Космологические коаны. Путешествие в самое сердце физической реальности

Вторая категория — это мир произведенных человеком информационных объектов, таких как все доказанные математические теоремы, произведения литературы, сонаты и кантаты и последовательность ходов в десятой партии Цукерторта и Стейница. В этих случаях информация может создаваться по-разному: в виде книг, или на отдельных листках бумаги, или в памяти компьютера, или в нейронных структурах. Эта информация представляет собой выборку из всего огромного пространства возможностей того, что представляет интерес.

К третьей категории относится меньшее подмножество «всего», что в каком-то смысле «объективно»: законы физики, справедливые теоремы абстрактной математики и другие поддающиеся обнаружению абстрактные объекты. Что-то вроде мира идей Платона — чистое лазурное небо, существующее независимо от его физического воплощения.

Однако чем пристальнее мы вглядываемся в такое распределение по категориям, тем менее четким оно становится. Посмотрим на выражение «реально существующие». Что это означает? Что значит существовать в «земном» мире (если использовать термин, употребленный монголом) и быть чем-то, а не, так сказать, чем-то другим?

Оригинал картины «Слепой человек, переходящий через мост» сейчас висит в музее. Мы можем сказать, что этот объект обязан своим «существованием» тому, что обладает прочностью, энергией и так далее. Если же говорить более конкретно (на языке физики), — тому, что он состоит из атомов. Тогда «быть чем-то» практически означает «быть определенной конфигурацией этих атомов». Из пространственной формы данной структуры и свойств атомов следуют такие свойства рисунка, как его форма, запах, вес, цвет и так далее.

Почему атомы считают основой всего существующего? Частично из-за их долговечности — способности продолжительно существовать во времени. Это их свойство основывается на том, что физики называют сохраняющимися величинами. Наиболее известная сохраняющаяся величина — энергия. Большинство людей, если у них спросить, почему энергия сохраняется, скажут — или зная что-то, или чисто интуитивно, — что «вещи не могут просто появляться и исчезать». Это, разумеется, верно, поскольку, согласно знаменитому уравнению Эйнштейна E = mc² энергия и масса взаимозаменяемы, то есть сохранение энергии означает и сохранение массы.

Однако дело не только в энергии. Протоны и нейтроны принадлежат к семейству частиц, называемых барионами. Барионы состоят из трех кварков. Как и энергия, полное число барионов в физической системе сохраняется и не меняется со временем. Если бы такого закона сохранения не было, то, например, два нейтрона при столкновении аннигилировали бы с образованием двух фотонов, и точно так же был бы нестабилен протон, а обычная материя очень быстро испарялась бы, превращаясь в поток тепла и света. Сходным образом еще одна сохраняющаяся величина, лептонное число, предотвращает аннигиляцию электронов и протонов. Сохранение другой величины, полного электрического заряда, не допускает превращения электронов в нейтрино.

Мы привыкли к тому, как эти законы проявляют себя в окружающем нас повседневном мире, где объекты и вещества устойчивы, даже если их форму легко изменить. Законы сохранения — хлеб насущный физиков, изучающих элементарные частицы: они позволяют понять, как и каким образом одни частицы взаимодействуют с другими. Но и эти законы не являются чем-то неприкосновенным. В общей теории относительности закон сохранения, в его обычной форме, может быть вопиющим образом нарушен. Например, в расширяющейся вселенной энергия фотонов, составляющих реликтовое излучение, просто «исчезает» при расширении вселенной и остывании излучения, и разумного ответа на вопрос, куда она девается, нет[148]. В стандартной модели физики элементарных частиц при достаточно высоких энергиях (которые возможны на очень ранних стадиях развития вселенной) барионное число перестает быть сохраняющимся и слегка меняется. Этот закон сохранения грубо нарушается в процессе образования черных дыр, которые могут образовываться из барионов. Затем черная дыра испаряется[149], превращаясь в «суп» из излучения и частиц с полным барионным зарядом равным нулю. Когда черная дыра достаточно маленькая, то, если захотеть, дестабилизировать и превратить ее в радиацию — дело нехитрое[150].

Более того, как мы уже видели, само понятие частица, кажущееся вполне надежным в классической физике, становится не столь определенным в квантовой механике, а особенно — в квантовой теории поля, где частицы — это возбуждения полей (которые, в свою очередь, способны образовывать частицы; вот круг и замкнулся). Действительно, в релятивистской квантовой теории поля, объединяющей квантовую теорию поля и теорию относительности Эйнштейна, разные наблюдатели могут быть категорически не согласны с тем, какие именно частицы они наблюдают.