В новом выпуске программы StarTalk астрофизик Нил Деграсс Тайсон и его постоянный соавтор Чак Найс принимают в гостях Брайана Грина — профессора физики и математики Колумбийского университета. Учёные обсуждают фундаментальные вопросы мироздания: от природы сингулярностей внутри чёрных дыр до философских последствий специальной теории относительности и того, почему современные физики до сих пор не создали «теорию всего».
🕳️ Математический тупик: что находится в центре чёрной дыры? 7:24
Обсуждение началось с вопроса о том, предотвращает ли квантовая механика появление бесконечно малой сингулярности. Брайан Грин пояснил, что термин «сингулярность» в современной науке часто понимается превратно . С его точки зрения, сингулярность — это не обязательно физический объект бесконечной плотности, а скорее «место, где наши математические расчеты перестают давать осмысленные ответы» .
Ключевые тезисы дискуссии:
- Предел применимости: Общая теория относительности предсказывает бесконечную плотность, но она не учитывает квантовые эффекты.
- Длина Планка: Брайан Грин подчеркнул значение планковской длины — примерно $10^{-33}$ см . Это число получается при объединении гравитационной постоянной Ньютона, постоянной Планка и скорости света .
- Граница познания: По словам физика, уравнения прямо говорят: «не используйте нас для масштабов меньше планковских, мы здесь не работаем» .
Брайан Грин утверждает, что бесконечно малая сингулярность — это, скорее всего, «математический артефакт», возникший из-за того, что у человечества пока нет полной теории, объединяющей гравитацию и квантовую механику .
⏳ Фотон вне времени и иллюзия свободы воли 15:08
Один из самых интригующих вопросов коснулся восприятия времени фотоном. Согласно специальной теории относительности, чем быстрее движется объект, тем медленнее для него течёт время. При достижении скорости света время для объекта должно остановиться полностью .
Брайан Грин отметил важные нюансы этого явления:
- Отсутствие опыта: Смертному существу невозможно достичь скорости света, а у фотона нет сознания, чтобы «сообщить» о своём опыте. Утверждение, что фотон «не стареет» — это лишь человеческая интерпретация физической модели .
- Предопределенность: По мнению Грина, Вселенная развивается по строгим физическим законам, которые не оставляют места для вмешательства человека .
- Критика свободы воли: Физик признался, что считает ощущение «свободного выбора» иллюзией. Когда он поднимает руку, он чувствует, что это его выбор, но на самом деле он убеждён, что это лишь результат движения частиц, продиктованный уравнениями Максвелла и Эйнштейна .
Нил Деграсс Тайсон привел пример фотона, летевшего 35 000 лет из центра Галактики, чтобы попасть в детектор телескопа . Брайан Грин добавил, что даже акт установки зеркала на пути этого фотона был предопределен движением частиц в мозгу экспериментатора .
🎸 Струнная теория: элегантность против реальности 19:54
Отвечая на вопрос о том, почему фундаментальные элементы материи рассматриваются как вибрирующие струны, а не как сверхмалые частицы, Брайан Грин объяснил эволюцию взглядов в этой области.
Основные аргументы в пользу теории струн:
- Примирение теорий: Теория струн — это попытка заполнить пробел между общей относительностью и квантовой механикой там, где обычные частицы-точки приводят к математическому хаосу .
- Смена парадигмы: Грин отметил, что за последние 10 лет понимание прогрессировало. Сейчас учёные осознают, что теория струн — это лишь один из языков описания. Существуют «дуальные» описания, где точечные частицы снова играют важную роль, но в ином контексте .
На ироничный вопрос Нила Деграсс Тайсона о том, почему физики так долго не могут «добить» эту теорию, Брайан Грин ответил, что наука — это не бизнес-план с четкими дедлайнами . Он также допустил гипотезу, что человеческий вид может иметь биологический лимит интеллекта, не позволяющий осознать законы Вселенной до конца — подобно тому, как собаки не способны понять квантовую механику .
💡 Масса горячего чая: E = mc² в повседневности 27:44
Брайан Грин развеял миф о том, что формула Эйнштейна $E = mc^2$ применима только к ядерным реакциям. Он утверждает, что она работает абсолютно в любых процессах, связанных с энергией .
Примеры «бытового» применения формулы:
- Нагрев воды: Если поставить кастрюлю с водой на огонь, то по мере нагревания её масса будет увеличиваться, так как в систему поступает энергия . На обычных весах это не заметить, но эффект реален.
- Фонарик: Включенный фонарик со временем становится легче, так как излучаемый свет уносит энергию, имеющую массовый эквивалент .
- Электромобиль: Нил Деграсс Тайсон поделился расчётами для своего электрокара. Полностью заряженный автомобиль весит больше, чем разряженный, хотя разница составляет ничтожную долю унции .
Грин упомянул, что много лет спорил об этом с химиками, которые считали, что $E = mc^2$ не касается их области. В итоге многие признали правоту физика: без понимания физических процессов невозможно полноценно понять химию .
⚛️ Как выглядит атом и есть ли у Вселенной центр? 32:51
Обсуждая визуализацию микромира, Брайан Грин подчеркнул, что наше интуитивное представление об атоме как о наборе «шариков» в оболочке неверно. Мозг человека эволюционировал, чтобы избегать львов в саванне, а не для понимания квантовых масштабов .
- Облако вероятности: Электрон в атоме — это не точка, а «облако вероятности» .
- Проблема наблюдения: Чтобы «увидеть» атом, нужно направить на него фотон света. Но фотон настолько энергичен по сравнению с электроном, что при столкновении он мгновенно меняет состояние наблюдаемого объекта .
Относительно центра Вселенной учёные сошлись на том, что его не существует в привычном понимании . Нил Деграсс Тайсон отметил, что «центром» можно считать любую точку, если смотреть назад во времени к моменту Большого взрыва ($T = 0$) . Однако в пространстве Большой взрыв произошел «везде одновременно», поэтому никакая точка в современном космосе не является более привилегированной, чем другие .
🔭 Будущее физики: где ждать прорыва? 38:50
В завершение беседы Брайан Грин выразил опасение, что теоретическая физика может зайти в тупик, если человечество перестанет строить новые ускорители частиц и мощные космические телескопы . Без притока свежих экспериментальных данных теории рискуют стать чисто абстрактными упражнениями.
Прогнозы Грина на ближайшие десятилетия:
- Космология: Ожидается более глубокое понимание того, что именно произошло в момент Большого взрыва и чем на самом деле была начальная сингулярность .
- Квантовая механика: Грин полагает, что фундамент квантовой теории может быть пересмотрен. Существуют нерешённые проблемы, которые физики долгое время игнорировали, но они могут «вспыхнуть» и заставить науку изменить парадигму .
