Как демоны и чашки чая развеивают ореол тайны вокруг физики

В повести «Южное шоссе» 1967 года аргентинский писатель Хулио Кортасар предлагает воображению читателя образ жуткой пробки в пригороде Парижа. Автомобильный затор вынуждает водителей построить совершенно новое общество, в центре которого — неподвижные машины. В пробке, которая кажется вечностью, у многих возникает мысль: «Что будет, если…»

Фантастический мир произведений Кортасара зачастую позволяет исследовать глубокие вопросы бытия. В 1980 году писатель прочел курс лекций в Калифорнийском университете, в рамках которого поделился, что фантазия в его работах «стоит на службе реальности». Писатель поясняет:

Любимые мною в творчестве чудесное и невероятное помогают ярче и отчетливее изобразить окружающую нас реальность. 

Заигрывание с вымышленными образами ожидаемо от писателя-фантаста, но удивительно для научной среды. Оказывается, воображение может быть не менее полезно в освещении самых темных и загадочных областей науки, включая такие трудные для изучения темы, как черные дыры.

Сюжеты вроде глобальной пробки Кортасара на самом деле очень продуктивны в качестве мысленного эксперимента. «Что будет, если…» В физике мысленные эксперименты веками доказывают свою незаменимость, помогая выявлять слабые места у существующих теорий и порождать новые идеи.

Конечно, мысленные эксперименты отличаются от лабораторных. Обычно они формируются из выдуманных — порой даже фантастических — ситуаций в сознании ученого. Составляющими эксперимента могут стать демоны, духи или, скажем, гигантские чашки. Как мысленные эксперименты, всего лишь упражнения на воображение, помогают нам совершенствовать научные теории, особенно в современную эпоху высокопроизводительных вычислений в физике? Этот вопрос побудил меня открыть новую главу в собственных исследованиях. 

Несколько лет назад я отправилась в лыжный тур по Альпам с коллегой из Зальцбургского университета, философом и историком Равадом Эль Скафом. На лыжах я каталась плохо, зато с энтузиазмом поддерживала беседы о великих идеях в физике. В результате мы провели большую часть дня на террасе коттеджа, размышляя о роли мысленных экспериментов. Свои выводы мы позже описали в общей статье: в физике черных дыр мысленные эксперименты помогают выявлять и разрешать противоречия и порой несоответствия между различными теориями — так же, как это происходило на протяжении всей истории науки, включая революционные теории общей относительности и квантовой механики.

Более ста лет назад широко известный мысленный эксперимент помог найти уязвимое место в одном из ключевых законов физики. В эксперименте были задействованы воображаемые газы, дверь и, что весьма символично, демон. 

В 1867 году истинность второго закона термодинамики не подвергалась сомнению. Он гласит, что энтропия, то есть степень хаотичности, изолированной системы (будь то закрытая камера или Вселенная) неизменно возрастает, а тепло спонтанно передается от горячего к холодному, но не наоборот. Второй закон был и остается таким важным в том числе из-за целого ряда всеохватывающих следствий. Из него выводится как то, что, чашка горячего кофе рано или поздно остынет из-за неустойчивости перепада температур, так и то, что с течением времени мы можем только стареть, но не становиться моложе. 

Однако в том же году Джеймс Клерк Максвелл, основоположник статистической физики из Шотландии, задался вопросом, а что, если существовало бы некое создание, способное играть с молекулами газа? В его теоретическом эксперименте представлено маленькое существо, позже названное «демоном», которое без затрат энергии может направлять поток молекул газа через дверцу, разделяющую контейнер на две части. Представим, что демон может производить отбор молекул газа, достигающих дверцы, и он пропускает слева направо только те, что движутся быстро и создают тепло, а справа налево — только медленные, которые делают воздух холодным.

Таким образом, демон способен сделать одну часть контейнера холоднее, а другую — горячее. Важно, что в этом случае разница температур может возникать без затрат энергии, а энтропия уменьшаться. 

