 |
Частица Бога ломает стрелу энтропии
|
|
|
|
Частица Бога ломает стрелу энтропии
Позвольте сформулировать еще одно предсказание, которое не было сделано Эддингтоном, но явно следует из его теории. Согласно общепринятой космологической модели, в ранней Вселенной у частиц не было массы. Электроны, кварки и все другие частицы были такими же безмассовыми, как фотоны. Это удивительное состояние Вселенной стало главным ключом ее развития и того, что великие теории объединения обрели математический смысл. Позже, по мере эволюции Вселенной, частицы (по общепризнанной теории) «приобрели массу» через так называемый механизм Хиггса.
Если говорить проще, механизм Хиггса подразумевает, что вся Вселенная внезапно заполнилась полями Хиггса. Это произошло в процессе спонтанного нарушения симметрии. До этого не имеющие массы частицы, которые двигались сквозь эти поля, вели себя так, как будто приобретали массу. Здесь масса – это иллюзия, хотя она обладает всеми свойствами, которых от нее можно ожидать согласно теории относительности.
Эта теория постулировала, что какой‑ то «фрагмент» поля Хиггса мог создаться после высокоэнергетического столкновения. Такое предсказание было экспериментально подтверждено 4 июля 2012 года, когда ЦЕРН (Европейская организация по ядерным исследованиям) – большой исследовательский центр под Женевой – сообщил об открытии новой частицы (бозона Хиггса).
Леон Ледерман[151], мой учитель в Колумбийском университете, получивший Нобелевскую премию за открытие мюонного нейтрино, написал о Хиггсе книгу под названием The God Particle («Частица Бога»). Ледерман утверждает, что идея названия принадлежала редактору, и возможно, это наименование увеличило продажи книги в десять, а то и более раз. Причиной появления словосочетания «частица Бога» стало то, что поля Хиггса придали частицам массу, а без этого никогда не возникло бы атомов, молекул, планет или звезд. Возможно, это правильно, хотя по той же логической схеме мы могли бы и электрон назвать частицей Бога, потому что без электронов мы точно так же не могли бы существовать; или фотон; или вообще любую другую частицу из списка элементарных. Между физиками существует консенсус: они решили, что называть какую‑ то частицу «божьей» – последнее дело, даже более последнее, чем именовать два кварка «истинным» и «прелестным»[152] (что некоторые и попытались сделать). Тем не менее такое название привлекло внимание публики, и я даже использовал его в обозначении раздела.
|
|
|
Теория Хиггса была восторженно признана научным сообществом, когда в 2012 году Питер Хиггс и Франсуа Энглер получили Нобелевскую премию по физике за предсказание бозона Хиггса. Конечно, для Хиггса сама награда стала делом гораздо менее значительным, чем тот факт, что целый важный раздел физики назвали его именем. Энглер вынужден был довольствоваться Нобелевской премией.
Предсказание Хиггса оказалось еще одним ударом по утверждению Эддингтона о наличии причинно‑ следственной связи между энтропией и временем. И вот почему. В первоначальном Большом взрыве, еще до появления полей Хиггса, все частицы были безмассовыми. Есть все основания полагать, что в этот период, даже после начала расширения Вселенной, безмассовые частицы участвовали в термальном распределении энергии, то есть получаемом при максимальной энтропии.
Однако с конца 1970‑ х годов уже было известно, что энтропия совокупности безмассовых частиц не меняется по мере расширения Вселенной. Ключевым моментом стало то, что в ранней Вселенной энтропия всего вещества содержалась в безмассовых разогретых частицах, так что она не увеличивалась. Если бы стрела времени действительно направлялась ростом энтропии, не было бы никакой стрелы. Время должно было остановиться. Мы никогда не покинули бы ту эру. С остановившимся временем и расширение Вселенной должно было прекратиться (или, во всяком случае, не продолжаться). В отсутствие времени вы не были бы сейчас здесь и не читали бы эту книгу.
|
|
|
Но время не остановилось. Вселенная расширялась, «илем» безмассовых частиц остывал, в результате спонтанного нарушения симметрии возникли поля Хиггса, и частицы стали вести себя так, будто приобрели массу. И вот мы оказались там, где мы есть.
Физики много размышляли над смыслом времени в самой начальной стадии Вселенной (первая миллионная доля секунды). Поскольку пространство было таким однообразно горячим, они опасались, что нельзя найти ничего, служащего в тот период часами. Из‑ за высокой энергии частиц и большой плотности вещества даже радиоактивный распад пошел бы вспять. Каким же тогда образом время вообще можно определить?
