стрела – времени связывается именно с переходом от порядка к беспорядку.
Причина, по которой большие объекты – большие собрания атомов – имеют тенденцию переходить от состояния порядка к беспорядку, сводится к вероятности развития того или иного события. Вспомним то же яйцо: сначала оно было целым, а потом разбилось. Для яйца существует только одно состояние, в котором оно может рассматриваться как целое, но разбить его можно множеством различных способов. Его можно разбить на две части, на три части, на четыре и так далее. Даже разбивая яйцо на четыре части, можно получить разные куски: один большой, а остальные три маленькие; или два больших и два маленьких. Я думаю, вы поняли суть идеи.
Здесь важно то, что яйцо, скорее всего, в итоге будет разбито – при одинаковой вероятности каждого исхода – просто потому, что существует гораздо больше способов разбить его, чем возможностей у яйца остаться неповрежденным.
Этим и объясняется существование стрелы времени: для тел, состоящих из большого числа компонентов, всегда имеется больше неупорядоченных состояний, чем упорядоченных. Беспорядок всегда стремится нарастать, и эта тенденция очень сильна. По сути, это утверждение – краеугольный камень физики, и называется оно вторым законом термодинамики. В главе 14 упоминалось об энтропии; это слово физики любят использовать, когда говорят о беспорядке. Энтропия, говорят они, никогда не может уменьшаться.
Конечно, что-то может прийти в беспорядок только в том случае, если вначале оно находилось в порядке. Тогда, если мы отправимся к началу времен, мы должны сделать вывод, что Вселенная начала развиваться из упорядоченного состояния. Это большая проблема для физиков, потому что упорядоченное состояние является синонимом «особого» состояния, а ссылка на нечто особенное при объяснении какого-либо явления равносильна признанию Бога. Тем не менее похоже, что Большой взрыв, в котором родилась Вселенная, предваряло очень упорядоченное состояние.
Итак, объяснение того, почему время течет вперед, сводится к следующему факту: Вселенная рождается в упорядоченном состоянии и потому имеет все возможности становиться в дальнейшем все более и более неупорядоченной. Но что если в один прекрасный день она сожмется в Большом хлопке – своеобразном зеркальном отображении Большого взрыва, в котором вся материя съежится в единой сверхплотной точке? Тогда финальная стадия Вселенной придет в упорядоченное состояние, подобное тому, которое предшествовало Большому взрыву. Но это означает, что беспорядок сменится порядком и – как неизбежное следствие – время побежит вспять. Звезды вернутся к первоначальному состоянию, в котором они были полны мощи и энергии, живые существа начнут молодеть и тому подобное.
Какова вероятность того, что все закончится Большим хлопком? Из астрономических наблюдений следует, что все галактики разлетаются друг от друга. Это последствие Большого взрыва, который произошел 13,82 миллиарда лет тому назад и привел к расширению Вселенной. Астрономы полагали, что однажды расширение может замедлиться, остановиться и даже смениться сжатием, если у Вселенной достаточно массы, которая заставит сработать силы взаимного притяжения. Но в 1998 году ученые обнаружили темную энергию, невидимую субстанцию, которая заполняет все пространство и чья отталкивающая гравитация ускоряет расширение Вселенной (подробнее об этом см. главу 43). С учетом этого обстоятельства большое сжатие Вселенной представляется сейчас маловероятным. Однако наблюдения показывают, что темная энергия приобрела контроль над Вселенной сравнительно недавно – с точки зрения космических масштабов времени, конечно. И поскольку мы понятия не имеем, почему этот механизм «включился», остается шанс, что он может и выключиться в один прекрасный день, т. е. не исключена вероятность того, что Вселенная может снова сжаться с Большим хрустом.
Критическая плотность: если масса Вселенной ниже определенного предела, она будет расширяться вечно. Если масса выше этого предела, силы гравитации в итоге приведут к сжатию Вселенной с Большим хрустом – к состоянию, напоминающему своего рода зеркальное отражение Большого взрыва, в котором родилась Вселенная.
Здесь нужно отметить интересное обстоятельство. Да, в сжимающейся Вселенной время будет течь вспять. Но то же самое можно сказать и о мыслительных процессах, которые помогут уцелевшим живым существам воспринимать окружающий мир. Если вы отрицаете, что похлебка в вашей миске «не горячая», значит, вы признаете, что она горячая, не холодная; точно так же Вселенная, устремленная к своему началу и мысленно воспринимаемая «наоборот», будет казаться эволюционирующей вперед во времени. Это создает удивительную возможность. Мы убедили себя в том, что живем в расширяющейся Вселенной, возникшей после Большого взрыва; но истина может заключаться в том, что мы на самом деле живем в сжимающейся Вселенной, стремящейся схлопнуться с Большим хрустом!
32. Ну и кому это было нужно?Тройной набор строительных кирпичиков природы
Инопланетяне с Рамы все создают тройками.
