем, что время не такое, как остальные измерения. Но почему?! Короткий ответ: мы не знаем ничего, кроме того, что вот так уж оно устроено. Но есть и длинный ответ. Длинный и интересный.

Второй закон

Вы помните прошлое, а не будущее. Невозможно распечь торт, провернуть обратно фарш, превратить яичницу в яйцо или заставить бильярдные шары съехаться в аккуратный треугольник.

У всего на свете есть общая тенденция – приходить во все больший беспорядок. Вам эта закономерность известна как Второй закон термодинамики. Сформулировать Второй закон можно довольно цветисто – «все разваливается», – но на самом деле все еще проще.

Своим становлением термодинамика по крайней мере отчасти обязана промышленной революции. В 1820 годах французский инженер Николя Леонар Сади Карно всего-навсего хотел усовершенствовать паровой двигатель – и обнаружил, что как ни старайся, а какая-то часть энергии все равно расходуется впустую в виде тепла. К 1850 годам Рудольф Клаузиус предложил более научную формулировку закона, получившего название Второго закона термодинамики:

Не бывает процессов, единственным результатом которых была бы передача тепла от тела с более низкой температурой телу с более высокой температурой.

Любая система, предоставленная сама себе – в том числе и вселенная – в конечном итоге достигнет температурного равновесия. Все станет одинаково неупорядоченным. Равномерность – это более или менее предельное отсутствие структуры. Формулировка Второго закона по Клаузиусу сама по себе не слишком познавательна. Если не сдержаться, можно даже ляпнуть грубость – мол, это же очевидно!

К счастью, через 20 лет после того, как Клаузиус сформулировал Второй закон, Людвиг Больцман пришел нам на выручку и определил понятие энтропии. Тут никаких формул не нужно, достаточно классического примера.

Возьмите монетку и бросьте ее 100 раз. Я подожду. Если монетка у вас честная, без подвоха, то есть падает орлом или решкой вверх с одинаковой вероятностью, вы, вероятно, не очень удивитесь, обнаружив, что примерно 50 раз (плюс-минус) у вас выпал орел (О), а другие 50 раз (минус-плюс) – решка (Р).

Если продажи этой книги пойдут неплохо (подождите, я скажу, насколько именно неплохо), не исключено, что кто-то из вас посмотрит на свои записи – и, представьте себе, обнаружит, что все сто раз у него выпал орел! Вот так странность! Или нет?

Ваш друг-зубрила, вероятно, кисло заметит, что не надо так уж удивляться, если все монетки у вас выпали орлами. Вы же не удивились бы, наверное, если бы оказалось, что ваша монетка упала вверх орлом и решкой в определенной последовательности. Вот, например, мои сто бросков дали следующий результат:

ОРРРООРРРРООРООРРОРР

РОРОРООРОООРОРООООРР

РРОООРОРРОООООРООООР

РРРРРРОООРРОРОРООРОР

ООРРОООРРРРОРООРРРРО

Любая цепочка событий не очень-то и вероятна. Выбросить орла при первом броске можно с вероятностью 50 %, решку при втором – тоже 50 %, вместе они составляют 25 %. Поясню: вероятность получить при двух бросках монеты определенную последовательность из орла и решки (например, ОР) составляет 25 %, однако столь же вероятно, что у вас выпадет похожая комбинация вроде РО. Если посчитать вероятности дальше, получится, что шанс получить любую конкретную последовательность результатов после 100 бросков составляет примерно 1 на 10³⁰, и приблизительно столько нужно собрать читателей этой книги, чтобы все они бросили монетку по 100 раз и у кого-то одного выпала последовательность из 100 орлов. Так чего, собственно, так волноваться из-за какой-то одной маловероятной последовательности?

