Я слушал композицию Event Horizon группы Stratovarius уже довольно долго, и вдруг осознал, что в ней говорится про горизонт событий чёрной дыры. Сама песня немного дурацкая – в ней некто приближается к горизонту чёрной дыры в космическом корабле с компьютером, говорящим с лёгким русским акцентом – но текст песни содержит утверждения, имеющие научную основу.
Stratovarius – одна из многих метал-групп, касающихся таких тем, как чёрные дыры, относительность и теория струн. Я решил, что было бы интересно взглянуть на примеры и попробовать понять упоминаемую научную основу.
Хочу отметить, что у меня нет физического образования, и объяснения мои будут довольно дилетантскими. Физиков прошу вносить поправки (через меня или через реквест на GitHub).
Event Horizon — Stratovarius
Начнём с этих строк:
Nothing escapes
And the boundary’s been breached
All matter and shape
Destination’s reached
Ничто не убегает
Границу прошли
Все формы и материя
До места дошли
«Граница» – это горизонт событий, за которым ни материя, ни гравитация не могут преодолеть чудовищную гравитацию чёрной дыры и засасываются обратно. Иначе говоря, «ничто не убегает». Поэтому чёрная дыра чёрная; частицы света за горизонтом событий не видны стороннему наблюдателю.
«До места дошли» – это интересный фрагмент. Предположим, что «место» – это горизонт событий, а не сингулярность с бесконечной гравитацией в центре чёрной дыры, которая, скорее всего, и будет вашим местом назначения, если вы падаете в неё. Но это зависит от наблюдателя.
Если вы наблюдаете, как нечто падает в чёрную дыру, вы не увидите, как оно достигает горизонта событий из-за замедления времени (их время будет замедлено по отношению к вам); до места назначения будет не добраться. Но если засасывает вас (опа!..), вы можете как дойти до места назначения (и аннигилировать в процессе), так и выжить (в виде информации, а не человека) где-то недалеко от горизонта событий. По крайней мере, согласно голографическому принципу, выдвинутому Герардом ’т Хоофтом и Леонардом Сасскиндом. Также этот принцип предполагает, что мы все живём в некоем подобии голограммы.
Вернёмся к песне:
A star dies, collapsing in its core
End of the journey, it won’t be seen anymore
Звезда умирает, коллапсирует в ядре
Дороге конец, её не увидишь уже
Это, по сути, описание рождения чёрных дыр. У массивной звезды заканчивается ядерное топливо, она не может производить достаточно энергии, чтобы сдерживать собственную гравитацию, и буквально коллапсирует в ядре. Это «конец дороги» для звезды и «её больше не увидишь», потому что свет не выходит за горизонт событий (некоторые чёрные дыры создают аккреционный диск, который может быть видимым и ярким, как Гаргантюа из «Интерстеллар». Но допустим, у этой дыры его нет).
Наконец, припев:
I can see the point of no return
And when the light is slowly turning to red
Я вижу точку невозвращения
И когда свет краснеет постепенно
«Точка невозвращения» часто используется для описания горизонта событий, и её можно увидеть, как граница, на которой начинается чернота чёрной дыры. Но почему свет «постепенно краснеет»? Потому, что электромагнитное излучение (такое, как свет), засасываемое в чёрную дыру, подвергается красному смещению; увеличивается длина волны, и она сдвигается к красной части спектра. Поэтому видимый свет будет краснеть, а затем довольно быстро сдвинется к невидимой части спектра.
Привет группе Stratovarius за сочинение практически точной с научной точки зрения песни о чёрных дырах. Как насчёт объяснений по поводу космического корабля и компьютера с русским акцентом?
Bruce Dickinson — Navigate the Seas of the Sun
Брюса Дикинсона я уважаю почти так же, как Ричарда Фейнмана или Карла Сагана. Его песни часто задумчивые, созерцательные и интроспективные. Композиция Navigate the Seas of the Sun особенно поэтическая и в ней содержится ощущение чуда, желание знать и понимать, которое так важно для науки. И в ней упоминается Эйнштейн.
Например, этот куплет:
Purple gold and blue
Living colors every hue
Flowers in the garden of the gods
No one can ever know
If you never saw them grow
This darkness is really full of light
Пурпурное и голубое золото
Оживают все оттенки цвета
Цветы в саду богов
Никто никогда не узнает
Если ты никогда не видел, как они растут
Эта тьма на самом деле полна света
Посмотрев на изображения удалённых галактик и туманностей, сделанные телескопом им. Хаббла, вы узнаете, о чём поёт Брюс. Наша Вселенная, даже малая часть её, которую мы видим, представляет собой взрыв цвета. Она красивая и повергающая в трепет.
