Что такое энергия

Аудиокнига. Обзор книги Бориса Кригера «What Is Energy?»
https://akniga.org/kriger-boris-chto-takoe-energiya
От чтеца
Эта аудиокнига построена на обширной книге Бориса Кригера, написанной по-английски и озаглавленной «What Is Energy?», то есть «Что такое энергия?». Сразу оговоримся: перед вами не перевод. Английский оригинал занимает несколько сотен страниц, в нём сорок семь глав, тридцать подробных разборов реальных случаев из истории техники и науки, большой словарь терминов и хронология. Пересказать всё это за час невозможно, да и не нужно. Перед вами обзор: путешествие по главным мыслям книги, по её сюжетам и героям, с теми шутками, без которых автор не обходится, и с теми местами, где шутки заканчиваются. Кто захочет пройти весь путь целиком, найдёт полный текст книги, а за ним стоит ещё и техническая монография, где те же идеи изложены со всей математикой и программным кодом для проверки расчётов.
Книга обещает читателю две вещи. Во-первых, в ней нет ни одного уравнения. Во-вторых, в ней есть ответ на вопрос, который физика обычно обходит стороной. Оба обещания выполнены, и сейчас мы посмотрим, как.
Часть первая. Слово, которое никто не может определить
Книга открывается ужином. Рыбу только что подали, и автор задаёт своему другу, физику, тридцать лет преподающему термодинамику, простой вопрос: что такое энергия? Вопрос задан в неудачный момент, потому что на трудные вопросы физики отвечают лучше натощак. Друг откладывает вилку с терпением человека, которого об этом уже спрашивали, обычно люди, желавшие продать ему какой-нибудь целебный браслет.
— Энергия — это способность совершать работу, — говорит он.
— Это то, что она делает, — отвечает автор. — А я спросил, что она такое.
Друг смотрит на рыбу в поисках поддержки. Рыба помочь не может.
— Хорошо. Энергия — это величина, которая сохраняется потому, что законы физики не меняются от мгновения к мгновению. Это доказала Эмми Нётер.
— Это объясняет, почему её хранят. Но не объясняет, что именно хранят.
— Тогда это просто число, — раздражается друг. — Считаешь его определённым способом, приходишь позже, считаешь снова, получаешь то же самое. Больше никто ничего не знает. Так сказал Фейнман перед аудиторией первокурсников.
И это правда. В знаменитых лекциях, прочитанных в Калифорнийском технологическом институте и изданных в шестьдесят третьем году, Ричард Фейнман честно признался студентам, что современная физика не знает, что такое энергия. Студенты записали. Некоторые из них стали профессорами и передали эту фразу своим студентам, и самая честная фраза современной физики превратилась в традицию, а это, как замечает автор, вернейший способ сделать так, чтобы с ней никто ничего не делал.
Посмотрите на три ответа друга. Первый описывает, что энергия умеет: толкать, поднимать, греть, ломать. Второй объясняет, почему она не пропадает. Третий признаёт, что за умением и за сохранностью зияет пустота. Если вы спросите зоолога, что такое кошка, и он ответит, что кошка — это способность сбрасывать стаканы со стола, вы восхититесь точностью и всё равно не будете знать, чем её кормить.
И есть ещё одна общая черта у всех трёх ответов, ради которой, собственно, и написана книга. Каждый из них предполагает время. Работа — это сила, действующая на перемещении, а перемещение есть событие: сначала ящик был здесь, потом там. Величина Нётер определяется тем, что происходит при сдвиге часов, а без часов сдвигать нечего. А число, которое «остаётся тем же», остаётся тем же от одного мгновения к другому. Уберите мгновения, и у фразы не останется глагола.
Для инженеров, проектирующих турбины, это ничего не стоит: время — единственное, чего турбине всегда хватает. Но космология с разных сторон приходит к такому состоянию Вселенной, в котором время ещё не шло. В модели, над которой автор работает много лет, у начала нет никакого «сейчас». У него есть плотность, и немалая. Оно держится само. Оно не ничто. И ни одно из трёх учебных определений к нему не применимо, потому что каждое ждёт часов, которые ещё не выданы.
Значит, верно одно из двух. Либо в этом раннем состоянии энергии не было, что странно для чего-то с плотностью в несколько раз выше плотности атомного ядра. Либо энергия в нём была, но в таком смысле, который учебные определения описывают только после того, как время пошло, подобно тому как описание реки ничего не говорит о леднике выше по течению. Автор выбирает вторую ветвь и не заставляет читателя ждать ответа тридцать глав, как будто ответ — это убийца, а книга — детектив в загородном поместье.
Вот этот ответ. Энергия — это то, чем была Вселенная до того, как у неё появились время, форма и положение. Конкретнее: энергия есть единый, самозамкнутый, вневременной конгломерат кварков, глюонов и вакуума, примерно в пять раз плотнее атомного ядра, в котором присутствуют возможности всех частиц и ни одна из них ещё не стала частицей. Материя — это энергия, принявшая форму и положение. Вакуум, который заполняет пространство между галактиками и подталкивает их разбегание, — это энергия, которая формы не приняла.
Автор сразу и честно перечисляет свойства, на которых настаивает определение. Конгломерат — не ничто: у него есть плотность, полный набор возможных частиц и неизменные меры, задающие, насколько сильно эти частицы будут связаны друг с другом, когда возникнут. Он недифференцирован: ни у одной его части нет ни положения, ни направления, ни знака заряда. Он замкнут: у него нет ни внешней стороны, ни края. Он вневременен: у него нет ни мгновения, ни «до». Он не может оставаться таким, как есть: малейший отход от него необратим. И он сохраняется во всех формах, которые потом принимает. Здесь же автор признаётся в том, чего сделать не может: массы, заряды и константы взаимодействия частиц он вводит руками и не выводит. Зато он не вводит ни размера начала, ни часов, ни тонко подобранного толчка, ни формы пространства, выбранной из меню. Ингредиенты оплачены заранее. Готовка, насколько он может судить, бесплатна.
Компания «Вселенная»
Здесь появляется первый из трёх постоянных спутников читателя. Это фирма, которая продаёт вселенные.
Компании «Вселенная» не существует, и это её единственное сходство с большинством стартапов. Зато каталог у неё превосходный. Флагманский товар описан так. Изделие: вселенная, собери сам. Уникальность: не гарантируется, компания никогда не утверждала, что продаёт только одну. Техническое обслуживание: не требуется никогда. Источник питания: не требуется, изделие самодостаточно. Сборка: изделие собирается само. Инструкция: не прилагается, поскольку читать её будет некому ещё довольно долго. Упаковка: изделие упаковывается само и отправляется внутри себя, так как отправить его больше некуда. Служба поддержки: работает, но не получала ни одного звонка около четырнадцати миллиардов лет.
На боковой стороне коробки, где обычно перечисляют состав продукта, написано совсем коротко. Состав: энергия. Пищевая ценность: см. состав. Может содержать кварки. Страна происхождения: не указана, поскольку изделие содержит все страны, которые когда-либо будут, и юридический отдел не смог договориться, какую печатать. Батарейки: не требуются, потому что изделие само является батарейкой, зарядом и прибором, и регуляторы до сих пор спорят, под какую графу его подводить.
У шутки есть серьёзная грань, и автор точно указывает, где она режет. Компания — не творец, не конструктор и не кто-либо с намерениями. Это способ говорить о товаре, на котором нет отпечатков пальцев изготовителя. В коробке приходит не набор деталей с отвёрткой, а сама энергия, где каждая деталь будущего присутствует как возможность и ни одна ещё не стала деталью. Фраза «упаковывается сама» означает замкнутость: у конгломерата нет внешней стороны, поэтому коробка и есть содержимое. «Собирается сама» означает отход от недифференцированного состояния, которому не нужна рука, чтобы начаться. А «инструкция не прилагается» — простая правда о том, что вневременное состояние не несёт последовательности шагов, ибо шагам нужны первый и второй.
Автор подчёркивает, и это важно для понимания всей книги: в ней нет ни телеологии, ни богословия. Вселенная здесь делает то, что делает, потому что она такова, какова есть. Она ничего не хочет. Богословам автор ничего не имеет против, кроме того, что они редко публикуют свои погрешности измерений.
