Текст книги "До конца времен. Сознание, материя и поиск смысла в меняющейся Вселенной"

Большой взрыв и второе начало

Несмотря на столетия научного прогресса, мы ни на шаг не приблизились к ответу на вопрос, заданный в свое время Готфридом Лейбницем: «Почему существует нечто, а не ничто?». По отношению к этому вопросу мы находимся там же, где были, когда немецкий философ впервые сформулировал так лаконично квинтэссенцию загадки существования. Не то чтобы до него никто не предлагал креативных идей и провокационных теорий. Но, задавая вопрос изначального происхождения, мы хотим получить ответ, который не нуждался бы ни в какой предыстории, ответ, который не сдвигал бы вопрос на один шаг назад, ответ, который не вызывал бы следующих вопросов: «Почему все было именно так, а не этак?» или «Почему эти законы вместо тех?». Ни одно объяснение из всех, какие предлагались до сих пор, не смогло дать такой ответ – и даже близко к нему не подошло.

Инфляционная модель этого точно не сделала. Для инфляции требуется целый список ингредиентов, в который входят пространство, время, вызывающее расширение космическое топливо (инфляционное поле), а также весь технический аппарат квантовой механики и общей теории относительности; все это, в свою очередь, опирается на математику – от анализа функций многих переменных и линейной алгебры до дифференциальной геометрии. Нет никакого известного принципа, который выделял бы именно эти физические законы, сформулированные с использованием именно этих конкретных математических конструктов, и делал их неизбежной стартовой точкой для объяснения Вселенной. Вместо этого мы, физики, стараемся добиться того, чтобы наблюдения и эксперименты вкупе с трудноописуемым интуитивным математическим чутьем вели нас к конкретным физическим законам. Затем мы анализируем эти законы математически, чтобы определить, возможно ли такое состояние среды в первые мгновения существования Вселенной, которое могло бы запустить стремительное расширение пространства. Найдя такие условия, мы постулируем, что они имели место вблизи Большого взрыва, а затем определяем при помощи уравнений, что вслед за этим должно было произойти.

Это лучшее, что мы способны на настоящий момент сделать. И не спешите смеяться. Сегодня мы можем использовать математику для описания того, что, по нашим предположениям, происходило почти 14 млрд лет назад, и на основании этого успешно предсказывать, что теперь должны увидеть мощные телескопы, – от этого, согласитесь, захватывает дух. Конечно, серьезнейших вопросов здесь множество – что или кто создал пространство и время, что или кто наложил на все это связующую сеть математики, чему или кому мы обязаны тем, что что-то вообще существует, – но даже при том, что все они остаются без ответа, в наших представлениях о развертывании космоса произошел мощный прорыв.

Я собираюсь воспользоваться этим прорывом для того, чтобы понять, как Вселенная с ее все возрастающей энтропией, обреченная в дальнейшем на еще больший беспорядок, создает по пути огромное количество порядка. Не забывая об этой конечной цели, начнем с самого базового наблюдения, упоминавшегося в предыдущей главе. Если энтропия стабильно возрастает с момента Большого взрыва, то энтропия тогда, в момент взрыва, должна была быть намного ниже, чем сегодня[40]40
  Для особенно усердного читателя позвольте пояснить важный момент, затуманивающий рассказ. Если все, что вам известно о данной физической системе, – это то, что она обладает не максимальной доступной энтропией, то второе начало термодинамики позволяет вам сделать не один, а целых два вывода: во-первых, наиболее вероятным результатом эволюции системы по направлению в будущее станет увеличение ее энтропии, а во-вторых, наиболее вероятным результатом эволюции системы по направлению в прошлое будет также увеличение ее энтропии. Таково неотъемлемое свойство симметричных относительно хода времени законов – уравнений, которые совершенно одинаково работают при развитии сегодняшней ситуации как вперед, так и назад. Проблема в том, что высокоэнтропийное прошлое, к которому приводят такие соображения, несовместимо с низкоэнтропийным прошлым, о котором свидетельствуют память и записи. (Мы помним, что частично растаявшие кубики льда раньше были менее растаявшими, то есть обладали меньшей энтропией, а не более растаявшими и, соответственно, более высокоэнтропийными.) Что еще важнее, высокоэнтропийное прошлое подорвало бы нашу уверенность не в чем-нибудь, а в самих законах физики, потому что такое прошлое не включало бы в себя эксперименты и наблюдения, которые поддерживают эти самые законы. Чтобы избежать потери уверенности в наших представлениях, мы должны принудительно ввести низкоэнтропийное прошлое. Как правило, мы делаем это путем введения нового предположения, предложенного философом Дэвидом Альбертом и известного как гипотеза прошлого. Гипотеза эта гласит, что энтропия зафиксирована на низком уровне вблизи Большого взрыва и с тех пор в среднем стабильно возрастает. Именно такой подход мы неявно использовали в этой главе. В главе 10 мы явным образом проанализируем маловероятную, но представимую возможность рождения низкоэнтропийного состояния из предыдущей высокоэнтропийной конфигурации. Вводную информацию и подробности см. в главе 7 книги «Ткань космоса» [Грин Б. Ткань космоса. Пространство, время и текстура реальности. – М.: Либроком, 2015. – Прим. ред.].


