* * *
На протяжении нескольких лет после публикации главной работы Гиббса в 1878 году научное сообщество постепенно принимало его идеи. Он воздержался от предположений о строении вещества и молекул — и потому не спровоцировал споры. К несчастью, о Больцмане такого не скажешь. В последние десятилетия XIX века его научные воззрения втянули его в конфликт, который повредил его и без того хрупкой психике. Работа Гиббса невольно сыграла в этом свою роль.
Истоки спора лежали в философии феноменализма, которая укоренилась в немецкоязычном мире. Ее главным поборником был Эрнст Мах, профессор истории и философии естественных наук в Венском университете.
В молодости Мах был талантливым физиком-экспериментатором и сделал первые фотографии ударных волн, создаваемых телами, движущимися быстрее скорости звука, в связи с чем скорость звука теперь приравнивается к одному маху. К 1890-м годам он увлекся феноменализмом. Если не вдаваться в детали, феноменализм утверждает, что реальны лишь вещи, которые поддаются непосредственному чувственному восприятию. Приписывая физическую реальность тому, что подтверждается лишь косвенными свидетельствами, ученые, напротив, отступают от принципов науки. По мнению Маха, проблема работы Больцмана заключалась в том, что автор исходил из реальности молекул и атомов. Учитывая, что ни атомы, ни молекулы не поддаются чувственному восприятию, феноменалисты полагали, что говорить об их существовании нельзя. Это, в свою очередь, значило, что вся доктрина статистической механики, сформулированная Больцманом, вызывала сомнения. Предложенное им вероятностное объяснение увеличения энтропии ничего не стоило, если задействованные в нем объекты, а именно атомы и молекулы, не поддавались непосредственному наблюдению.
В то время к феноменализму склонялись многие ученые немецкоязычного мира, включая молодого Альберта Эйнштейна. В последующие годы он вспоминал, как идеи Маха натолкнули его на мысль, что пространство и время не имеют смысла в отсутствие линеек и часов для их измерения, а это, в свою очередь, послужило вдохновением для создания теорий относительности. Но Больцману пришлось заплатить высокую цену. Он оказался втянутым в утомительные споры о существовании атомов и молекул, которые, как он утверждал, пребывали в постоянном беспорядочном движении.
Применение феноменализма к термодинамике также предполагало обсуждение вопроса лишь с позиций наблюдаемых и измеряемых явлений — тепловых потоков, давления, объемов, температур и т. д. Это учение получило название “энергетизм”. Его сторонники полагали, что, хотя понятия атомов и молекул допускали некоторые математические фантазии, это все-таки не делало их реальными. И здесь ученые обращались к работе Джозайи Уилларда Гиббса.
Дело в том, что идеи Больцмана ставили условием существование молекул и атомов, в то время как Гиббс не делал подобных допущений. Вместо этого Гиббс исчерпывающе и точно описывал термодинамику исключительно на основе двух ее общепринятых начал. Столь чистый подход привлекал сторонников энергетизма. Один из них, молодой немецкий химик Вильгельм Оствальд, даже перевел статью Гиббса на немецкий. Для науки это было прекрасно, ведь Оствальд помог привлечь внимание европейцев к работе Гиббса, но для Больцмана — не так хорошо, поскольку сторонники энергетизма нашли аргументы в пользу того, что термодинамика не нуждается в гипотезе о существовании молекул и атомов.
Среди критиков Больцмана был молодой Макс Планк, преподававший физику в Мюнхене. Он родился в городе Киль на балтийском побережье Германии в 1858 году и получил докторскую степень за анализ второго начала термодинамики. Как и Мах и Оствальд, он осуждал настойчивую веру Больцмана в существование молекул и атомов, поведением которых объясняется второе начало. В 1882 году он прямо заявил, что Больцман ошибается, написав: “Второе начало механической теории теплоты несовместимо с предположением о конечном числе атомов. <…> Ряд текущих наблюдений, как я полагаю, свидетельствует, что от атомной теории в конце концов придется отказаться, хотя она и делает большие успехи”.
Битва Больцмана со сторонниками энергетизма шла на страницах журналов и на научных конференциях. Свидетели вспоминали утомительные дебаты Больцмана и Оствальда, в которых каждый упорно стоял на своем. Однажды после лекции, прочитанной Больцманом в престижной Императорской академии наук в Вене, Мах поднялся и заявил: “Я не верю в существование атомов!”
Слова Маха, как впоследствии признался Больцман, “не выходили у [него] из головы”. К тому времени он посвятил более двадцати лет жизни размышлениям о научных следствиях атомно-молекулярного строения Вселенной. Он готов был поклясться своей карьерой, что молекулы и атомы существуют. Но его карьера приближалась к концу, а новое поколение ученых от него отдалялось. В письме редактору научного журнала, написанном в 1890-х годах, он отметил: “Не знаю, не случится ли так, что вскоре я один буду противостоять текущему направлению немецкой науки”.
Ситуация усугублялась тем, что отход от его идей был обоснован не математическими аргументами и не физическими фактами, а философскими суждениями, которые казались Больцману совершенно бессмысленными. “Не следует ли сравнить непреодолимое желание философствовать с вызываемой мигренями рвотой?” — спрашивал он в письме итальянскому философу Францу Брентано.
