Брайан Грин - До конца времен. Сознание, материя и поиски смысла в меняющейся Вселенной

15. Есть несколько важных моментов, которые мы в этом абзаце обошли молчанием и которые меняют смысл понятия «максимальная энтропия», когда речь идет о Вселенной. Во-первых, в этой главе мы не принимаем во внимание роль гравитации. В Главе 3 мы это сделаем. И, как мы увидим, гравитация оказывает глубокое влияние на природу высокоэнтропийных конфигураций частиц. Мало того, хотя мы не будем на этом сосредоточиваться, в заданном конечном объеме пространства конфигурацией с максимальной энтропией является черная дыра — объект, сильно зависящий от гравитации, — которая полностью заполняет пространственный объем (подробности можно посмотреть, к примеру, в моей книге «Ткань космоса», в главах 6 и 16). Во-вторых, если мы рассмотрим сколь угодно большие — даже бесконечно большие — области пространства, то конфигурациями с наибольшей энтропией для заданного количества вещества и энергии будут те, в которых составляющие их частицы (вещество и/или излучение) равномерно распределены по все возрастающему объему. В самом деле черные дыры, как мы узнаем в главе 10, в конечном итоге испаряются (посредством процесса, открытого Стивеном Хокингом), порождая все более высокоэнтропийные конфигурации, в которых частицы распределены все более равномерно. В-третьих, для целей данного раздела единственный нужный нам факт состоит в том, что энтропия, присутствующая в настоящий момент в любом заданном объеме пространства, имеет немаксимальное значение. Если бы этот объем содержал, скажем, комнату, в которой вы в настоящее время находитесь, — энтропия увеличилась бы, если бы все частицы, из которых состоите вы, ваша мебель и все остальные материальные структуры комнаты, коллапсировали в маленькую черную дыру, которая затем испарилась бы, испуская частицы, распространяющиеся по все большему объему пространства. Так что само существование интересных материальных структур — звезд, планет, жизни и т. п. — подразумевает, что энтропия сейчас ниже, чем она потенциально могла бы быть. И именно такие особые, сравнительно низкоэнтропийные конфигурации требуют объяснения. В следующей главе мы попробуем объяснить их возникновение.

16. Для особенно кропотливого читателя стоит, пожалуй, оговорить еще одну дополнительную деталь. Когда пар выталкивает поршень, он тратит на это часть той энергии, которую получил из топлива, но при этом пар не передает поршню никакой энтропии (предполагается, что поршень имеет ту же температуру, что и пар). В конце концов, находится ли поршень здесь или, будучи вытолкнутым, он находится на небольшом расстоянии отсюда, никак не сказывается на внутреннем порядке или беспорядке в нем; энтропия поршня не меняется.

Поскольку поршню энтропия не передается, она полностью остается в паре. Это означает, что, когда поршень, готовясь к следующему толчку, возвращается в первоначальное положение, пар должен каким-то образом избавиться от избытка энтропии, который в нем накопился. Это достигается, как подчеркивается в этой главе, тем, что паровая машина сбрасывает тепло в окружающую среду.

17. Рассел Б. Поклонение свободного человека // Рассел Б. Почему я не христианин. М., 1987. С. 16.

Georges Lemaître, "Recontres avec Einstein", Revue desQuestions scientifiques 129 (1958): 129-32. [Репринт: RQS, 183 (2012): 541-5. Английский перевод: http://inters.org/lemaitre-einsten. Хотя эту фразу часто приводят в кавычках как дословную цитату Эйнштейна, в действительности она является меметизированным пересказом фрагмента воспоминаний Леметра о встречах с Эйнштейном. В исходной публикации это изложено так: "Après quelques remarques techniques favorables, il conclut en disant que du point de vue physique cela lui paraissait tout à fait abominable." — «После нескольких благосклонных технических замечаний он в заключение сказал, что с физической точки зрения это кажется ему совершенно отвратительным». Также вряд ли можно считать корректным выражение «отмахнулся» (в оригинале у Б. Грина "dismissed him out of hand"). Разговор с Эйнштейном начался на прогулке по парку в ходе Сольвеевского конгресса (1927) и был достаточно обстоятельным, чтобы пригласить Леметра продолжить его в такси. — Прим. науч. ред.] В полной истории обращения Эйнштейна к идее расширяющейся Вселенной участвовали два фактора. Во-первых, Артур Эддингтон показал математически, что более раннее предположение Эйнштейна о статичной Вселенной сталкивается с технической проблемой: решение неустойчиво, а именно — если пространство слегка подтолкнуть к расширению, то расширение пространства продолжится, а если слегка же подтолкнуть к сжатию, то пространство будет сжиматься и дальше. Во-вторых, из наблюдательных данных, как уже говорилось в этой главе, становилось все яснее, что пространство не статично. Сочетание того и другого убедило Эйнштейна отказаться от представления о статичной Вселенной (хотя некоторые утверждают, что именно теоретические соображения могли оказать на него наиболее серьезное влияние). Подробности этой истории можно найти в статье: Harry Nussbaumer, "Einstein's conversion from his static to an expanding universe", European Physics Journal — History 39 (2014): 37–62.

Alan H. Guth, "Inflationary universe: A possible solution to the horizon and flatness problems", Physical ReviewD 23 (1981): 347. Формальный физический термин для обозначения «космического топлива» — скалярное поле. В отличие от более привычных электрического и магнитного полей, которые дают вектор в каждой точке пространства (величину и направление электрического или магнитного поля в этой точке), скалярное поле дает в каждой точке пространства лишь одно число (либо числа, из которых можно определить энергию поля и давление). Обратите внимание: в статье Гута, как и во многих последующих работах, подчеркивается роль инфляции в разрешении целого ряда космологических вопросов, прежде ставивших исследователей в тупик, — проблемы монополя, проблемы горизонта и, самое заметное, проблемы кривизны пространства. Доступный и полезный разбор этих вопросов см. в: Alan Guth, The Inflationary Universe (New York: Basic Books, 1998). Мне, вслед за Гутом, нравится объяснять инфляцию, поднимая более интуитивно понятный вопрос об определении внешнего толчка, давшего начало пространственному расширению Большого взрыва. [На русском языке вопрос весьма доходчиво изложен в книге Виленкин А. Мир многих миров. М.: CORPUS, Астрель, 2010. — Прим. науч. ред.]

Остывание, о котором идет речь, происходит после завершения инфляционного взрыва, когда Вселенная уже вошла в фазу менее стремительного, но все еще значительного пространственного расширения. Для простоты я обошел вниманием кое-какие промежуточные этапы развертывания космоса. Ранняя Вселенная остывала потому, что значительная часть содержавшейся в ней энергии несла в себе электромагнитные волны, а эти волны с расширением пространства растягиваются. Удлинение электромагнитных волн — так называемое красное смещение — уменьшает их энергию и снижает их общую температуру. Заметьте, однако, что, несмотря на понижение температуры, общая энтропия возрастает из-за увеличения объема пространства.