[Закрыть].

Какой вывод мы должны из этого сделать?

К настоящему моменту вы, вероятно, привыкли пожимать плечами при виде высокоэнтропийной конфигурации – будь то монеты, давшие при броске случайную смесь орлов и решек, или равномерно заполняющий вашу ванную комнату пар, или ароматы, распространяющиеся по всему дому. Высокоэнтропийные конфигурации ожидаемы, обычны, заурядны. Но при виде низкоэнтропийной конфигурации вы понимаете, что реагировать следует иначе. Низкоэнтропийная конфигурация всегда особенна. Она необычна. Она требует объяснения, как в принципе могло возникнуть такое упорядоченное состояние.

В применении к ранней Вселенной эти соображения породили свою долю научного и философского заламывания рук. Посредством какой силы или какого процесса ранняя Вселенная приобрела эту низкую энтропию? Сто монет, упавшие орлами кверху, обладают низкой энтропией и все же допускают немедленное объяснение: вместо того чтобы бросать монеты на стол, кто-то аккуратно их разложил. Но чем или кем организована особая низкоэнтропийная конфигурация ранней Вселенной? Без полной теории космических истоков наука не сможет дать ответ на этот вопрос. Мало того, хотя этот вопрос часто не давал мне спать по ночам (буквально), наука до сих пор не определилась, стоит ли вообще о нем тревожиться. Отсутствие понимания, почему существует нечто, а не ничто, эквивалентно отсутствию средств определить, насколько это нечто на самом деле экзотично или, напротив, обычно. Чтобы оценить, заслуживает ли подробное описание свойств ранней Вселенной пожатия плечами или изумленной перепроверки, необходимо очертить процесс, посредством которого эти свойства были установлены.

Согласно одному из сценариев космологов, ранняя Вселенная была бурной и хаотичной средой, в результате чего величина инфляционного поля в разных точках пространства должна была испытывать дикие флуктуации, напоминающие собой поверхность кипящей воды. Чтобы сгенерировать отталкивающую гравитацию и запустить взрыв, нам нужна небольшая область пространства, в которой величина инфляции однородна (или почти однородна, с учетом квантовых флуктуаций). Но отыскать такую однородную область среди хаотических неровностей – все равно что вскипятить чан воды и отыскать на ее бурлящей поверхности плоский участок. Вы такого никогда не видели. Не потому, что это невозможно, а потому, что это чрезвычайно маловероятно. Чтобы все точки на кусочке поверхности бурлящей случайным образом воды в чане в какой-то момент оказались на одной и той же высоте, образовав плоскую упорядоченную, однородную низкоэнтропийную конфигурацию, потребовалось бы поразительное совпадение. Такое же поразительное совпадение потребовалось бы и для того, чтобы дико колеблющееся инфляционное поле приобрело, пусть даже в пределах маленькой области пространства, одинаковое значение. А без объяснения того, как возникла эта особая, упорядоченная, однородная низкоэнтропийная конфигурация, физики испытывают глубокое беспокойство[41]41
  Математические описания энтропии позволяют сформулировать вопрос точно: в пределах произвольной области существует гораздо больше вариантов, в которых величина поля различается (выше здесь, ниже там, еще ниже вон там и так далее), чем тех, в которых она однородна (имеет одно и то же значение во всех точках); следовательно, требуемые условия обладают низкой энтропией. Однако здесь существует не проговариваемое вслух формальное положение, которое важно озвучить. Для простоты я воспользуюсь классическим языком, но все соображения здесь напрямую переводятся на язык квантовой физики. В микромире ни одна конфигурация частиц или полей фундаментально не выделена из всех прочих, поэтому в общем случае мы считаем их все равновероятными. Но это предположение опирается на то, что философы называют принципом безразличия. Выделяя при отсутствии априорных оснований одну микроскопическую конфигурацию относительно другой, мы присваиваем им равные вероятности реализации. Когда же мы сдвигаем фокус внимания на макромир, то вероятность одного макросостояния относительно другого определяется отношением числа микросостояний, реализующих каждое из них. Если одно из макросостояний обеспечивается вдвое большим числом микросостояний, чем другое, то и вероятность возникновения первого макросостояния будет вдвое выше, чем второго.
  Обратите внимание, однако, что фундаментально принцип безразличия должен иметь эмпирическое основание. В действительности повседневный опыт подтверждает разумность применения принципа безразличия, хотя и неявного, во многих областях. Возьмите хотя бы наш пример с бросанием монет. Считая, что каждое «микросостояние» монет (состояние, задаваемое полным перечислением состояний всех монет: 1-я монета лежит орлом, 2-я монета – решкой, 3-я – решкой и так далее) равновероятно любому из остальных, мы делаем вывод, что те «макроскопические» ситуации (состояния, описываемые только общим числом орлов и решек, но не положением отдельных монет), которые могут быть реализованы большим числом микросостояний, более вероятны. Когда мы бросаем монеты, это предположение эмпирически подтверждается редкостью тех исходов, которые могут быть реализованы лишь небольшим числом микросостояний (таких как все орлы, к примеру) и заурядностью тех, которые могут быть реализованы множеством микросостояний (таких как половина орлов и половина решек).
  Это имеет отношение и к нашей космологической дискуссии: когда мы говорим, что однородный кусочек инфляционного поля «маловероятен», мы точно так же привлекаем к делу принцип безразличия. Мы неявно предполагаем, что каждая возможная микроскопическая конфигурация поля (точное значение поля в каждой точке) имеет точно такую же вероятность появления, как и любая другая, – так что опять же вероятность любой заданной макроскопической конфигурации пропорциональна числу микросостояний, которые ее реализуют. Однако, в отличие от случая с бросанием монет, у нас нет никаких эмпирических данных в пользу этого предположения. Тот факт, что оно кажется нам разумным, основан на нашем повседневном опыте взаимодействия с макромиром, где принцип безразличия подтверждается наблюдениями. Но для космологического развертывания нам доступен лишь один экспериментальный прогон. Бескомпромиссный эмпирический подход подсказывает, что какими бы особыми ни казались некоторые конфигурации с позиции принципа безразличия, но если они ведут к наблюдаемой нами Вселенной, то они выделены и как класс заслуживают называться не просто «вероятными», но «определенными» (в обычном условном смысле всех научных объяснений). Математически такой сдвиг в том, что мы называем вероятным и маловероятным, известен как изменение меры на пространстве конфигураций (см. глава 2, примечание 14). Начальная мера, присваивающая равные вероятности всем возможным конфигурациям, называется «плоской» мерой. Таким образом, наблюдения могут мотивировать нас на введение «неплоской» меры, которая выделяет некоторые классы конфигураций как более вероятные.
  Физиков, как правило, такой подход не устраивает. Введение над пространством конфигураций меры, которая обеспечивала бы присвоение максимального веса тем конфигурациям, которые приводят к известному нам миру, представляется физикам «неестественным». Физики хотят найти фундаментальную, изначальную математическую структуру, из которой будет вытекать такая мера, вместо того чтобы самим эту меру задавать. Здесь важно понять, не слишком ли многого мы хотим и не получится ли так, что успех просто сдвинет вопрос на один шаг назад к неявным предположениям, лежащим в основе любого фундаментального подхода. И это не пустячные придирки. В последние тридцать лет значительная часть теоретической работы в области физики элементарных частиц была направлена на вопросы тонкой настройки в наших самых проработанных теориях (тонкая настройка поля Хиггса в Стандартной модели физики элементарных частиц; тонкая настройка вопросов горизонта и кривизны в стандартной космологии Большого взрыва). Разумеется, такие исследования привели к глубокому проникновению как в физику элементарных частиц, так и в космологию, но не может ли наступить момент, когда нам просто придется принять какие-то свойства мира как заданные, без всякого объяснения? Мне, как и огромному большинству моих коллег, нравится думать, что ответ должен быть отрицательным. Но нет никакой гарантии, что так и будет на самом деле.


