Dmytro Polovynka

Кожен філософ має знати фізику

Кожен філософ та й кожна людина взагалі, котру цікавлять фундаментальні питання - наприклад про час, простір чи свободу вибору - має хоч оглядово знати фізику. Тому що фізика дає хоча б часткові відповіді на ці питання, або принаймні показує в якому напрямку ці відповіді шукати. В сучасній фізиці відбулося декілька проривів, якщо порівнювати з фізикою дев’ятнадцятого сторіччя, які сильно змінили бачення світу.

Умовно можна розділити світ на три частини:

І якщо макросвіт ми розуміємо, то фізика мікросвіту та мегасвіту водночас дивує та розширює кругозір.

Макросвіт

Макросвіт для нас найпростіший, просто тому що ми його весь час бачимо і його закони для нас звичні, хоча і тут бувають сюрпризи. Саме в макросвіті є хитромудрі машини, включно з архімедовим гвинтом та мостом да Вінчі, саме тут є гідравліка з іноді неочікуваною поведінкою сполучених посудин, заворожують і оптика і магнетизм і електрика.

Вкрай цікавими є хаотичні процеси, котрі ми весь час спостерігаємо, але неправильно сприймаємо. Проблема з хаотичними процесами - це те, що їх, як би не старатися, неможливо передбачити. Адже навіть невеличка хиба у вимірюваннях повністю змінює кінцевий результат. Ми вважаємо, що все контролюємо, що ми все прорахували, але раптом з’являється якась деталь і все летить шкереберть. Хаотичними є, наприклад, погода та фондові ринки.

Тісно пов’язаними з хаосом є критичні точки. Це коли система переходить з одного стабільного стану в інший, але сам процес - бурхливий і непередбачуваний. Це ота знаменита соломинка, котра ламає спину верблюда. Здавалося б все більш-менш стабільно, нічого не може змінитися аж раптом - пожежа, землетрус, хвороба, революція, війна, біржевий обвал.

І хоча хаос та критичні точки ми спостерігаємо весь час, ми досі не навчилися їх розуміти. Ми просто вважаємо, що чогось недоврахували і наступного разу ми вже не помилимося. Але іноді треба просто змиритися з тим, що деякі речі ми принципово не можемо прорахувати наперед. Світ виходить значно випадковішим, ніж нам здається.

Хаос та критичні точки передбачені математикою - тому про хаос я згадую у статті “Математична етика”, але математичні моделі не допомагають нам прорахувати хаотичні процеси саме через неточність вимірювань. Це не означає, що ми не можемо описувати хаотичні процеси - в хаосі теж є чіткі закони, просто закони ці зовсім не такі, до яких ми звикли. І хаотичні процеси теж перебувають у своєрідній рівновазі. Просто ця рівновага - динамічна, а не статична, це рівновага, котра ніколи не врівноважиться. Якщо вам цікаво як це, пошукайте про “дивні атрактори”.

Мікросвіт

Ще древні греки задумувалися з чого складаються речі. Демокріт виклав своє вчення про атоми - неподільні частинки, з котрих все складається. В 20му столітті виявилося, що він був правий. Вчені й справді знайшли найдрібніші частинки, котрі назвали атомами. Правда потім виявилося, що є ще менші частинки, котрі назвали елементарними частинками - серед них електрони, протони та фотони. Але при дослідженні елементарних частинок виявилося, що їх щось занадто багато і тепер вчені шукають щось ще менше.

Але тут стає цікаво. Мікросвіт значно чудернацькіший, ніж собі уявляв Демокріт. Елементарні частинки не поводять себе як маленькі більярдні кулі. Вони зовсім інші. Якщо ви уявляєте собі атом, як електрони, що крутяться навколо ядра - то хоч ця модель і допомагає зрозуміти деякі хімічні закони, але вона не є вірною. Електрони не крутяться навколо ядра. Вони знаходяться навколо ядра в декількох точках одночасно з різною ймовірністю. Електрон виявляється хмарою ймовірностей. Це як? А ось так. Те, що річ має знаходитися в якомусь визначеному місці - це ідея з макросвіту. В мікросвіті річ може знаходитися в деяких місцях одночасно - десь з більшою ймовірністю, десь із меншою. Електрон - це не щось тверде. Це щось значно дивніше. Мікросвіт - принципово ймовірнісний.