Конструктор LEGO интересен тем, что бесконечное разнообразие вещей может быть построено из конечного числа основных строительных элементов. Но представим себе, что фирма LEGO решила выпускать некий новый конструктор с тем же набором строительных элементов, только их размеры в сотни раз больше игрушечных. А потом они объявили, что планируют создать еще один тип конструктора с такими же элементами, но в тысячи раз больше первоначальных. Это, конечно, было бы настоящим безумием. Но, собственно говоря, именно такая картина складывается, когда мы начинаем изучать фундаментальные строительные элементы природы.
Обычная материя состоит из четырех основных элементов: двух лептонов и двух кварков. Два лептона – это электрон и электронное нейтрино. С электроном, который, как правило, обитает в атоме и вращается вокруг ядра, мы уже познакомились. Другое дело – нейтрино. Это частица трудноуловимая и потому гораздо менее изученная. Хотя в ядерных реакциях на Солнце и рождается огромное количество нейтрино, эти частицы так редко взаимодействуют с нормальным веществом, что пролетают сквозь Землю с такой же легкостью, с какой свет проникает через оконное стекло[99].
Кроме двух лептонов еще и два кварка – верхний и нижний – важнейшие элементы нормальной материи. Вступая в комбинации по трое, они образуют протон и нейтрон – основные компоненты атомных ядер. Протон состоит из двух верхних кварков и одного нижнего, а нейтрон – из двух нижних кварков и одного верхнего. В конце 60-х – начале 70-х годов XX века физики, занимавшиеся исследованием элементарных частиц, наглядно продемонстрировали существование кварков внутри ядер. Быстрые электроны бомбардировали протоны в три точечные мишени, глубоко угнездившиеся внутри протонов, и отскакивали от них.
Все потрясающее разнообразие повседневного мира в конечном счете является результатом четырех фундаментальных взаимодействий между четырьмя фундаментальными частицами.
Получить свободный кварк, то есть выбить кварк из протона или нейтрона, не удается. Такова странная природа сильного ядерного взаимодействия, склеивающего кварки между собой: оно не только сильное, но и возрастает при удалении кварков друг от друга. Сильное взаимодействие ведет себя как резинка, которая сопротивляется тем больше, чем сильнее ее растягивают. И если даже сильно наращивать энергию растяжения «резинки», все равно не удается оттащить два кварка друг от друга – наступает момент, когда эта энергия преобразуется в энергию массы новых частиц в соответствии с законом сохранения энергии[100]: как бесенок из табакерки, выскакивает пара кварк – антикварк, то есть экспериментаторы сталкиваются с необходимостью разделения двух дополнительных кварков. Но, когда они пытаются сделать это, они создают еще два кварка, и так далее.
Итак, почти вся материя, видимая во Вселенной, состоит всего из четырех строительных кирпичиков – электрона, нейтрино, верхнего и нижнего кварка. Это открытие – поистине замечательное достижение науки. Но есть один нюанс. По причине, пожелавшей остаться неизвестной, природа решила утроить свои основные созидающие элементы. Вместо одного квартета частиц существуют три, каждый из которых содержит последовательно более массивные версии по существу одних и тех же частиц. Так, в дополнение к первому поколению частиц, которое состоит из электрона, электронного нейтрино, верхнего кварка и нижнего кварка, есть еще второе поколение частиц. Оно включает в себя более тяжелые частицы – мюон, мюонное нейтрино, странный кварк и очарованный кварк. Наконец, есть третье поколение, к которому относятся еще более тяжелые частицы: тау-лептон, тау-нейтрино, прелестный кварк и истинный кварк.
Странным образом, ни одно из двух более тяжелых поколений частиц вообще никак не проявляет себя в повседневном мире. Они были распространены только в первые мгновения жизни Вселенной, в огненном шаре Большого взрыва, когда все бурлило от избытка энергии – для создания этих частиц требуется очень много энергии. Когда в 1936 году был открыт мюон – по сути, более тяжелая версия электрона, – американский физик Исидор Айзек Раби произнес знаменитую фразу: «Ну и кому это было нужно?» То же самое можно сказать обо всех остальных дубликатах четырех основных элементарных частиц.
Ограничивается ли набор фундаментальных частиц этими тремя поколениями или их еще больше? Ответ на этот вопрос, как ни удивительно, может дать не физика элементарных частиц, а космология. Спустя минуту после своего рождения в Большом взрыве – и потом на протяжении еще девяти минут – Вселенная была настолько плотная и горячая, что протоны (ядра атомов водорода) и нейтроны сталкивались друг с другом, образуя ядра гелия – второго по тяжести элемента. Этот первозданный гелий по большей части «дожил» до сегодняшнего дня, и его можно наблюдать повсюду во Вселенной. На его долю приходится около 10 % всех атомов