![[Перевод] Физика в песнях ме́тал](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/58d/102/67f/58d10267fffce91ed88039641d82dff0.jpg "[Перевод] Физика в песнях ме́тал")
Насколько красива Вселенная в видимом диапазоне, который воспринимают наши глаза, настолько же она красива в инфракрасном, рентгеновском или ультрафиолетовом свете. С расширением Вселенной после Большого взрыва большая часть излучения испытала красное смещение и перестала быть видимой, поэтому космос выглядит тёмным и холодным. Но там много чего происходит. Мы не знали бы об этом, не имея специальных инструментов, но тьма, действительно, «на самом деле полна света», не только видимого.
Переходим к Эйнштейну:
If God is throwing dice
And Einstein doesn’t mind the chance
We’ll navigate the Seas of the Sun
Если бог играет в кости
И Эйнштейн не возражает против шансов
Мы пройдём Морями Солнца
Обожаю этот фрагмент. Он упоминает упрямый отказ Эйнштейна признавать вероятностную природу, описываемую квантовой механикой. Известно его изречение «Бог не играет в кости со Вселенной». Он даже описал квантовую запутанность как «пугающее дальнодействие» (по-немецки это будет spukhafte Fernwirkung), из-за абсурдности.
Почему? Потому, что запутанные частицы нарушают принцип локальности, очень важный в классической физике. Квантовое состояние запутанных частиц работает независимо от расстояния. Обращение спина здесь, в Париже, мгновенно обратит спин его кузена, допустим, на Марсе. Информация перемещается быстрее скорости света. Нелепость! Но в данном случае Эйнштейн заблуждался, и запутанность пока не опровергли. Её даже продемонстрировали незадолго до написания статьи в 2015 году в Делфтском техническом университете.
В старой работе Стивен Хокинг писал:
Судя по всему, даже Бог подчиняется принципу неопределённости, и не может одновременно знать положение и скорость частицы. Так что Бог играет в кости со Вселенной.
Эйнштейн не дожил до развития квантовой механики, но мне кажется, он бы принял её результаты. Не думаю, что он бы «возражал против шансов».
Ayreon — The Theory of Everything
И наконец, перейдём к группе Ayreon. С чего же начать? Весь альбом (ŦĦΣ ŦĦΣΦɌ¥ ΦƑ ΣVΣɌΨŦĦIΠG) – это признание Арьена Антони Люкассена в любви к физике в виде метал-оперы и научный поиск смысла реальности.
В альбоме The Theory of Everything присутствует некий вундеркинд («Prodigy»), имеющий талант в обращении с числами, одновременно являющийся сыном физика, помешанного на поисках теории всего. История развивается в связи с его попытками разобраться с физическим миром, который, по его мнению, сильно отличается от математического. И в истории встречается множество физических понятий.
Альбом представляет собой четыре двадцатиминутные песни, разделённые на 42 главы (догадайтесь, почему). В песне «Сингулярность» (‘Singularity’) Отец поёт:
One single master equation
Unification of the great and small
I hear the notes but the arrangement is wrong
And I’m starting to doubt, but I can’t give up now I’m so near
Одно единственное главное уравнение
Объединение малого и великого
Я слышу ноты, но аранжировка хромает
И я начинаю сомневаться, но не могу сдаваться, ведь я уже так близко
Эти слова описывают текущее состояние физики: невозможность подружить относительность Эйнштейна, описывающее «великое» (гравитацию, орбиты, чёрные дыры) и квантовую механику, описывающую «малое» (атомы, кварки, электромагнитные и ядерные силы, бозон Хиггса). Сейчас у нас есть два разных инструмента, хорошо описывающих эти понятия на их соответствующих масштабах, при этом несовместимых друг с другом! Виной всему гравитация. Мы уже долго боремся с этим, и хотя какие-то подвижки имеются, мы всё ещё находимся слишком далеко от вывода этого неуловимого «одного единственного главного уравнения».