Что изменится, если определение верно? Меньше, чем можно опасаться, и больше, чем можно ожидать. Все уравнения инженеров остаются как есть: учебные определения возвращаются как то, чем вневременное определение выглядит, когда уже есть часы и линейки. Никому не придётся пересчитывать мост. Меняется порядок объяснения. Сегодня студент узнаёт, что есть вещи, что у вещей есть энергия и что энергия сохраняется по причинам, которых никто не может себе представить. В порядке, который предлагает книга, сначала есть энергия, а вещи суть формы, которые она приняла. Сохранение — не таинственное правило, навязанное бухгалтерской книге. Сохранение означает, что бухгалтерская книга — единственное, что существует.
К десерту друг подводит итог:
— Либо это очень глубоко, либо очень неверно.
— Других вариантов мне никогда и не предлагали, — отвечает автор, — и второй до сих пор был щедрее на приглашения.
Друг смеётся, что на его кафедре считается рецензированием. Свеча между ними за вечер прогорела на треть. Она весь вечер что-то тратила, превращая воск в свет, тепло и тонкую ленточку дыма, и ни один из двух людей, проживших жизнь в физике, не мог бы сказать, что именно она тратит.
Часть вторая. Каким было начало
Первые главы книги описывают начало Вселенной таким, каким его понимает программа автора. Её название похоже на пароль: ;LGQV, то есть локальная гравитация квантового вакуума. Программа занимает уже девять томов, и восьмой из них, монография «Кэрроллова космология начального состояния», как раз и переведена в этой книге, по выражению автора, на язык обеденного стола.
Начнём с плотности. Чайная ложка обычного ядерного вещества, если бы её можно было зачерпнуть и не дать ей разлететься, весила бы около миллиарда тонн. Чайная ложка начала весила бы около семи миллиардов. Всё ныне живущее человечество, если поставить его на одни огромные весы, потянет примерно на четыреста миллионов тонн. Одна ложка ранней Вселенной перевешивает человечество более чем в пятнадцать раз, и это ложка без горки. Поставьте её на кухонный стол, и стол не столько сломается, сколько перестанет быть предметом обсуждения: ложка пройдёт сквозь него, сквозь пол, сквозь земную кору и пойдёт дальше. Это одна из нескольких причин, по которым в книге нет рецептов.
Состояло начало из того же, из чего сделаны протоны: из кварков и глюонов. Обычно кварки заперты по двое и по трое, и никто никогда не вытаскивал одиночный кварк, чтобы подержать его на свету. Но при достаточной плотности стенки между протонами и нейтронами растворяются, и кварки с глюонами свободно разгуливают по всему объёму. Главное же отличие начала от такого вещества — вращение. Содержимое начала совершает двойное вращение со скоростью света в двух плоскостях сразу, в противоположных направлениях, так что в сумме ничто не вращается. Вращающийся обод со скоростью света должен разлететься, если его ничто не держит, и инженер, видевший, как лопается маховик, сразу спросит: а что держит? Автор проверил очевидного кандидата, удержание кварков, и оно оказалось слабее нужного примерно в десять раз. Держит вакуум. Вакуум в современном понимании не пуст: у него есть энергия, а вместе с ней натяжение, ровно ей равное, тянущее одинаково во все стороны. Баланс сходится, когда три четверти энергии приходятся на вращение и одна четверть на вакуум, который его держит. И этот баланс устойчив: растяните пространство чуть-чуть, и натяжение потянет его назад; сожмите, и вращающийся поток вытолкнет его обратно. Начало удерживается той самой субстанцией, которая гораздо позже будет расталкивать галактики. Это не последний случай в книге, когда один актёр играет две роли.
Какой формы было это начало? В тысяча девятьсот семнадцатом году Эйнштейн предложил замкнутое, конечное пространство без края, трёхмерный вариант поверхности сферы. Голландский астроном Виллем де Ситтер вежливо заметил, что Эйнштейн заплатил за вдвое больший объём, чем нужно. Возьмите сферу и объявите каждую её точку тем же местом, что и точка, диаметрально противоположная. Местная геометрия не изменится, законы не изменятся, но объём уменьшится вдвое. Де Ситтер назвал это эллиптическим пространством. Эйнштейну оно не понравилось, и он признался, что предпочитает сферу по какому-то смутному чувству. Автор относится к этому с полной симпатией: окажись он на месте Эйнштейна, он испытал бы то же самое смутное чувство и ошибся бы точно так же удобно.
Почему начало имеет именно эту форму? Не потому, что автор её выбрал. Форма вытекает из рассуждения. Подумайте о воздушном шарике, вокруг которого убрали всё: комнату, воздух, планету, остальной космос. Кожа шарика — это место, где давление изнутри встречается с давлением снаружи. Без внешней стороны половина переговоров покинула комнату. А теперь сделайте шарик однородным, резиновым насквозь. Где у такой вещи вообще может быть кожа? Свободный край — это место, где напряжение поперёк края обращается в ноль. У конгломерата напряжение одинаково в каждой точке и нигде ни в каком направлении не равно нулю. Где бы вы ни попытались провести край, напряжение сразу за ним было бы тем же самым, что и всюду, и нечему было бы его уравновесить. Значит, края нет. Батут держится плоским только благодаря пружинам и стальной раме; уберите раму, и ткань мгновенно схлопнется. У конгломерата нет рамы и ничего за ним. Единственное устройство, в котором каждый кусок удержан, — это устройство, где каждого тянут соседи со всех сторон. Устройство без обода. Замкнутость пространства в этой модели не вводится, а получается.
Здесь автор вспоминает Хайнца Хопфа, немецкого математика, который в тысяча девятьсот тридцать первом году открыл, что трёхмерная сфера целиком состоит из окружностей, и каждая из них сцеплена с каждой другой ровно один раз, как кольца для ключей, которые нельзя разнять, не разогнув. Хопф был дважды ранен на Западном фронте, а через десятилетие германское государство решило, что он недостаточно немец, и конфисковало его имущество; остаток жизни он прожил в Швейцарии. В книге окружности Хопфа — это окружности времени начала: пути, которые описывает содержимое при противовращении, и есть его окружности.
Когда времени нечего тратить
Почему в начале нет времени? Объяснение автора опирается на образ, знакомый каждому, кто когда-нибудь не дотягивал до конца месяца. Теория относительности, помимо прочего, говорит, что каждый из нас движется сквозь пространство и время вместе с одной неизменной общей скоростью, и эта скорость равна скорости света. Увеличить её нельзя, отложить на потом нельзя, передать другу нельзя. Можно только решать, как её делить. Человек в кресле тратит весь бюджет на движение сквозь время, вот почему кресла так ощущаются. Человек, бегущий за автобусом, отводит крохотную долю бюджета на движение в пространстве, и его часы идут чуть медленнее, чем часы кресла.
Теперь применим бюджет к началу. Если каждая часть начала движется по своему кругу со скоростью света, то каждая часть тратит весь бюджет на движение в пространстве. На время ничего не остаётся. Скорость времени, то есть доля бюджета, идущая на время, равна нулю. В книге есть сцена с отчётом о расходах, который бухгалтер возвращает с одной строкой, обведённой красным: на проезд истрачено всё, на еду, проживание и прочее — ничего. Рядом написано одно слово: «Как?» Это лучшее известное автору изложение первого момента Вселенной, с той поправкой, что у Вселенной не было бухгалтера и, как выясняется, не было момента. Вращение забрало всё. Время оплачено не было.
Дальше на сцену выходит Красная Королева. «Здесь, знаешь ли, приходится бежать со всех ног, чтобы только остаться на том же месте», — говорит она Алисе в «Зазеркалье». Льюис Кэрролл имел в виду шутку о шахматной стране, где правила идут задом наперёд. Девяносто четыре года спустя молодой французский физик Жан-Марк Леви-Леблон обнаружил, что эта шутка описывает вполне респектабельный уголок физики, и назвал его в честь автора «Алисы». Физики любят крутить ручки своих теорий до упора. Если скорость света устремить к бесконечности, относительность изящно переходит в физику Галилея и Ньютона. Леви-Леблон спросил, что будет, если повернуть ручку в другую сторону и устремить скорость света к нулю. Получилась кэрроллова физика. В ней световой конус, отмечающий всё, куда может дойти сигнал от события, схлопывается в одну линию, направленную вдоль времени. Никто никуда не может пойти. Каждая точка пространства сохраняет собственные часы, и никакой сигнал не переходит от точки к соседке. Частица с энергией в таком мире вообще не может двигаться. Физики называют это ультралокальностью, что на техническом языке означает: все сидят дома.
