Как появилась Вселенная? Большие и маленькие вопросы о космосе

Конец Вселенной – и вправду конец?

Когда в пустоте растворятся все мёртвые звёзды и испарятся все чёрные дыры, во Вселенной ничего не останется.[59] Точнее – не останется никакой субстанции. Только вечно остывающий, бесконечно становящийся всё более разреженным электронно-фотонный «суп». Вселенная станет холодной и однородной, из неё исчезнет вся полезная энергия, без которой не будет никаких возможностей для существования сколько-нибудь сложных структур, и, конечно, жизни. Вселенная достигнет своего конечного состояния – тепловой смерти.[60]

Выражение «тепловая смерть» звучит драматически, но предсказана она была задолго до появления современной космологии с её огненным Большим Взрывом и расширяющимся пространством-временем. В 1851 лорд Кельвин (мы кратко упоминали его выше) предположил, что Вселенная понемногу замедляется и истощается, из горячей становится холодной, и впереди её ждёт тепловая смерть. Кельвин тоже был не первым, кто пришёл к этой идее, но он первым изложил её на языке термодинамики.

Мы уже рассматривали второй закон термодинамики, когда раздумывали о том, почему Вселенная повсюду такая одинаковая, и как получается, что энергия любого процесса в конце концов минимизируется. Теперь нам придётся разобраться в этом более подробно, и для этой цели мы введём ещё одно понятие из термодинамики – энтропию. Об энтропии и о том, что это слово значит, написано огромное количество слов. В объяснениях много раз повторяется слово «беспорядок», в пример приводится кавардак в комнате подростка. Да, понятие энтропии и само может выглядеть сбивающим с толку и нарушающим порядок в мыслях, и этому только способствует существование нескольких его определений.

Людвиг Больцман записал первое математическое определение энтропии в 1870-х – теперь это уравнение высечено на надгробии автора. В то же самое время немного иную формулировку этого понятия, основанную на вероятностях, предложил американский статистик Дж. Уиллард Гиббс. Два этих математических подхода выглядят очень похожими, но бывают случаи, когда ответ, который вы получаете, зависит от выбранного вами математического аппарата. И конечно, такая ситуация далека от идеальной.

И Больцман, и Гиббс интересовались термодинамикой, наукой, описывавшей тепловые потоки в различных процессах. Она родилась из чисто практической проблемы, возникшей во времена Промышленной революции: определения возможной эффективности парового двигателя. Решение этой проблемы выросло в стройную современную научную систему, захватившую умы самых выдающихся физиков мира. Старшеклассник, возможно, впервые сталкивается с термодинамикой в виде газовых законов Бойля, а когда он начинает грызть гранит науки в университете, термодинамика является ему в облике статистической физики – науки о разных способах, которыми атомы газа могут быть перераспределены, чтобы получить те или иные различные или одинаковые исходы эксперимента. И всё-таки в основе своей термодинамика есть наука о тепловых потоках.

Прямой путь к пониманию энтропии Больцманом и Гиббсом – анализ количества полезной энергии в системе, то есть энергии, которая может быть использована для выполнения какого-то действия – для работы двигателя или обеспечения жизнедеятельности организма. Предметы, обладающие большим запасом полезной энергии, имеют более низкую энтропию. Заметьте, что важно не полное количество энергии, а только количество полезной энергии.

Возможно, вам всё это не очень понятно. Возьмём простой пример. Представьте, что у вас есть два металлических бруска, горячий и холодный. Если вы их приложите друг к другу, тепло будет перетекать от горячего к холодному. Теоретически вы можете использовать этот поток энергии, чтобы заставить работать двигатель. Значит, в ситуации с холодным и горячим металлическими брусками энтропия низкая: есть энергия, которую можно использовать. Если, однако, у нас есть два тёплых бруска, обладающих тем же общим количеством энергии, что суммарная для горячего и холодного брусков, то, когда мы приложим бруски друг к другу, потока тепла между ними не возникнет и никакой полезной энергией такая система обладать не будет. У тёплых брусков более высокая энтропия. И, хоть такая идея может показаться немного заумной, мы фактически можем думать о любом процессе как о перетекании энергии из одного места в другое.

Люди воспринимают поток тепла – энергии, которая питает наш повседневный мир – как необратимый процесс. Когда нам показывают видео приготовления пищи, разбивания яйца или падения на пол хрустальной вазы «задом наперёд», мы сразу чувствуем диссонанс. Но если показать кому-то видео летящего мяча, описывающего дугу в воздухе, зритель не отличит, когда ему показывают этот полёт в реальной последовательности, а когда в обратной. Все добрые старые физические законы обратимы. Обратите законы физики во времени – и они всё равно будут решениями соответствующих уравнений. Физические законы симметричны относительно времени. Но если в соответствии с законами физики движение вперёд даёт такое же правильное решение, как и движение назад, почему же тогда время течёт только в одном направлении? Этот парадокс, возможно, самая очевидная и самая простая из нерешённых проблем физики.

Так называемая «стрела времени» – хорошо запоминающаяся формулировка идеи aсимметрии времени, которое имеет определённое однонаправленное течение.[61] Эта идея противоречит уравнениям движения Ньютона, Максвелла, Эйнштейна и даже Шрёдингера: все они симметричны относительно времени. Однако в квантовой физике всё же есть один необратимый процесс, о котором мы пока что не упоминали: наблюдение.