Дэвид Кристиан - Большая история [С чего все начиналось и что будет дальше]

Структурированные потоки энергии – скорее интуитивное понятие, чем выражение из научного жаргона. Но смысл его вот в чем: в термодинамике различают энергию совершенно неупорядоченного движения и движения направленного, структурированного, согласованного, которое способно совершать работу благодаря своим качествам. Энергию структурированного движения называют свободной энергией, а неструктурированного – тепловой. Это деление не абсолютно. Речь идет скорее о степени связности или хаотичности. Тем не менее разница между свободной и тепловой энергией в нашей истории имеет основополагающее значение.

Согласно первому закону термодинамики, общее количество энергии во Вселенной никогда не меняется. Энергия сохраняется. По-видимому, Вселенная возникла сразу с определенным потенциалом возникновения событий. Таким образом, на самом деле первый закон говорит об исходном океане возможностей. Второй закон термодинамики гласит, что то, что возникает из этого океана, может быть более или менее структурировано, как рябь на воде. Однако следует ожидать, что чаще всего структуры будет мало и со временем ее будет становиться все меньше. Дело в том, что наиболее вероятны слабо или вообще неструктурированные формы организации материи и энергии, и, если вы вдруг все же видите структуру, ждите, что скоро она распадется.

Хороший пример – водопад. Он весьма структурирован, но его структура в конце концов рассеется. Молекулы воды наверху водопада движутся не беспорядочно, как молекулы воздуха в сосуде, а в одном направлении, будто стая крадущихся кошек, держась как можно ближе друг к другу. Это происходит потому, что, в отличие от молекул газа, которые перемещаются по отдельности, молекулы жидкости связаны друг с другом электромагнитной силой. Поэтому гравитация может двигать их тесным строем в одну сторону, как солдат на марше. Когда вода переливается через край, потенциальная энергия превращается в кинетическую, энергию движения. Это скоординированное движение в одном направлении. Оно структурировано, так что можно сказать, что им управляет свободная энергия. А она, в отличие от неупорядоченной тепловой энергии молекул газа, может производить работу, потому что у нее есть форма и структура и она может двигать предметы в едином направлении, а не толкать их во все стороны сразу [33] «С молекулярной точки зрения, поднять вес означает передвинуть все его атомы в одном и том же направлении… Работа – это передача энергии, для которой используется согласованное движение окружающих атомов». См.: Peter Atkins . Four Laws That Drive the Universe. Oxford: Oxford University Press, 2007. P. 32. . При желании можно направить поток свободной энергии в турбину и генерировать электричество. Свободная энергия – вот что вершит дела. В нашей истории происхождения мира она действует, как резвый неугомонный заяц из рекламы батареек Energizer.

Но, в отличие от энергии в целом, свободная энергия не сохраняется. Она нестабильна, как распрямляющаяся пружина. Совершая работу, она теряет и структуру, и способность совершать работу дальше. Когда вода разбивается о валуны внизу водопада, возникает рассеянная, несвязанная тепловая энергия. Все молекулы колеблются более-менее независимо. Энергия никуда не делась, она сохраняется (это первый закон). Но теперь молекулы толкаются во все стороны, поэтому уже не могут привести турбину в движение. Свободная энергия перешла в тепловую. Второй закон термодинамики гласит, что когда-нибудь, в далеком будущем, в тепловую превратится вся свободная энергия.

Направленная сразу во все стороны, тепловая энергия, как пьяный регулировщик, создает хаос. Свободная энергия, подобно трезвому регулировщику, действует по определенным направлениям и создает порядок. К счастью для нас, благодаря базовым правилам в ранней Вселенной было какое-то количество свободной энергии. Они заставили ее двигаться по определенным, неслучайным путям и обеспечили хотя бы минимальную структуру.

Свободная энергия привела к появлению первых крупных структур – галактик и звезд. Важнейшим ее источником в этой части нашей истории была гравитация. Гравитация в космологии подобна овчарке, которая собирает стадо. Она стала сгонять в стада простые формы материи, возникшие при Большом взрыве. Наличие одновременно и гравитации и материи сформировало условия Златовласки для возникновения звезд и галактик.

Результаты исследований космического микроволнового фонового излучения показывают, что в ранней Вселенной было мало крупных структур. Представьте себе, что тонкая, невесомая взвесь из атомов водорода и гелия парит в теплом океане темной материи, пронизанном фотонами света. И температура везде примерно одинаковая. Мы знаем, что вначале Вселенная была гомогенна, потому что можем измерить разницу температур в реликтовом излучении и обнаружить, что самые горячие части ранней Вселенной были всего на сотую градуса теплее самых холодных. Не было никаких пригодных к использованию температурных градиентов, никаких энергетических водопадов, чтобы формировать новые структуры. Вы можете сами создать значительно большую разницу температур, просто потерев себя пальцем по лицу.

Затем гравитация стала формировать из этого малообещающего материала кое-что поинтереснее. Большой взрыв раздвигал пространство, а она тем временем судорожно пыталась собрать энергию и материю воедино.

Вокруг гравитации строилась ньютоновская концепция Вселенной; это же понятие сыграло роль объединяющей идеи в научной революции. Ньютон объяснял, как функционирует гравитация, в одном из важнейших научных трудов всех времен – Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, или «Математические начала натуральной философии», вышедшем в 1687 году. Для него это была универсальная сила притяжения, действующая между всеми телами, которые обладают массой. Два с половиной века спустя Эйнштейн показал, что энергия тоже может создавать гравитационное притяжение, потому что именно из нее и состоит материя.

Эйнштейн предсказал еще одно важное явление, связанное с гравитацией: если это форма энергии, значит, как и электромагнетизм или звук, она должна генерировать волны. Но Эйнштейн опасался, что волны эти слишком слабые, чтобы кому-нибудь когда-нибудь удалось их обнаружить. В сентябре 2015 года две гигантские машины, одна в Луизиане, а другая в штате Вашингтон, под управлением лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории, или LIGO, наконец зафиксировали гравитационные волны, и эта работа максимально ярко демонстрирует красоту передовой науки. В 2017 году три человека, которые внесли в этот проект значительный вклад, получили Нобелевскую премию по физике [34] Их имена – Райнер Вайсс, Барри Бэриш и Кип Торн. – Прим. ред. . Гравитационные волны, зафиксированные обсерваторией LIGO, возникли около 100 млн лет назад при столкновении двух черных дыр в далекой галактике где-то в Южном полушарии неба (в этот момент на нашей планете еще царили динозавры). На Земле в каждой из машин обсерватории LIGO луч света разделили на два луча, которые отправили под прямым углом друг к другу двигаться вверх-вниз по двум четырехкилометровым трубам с зеркалами на обоих концах. Когда после почти 300 прохождений лучи вернулись, это произошло не совсем одновременно. Мельчайшие гравитационные волны вытянули трубы в одном направлении и сжали в другом на величину значительно меньше ширины протона. Теперь, когда астрономы знают, что гравитационные волны существуют, они надеются найти новые способы исследовать Вселенную с их помощью.