Здоровье Больцмана также пошатнулось. Страдая от сильнейшей близорукости, он с трудом продолжал лабораторную работу, и друзья заметили, что радость жизни у него прерывалась периодами молчаливого уединения, которые продолжались дольше обычного. Когда в 1889 году случилась трагедия и его старший сын скоропостижно скончался от аппендицита, Больцман стал винить себя за то, что не заметил симптомов раньше. Университетская жизнь тоже осложнилась. Национализм был на подъеме, и австрийские студенты, казалось, никак не могли определиться, поддерживать им Германию или нет, а Больцману эти дебаты казались не только утомительными, но и обескураживающими. Периодически споры перерастали в пьяные дебоши. В последующие годы, описывая это, Больцман говорил, что в те дни свиньи, у которых хвосты закручивались влево, дрались со свиньями, у которых хвосты закручивались вправо.
Хуже того, придираться к работе Больцмана стали даже ученые, которые не считали себя преданными сторонниками феноменологии и энергетизма. Так, когда в 1896 году с критикой выступил математик Эрнст Цермело, Больцман начал ответную статью следующим образом: “Работа Цермело показывает, что мои статьи были поняты неправильно; тем не менее мне доставляет удовлетворение ее появление, поскольку она, по-видимому, является первым свидетельством того, что эти статьи вообще обратили на себя какое-то внимание в Германии”[16].
Тем не менее Больцман не лишился способности к оригинальному мышлению. В его ответе на критику Цермело содержалось множество любопытных идей, и самой яркой из них стало первое сделанное на основе одних лишь научных выкладок утверждение, что Вселенная, вероятно, должна была быть создана в какой-то определенный момент — момент творения.
Глава 12
Больцмановский мозг
Я плохо сплю и места себе не нахожу от страданий… Прошу, прости меня за всё!
Людвиг Больцман
В 1854 году Уильям Томсон, наблюдая, как теплота рассеивается в железном стержне, пришел к выводу, что Вселенная должна умереть. Четыре десятилетия спустя, подстегнутый критикой, Людвиг Больцман предположил, что, согласно статистическому объяснению энтропии, наблюдаемая Вселенная должна была однажды родиться. Лишь через несколько десятков лет астрономы нашли доказательства Большого взрыва. Хотя больцмановская версия сотворения мира отличается от современной, некоторые ее элементы играют важную роль в сегодняшних космологических исследованиях.
Представление о том, что Вселенная имеет момент творения, появилось в ответ на критику Лошмидта и Цермело, которая заставила Больцмана признать, что в статистическом объяснении второго начала термодинамики кроется неучтенное допущение. Больцман утверждал, что энтропия Вселенной увеличивается в результате движения Вселенной от менее вероятных конфигураций к более вероятным. Такое объяснение состоятельно лишь в том случае, отметил Больцман, если допустить, что сначала Вселенная пребывала в статистически весьма маловероятном состоянии с низкой энтропией.
Чтобы понять почему, представьте банку с несколькими черными и белыми шариками. Пусть сначала шарики будут перемешаны. Когда банку встряхивают, одно перемешанное состояние шариков сменяется другим. Если записать это на пленку, фильм будет казаться одинаковым при прокрутке вперед и назад. Однако, чтобы использовать банку с шариками как способ определить направление течения времени, нужно сначала расположить шарики слоями — слой черных, слой белых и так далее — и лишь затем встряхнуть банку. Теперь, если фильм показывает, что шарики перемешиваются сильнее, вы понимаете, что он идет вперед по времени. Менее вероятная конфигурация шариков уступает место более вероятной. Если применить этот принцип ко Вселенной, получится, что в любой момент прошлого Вселенная должна была пребывать в более “невероятном” состоянии, чем сейчас. Чем дальше в прошлое вы заглядываете, тем в более невероятном состоянии пребывает в тот момент Вселенная. И возникает вопрос: как Вселенная изначально оказалась в весьма невероятном состоянии с низкой энтропией?
По мнению Больцмана, ответ на него кроется в существовании момента творения. Нужды в боге не возникало — достаточно было природных явлений и законов вероятности.
Вселенная в целом, предположил Больцман, пребывает в состоянии неизменного равновесия. Представьте ее в форме огромного, безликого газового облака, где не происходит ничего, кроме случайных столкновений частиц газа. Такая Вселенная по всем параметрам мертва. По чистой случайности после миллиардов лет бездействия небольшая часть Вселенной выходит из этого состояния и оказывается в состоянии с необычно низкой энтропией. В этой части Вселенной случайным образом формируются звезды и галактики. Утверждать такое — все равно что сказать, что если достаточно долго трясти банку с черными и белыми шариками, то они по чистой случайности лягут ровными слоями. Впрочем, если трясти ее и дальше, то порядок нарушится и шарики снова перемешаются. Больцман полагал, что небольшая часть Вселенной, в которой мы живем, именно такова. Однажды — давным-давно, по чистой случайности — она перешла в состояние с низкой энтропией, и ее энтропия с тех пор медленно увеличивается, в результате чего в конце концов она вернется в равновесие с остальной частью мертвой Вселенной. Однако, поскольку жизнь может существовать лишь в этой части Вселенной, характеризующейся низкой энтропией, живые существа наблюдают время в форме направленной в одну сторону стрелы. Или, как выразился Больцман: