Возвращение времени. От античной космогонии к космологии будущего - Ли Смолин

Вторая необычная особенность законов природы связана с поведением системы, части которой удерживаются вместе за счет силы тяжести. Гравитация нарушает наши наивные представления о термодинамике. Обыденное наблюдение, которое также является следствием второго начала термодинамики, говорит нам, что тепло распространяется от горячих тел к холодным: лед тает, вода в чайнике кипит. Тепло перестает перетекать, когда температура двух тел сравняется и они достигнут состояния равновесия. Обычно, когда мы забираем энергию у тела, его температура падает, а когда передаем, температура растет. Поэтому, когда поток тепла распространяется от горячего тела к холодному, последнее нагревается, а первое остывает. Это продолжается до тех пор, пока их температура не станет одинаковой. Поэтому воздух в помещении имеет одну температуру. Если бы это было не так, энергия перетекала бы из теплой стороны комнаты в холодную, пока не было бы достигнуто общее значение температуры.

Такое поведение делает равновесную систему устойчивой к эффектам, вызываемым небольшими флуктуациями. Предположим, в результате флуктуации в одной части комнаты стало чуть теплее. Энергетический поток будет распространяться от теплой части, охлаждая ее, в сторону холодной части, нагревая ее, и вскоре температура снова выровняется. Большинство систем работает так. Но это не все.

Представьте: есть газ, который при передаче ему энергии охлаждается, и нагревается, когда энергию забирают. Это может показаться парадоксальным, но такие газы существуют. Они должны быть нестабильными. Предположим, наша комната наполнена таким газом при одной температуре. Флуктуация переместит немного энергии из левой части комнаты в правую. Тогда левая сторона нагреется, правая остынет. Это приведет к увеличению потока энергии из левой, горячей части, к холодной. И чем больше энергии передается прохладной части комнаты, тем сильнее она остывает. Это пример нестабильности, в котором разница температур между двумя частями комнаты постоянно растет.

Теперь рассмотрим нагретую часть комнаты. Предположим, произошла другая флуктуация, в результате которой в центре теплой части температура немного снизилась. Благодаря тому же феномену с положительной обратной связью произойдет дальнейшее охлаждение центра и разогрев области вокруг него. Со временем небольшая флуктуация перерастает в сильно выраженную особенность. Это может происходить снова, и скоро появится сложная структура из чередующихся холодных и горячих объемов газа.

Система, которая так работает, со временем превращается в сложную. Сказать, что из нее получится, трудно, потому что есть огромное количество конфигураций, в которые такая система может эволюционировать. Мы называем эти системы антитермодинамическими. Для них второе начало термодинамики действует, однако раз передача энергии в объем газа его охлаждает, состояние, в котором равномерно распределен газ, крайне нестабильно.

Гравитационно-связанные системы ведут себя таким необычным образом. Звезды и звездные системы, галактики, черные дыры – все это антитермодинамические системы. Они остывают, когда вы затрачиваете на них энергию. Все они неустойчивы. Это не допускает однородности и стимулирует формирование структур в пространстве и времени.

Это во многом объясняет, почему Вселенная не находится в равновесии сейчас, спустя 13,7 миллиарда лет после своего рождения. Рост структуры и сложности Вселенной во многом объясняется тем, что наполняющие ее гравитационно-связанные системы (от скоплений галактик до звезд) антитермодинамические.

Нетрудно понять, почему такие системы антитермодинамические. Гравитацию от других сил отличают два основных свойства: во-первых, она дальнодействующая, во-вторых, повсеместно действующая. Рассмотрим планету на орбите вокруг звезды. Если вы затратите на нее энергию, она перейдет на орбиту дальше от звезды, где скорость ее вращения уменьшится. Таким образом, увеличение энергии снижает скорость планеты, и это уменьшает температуру в системе (температура – лишь мера средней скорости тел в системе). И наоборот: если вы заберете энергию, планета переместится ближе к звезде и начнет вращаться быстрее. Таким образом, отдача энергии нагревает систему.

Мы можем сравнить это с поведением атома, части которого удерживаются вместе электрическими силами между зарядами. Электрическая сила, как и гравитационная, действует на больших расстояниях, но лишь между противоположными зарядами. Положительно заряженный протон притягивает отрицательно заряженный электрон, но когда электрон связан с протоном, получившийся атом имеет нулевой суммарный заряд. В этом случае говорят, что система насыщена, атом не притягивает другие частицы. Солнечная система работает противоположным образом, потому что когда звезда притягивает несколько планет, получившаяся система будет притягивать пролетающие мимо тела еще с большей силой, чем звезда без планет. Это еще пример нестабильности: гравитационно-связанная система притягивает все больше тел.

Это антитермодинамическое поведение проявляется, например, как деволюция звездных скоплений. Если бы звездное скопление представляло собой термодинамическую систему, оно могло бы достичь равновесия (в данном случае – состояния, в котором все его звезды имели одну среднюю скорость), и скопление осталось бы навсегда скоплением. Вместо этого скопление рассеивается. Всякий раз, когда звезда приближается к двойной звезде (две звезды на орбите друг вокруг друга), это может привести к изменению орбиты двойной звезды так, что расстояние между ними сокращается. При орбитальном сжатии выделяется энергия, которая передается третьей звезде. У третьей звезды теперь достаточно энергии, чтобы покинуть скопление. В итоге от скопления мало что остается, кроме некоторых двойных звезд на близких орбитах друг вокруг друга и облака быстро расходящихся во все стороны звезд.

Это противоречит не второму началу термодинамики, а лишь его наивной интерпретации. Закон, гласящий, что энтропия, как правило, возрастает, лишь кодифицирует банальную истину: чем больше возможностей того, что нечто случится, тем выше вероятность, что это произойдет. Нормальные термодинамические системы кончают свое существование одинаково: приходят к скучному равновесию. Гравитационно-связанные, антитермодинамические системы в итоге переходят в одно из многообразных состояний.

Тому, что наша Вселенная интересна, есть три объяснения. Во-первых, принцип принудительной самоорганизации управляет мириадами подсистем в разных масштабах, начиная с молекулярного и заканчивая галактическим, и направляет их эволюцию. Двигателем этого процесса выступают звезды, которые существуют благодаря сочетанию тонкой настройки фундаментальных законов с антитермодинамическим характером гравитационно-связанных систем. Но эти силы могут воспроизвести Вселенную со звездами и галактиками лишь в случае, если ее начальные условия сильно асимметричны относительно стрелы времени.

Все это в определенной степени может быть принято в рамках ньютоновой парадигмы. Но если мы остановимся на ней, то мироздание окажется основанным на невероятных событиях, например уникальности законов природы и начальных условий. Печально, но единственная Вселенная, которая естественно появляется в ньютоновой парадигме, мертва. Очевидно, что это не наш случай. А с точки зрения реальности времени естественно, что и Вселенная, и ее фундаментальные законы асимметричны во времени.