В основе этой головоломки – логическая ошибка, которая кроется в утверждении, что время движется благодаря энтропии. Все как раз наоборот.
Как же Эддингтону удалось нас обмануть?
Почему утверждения Эддингтона относительно энтропии оказались такими убедительными? Мне нравится случайное объяснение Э. Ф. Бозмана во введении к книге Эддингтона 1928 года издания. Бозман говорит, что автор продвинул свою гипотезу «с помощью тонких аналогий и мягкого убеждения». Такой подход к утверждению теории в корне разнится с обычным требованием ее экспериментального подтверждения, которое только и может убедить физиков, что теория верна. На Поппера такой подход впечатления не произвел бы.
Эддингтон (и практически все авторы научно‑ популярных книг по этому вопросу) любит приводить примеры увеличения энтропии. Уроните чашку, и она разобьется на кусочки. Прокрутите пленку кинофильма задом наперед, и на экране возникнет неправильная картинка. Однако чашки у нас есть. Как же они появились? Вместо эпизода с разбивающимися чашками покажите фильм о фабрике по их производству, и вы получите совершенно другое впечатление. Люди придумали чашки. Они нашли материалы с высокой энтропией, обработали их, совместили все необходимые компоненты и стали изготавливать чайные чашки. Без этого производства не было бы чашек с низкой энтропией, которые можно разбивать. Прокрутите эту пленку назад, чтобы она показала, как чашка снова превращается в глину и воду, и обратное течение времени станет очевидным.
|
|
|
Мы окружены примерами уменьшающейся энтропии. Мы пишем книги, строим дома, создаем города, учимся. Кристаллы вырастают. Деревья захватывают и поглощают углекислый газ, содержащийся в нем углерод растворяется в воде и почве, а потом на его основе создаются замечательные организованные структуры. Энтропия дерева значительно ниже, чем энтропия газа, воды и находящихся в почве минералов, которые входят в состав древесных структур.
Человек срубает эти деревья с низкой энтропией, разрезает их на доски и строит из них дома. Если вы посмотрите фильм о строительстве дома, легко поймете направление времени по увеличению порядка, а не беспорядка на строительной площадке – вы определите это по уменьшающейся энтропии. Аргументы авторов, упоминающих о разбитых чашках, не носят всеобщего характера. Они основываются только на тех примерах, в которых энтропия очевидно увеличивается. А мы живем в реальном мире, который улучшается благодаря уменьшению энтропии. (Вообще направленный подбор примеров – уже модель локального уменьшения энтропии. Кстати, таковым можно назвать и написание книги. )
Конечно, энтропия Вселенной увеличивается, когда мы строим дом. Бо льшая часть этого роста берет начало от теплового излучения, выбрасываемого в космическое пространство. Локально энтропия уменьшается. Прибавьте сюда фотоны, которые улетают в бесконечность, и общая энтропия снизится.
Даже в космическом пространстве мы видим уменьшение энтропии. Из первичного «бульона», состоявшего из газов, частиц и плазмы, формируются звезда и планета возле нее, и начинается жизнь. Ранняя Земля вначале была гомогенной кашей, горячей и жидкой. По мере остывания эта субстанция дифференцировалась и становилась более организованной, концентрируя железо в ядре, скальные массы возле поверхности (земной коры), а газы – в атмосфере. Впоследствии она оказалась неизмеримо более организованной, уменьшая свою энтропию так же, как теряет ее остывающая чашка с кофе. Конечно, при этом Земля выбрасывала в окружающее пространство большое количество тепла, которое увеличивало энтропию Вселенной. Эта энтропия была излучена в бесконечность, тогда как энтропия Земли в это время уменьшалась.
|
|
|
Прокрутите фильм о формировании Земли вперед и назад. Вам будет понятно, что правильный именно тот вариант, который показывает уменьшение энтропии. На нем вы видите формирование на Земле структур, а не их разрушение в хаос. История Земли от ее перехода из газообразного в жидкое, а затем в твердое состояние; эволюция жизни, человечества – все это летопись не увеличивающейся, а уменьшающейся локальной энтропии. История цивилизации – это описание не разбивания чашек, а их создания.
Эддингтоновская связь энтропии со стрелой времени никогда не могла быть опровергнута. Что хуже, под ней никогда не было эмпирической базы, да она и не развивала таковую – за почти 90 лет с тех пор, как была постулирована. Единственным ее оправданием служило то, что и энтропия, и время увеличиваются. Но это только корреляция, а не причинно‑ следственная связь. Cum hoc ergo propter hoc. Как же Эддингтону удалось нас обмануть?
Но это сделал не Эддингтон. Мы обманули сами себя.
|
|
|
