Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания

Многие из адептов этого пытаются интерпретировать и учитывать только те свидетельства, которые подтверждают их первоначальные гипотезы. Это называется склонностью к подтверждению. Часто, особенно в области идеологических убеждений, мы также слышим термин «когнитивный диссонанс» – это когда вы чувствуете дискомфорт, если информация подтверждает точку зрения, противоположную вашей. Мощное сочетание склонности к подтверждению и когнитивного диссонанса работает на укрепление уже существующих убеждений. Поэтому, когда мы пытаемся переубедить таких оппонентов с помощью научных данных, это часто оказывается бесполезной тратой времени.

То, что мы называем темной энергией, скорее всего, является энергией самого пустого пространства – того, что называется квантовым вакуумом. Мы уже знаем, что все в конце концов сводится к теории квантовых полей. Самые различные частицы, образующие материю, будь то кварки, электроны, фотоны или бозоны Хиггса, можно рассматривать как локализованное возбуждение этих квантовых полей, подобно волнам на поверхности океана. Но если бы нам пришлось убрать все частицы из некоего объема, это не привело бы к исчезновению поля. В этом случае мы говорим, что наш объем перешел в свое базовое, или вакуумное, состояние, однако все равно виртуальные частицы в этом вакуумном объеме будут все время то появляться, то исчезать, заимствуя для этого энергию из окружающей среды, но тут же отдавая ее по мере своего исчезновения. Так что сказать, что квантовый вакуум пустого пространства обладает нулевой энергией, – это то же самое, что утверждать, что океан в спокойном состоянии не имеет глубины. Эквивалентом воды под поверхностью океана и является эта темная энергия – космологическая константа.

А ведь квантовая революция еще только началась. В ближайшие десятилетия мы увидим море технологических чудес, разработанных на основе современных достижений квантовой физики, таких как умные и топологические материалы. Возьмем графен, например: один-единственный слой атомов углерода с шестиугольной кристаллической структурой. В зависимости от того, какой он формы и что с ним делают, графен работает то как изолятор, то как проводник, а иногда даже как полупроводник.
Более того, последние исследования позволяют предположить, что два слоя графена, развернутые под определенным углом друг к другу, могут при определенных условиях, при низкой температуре и слабом электрическом поле, вести себя как суперпроводник, по которому ток идет практически без всякого сопротивления, – еще один поразительный квантовый феномен. Эта технология, известная как твистроника, как считается, даст толчок развитию целого ряда электронных приборов.

Самый яркий пример тому из обычной жизни – резиновая лента: растягивая ее, вы увеличиваете ее энергию.
Именно это и происходит с инфляционным полем в космическом пространстве: оно похоже на резиновую ленту и обладает тем же свойством – каждый раз, когда объем пространства увеличивается вдвое, его общая энергия тоже удваивается, чтобы сохранить постоянную плотность поля. Так что инфляционное поле обеспечивает Вселенную энергией точно так же, как вы сообщаете энергию резиновой ленте, когда ее растягиваете.

Но когда система приходит в равновесие, энтропия достигает максимума, а энергия, которой она обладает, становится бесполезной. Таким образом в некотором смысле для того, чтобы мир продолжал существовать, нужна не энергия, а низкая энтропия. Если бы все пребывало в состоянии равновесия, ничего бы не происходило. Для того чтобы заставить систему работать, то есть обеспечить переход энергии из одного состояния в другое, нужно, чтобы система находилась в состоянии низкой энтропии.

Все это кажется достаточно очевидным, но мы ведь знаем, что мячик не будет прыгать вечно: он теряет энергию в виде тепла, производимого за счет трения о воздух и ударов о землю. Превращение кинетической энергии в тепло имеет коренные отличия от преобразования потенциальной энергии в кинетическую: это процесс односторонний. Мы страшно бы изумились, если б на наших глазах без посторонней помощи мячик возобновил свое движение.

В закрытом ящике судьба кошки зависит от квантового события. Шредингер утверждал, что, поскольку сама кошка состоит из атомов, пусть даже их триллионы, каждый из них – некая квантовая сущность, которая тоже должна существовать в квантовой суперпозиции: одновременно в состоянии живом и мертвом. Однако определенный исход мы сможем увидеть, только если откроем ящик. То есть кошка либо жива, либо мертва, а вовсе не находится в состоянии полной неопределенности.

История науки изобилует подходами такого рода. Один из наглядных примеров – древняя космология. В течение двух тысячелетий, со времен античности до зарождения современной науки, почти повсеместно была распространена геоцентрическая модель Вселенной, согласно которой Земля является центром космоса, а Солнце со всеми другими планетами и звездами вращается вокруг нее. Защитник позитивистского подхода в те времена сказал бы, что, поскольку эта модель позволяет хорошо предсказывать движение небесных тел, не нужно искать альтернативных объяснений, как и почему они движутся по небу так, как мы это наблюдаем. Действительно, было время, когда геоцентрическая модель казалась более точной для объяснения астрономических явлений, чем правильная и гораздо более простая гелиоцентрическая модель Коперника. Но интерпретация теории определенным образом, связанная только с тем, что в этом виде «она работает», – это интеллектуальная леность, что, безусловно, не соответствует сути физики. То же должно относиться и к квантовой механике. Известный квантовый физик Джон Белл как-то сказал, что цель физики – понять мир и «видеть цель квантовой механики в том, чтобы служить подпоркой для лабораторных экспериментов – значит, предать саму суть этой науки».

Эйнштейн развил эту идею. Согласно его общей теории материя и энергия создают гравитационное поле, а пространство-время – это не более чем «структурное свойство» этого поля. А без того, что «содержится» в пространстве-времени, не может быть никакого гравитационного поля, а следовательно, никакого пространства и времени.

Материя, извергаемая при взрыве звезды, смешивается с межзвездным газом и может снова собираться в сгустки, образуя звезды следующего поколения. Тот факт, что на Земле есть такие тяжелые элементы, подтверждает, что наше Солнце является звездой по крайней мере второго поколения. Вот почему, как вы, наверное, слышали, иногда говорят, что мы буквально состоим из звездной пыли, поскольку многие атомы нашего тела сформировались именно внутри звезд.