[Закрыть].

Пытаясь избавиться от дискомфорта, некоторые исследователи полагаются на простое наблюдение: если ждать достаточно долго, случится даже самый невероятный из всех вариантов. Трясите и бросайте 100 монет раз за разом, и в конце концов у вас выпадет 100 орлов. Не стоит ждать такого результата с нетерпением, но когда-нибудь это произойдет. По аналогии можно утверждать, что в хаотичной среде, где величина инфляции бешено колеблется, рано или поздно – по чистой случайности – возникнет крохотная область, в которой случайные флуктуации, поднимающие величину поля здесь и опускающие там, выровняются, в результате чего поле станет одинаковым во всей области. Для этого требуется статистическая удача, которая приведет к большему порядку и, следовательно, более низкой энтропии, но иногда такое случается. Не часто. Но не беспокойтесь. Поскольку все эти махинации должны были происходить в доисторический период – до стремительного расширения пространства, которое мы называем Большим взрывом, – свидетелей у них не было, никто не наблюдал за процессом, сложа руки и постукивая ногой по полу в ожидании запуска процесса инфляционного расширения. Так что инфляционная прелюдия могла продолжаться сколько угодно, это не имеет значения. И только когда случился все же статистический выброс (возникла однородная область инфляционного поля), ситуация изменилась: сработал запал Большого взрыва, запустилось расширение пространства и началось космологическое представление.

Хотя все это не дает ответов на самые фундаментальные вопросы происхождения (пространства, времени, полей, математики и так далее), становится понятно, как хаотичная среда может породить особые, упорядоченные, однородные низкоэнтропийные условия, необходимые для инфляции. Когда крохотное зернышко пространства делает наконец статистически маловероятный прыжок к низкой энтропии, в дело вступает отталкивающая гравитация, которая превращает его в стремительно расширяющуюся Вселенную, – начинается Большой взрыв.

Это не единственная гипотеза того, как мог состояться Большой взрыв. Андрей Линде, один из пионеров инфляционной космологии, как-то пошутил, что на каждую тройку исследователей приходится по крайней мере девять мнений на этот счет[42]42
  Андрей Линде, при личном общении 15 июля 2019 г. Сам Линде предпочитает подход, при котором инфляционная фаза была инициирована квантово-туннельным переходом из царства всех возможных геометрий и полей, в котором даже концепции времени и температуры, возможно, еще не имеют смысла. Разумно используя некоторые аспекты квантового аппарата, Линде предположил, что квантовое создание условий для инфляционного расширения было, вполне возможно, обычным распространенным процессом в ранней Вселенной, которая не страдала от квантового подавления.