Случалось ли кому-то из ваших друзей или, Боже упаси, вам самим влюбляться, терять голову и подсчитывать, насколько невероятно, что ваша пассия и есть та самая единственная ваша половинка на всем белом свете? А если вы еще больший эгоцентрист, случалось ли вам задумываться, насколько невероятно ваше собственное существование? Мало того что тут же встает вопрос о зарождении жизни, налицо крайне малая вероятность встречи и знакомства ваших родителей, двух пар ваших бабушек и дедушек, четырех пар прабабушек и прадедушек – и т. д. на десятки миллионов поколений? Нет, серьезно, велики ли шансы?!..

Да, конечно, любая конкретная последовательность событий крайне маловероятна, однако что-то должно происходить. Мы начинаем приписывать событиям значение только в исторической перспективе. Так же и с монетками: каждая конкретная последовательность орлов и решек крайне маловероятна. Однако у огромного количества последовательностей орлов и решек есть одна общая черта: на сто бросков приходится примерно по 50 орлов и решек[31]. Точная последовательность результатов бросков называется микросостоянием системы, в то время как общие параметры – в нашем случае это общее число орлов, но на самом деле это запросто может быть что-нибудь вроде температуры или плотности газа – называется макросостоянием.

Получить все орлы – это уникальный случай. Для такого конкретного макросостояния есть только одно микросостояние, поэтому ситуация и правда особая.

В сущности, энтропия – это количество микросостояний[32], в которые могут организоваться частицы или броски монеток, чтобы в результате у вас получилась конфигурация с тем же макросостоянием.

Что именно обеспечивает уникальное макросостояние в системах более хитроумных, чем броски монеток, определить трудновато. К счастью, 1) у нас не учебник математики и 2) для большинства практических целей точное представление о том, как выделить то или иное макросостояние, особенно не влияет на суть аргументации.

Возьмем, к примеру, покер. Существует примерно 2 600 000 комбинаций из пяти карт, которые можно вытянуть из стандартной колоды. Флеш-роялей – главной комбинации карт в покере – из них всего четыре (по одному на масть). Однако вытянуть «старшую карту» или кикер (не стрит, не флеш и не пару) можно более чем полутора миллионами способов. То, какая у вас комбинация (флеш-рояль против кикера) – это макросостояние, тогда как конкретный набор карт – это микросостояние. Энтропия кикера гораздо выше, чем энтропия флеш-рояля.

Ну или порядок у флеш-рояля выше. Но это вы, наверное, и без меня знаете.

А теперь представьте себе, что вы не бросаете монетку и не играете в карты, а взяли четыре молекулы газа и поместили в левую половину коробки. Это очень аккуратный способ хранения с очень низкой энтропией. Теперь предоставьте природе сделать свое дело – и молекулы запорхают во все стороны, причем каждая будет проводить половину времени в левой половине коробки (Л), а половину в правой (П). Можно сделать снимок случайного положения четырех молекул в любой момент. Выстроиться они могут 16 способами, но лишь два из них – ЛЛЛЛ и ПППП – предполагают, что все четыре молекулы окажутся в одной половине коробки. Вероятность такого положения дел всего 12,5 %. Все остальное время молекулы распределены более равномерно. Например, есть шесть способов (37,5 %) рассортировать молекулы так, чтобы в каждой половине коробки их было ровно по две. Равномерное распределение – это более высокий уровень энтропии, чем концентрирование.

Энтропия

В ту же игру можно играть, если брать все ту же монетку и подбрасывать в воздух. Каждый орел – это молекула в левой стороне коробки и наоборот. Проделайте это много раз – и вы убедитесь, что молекулы почти всегда распределены приблизительно равномерно. Если случайным образом распределять 100 молекул 10 раз в секунду, можно ожидать, что все молекулы окажутся в одной половине коробки, когда пройдет время, приблизительно равное триллиону нынешних возрастов вселенной.

