В новом выпуске научно-популярного подкаста StarTalk известный астрофизик Нил Деграсс Тайсон и его соведущая Наджин Фарсад обсуждают фундаментальные законы космоса с физиком-теоретиком Шоном Кэрроллом. Поводом для встречи стал выход новой книги Кэрролла «Самые большие идеи во Вселенной: пространство, время и движение» (The Biggest Ideas in the Universe: Space, Time, and Motion), в которой ученый предлагает революционный подход к популяризации науки. Собеседники разбирают самые сложные загадки современной физики — от нестыковки квантовой механики с теорией относительности до природы темной энергии и квантовых механизмов фотосинтеза.
📚 Трилогия «Fellowship of Physics»: физика без купюр 0:00
Идея новой книги Шона Кэрролла родилась во время пандемии COVID-19 как серия образовательных видеороликов . Главным отличием этого проекта от большинства научно-популярных изданий стало сознательное решение автора не скрывать от читателя математический аппарат . Кэрролл убежден, что без понимания уравнений, производных, интегралов и комплексных чисел невозможно по-настоящему глубоко осознать устройство Вселенной .
Нил Деграсс Тайсон напомнил известную издательскую байку о том, что редактор Стивена Хокинга перед публикацией «Краткой истории времени» предупреждал автора: каждая формула в тексте сократит потенциальную аудиторию книги вдвое . В итоге Хокинг оставил лишь одно уравнение ($E=mc^2$), а книга стала мировым бестселлером. Шон Кэрролл пошутил, что в его книге формул около сотни, и если бы правило редактора Хокинга работало линейно, его аудитория сократилась бы до ничтожной доли одного человека .
Книга «Пространство, время и движение» является первой частью запланированной трилогии, которую автор в шутку называет «Братством физики» (по аналогии с «Властелином колец») . В этом томе рассматривается классическая физика до появления квантовой теории. По словам Кэрролла, книга проводит читателя от базовых понятий до уравнения Эйнштейна для общей теории относительности и метрики Шварцшильда для черных дыр .
🌌 Загадка темной материи и «темный свет» 7:35
Отвечая на вопрос слушателя о том, как обнаружение природы темной материи и темной энергии изменит нашу жизнь, Шон Кэрролл высказал весьма прагматичный и даже скептический взгляд. По его мнению, раскрытие этой тайны не приведет к созданию варп-двигателей, летающих машин или новых источников энергии .
Свою позицию физик аргументирует следующими фактами:
- Отсутствие электромагнитного взаимодействия: Темная материя не взаимодействует со светом, электричеством или магнетизмом . Из-за этого её невозможно «потрогать» или использовать в привычных нам инженерных сетях.
- Сложность обнаружения: Ученым приходится строить гигантские детекторы глубоко под землей в надежде зафиксировать хотя бы единичные случаи слабого взаимодействия частиц темной материи с обычной .
- Гравитационная природа связи: На данный момент мы знаем о ее существовании только благодаря ее колоссальному гравитационному воздействию на масштабах галактик .
Тем не менее Кэрролл поделился деталями одного из своих теоретических исследований. Он опубликовал научную работу, в которой математически обосновал возможность существования «темных фотонов» и «темного света» . По мнению ученого, темная материя может иметь свои собственные внутренние силы взаимодействия. Это означает теоретическую вероятность существования темных магнитных полей и даже темных атомов, которые остаются абсолютно невидимыми для наших приборов .
Нил Деграсс Тайсон скептически заметил, что гипотеза о «энергии вакуума» (космологической константе Эйнштейна) как источнике темной энергии выглядит как «костыль» (kludge) . Кэрролл возразил, отметив, что с точки зрения математики общей теории относительности наличие энергии у пустого пространства — это самое простое и естественное решение, которое логически вытекает из уравнений .
🤝 Великое примирение: почему общая теория относительности спорит с квантовой механикой 11:26
Главным вопросом, который «не дает спать по ночам» большинству современных физиков-теоретиков, Кэрролл назвал проблему объединения гравитации и квантовой механики . Это две триумфальные, экспериментально подтвержденные теории XX века, которые, однако, принципиально несовместимы на фундаментальном уровне .
- Квантовая механика описывает микромир (атомы, элементарные частицы) через вероятности и суперпозицию состояний.
- Общая теория относительности (ОТО) описывает макромир (гравитацию, черные дыры, космологию) как непрерывное и гладкое геометрическое пространство-время.
Нил Деграсс Тайсон выступил в роли адвоката дьявола, спросив, почему ученые вообще требуют, чтобы Вселенная описывалась единой элегантной теорией. По его мнению, Вселенная может быть устроена так, что для разных масштабов работают разные, не связанные между собой законы .