[Закрыть]. Так что поиски более определенного ответа на вопрос о том, как небольшая область пространства стала однородно заполненной инфляционным полем, запустив таким образом взрыв расширения пространства, нам следует оставить для будущих исследований – теоретических и наблюдательных. Пока же просто будем считать, что ранняя Вселенная тем или иным способом перешла в такую высокоупорядоченную низкоэнтропийную конфигурацию, инициировав взрыв и дав нам таким образом возможность заявить, что остальное – история.

Отталкиваясь от этого момента, мы двинемся в путь и посмотрим, как упорядоченные структуры вроде звезд и галактик формируются во Вселенной, мчащейся навстречу своему все более беспорядочному будущему.

Происхождение материи и рождение звезд

За одну миллиардную миллиардной миллиардной доли секунды после Большого взрыва отталкивающая гравитация растянула крохотную область пространства необычайно сильно – возможно, до гораздо больших размеров, чем расстояние до самых далеких объектов, доступных для самых совершенных телескопов[43]43
  Естественно считать, что чем мощнее телескоп (чем обширнее его тарелка, чем больше размер зеркала и так далее), тем более далекие объекты он будет в состоянии различить. Но существует предел. Если объект настолько далек, что никакой свет, излученный им с момента рождения, еще не успел дойти до нас, то, какое бы оборудование мы ни использовали, увидеть его мы не сможем. Мы говорим, что такие объекты лежат за нашим космологическим горизонтом; эта концепция будет играть особенно важную роль в нашем разговоре об отдаленном будущем в главах 9 и 10. В инфляционной космологии пространство расширяется так стремительно, что окружающие его области действительно выносятся за пределы нашего космологического горизонта.


[Закрыть]. Пространство осталось заполненным инфляционным полем, но еще через крохотную долю секунды изменилось и это. Подобно энергии на поверхности расширяющегося мыльного пузыря, энергия в расширяющейся инфляционной области пространства держится на волоске. Она неустойчива. Как мыльный пузырь рано или поздно лопнет, превратив свою энергию в россыпь крохотных капелек мыльной воды, инфляционное поле со временем тоже «лопнуло» – разрушилось, превратив свою энергию в россыпь частиц.

Мы не знаем наверняка, какие это были частицы, но можем сказать с уверенностью, что это не были обычные составляющие вещества, которые изучают в старших классах школы. Но в течение всего нескольких минут по всему пространству прокатился каскад стремительных преобразований частиц: тяжелые частицы рассыпались на веер более легких, частицы с сильным сродством соединялись в тесные конгломераты; и в результате эта первичная баня превратилась в смесь протонов, нейтронов и электронов – строительных блоков знакомого нам вещества (и, что тоже вполне возможно, во множество других, более экзотических частиц, таких как темная материя, о чем свидетельствует долгая история астрономических наблюдений[44]44
  На основании косвенных данных (движения звезд и галактик) сложился консенсус о том, что пространство насыщено частицами темной материи – частицами, которые являются источником гравитационной силы, но не поглощают и не излучают света. Однако, поскольку все поиски темной материи до сих пор ничего не дали, некоторые исследователи предложили свои альтернативы темной материи, в которых наблюдения объясняются при помощи различных модификаций закона тяготения. Из-за продолжающихся неудач многочисленных текущих экспериментов по непосредственному обнаружению частиц темной материи альтернативные теории привлекают к себе все большее внимание.


[Закрыть]). Таким образом, через короткое время после Большого взрыва Вселенная оказалась заполнена горячим, почти однородным туманом из частиц – как знакомых нам, так и неизвестных, – носившихся по продолжающему расширяться пространству.

Я добавил к характеристике «однородный» оговорку «почти», потому что квантовые флуктуации инфляционного поля не только сформировали температурные вариации послесвечения Большого взрыва, но и гарантировали, что, когда инфляция спадет, концентрация образовавшихся частиц тоже будет слегка различаться в пространстве – чуть выше здесь, чуть ниже там и так далее. Эти вариации сыграют ключевую роль в том, что произойдет следом: в крайне важном процессе образования комковатых структур вроде звезд и галактик. Область, которая оказалась чуть плотнее соседних, становится источником чуть более сильного гравитационного притяжения и, соответственно, втягивает в себя чуть бóльшую часть окружающих частиц. Так эта область становится еще плотнее, дает еще более сильное гравитационное притяжение и втягивает еще больше вещества. Возникает эффект снежного кома в отношении гравитации, в результате которого формируются комки вещества размером все больше и больше. Достаточно немного подождать, порядка сотен миллионов лет, и из гравитационных «снежных комьев» получатся агломерации частиц настолько массивные, настолько сжатые и настолько горячие, что в них запустятся ядерные процессы, породив таким образом звезды. Именно квантовая неопределенность, усиленная инфляционным растягиванием и сконцентрированная эффектом гравитационных «снежных комьев», привела к появлению тех светящихся точек, что усеивают ночное небо.