Увеличьте количество молекул, скажем, до 10²⁸ – количества, способного наполнить небольшую комнату, – и теория вероятности потребует, чтобы случайные движения в конечном итоге привели к равномерному распределению молекул. Если выразить это в числах, то шансы, что обе половины комнаты будут равномерно наполнены воздухом, составляют примерно сто триллионов к одному.

В какой-то момент системы так разрастутся, что уменьшение энтропии станет не просто маловероятным, а до такой степени невозможным, что сама мысль о другом исходе сломает вам мозг. Вот почему так называемый Второй закон термодинамики на самом деле – блестящее предположение. Так что если вы – путешественник по времени, сбившийся с пути, и хотите выяснить, в чем разница между прошлым и будущим, можно просто разобраться, когда энтропия возрастает.

Это не может продолжаться вечно.

Если вся вселенная – всего лишь огромная коробка с газом, в конечном итоге будет достигнуто равновесие, точка, в которой энтропия достигнет максимума и газ распределится между двумя половинами коробки в точности 50 на 50. Когда во вселенной будет максимум энтропии, ей, энтропии, останется только одно – уменьшаться. Молекулы будут и дальше скакать туда-сюда – и нет-нет да и накопится несколько лишних то с одной, то с другой стороны, и тогда энтропия уменьшится. То, что в нашей вселенной есть энтропия, не просто означает, что все распадется – это означает, что способов пребывать в беспорядке гораздо больше, чем пребывать в порядке.

Рассмотрим более общепринятое определение энтропии – определение, где речь идет о температуре. В реальных газах некоторые молекулы летают быстрее прочих. Быстрые молекулы горячее медленных. Состояние максимальной энтропии потребует, чтобы температура нашего газа была распределена как можно более равномерно. Способов растранжирить богатство гораздо больше, чем способов сохранить его в одном месте.

Если среди вас есть креационисты, можете воспользоваться этим как доводом в пользу того, что сложные структуры, например, люди и динозавры, не могли быть созданы первыми. Вы-то человек весьма упорядоченный и архисложно устроены. Хотя можно немного переставить ваши атомы и результат будет выглядеть как вы, гораздо больше способов переставить атомы так, что результат будет ничем не похож на вас. Если я возьму все химические вещества, из которых вы состоите, и налью в бетономешалку, едва ли из нее выльется ваш клон.

Могу вас обрадовать: на странице этой книги мы еще выясним, как сделать из этих химических веществ вашего клона. Но должен и огорчить: для этого в процессе придется уничтожить оригинал, то есть вас.

Подведем итог: можно обнаружить то там, то сям пятачки низкой энтропии, в этом нет ничего из ряда вон выходящего, однако за них приходится платить.

В масштабах вселенной энтропия возрастает. Так что если, к примеру, сделать прекрасный холодильник, полный холодного воздуха, добиться этого можно будет только за счет создания большого количества горячего воздуха с высокой энтропией. Вот почему кондиционеру нужна вытяжка, а батарее отопления – нет. А еще именно поэтому нельзя создать вечный двигатель. Как учит нас Карно, часть энергии неизбежно обратится в тепло.

А нельзя ли обойти Второй закон?

Джеймс Клерк Максвелл, живший в XIX веке, придумал замечательный мысленный эксперимент, при помощи которого можно было бы найти лазейку во Втором законе термодинамики. Максвелл представил себе емкость, наполненную молекулами газа, и быстрыми, и медленными, основательно перемешанными, так что достигнуто состояние высокой энтропии. В середине емкости есть перегородка, отделяющая левую половину от правой, а в перегородке – малюсенькая дверца. Каждый раз, когда с левой стороны коробки к дверце приближается холодная молекула (то есть молекула, которая движется со скоростью меньше средней), очень умный демон открывает дверцу и пропускает молекулу в правую сторону емкости. Точно так же, когда справа приближается горячая молекула, демон открывает дверцу и пропускает молекулу в левую сторону емкости. В остальное время дверца закрыта.

