ВСЕЛЕННАЯ. РУКОВОДСТВО ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ - Дэйв Голдберг

Когда имеешь дело с огромными числами вроде количества молекул в комнате, требования случайности настолько строги, что их спокойно можно назвать законами. Например, воздух будет перемещаться из зоны высокого давления в зону низкого, пока везде не установится равновесие. Но ведь ничто не детерминировано, в конце концов. Все на. свете — не более чем самое вероятное из множества событий, которые в принципе могут произойти.

Не хотите — не верьте. Чтобы представить дело более привычным и понятным для вас образом, позвольте познакомить вас с нашим племянником Брайаном. Брайан — очень серьезный молодой человек. Это не просто подросток, который живет в полуподвале родительского дома. Он профессионал комнатных ролевых игр и прекрасно знает, как сделать игральные кости. Он знает, что стандартная кость в виде кубика имеет равные шансы выпасть любой стороной. То есть шестерка выпадает с той же вероятностью, что и пятерка, четверка и так далее до единички. Но что будет, если мы бросим не один кубик, а несколько? Вероятность того, что выпадет одна и та же сумма, будет другой.

Объясним еще понятнее. Джефф согласился играть за варвара-полуорка в последней кампании Брайана. Чтобы создать своего персонажа, он берет набор из трех обычных костей-кубиков[43]. Представим себе, что он бросает их одновременно. Каков наиболее вероятный сценарий? Джефф может получить сумму в три очка, но лишь в том случае, если на всех трех кубиках выпадет по единичке. С другой стороны, гораздо вероятнее* что выпадет, например, 10. Есть множество способов получить 10 очков на трех кубиках: 4-3-3, 6-2-2, 6-3-1 и так далее. Три единицы — это ситуация очень высокого порядка. Такой набор уникален. А вот сумму в 10 или 11 очков, с другой стороны, можно получить таким множеством комбинаций, что это ситуация очень высокого беспорядка.

Скажем по-другому: чашка может быть разбита множеством способов, а цела — только одним; бильярдные шары можно рассыпать по столу гораздо большим количеством способов, чем сложить в треугольник. Поскольку система — молекулы воздуха, дорогая ваза, Вселенная в целом имеет тенденцию быть скорее в беспорядке, чем в порядке, естественное положение вещей становится все более и более случайным. Этот принцип известен как «Второй закон термодинамики». Его формулировка обнадеживает и звучит как гарантия: с течением времени беспорядок в системе возрастает.

Законы физики следуют из этого основного принципа понятным и естественным образом. Например, тепло от кипящего какао будет перетекать к вам в рот, где температура близка к 36 градусам. Кажется, что это очевидно, однако из этого следуют леденящие душу (пардон за каламбур) выводы. На-пример, Солнце и другие звезды постоянно испускают энергию, и их жар выходит во Вселенную в целом. Между тем температура космического вакуума составляет всего три градуса по Кельвину. Это значит, что все во Вселенной — планеты, звезды, галактики, даже Земля — это, фигурально выражаясь, раскаленные докрасна угли, которые постоянно подогревают пространство. Поскольку величайшее состояние беспорядка — это когда материя и жар распространены по всему пространству, наша Вселенная в конце концов насмерть окоченеет.

Однако Герману мы про это не скажем. Ему до сих пор страшно выйти из кухни[44]. Не нужно давать ему еще один повод для размышлений.

Мы говорили, что молекулы в воздухе носятся туда-сюда случайным образом и случайно выбирают, где им находиться — в гостиной Германа или в его кухне. Мы непринужденно упомянули об идее космического генератора случайных чисел, будто это самая естественная вещь на свете. Но все это, в сущности, бред сивой кобылы. Вы когда-нибудь задумывались о том, откуда вообще берутся случайности?

♦ Случайные» процессы бывают двух разновидностей. Один тип случайных процессов предполагает, что система на самом деле детерминирована, просто у вас маловато информации или вы не умеете достаточно быстро считать или соображать, что

сейчас произойдет. Вот, например, бросание монетки, Если бы вы смогли учесть точное положение, ориентацию, распределение массы, вращательный момент и направление ветра еще до того, как монетка коснется земли, то, вероятно, смогли бы и прогнать эти данные через компьютер и достаточно точно определить, как упадет монетка. Тот же самый эксперимент можно повторять при приблизительно тех же условиях еще много раз и получать тот же результат. Если бы мы сделали автоматический монеткобросатель и сумели бы его точно настроить, то у нас всегда выпадала бы решка.