Шон Кэрролл не согласился с этим аргументом. Он пояснил, что дело не в эстетике или поиске красоты, а в логической непротиворечивости реальности. В качестве мысленного эксперимента Кэрролл предложил представить планету Земля, находящуюся в состоянии квантовой суперпозиции (то есть одновременно в двух разных точках пространства) . Согласно законам физики, Земля обладает гравитационным полем. Физик ставит закономерный вопрос: куда в таком случае должно быть направлено ее гравитационное поле? Ответа на этот вопрос в рамках раздельных теорий не существует, что доказывает необходимость создания единой теории квантовой гравитации .
Собеседники также вспомнили научно-фантастический фильм «Другая Земля» (Another Earth, 2011) . Кэрролл рассказал, что входил в жюри кинофестиваля «Сандэнс», которое присудило этой картине премию Альфреда Слоуна за популяризацию науки . Как признались авторы фильма, идея существования параллельной планеты пришла к ним после прослушивания радиоинтервью физика Брайана Грина, рассказывавшего о концепции Мультивселенной .
⚡ Нарушая догмы: почему закон сохранения энергии не работает в расширяющейся Вселенной 15:18
Один из слушателей подкаста задал классический вопрос: нарушается ли закон сохранения энергии в расширяющейся Вселенной и откуда берется дополнительная энергия, заставляющая космос расширяться с ускорением?
Шон Кэрролл подтвердил этот удивительный факт: в масштабах всей Вселенной закон сохранения энергии действительно не работает . Более того, Кэрролл отметил, что если ввести в поисковике Google фразу «energy is not conserved» (энергия не сохраняется), то первой ссылкой будет его собственная статья с подробным разбором этого феномена .
Физик объяснил механизмы этого процесса:
- Красное смещение фотонов: По мере расширения пространства длина волны летящих сквозь космос фотонов растягивается. Поскольку энергия фотона обратно пропорциональна длине его волны, каждый фотон буквально теряет энергию в никуда .
- Поведение темной энергии: Плотность темной энергии (энергии вакуума) остается неизменной на единицу объема. Это означает, что по мере расширения Вселенной и увеличения ее объема общее количество темной энергии внутри нее возрастает .
Кэрролл подчеркнул, что общая теория относительности предлагает новое, более сложное правило взаимодействия пространства-времени и энергии, которое заменяет собой привычный со школы закон сохранения энергии . Аналогичные процессы происходят и в квантовой механике: в момент измерения системы наблюдателем ее энергетическое состояние может скачкообразно меняться, что также формально нарушает строгое сохранение энергии в системе .
☁️ Размытое облако вероятностей: сколько весит и как выглядит электрон 20:07
Обсуждая вопрос о том, что увидел бы человек, если бы смог уменьшиться до размеров электрона, Кэрролл поспешил разрушить популярные иллюзии, навеянные фильмами кинематографической вселенной Marvel .
По мнению физика, школьные учебники совершают методологическую ошибку, изображая атом в виде миниатюрной Солнечной системы, где вокруг плотного ядра по фиксированным орбитам вращаются шарики-электроны . В реальности электрон не имеет физического размера или твердой поверхности . Он представляет собой квантовое облако вероятностей («размытое облако»), описывающее области пространства, где частица может быть обнаружена с наибольшей вероятностью .
Кэрролл добавил, что на атомных масштабах законы повседневной механики полностью теряют смысл . При этом протоны, по его словам, чуть более похожи на классические «объекты», так как они состоят из более фундаментальных частиц — кварков и глюонов, однако и к ним нельзя применять стандартные бытовые аналогии .
🌀 Многомировая интерпретация Эверетта и иллюзия свободы воли 23:26
Шон Кэрролл является одним из самых активных и известных сторонников многомировой интерпретации квантовой механики (теории Хью Эверетта), чему он посвятил свою предыдущую книгу «Что-то глубоко скрытое» (Something Deeply Hidden) .
Согласно этой теории, каждый раз, когда происходит квантовое событие с несколькими возможными исходами (например, измерение спина электрона, находящегося в суперпозиции), Вселенная мгновенно расщепляется на несколько параллельных миров . В одной вселенной наблюдатель видит электрон, вращающийся по часовой стрелке, а в другой — против .
Нил Деграсс Тайсон в шутку поинтересовался, означает ли это, что в других мирах существуют его двойники. Кэрролл с юмором ответил, что для Тайсона сделано исключение, и он уникален во всем Мультивселенной .
В продолжение темы свободы воли Кэрролл высказал позицию компатибилизма . По его мнению, квантовая неопределенность никак не связана с наличием или отсутствием у человека свободы воли .
Ученый аргументирует это следующим образом:
- Наличие законов физики: Для свободы воли неважно, являются ли фундаментальные законы природы детерминированными (как в классической физике) или вероятностными (как в квантовой) . Если человек считает, что свобода воли требует полной независимости его решений от законов физики, то концепция свободы воли рушится в любой физической парадигме .