Казалось бы, все очень просто, однако если бы такое было возможно, нам никогда больше не пришлось бы потратить ни цента на кондиционеры. Демон, не покладая рук, трудится над тем, чтобы в емкости с одной стороны было жарко, с другой холодно – совсем как в «Макдоналдсе».

Впервые я столкнулся с этой задачей, когда учился на старших курсах, и она не произвела на меня ни малейшего впечатления. Молекула туда, молекула сюда – кому это интересно? Кроме того, Второй закон термодинамики по природе своей статистический – так зачем вообще искать в нем лазейку, какой в этом смысл?

Еще какой, мой юный я. Еще какой.

Демон Максвелла

Вспомним, как должен действовать Второй закон: тепло обязано перетекать из жарких областей в прохладные. Для этого и учебник физики, пожалуй, не нужен. Большинство энергии, питающей наши машины, уходит в тепло, вот почему нам нужно постоянно жечь уголь, бензин и природный газ. Если бы мы могли нанять несколько миллионов демонов Максвелла, чтобы превращать тепло обратно в полезную энергию, у нас были бы вечные двигатели!

Я получил вполне достаточно писем от физиков-любителей, где излагались теории, грозившие, по мнению создателей, перевернуть все наши представления о вселенной. Сразу отбрасывать любые гипотезы и проекты, опровергающие Второй закон или предполагающие вечный двигатель – стандартная процедура. А вот Максвеллу положено послабление. Может быть, он и в самом деле открыл потайную дверь к тому, чтобы как-то снизить энтропию во вселенной. Если вы больше не в силах пребывать в напряженном ожидании развязки, не волнуйтесь: Второй закон цел и невредим, но чтобы понять, почему, придется залезть в голову демону.

В 1948 году Клод Шеннон, исследователь из лабораторий Белла, основал научную отрасль под названием «теория информации». Подобно тому как квантовая механика сделала физически возможным существование современной вычислительной техники, теория информации произвела переворот в криптографии и коммуникациях и сделала возможными новаторские решения вроде Интернета.

Один из главных результатов теории информации состоит в том, что информация тесно взаимосвязана с энтропией. Подобно тому, как энтропия газа описывает количество способов, какими молекулы можно переставить, информация сигнала описывает количество разных посланий, которые можно передать.

Представим себе, что я отправляю послание длиной ровно в две буквы. В принципе, поскольку в английском алфавите 26 букв, я мог бы передать вам 26 × 26 = 676 разных посланий, однако большинство подобных буквосочетаний совершенно бессмысленны. Двухбуквенных слов совсем немного (в словаре для игры в «Скрабл»[33] их 101).

Если среди вас есть специалисты по информатике, отмечу, что это значит, что хотя в принципе для дифференциации всех возможных комбинаций из двух букв потребуется около 10 бит (единиц и нулей, используемых для хранения данных), если вы знаете, что передаете слово, достаточно всего 7 бит. Экономия!

Коммуникацию можно значительно сократить, если отметить, что некоторые буквы используются гораздо реже прочих. Например, в английском языке Е встречается значительно чаще, чем Z. Если играешь в «виселицу», простое знание, что в слове есть Z, резко сокращает число вариантов. Вот почему Е в «Скрабле» стоит всего одно очко, а Z – целых десять, и вот почему Е в азбуке Морзе обозначается ., а Z – . ..

Отстучать Z занимает заметно больше времени, но это не страшно, потому что это приходится делать гораздо реже. Чем сложнее (или непредсказуемее) послание, тем больше информации в нем содержится и тем больше байтов данных потребуется, чтобы хранить его в компьютере.

Что заставляет нас вернуться к демону Максвелла. Давайте уберем из уравнения нейрофизиологию и предположим, что Демон на самом деле какой-то фантастический робот, который хранит свои данные в цифровом виде. Компьютерная память – это последовательность нулей и единиц. Неважно, есть у нас на диске файлы или нет, главное – что существует конечное количество разных комбинаций нулей и единиц, которые можно хранить. Какое именно это число, можно подсчитать, если умножать 2 × 2 × 2… – по двойке на каждый бит на диске. Чем больше битов, тем больше разных комбинаций.

