В новом выпуске научно-популярного шоу StarTalk известный астрофизик Нил Деграсс Тайсон и его соведущая Нагин Фарсад принимают в гостях физика-теоретика и философа Шона Кэрролла. Поводом для глубокой дискуссии стал выход новой книги Кэрролла «Крупнейшие идеи во Вселенной: пространство, время и движение» (The Biggest Ideas in the Universe: Space, Time, and Motion), в которой ученый попытался перекинуть мост между сложнейшим математическим аппаратом и широкой аудиторией. Собеседники детально обсудили фундаментальные противоречия современной науки: от несовместимости теории относительности с квантовой механикой до парадоксов сохранения энергии в расширяющейся Вселенной и природы свободы воли.
📚 Математика без страха: как объяснить физику через уравнения 0:43
Идея написания трилогии «Крупнейшие идеи во Вселенной» родилась у Шона Кэрролла во время пандемии COVID-19 как серия просветительских видеороликов . В отличие от большинства авторов научно-популярной литературы, сознательно избегающих формул, физик-теоретик пошел на смелый шаг: он решил не прятать математический аппарат, а последовательно обучить зрителей основам математического анализа, производным, интегралам и комплексным числам . По мнению Шона Кэрролла, это позволяет читателю выйти на принципиально иной уровень понимания законов природы, недостижимый с помощью одних лишь метафор и упрощенных аналогий .
Нил Деграсс Тайсон вспомнил известную издательскую легенду, связанную с первой редакцией бестселлера Стивена Хокинга «Краткая история времени» . Редактор предупреждал Хокинга, что каждая включенная в текст формула сократит потенциальную аудиторию книги ровно вдвое. Несмотря на это предупреждение, Хокинг оставил одну формулу ($E=mc^2$), а книга разошлась многомиллионными тиражами. Шон Кэрролл иронично заметил, что в его новой книге содержится около 100 уравнений . Если бы правило редактора Хокинга работало линейно, то потенциальная аудитория сократилась бы в $2^{100}$ раз, что составило бы ничтожно малую долю от одного живого человека .
Первый том трилогии посвящен классической физике — фундаменту, заложенному до прихода квантовой механики . Книга последовательно подводит читателя к уравнению гравитационного поля Эйнштейна и метрике Шварцшильда для черных дыр . Шон Кэрролл проводит аналогию с кинематографом, называя свою работу «Братством кольца от мира физики» . Физик совмещает работу в Университете Джонса Хопкинса и Институте Санта-Фе, известном своими исследованиями сложных систем . Объясняя разницу между «сложным» (complex) и «запутанным» (complicated), Кэрролл шутит, что даже в Санта-Фе избегают давать этому строгое академическое определение .
🌌 Тёмная материя и ускоряющееся расширение Вселенной 7:35
Отвечая на вопрос слушателя о том, как обнаружение физической природы темной материи и темной энергии изменит повседневную жизнь человечества, Шон Кэрролл высказал весьма скептическую позицию. По мнению теоретика, открытие точного состава темной материи практически никак не повлияет на технологии . Это не приведет к созданию варп-двигателей, новых источников энергии или электромобилей. Причина кроется в фундаментальном свойстве темной материи — она «темная», то есть не участвует в электромагнитном взаимодействии . Ее невозможно потрогать, она не излучает свет и беспрепятственно проходит сквозь обычное вещество, практически не взаимодействуя даже сама с собой .
Тем не менее в теоретической физике ведутся активные дискуссии о скрытых свойствах этих субстанций.
- Концепция «темных фотонов»: Шон Кэрролл рассказал о своей научной работе, посвященной теоретическому обоснованию существования «темного света» и «темных магнитных полей» . Эти гипотетические поля могут связывать частицы темной материи между собой, не затрагивая при этом видимый мир.
- Природа темной энергии: По словам физика, наиболее вероятным кандидатом на роль темной энергии остается космологическая константа Эйнштейна — собственная энергия самого пустого пространства (вакуума) .
Нил Деграсс Тайсон в шутку заметил, что идея «энергии вакуума» звучит как теоретическая уловка . Однако Кэрролл возразил, подчеркнув, что в рамках уравнений общей теории относительности концепция обладания энергией со стороны пустого пространства является самым простым и математически естественным решением .
⚖️ Нарушается ли закон сохранения энергии при расширении космоса? 15:18
Один из самых интригующих вопросов выпуска касался закона сохранения энергии в масштабах расширяющейся Вселенной. Шон Кэрролл подтвердил, что его статья под названием «Энергия не сохраняется» занимает первую строчку в поисковой выдаче Google по этому запросу . Физик пояснил, что в космологических масштабах классический закон сохранения энергии действительно не работает в привычном нам виде.
Динамика энергии в расширяющемся пространстве-времени выглядит следующим образом:
- Поведение фотонов: По мере расширения Вселенной длина волны путешествующих в ней фотонов растягивается (происходит космологическое красное смещение) . Поскольку энергия фотона обратно пропорциональна длине его волны, каждый фотон теряет энергию. В масштабах Вселенной эта энергия просто исчезает, не переходя в другие виды.
