Карло Ровелли - Сім основних уроків з фізики

Момент цього стрибка, коли Всесвіт скоротився до розміру горіхової шкаралупки, – справжнє царство квантової гравітації: і час, і простір зникли, світ розчинився в рухливій хмарі ймовірності, яку, до речі, досі можна описати рівняннями. І остання картинка третього уроку трансформувалась би ось так.

Мал. 10

Наш Всесвіт міг виникнути внаслідок стрибка на своїй початковій фазі i пройти крізь проміжну фазу, в якій не було ні простору, ні часу.

Фізика відчиняє вікна, крізь які ми можемо бачити на далекі відстані… Те, що ми бачимо, не перестає дивувати нас. Ми розуміємо, що в нас повно забобонів і що наша інтуїтивна картина світу є частковою, обмеженою, неадекватною. Земля не є пласкою і нерухомою. Світ змінюється на наших очах, і ми поступово бачимо його докладніше і ясніше. Якщо ми спробуємо зібрати докупи все те, що у ХХ столітті людство дізналося про фізичний світ, усі підказки вкажуть на щось, що глибоко відрізняється від нашого інстинктивного розуміння матерії, простору і часу. Петльова квантова гравітація – спроба розшифрувати ці підказки і зазирнути трохи далі.

Поряд з великими теоріями, про які я вже говорив і які описують елементарні складові світу, існує ще один великий фізичний бастіон, який дещо відрізняється від інших. Його несподівано викликало одне запитання: «Що таке тепло?»

До середини ХІХ століття фізикі намагалися зрозуміти, що таке тепло, вважаючи, що це вид рідини, яку називали калоріком, або що це дві рідини, одна гаряча, друга холодна. Ця ідея виявилася неправильною. Зрештою Джеймс Максвелл і австрійський фізик Людвіг Больцман знайшли відповідь. І вона виявилася красивою, дивною і глибокою – і веде нас в області, досі значною мірою не досліджені.

Максвелл і Больцман зрозуміли, що гаряча речовина не містить ніякої рідини «калорік». Гаряча речовина – це речовина, у якій атоми рухаються швидше. Атоми і молекули, невеликі групи атомів, пов’язаних між собою, завжди перебувають в русі. Вони бігають, вібрують, стрибають і так далі. Холодне повітря – це повітря, в якому атоми, точніше молекули, рухаються повільніше. Гаряче повітря – це повітря, у якому молекули рухаються швидше. Вишукано просто. Але це ще не все.

Тепло, як відомо, завжди переходить від гарячих речей до холодних. Якщо помістити холодну чайну ложку в чашку гарячого чаю, ложка також стане гарячою. Якщо холодного дня ми не одягнемося, то швидко втратимо тепло тіла і змерзнемо. Чому тепло переходить від гарячих речей до холодних, а не навпаки?

Це важливе питання, тому що воно належить до природи часу. У кожному разі, коли теплообмін не відбувається або є незначним, ми бачимо, що майбутнє поводиться точно так само, як і минуле. Наприклад, для руху планет Сонячної системи тепло практично не має значення, і, фактично, вони могли б почати рухатися у зворотньому напрямку без порушення будь-яких законів фізики. Проте, щойно з’является тепло, майбутнє починає відрізнятися від минулого. Доки немає тертя. Наприклад, маятник може гойдатися вічно. Якби ми все це зняли на плівку і запустили її у зворотньому напрямку, то побачили б рух, який є цілком можливим. Але якщо тертя присутнє, маятник злегка нагріває свою опору, втрачає енергію і сповільнюється. Тертя спричиняє виділення тепла. І негайно ж ми стаємо здатні відрізнити майбутнє (у напрямку якого маятник сповільнюється) від минулого. Ми ніколи не бачили, щоб нерухомий маятник почав гойдатися, щоб його рух був ініційований енергією, отриманою поглинанням тепла з його опори. Різниця між минулим і майбутнім існує тільки тоді, коли присутнє тепло. Фундаментальне явище, що відрізняє майбутнє від минулого, – це факт того, що тепло переходить від тепліших речей до холодніших.

Так все ж таки, чому з плином часу тепло переходить тільки від гарячих речей до холодних, а не навпаки?

Причина була виявлена Больцманом, і вона на подив проста: це чиста випадковість.

Ідея Больцмана є дуже тонкою і вводить у гру ідею ймовірності. Тепло переходить від гарячого тіла до холодного не в силу абсолютного закону, а тільки тому, що ймовірність цього більша.

Немає жодного абсолютного закону, що забороняє передачу тепла від гарячого до холодного тіла. Просто ймовірність такого процесу менша за ймовірність зворотного. Причина: статистично більш імовірно, що атом гарячої речовини, який рухається швидко, зіштовхується з атомом холодної і залишає йому трохи своєї енергії, а не навпаки. Енергія зберігається у зіткненнях, але, як правило, розподіляється на більш-менш рівні частини, коли зіткнень багато. Таким чином, температура предметів у контакті один з одним схиляється до вирівнювання. Не виключено й те, що гаряче тіло може стати ще гарячішим через контакт із холодним: це лише вкрай малоймовірно.