Каждый раз, когда демону надо решить, пропускать ли в дверцу очередную молекулу, он измеряет ее скорость и записывает результат. А теперь предположим, что у него есть особый диск, очень маленький, отведенный исключительно для того, чтобы хранить запись скорости молекулы до тех пор, пока не будет принято решение, пропускать ли ее в дверцу. В начале эксперимента все регистры на диске стоят в положении «ноль» – конфигурация с очень низкой энтропией.

С другой стороны, если диск наполнен случайным на вид набором нулей и единиц, там либо содержится уйма информации, либо набор действительно случаен и это просто высокий уровень энтропии.

Однако наш демон начинает с чистого листа.

К дверце подлетает первая молекула, демон измеряет ее скорость, прилежно сохраняет данные на диск и решает пропустить молекулу. Подлетает вторая молекула, но тут – вот досада! – диск оказывается полностью забит данными первого измерения. У демона не остается выхода: приходится стереть первую запись, прежде чем можно будет продолжать работу, и именно тут мысленный эксперимент Максвелла терпит полный крах.

В 1961 году специалист по информатике Рольф Ландауэр сделал одно примечательное наблюдение: если уничтожаешь бит информации, обязательно создаешь эквивалентное количество энтропии во вселенной. Создание и последующее уничтожение записей о движении молекул высвобождает по крайней мере столько же энтропии, сколько демон, как предполагалось, экономил, когда распределял молекулы по скорости. Играя в свои игры с газом, демон на самом деле не снижал общую энтропию во вселенной. Он ее просто перераспределял.

Прежде чем двигаться дальше, стоит посвятить еще несколько минут устройству памяти демона. Мы исходим из предположения, что когда он измеряет скорость молекул или еще что-нибудь, то начинает с чистого листа – то есть, возможно, из конфигурации из всех нулей. Но что если не исходить из такого предположения?

Очевидно, среди всех возможных конфигураций памяти есть некие особые, незаурядные конфигурации. Примерно как буквы в «Скрабле»: про большинство комбинаций из нулей и единиц сразу понятно, что они яйца выеденного не стоят, но все равно можно случайно вытянуть из мешочка буквы, из которых составится настоящее слово. Беда в том, что сгенерированная случайным образом (но при этом в целом осмысленная) последовательность букв на доске выглядит точь-в‑точь как настоящее слово, которое кто-то преднамеренно выставил.

Если вы найдете жесткий диск, полный случайных на вид нулей и единиц, то с полным правом предположите, что все эти биты – это настоящие данные, записанные на диск. Подобным же образом, если бы вы были роботом, который прочитал диск и обнаружил сложную последовательность чисел, вы бы предположили, что это настоящие данные. С точки зрения робота, данные на диске – это в точности то же самое, что память, и нет никакой разницы между настоящей памятью, которая сформировалась благодаря опыту, и памятью, которая сформировалась в результате процессов, эквивалентных вытягиванию из мешка случайных фишек с буквами.

Иными словами, мы в целом предполагаем, что любые сложные последовательности, которые записаны у нас в мозгу, на доске для «Скрабла» или в физике вселенной, так или иначе представляют собой точное отражение каких-то реальных событий в прошлом.

Философ Дэвид Альберт выдвинул «Гипотезу прошлого» как предположение, что в прошлом энтропия была ниже, чем в настоящем[34]. Если бы мы имели дело с компьютером, это означало бы, что мы начинаем с обнуления всех регистров, а потом добавляем данные. Если «Гипотеза прошлого» верна, то информация, закодированная в памяти – это реалистическая интерпретация произошедшего в прошлом. Если бы запись на диске компьютера начиналась с состояния высокой энтропии, у нас не было бы ни малейшего представления о том, что там настоящие воспоминания, а что – шум. Чтобы хоть как-то разбираться в прошлом, нам придется предположить, что и мы сами, и вселенная в более широком смысле в начале своего существования пребывали в состоянии крайне низкой энтропии.