Вымышленный демон Максвелла позволил «пробить брешь» в одном из самых важных законов физики того времени, показав его ограниченность. А также, что даже более существенно, усомниться в простоте и предсказуемости природных процессов. Максвелл пришел к выводу, что второй закон термодинамики действителен лишь статистически.

Обнаружили бы мы возможные исключения из второго закона без помощи демонов? Возможно, но эти фантазии определенно помогли ученым прояснить содержание проблематичных аспектов. Как отмечает историк науки Химена Каналес в своей книге «Теневая история науки»: «Ученые использовали демонов, чтобы исследовать проблемы, проверять пределы возможного и лучше понимать окружающий мир».

Крайне сложно делать выводы о тех аспектах природы, которые нельзя исследовать опытным путем. Такова ситуация с относительно новой областью термодинамики черных дыр. Эта дисциплина стремится описать термодинамические свойства, например, температуру, черных дыр, известных в астрофизике как «области, из которых нет выхода». Даже самые выдающиеся ученые считают данную тему трудной для понимания. Мы не предполагаем, что происходит с энергией и энтропией в черной дыре, так как всё еще не можем заглянуть внутрь. Поэтому в таких областях мысленные эксперименты особенно важны. 

Как пишет философ физики, работающий над основами черных дыр, Эрик Кюриэл: «Почему мы вообще думаем, что черные дыры обладают энтропией? Наиболее полный ответ на этот вопрос содержится в серии мысленных экспериментов».

Чтобы лучше объяснить позицию философа, совершим путешествие во времени к истокам термодинамики черных дыр. В начале 1970-х годов выдающийся физик Джон Уилер решил бросить вызов своим аспирантам в Принстонском университете. Он обратился к ним: представьте, что вы держите чашку чая рядом с черной дырой. Что произойдет, если вместо того, чтобы выпить его, вы бросите чашку в черную дыру?

Ученый использовал этот простой мысленный эксперимент, чтобы выявить противоречие между вторым законом термодинамики и «теоремой об отсутствии волос», которая является гипотезой в общей теории относительности. Согласно теореме, черная дыра определяется только тремя хорошо известными параметрами: массой, угловым моментом и электрическим разрядом. Уилер выразил это фразой «у черных дыр нет волос», имея в виду, что вся остальная информация (например, о ее формировании) исчезает за горизонтом событий — границей наблюдаемого мира.

Проблема возникает, когда теорема об отсутствии волос сталкивается со вторым законом термодинамики в ситуациях, подобных той, что предложил Уилер. Если бросить чашку чая в черную дыру, термодинамика укажет на уменьшение энтропии за ее пределами. Однако, учитывая, что теорема не дает информацию об энтропии внутри, нельзя исключать возможность того, что в этом процессе может уменьшиться общая энтропия Вселенной. Это любопытно, поскольку означает, что нельзя отбросить вероятность нарушения второго закона термодинамики. Из-за сходства результатов с демоном Максвелла этот эксперимент иногда называют «демоном Уилера». 

Уилер стремился вдохновить студентов, предлагая невозможные ситуации, при которых второй закон термодинамики становится бессмысленным для наблюдателя или, как он говорил, «трансцендентным». Но идея заинтересовала не всех. Например, другой выдающийся физик Роберт Уолд, ученик Уилера в то время, признался, что первой его мыслью было: «Да уж! Хорошо, что мне есть чем заняться на работе!» Ироничный, но довольно трезвый взгляд для того времени.

Допущение «трансцендентности» второго закона было продиктовано не настоящими экспериментами в кабинетах ученых, а теми, что происходили в «лаборатории разума» и не могли случиться в реальном мире. Конечно, физически невозможно, чтобы чашка чая находилась вблизи черной дыры — гравитация не позволила бы! 

Итак, почему мы должны серьезно отнестись к мысленным экспериментам с их нелепыми чаепитиями и хитроумными демонами?