Мікросвіт також принципово невизначений. Чим точніше ми вимірюємо положення частинки, тим розмитіше ми розуміємо куди вона рухається. А якщо ми точно знаємо куди вона рухається, то тим менше знаємо де точно вона знаходиться. Як так? А ось так. Якщо вам цікаво, пошукайте про принцип невизначеності Гейзенберга. Це пов’язане з тим, що електрон - це не зовсім частинка. Або не лише частинка. А що тоді?

Елементарні частинки можуть бути як хвилею, так і частинкою одночасно. Електрон, будучи хвилею, може знаходитися в різних місцях одночасно, що підтверджується його можливістю пройти через два отвори одночасно, але будучи частинкою - він вріжеться в перешкоду лише в одному місці. Говорити про те, з чого складається така дивна річ, як хвиля-частинка, якось складно. Може електрон - це взагалі не частинка, а просто невеличка купка енергії, котра хвилеподібно рухається крізь поле, що пронизує увесь простір. Про співвідношення матерії та енергії говорить найвідоміша формула Айнштайна. А дехто взагалі в практичних цілях відмовляється від сприйняття електрону як частинки, а пропонує досліджувати електрон лише як взаємодію його з іншими частинками.

На цьому загадковість квантового світу не закінчується. Є тут і спонтанні появи пар частинок-античастинок, щоб потім знову зникнути у вакуумі, є тут і квантова сплутаність - коли частинки ніби миттєво спілкуються між собою на величезних відстанях, є тут і вже побіжно згадана єдність матерії та енергії. Є тут і загадкова роль спостерігача, який настільки важливий для експериментів, що дехто вважає свідомість спостерігача важливим складником експериментів. Я б, втім, не робив таких далекосяжних висновків, тому що єдиний спосіб, як “спостерігати” за частинкою - це з нею взаємодіяти, а взаємодія змінює хід експерименту - але ідея важливості “свідомості” для експеримента все одно зацікавлює.

При всій цій загадковості вчені можуть створювати моделі, котрі пояснюють поведінку електрона та інших частинок, навіть не розуміючи його природи. В цьому є сила фізики. І чимось воно нагадує буддистську притчу про отруєну стрілу. В притчі в людину потрапила отруєна стріла і є лікар, котрий може витягнути стрілу одразу, але чоловік насамперед хоче дізнатися хто вистрілив, чому, скільки йому років, хто його батьки і лише тоді витягувати стрілу - але намагаючись дати відповіді на всі ці питання, він помре від отрути. Схожим чином фізика будує корисні моделі - “витягує отруєну стрілу” - без того, щоб чітко знати про всі передумови появи цієї стріли.

Це, можливо, далека аналогія. Але про аналогії між фізикою та східними містичними вченнями написана ціла книга “Дао фізики” Фріттьофа Капри. Якщо вас цікавлять ці аналогії і вас не відлякують складні теми, почитайте.

Після такої чудернацькості квантової механіки, вже геть не дивує той факт, що тіла є твердими, хоча складаються переважно з пустоти. Адже цей парадокс легко вирішується, коли зрозуміти, що твердість тілам дають електронні хмари, котрі відштовхуються між собою.

Квантова механіка руйнує наші звичні уявлення про матерію. Але це ще не кінець.

Мегасвіт

Мегасвіт - це світ величезних відстаней і високих швидкостей. Це - світ теорії відносності Айнштайна. Ми його бачимо безпосередньо - з давніх-давен люди спостерігали за зорями. Але він виявився значно дивнішим, ніж хто небудь собі уявляв.

Почнімо з того, що раніше люди думали, що центром Всесвіту є Земля. Те, що Земля крутиться навколо Сонця було шоком. Як так? Земля - не центр? Але все значно гірше. Земля не просто не центр. Земля - це малесенька планета, що крутиться навколо однієї з безлічі зірок. Все людство живе на околиці однієї з мільйонів мільярдів галактик. В масштабах Всесвіту ми - менші ніж цятки. Велич Всесвіту може психологічно розчавити людину. Можливо це і добре, що ми не здатні повністю її осягнути.