Вопрос теперь ставится следующим образом: как процесс формирования звезд, в ходе которого гравитация из беспорядочной, почти однородной бани частиц собирает упорядоченные астрофизические структуры, сочетается со вторым началом, утверждающим рост беспорядка? Для ответа нам необходимо рассмотреть чуть более тщательно различные пути, ведущие к более высокой энтропии.

Барьеры на пути к беспорядку

Когда ваш хлеб печется в духовке, высвобожденные из него частицы распространяются наружу, занимая все больший объем, так что их энтропия возрастает. Но, находясь в отдаленной спальне, вы не сразу ощутите аромат свежеиспеченного хлеба. Аромату требуется время, чтобы распространиться по всему дому. Придется ждать, пока ароматические молекулы проникнут наружу и образуют доступные высокоэнтропийные конфигурации. Это типичная ситуация. Физические системы, как правило, не могут прыгнуть прямиком в конфигурацию с максимальной энтропией. Вместо этого, пока образующие систему частицы блуждают случайным образом, энтропия постепенно возрастает, стремясь к максимально возможной.

На пути к более высокой энтропии могут встретиться препятствия, замедляющие прогресс. Закройте поплотнее духовку и кухонную дверь – и вы затрудните распространение аромата, а следовательно, замедлите рост энтропии. Такие препятствия обусловлены вмешательством человека, но существуют и другие ситуации, в которых энтропийные препятствия возникают вследствие законов, управляющих ни много ни мало фундаментальными физическими взаимодействиями. В случае, который приключился со мной еще в детстве, также задействована духовка.

Однажды в четвертом классе я пришел домой из школы и решил разогреть остатки пиццы, которые обнаружил в холодильнике. Я поставил духовку на 200 ℃, сунул пиццу на средний уровень и стал ждать. Примерно через десять минут я проверил, как идут дела, и с удивлением обнаружил, что пицца по-прежнему такая же холодная, какой была, когда я ее доставал из холодильника. Тогда до меня дошло: ручку включения газа я повернул, а зажечь духовку забыл. (У нашей скромной плиты, как у многих в то время, не было встроенной системы поджигания газа, так что при каждом включении газ необходимо было зажигать спичками.) Следуя процедуре, которую я сотни раз наблюдал в исполнении родителей, я наклонился к открытой духовке и чиркнул спичкой, собираясь сунуть ее в специальное небольшое отверстие. К этому моменту в духовке скопилось довольно много газа, и, когда я зажег спичку, газ взорвался. На меня ринулась стена пламени. Я плотно закрыл глаза, и огонь пронесся мимо меня, спалив брови, ресницы и оставив на лице и ушах ожоги второй и третьей степени. Непосредственный жизненный урок, который не забыли отметить мои родители и который существенно закрепили месяцы болезненного лечения, был сфокусирован на правильном использовании кухонной утвари. (Со временем я оправился, и теперь в нашей семье готовлю в основном я – хотя каждый раз, когда мои дети включают духовку, я испытываю мгновенный приступ тревоги.) Но более серьезный научный смысл урока заключается в том, что на пути к более высокой энтропии возможны препятствия, которые преодолимы только при помощи катализатора. Сейчас поясню.

Природный газ (в основном это метан, соединение углерода и водорода) может мирно сосуществовать с кислородом воздуха; молекулы того и другого газа смешиваются без каких бы то ни было последствий. Однако, по мере того как молекулы распространяются и перемешиваются, систему начинает все больше манить вполне определенная конфигурация с намного большей энтропией. Но этой конфигурации невозможно достичь, просто позволяя молекулам и дальше свободно рассредоточиваться. Эта более высокоэнтропийная конфигурация требует химической реакции. Не нужно разбираться в деталях, но позвольте мне кратко проговорить все это. Одна молекула природного газа может соединиться с двумя молекулами кислорода, и в результате получится одна молекула углекислого газа, две молекулы воды, а также – и это самое важное – порция энергии. Именно так на уровне молекул выглядит процесс горения природного газа. Химическая реакция высвобождает энергию, запертую в тесных связях, которые удерживают атомы в молекуле. Что-то похожее происходит, когда лопаются туго натянутые резинки. В случае моего инцидента с духовкой этот обжигающий энергетический выброс – сильно возбужденные и быстро движущиеся молекулы – обжег мне лицо. Все это говорит нам, что путем высвобождения энергии, запасенной в упорядоченных химических связях, и превращения ее в хаотическое движение стремительно движущихся молекул подобные химические реакции дают резкое повышение энтропии.

Хотя подробности этого события относятся к ошибке конкретного ребенка, сам эпизод демонстрирует физический принцип, имеющий широкое применение. На энтропийной дороге могут встретиться «лежачие полицейские»: природный газ и кислород, оставленные в покое, не станут вступать в реакцию, не станут гореть и не достигнут сами принципиально возможной высокоэнтропийной конфигурации. Эти химические компоненты могут преодолеть энтропийный барьер только с помощью катализатора, способного запустить реакцию. В моем случае таким катализатором стала горящая спичка. Маленькое пламя, которое четвероклассник получил, чиркнув спичкой, запустило эффект домино. Энергия пламени разорвала связи в некоторых молекулах природного газа, что позволило освобожденным атомам углерода и водорода соединиться с соседними атомами кислорода; при это высвободилась дополнительная энергия, которая разорвала новые связи в молекулах природного газа, и так далее – процесс пошел. Взрыв представлял собой каскад энергии, порожденной быстрой перестройкой химических связей.

Отметим, что химические связи основаны на электромагнитном взаимодействии. Положительно заряженные протоны притягивают отрицательно заряженные электроны (противоположные заряды притягиваются), скрепляя атомные составляющие в молекулярные союзы. Это означает, что энтропийный скачок от спокойного перемешивания газовых молекул к взрывному горению, порождаемому разрывом и формированием химических связей, тоже обусловливается электромагнитным взаимодействием. Так же обстоит дело и во многих других повышающих энтропию процессах, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни.

Здесь, на Земле, мы реже с этим встречаемся, но в эпизодах, которые раз за разом разыгрываются в космосе, движение к повышенной энтропии часто обусловлено другими природными взаимодействиями: гравитационным взаимодействием и ядерными взаимодействиями (сильное ядерное взаимодействие скрепляет атомное ядро, а слабое – порождает радиоактивный распад). И как мы только что видели в случае с электромагнитным взаимодействием, путь к более высокой энтропии, прокладываемый гравитацией и ядерными взаимодействиями, тоже не всегда бывает гладким. На этом пути могут обнаружиться барьеры, и часто они там действительно есть. То, как Вселенная преодолевает эти барьеры, – космический аналог моего чирканья спичкой – дело тонкое. Но это дело должно глубоко интересовать всех нас. К числу преходящих объектов, которые формируются в процессе движения Вселенной под управлением гравитации и ядерных взаимодействий к более высокой энтропии, относятся звезды и планеты, а здесь, на Земле, – жизнь. При всем своем великолепии эти упорядоченные структуры – рабочие лошадки природы, которыми пользуются гравитация и ядерные взаимодействия, чтобы продвигать космос к реализации его энтропийного потенциала.

Сосредоточимся для начала на гравитации.

Гравитация, порядок и второе начало

Сила всемирного тяготения, или гравитация, – слабейшее из природных взаимодействий, что очевидно из простейшей демонстрации. Возьмите в руку монету. Мышцы вашей руки при этом преодолели гравитационное притяжение всей Земли. Каким бы вы себя ни считали, спортивным или хилым, победа над тяготением целой планеты только подчеркивает имманентно свойственную гравитации слабость. Единственная причина, по которой мы вообще знаем о гравитации, – это ее кумулятивная природа: каждый кусочек Земли притягивает к себе каждый кусочек монеты, и каждый кусочек этой книги, и каждый кусочек вашего тела, а поскольку Земли суммарно довольно много, все эти силы складываются в ту самую направленную вниз силу, которую мы на себе ощущаем. Но гравитационное притяжение между двумя не столь крупными вещами, такими как два электрона, в миллион миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов раз слабее, чем их электромагнитное отталкивание.

Именно по причине имманентной слабости гравитации мы даже не упоминали ее при обсуждении энтропии. Если бы мы включили действие гравитации в повседневные ситуации, такие как распространение пара по вашей ванной или ароматов по всему дому, наш рассказ об энтропии практически не изменился бы. Разумеется, гравитация мягко тянет молекулы вниз, делая плотность пара возле пола чуть выше, но эффект этот настолько слаб, что для качественного понимания ситуации просто не имеет значения. Однако если перенести фокус внимания с повседневных процессов на астрономические, с участием гораздо большего количества вещества, то обнаружится глубоко значимое взаимовлияние между энтропией и гравитацией.

Следует признать, что идеи, которые я сейчас изложу, довольно сложны для понимания, поэтому не стесняйтесь пропустить часть текста и перейти сразу к следующему разделу, если в какой-то момент рассказ покажется вам слишком мудреным. Но и награда, если вы останетесь со мной, вас ждет стóящая: понимание того, как гравитация спонтанно лепит порядок из все более беспорядочного космоса.

Представьте космическую версию сценария с выпеканием хлеба. Вместо дома – громадный ящик, намного больше Солнца по размеру, плавающий в пустом пространстве. А вместо ароматов, просачивающихся из духовки, представьте, что в начальный момент в центре ящика имеется газовый шар (для определенности пусть это будет водород, простейший элемент Периодической системы), молекулы которого просачиваются наружу. По опыту общения с хлебным ароматом, плывущим по дому, мы ожидаем, что газ будет эволюционировать по направлению к большей энтропии – его молекулы будут распространяться и перемешиваться, пока равномерно не заполнят ящик. Но позвольте теперь немного поменять ситуацию. В отличие от примера с хлебом добавим в газовый шар так много молекул, чтобы гравитация между ними имела значение: гравитационное притяжение, испытываемое любой отдельно взятой молекулой и порождаемое совместным гравитационным притяжением каждой из громадного числа остальных газовых молекул, существенно влияет на движение молекулы. Как это повлияет на наш вывод?