А это подводит нас к крайне болезненному вопросу о ранних этапах существования вселенной…

Почему Вселенная сначала была такая скучная?

Вы сидите в горячей ванне, и сначала вам тепло и уютно, а потом события приобретают неприятный оборот – вода и воздух в ванной комнате приходят в равновесие, и вы ежитесь от холода.

То же самое можно сказать и про будущее вселенной. С течением времени тепло распределяется по вселенной все равномернее. Звезды выгорают, черные дыры в конце концов испаряются, везде царят холод и темнота. Конечным состоянием вселенной будет однородный, невероятно огромный и холодный океан из фотонов.

А как же наше происхождение? Поначалу вселенная была пестрая, состояла из крошечных участков тепла и холода. Однако горячие участки были всего лишь на 1/100 000 теплее, а холодные – лишь на 1/100 000 холоднее среднего.

На первый взгляд кажется, будто начало и конец вселенной очень похожи друг на друга, однако я утверждаю, что для конца вселенной характерна низкая энтропия, в то время как в начале энтропия была высокой. Откуда я это взял?

Все дело в гравитации. Начните с совершенно однородной вселенной и добавьте всего несколько сгустков там, где плотность чуть выше среднего. Оглянуться не успеете, как все близлежащее вещество начнет падать туда, и маленький сгусток станет сгустком побольше.

Энтропия – это просто количество способов, которыми можно перемешать систему так, чтобы на вид она осталась прежней. Как мы видели на примере радиоактивного распада, все хочет достичь состояния минимальной возможной энергии[35]. Когда частицы падают на сгустки, энергия превращается в тепло, а тепло – это всегда энтропия. Крошечные сгустки становятся все больше и больше, энтропия растет, и в результате получаются галактики, звезды и вы.

На ранних стадиях существования вселенной, когда все было упаковано гораздо плотнее, гравитация играла куда более важную роль, чем сегодня. Сейчас местная гравитация играет куда более важную роль, чем в далеком будущем. Для вселенной, где правит гравитация (как в начале времен), конфигурация минимальной энтропии – это идеально равномерное распределение. В будущем, когда гравитация утратит свою важность, идеально равномерное распределение – это конфигурация максимальной энтропии.

Влияние гравитации особенно хорошо заметно на примере распределения галактик. Начиная с 2000 года в рамках проекта «Слоановский цифровой небесный обзор» (Sloan Digital Sky Survey, SDSS) начали составлять карты почти всей близлежащей вселенной. Были сделаны снимки более ста миллионов галактик и измерены расстояния более чем до миллиона из них. И выяснилось, что налицо отчетливая структура – сгустки, волокна и пустые области (они так и называются – «пустоты», или «войды»). Однако если заглянуть в далекое прошлое (то есть взглянуть на очень далекие области, что одно и то же), окажется, что вселенная заполнена очень равномерно.

Это задача не из легких, она во многом связана с вопросом о том, почему ось времени направлена именно в таком направлении, а не в каком-нибудь другом. Возьмите вселенную в ее нынешнем виде и представьте себе кино, финалом которого было бы нынешнее положение дел. Если пустить кино задом наперед, все начнется с высокой энтропии, а закончится состоянием низкой энтропии. Иначе никак – законы физики, как мы уже убедились, обратимы во времени.

Сделаем следующий шаг и чуть-чуть изменим нынешнюю вселенную. Переставим там и сям про нескольку атомов. Если запустить задом наперед такую слегка измененную вселенную, то мы не придем к «началу» с равномерным распределением. Шансы на то, чтобы обнаружить в начале вселенной состояние низкой энтропии, оказались на диво малы – так же малы, как и вероятность, что вселенная будет развиваться в сторону состояния низкой энтропии.

В таком контексте трудно даже определить, что такое «маловероятно». Обычно, когда мы говорим, что что-то маловероятно, то имеем в виду, что есть какая-то цепочка событий, которая приведет к такому финалу, и основываем вероятность на событиях в прошлом. А у начала вселенной таких событий не было.

Вот такова в общем и целом «гипотеза прошлого». Можно даже представить себе, что это закон природы – не исключено, что у всех вселенных в момент зарождения энтропия низкая. Однако, честно говоря, это не очень утешает. Вопрос пока открыт, но в воздухе витают кое-какие идеи поинтереснее, чем «в самом начале вселенная была с низкой энтропией, потому что так сложилось».

Например, очень может быть, что наша вселенная – не первая. Многие ученые, в том числе физики из Принстона Пол Штейнхардт, Нил Тьюрок и их коллеги, предположили, что у вселенной случаются периоды расширения. В числе свойств так называемого «экпиротического сценария»[36] – то, что каждый данный участок вселенной со временем растягивается все сильнее и сильнее. В такой вселенной в целом энтропия не уменьшается, но по мере расширения отдельного участка может несколько разбавиться. Может быть, наша вселенная – всего лишь маленький клочок «множественной вселенной» или «мультиверса» куда больших масштабов, общая энтропия в которой была и остается колоссальной.

Иногда роль множественной вселенной рассматривают с иной точки зрения. Шон Кэрролл, физик из Калифорнийского технологического института, считает, что время – это явление, развивающееся на наших глазах. Он полагает, что течение времени в нашей вселенной и во всех других «пузырьках», составляющих множественную вселенную, – это и есть увеличение энтропии:

Стрела времени – это следствие не того, что «энтропия увеличивается при движении в будущее», а того, что «энтропия при движении времени в одну сторону совсем не такая, как при движении в другую сторону».

Другие ученые пошли даже дальше. Например, голландский ученый Эрик Верлинде утверждает, что даже фундаментальные на первый взгляд феномены вроде гравитации следуют из Второго закона термодинамики и теории струн.

Все это очень занимательно, однако в науке подобные идеи не становятся общепринятыми. Лично я отношусь к ним несколько скептически. В следующей главе мы как следует поговорим о множественной вселенной, однако сделать это нам будет непросто отчасти потому, что непонятно, удастся ли нам когда-нибудь подтвердить существование «пузырьковых вселенных» непосредственно данными наблюдений или экспериментов.

Лично я из всего множества доступных вариантов выбираю гипотезу, согласно которой начальное состояние вселенной характеризовалось низкой энтропией просто потому, что так уж вышло. Я уже упоминал, что когда говоришь о начале времен, понятие вероятности теряет смысл, так что когда кто-то говорит, насколько маловероятно, что в начале вселенной энтропия была низка, не вполне понятно, чего следовало бы ожидать. Очень хорошо об этом сказал Ричард Фейнман:

[Низкая энтропия в прошлом] … предположение вполне разумное, поскольку оно дает нам возможность объяснить факты, данные нашим опытом, и не стоит ожидать, что кто-то сумеет вывести этот опыт из чего-то более фундаментального.

В этом-то и беда: когда говоришь о первоначальных условиях, невозможно вывести никакие законы, поскольку, насколько мы можем судить, начало времен было ровным счетом одно. И хотя Т-симметрия требует, чтобы законы вселенной на микроскопическом уровне были обратимы во времени, нужно, чтобы на закате было всего одно-единственное, уникальное направление к рассвету. Неочевидная симметрия времени ведет нас обратно к началу единственной и неповторимой дорогой.