Есть одно исключение, и у него есть чувство юмора. Кэрроллова частица с точно нулевой энергией двигаться может. Она ничего не несёт. Иначе говоря, в стране Красной Королевы работает почта, доставляющая только пустые конверты, и доставляет их она удивительно пунктуально. А всё, что несёт энергию, остаётся на месте.
Нет первого мгновения
Около четырёхсотого года в портовом городке Гиппон в Северной Африке епископ диктовал очередную книгу своей исповеди и застрял на одном слове. «Что же такое время? — спрашивал Августин. — Если никто меня об этом не спрашивает, я знаю; если хочу объяснить спрашивающему, не знаю». Ему задавали и тот вопрос, который каждый космолог до сих пор слышит в конце публичной лекции: чем занимался Бог до сотворения мира? Августин приводит дежурный ответ своего времени, что Бог готовил наказания для любопытных, и отказывается им пользоваться. Его собственный ответ был необычнее и лучше: вопрос опирается на «тогда», которого не существует, потому что никакого «до» нет, пока нет времени, внутри которого можно быть «до». Шестнадцать веков спустя модель Кригера даёт тот же ответ, но уже геометрией, а не риторикой.
У начального состояния тоже есть часы. Каждый элемент конгломерата несётся по одной из сцепленных окружностей Хопфа, и фаза этого вращения, то есть насколько далеко он продвинулся по кругу, — вполне законное показание часов. Продолжительность у начала есть, в форме фазы. Но попробуйте объявить единое «сейчас» на всё пространство, и объявление провалится не от недостатка доброй воли, а от недостатка места. Синхронизируйте свои часы с соседними, потом соседние со следующими, и, когда вы пройдёте по сцепленным окружностям полный путь, вы вернётесь к себе с рассогласованием, которое никак не устранить. Нет функции, которая возрастала бы вдоль всех окружностей сразу. Нет общего мгновения. Значит, нет и первого мгновения.
Покупатели компании «Вселенная» часто жалуются как раз на это. Они переворачивают изделие в поисках маленького штампа «дата изготовления» и ничего не находят. У службы поддержки есть заготовленный ответ: дата не потеряна и не стёрта, у изделия просто нет поверхности, на которой её можно было бы напечатать. Юридический отдел добавляет мелким шрифтом, что гарантийный срок поэтому тоже не имеет начала, отчего ни одному покупателю до сих пор не удалось вернуть вселенную.
Семя
Второй постоянный спутник книги — семя. В марте две тысячи пятого года Элейн Соловей, которая выращивает растения в кибуце Кетура в пустыне Арава, заметила тонкую трещину в почве цветочного горшка. Под ней формировался корешок. Семя финиковой пальмы в этом горшке было выкопано из развалин Масады в шестидесятые годы, внесено в каталог и затем около сорока лет пролежало в ящике стола в университете Бар-Илан, что является судьбой большинства археологических находок и большинства благих намерений. Радиоуглеродный анализ скорлупы этого самого семени показал, что ему около двух тысяч лет. Пальму назвали Мафусаилом. Мафусаил — мужского пола, так что при всём своём героическом терпении он не дал ни одного финика. Эту работу позже выполнила пальма-девочка по имени Ханна, выращенная той же командой из другого древнего семени.
Что объединяет древнюю пальму с семенами сорняков, которые по сей день проращивают из бутылок, закопанных в Мичигане ещё в тысяча восемьсот семьдесят девятом году? Семя несёт в себе всё растение. Извне не добавляется ничего, кроме воды, тепла и света, а это топливо и погода, не информация. Начальное состояние, по Кригеру, устроено так же. Конгломерат содержит моды всех частиц, которые когда-либо будут, каждую с её массой, зарядом и силой связи, и потом в него ничего добавлять не нужно. Вселенная, как Мафусаил, пришла со всем необходимым, кроме спешки.
Но слово «содержит» требует осторожности. Разрежьте финиковую косточку, и вы не найдёте в ней пальму, даже совсем маленькую, с крохотными листьями. Семя содержит своё дерево так, как язык содержит все предложения, которые когда-либо будут на нём сказаны, а не так, как коробка содержит шляпу. Меры конгломерата задают константы Вселенной: замкнутую форму пространства, долю начальной энергии, освобождающуюся при первом образовании вещества, температуру этого события, соотношение вещества и света. Но они не задают, где что окажется. Это решается на месте, точка за точкой. Два конгломерата с одинаковыми мерами дали бы вселенные с одинаковыми константами и совершенно разным расположением всего остального, как две косточки одной пальмы вырастают в две пальмы, которые ни один ботаник не спутает.
Часть третья. Разумные попытки, остановившиеся в шаге от цели
Вторая большая линия книги историческая. Две с половиной тысячи лет очень умные люди пытались сказать, что такое энергия, и каждый ухватил что-то настоящее. Автор рассказывает эти истории не как парад ошибок, а как череду разумных, часто блестящих попыток, каждая из которых остановилась в одном шаге от цели, и всякий раз по причине, совершенно понятной в своё время. Когда великий ум ошибается, пишет он, он обычно ошибается в поучительном направлении, и лучше ошибаться в компании таких людей, чем быть правым в компании комиссии.
Начинается всё в Афинах, в крытой галерее Ликея, где в десятилетие после триста тридцать пятого года до нашей эры человеку с тонкими ногами и знаменитой шепелявостью не хватило греческого языка. Аристотелю нужно было слово для разницы между строителем, который строит, и строителем, который обедает; между глазом, который видит, и глазом закрытым. Слова не было, и он его сделал. Взял «эргон», работу, поставил перед ним «эн», «в», и получил «энергейя»: пребывание в работе, состояние вещи, которая действительно делает то, что способна делать. В пару к нему шло слово «дюнамис», способность. Каждый учитель физики, писавший на доске «энергия — это способность совершать работу», должен Аристотелю гонорар, и очень удивился бы, узнав, что тот имел в виду почти противоположное.
А теперь поставим пару аристотелевских слов рядом с определением Кригера. Энергия в книге — это недифференцированный конгломерат до того, как что-либо получило форму и положение. Материя — это энергия, принявшая форму и положение, то, что в монографии называется актуализированной энергией. Значит, аристотелева «энергейя», бытие-в-деле, действительное в противоположность возможному, гораздо ближе к тому, что автор называет материей. А то, что он называет энергией, стоит по другую сторону, рядом с «дюнамис», со способностью, которая реальна, даже когда бездействует. Слово за время своих странствий перешло на другую сторону. Оно покинуло Афины в значении «то, что действительно происходит», а прибыло в современные учебники в значении «запас того, что могло бы произойти», и где-то по дороге прихватило слово «работа» в качестве сувенира. Автору это доставляет глубокое удовлетворение, как бывает приятно узнать, что фамильная реликвия куплена на рыночном лотке.
Спор Декарта, верившего в неизменное «количество движения», и Лейбница с его «живой силой», растущей с квадратом скорости, кипел полвека. Но каждая статья в их бухгалтерии требовала трёх вещей: тела, скорости и места, где тело находится. В начальном состоянии нет ни одного из трёх. Там нельзя уронить шар, потому что нет ни шара, ни верха, и нельзя измерить вмятину, потому что нет глины. Есть и хитрая ловушка: три четверти энергии начала заключены во вращении со скоростью света, в величайшем движении, какое вообще бывает. Декарт пришёл бы в восторг. Но вращение это — идеальный поворот замкнутого пространства на самого себя, в котором никакие две точки не сближаются и не расходятся. Всё движется, и ничто не движется относительно чего-либо. Никакое столкновение невозможно, а Декарт и Лейбниц искали свои величины только в столкновениях. Это бальный зал, где каждая пара вальсирует на полной скорости, и никто никому не наступает на ногу.
