Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, ативещество и бозон Хиггса

Голдберг Дэйв

Коммуникацию можно значительно сократить, если отметить, что некоторые буквы используются гораздо реже прочих. Например, в английском языке Е встречается значительно чаще, чем Z. Если играешь в «виселицу», простое знание, что в слове есть Z, резко сокращает число вариантов. Вот почему Е в «Скрабле» стоит всего одно очко, а Z — целых десять, и вот почему Е в азбуке Морзе обозначается., а Z —…

Отстучать Z занимает заметно больше времени, но это не страшно, потому что это приходится делать гораздо реже. Чем сложнее (или непредсказуемее) послание, тем больше информации в нем содержится и тем больше байтов данных потребуется, чтобы хранить его в компьютере.

Что заставляет нас вернуться к демону Максвелла. Давайте уберем из уравнения нейрофизиологию и предположим, что Демон

на самом деле какой-то фантастический робот, который хранит свои данные в цифровом виде. Компьютерная память — это последовательность нулей и единиц. Неважно, есть у нас на диске файлы или нет, главное — что существует конечное количество разных комбинаций нулей и единиц, которые можно хранить. Какое именно это число, можно подсчитать, если умножать 2 x 2 x 2… — по двойке на каждый бит на диске. Чем больше битов, тем больше разных комбинаций.

Каждый раз, когда демону надо решить, пропускать ли в дверцу очередную молекулу, он измеряет ее скорость и записывает результат. А теперь предположим, что у него есть особый диск, очень маленький, отведенный исключительно для того, чтобы хранить запись скорости молекулы до тех пор, пока не будет принято решение, пропускать ли ее в дверцу. В начале эксперимента все регистры на диске стоят в положении «ноль» — конфигурация с очень низкой энтропией.

С другой стороны, если диск наполнен случайным на вид набором нулей и единиц, там либо содержится уйма информации, либо набор действительно случаен и это просто высокий уровень энтропии.

Однако наш демон начинает с чистого листа.

К дверце подлетает первая молекула, демон измеряет ее скорость, прилежно сохраняет данные на диск и решает пропустить молекулу. Подлетает вторая молекула, но тут — вот досада! — диск оказывается полностью забит данными первого измерения. У демона не остается выхода: приходится стереть первую запись, прежде чем можно будет продолжать работу, и именно тут мысленный эксперимент Максвелла терпит полный крах.

В 1961 году специалист по информатике Рольф Ландауэр сделал одно примечательное наблюдение: если уничтожаешь бит информации, обязательно создаешь эквивалентное количество энтропии во вселенной. Создание и последующее уничтожение записей о движении молекул высвобождает по крайней мере столько же энтропии, сколько демон, как предполагалось, экономил, когда распределял молекулы по скорости. Играя в свои игры с газом, демон на самом деле не снижал общую энтропию во вселенной. Он ее просто перераспределял.

Прежде чем двигаться дальше, стоит посвятить еще несколько минут устройству памяти демона. Мы исходим из предположения, что когда он измеряет скорость молекул или еще что-нибудь, то начинает с чистого листа — то есть, возможно, из конфигурации из всех нулей. Но что если не исходить из такого предположения?

Очевидно, среди всех возможных конфигураций памяти есть некие особые, незаурядные конфигурации. Примерно как буквы в «Скрабле»: про большинство комбинаций из нулей и единиц сразу понятно, что они яйца выеденного не стоят, но все равно можно случайно вытянуть из мешочка буквы, из которых составится настоящее слово. Беда в том, что сгенерированная случайным образом (но при этом в целом осмысленная) последовательность букв на доске выглядит точь-в-точь как настоящее слово, которое кто-то преднамеренно выставил.

