Вы всю жизнь верили в закон сохранения энергии, как в отче наш. Энергия не возникает из ниоткуда и не исчезает в никуда — только переходит из одной формы в другую. Красиво, правда? Жаль только, что во Вселенной этот закон работает примерно как светофор в час пик на окраине Неаполя — то есть никак. И самое пикантное в этой истории: физики знают об этом уже почти сто лет, но предпочитают стыдливо отворачиваться и бормотать что-то про "особые случаи".
Представители научной элиты обожают рассказывать школьникам про фундаментальные законы природы, которые незыблемы как скрижали Моисея. Закон сохранения энергии в этом пантеоне занимает почетное место где-то между гравитацией и термодинамикой. Проблема в том, что когда речь заходит о космологических масштабах, этот "незыблемый" закон начинает вести себя как пьяный матрос в увольнительной — совершенно непредсказуемо.
Святая святых физики
Закон сохранения энергии — это не просто формула из учебника. Это краеугольный камень всей классической физики, вырезанный из самого мрамора научной мысли. Эмми Нётер в 1915 году математически доказала, что он вытекает из симметрии времени: если законы физики не меняются со временем, то энергия должна сохраняться. Элегантно, неопровержимо, божественно.
На этом законе построена вся наша технологическая цивилизация. Двигатели внутреннего сгорания, атомные электростанции, солнечные батареи — все работает благодаря тому, что мы научились переводить энергию из одной формы в другую, зная, что ни джоуль не пропадет зря. Вечные двигатели невозможны именно потому, что энергию неоткуда взять из воздуха. Или все-таки откуда-то?
Физики трубили об универсальности этого закона с таким энтузиазмом, что даже сам Эйнштейн поначалу не хотел признавать его нарушение в космологическом контексте. Когда он вывел уравнения общей теории относительности, то был настолько уверен в статичности Вселенной, что добавил в них космологическую постоянную — математический костыль, чтобы спасти свое мировоззрение от краха.
Но Вселенная, как выяснилось, на наши человеческие представления о том, как ей следует себя вести, откровенно плевать. Она расширяется, ускоряется и при этом радостно нарушает все те "фундаментальные" законы, которым мы учим студентов на первом курсе. И самое забавное — это не баг, это фича.
Вселенная, которая не играет по правилам
Вот тут начинается самое интересное. В 1929 году Эдвин Хаббл обнаружил, что галактики разбегаются от нас во все стороны, причем чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется. Вселенная расширяется, и это не метафора — пространство между галактиками буквально растягивается, как тесто для пиццы под руками неаполитанского пиццайоло.
Казалось бы, ну и что? Расширяется себе и расширяется. Но загвоздка в том, что при расширении пространства энергия фотонов, путешествующих через космос, теряется. Просто берет и исчезает. А куда? А вот это, друзья мои, вопрос за миллион долларов, на который у физиков нет внятного ответа, который можно было бы объяснить вашей бабушке.
Более того, с конца 1990-х мы знаем, что Вселенная не просто расширяется — она расширяется с ускорением. За это отвечает темная энергия, составляющая около 68% всего содержимого Космоса. Эта штука обладает отрицательным давлением и буквально разрывает пространство изнутри, как дрожжи тесто. И вот тут закон сохранения энергии окончательно вешается.
Темная энергия имеет постоянную плотность. То есть когда Вселенная расширяется, создается больше пространства, а значит — больше темной энергии. Энергия появляется из ниоткуда! Это как если бы ваш банковский счет рос пропорционально размеру вашей квартиры: переехали в квартиру побольше — и вот вам больше денег. Магия? Нет, космология.
Физики, конечно, нашли красивый выход: они говорят, что в общей теории относительности закон сохранения энергии применим только локально, а в глобальном масштабе Вселенной о нем можно забыть. Удобно, правда? Не работает закон — скажем, что он и не должен был работать в таких условиях. Это как прийти на экзамен неподготовленным и заявить, что вопросы составлены некорректно.
Фотоны-неудачники
Давайте возьмем конкретный пример, чтобы не блуждать в теоретических дебрях. Представьте фотон, вылетевший из далекой галактики миллиарды лет назад. Парень был бодрый, энергичный, с высокой частотой в ультрафиолетовом диапазоне. Но пока он летел к нам через расширяющуюся Вселенную, произошла печальная метаморфоза.