Один из многообещающих, но спорных вариантов – это теория суперструн, инструмент, сводящий всё к крохотным вибрирующим одномерным суперсимметричным струнам. Об этом поёт Отец:
I’m so close to the answer
A dazzling symphony of cosmic strings
I feel the pulse, vibrating just out of reach
The music of space
Я так близок к ответу
Слепящая симфония космических струн
Я чувствую пульс, вибрирующий вне досягаемости
Музыку космоса
Начинала теория струн довольно элегантно, а выросла в нечто сложное и запутанное, разросшись в пять различных вариантов. Поскольку Отец заявляет о том, что слышит ноты (струны вибрируют на разных частотах, как струны гитары), но не может найти правильную аранжировку, я думаю, что он – специалист по теории струн, расстроенный тем, что подход вроде бы верный, но как его применять, не совсем понятно.
Вундеркинд позже признаётся психологу:
I see things that don’t belong
In this four-dimensional world
There is so much more beyond
More to unveil, more to reveal
Я вижу вещи не отсюда
В этом четырёхмерном мире
Там, за горизонтом столько всего
Столько открытий, столько откровений
Математика теории струн описывает вселенную, распространяющуюся за пределы наших четырёх (трёх пространственных, одного временного) измерений, но пока мы не можем этого увидеть. Объединённая теория суперструн вообще говорит об одиннадцати измерениях! Но всё это лишь теории.
Финал – это удивительный дуэт Отца и Сына, напичканный физикой. Он даже включает список дел, которые необходимо выполнить, чтобы можно было взяться за Теорию всего:
Isolate the graviton
Verify the Higgs-Boson ✓
Photons, hadrons
Gluons, fermions
Demonstrate the tachyon
Find the missing baryons
Neutrons, protons
Nucleons, electrons
Ride a wave of gravity
Unravel super symmetry
Position x, sparticles
Momentum p, dark energy
Einstein’s relativity
Meets Heisenberg’s uncertainty
Causality, eternity
Singularity, infinity!
Изолируй гравитон
Хиггса подтверди бозон ✓
Фотоны, адроны
Глюоны, фермионы
Продемонстрируй тахион
Найди остатки барионов
Нейтроны, протоны
Нуклеоны, электроны
Прокатись на волне гравитации ✓
Раскрой суперсимметрию
Позиция х, суперпартнёры
Импульс р, тёмная энергия
Относительность Эйнштейна
Встречается с неопределённостью Гейзенберга
Причинность, вечность
Сингулярность, бесконечность!
К счастью, практически можно вычеркнуть пункт 2 – учёные с Большого адронного коллайдера обнаружили частицы, соответствующие бозону Хиггса, до этого лишь математически предсказываемой частицы, входящей в Стандартную модель. [пункт про гравитационные волны также был выполнен после написания статьи – прим.перев.] Наше понимание ситуации улучшится, когда через 15 лет в Китае запустят круговой электрон-позитронный коллайдер (Circular Electron Positron Collider).
Кстати, тахионы представляют собой интересную теорию. Это предполагаемые частицы, путешествующие быстрее скорости света. Это должно быть невозможно в нашей реальной Вселенной, поскольку они будут нарушать принцип причинности. Но при условиях, которых я уже не понимаю, они могут существовать (но при этом не позволять информации распространяться быстрее скорости света).
Поэтому «продемонстрировать тахион» будет затруднительно – но пусть вас это не останавливает.
Метал в физике
Пока мы обсуждаем физику в музыке метал, но оказывается, что бывает и метал в физике. Физик Пётр Трачик [Piotr Traczyk] работает в менее известном детекторе частиц CMS (Compact Muon Solenoid) в ЦЕРН, наблюдающем новые частицы, созданные в БАК. А кроме этого, он металлист и гитарист.
Пётр написал метал-песню на основе звуковой обработки графиков данных с CMS.
www.youtube.com/watch?v=SXEnDM3hydM
Я решил взять два графика с семинара по поиску бозона Хиггса от 4 июля 2012 года – массовые графики с каналов гамма-гамма и 4-лептон. В их гистограммах примерно по 20 столбцов, так что я взял 16 первых столбцов и назначил каждому по шестнадцатой ноте, в результате получив по одному такту музыки на каждый график.
Мысли, предложения
Надеюсь, что вам понравилось. У меня нет физического образования, а только лишь интерес в космологии (и метале). О замеченных неточностях прошу сообщать мне по почте или через GitHub.
Также сообщайте о новых песнях в стиле метал, имеющих отношение к физике. Я знаю насчёт последнего альбома Nightwish, «Endless Forms Most Beautiful» (название – цитата из Дарвина), в котором есть песня про формирование Земли, а в сингле Élan есть даже песня про Карла Сагана. Но альбома у меня пока нет, так что, возможно, это материал для следующего поста.
