В новом выпуске программы Cosmic Queries на канале StarTalk встретились два титана популяризации науки: астрофизик Нил Деграсс Тайсон и британский физик-теоретик Брайан Кокс. Исследователи обсудили фундаментальные угрозы мирозданию, природу массы через призму бозона Хиггса и парадоксы квантовой запутанности, которые могут связывать отдалённые уголки космоса невидимыми «червоточинами».
💥 Поле Хиггса и «перенастройка» законов физики 4:43
Дискуссия началась с вопроса о возможной катастрофе, связанной с частицей Хиггса. Брайан Кокс напомнил, что бозон Хиггса, открытый в CERN в 2012 году на эксперименте ATLAS, является лишь проявлением одноимённого поля, пронизывающего всю Вселенную . Это поле, теоретически предсказанное ещё в 1960-х годах, отвечает за наличие массы у фундаментальных частиц, таких как электроны и кварки .
Брайан Кокс объяснил механизм обретения массы через следующие тезисы:
- Взаимодействие с полем: Масса не является внутренним свойством материи; это результат «вязкости» поля Хиггса.
- Аналогия с сиропом: Кокс сравнил движение частиц через поле с движением объекта сквозь густой кленовый сироп — взаимодействие замедляет частицы, наделяя их инерцией, которую мы воспринимаем как массу .
- Энергия связи: При этом большая часть массы макроскопических объектов (например, протонов) происходит не от поля Хиггса напрямую, а из энергии связей кварков согласно формуле $E=mc^2$ .
По мнению Кокса, существует теоретическая вероятность «мальфункции» поля Хиггса. Он сравнил состояние поля с шариком в долине: если поле перейдёт из текущего состояния в более низкое («ложный вакуум»), законы физики мгновенно изменятся .
Последствия такой перенастройки:
- Полное изменение конфигурации Вселенной (фактическое уничтожение текущей материи).
- Обретение фотонами массы, что сделало бы свет «неповоротливым» .
- Изменение масс электронов, что разрушит химические связи.
Однако Кокс успокоил слушателей: согласно расчетам, основанным на массе топ-кварка, Вселенная находится на «грани стабильности», но время распада (полураспада вакуума) исчисляется триллионами лет, что значительно превышает время жизни Солнца .
💃 Масса как «индекс популярности»: аналогия Тайсона 16:00
Нил Деграсс Тайсон предложил альтернативную аналогию для объяснения поля Хиггса, которую он называет «полем вечеринки в Лос-Анджелесе» .
Суть концепции Тайсона:
- Пустое помещение — это пространство.
- Неизвестный человек (частица без массы) проходит через комнату к бару мгновенно, не встречая сопротивления.
- Когда в комнату входит Бейонсе (частица с большой массой), её тут же окружает толпа поклонников (поле Хиггса). Её движение замедляется, она приобретает огромную «инерцию» и с трудом добирается до цели .
Брайан Кокс признал эту аналогию математически удачной, так как она верно передаёт идею дискретных взаимодействий, формирующих итоговое свойство объекта .
🌌 Превышение скорости света и растяжение пространства 18:16
Отвечая на вопрос о том, как Вселенная может расширяться быстрее скорости света, Кокс подчеркнул разницу между движением сквозь пространство и расширением самого пространства .
- Ткань пространства: Пространство-время — это не пустота, а «ткань», которая может растягиваться.
- Отсутствие движения: Галактики могут оставаться стационарными относительно самой ткани пространства, но расстояние между ними увеличивается из-за растяжения этой ткани .
- Нарушение лимита: Ограничение скорости света касается только передачи информации или движения объектов внутри среды, но не самой среды .
🔗 Квантовая запутанность и формула ER=EPR 22:42
Тема плавно перешла к квантовой запутанности, которую Эйнштейн называл «жутким действием на расстоянии». Кокс использовал пример «квантовых монет»: если две монеты запутаны, то при измерении одной (например, выпал «орёл»), вторая мгновенно принимает состояние «решка», даже если она находится на другом конце галактики .
Ключевые уточнения от Кокса и Тайсона:
- Измерение: Состояние частицы не определяется до момента измерения, и это не зависит от сознания наблюдателя — важен сам факт физического взаимодействия с прибором .
- Запрет на передачу информации: Несмотря на мгновенную корреляцию, с помощью запутанности нельзя передать осмысленное сообщение (код Морзе) быстрее света. Это фундаментально заложено в структуру квантовой теории .
- Рекорды: Нил Тайсон отметил, что Китай удерживает рекорд по квантовой запутанности на больших расстояниях, успешно передав запутанные фотоны со спутника на Землю .
Брайан Кокс упомянул революционную гипотезу ER=EPR, выдвинутую Леонардом Сасскиндом и Хуаном Малдасеной . Согласно этой идее, квантовая запутанность (EPR) — это фактически микроскопические червоточины (мосты Эйнштейна-Розена, ER), соединяющие частицы. По мнению Кокса, само пространство-время может быть «эмерджентным» свойством, возникающим из квантовой запутанности .
🕳️ Черные дыры: парадокс исчезновения информации 31:28
Обсуждение черных дыр коснулось знаменитой работы Стивена Хокинга 1974 года о «излучении Хокинга». Хокинг показал, что черные дыры не вечны: они светятся и постепенно испаряются .
Это порождает информационный парадокс:
- Если вы бросите книгу в черную дыру, она превратится в «спагетти» из атомов, а затем дыра испарится. Куда денется информация, содержавшаяся в книге?
- Современная физика (по мнению Сасскинда и других) полагает, что информация сохраняется. Она оказывается «зашифрованной» и сильно перемешанной в исходящем излучении Хокинга .
- Аналогия с измельчителем: Брайан Кокс сравнил это с уничтожением документа в шредере. В принципе, имея бесконечно мощный квантовый компьютер, можно собрать полоски бумаги и восстановить текст .
Нил Тайсон добавил, что физики крайне серьезно относятся к закону сохранения информации, так как его нарушение означало бы крах детерминизма в науке .
🏏 Пари Хокинга и этика научных споров 38:00
Участники обсудили знаменитое пари между Стивеном Хокингом, Кипом Торном и Джоном Прескиллом. Хокинг долгое время утверждал, что информация в черной дыре уничтожается, но в итоге признал поражение .
Интересные детали спора:
- На кону стояла энциклопедия. Хокинг, как британец, хотел подарить энциклопедию крикета, но Прескилл (американец) настоял на бейсбольной энциклопедии .
- Признав ошибку, Хокинг пошутил, что ему следовало бы сжечь энциклопедию и отдать Прескиллу пепел — так было бы проще понять принцип сохранения информации в перемешанном виде .
Брайан Кокс подчеркнул, что величайшая радость для ученого — это обнаружить фундаментальную ошибку в своих убеждениях, так как именно на стыке противоречий (например, между квантовой механикой и общей теорией относительности) рождается новая физика .
📏 Планковская длина: пиксели реальности 44:31
В завершение встречи Брайан Кокс ответил на вопрос о масштабах Вселенной, используя планковскую длину ($10^{-35}$ метра).
Масштабные сравнения:
- Количество планковских объектов в человеке ростом 180 см неизмеримо больше, чем количество таких людей, которых можно выстроить в ряд до края наблюдаемой Вселенной .
- В одном метре содержится примерно миллион миллионов миллионов миллионов миллионов (10 в 30-й степени и более) планковских длин .
По словам Кокса, планковская длина может представлять собой своего рода «цифровую структуру» или «пиксель» самой ткани пространства . Якоб Бекенштейн в 1970-х годах показал, что информационная емкость черной дыры (энтропия) пропорциональна площади её горизонта событий, измеренной именно в квадратных планковских единицах .
