# «Энергия не сохраняется»: Шон Кэрролл о расширении Вселенной и квантовых парадоксах на StarTalk

Источник: https://www.youtube.com/watch?v=lovwXss0qvQ
Канал: StarTalk
Опубликовано: 29.09.2022

---

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
[[JUMP:00:43]]

Идея написания трилогии «Крупнейшие идеи во Вселенной» родилась у Шона Кэрролла во время пандемии COVID-19 как серия просветительских видеороликов [03:47]. 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 [04:01]. По мнению Шона Кэрролла, это позволяет читателю выйти на принципиально иной уровень понимания законов природы, недостижимый с помощью одних лишь метафор и упрощенных аналогий [06:42].

Нил Деграсс Тайсон вспомнил известную издательскую легенду, связанную с первой редакцией бестселлера Стивена Хокинга «Краткая история времени» [05:08]. 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 [05:36]. 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 [07:23].

Первый том трилогии посвящен классической физике — фундаменту, заложенному до прихода квантовой механики [06:14]. Книга последовательно подводит читателя к уравнению гравитационного поля Эйнштейна и метрике Шварцшильда для черных дыр [06:28]. Шон Кэрролл проводит аналогию с кинематографом, называя свою работу «Братством кольца от мира физики» [06:28]. Физик совмещает работу в Университете Джонса Хопкинса и Институте Санта-Фе, известном своими исследованиями сложных систем [01:40]. Объясняя разницу между «сложным» (complex) и «запутанным» (complicated), Кэрролл шутит, что даже в Санта-Фе избегают давать этому строгое академическое определение [02:06].

## 🌌 Тёмная материя и ускоряющееся расширение Вселенной
[[JUMP:07:35]]

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 [08:29]. 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 [08:44]. Ее невозможно потрогать, она не излучает свет и беспрепятственно проходит сквозь обычное вещество, практически не взаимодействуя даже сама с собой [09:13].

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» [09:28]. 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) [08:17].

Нил Деграсс Тайсон в шутку заметил, что идея «энергии вакуума» звучит как теоретическая уловка [10:08]. 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 [10:46].

## ⚖️ Нарушается ли закон сохранения энергии при расширении космоса?
[[JUMP: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 [16:46]. 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:

1.  **Поведение фотонов:** По мере расширения Вселенной длина волны путешествующих в ней фотонов растягивается (происходит космологическое красное смещение) [17:12]. Поскольку энергия фотона обратно пропорциональна длине его волны, каждый фотон теряет энергию. В масштабах Вселенной эта энергия просто исчезает, не переходя в другие виды.
2.  **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 [17:26].

По мнению Шона Кэрролла, общая теория относительности вводит новые правила [18:09]. 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 [18:48]. Энергия системы в процессе квантового измерения также может изменяться, что заставляет физиков пересматривать консервативные представления о незыблемости старых законов сохранения [18:48].

## ⚛️ Неуловимый электрон и квантовая биология
[[JUMP:20:07]]

Обсуждая физику микромира, Шон Кэрролл опроверг популярные научно-фантастические представления о возможности «уменьшиться» до размеров электрона [20:32]. Привычная школьная модель атома, напоминающая Солнечную систему с планетами-электронами, вращающимися вокруг ядра, является лишь сильным упрощением [21:11]. 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 [21:24]. В то же время протон, состоящий из кварков и глюонов, в физическом смысле гораздо больше похож на структурированный объект («вещь») [22:48].

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 [39:09]. 

Однако настоящая квантовая биология изучает реальные физические механизмы в живых организмах [39:38]:

*   **Фотосинтез:** Перенос энергии внутри растительной клетки после поглощения фотона происходит по нескольким каналам одновременно благодаря феномену квантовой суперпозиции [40:02].
*   **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 [40:27].

## 🔮 Многомировая интерпретация и иллюзия свободы воли
[[JUMP: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») [24:36]. 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 [23:26]. 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 [25:43]. Физик придерживается позиции компатибилизма — философского направления, утверждающего, что свобода воли совместима с физическим детерминизмом [27:10]. 

Свобода воли, с точки зрения Кэрролла, является полезным эмерджентным свойством для описания поведения макроскопических объектов [27:10]. Поскольку человек не может знать точное положение и скорость каждого атома в своем теле, на макроуровне мы пользуемся концептами «выбора», «решений» и «воли» [27:10]. Это наиболее эффективный и адекватный способ описания человеческого поведения в реальном мире.

## 💥 От Большого взрыва до фундаментальных кирпичиков реальности
[[JUMP: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 [41:34]. В это время вся молодая Вселенная представляла собой гигантский термоядерный реактор, синтезировавший гелий, дейтерий и литий из первичной протонно-нейтронной плазмы [41:34].

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» [42:16].

Размышляя о том, существует ли предел деления материи или же физики обречены бесконечно открывать все более мелкие субэлементарные частицы, Кэрролл выразил оптимизм [44:05]. 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 [46:15].