- Макроскопическое описание: Человеческий мозг состоит из триллионов атомов. Мы физически не можем просчитать движение каждого электрона в наших телах . Именно поэтому на макроуровне мы используем концепции «выбора», «воли», «разума» и «убеждения» .
- Парадокс отрицания свободы воли: Кэрролл иронично заметил, что люди, яростно отрицающие свободу воли, тратят огромные усилия, пытаясь убедить других изменить свое мнение. Сам факт ведения спора и попытки убеждения предполагают, что у собеседника есть возможность сделать выбор и изменить позицию .
🔭 Лес Лайман-альфа и химический анализ «космического пука» 33:44
Одиннадцатилетний зритель Авениш Джоши задал вопрос о том, что такое «облака Лайман-альфа» (Lyman-alpha blobs). Нил Деграсс Тайсон подробно объяснил суть этого астрофизического явления .
В 1980-х годах астрономы выяснили, что космическое пространство между галактиками заполнено гигантскими облаками нейтрального водорода . Сами по себе они не излучают видимого света, так как в них не происходит активного звездообразования . Однако когда свет от сверхдалеких и ярких объектов — квазаров — летит к Земле, он проходит сквозь эти водородные скопления .
Каждое облако поглощает свет на строго определенной длине волны, соответствующей переходу электрона в атоме водорода (серия Лайман, линия альфа) . Из-за космологического красного смещения для каждого последующего облака эта линия сдвигается. В результате в спектре квазара ученые видят огромное количество провалов поглощения, получивших название «лес Лайман-альфа» . Это позволяет астрофизикам буквально картировать структуру распределения материи во Вселенной.
Другой слушатель задал шутливый вопрос: мог ли Большой взрыв быть «космическим испусканием газов» некоего гигантского божества ? Шон Кэрролл подошел к ответу с научной точки зрения. Он отметил, что любой биологический газ (пук) состоит в основном из метана ($CH_4$), который содержит углерод . В первые минуты после Большого взрыва во Вселенной физически не существовало углерода — первичное вещество состояло исключительно из водорода, гелия и следовых количеств лития . Таким образом, «газовая» гипотеза Большого взрыва легко опровергается методами спектрального анализа.
🌿 Квантовая биология против квантового мистицизма 38:53
Шон Кэрролл обратил внимание на то, что сегодня слово «квантовый» часто используется авторами эзотерических книг о «квантовом лечении», «квантовой йоге» или «квантовых молитвах», в которых нет ни одной реальной формулы или физического смысла . Однако существует настоящая, признанная академической наукой дисциплина — квантовая биология .
В отличие от обычной химии, квантовая биология изучает процессы в живых организмах, которые принципиально невозможны без чисто квантовых эффектов . Ярким примером является процесс фотосинтеза в листьях растений .
Когда фотон света попадает на молекулу хлорофилла, полученная энергия переносится к реакционному центру не хаотически, а через механизм квантовой суперпозиции . Энергия буквально движется по всем возможным каналам одновременно, мгновенно находя самый быстрый и эффективный путь с минимальными потерями .
Нил Деграсс Тайсон добавил, что поскольку биология базируется на химии, а химия целиком подчиняется законам квантовой физики, в конечном счете все процессы в мире можно свести к фундаментальной физике .
⚛️ Есть ли предел делимости материи? 44:05
Размышляя о будущем физики, Кэрролл назвал своим любимым научным фактом теорию первичного нуклеосинтеза (Big Bang Nucleosynthesis) . По его мнению, поразительно, что теории, созданные людьми на Земле за последние сто лет, позволяют с абсолютной точностью рассчитать физические процессы (слияние протонов и нейтронов в ядра гелия и лития), происходившие всего через несколько секунд после Большого взрыва 14 миллиардов лет назад, и эти расчеты идеально совпадают с астрономическими наблюдениями .
На вопрос о том, продолжится ли бесконечный процесс деления материи на все более мелкие частицы (после молекул, атомов, протонов и кварков), Кэрролл высказал мнение, что этот процесс имеет свой предел .
Исторический экскурс от Шона Кэрролла:
- Древняя Греция: Демокрит вводит понятие «атом» (неделимый) исключительно умозрительно.
- XVIII–XIX века: Химики обнаруживают реальные кирпичики вещества и ошибочно называют их атомами, думая, что они неделимы .
- XX век: Физики делят атом на электроны и ядра, ядра — на протоны и нейтроны, а те, в свою очередь, — на кварки и глюоны .
По мнению Шона Кэрролла, современная наука подошла к пониманию того, что мир устроен не по принципу матрешки из бесконечно уменьшающихся твердых шариков . На самом фундаментальном уровне реальность состоит не из точечных частиц, а из непрерывных квантовых полей или иных математических структур (например, струн) . Физика не доказывает абсолютные истины, но она успешно отсекает неверные гипотезы, постепенно приближая человечество к пониманию единой картины мира .
