Глава 18. Энергия

Если бы инопланетный учёный из другой вселенной, не имеющий ни малейшего представления о нашем Мироздании, попросил меня всего в двух словах охарактеризовать главные свойства нашей Вселенной, то я бы, пожалуй, ответил: причинность и энергия.

Что такое причинность каждый из нас понимает почти на интуитивном уровне. Это влияние одного события на все последующие, их взаимозависимость.

Нет ничего, что существует без причины.

В принципе, причинная цепь событий может быть бесконечно продолжена как в будущее, так и в прошлое. Вы не без оснований можете утверждать, что причиной вашего появления на свет стал Большой Взрыв.

Именно причинность обеспечивает согласованность всех процессов и всего движения во Вселенной.

А вот гарантом того, что в нашем мире не будет нарушена причинность, как раз служит энергия.

Понятие энергии является ключевым для всех объектов и событий во Вселенной без исключения. Именно энергия помогает соединить в стройную систему отдельные части физики. По большому счёту всё в мире является энергией, в том числе материя, которая представляет собой её форму.

В принципе понять, что такое энергия, достаточно просто. Это способность совершить работу. Любое движущееся тело может оказать силовое воздействие на препятствие, встречающееся на пути. То есть, совершить работу. Поэтому обладает энергией.

Работа происходит, когда объект преодолевает силу, действующую в направлении, противоположном его движению. Чем дольше движение, тем большую работу необходимо проделать. Чем сильнее противодействие движению, тем больше работы придётся совершить, чтобы преодолеть сопротивление. Для разной работы нужна разная энергия.

Поясню сказанное на простом примере.

Вам не составляет труда поднять эту книгу со стола. Но вы не сможете закинуть её в открытый космос. Для этого необходимо потратить недоступное для вас количество энергии.

С другой стороны, вы без труда забросите в открытый космос куда более тяжёлый предмет с поверхности небольшого астероида, так как на нём значительно меньше сила тяжести. Поэтому, для её преодоления вам придётся проделать значительно меньшую работу.

Важно понимать, что работа – это не форма энергии. Это способ её переноса из одного места в другое, а не переносимая сущность.

Существует две формы энергии.

Первая – кинетическая, то есть способность совершать работу благодаря движению.

Вторая – потенциальная, то есть способность совершать работу благодаря своему положению.

Все, встречающиеся в литературе специальные термины, вроде химической, тепловой, электрической или ядерной энергии не существуют как таковые. Это названия разных форм и комбинаций кинетической и потенциальной энергий.

Правда, существует ещё энергия электромагнитного излучения, например, энергия света звёзд. Но она не содержится в материи, поэтому является исключением из общего правила.

Потенциальная энергия называется так потому, что её можно преобразовать в кинетическую энергию движения. Объект, падающий с высоты на землю, содержит в себе много потенциальной энергии, но в момент перед ударом теряет её, преобразуя в кинетическую.

Приведу следующую аналогию. Акробат в цирке, прыгает с высоты на поднятую ступень качели в виде рычага, на противоположном конце которой стоит второй акробат. В момент касания качели первый акробат конвертирует потенциальную энергию в кинетическую. Это позволяет подбросить второго акробата под купол цирка, хотя сам он никакой видимой работы не совершает.

Таким образом, потенциальная и кинетическая энергия взаимосвязаны, а их сумма является постоянной. Это подводит нас к пониманию идеи о сохранении энергии, к осознанию того факта, что энергия никогда не может возникнуть из ничего.

На первый взгляд кажется, что эта книга на столе не способна совершить никакую работу в принципе. Это обманчивое впечатление.

Поменяйте её положение, поднимите над столом. В таком положении она будет обладать потенциальной энергией. А теперь отпустите. В соответствии с законом притяжения, книга начнёт падать со всё увеличивающейся скоростью, то есть двигаться, а, следовательно, приобретёт кинетическую энергию. Так происходит потому, что книга обладает потенциальной энергией гравитационного поля. Именно оно реально производит работу при падении.

Потенциальная энергия есть везде, где можно совершить работу, которая пока ещё не произведена.

Помимо работы, ещё одним способом передачи энергии является тепло. В этом случае она переносится за счёт разницы температур.