Следом идут те, кого автор называет бухгалтерами тепла. Граф Румфорд, рождённый Бенджамином Томпсоном в Массачусетсе, вставший в войне за независимость на сторону короны, реорганизовавший армию Баварии, изобретший дешёвый питательный суп для бедняков, улучшенный камин, капельный кофейник и Английский сад в Мюнхене, приказал рассверливать пушечный ствол тупым сверлом в ящике с холодной водой. Через два с половиной часа вода закипела без всякого огня. Изумление на лицах солдат и литейщиков он описывал с нескрываемым удовольствием. Мало кто из физиков может сказать, что поразил пушечный расчёт. Аргумент Румфорда был направлен против теплорода, невесомой жидкости, которую Лавуазье внёс в список элементов. Смеяться над теплородом легко и ошибочно: эта теория объясняла расширение тел при нагреве и помогла Лапласу исправить неверное значение скорости звука у Ньютона. Теория, предсказывающая скорость звука, не суеверие. Автор признаётся, что был бы сторонником теплорода, как и большинство лучших умов. Но тепло у Румфорда шло без конца, пока шли лошади, а конечная пушка не может содержать бесконечного количества никакого вещества. Значит, тепло — это движение.
Закон сохранения энергии, тот закон, который подписывают все, был впервые замечен не в лаборатории и не в машинном отделении, а в цвете крови матроса. Летом тысяча восемьсот сорокового года у берегов Явы корабельный врач Юлиус Роберт Майер пустил кровь матросу и нахмурился. Венозная кровь должна быть тёмной, почти фиолетовой, а в тропиках она шла ярко-алой, настолько, что он сперва подумал, будто задел артерию. Майер рассудил так: тело греет себя, медленно сжигая пищу кислородом крови. В жару ему нужно меньше внутреннего тепла, оно сжигает меньше, и кровь возвращается в вены ещё насыщенной кислородом. Но тело не только греется, оно ещё и работает: тянет канаты, лезет на ванты. Если одна и та же пища оплачивает и тепло, и работу, то тепло и работа — две формы одного и того же, обмениваемые по твёрдому курсу. Первую его статью редактор ведущего физического журнала не опубликовал и не вернул. Вторая вышла в химическом журнале, который физики не читали. Остаток жизни Майер пытался заставить кого-нибудь слушать. Автор пишет об этом без шуток, потому что есть в этой истории места, где шуткам нет места.
Следующая глава посвящена Венскому центральному кладбищу. Над бюстом бородатого человека с опущенными глазами, который выглядит так, будто ему только что сообщили что-то печальное, а он слишком вежлив, чтобы это сказать, на камне нет ни стиха, ни молитвы. Есть одна короткая строка: энтропия вещи равна постоянной природы, умноженной на логарифм числа способов, которыми можно переставить её мельчайшие части так, чтобы никто не заметил разницы. Это могила Людвига Больцмана, и это единственная могила в Вене, на которой студент может проверить домашнее задание.
Слово «энтропия» придумал Рудольф Клаузиус, и он откровенно признавался, что намеренно сделал его как можно более похожим на слово «энергия», поскольку величины эти казались ему родственными. Это был сознательный брендинг, сработавший лучше, чем смела бы надеяться любая маркетинговая служба. Полтора века студенты путают эти слова. Именно этого он и хотел, разве что без путаницы. Смысл энтропии автор объясняет без единого символа. Одно и то же количество тепла стоит больше, если оно горячее: сковорода масла при двухстах градусах может приводить в движение двигатель, а то же количество тепла, разлитое по тёплой ванне, не приведёт в движение ничего. Когда тепло утекает с плиты на кухню, полная энергия остаётся точно той же, а энтропия растёт. Деньги все на месте. Их просто разменяли на монеты, слишком мелкие, чтобы на них что-нибудь купить.
Но и здесь второй закон термодинамики останавливается в шаге от цели, и по двум причинам. Первая: он заимствует своё начало. Он прекрасно объясняет, почему стрела времени направлена прочь от упорядоченного старта, но не может объяснить, почему старт был упорядоченным. Вторая причина глубже. В каждом слове формулировки Клаузиуса спрятаны часы. «Стремится» — глагол времени. «Возрастает» значит: позже больше, чем раньше. Энтропия принадлежит наблюдателю, который считает расположения во времени. Она не может быть тем, что такое энергия. А цветы, оставленные на могиле Больцмана, подчиняются строке над ними: лепестки вянут, вода мутнеет, лента выцветает. Строка только не говорит, почему цветы были свежими, когда их принесли.
Майкл Фарадей, сын кузнеца, так и не выучивший высшую математику, увидел в линиях железных опилок вокруг магнита не картинку дальнодействующей силы, а реальное состояние пространства. Его наследники, Максвелл и Пойнтинг, обнаружили удивительную вещь: энергия электрического тока путешествует не внутри провода, а в пространстве вокруг него. А потом, потеряв эфир, который должен был нести эту энергию, физика оставила её жить в том, что считала ничем. Поле стало состоянием ничего. Каталог компании «Вселенная» до сих пор числит электромагнитное поле как принадлежность, поставляемую без крепления. Мелкий шрифт поясняет, что поле — это состояние, а то, состоянием чего оно является, в комплект не входит. Покупатели, спрашивающие, в каком же тогда состоянии находится что, получают сердечное письмо с благодарностью за интерес к физике. Ответ книги таков: если вакуум — это не ничто, а энергия, не принявшая формы, то полю не нужен эфир и не нужно висеть в пустоте. Оно есть состояние самого вакуума. Вековой конфуз с эфиром оказывается случаем верной интуиции, прикреплённой не к той субстанции.
Глава об Эмми Нётер начинается с заседания профессоров Гёттингенского университета в тысяча девятьсот пятнадцатом году, где обсуждалось, можно ли позволить женщине читать лекции. Что подумают молодые люди, вернувшись из окопов и обнаружив, что должны учиться у ног женщины? Давид Гильберт, самый знаменитый математик в зале, сказал, что не видит, почему пол кандидата является доводом против её приёма: это, в конце концов, университет, а не баня. Факультет не убедился. Факультеты редко убеждаются удачной фразой. Их убеждают проигранная война, распад империи и новая конституция, что и потребовалось, чтобы в тысяча девятьсот девятнадцатом году Нётер наконец позволили читать лекции под собственным именем. До того её курсы объявлялись под именем Гильберта, «при содействии доктора Э. Нётер».
Теорема Нётер — одна из прекраснейших в физике: каждой симметрии законов соответствует сохраняющаяся величина, и симметрии сдвига во времени соответствует энергия. Но если энергия по определению есть величина, которую сохраняет безразличие законов к сдвигу во времени, то энергия по определению — создание времени. Она не может существовать до времени, ибо сделана из безразличия времени к самому себе. А у начала была плотность, давление и устойчивый баланс между вращающейся частью и натяжением. У него было всё, чего хочется от энергии, кроме часов. Значит, либо у начала не было энергии вовсе, и его плотность — это что-то другое, нарядившееся в одежды энергии, либо энергия старше теоремы, объясняющей её сохранение. Книга выбирает вторую ветвь и ничуть не умаляет Нётер: её теорема включается, как только появляются сдвиги во времени, и возвращает в точности ту энергию, которой пользуется каждый физик. Отрицается лишь то, что теорема есть определение энергии, а не теорема о ней. Каждая её формулировка, вслух или про себя, начинается с двух слов: при наличии времени.
Затем — Эйнштейн и вес света. Короткая статья тысяча девятьсот пятого года, три страницы, постскриптум к теории относительности: тело, испускающее свет, становится легче. Масса тела есть мера содержащейся в нём энергии. Но автор ведёт эту фразу дальше, чем Эйнштейн мог знать. Почти вся масса протона — это не масса кварков, а энергия их внутренней сумятицы, запертой и пришедшей в покой как целое, тогда как её нутро не успокаивается никогда. Триста лет физики относились к энергии как к чему-то, чем массивные тела обладают при движении, как бегун обладает скоростью. Протон переворачивает грамматику. Он не массивное тело, у которого есть энергия. Он энергия, которая стала телом. А если почти вся масса протона есть энергия, получившая размер и место, то энергия была там до того, как её оформили. Чем она была до того, как стала протоном? Это и есть нить, за которую тянет вся остальная книга.
Пустота, которая никогда не была пустой
В тысяча девятьсот сорок седьмом году физик Хендрик Казимир, работавший в лабораториях фирмы «Филипс» в Эйндховене, разбирался, почему крошечные частицы в жидкостях слипаются. Во время прогулки он упомянул о своей работе Нильсу Бору, и тот пробормотал что-то о нулевой энергии. Этого оказалось достаточно. Через год Казимир предсказал, что две плоские незаряженные металлические пластины, поставленные близко друг к другу в идеальном вакууме, будут притягиваться. Никакого заряда, никакого магнита. Пластины будут прижаты друг к другу ничем, а точнее тем, что ничто между ними немного меньше, чем ничто снаружи.
