Космическая сложность

Джон К. Мазер

Старший астрофизик Лаборатории космологических наблюдений Центра космических полетов НАСА им. Годдарда; автор книги The Very First Light («Самая первая заря»)

Как объяснить невероятную сложность наблюдаемого нами космоса во всех масштабах – от кварков до расширяющейся Вселенной? Мое излюбленное объяснение (имейте в виду, его придумал не я) состоит в следующем: фундаментальные законы физики порождают естественную нестабильность, энергетические потоки и хаос. Результат некоторые именуют Живой Силой, некоторые отмечают, что Земля сама по себе являет собой живую систему (Гея, эта «живучая стерва», как говаривала покойная Линн Маргулис), а некоторые приходят к выводу, что наблюдаемая нами сложность требует какого-то сверхъестественного объяснения (таких объяснений у нас множество). Но мой отец был статистиком (он занимался учетом молочных коров) и поведал мне о клетках, генах, эволюции и случайности еще в моем раннем детстве. Так что, на мой взгляд, ученому следует в поисках объяснений попытаться понять, как законы природы и статистика привели к тому, что мы сумели обрести сознательное существование. И как невероятные (казалось бы) события ухитряются постоянно происходить.

Что ж, физики располагают бесчисленными примерами естественной нестабильности, когда высвобождаемая энергия приводит к резкому переходу от простоты к сложности. Один из самых распространенных примеров – остывание паров воды ниже точки замерзания, в результате чего образуются снежинки: все они сложны и прекрасны, причем двух одинаковых снежинок не бывает. Мы часто их видим, поэтому данное явление нас не особенно удивляет. Но физикам довелось наблюдать так много разновидностей подобных переходов от одной структуры к другой (мы именуем их фазовыми переходами), что в 1992 году среди кандидатов на Нобелевскую премию по физике рассматривались и специалисты, расширившие понимание математики общих свойств таких превращений.

А теперь несколько примеров того, как законы физики порождают нестабильности, которые, в свою очередь, стали причиной нашего собственного существования. Первый пример – Большой взрыв (недостаточно полное название!): судя по всему, он произошел именно из‑за некоей нестабильности, когда «ложный вакуум», распадаясь, постепенно превратился в обыкновенный вакуум, который существует у нас во Вселенной сегодня, и в основные известные нам фундаментальные частицы – кварки и лептоны. Так что у истоков Вселенной как таковой лежала нестабильность. Затем произошло великое расширение и остывание, и свободные кварки, обнаружив, что они тоже являются нестабильными, соединились в сегодняшние «менее элементарные» (более сложные) частицы – протоны и нейтроны; при этом высвобождалась небольшая энергия и возникала сложность. Затем расширяющаяся Вселенная остыла еще немного, и нейтроны с протонами больше не удерживались врозь из‑за колоссальных температур: они выяснили, что нестабильны, и образовали ядра гелия. Чуть-чуть дальнейшего остывания, и ядра атомов и электроны еще более сближаются; Вселенная становится прозрачной. Она остывает еще – и начинается следующая нестабильность: гравитация стягивает воедино вещество, разбросанное на космических расстояниях, и образует звезды и галактики. Эту нестабильность описывают как «отрицательную теплоемкость»: в таких случаях извлечение энергии из системы, которая находится под действием гравитации, делает ее лишь горячее. Получается, второе правило термодинамики здесь неприменимо. (Видимо, это физический вариант идеи Э. Э. Каммингса насчет «того чуда, что не дает слиться звездам».) Следующая нестабильность заставляет ядра водорода и гелия вступить в ядерную реакцию, высвобождая энергию и заставляя звезды гореть в течение миллиардов лет. А когда топливо иссякает, звезды сами становятся нестабильными, взрываются и выбрасывают составляющие их химические элементы в космос. Благодаря таким явлениям на Земле и подобных ей планетах постоянный приток энергии поддерживает развитие дополнительных нестабильностей и всевозможных сложных систем и процессов. Гравитационная нестабильность загоняет наиболее плотные вещества в ядро Земли, оставляя тоненькую оболочку из воды и воздуха, и внутреннее содержимое нашей планеты неустанно бурлит, а теплота утекает вовне. Солнечное же тепло (основную его часть получают области на экваторе и рядом с ним, а затем оно распространяется к полюсам) поддерживает сложную систему атмосферных и океанических течений.

Благодаря всему этому Земля как физический объект представляет собой огромное количество природных химических лабораторий: где-то элементы концентрируются, где-то смешиваются, температура где-то растет, а где-то падает; природа неутомимо экспериментирует с бесчисленными событиями, где могут возникать новые нестабильности. Один из таких опытов – сравнительно недавно поставленный эксперимент под названием Жизнь. Теперь, когда нам известно, что планет не меньше, чем звезд, трудно представить себе, чтобы беспрестанное экспериментирование привело природу к созданию Жизни лишь на одной-единственной планете. Но пока мы точно не знаем, есть ли Жизнь где-то еще.

Дальше Жизнь развивалась, вызывая новые нестабильности, постоянно эволюционируя, порождая существ, обитающих в невероятно разнообразных природных средах, меняющих глобальную среду в ходе циклов «взрывной рост – взрывной спад», с хищниками, имеющимися для каждого вида добычи, с преступниками для каждого возможного преступления, с правительствами, которые должны бы предотвращать эти нарушения, и с нестабильностями в самих правительствах.

Одна из таких нестабильностей – то, что люди вечно требуют новых вооружений и всевозможных новых товаров, а это, в свою очередь, приводит к масштабным инвестициям в науку и технику. Поэтому природно-человеческий мир вечной конкуренции и борьбы, по сути, приобрел свою нынешнюю структуру, чтобы вырабатывать все более совершенное оружие и – все более продвинутые мобильные телефоны. Вот где мы очутились в 2010‑х годах, когда люди пишут себе статейки и размышляют над тем, будут ли их потомки представлять собой искусственные формы жизни, отправившиеся в космос – колыбель жизни. Вот почему мы столько размышляем над тем, каково происхождение сил природы, давших начало всему на свете. Голландский физик-теоретик Эрик Верлинде полагает, что гравитация, то единственное физическое взаимодействие, которое пока сопротивляется нашим попыткам дать ему квантовое описание, являет собой не только фундаментальную силу, но и силу статистическую – как осмос.

Поразительный поворот! Но после всего сказанного здесь я бы этому совершенно не удивился.