Так вот, представьте себя на месте газовой молекулы, возглавляющей движение наружу. Когда вы улетаете из центрального скопления, вы чувствуете на себе притяжение всех остальных молекул, которое тянет вас назад. Сила тяготения замедляет вас. Более низкая скорость означает более низкую температуру. Так что по мере того, как газовое облако, расширяясь, увеличивает свой объем, температура ближе к его краям снижается (имейте это в виду). А теперь перейдем к точке зрения молекулы, расположенной ближе к центру облака. Будучи ближе, вы чувствуете намного более сильное притяжение в сравнении с предыдущим опытом на отдаленной границе облака. Мало того, если молекул будет достаточно, то совокупное гравитационное поле окажется достаточно сильным, чтобы вовсе не позволить вам двигаться наружу. Вместо этого вас потянет внутрь, так что вы начнете падать к центру газового облака, набирая скорость. Более высокая скорость означает более высокую температуру, так что по мере того, как гравитация заставляет ядро газового облака сжиматься, уменьшаясь в объеме, температура газа повышается.

В сравнении с ходом событий, ожидаемым нами при выпекании хлеба, – что газ со временем равномерно распространится по ящику и температура его тоже выровняется, – мы видим, что в случае, когда гравитация играет заметную роль, события разворачиваются совершенно иначе. В результате действия гравитации некоторые молекулы оказываются втянуты в горячую и плотную сердцевину, тогда как остальные продолжат дрейфовать наружу, в окружающую ее более прохладную и разреженную оболочку.

Этим скромным, на первый взгляд, наблюдением мы с вами открыли один из главнейших механизмов формирования порядка во Вселенной. Позвольте пояснить.

Признайтесь, вам ведь никогда не случалось взять в руку чашку с утренним кофе и обнаружить, что он горячее, чем был, когда вы его наливали? Это потому, что теплота всегда течет в направлении от большей температуры к меньшей, так что ваш горячий кофе передает часть своей теплоты более прохладной среде, в результате чего его собственная температура снижается[45]45
  Направление потока теплоты, от более нагретых веществ или сред к менее нагретым, есть прямое следствие второго начала термодинамики. Когда горячий кофе остывает до комнатной температуры, передавая часть своей теплоты молекулам воздуха в комнате, воздух слегка нагревается и, соответственно, его энтропия увеличивается. Повышение энтропии воздуха превышает снижение энтропии в остывающем кофе, гарантируя тем самым, что суммарная энтропия системы увеличивается. Математически изменение энтропии системы задается изменением ее теплоты, деленным на ее температуру где S обозначает энтропию, Q обозначает теплоту, а T обозначает температуру). Когда теплота перетекает от горячей системы к холодной, величина изменения теплоты для каждой системы одинакова, но, как показывает приведенное уравнение, снижение энтропии горячей системы окажется меньше, чем увеличение энтропии холодной (из-за множителя T в знаменателе), так что в итоге мы получаем повышение суммарной энтропии.


[Закрыть]. В нашем большом облаке газа теплота тоже течет от горячей сердцевины к более прохладной окружающей ее оболочке. Теперь я не удивлюсь, если вы подумаете, что этот поток теплоты остудит сердцевину и нагреет оболочку, сблизив их температуры, примерно как теплота, переданная вашим кофе окружающему воздуху, остужает вашу чашку и сближает ее температуру с комнатной. Но – и это замечательно и необычайно важно – когда бал правит гравитация, все получается наоборот. По мере того как теплота утекает из ядра, оно становится горячее и оболочка остывает.

Безусловно, это противоречит нашим интуитивным представлениям, но для понимания этого утверждения достаточно, по существу, всего лишь соединить уже намеченные нами точки. По мере того как оболочка впитывает в себя теплоту, получаемую от ядра, эта дополнительная энергия заставляет облако еще больше увеличиться в объеме. Молекулам, движущимся наружу, приходится опять же преодолевать притягивающее действие гравитации, в результате чего они замедляются еще сильнее[46]46
  Согласно закону сохранения энергии, когда молекулы движутся из центра наружу, их гравитационная потенциальная энергия возрастает, а кинетическая, соответственно, уменьшается.


[Закрыть]. Суммарный эффект заключается в том, что температура расширяющейся оболочки снижается, а не повышается. И наоборот, по мере того как центральная часть, ядро, отдает теплоту, снижение величины энергии заставляет его сжиматься еще сильнее. Движущиеся внутрь молекулы летят туда же, куда тянет их гравитация, и набирают по ходу дела скорость, в результате чего температура сжимающегося ядра возрастает, а не убывает.

Если бы ваш кофе вел себя подобным образом, вам следовало бы пить его побыстрее. Чем дольше вы ожидали бы, тем больше теплоты он высвободил бы в окружающее пространство – и тем горячее стал. Для кофе такое поведение абсурдно. Но в газовом облаке, достаточно большом, чтобы доминирующую роль в нем играла гравитация, происходит именно это.