На практике это дело настолько неопределенное — надо учесть, как именно держат монетку перед броском, какие имеются воздушные течения, с какой силой и в каком в точности направлении бросают монетку, — что нет никакого практического способа проделать все эти вычисления. Вот почему мы бросаем монетку, когда нам нужен идеальный генератор случайных чисел. Подобным же образом последовательность карт в колоде или приземление шарика в рулетке кажутся нам совершенно случайными, а на самом деле мы просто не знаем и не можем учесть все начальные условия. Подобно рассеянному ролевику, который высчитывает ущерб от набега зомби, мы просто не способны так быстро считать.

Но стороны монетки — не атомы, а когда мы говорим о случайности на субатомном уровне, происходит нечто совсем другое. На атом уровне Вселенная по-настоящему, всерьез случайна. Дело не в том, что у нас не хватает информации,— даже если мы прокрутим фильм о Вселенной, исходя из идентичных условий, квантовая механика гарантирует, что мы не получим того же результата. В опыте с двумя щелями электрон самым настоящим, доподлинным образом не представляет себе, в какую щель пролетит, пока мы этого не пронаблюдаем и не определим.

Квантовая случайность проявляется во всевозможных микроскопических явлениях. Самые фундаментальные из них связаны с радиоактивным распадом частиц, — именно поэтому Джефф и завязал разговор о них с кузеном Германом. Герман озабочен радиоактивностью не меньше, чем тем обстоятельством, что водопроводная вода содержит

психотропные вещества. Однако радиоактивность можно обращать и во зло, и на благо.

Радиоактивность возникает потому, что не все атомы стабильны. В природе наблюдается общая тенденция: система стремится содержать в себе минимальную возможную энергию. Так что если разрешить атому слишком долго сидеть на месте, он разваливается на более мелкие составляющие. Разумеется, если он в процессе теряет массу, то избавляется от нее посредством вредоносного излучения, которое называется радиацией. Бели эта радиация достаточно энергична, то она способна причинять довольно-таки серьезный урон.

Давайте вспомним пример из главы 2 — когда мы разговаривали о туннелировании. Если дать изотопу урана под названием уран-238 достаточно времени, он распадется на ядро гелия и ядро тория[45]. В среднем этот изотоп ожидает распада в течение примерно 4,5 миллиарда лет (грубо говоря, это возраст Солнца). Это называется «период полураспада». Если вы возьмете кирпич из чистого урана-238, оставите на четыре с половиной миллиарда лет, а потом посмотрите, что получилось, то обнаружите, что половина атомов в кирпиче — по-прежнему уран, а вторая половина превратилась во что-то другое. Это что-то другое — по большей части свинец, поскольку торий, в свою очередь, нестабилен и примерно за месяц распадается на протактиний. А период полураспада протактиния — всего несколько минут. И так далее до свинца.

Переход этот не постепенный. Наоборот, когда отдельный атом распадется, это происходит мгновенно[46]. Более того, уран не знает, сколько времени он ждал распада. Часов у него нет. Но представьте себе, как космический генератор случайных чисел смотрит на него тяжелым взглядом и бросает кость, у которой 100 квадрильонов граней. Одно число выпадает за другим, и ничего не происходит. И вдруг безо всякого предупреждения выпадает единичка. Эта единичка обозначает критический уровень нестабильности — и пуф-ф-ф! Распад. Если космический генератор случайных чисел проделывает подобную процедуру для каждого атома в течение 4,5 миллиарда лет, половина атомов по-прежнему будет ураном, а половина распадется, но предсказать, какой атом постигнет какая судьба, никак нельзя.

Эта идея поможет нам лучше понять самые разные явления. Например, углерод-14 создается под воздействием космических лучей в верхних слоях атмосферы, которые медленно циркулируют вниз и образуют воздух, а мы им дышим. Все живые существа, которые перерабатывают углерод, и растения, и животные, берут углерод-14 (вместе с гораздо более распространенным углеродом-12). Соотношение углерода-14 и углерода-12 в наших телах и стеблях растений остается постоянным и таким же, как в атмосфере в целом.