Глава третья. Космологический принцип

Из которой мы узнаем, почему ночью темно

Надеюсь, мне удалось донести до вас два обстоятельства. Первое – тупые вопросы, как правило, гораздо умнее, чем кажется на первый взгляд. Второе – очень важно помнить, что мы существа донельзя заурядные. Иначе легко подойти к опасной грани солипсизма. Откуда ты знаешь, что не семи пядей во лбу, если вся вселенная устроена так, чтобы ты сумел в ней зародиться?

Это совсем не (только) шутка. Вообразить себя центром мироздания, и в буквальном, и в переносном смысле легко, очень легко. Выйдите за дверь и поглядите в небо. Солнце, планеты, звезды – все это, судя по тому, что мы видим, вращается вокруг нас. То, чего ждешь от Вселенной, во многом зависит от ощущения собственной важности.

Подобные предположения так глубоко укоренены в нас, что, чего доброго, можно услышать умный вопрос и даже не понять, насколько он умный. Вот, например, если я спрошу первого встречного: «Почему ночью темно?», первый встречный, скорее всего, рассердится и ответит что-нибудь вроде «Да потому что солнце с другой стороны земли, дурачина!» Так вот, это, во‑первых, грубо, во‑вторых, неверно. Почему ночью темно, далеко не так очевидно, чем вам кажется. А почему вопрос на самом деле очень глубокий и как на него нужно отвечать, подскажет симметрия.

Центр мироздания

Для древних в ночной темноте не было ничего непонятного. А все потому, что они совершенно ошибочно представляли себе устройство мироздания. Как я уже упоминал, особенно крупно ошибался во всем, что касается физического мира, Аристотель: и в природе пяти стихий[37], в устройстве гравитации, а хуже всего – в том, что Солнце вращается вокруг Земли. Давайте лучше скажем, что он внес куда больший вклад в развитие этических категорий.

В каком-то смысле его ошибки были понятны и естественны. В IV веке до нашей эры физика как область науки была еще так неразвита, что Аристотелю пришлось даже придумать ей название – это он ввел в обращение слово «физика» в привычном нам смысле. И к тому же все, что писал Аристотель о материальном мире, интуитивно кажется правильным.

Ну, например, тяжелые предметы и правда падают обычно быстрее легких, но это просто потому, что для них сопротивление воздуха относительно менее важно. Когда смотришь на Солнце и звезды, действительно кажется, будто они вращаются вокруг Земли.

Солнце и Земля вращаются по орбитам, центр которых находится примерно в 450 километрах от центра Солнца. В сущности, Солнце, можно сказать, колеблется вокруг этой точки, что часто ускользает от внимания. Солнце, Земля и вся остальная Солнечная система вращаются вокруг центра галактики Млечный Путь, который находится приблизительно в 27 000 световых лет от нас, а вся галактика летает вокруг Сверхскопления Девы – гигантской области, поперечный размер которой превышает 100 миллионов световых лет.

То есть Аристотель был интуитивно прав в одном: вселенной правят скрытые симметрии. В своем трактате «Физика» он пишет:

Вполне основательно выходит, что именно круговое движение едино и непрерывно, а не движение по прямой, так как на прямой определены и начало, и конец, и середина и она все заключает в себе, так что есть [место], откуда начинается движение и где оно кончится (ведь в конечных пунктах, откуда и куда [идет движение], все покоится); в круговом же движении ничто не определено, ибо почему та или иная [точка] будет в большей степени границей на [круговой] линии, чем другая? Ведь каждая [точка) одинаково и начало, и середина и конец, так что [на окружности] всегда и никогда находишься в начале и в конце. (Пер. В. Карпова)

В окружности и – шире – в сфере есть что-то особенное. Как ни верти, они выглядят одинаково. А по Аристотелю сферическим было все на свете. Неподвижная Земля была идеальной сферой. Она помещалась в центре примерно пятидесяти концентрических сферических оболочек, содержащих Луну, планеты, Солнце, далекие звезды и в конце концов сам «неподвижный двигатель».

Конец ознакомительного фрагмента. Купить полную версию книги.

Сноски