- Поведение темной энергии: Плотность темной энергии остается неизменной в каждой единице объема пространства. Но поскольку объем Вселенной стремительно увеличивается, общее количество темной энергии в космосе непрерывно растет .
По мнению Шона Кэрролла, общая теория относительности вводит новые правила . Пространство-время способно как забирать энергию у материи, так и отдавать ее обратно. Аналогичные процессы происходят и в квантовой механике при измерении состояния системы наблюдателем . Энергия системы в процессе квантового измерения также может изменяться, что заставляет физиков пересматривать консервативные представления о незыблемости старых законов сохранения .
⚛️ Неуловимый электрон и квантовая биология 20:07
Обсуждая физику микромира, Шон Кэрролл опроверг популярные научно-фантастические представления о возможности «уменьшиться» до размеров электрона . Привычная школьная модель атома, напоминающая Солнечную систему с планетами-электронами, вращающимися вокруг ядра, является лишь сильным упрощением . На фундаментальном уровне электрон ведет себя как размытое облако вероятностей. По утверждению физика, у электрона нет физического размера в классическом понимании — это внутренне квантовый объект, не имеющий твердой поверхности . В то же время протон, состоящий из кварков и глюонов, в физическом смысле гораздо больше похож на структурированный объект («вещь») .
Собеседники коснулись темы квантовой биологии — бурно развивающегося междисциплинарного направления. Шон Кэрролл раскритиковал засилье слова «квантовый» в массовой культуре, упомянув существование книг по «квантовой йоге», «квантовому лидерству» и «квантовым молитвам», не имеющих никакого отношения к уравнению Шрёдингера .
Однако настоящая квантовая биология изучает реальные физические механизмы в живых организмах :
- Фотосинтез: Перенос энергии внутри растительной клетки после поглощения фотона происходит по нескольким каналам одновременно благодаря феномену квантовой суперпозиции .
- Навигация птиц: Некоторые виды используют квантовую запутанность в белках сетчатки глаза для ориентации по магнитному полю Земли.
Нил Деграсс Тайсон резюмировал, что биология в своей основе опирается на химию, а химия — на физику. Таким образом, любое глубокое описание биологических процессов неизбежно сводится к фундаментальным законам физики микромира .
🔮 Многомировая интерпретация и иллюзия свободы воли 23:26
Особое внимание спикеры уделили многомировой интерпретации квантовой механики Эверетта, активным сторонником которой является Шон Кэрролл (этой теме посвящена его книга «Что-то глубоко скрытое») . Согласно этой теории, при каждом квантовом событии, имеющем несколько вероятных исходов, Вселенная расщепляется на множество параллельных ветвей. В каждой из них реализуется свой вариант развития событий . Отвечая на вопрос о том, откуда берется энергия для создания новых миров, Кэрролл пояснил, что с точки зрения уравнений общая энергия всей мультивселенной остается неизменной — она лишь перераспределяется (дифференцируется) между альтернативными квантовыми ветвями.
В контексте квантовой предопределенности зашла речь о существовании свободы воли. По мнению Шона Кэрролла, квантовая механика никак не влияет на проблему свободы воли, поскольку случайность квантовых переходов не тождественна сознательному выбору . Физик придерживается позиции компатибилизма — философского направления, утверждающего, что свобода воли совместима с физическим детерминизмом .
Свобода воли, с точки зрения Кэрролла, является полезным эмерджентным свойством для описания поведения макроскопических объектов . Поскольку человек не может знать точное положение и скорость каждого атома в своем теле, на макроуровне мы пользуемся концептами «выбора», «решений» и «воли» . Это наиболее эффективный и адекватный способ описания человеческого поведения в реальном мире.
💥 От Большого взрыва до фундаментальных кирпичиков реальности 40:54
В финальной части беседы Шон Кэрролл поделился тем, что восхищает его во Вселенной больше всего. Для него главным источником научного восторга остается эпоха первичного нуклеосинтеза, происходившая в первые минуты после Большого взрыва . В это время вся молодая Вселенная представляла собой гигантский термоядерный реактор, синтезировавший гелий, дейтерий и литий из первичной протонно-нейтронной плазмы .
Физик подчеркнул удивительную способность человеческого разума к познанию:
«Мы берем теории физики, разработанные нами здесь, на Земле, с помощью нашего крошечного мозга за последние 100 лет, экстраполируем их на 14 миллиардов лет назад, к первым секундам после Большого взрыва, делаем расчет и получаем цифры, которые с поразительной точностью совпадают с астрофизическими наблюдениями распределения химических элементов во Вселенной» .
Размышляя о том, существует ли предел деления материи или же физики обречены бесконечно открывать все более мелкие субэлементарные частицы, Кэрролл выразил оптимизм . Он считает, что мы близки к пониманию фундаментального уровня реальности. По мнению физика, вполне возможно, что при переходе на более глубокий уровень концепция «частиц» полностью уступит место иным физическим сущностям (например, квантовым полям или струнам), и бесконечная матрешка деления вещества наконец-то закончится .
