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

Сосредоточимся для начала на гравитации.

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 стоящая: 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 12. 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 сильнее13. 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.