Всегда действует одно незыблемое правило: энергия перетекает от горячего объекта к холодному. Тепловая энергия – один из подвидов кинетической. Потому что теплота является формой движения молекул.

Преобразование энергии из одного вида в другой регулируется законом сохранения энергии. Из него следует, что, хотя энергия может принимать различную форму, её полное количество не меняется со временем и остаётся постоянным в любой замкнутой системе.

Допустим, что в вашем бумажнике есть определённая сумма денег. С ними можно производить любые обменные операции, но нельзя ничего потратить. Вы можете иметь купюры разного номинала, менять их на мелочь и обратно. У вас будут разные виды денежных знаков и монет, но общая сумма всегда останется неизменной, не возрастая, но и не уменьшаясь. Аналогично перераспределяется энергия.

Наука о преобразовании энергии называется термодинамикой.

Сохранение энергии является центральным принципом физики. Это закон совершенного энергетического баланса Мироздания.

Именно поэтому энергия представляет собой уникальное явление во Вселенной. Не может произойти ни одного события, в котором возникает или уничтожается энергия. Она есть в природе по факту. И она всегда переносится из одного места в другое.

Энергия является центральным ограничителем любого события, которое только может случиться в мире. Ничто не может произойти, если в результате этого изменится полная энергия Вселенной.

И всё же есть один гипотетический сценарий, при котором энергия может «потеряться». Если существуют дополнительные измерения, то уносимая в них гравитацией энергия может «просочиться» сквозь пространственную трещину. Любопытно, что подобную утечку можно попытаться уловить даже современным оборудованием.

Сколько полной энергии во Вселенной?

Любой неподготовленный человек скажет, что невообразимо много. Достаточно взглянуть на ночное небо с миллиардами звёзд – источниками энергии. Но такой вывод станет стратегической ошибкой, поскольку в подобном рассуждении не учитывается гравитация.

Взаимное притяжение между массивными объектами существенно понижает энергию взаимодействующих тел. Чем больше таких объектов, тем ниже энергия. Во Вселенной миллиарды миллиардов массивных тел. Только представьте себе насколько мощной должна быть сила, которая отвечает за стабильность планет, звёзд и даже галактик.

По понятным причинам мы склонны преувеличивать роль в глобальной структуре природы реально видимых нами массивных материальных объектов. Поэтому невольно недооцениваем гравитацию. Но ткань космоса намного сложнее, чем доступно нашему зрительному восприятию. Именно симбиоз энергии и гравитации, а не просто чистая энергия, наделяет Вселенную удивительной динамикой и разнообразием.

Как я уже сказал, гравитация резко понижает полную энергию материального мира. Нам только кажется, что энергии чрезвычайно много. Наоборот, современные знания привели нас к удивительному результату.

Достоверные расчёты показывают, что общая энергия Вселенной практически равна нулю. Сложно поверить, но это факт. Более того, совсем не исключено, что полная энергия Вселенной равна нулю в точности.

Это просто поразительный вывод. Который может означать только одно – Природа или Творец явно не планировали потратить много ресурсов для создания нашего мира.

Глава 19. Стандартная модель

В предыдущих главах я рассказал о том, как современная наука понимает структуру окружающего нас материального мира. Если обобщить сказанное, то получится достаточно убедительная концепция, названная Стивеном Вайнбергом²¹ Стандартной моделью.

Стандартная модель объясняет, каким образом материя образуется из фундаментальных компонентов. Она также описывает силы и механизмы взаимодействия между этими базовыми элементами Природы.

Самая простая версия Стандартной модели включает в себя шесть видов кварков, шесть видов лептонов, шесть бозонов и три фундаментальных взаимодействия. Согласно ей, частицы бывают только двух видов.

Первый – это кварки, которые являются фундаментальными «кирпичиками» материи, а по своей сути представляют собой крохотные сгустки энергии. Кварки скреплены между собой глюонами и вместе с ними образуют протоны и нейтроны, то есть атомные ядра.

Второй вид частиц – это лептоны, то есть все остальные частицы, кроме тех, что состоят из кварков. Самые известные лептоны – электрон и нейтрино.