Задумайтесь на мгновение об этом выводе, и вы поймете, что мы столкнулись с самоусиливающимся процессом, сильно напоминающим то, что происходит с задолженностью по кредитной карте: чем больше вы должны, тем большие проценты вам начисляют и тем больше становится ваш долг, что заставляет всю эту ситуацию раскручиваться по спирали. По мере того как сердцевина газового облака сжимается, а ее температура растет, она начинает выделять в более прохладное окружение больше теплоты; это заставляет сердцевину сжиматься, а ее температуру – возрастать еще сильнее. В то же время теплота, полученная оболочкой, заставляет ее сильнее расширяться, и ее температура дополнительно снижается. Растущий температурный разрыв между ядром и оболочкой заставляет теплоту течь еще быстрее, и цикл идет по расширяющейся спирали.

Если исключить варианты с внешним вмешательством или изменением обстоятельств, такие самоусиливающиеся циклы идут беспрепятственно. При чрезмерном росте долга по кредитке вмешиваетесь вы, погашая задолженность или объявляя себя банкротом. В случае со сжатым ядром, которое становится все горячее и горячее, вмешивается природа с новым физическим процессом: ядерным синтезом. Когда совокупность атомов становится достаточно горячей и плотной, они сталкиваются с такой силой, что могут соединяться на более глубоком уровне, чем это происходит в ходе химических процессов, таких как горение природного газа. Если химическое горение – реакция, в которую вовлекаются окружающие атом электроны, то ядерный синтез – это реакция, при которой соединяются ядра в центрах атомов. При таком глубоком слиянии ядерный синтез генерирует большое количество энергии в форме быстрого движения частиц. Именно это быстрое тепловое движение порождает внутреннее давление, направленное наружу и способное скомпенсировать направленную внутрь силу тяготения. Таким образом, ядерный синтез останавливает сжатие. В результате возникает сконцентрированный, стабильный и устойчивый источник тепла и света.

Рождается звезда.

Чтобы оценить, как процесс формирования звезды сказывается на энтропийном итоге, сложим все составляющие. Как ядро газового облака, которое становится звездой, так и окружающая его газовая оболочка являются объектом двух конкурирующих энтропийных эффектов. Для ядра: температура растет, увеличивая энтропию, а объем снижается, понижая энтропию. Только тщательные вычисления[47]47
  Для читателей, склонных к математике и имеющих подготовку в области физики, скажу, что в этом можно разобраться при помощи упрощенного расчета с использованием классической статистической механики, в которой энтропия пропорциональна объему фазового пространства. Предположим, что сжимающееся газовое облако удовлетворяет условиям (знаменитой) теоремы вириала, которая соотносит среднюю кинетическую энергию частиц K с их средней потенциальной энергией U посредством формулы K = –U/2. Затем, поскольку гравитационная потенциальная энергия пропорциональна 1/R, где R – радиус облака, мы видим, что K пропорциональна также 1/R. Более того, поскольку кинетическая энергия пропорциональна квадрату скоростей частиц, выясняем, что средняя скорость частиц пропорциональна Таким образом, объем фазового пространства, доступного частицам в облаке, пропорционален где первый множитель представляет пространственный объем, доступный этим частицам, а второй – доступный им объем импульсного пространства. Мы видим, что снижение пространственного объема доминирует над ростом объема импульсного пространства, что дает общее снижение энтропии по мере сжатия облака. Отметим также, что теорема вириала гарантирует, что по мере сжатия облака снижение потенциальной энергии превосходит рост кинетической (благодаря делителю 2 в формуле, связывающей K и U), так что снижается не только энтропия сжимающейся части облака, но и ее энергия. Высвобождающаяся энергия излучается в окружающую ядро оболочку, энергия которой растет, как и ее энтропия.


[Закрыть] могут определить победителя; результат показывает, что падение превосходит рост, так что суммарная энтропия ядра снижается. Образование больших гравитационных сгустков, таких как звезды, – реальный шаг к большему порядку. Для окружающей ядро оболочки: объем растет, тем самым повышая энтропию, а температура снижается, тем самым понижая энтропию. Опять же, для определения победителя требуются подробные вычисления, результат которых показывает, что рост превалирует над снижением, так что суммарная энтропия оболочки растет. Что не менее важно, расчет устанавливает, что рост энтропии в оболочке превосходит падение энтропии в ядре, гарантируя, что весь процесс приводит к общему увеличению энтропии, заслужив тем самым одобрительный кивок от второго начала.

Эта цепочка событий, сильно идеализированная и упрощенная разумеется, показывает, как звезда – островок низкой энтропии, островок порядка – может образоваться спонтанно, хотя никакой инженер не управляет этим процессом и хотя второе начало термодинамики с его утверждением о непрерывном росте суммарной энтропии продолжает вовсю действовать. По сравнению с паровой машиной космический механизм довольно странный, однако то, что мы обнаружили, – это еще один пример энтропийного тустепа. Примерно как паровая машина и окружающая ее среда участвуют в термодинамическом танце (паровая машина выпускает излишек теплоты, что приводит к снижению энтропии, тогда как среда впитывает эту теплоту и повышает свою энтропию), так и газовое облако с гравитацией (облако достаточно большое, чтобы гравитация в нем играла существенную роль) исполняют аналогичное па-де-де. По мере того как ядро такого газового облака сжимается под действием тяготения, его энтропия снижается, но при этом оно высвобождает теплоту, под действием которого энтропия окружения возрастает. Возникает локальная область порядка в среде, которая переживает более значительный прирост беспорядка.