Свет во тьме. Черные дыры, Вселенная и мы - Хайно Фальке

Впереди нас ждет еще много радостных мгновений, связанных с грядущими научными исследованиями, но они сами по себе – не сакральная цель. Наука – не абсолютный метод, объясняющий все в мире и за его пределами, а скорее торжество креативности человека и его любопытства. В конечном счете мы, физики, скорее всего проиграем последнюю битву за получение ответов на важнейшие вопросы, однако борьба за свет, разгоняющий тьму, и сама по себе дорогого стоит.

Туман времени

Кажется, что наука обладает пророческим даром, – ведь она делает удивительные предсказания! Способность предсказывать – основное требование, предъявляемое наукой к самой себе, а для многих людей – ее впечатляющее достижение. Полет мяча, поведение материалов, отклонение света вблизи Солнца или появление черных дыр – все это можно прекрасно рассчитать заранее. Сегодня даже прогнозы погоды стали вполне приемлемыми, и ученые полным ходом работают над прогнозом развития пандемии коронавируса. Может, когда‐нибудь мы достигнем состояния полной предсказуемости всего? И все будет предопределено? Но против этого восстает наша интуиция, и, к счастью, она права.

В молодости я задумывался над тем, что такое время. Я представлял себе время как окутанный густым туманом лес, через который я иду, не останавливаясь. Только Бог, посмотрев сверху, может разглядеть в тумане все возможные лесные тропинки; только Он видит одновременно и прошлое, и будущее. А я сам вижу лишь небольшой кусочек тропинки перед собой и небольшой кусочек тропинки позади себя. Мало-помалу передо мной из тумана неопределенности проступает будущее; позади же меня исчезает в тумане памяти прошлое. Порой я иду через лес быстро, порой медленно, но никогда не могу остановиться. На каждой развилке я должен принять новое решение, которое изменяет мою траекторию и ведет меня в новое, неизведанное будущее. Другие люди тоже шагают в этом туманном лесу по своим собственным тропинкам. Иногда я сталкиваюсь с ними, иногда мы идем вместе, иногда теряем друг друга из виду…

Но почему в этом туманном лесу мы движемся только в одном направлении? Почему в реальной жизни время течет только вперед? Почему в каждой точке стрела времени указывает лишь в одном направлении? И почему наше видение будущего ограничено?

Ведь в пространстве можно двигаться вперед и назад, влево и вправо и даже вверх и вниз. А еще в пространстве можно опять и опять возвращаться в одно и то же место. Со временем дело обстоит иначе. Время как параметр входит во многие уравнения физики, и в этих уравнениях время можно ускоренно перематывать вперед и назад, словно кинопленку. Но в реальной жизни, как бы нам того иногда ни хотелось, повернуть стрелки часов вспять невозможно.

Чтобы разобраться в этом, надо обратиться одновременно ко всем разделам физики: к квантовой физике – теории, имеющей дело с очень малыми объектами, к общей теории относительности – теории, описывающей очень большие объекты, и, наконец, к термодинамике – теории, имеющей дело с большим числом частиц.

Без времени нет развития, и это бесспорно. Оно и благословение, и проклятие. Ему мы обязаны как своим рождением и приобретением опыта, так и угасанием – смертью. Существование времени означает наличие начала и конца. В статической Вселенной нет ничего, из‐за чего можно страдать или что можно потерять, но нет и ничего такого, что можно испытать или открыть.

Вообще в физике появление времени интерпретируется как следствие энтропии – неотвратимого конца. В отличие от многих других законов физики второй закон термодинамики, относящийся к энтропии, определяет ее изменение только в одном направлении: энтропия должна увеличиваться. Точно так же, как время. Если сжечь книгу, чтобы поддержать работу паровой машины, та же самая книга никогда спонтанно не возродится из пепла. Где бы ни совершалась работа, куда бы ни прилагалась энергия, небольшая часть энергии теряется и исчезает в виде растущего беспорядка. Чтобы жить, дышать и двигаться, мы используем энергию и увеличиваем энтропию. По этой причине любое живое существо может двигаться во времени только в одном направлении.

Гравитация – тоже странная улица с односторонним движением. Электрические заряды могут быть как положительными, так и отрицательными, они могут притягиваться и отталкиваться; у магнитных полей есть северный и южный полюс, и только у гравитации нет своей “противоположности”. Массы всегда лишь притягиваются. В гравитационном поле Земли яблоко всегда падает только вниз, а черные дыры всегда только растут.

Но именно это “одностороннее движение” делает развитие возможным. Если бы после Большого взрыва вообще не было гравитации, газ и другая материя потерялись бы в пустоте космоса. Никогда не сформировались бы звезды, в ходе эволюции не появился бы человек. Без гравитации не светило бы Солнце, не росли бы растения, людям нечего было бы есть. Гравитации мы обязаны своим существованием.

У наводящего тоску закона, согласно которому энтропия всегда только возрастает, имеется, однако, и положительное следствие – целенаправленно используя энергию, можно уменьшить энтропию в определенных местах. Затратив немного энергии, я могу убрать в детской или написать книгу – и все это за счет полной энергии Вселенной. Только стрела времени и гравитация обеспечивают возможность существования в космосе островков креативности. Главный вопрос заключается в том, откуда изначально взялась вся эта энергия? Это остается одной из величайших загадок Вселенной.

Но именно то, что делает нашу жизнь возможной, ограничивает наше стремление знать все. Чем больше энтропия, тем меньше известно о прошлом и будущем отдельных частиц. Я знаю, что горящая книга в конечном счете превратится в пепел, но невозможно предсказать, как этот пепел будет распределен. Таким образом, ход событий в мире изначально не определен и не фиксирован.

Когда я разговариваю с людьми (даже с теми, чье мышление сформировано наукой), мне иногда кажется, что многие из них до сих пор, вопреки здравому смыслу, в глубине души придерживаются детерминистского мировоззрения. Если бы можно было знать точные условия, в которых мир находился в строго определенный момент времени, то ход вещей был бы абсолютно фиксирован и предсказуем и – да! – все можно было бы заранее рассчитать. Мир был бы одной большой компьютерной игрой, и свобода воли каждого отдельного человека была бы просто иллюзией, являясь, по сути, неизменяемым результатом заранее предопределенного развития квантовой системы клеток нашего головного мозга под влиянием получаемой извне информации. И это означало бы, что каждое ваше решение предопределено заранее, фактически даже задолго до того, как вы родились! Так это, значит, Большой взрыв решил, что теперь я предупреждающе подниму палец?

Мир непредсказуем. На самом деле – принципиально непредсказуем! Физики весьма гордятся (и по праву!) тем,