Ще гірше - це те, що центру Всесвіту нема. Всесвіт розширюється, але весь він розширується однаково. Це часто порівнюють з тим, як віддаляються між собою цятки намальовані на повітряній кульці при надуванні. На поверхні кульки немає центру. Так само як там немає і країв. Всесвіт теж не має краю. Він - безмежний, але весь час збільшується. Як так? А ось так. Великий вибух - це не вибух матерії у наперед визначеному просторі. Великий вибух - це вибух простору як такого. Простір - це вже щось. Як же виглядає тоді справжнє ніщо?

Велич Всесвіту та його безмежність - це не єдине, що дивує у мегасвіті. Велику роль тут грає швидкість світла. І зі швидкістю світла пов’язано багато чого дивного.

Наприклад нічого в світі не може пересуватися швидше ніж швидкість світла. Для досягнення швидкості світла треба витратити безкінечну кількість енергії, а перевершити її принципово неможливо. Проте віддалені галактики віддаляються між собою швидше ніж швидкість світла. І це - не парадокс. Це також означає, що є області Всесвіту, які ми принципово не зможемо дослідити. Навіть якби ми змогли літати зі швидкістю світла. І навіть якщо там є розумне життя, ми про це ніколи не дізнаємося. Є, втім, ідеї, як пересуватися швидше, викривлюючи простір - але це поки лише гіпотези.

Але найцікавіше, що відбувається з наближенням до швидкості світла - це те, що відбувається з часом. Виявляється час і простір утворюють єдине ціле. Всесвіт щонайменше чотиривимірний - і один з цих вимірів - це час. І якщо ми швидко пересуваємося простором, ми повільно пересуваємося часом і навпаки. Якщо б ми могли відправити одного близнюка в космос, де б він рухався з швидкостями наближеними до швидкостей світла (це може бути і в декілька разів повільніше), а потім він повернувся на Землю, то він би постарів на років 5, коли як його брат-близнюк постарів би на років 20. Час для цих близнюків би тривав по-різному. Кому цікаво - почитайте про парадокс близнюків. І цей ефект насправді присутній в супутниках - їхні годинники незначно, але таки відстають від земних, саме через те, що вони дуже швидко пересуваються, хоча їх швидкість і далека від швидкості світла. Те, що час - це вимір - не просто метафора. Час - це й справді вимір, тісно пов’язаний з простором і швидкість його плину - відносна.

Фотон рухається зі швидкістю світла, бо він, власне, і є світлом. Але це також означає, що для фотону час не рухається взагалі. Час для фотону не існує.

Оскільки час - відносний, то поняття “зараз” не існує. Тобто є якесь певне локальне “зараз”. Але якогось глобального “зараз” нема. Якщо події не пов’язані між собою причинно-наслідковим зв’язком, то залежно від спостерігача, одна може відбутися раніше, або друга може відбутися раніше. Пошукайте про “відносність одночасності”. Як приклад - якщо у вагоні, що рухається, спереду і ззаду одночасно включаються лампи, то їх світло досягне другого кінця вагону одночасно. Але для спостерігача на платформі, оскільки швидкість світла - константна, світло спереду вагону досягне заду вагону раніше, тому що вагон рухається назустріч світлу. Одночасні події для спостерігача всередині вагону одночасними для спостерігача на платформі не є. Як так? А ось так. Швидкість світла приносить не один парадокс.

З часом, як виміром, пов’язані дві дуже сміливі, але протилежні гіпотези:

Це більше їжа для роздумів. Але тим не менше виникає логічне питання - чому ж ми можемо рухатися по ньому лише в одному напрямку? Ми вже побачили, що ми можемо рухатися ним з різною швидкістю і що він відносний для різних людей. Але чому лише вперед? Ймовірно на це відповість ентропія.

Якщо спрощено, то ентропія - це гарне слово для позначення безладу. Чим більший безлад - тим вища ентропія. Якщо у воду кинути кольорову смоктальну цукерку, то вона розчиниться і спочатку кольорова пляма буде лише в одному місці склянки, але з часом ця плямка розшириться по всій склянці (якщо не випаде в осад). Обернений процес - що усі молекули цукерки знову зберуться в одному куточку - малоймовірний. Ось вам і основний принцип ентропії - вона завжди росте. Пітримувати порядок важче, аніж дати розповсюдитися безладу. Як це нам знайомо! Але тепер в нас є фізичне підґрунтя, щоб пояснити чому це так. “Чому безлад такий в кімнаті? - Ентропія!”

Якщо ж десь ентропія зменшується і з’являється чітка структура, то в іншому місці - безладу стає ще більше. Це - другий закон термодинаміки. Той самий закон, котрий часто використовується у філософських дискусіях. Чи можна з цього робити висновок, що ціна нашого впорядкованого життя - це загальне погіршення якості життя на землі? Чи можна робити висновок, що такі структури, як демократія, не можна лишати на самоплин, але обов’язково треба використовувати енергію для її підтримання? Не знаю, можливо це - занадто далекосяжні висновки. Є ще один цікавий висновок - життя, як таке, сприяє росту ентропії значно ефективніше ніж нежива природа. Згідно з законами термодинаміки життя просто не могло не виникнути, якщо для цього є умови. Бо життя - це найефективніший спосіб розсіювати енергію та наближати теплову смерть всесвіту.

Але до чого ж тут час? Напрям часу визначається напрямком росту ентропії. Ось і зв’язок.

Але повернімося до простору - до того, котрий, як виявилося, не просто пусте місце, а справжня річ з певними характеристиками. І цю річ можна погнути. В прямому розумінні цього слова. Лише називається це інакше - викривлення простору. І викривлення простору відбувається завдяки гравітації. Або, можна сказати, що викривлення простору - це і є гравітація. Усі речі змінюють простір навколо себе, але відчутно це лише на дуже масивних об’єктах - типу Місяця, або галактики. І, що цікаво, викривлюється не лише простір, але і час, адже просторо-час - це одне чотиривимірне ціле. Викривлення простору не є чимось теоретичним. Ми можемо його спостерігати в телескопи - це, наприклад, гравітаційні лінзи, котрі спотворюють зображення, котре проходить біля них.

Теорія відносності та факти з мегасвіту руйнують наші звичні уявлення про час і простір. Але це ще не кінець.

На перетині всього

Фізика може описати явища мікросвіту квантовою механікою та мегасвіту теорією відносності. Але ці дві теорії не дружать між собою. Вони цілком придатні моделі для своїх потреб, але поки їх не вдалося поєднати, на їх перетині - біла пляма. Тому ті явища, котрі існують на межі цих двох теорій нам досі не зрозумілі і ми не можемо їх нормально описати. Таким явищем є Великий вибух. Також таким явищем є чорна діра. В обох випадках величезна кількість маси та енергії ущільнюється до розмірів, де починають діяти квантові ефекти. Що тоді відбувається з часом, простором та матерією - незрозуміло. Є навіть гіпотеза, що кожна чорна діра утворює власний всесвіт, котрий ми не можемо спостерігати ззовні. Кому цікаво - пошукайте про гравітаційну сингулярність.

Те, що об’єднану теорію всього досі не змогли описати, є хорошим прикладом обмеженості науки. Саме так - наука - обмежена і не може пояснити все. Часто після таких слів можна почути “тому треба звертатися до релігії”. Це було б чудово, але релігія теж не може пояснити, що знаходиться всередині чорних дір. Тому лишимо цю дискусію комусь іншому.

Але окрім чорних дір та білих плям на перетині квантової механіки та теорії відносності все-таки ще щось є. З мікросвіту ми маємо планківську довжину - найменшу одиницю довжини. Усі менші довжини не мають ніякого фізичного змісту - час та простір втрачають свої властивості. З мегасвіту ми маємо швидкість світла - ніщо не може бути швидшим ніж світло і ця швидкість у вакуумі завжди однакова. Час за який світло проходить планківську довжину називається планківським часом. Будь-який менший час не має змісту. Це змушує дослідників вважати, що час не пливе, як ріка, а стрибає, як горобець. Ці стрибки настільки малі, настільки неймовірно малі, що ми ніяк не можемо це відчути. Але час таки стрибає. Чи не стрибає? До кінця не ясно.