Из этого вырос знаменитый кризис. Энергия вакуума, если считать её по учебнику, должна чудовищно превосходить то, что мы наблюдаем в ускоренном расширении Вселенной. Автор указывает, что даже без спекуляций о планковских масштабах один лишь вакуум сильного взаимодействия, кварковые и глюонные конденсаты, измеряемые экспериментаторами в будние дни, превышал бы наблюдаемое на сорок три порядка. Его программа разделяет две вещи, которые учебники склеили в одну: энергию вакуума и измеряемое ускорение. Однородный вакуум на замкнутом пространстве никуда не тянет. В нём нет места, куда могло бы упасть тело, потому что каждое место такое же, как все остальные. Тело чувствует только разницу. Огромная однородная часть энергии вакуума, каков бы ни был её размер, ни на что не действует. Пустота, о которой философы спорили две тысячи лет, никогда не была пустой. Это энергия, которая заполняет любое место, где не оказалось частицы.
Часть четвёртая. Как начало перестало быть началом
Когда ответ выложен на стол, автор разбирает восьмой том своей программы по частям. Первое — энергия, которая ничего не движет. У соседа автора машина не выезжала с подъездной дорожки с апреля: он заправил полный бак накануне того дня, когда сломал лодыжку. Полтора миллиарда джоулей бензина собирают пыльцу. В ящике кухонного стола, рядом с резинками и ключом, который никто не может опознать, лежит девятивольтовая батарейка, купленная примерно тогда, когда волосы автора были ещё совсем тёмными. Двадцать лет она ничего не делала и по-прежнему, скромно, полна. Мы говорим, что энергия в них хранится, ждёт, потенциальна, и все эти слова заимствованы у терпения. Но это терпение происходит внутри времени, и бездействие такой энергии — выбор, который кто-то постоянно делает. Энергия начального состояния бездействует иначе: ей просто нечего делать, потому что ничего, что она могла бы сделать, не существует. В языке физики это означает, что в кэрролловом пределе энергия перестаёт быть центральной величиной, которую перемена точки зрения превращает в движение. Из чемодана на багажной полке мчащегося поезда, если смотреть с перрона, часть энергии становится импульсом. В начале не существует точки зрения, с которой энергия выглядела бы как движение.
Далее — первый отход. Попробуйте поставить заточенный карандаш на остриё на стеклянном столе. Не выйдет ни у вас, ни у автора, ни у одного студента, которому давали эту задачу: даже идеальный карандаш упадёт за несколько секунд, потому что квантовая механика запрещает и положению, и наклону быть в точности нулевыми. Но автор предупреждает, что карандаш — неверная картинка. Начальное состояние механически похоже скорее на шарик на дне чаши: измените радиус вращающегося конгломерата, и натяжение вакуума вернёт его обратно. Однако есть устойчивость второго рода, и тут ответ переворачивается. Вопрос не в том, возвращается ли радиус после толчка, а в том, может ли состояние вернуться к полному отсутствию различий, когда хоть одно различие появилось. И оно не может. Как только скорость времени отличается от нуля хоть на волос, некоторые моды не успевают аннигилировать со своими партнёрами и выживают. У выжившей моды появляется система покоя, место, где она покоится, а вещь в покое не может одновременно вертеться со скоростью света, поэтому она возвращает свою долю бюджета скорости времени. Отнять у неё систему покоя может только аннигиляция с партнёром, а партнёров отход только что развёл. Обратной дороги нет. Недифференцированное состояние — дверь, открывающаяся только наружу.
Здесь книга строит одну из своих вилок, и автор проходит обе ветви. Либо конгломерат остаётся каким был. Тогда он и есть всё, что существует, и никакой вселенной, которую кто-нибудь мог бы зарегистрировать, нет. Эта ветвь вполне последовательна. Это также та ветвь, в которой некому спросить, почему всё осталось на месте. Либо конгломерат отходит, на любую величину. Тогда он не возвращается никогда, и время, заряд и движение начинаются вместе. Автор честно оговаривает, чего это рассуждение не достигает: оно не объясняет, почему отход случился; это в монографии числится открытым вопросом. Но оно показывает, что не нужна никакая тонкая подстройка. Карандаш должен упасть именно так, чтобы лечь на нужную страницу. Конгломерату это не нужно: любой отход, сколь угодно малый, сохраняется. А всё внутреннее время от начала до решения, если перевести его в расстояние, проходимое светом, укладывается в несколько десятков километров. Вселенная перешла порог от недифференцированной энергии к миру частиц быстрее, чем свет пересекает большой город.
Освобождается только четверть
Фигуристка в центре катка начинает вращение с раскинутыми руками, потом прижимает руки к груди, и вращение превращается в размытое пятно. Каждый учитель физики любит этот момент: это видимый момент импульса. Фигуристка не может создать вращение из ничего и не может его уничтожить. Закончить вращение она может, только отдав его чему-то: она цепляет лёд зубцом конька, и вращение уходит в каток, в здание, в Землю, которая принимает его, не изменившись ни на что измеримое. Вращающаяся вещь может потерять вращение, только передав его чему-то другому, и это другое должно быть способно его удержать.
Вернёмся к началу. Его энергия делится на две части: на изотропный вакуум, одинаковый во всех направлениях, без выделенной оси и без потока, и на поток энергии, бегущий вдоль окружностей времени со скоростью света и несущий момент импульса начала. Поток втрое больше вакуума. Сначала автор полагал, что при первом оформлении вещества освободилась вся энергия, а вращение тихо перешло к оставшемуся вакууму, оставив энергию позади, как пальто на вешалке. Этот вариант был привлекателен, потому что давал температуру, удобно совпадавшую с известной границей перехода сильного взаимодействия. Потом он задал вопрос фигуристки, и совпадение умерло. Если момент импульса покидает поток, кто его держит? Энергия не может течь быстрее света, и из этого простого принципа следует, что каждая единица вращения имеет минимальную энергетическую цену. Изотропный вакуум не может взять вращение: у того, что одинаково во всех направлениях, нет потока. Излучение могло бы унести вращение, если бы само вертелось почти со скоростью света, но вращающаяся горячая плазма не умеет хранить тайну: она оставила бы на микроволновом небе узор, которого там нет. Значит, поток сохраняет и вращение, и свою энергию, и освободиться может только изотропная четверть.
В службе доставки компании «Вселенная» есть на этот счёт памятка. Изделие приходит в одной коробке, покупатель открывает её, и наружу выходит только четверть содержимого. Остальное остаётся в упаковке. Покупатели, разумеется, пишут и спрашивают, не обсчитали ли их. Служба поддержки объясняет, что упаковка и есть изделие: три четверти, оставшиеся в коробке, — это коробка, и без неё освобождённой четверти негде было бы находиться. Мелкая строчка в накладной гласит, что распаковка более одной четверти аннулирует сохранение момента импульса.
Освобождённая четверть определяет всё дальнейшее. Если дать ей прийти в тепловое равновесие, её температура оказывается ниже порога, за которым кварки освобождаются, так что излучение начала рождается сразу на холодной стороне этой линии, сразу как газ адронов. И здесь семя возвращается, и возвращается бережливым. Фасолина тратит часть запасов, чтобы выпустить первый росток. Семя Вселенной тратит четверть и сохраняет три четверти, причём сохранённое — не кладовая на потом. Оно никогда не станет частицами. Оно есть сам вакуум, среда, в которой будет жить истраченная четверть, словно семя отложило большую часть своего вещества не на пропитание ростка, а на то, чтобы стать почвой.
Термодинамика без часов и судьба истраченной энергии
В двадцать седьмом году Эддингтон придумал выражение «стрела времени», и второй закон получил повышение: из закона, объясняющего, почему остывает чашка, он стал законом, объясняющим, почему у времени вообще есть направление. Отсюда и пришлось принять самое дорогое предположение в физике: что Вселенная началась с невероятно малой энтропии. Программа Кригера не вешает на второй закон этот груз. Стрела времени здесь происходит из неполной аннигиляции, и в монографии это сказано одной прямой строкой: стрела времени не энтропийна. Второй закон говорит, что энтропия позже не меньше энтропии раньше. Слова «позже» и «раньше» закон не поставляет, они поставляются ему. Второй закон не создаёт время. Он нуждается во времени, как ограничение скорости нуждается в дороге, а расписание в железной дороге. Уберите дорогу, и ограничение не нарушено. Ему просто нечего ограничивать. А гладкость начала, которую называли самым невероятным фактом физики, в этой картине есть просто отсутствие гравитации, о чём ниже.