В Стандартной модели удалось объединить электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия. Теперь учёные понимают, что это не отдельные силы, а три разных проявления единой силы в Природе.

Функция бозонов в рамках Стандартной модели состоит в том, чтобы порождать и переносить физические взаимодействия.

Стандартная модель является квантово-полевой теорией. Колебания полей переносят энергию и импульс в пространстве, волны концентрируются в кванты, наблюдаемые нами как элементарные частицы. Например, фотон – квант электромагнитного поля, электрон – квант лептонного поля и так далее.

Физика всегда нацелена на поиск максимальной простоты. На первый взгляд Стандартная модель идеально соответствует этому требованию. Достаточно всего лишь двенадцати частиц и трёх взаимодействий, чтобы объяснить практически любой физический процесс, происходящий во Вселенной. Теория выглядит очень убедительной и компактной. К сожалению, это совсем не так. Например, нет никакого достоверного объяснения довольно необычной структуре масс и смешиваний кварков и лептонов.

Ещё одна принципиальная проблема заключается в том, что для расчётов в рамках Стандартной модели необходимо вводить множество специально подобранных констант. Ведь именно они в конечном итоге определяют свойства всех частиц.

Константы не появляются из воздуха. Для того, чтобы установить их значения, физики провели огромное число вычислений. Как только та или иная константа рассчитывалась, она автоматически подставлялась в теорию. В результате Стандартная модель переполнилась грудой разнообразных математических ингредиентов. В настоящий момент она выглядит чрезмерно громоздкой и напоминает грамотно организованный хаос с множеством произвольных параметров. И это ещё полбеды.

Сегодня абсолютно никто не понимает, почему все константы, то есть, попросту говоря определённые числа, именно такие, какие есть. Математик, который их рассчитал, на этом основании не может претендовать на статус Творца реальности. Откуда-то эти значения взялись?

И, поверьте, это совсем не круглые числа. Некоторые из них имеют точность с множеством цифр после запятой. Например, сверхважная постоянная тонкой структуры приблизительно равна 1/137. Но совершенно непонятно почему именно 1/137.

Но даже это не самая главная проблема.

Наверное, внимательный читатель уже обратил внимание на то, что Стандартная модель включает в себя три фундаментальных взаимодействия. Но ведь их четыре. Где гравитация?

Нигде. Её никак не удаётся вписать в теорию, несмотря на все старания экспериментаторов. Поэтому все выводы Стандартной модели начинают сбоить на сверхмикроскопических расстояниях и при сверхвысоких энергиях. А ведь именно там проявляется квантовое единство Мироздания.

Стандартная модель таким образом выглядит как очень правильная схема, которая при этом не отвечает ни на один вопрос «почему?». Почему такие значения констант, почему столько фундаментальных сил, почему за рамки модели выведена гравитация, почему столько бозонов и тому подобное.

Несмотря на свою неполноту, Стандартная модель – лучшее описание строения Вселенной, которое сегодня имеют физики. Это очень успешная теория. Однако, наверняка, в Природе существует более фундаментальный уровень реальности. И я расскажу в дальнейшем о возможных вариантах расширения Стандартной модели.

Учёные не сомневаются в том, что избран правильный путь познания мира. Просто сегодня мы находимся лишь в самом начале этого пути. И уже достигнуты значительные успехи. Благодаря Стандартной модели мы очень хорошо понимаем, что такое неживая материя. Это совсем немало.

Но, конечно, для людей главное не это знание. Куда интереснее и важнее попытаться выяснить, что представляет собой живая материя и каково предназначение во Вселенной одного из её видов – разумных существ.

Глава 20. Феномен жизни

Кажется, любой из нас легко объяснит, что такое жизнь. Представляется, что это настолько очевидно, что не требует сложных пояснений. Но попробуйте немного задуматься над поставленным вопросом.

Я практически уверен, что после нескольких минут раздумий, вы не смогли чётко сформулировать это «очевидное» понятие.

Дело в том, что для корректного описания живого постоянно приходится перечислять его характерные особенности: способность к размножению, обмену веществ, приспособляемость к окружающей среде и так далее.

То есть, мы формулируем не чистое понятие, а набор различных свойств. Которые вполне могут быть присущи и якобы «неживому», с нашей точки зрения, объекту.

Не будет преувеличением сказать, что в современной биологии до сих пор нет единого определения собственного предмета, то есть жизни. И это большая проблема.

Как ни парадоксально это прозвучит, но обнаружить точную границу между живым и неживым очень сложно. У живого нет ни единого признака, присущего исключительно живому.

По своей атомарной структуре вы не сильно отличаетесь от камня. Живые объекты состоят из тех же химических элементов таблицы Менделеева, что и неживые. В основном, это углерод, кислород, кальций, водород, азот и фосфор. Камню вполне можно приписать множество свойств живого. В частности, он, как и люди, взаимодействует с атмосферой, космическим излучением, разрушается со временем, выделяет продукты обмена.

Конечно, независимый наблюдатель никогда бы не перепутал человека с камнем. Человек по своей структуре неизмеримо сложнее. Однако, это не означает, что какой-нибудь инопланетный учёный не признал бы камень примитивным, но всё-таки живым существом. А почему нет, если, например, есть неподвижная жизнь (растения) или бесформенная (амёбы).

Ещё один пример совершенно из другой области. Внеземной наблюдатель вполне мог бы назвать живым компьютерный вирус. Ещё бы, ведь он имеет наследственность, является переносчиком информации, размножается, способен взламывать сложные системы защиты.

Но люди абсолютно уверены в том, что компьютерный вирус и уж тем более камень неживые. Мы убеждены, что живое существо кардинально отличается от неодушевленного предмета. Однако, такой подход может оказаться ошибочным.

Наше представление о жизни стопроцентно субъективно. Потому что сравнить совершенно не с чем. Нам известна только земная жизнь, поэтому мы не знаем достоверно, какие из её свойств являются обязательными для жизни абстрактно. Мы можем только предполагать. И искать различия между живым и неживым. Кое-что действительно выглядит очевидным.

Камню, грубо говоря, безразлично, где существовать. И на суше, и в воде или даже в огне. Ему одинаково «комфортно» на Земле, на Луне и на Марсе. Разумеется, климатические отличия на разных планетах есть, и они достаточно существенные. Но, не критичные для «краткосрочной стратегии выживания» камня.

Совсем другое дело – живой организм. По всей видимости, жизнь в принципе не может существовать вне благоприятной окружающей среды.

Во-первых, нужна энергия. На Земле главным её источником для живого является Солнце. Животные потребляют растения, которым, в свою очередь, для роста нужен свет.

Во-вторых, постоянно необходимы питательные вещества для сохранения и воспроизводства структуры организма, тогда как камню еда не нужна.

В-третьих, эти органические и минеральные питательные вещества, составляющие пищу, необходимо растворять. На Земле таким универсальным растворителем является вода.

Как видно, живое является достаточно хрупкой структурой, весьма зависимой от окружающих условий. Чтобы к ним приспособиться, необходимо обладать достаточно уникальными качествами.

По-видимому, два непременных свойства именно жизни – сложность и изменчивость.

Действительно, живые организмы состоят из тех же атомов, что и неживая материя. Но вот способ, которым эти атомы соединены, совсем другой, что и приводит к уникальной комбинации молекул, свойственной живому. Живое существо – не просто зафиксированный в жёсткую структуру набор атомов. В нашем организме постоянно происходят разнообразные биохимические реакции. Мы очень сложные.

И мы, в отличие от камня, значительно быстрее меняемся со временем. Одна из ключевых особенностей живого организма – способность к самореализации заложенной в нём информации. Это проявляется в умении рассмотреть альтернативные сценарии будущего и выбрать из них наиболее благоприятный. А при необходимости, произвести корректировку. Эволюция живого определяется не только причиной, начальным состоянием, но и целью, будущим состоянием. Главная цель – выживание, сохранение жизни. Для того, чтобы выполнить эту цель, живой организм способен на удивительные по разнообразию ухищрения. Он умеет решать трудные задачи, может разработать комплексный план, стратегию собственного выживания. Разумеется, это способствуют общему росту сложности.

Наконец, живой организм обладает набором функций, который, во всяком случае на Земле, совершенно не свойственен неживому предмету.

Вот эти функции: