Текст книги "Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, антивещество и бозон Хиггса"

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]29
  Специально для зануд: да, кроме слабого взаимодействия. Пока что оно для нас роли не играет, а впоследствии мы о нем еще поговорим, не волнуйтесь.


[Закрыть].

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]30
  Особенно хорошо это получается, когда играешь в мяч на Луне: там нет сопротивления воздуха.


[Закрыть]. 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]31
  Моя случайная последовательность получилась ровно 50 на 50, но я бы ничуть не удивился, если бы у меня вышло, например, 48 на 52.


[Закрыть]. 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]32
  Строго говоря, это логарифм числа вариантов, однако поскольку заниматься вычислениями мы не будем, эта мелочь не должна вас особенно тревожить. Важно лишь одно: для макросостояний, которых можно достичь множеством разных способов, энтропия высока. А если то или иное макросостояние обеспечивают лишь несколько микросостояний, энтропия низка.


[Закрыть], 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.