А куда девается энергия, которую мы называем истраченной? Тепло тормозов машины, спустившейся с горы, расходится по воздуху, по земле и в конце концов уходит в космос мелкой монетой инфракрасных фотонов. Но дальше фотоны летят во Вселенной, которая расширяется, и каждый из них растягивается и теряет энергию. Кому достаётся разница? Автор намеренно оставляет здесь вилку открытой и проходит обе ветви до конца. Либо растянутая энергия возвращается в неактуализированный вакуум, и тогда энергия вакуума должна медленно ползти вверх, на ничтожную долю за каждое время расширения. Либо глобальная энергия в расширяющейся Вселенной вообще не определена, такого счёта просто нет, и энергия вакуума остаётся в точности прежней. Обе ветви согласны почти во всём, что может увидеть прибор. Решит либо измерение невиданной пока точности, либо расчёт, который можно сделать карандашом задолго до телескопа. Автор признаётся, что ещё не сделал его. Над горной дорогой, невидимые на вечернем небе, первые фотоны, бывшие недавно горой, уже миновали Луну, и каждый из них уже чуть-чуть длиннее, чем был, когда улетал.
Часть пятая. Тесто, дрожжи и тяготение
В середине книги, как и предупреждал автор, появляется третий спутник, слегка пахнущий хлебом. Начинается всё с инженера Джеймса Райта, который в сорок третьем году в лаборатории «Дженерал Электрик» пытался сделать резину без каучуковых деревьев, потому что война отрезала мир от плантаций. Он капнул борную кислоту в силиконовое масло и получил комок, не прошедший ни одного испытания, которое интересовало правительство, и прошедший несколько таких, которые никто не догадался назначить. Брошенный на пол, комок отскакивал. Оставленный на ночь на столе, растекался лужицей. Рванёшь — ломается с чистым краем, как сухарик; потянешь медленно — провисает длинной терпеливой верёвкой. Военным он был ни к чему. Бывший рекламщик расфасовал его в пластмассовые яйца и продал как «Глупую замазку», и вещество, не способное решить, твёрдое оно или жидкое, сделало его богатым именно тем, что так и не решило.
Каким же веществом является вакуум? Вода? Мёд? Тесто? Автор рассматривает варианты и приходит к тесту: вакуум упруг для быстрых деформаций и текуч для медленных, и у него есть память, время расслабления, которое в программе оценивается примерно в восемь миллиардов лет. Это не украшение. Это предсказание, к которому мы ещё вернёмся. А пока автор добавляет, что Вселенная — это хлеб без замеса. В две тысячи шестом году кулинарная колонка в «Нью-Йорк таймс» прославила рецепт, по которому никто ничего не месит: влажное тесто, оставленное на ночь, само строит свою клейковину, белки находят друг друга, пока пекарь спит. Вакуум тоже никто не месит. Толчок, дающий его зарядам знак, не приходит ни от какой руки снаружи по той простой причине, что снаружи нет места, откуда могла бы взяться рука.
Что держит тесто? На кухне это клейковина. В вакууме это может быть сделано только из того, что в нём есть: из его мод, кратких появлений частицы и античастицы, которые физики привыкли называть флуктуациями и относиться к ним с вежливым равнодушием, каким удостаивают фоновый шум. Само слово наводит на мысль о погоде, а погоды, как настаивает автор, у вакуума как раз и нет. Он ведёт читателя на балкон над залом станции Синдзюку в Токио в половине девятого утра. Через эту станцию, самую загруженную на Земле, проходят три с половиной миллиона человек в день. Сверху у толпы есть форма: широкая река вдоль главного прохода, водовороты у турникетов, узлы у подножия лестниц. Приходите завтра в то же время, и форма будет та же. И ни одного человека в ней не будет того же. Никто там не остаётся; каждый находится в толпе несколько секунд по дороге куда-то ещё, и форма, которой вы любуетесь, держится целиком на людях, которые её покидают. На станции около двухсот выходов, и один из них, по словам каждого посетителя, которого автор расспрашивал, ведёт только в другую часть станции Синдзюку. Вакуум сохраняет форму так же. Его моды — не шум поверх пустоты, которой было бы прекрасно и без них, а условие его связности: уберите их, и вместе с шумом исчезнут мебель, стены и пол, потому что расстояниям не на чем будет держаться. Доказательство согласованности автор находит в одиночном электроне. Его магнитный момент, вычисленный как сумма вкладов мимолётных пар вакуума, совпадает с измерением примерно до двенадцати знаков. Хаос не даёт двенадцати знаков. Комиссия тоже не даёт двенадцати знаков. Их даёт только нечто глубоко согласованное.
Затем — дрожжи. Поздним зимним вечером пекарь кладёт тесто в миску, накрывает влажным полотенцем, оставляет на столе в кухне, такой холодной, что видно дыхание, гасит свет и идёт спать. Девять часов никто не трогает миску. Утром полотенце стоит над краем, как маленькая палатка, а тесто под ним почти удвоилось. Тесто выросло изнутри. Каждый кубический сантиметр сделал свою долю работы, и нигде не было руки, которая толкала бы. Воздушный шарик растёт иначе: кто-то с красными щеками дует в него, и резина уступает давлению изнутри. Если искать картинку того, как вакуум движет расширение Вселенной, брать нужно тесто, а шарик — это та картинка, которую упорно продолжают рисовать на обложках.
У вакуума есть свойство, звучащее как опечатка: его давление в точности равно его энергии с обратным знаком. Отрицательное давление — это натяжение. Натяжение у растянутой резинки, у кожи барабана, у каната канатоходца. Натяжение тянет внутрь. Его меньше всего хочется нанимать, чтобы что-то росло, и тем не менее именно натяжение вакуума ускоряет расширение. Популярное объяснение, в котором тёмная энергия расталкивает галактики, как газ давит на стенки банки, удобно рисовать, и у него неверный знак. Молодая Вселенная была набита веществом, чья гравитация тормозила расширение сильнее, чем натяжение вакуума могло его разгонять, как тесто, набитое изюмом, поначалу поднимается вяло. Но вещество разрежается по мере роста пространства, а вакуум нет. Тормоз слабел год за годом, двигатель оставался там же, где был, и где-то в какой-то момент двигатель должен был победить. Измерения помещают этот поворот примерно в шесть миллиардов лет назад, примерно за полтора миллиарда лет до рождения Солнца и Земли. Холодная расстойка шла всю ночь; мы проснулись вовремя, чтобы увидеть, как поднимается полотенце.
И одна деталь, которая окажется самой важной. Дрожжи работают не везде одинаково. Пекари штоллена и панеттоне знают, что тесто, перегруженное цукатами, поднимается так вяло, что для сдобного фруктового теста продают особые штаммы дрожжей. У вакуума есть своя версия. Там, где присутствует актуализированное вещество, натяжение вакуума ослаблено, и коэффициент этого ослабления составляет около пяти тысячных. Это не ручка, которую крутят, пока графики не станут красивыми: программа выводит его из того, насколько масса протона и нейтрона откликается на состояние вакуума вокруг. Это чувствительность дрожжей к изюму.
Тяготение как ответ на разницу
На рассвете, пока не поднялся ветер, горное озеро может лежать таким гладким, что отражает дальний берег без единой морщинки. Каждую каплю тянет вниз вся Земля, и каждую давят соседние, и ничто не движется, потому что с каждой каплей обращаются в точности как с её соседками. Потом мальчик на мостках бросает камень. Круги бегут от места, где он вошёл в воду, пересекают всё озеро и через минуту плещут о камыши на том берегу. В воду не добавили ничего, кроме одного камня, а камень сразу ушёл на дно. Круги были не в камне. Они были в озере и ждали, чтобы что-то стало иным.