Если вы найдете жесткий диск, полный случайных на вид нулей и единиц, то с полным правом предположите, что все эти биты — это настоящие данные, записанные на диск. Подобным же образом, если бы вы были роботом, который прочитал диск и обнаружил сложную последовательность чисел, вы бы предположили, что это настоящие данные. С точки зрения робота, данные на диске — это в точности то же самое, что память, и нет никакой разницы между настоящей памятью, которая сформировалась благодаря опыту, и памятью, которая сформировалась в результате процессов, эквивалентных вытягиванию из мешка случайных фишек с буквами.

Иными словами, мы в целом предполагаем, что любые сложные последовательности, которые записаны у нас в мозгу, на доске для «Скрабла» или в физике вселенной, так или иначе представляют собой точное

отражение каких-то реальных событий в прошлом.

Философ Дэвид Альберт выдвинул «Гипотезу прошлого» как предположение, что в прошлом энтропия была ниже, чем в настоящем [34] . Если бы мы имели дело с компьютером, это означало бы, что мы начинаем с обнуления всех регистров, а потом добавляем данные. Если «Гипотеза прошлого» верна, то информация, закодированная в памяти — это реалистическая интерпретация произошедшего в прошлом. Если бы запись на диске компьютера начиналась с состояния высокой энтропии, у нас не было бы ни малейшего представления о том, что там настоящие воспоминания, а что — шум. Чтобы хоть как-то разбираться в прошлом, нам придется предположить, что и мы сами, и вселенная в более широком смысле в начале своего существования пребывали в состоянии крайне низкой энтропии.

34

Это и есть предположение. Вполне можно (хотя, мне кажется, неразумно) предположить, что кости динозавра в ваш огород были подброшены кем-то совсем недавно, а не оказались там 65 миллионов лет назад в результате смерти настоящего динозавра.

А это подводит нас к крайне болезненному вопросу о ранних этапах существования вселенной…

Почему Вселенная сначала была такая скучная?

Вы сидите в горячей ванне, и сначала вам тепло и уютно, а потом события приобретают неприятный оборот — вода и воздух в ванной комнате приходят в равновесие, и вы ежитесь от холода.

То же самое можно сказать и про будущее вселенной. С течением времени тепло распределяется по вселенной все равномернее. Звезды выгорают, черные дыры в конце концов испаряются, везде царят холод и темнота. Конечным состоянием вселенной будет однородный, невероятно огромный и холодный океан из фотонов.

А как же наше происхождение? Поначалу вселенная была пестрая, состояла из крошечных участков тепла и холода. Однако горячие участки были всего лишь на 1/100 000 теплее, а холодные — лишь на 1/100 000 холоднее среднего.

На первый взгляд кажется, будто начало и конец вселенной очень похожи друг на друга, однако я утверждаю, что для конца вселенной характерна низкая энтропия, в то время как в начале энтропия была высокой. Откуда я это взял?

Все дело в гравитации. Начните с совершенно однородной вселенной и добавьте всего несколько сгустков там, где плотность чуть выше среднего. Оглянуться не успеете, как все близлежащее вещество начнет падать туда, и маленький сгусток станет сгустком побольше.

Энтропия — это просто количество способов, которыми можно перемешать систему так, чтобы на вид она осталась прежней. Как мы видели на примере радиоактивного распада, все хочет достичь состояния минимальной возможной энергии [35] . Когда частицы падают на сгустки, энергия превращается в тепло, а тепло — это всегда энтропия. Крошечные сгустки становятся все больше и больше, энтропия растет, и в результате получаются галактики, звезды и вы.

На ранних стадиях существования вселенной, когда все было упаковано гораздо плотнее, гравитация играла куда более важную роль, чем сегодня. Сейчас местная гравитация играет куда более важную роль, чем в далеком будущем. Для вселенной, где правит гравитация (как в начале времен), конфигурация минимальной энтропии — это идеально равномерное распределение. В будущем, когда гравитация утратит свою важность, идеально равномерное распределение — это конфигурация максимальной энтропии.

35

А между тем энергию нужно куда-то девать. Первый закон термодинамики гласит, что энергия сохраняется (а еще — что никогда нельзя говорить о термодинамике).