Джейкоб Бекенштейн, еще один знаменитый физик и ученик Уилера, преподал нам важный урок. В отличие от Уолда, он очень ответственно подошел к задаче, поставленной Уилером, и с разных сторон пытался оправдать действие второго закона.

Чтобы разрешить конфликт между теоремой об отсутствии волос и вторым законом термодинамики, он выдвинул предположение, что черные дыры обладают энтропией, пропорциональной площади их поверхности. Это новое определение энтропии черных дыр было основано на знаменитой «теореме о площадях», предложенной Стивеном Хокингом в 1971 году. В ней говорится, что площадь поверхности горизонта событий черной дыры увеличивается со временем. С помощью данного определения Бекенштейн сформулировал «обобщенный второй закон», согласно которому «сумма энтропии Вселенной и энтропии черной дыры не может уменьшаться». Получается, если бросить чашку чая в черную дыру, энтропия внутри возрастет, компенсируя энтропию за ее пределами. Второй закон, точнее его обобщенная версия, был спасен!

Вскоре после этого, в 1972 году, открытия Бекенштейна были опубликованы в его фундаментальном труде «Черные дыры и второй закон». Так родилась термодинамика черных дыр — теперь уже признанная дисциплина в физике, которая до сих пор не дает покоя современным ученым.

И всё это благодаря, казалось бы, обычной чашке чая.

Вскоре после лыжного тура с увлекательным собеседником Эль Скафом я посетила семинар по основам термодинамики, проходивший в окрестностях Миннесоты, в красивом доме с европейским дизайном. Там представил последние результаты своих исследований ведущий исследователь в области физики черных дыр в Принстоне — Хуан Мальдасена. В докладе он подчеркнул, насколько важны мысленные эксперименты для понимания этой области, так как исследовать ее физически и наблюдать напрямую просто невозможно.

После выступления я спросила Мальдасена напрямую: «Ваши выводы действительно опираются на мысленные эксперименты?» Он ответил без колебаний: «Почти на 100 процентов!»

Получается, это занятие полезно только в случаях, когда нельзя провести эксперимент на практике, как, например, с непостижимыми черными дырами?

В современной научной среде принято считать, что все фантастические сценарии в конечном итоге должны быть подтверждены физически. Эта точка зрения, вероятно, берет начало в эмпирической традиции, согласно которой знания о реальном мире получаются с помощью чувственного опыта.

Я согласна, что только факты могут окончательно разрешить противоречия, выявленные мысленными экспериментами. Но я также убеждена, что именно воображение позволяет нам ясно видеть несоответствия и конфликты между разными теориями на концептуальном уровне. Еще прежде чем появится задумка лабораторного эксперимента, мы можем задаться вопросом: «Что будет, если…»

В последние десятилетия всё больше философов науки стали обращать внимание на важные сходства между художественной литературой и наукой. К примеру, философ Роман Фригг в своей значимой статье «Модели и вымысел» утверждает, что научные модели имеют много общего с литературными образами. По его мнению, теории, касающиеся вымысла, помогают нам лучше понять, как работает наука. Фикция или даже фантазия могут служить инструментом для более глубокого понимания научных теорий и окружающего мира. Следовательно, граница между наукой и вымыслом не такая четкая, как может показаться.

Это удивительно близко ко взгляду самого Кортасара. В книге «Литературные занятия», основанной на его лекциях в Беркли, он отметил, что «литература — это искусство, сочетающее воображение и постулаты, фантазии и теории, правду и ложь». Ученые же, как мы привыкли думать, обитают в совершенно другом мире, который опирается на достоверность. «Но когда я узнал о принципе неопределенности Гейзенберга, — делится писатель, — я сказал себе: “Черт, да мы совсем не отличаемся друг от друга”».

По материалам Nautilus
Автор: Патрисия Палациос

Переводили: Екатерина Лобзева
Редактировала: Валерия Зитева