Таков главный тезис этой части книги: тяготение есть ответ вакуума на разницу. Вещество не носит свою гравитацию с собой, как фонарь. Вещество поставляет разницу, а вакуум отвечает. На замкнутом пространстве совершенно однородное распределение энергии никого никуда не тянет; уравнение, превращающее распределение массы в поле притяжения, отзывается только на то, насколько каждое место превышает среднее или не дотягивает до него. На замкнутом пространстве тяготение ведёт себя как зависть: ему безразлично, сколько у кого есть, но страшно интересно, у кого больше среднего. Наше тело живёт по тому же принципу и не замечает этого. Воздух давит на каждый квадратный метр кожи с весом около десяти тонн, а мы ничего не чувствуем, потому что давит он равномерно со всех сторон и изнутри тоже. Мы чувствуем только разницу: уши, которые закладывает при снижении самолёта, дверь, хлопнувшую оттого, что кто-то открыл окно на другом конце дома. Уши — лучшие физики, чем мы о них думаем.
Отсюда вытекает одно из самых неожиданных утверждений книги. Каждая публичная лекция по космологии заканчивается одинаково: в третьем ряду поднимается рука, принадлежащая, как правило, двенадцатилетнему слушателю, который просидел час очень тихо и приберёг что-то смертоносное. Что делала гравитация до Большого взрыва? Взрослые добродушно смеются, лектор говорит что-то о пределах современного знания, а ребёнок уходит домой с правильным убеждением, что ему не ответили. Автор отвечает ему, с опозданием в несколько лет. Сначала маленькая поправка: в этой модели никакого взрыва не было, не было взрыва из точки в окружающую пустоту, потому что не было ни окружающего, ни точки. А на честный вариант вопроса ответ таков: гравитация в начальном состоянии не делала ничего. Она не отдыхала и не ждала. Её не было, и не было по трём причинам, любой из которых хватило бы.
Первая причина: не было времени. Тяготение в программе — направленное изменение во времени взаимного положения тел. В начальном состоянии нет следующего мгновения, и никакое изменение координаты определить нельзя. Поэтому гравитация в начале не равна нулю, как равна нулю скорость припаркованной машины. Она не определена, как не определена скорость бегуньи на фотографии. Разница между нулём и неопределённостью — не педантизм. Ноль — это результат: величина существует и оказалась пустой, как банковский счёт, на котором ничего нет. Неопределённость означает, что счёта нет. Тот, кто спрашивает о силе гравитационного поля внутри начального состояния, заполняет графу баланса в бланке банка, который ещё не основан. Вторая причина: в начале у зарядов ещё нет знака, вакуум ничем не связан, он сверхтекуч, и сети, которая отвечала бы на разницу, ещё нет. Третья: нет различий, на которые можно было бы ответить. Гравитация не держала начало. Его держало натяжение вакуума. Гравитация пришла позже, опоздавшей на вселенную, которая уже двигалась, и унаследовала среду, сотканную без неё. Отсюда и гладкость начала, которую считают величайшей загадкой: начало было гладким потому, что в нём не было гравитации, которая собирала бы комки. А мальчик по дороге домой, где-то у второго светофора, придумает вопрос, который ведущий ни за что не пропустил бы: гравитация моложе времени? Да, моложе. Разницу нельзя выразить в секундах, потому что секунды ещё устанавливались, но она есть, и гравитация на младшей её стороне.
Ложка смоделированного вакуума
Одна из самых живых глав книги начинается в два часа ночи. Куб на экране ноутбука автора содержит десять тысяч связей, и каждая из них вот-вот умрёт. Правила автор написал сам, а это единственный способ, каким теоретик может быть уверен, что ему подчиняются. Связь появляется между двумя модами противоположного заряда в случайном месте, живёт краткий миг, тянет вдоль своей длины, как растянутая резинка, потом пара аннигилирует, и связи нет. Новые рождаются с такой частотой, чтобы число живых оставалось постоянным. Вот и вся вселенная в коробке: ложка пустоты, занятая связями, которые никогда не длятся. Автор нажимает клавишу, и вентилятор ноутбука начинает издавать звук очень маленького реактивного самолёта, взлетающего в никуда.
Главное открытие пришло, когда автор позволил модам двигаться. Пары противоположных зарядов рождаются вместе, бок о бок, и расходятся мелкими случайными шажками. Противоположные притягиваются, одинаковые отталкиваются, встретившиеся противоположные аннигилируют. И оказалось, что притяжения в вакууме коротки, а отталкивания сравнительно долги. Притяжение между противоположными зарядами кончается ровно тогда, когда начало бы что-то значить, в момент встречи, потому что встреча означает аннигиляцию. Отталкивание одинаковых такого конца не имеет. Представьте вечеринку, на которой каждая пара, упавшая друг другу в объятия, мгновенно исчезает из комнаты, а гости, не выносящие друг друга, остаются весь вечер и держат дистанцию у всех на виду. Опоздавший решил бы, что вечеринка была довольно холодной. В жизни вакуума отталкивание всегда переживает притяжение, и в этом автор видит микроскопический корень его натяжения.
Из чего сделано поле
Из чего сделано поле, если эфира нет, а пустота не пуста? Программа Кригера даёт ответ, звучащий страннее, чем он есть. Материи как таковой нет. Есть только состояния вакуума, и в некоторых из этих состояний некоторые моды актуализировались: получили координаты, место и форму. Протон — такое состояние. Читатель тоже. Поле на этом языке — не второй ингредиент, положенный поверх пространства, как глазурь на торт. Это способ, которым неактуализированный вакуум располагается вокруг актуализированного контраста. Заряд не испускает поле в пустую комнату. Комната, которая никогда не была пустой, перестраивается вокруг заряда. Электрическое притяжение заряда и гравитационное притяжение планеты оказываются двумя ответами одной и той же липкой среды.
Наконец вся модель записывается на одной карточке, которую физики называют действием. В «Кулинарном путеводителе» Эскофье около пяти тысяч рецептов, а в ящике почти каждой кухни лежит одна заляпанная карточка с горстью ингредиентов и тремя строчками способа приготовления, из которой в умелых руках вытекает целый репертуар. История принципа наименьшего действия у автора выходит почти комической: Мопертюи объявил, что природа во всех своих движениях тратит наименьшее возможное количество действия, и счёл это свидетельством бережливости природы; Вольтер не устоял ни перед утверждением, ни перед его автором, и написал сатиру, которую Фридрих Великий приказал сжечь рукой палача. Мопертюи ошибался в том, почему принцип работает, но был прав в том, что он работает, а это лучший послужной список, чем у большинства его критиков. Компания «Вселенная», давно грозившаяся сократить документацию, наконец это сделала: руководство теперь умещается на одной странице. В нём есть одна строка, которую на заводе не смогли заполнить, потому что число в ней — свойство не деталей, а собранного изделия, проработавшего какое-то время. Память сети: прочерк, измеряется покупателем. Автор честно добавляет, что полный набор уравнений этой карточки не решён на всём переходе от начала до наших дней. Карточка говорит, что готовить. Сама она не готовит.
Часть шестая. Что модель может и чего не может
Шестая часть начинается с главы, которую такие книги, по словам автора, пишут слишком редко. Глава о том, чего модель не умеет. Открывается она письмом в отдел жалоб компании «Вселенная». «Уважаемые господа, — пишет покупатель. — Я приобрёл ваш набор для самостоятельной сборки вселенной и собрал его согласно отсутствию инструкции. Он работает. Он расширяется, делает звёзды, произвёл кота, который спит на моей клавиатуре. Но рябь на микроволновом фоне не совсем одинакова на всех масштабах. Крупная немного сильнее мелкой. Мой сосед, купивший инфляционную модель, говорит, что у него эта особенность объяснена в брошюре. У меня особенность есть, а объяснения нет. Прошу разъяснить». Служба поддержки ответила, что наклон является свойством изделия в состоянии поставки, и поблагодарила за верность бренду. Покупатель не удовлетворён. Автор, если честно, тоже.