Длина волны фотона растянулась вместе с самим пространством. Этот процесс называется космологическим красным смещением. К моменту прибытия на Землю наш бравый фотон превратился в хилого красного заморыша, а то и вовсе скатился в инфракрасный диапазон. Его энергия уменьшилась в разы, а то и в сотни раз.
Так вот вопрос: куда делась энергия? Фотон не передал ее другим частицам — он вообще ни с кем не взаимодействовал по дороге. Он не нагрел космический газ, не ускорил электроны, не совершил работу против гравитации. Энергия просто испарилась, как утренняя роса под солнцем. Пуф — и нет ее.
Физики мямлят что-то про то, что энергия фотона зависит от системы отсчета, что в расширяющейся Вселенной нет единой глобальной системы координат, что все это сложно. Но если отбросить академическую демагогию, факт остается фактом: энергия исчезла, и никто не может толком объяснить, куда именно. Закон сохранения энергии в космологическом масштабе мертв, и мы все присутствовали на его похоронах.
Что особенно иронично — мы открыли этот эффект почти сто лет назад, но до сих пор не можем засунуть его в рамки привычной физики. Хаббл измерил красное смещение еще в 1920-х, а мы до сих пор спорим о том, нарушается ли при этом какой-то фундаментальный закон или мы просто неправильно его формулируем.
Куда испаряется энергия
Технически правильный ответ на вопрос "куда девается энергия" звучит так: никуда. Она не девается, потому что в искривленном пространстве-времени глобального закона сохранения энергии попросту не существует. Это как спрашивать, куда девается вчерашний день — вопрос лишен смысла в самой своей постановке.
В общей теории относительности энергия-импульс сохраняется локально. В каждой конкретной точке, в каждом малюсеньком объеме пространства все строго соблюдается. Но вот попытка сложить всю энергию во Вселенной и сказать, что она постоянна — это провальная затея. Во-первых, нет единого способа определить "одновременность" во всей Вселенной. Во-вторых, гравитационное поле само несет энергию, но эту энергию невозможно локализовать.
Грубо говоря, энергия гравитационного поля размазана по всему пространству так, что невозможно сказать, где именно она находится. Это как пытаться указать конкретное местоположение волны в океане — можно показать, где волна в целом, но в каждой конкретной молекуле воды нет "волновости". Попытки ввести псевдотензор энергии-импульса для гравитационного поля приводят к результатам, зависящим от выбора системы координат. Иными словами, к полной ерунде.
Так что физики сдались и признали: на космологических масштабах говорить о сохранении энергии просто бессмысленно. Это человеческая концепция, которая хорошо работает в лабораториях, на Земле, в Солнечной системе. Но Вселенная в целом на неё начихать. Она играет по своим правилам, которые мы пытаемся понять через теорию струн, квантовую гравитацию и прочие экзотические конструкции, но пока не преуспели.
Законы для карликов
Забавно, что мы, человечество, возомнили себя покорителями природы, разгадавшими ее тайны. Мы записали законы физики в учебники, высекли формулы на скрижалях научного знания и торжественно объявили, что понимаем устройство мира. А потом оказалось, что все эти законы работают только в крошечном уголке Вселенной — там, где мы можем их проверить.
Закон сохранения энергии прекрасно работает на Земле, в пределах Солнечной системы, даже в нашей Галактике. Но стоит выйти на космологические расстояния — и он рассыпается, как карточный домик под порывом ветра. Это не значит, что физика неправа. Это значит, что она ограничена масштабом нашего опыта.
Может, пора перестать называть эти правила "фундаментальными законами природы" и начать называть их "локальными приближениями"? Может, пора признать, что Вселенная настолько сложна и причудлива, что наши попытки загнать её в рамки человеческой логики обречены на провал? Что мы с нашими формулами и теориями — это всего лишь дети, строящие замки из песка на берегу бесконечного океана непознанного?
Расширяющаяся Вселенная, теряющая энергию фотонов, рождающая темную энергию из ниоткуда — все это не аномалия. Это норма. Это способ, которым реальность функционирует на самом деле. А наши учебники физики — это всего лишь путеводитель по маленькому заповеднику, который мы называем "известной Вселенной", в то время как за его оградой простираются бесконечные дикие территории, где правят совсем другие законы.
Так что в следующий раз, когда преподаватель физики будет торжественно вещать о незыблемости фундаментальных законов, тихонько спросите его: "А на каком расстоянии от Земли этот закон перестает работать?" И наслаждайтесь неловким молчанием.