Питання, яке стосується усієї фізики - це передвизначеність, або детермінізм. Якщо усе, що відбувається, відбувається згідно з визначеними законами - то чи може що небудь відбуватися інакше, ніж воно відбувається? Якщо стан всесвіту є такий який він є, то згідно з законами фізики він може змінити свій стан лише одним єдиним чином. Іншими словами, усе визначено наперед. Але чи так це? Передвизначеність - це дуже складна тема, про яку треба писати окремо. Є, правда, певна надія у випадковості.

Є декілька видів випадковості. Наприклад ті випадкові числа, котрі видає комп’ютер - є ніби-випадковими. Вони створюються алгоритмом, котрий видає числа, котрі виглядають як випадкові, хоча насправді випадковими не є. Є ще хаотична випадковість - це коли ми кидаємо кубик і нам здається, що він падає випадковим чином. Насправді якби ми змогли повністю відтворити передумови падіння кубика - він би падав однаково. Просто в хаотичних процесх незначна зміна в параметрах сильно змінює результат і визначити падіння кубика наперед людині неможливо. Але з фізичної точки зору він інакше впасти не зміг. Тепер здається, що випадковості у всесвіті не існує.

Але є ще один вид випадковості - це квантова випадковість. Ви, може, чули вислів Айнштайна “Бог не грає в кубики”. Він говорив саме про квантову випадковість. До речі, він в неї не вірив. Розпад ядра - це яскравий приклад квантової випадковості. Ми не знаємо коли точно розпадеться ядро урану. В нього є лише певна ймовірність розпаду. І якщо взяти тисячу ядер урану, то половина з них - п’ятсот, розпадеться за певний час. За такий самий час розпадеться половина, що лишилася - наступних 250 ядер. Це і називається “період напіврозпаду”. Він піддається конкретному закону випадковості. Але коли розпадеться те, чи інше ядро ми не знаємо. Це як в шумерській міфології - кількість живих мала бути рівною кількості мертвих, але який конкретно це має бути живий чи мертвий - було все одно. Айнштайн був переконаний, що існують певні приховані змінні, котрі регулюють квантову випадковість - що ніяка це не випадковість, просто ми ще не дослідили усіх законів. Але Бел ніби довів, що немає ніяких прихованих змінних і ядра розпадаються й справді випадковим чином. І ось ця квантова випадковість певним чином лишає простір для непередвизначеності. Можливо наша свобода вибору - це теж квантовий ефект. А може і ні.

На завершення

Уявіть собі, що ви дивитеся на Всесвіт ззовні - він є світлою кулею з переливами, де замикається в собі час та простір. Ви ж знаходитеся поза цим всім. Але що вас оточує, якщо не простір? Як може щось відбуватися, якщо немає часу? Але саме це існувало, чи пак не існувало перед, чи то поза Великим вибухом. Чи можливе існування такого абсолютного ніщо? В якому немає ані до, ані після - адже сам час утворився під час Великого вибуху. І схоже, що питання “що було до нього” - беззмістовне. Чому він стався? А чи міг він не статися? Що б було, якби його не було?

Чи є в цій кулі ще якісь виміри окрім часу та простору? Можливо існують якісь абсолютно інші виміри, котрі ми просто не можемо осягнути? А чи є ще якісь кулі поруч? І чи там такі самі закони? І справді - а чому закони в нашій кулі саме такі? Одну відповідь дає антропний принцип - якби у Всесвіті були інші закони, то ми б не могли поставити це питання. Але є й інший підхід - називається “модель бутстрапу” - прихильники цієї моделі намагаються пов’язати різні явища таким чином, щоб утворити цілісну модель, в котрій кожна частинка пояснювала б іншу. І в якій інші закони просто б не могли існувати. Чи можливо це? Чи є якийсь фізичний аналог найгарнішого математичного рівняння - тотожності Ейлера, в якій карколомним чином поєднуються число Пі, константа Ейлера та уявна одиниця? Можливо наші закони - єдино можливі. А можливо і ні.

Я сподіваюся мені вдалося показати, що без хоча б поверхневих знань фізики, говорити про фундаментальні філософські питання - неможливо. Це такі питання, як що є час, простір та матерія, чи визначена наша доля наперед, а чи ні, чи існує в світі справді щось випадкове і звідки та як все це з’явилося. Фізика - це дуже цікава наука. І я дав лише поверхневий опис того, що вона в собі приховує. Там є ще дуже багато чого цікавого.