Наклон спектра первичных возмущений — самое серьёзное слабое место. Автор искал внутри модели три механизма, которые могли бы его дать, рассчитал каждый, и каждый провалился. Тепловые флуктуации дают белый шум, с избытком мощности на малых масштабах, то есть обратное измеренному. Так дождь по жестяной крыше даёт рёв мелкого стука и почти никаких глубоких ударов, и никакое количество дождя не превратит его в большой барабан. Изящный механизм газа струн у предела температуры требует, чтобы гравитация уже работала внутри области, а в этой модели гравитация выключена до первого оформления вещества. Поэтому модель принимает наклон как данность, и автор прямо говорит, какое измерение решит спор с конкурентом. Инфляционная модель соседа предсказывает первичные гравитационные волны. Модель Кригера предсказывает тишину, ноль, не «мало», а ноль. В постскрипте к письму, приписанном другой ручкой, покупатель спрашивает: «Если мой телескоп что-нибудь услышит, могу ли я получить деньги назад?» Служба поддержки не ответила. Она ждёт, как и все мы, тридцатых годов.
Подводя итог, автор говорит, что модель оставила двадцать открытых задач. Двенадцать из них теперь закрыты, каждая с определённым ответом, выведенным внутри модели и проверенным. Восемь — вилки, каждая пройдена по обеим ветвям до того, что может увидеть прибор, и решающее измерение названо. Он предпочитает модель с честными дырами модели без дыр, потому что у модели без дыр их обычно спрятали туда, куда покупатель не может заглянуть.
Двадцать способов оказаться неправым
Предпоследняя глава книги вспоминает Карла Поппера: никакое число белых лебедей не доказывает, что все лебеди белы, а одного чёрного достаточно, чтобы правило опровергнуть. Теория зарабатывает своё место тем, что что-то запрещает. И глава эта — список чёрных лебедей, оформленный как гарантийный талон. Гарантия здесь защищает не изделие, а теорию, и каждый пункт — пункт, который покупателю предлагается нарушить. Гарантия аннулируется, если кто-нибудь обнаружит первичные гравитационные волны: модель предсказывает их отношение к возмущениям плотности равным нулю при любой точности, какой достигнет прибор. Гарантия аннулируется, если тёмную энергию поймают с давлением, более отрицательным, чем её энергия: натяжение может ослабнуть, но не может перескочить. Автор честно отмечает, что это пункт, ближе всего подошедший к срабатыванию, поскольку нынешние данные одного большого обзора пока клонятся в неудобную сторону. Гарантия аннулируется, если гравитационные волны и свет от одного и того же далёкого события согласятся о расстоянии до него. Это самое странное и самое характерное предсказание книги: вакуум с памятью около восьми миллиардов лет медленно гасит рябь пространства на её пути, не замедляя её, и астроном, измеряющий расстояние по силе волны, поместит источник дальше, чем астроном, измеряющий его по свету. Гарантия аннулируется, если найдут частицу тёмной материи, потому что тёмный сектор в модели — это вакуум, собравшийся вокруг вещества, а не новая частица. Автор оговаривается, что сорок лет великолепно спроектированной тишины подземных детекторов — не доказательство его правоты, а лишь отсутствие чёрного лебедя, и что при чистом обнаружении он купит шампанское. Гарантия аннулируется, если пространство окажется открытым, если ньютонова постоянная начнёт дрейфовать, если тела из разных веществ упадут по-разному. Есть ещё пульсары, поляризация, сверхновая в нашей Галактике и остальные пункты из двадцати.
Во что превращаются учебные определения
Книга заканчивается тем же, с чего началась: ужином. Друг-физик дожидается, пока уберут тарелки, складывает салфетку аккуратным прямоугольником, как делают люди перед тем, как сказать заготовленное, и задаёт автору его собственный вопрос:
— Ну что ж. Книгу ты написал. Что такое энергия?
— Энергия — это то, чем была Вселенная до того, как у неё появились время, форма и положение. Материя — это энергия, принявшая форму и положение. Вакуум — это энергия, которая её не приняла.
А дальше автор показывает, что все три учебных определения остаются верными, только каждое оказывается тем, чем вневременное определение становится, когда появились время и положения. Способность совершать работу в начале равна нулю, а энергия огромна. Это не противоречие. Это как богатство в стране, где ещё ничего не построено, чтобы на него купить. Деньги настоящие; покупательная способность ждёт магазинов. Работа — это энергия, превращённая в движение.
Теорема Нётер требует сдвига во времени, а до первого отхода сдвигать нечего. После него время существует локально, и теорема выдаёт сохраняющуюся энергию. В расширяющейся Вселенной нет глобальной симметрии времени, поэтому сохраняется не общий итог, а местная бухгалтерия, где энергия может переходить из актуализированной формы в неактуализированную и обратно.
— Значит, вакуум крадёт энергию у вещества, — говорит друг. — Ты нарушил сохранение.
— Я нарушил раздельное сохранение каждой формы, которого никто никогда не обещал. Твой бухгалтер не жалуется, когда деньги переходят с текущего счёта на сберегательный. Он жалуется, когда меняется итог. Итог не меняется.
— А до времени? Сохранялся твой итог, когда некому было это гарантировать?
— Он сохранялся как итог, потому что ничто не могло его изменить и не во что было ему превратиться. Сохранение до времени — не закон, которому что-то подчиняется. Это то, как выглядит неподвижность, когда нет часов, чтобы её проверить. Закон с его гарантиями и теоремой приходит с первым отходом, как замок приходит вместе с первой дверью.
А третье определение, самое честное, принадлежит Фейнману. У него есть знаменитая притча о мальчике, который играет двадцатью восемью неразрушимыми кубиками. Каждый вечер мама их пересчитывает. Иногда находит меньше и вынуждена искать спрятанные в ящике для игрушек, взвешивая ящик, или в ванне, измеряя, насколько поднялась грязная вода, пока её формула не обрастёт множеством слагаемых, а итог всегда двадцать восемь. А потом Фейнман выдёргивает ковёр: с энергией, говорит он, никаких кубиков нет. Есть только слагаемые формулы. Автор всегда любил эту притчу и считает, что Фейнман был прав насчёт мамы и неправ насчёт кубиков. Каждое слагаемое — вечерний подсчёт, и весь метод требует вечеров, одного за другим. В начальном состоянии вечеров нет. Но нет и пустоты: кубики все там, упакованы в коробку, до того как появился пол, чтобы их рассыпать, и мама, чтобы их считать. Число Фейнмана — это тень, которую вневременное состояние отбрасывает, когда появились солнце и земля.
К кофе подают тарелку фиников. Друг берёт один, съедает и вертит косточку в пальцах. Автор вспоминает пальму, выросшую из семени двухтысячелетней давности. Учебные определения, говорит он, — это дерево, описывающее семя. Дерево имеет на это полное право. Оно знает о ветвях, о подъёме сока, о листьях, поворачивающихся к свету, и всё это правда. Дерево, которое говорит, что семя есть «способность производить ветви», не лжёт; оно описывает семя с того места, где стоит само, изнутри времени, среди положений. Беда начинается, только когда дерево настаивает, что больше семя ничем не является, будто семя ждало в темноте, когда дерево его объяснит. В мире без времени семя и дерево стоят рядом как равные. Ни одно не является черновиком другого.
Друг на это не отвечает. Он смотрит на косточку, которую положил на белую скатерть между кофейными чашками: маленький коричневый овал с бороздкой вдоль одной стороны, легче монеты. Всё, чем когда-либо будет пальма, было внутри: корни, ствол, листья, плоды, тень жарким днём через сто лет, и ничего из этого ещё не случилось. Косточка лежала совершенно неподвижно в свете свечи и не совершала никакой работы.
Вместо послесловия
Вы прослушали обзор книги Бориса Кригера «What Is Energy?». В английском оригинале вас ждёт гораздо больше: подробные главы о каждом шаге рассуждения, полный список двадцати способов, которыми теория может быть опровергнута, тридцать историй из реальной жизни энергии, от авиалайнера, у которого кончилось топливо из-за путаницы в килограммах, до патоковой волны, прокатившейся по улицам Бостона, а также словарь терминов и хронология идей от античности до наших дней. И, конечно, за популярной книгой стоит техническая монография о кэрролловом начальном состоянии, где каждое утверждение подкреплено вычислением, которое можно проверить строка за строкой.
Автор писал свою книгу так, как объяснял бы эти идеи другу, которого уважает, за долгим ужином, после главного блюда и до того, как кто-нибудь взглянет на часы. Ничего в книге не предлагается принимать на веру, включая самого автора. Особенно самого автора.
Борис Кригер будет рад диалогу с читателями. Контакты автора, текстовые варианты книг и библиография находятся на сайте борис кригер точка ком.