Основы реальности. 10 фундаментальных принципов устройства Вселенной

Самое прекрасное, что мы можем испытать, — это ощущение тайны. Она — источник всякого подлинного искусства и науки. Тот, кто никогда не испытал этого чувства, кто не умеет остановиться и задуматься, охваченный робким восторгом, подобен мертвецу, и глаза его закрыты.

Альберт Эйнштейн

Хотя мы многое поняли об устройстве мира, в нем еще немало великих загадок. Вот три важные, пока не разгаданные тайны.

• Что спровоцировало Большой взрыв? Может ли он повториться?

• Есть ли значимые закономерности, скрытые в наблюдаемом разрастании сообщества элементарных частиц и сил?

• Как конкретно из материи возникает разум? (Или он возникает вообще не из материи?)

Давайте сосредоточимся на двух больших, но более конкретных тайнах. Поиск их разгадок находится на переднем крае науки и направлен на углубление нашего понимания основ физического мира.

Первая тайна связана со странной особенностью фундаментальных законов, которые остаются неизменными (почти, хотя и не совсем), если обратить время вспять. Вторая возникла в результате обескураживающего открытия: астрономы обнаружили новую силу, по всей видимости гравитационную, но непонятно откуда взявшуюся. На первый взгляд их наблюдения указывают на существование некой «темной стороны Вселенной» и двух новых элементов — темной материи и темной энергии. Оба они, хотя и составляют большую часть массы Вселенной, каким-то образом раньше ускользали от внимания исследователей.

Недавно возникла многообещающая идея, которая, кажется, могла бы пролить свет на эти загадки. Проблема, связанная с обращением времени, заставила многих физиков заподозрить, что существует новый вид частиц — аксионы. Их долгоживущее послесвечение, оставшееся после Большого взрыва, обладает подходящими свойствами, чтобы оказаться темной материей. Шквал разработок, порожденных этой идеей, привел к азартной гонке за открытиями. В ней приняли участие сотни ученых со всего мира.

ОБРАЩЕНИЕ ВРЕМЕНИ (T-инвариантность)

Зеркальное отражение времени

В нашей жизни не много аспектов столь же очевидных, сколь асимметрия между прошлым и будущим. Мы помним прошлое, но можем только догадываться о будущем. Если вы прокрутите фильм — скажем, «Огни большого города» Чарли Чаплина — в обратном направлении, последовательность событий на экране будет мало похожа на реальность. Этот перемотанный назад фильм никогда не перепутаешь с настоящим.

Тем не менее начиная с зарождения современной науки — классической механики Ньютона — и еще совсем недавно вид фундаментальных законов не менялся при обращении (перемене знака) времени. Следовательно, законы, которые вы хотите использовать для предсказания прошлых состояний исходя из настоящих, — те же, что и для предсказания будущих состояний. Например, если вы представите фильм о планетах, вращающихся вокруг Солнца по законам Ньютона, и прокрутите его назад, планеты в фильме по-прежнему будут вращаться по законам Ньютона. Эта особенность законов называется симметрией относительно обращения времени, или сокращенно T-инвариантностью.

T-инвариантность сохранялась и при расширении области применения законов — например, в уравнениях электромагнетизма Максвелла, и в модифицированных Эйнштейном уравнениях гравитации, и в квантовых версиях этих уравнений. И все наблюдения фундаментальных взаимодействий, казалось, подтверждали эту симметрию.

Контраст между повседневным опытом и фундаментальными законами рождает два вопроса. Один звучит так: как реальная Вселенная определяет предпочтительное течение времени? Мы получили ответ в главе 6 и (особенно) в главе 7, где увидели, что гравитация вышла из равновесия[123]. Другой вопрос формулируется просто: почему? Почему в нашем фундаментальном описании природы есть эта Т-инвариантность, но в том мире, который дан нам в ощущениях, она явно отсутствует?

Почему? Первый подход — достижение дна

Родителей маленьких детей иногда раздражают их бесконечные «почему». (Почему мне нужно ложиться спать? Потому что людям нужно отдыхать. Почему людям нужно отдыхать? Потому что их тела устают. Почему их тела устают? Потому что после того, как мы какое-то время напрягаем мышцы, они перестают работать. Почему они перестают работать? Потому что их топливо — пища, которую мы едим, а потом остается некоторое количество отходов, которые нужно убирать. Почему? Потому что все деградирует, подчиняясь второму закону термодинамики. Почему? Потому что во время Большого взрыва гравитация была в неравновесном состоянии…) В конце концов у вас закончатся ответы[124]. В какой-то момент вы поймете, что уже не можете найти достаточно простое объяснение — вы дошли до дна. И тогда вы скажете: «Просто это так».