Йэн Стюарт - Математика космоса [Как современная наука расшифровывает Вселенную]

То, что верно для комнаты, верно, конечно, и для большой комнаты. Так почему бы нам не взять комнату размером с целую Вселенную? Более того, почему не рассмотреть саму Вселенную? Ведь ясно, что второй закон термодинамики требует, чтобы весь газ во Вселенной распределился равномерно по всему ее объему, образовав что-то вроде разреженного тумана.

Если бы это было так, то для человечества это было бы очень плохой новостью, поскольку мы с вами состоим не из разреженного тумана. Мы довольно плотные, с этим не поспоришь, и живем на довольно большом комке вещества, которое обращается по орбите вокруг еще более крупного комка — такого крупного, что он поддерживает энергетические ядерные реакции, порождая тепло и свет. Неудивительно, что те, у кого не лежит сердце к обычным научным описаниям происхождения человечества, часто привлекают второй закон термодинамики, чтобы «доказать», что мы не могли бы существовать, если бы некое гиперразумное существо намеренно не сотворило нас и не организовало Вселенную в соответствии с нашими запросами.

Однако термодинамическая модель газа в комнате не годится для построения модели поведения Солнечной туманности — или Вселенной в целом. В ней рассматриваются не те типы взаимодействия. Термодинамика предполагает, что молекулы замечают друг друга только при столкновениях; в этом случае они отскакивают друг от друга. Столкновения носят абсолютно упругий характер (это значит, что энергия при столкновении не теряется), так что молекулы продолжают летать и сталкиваться вечно. Формально можно сказать, что силы, управляющие взаимодействием молекул в термодинамической модели газа, — это силы отталкивания с малым радиусом действия.

Представьте себе вечеринку, где всем гостям завязывают глаза и затыкают уши, так что узнать о присутствии в зале кого-то еще можно только одним способом: наткнувшись на него. Вообразите себе также, что все присутствующие чрезвычайно необщительны, поэтому любые двое, случайно столкнувшись, спешат сразу же оттолкнуться и разойтись. Скорее всего, после некоторого начального периода многочисленных столкновений и шатания по залу гости распределятся по нему довольно равномерно. Распределение не будет абсолютно равномерным все время, поскольку иногда гости будут случайно сближаться и даже сталкиваться, но в среднем они будут распределены по залу. Так ведет себя термодинамический газ, в котором в роли гостей выступает гигантское число молекул.

Газовое облако в космосе — явление более сложное. При столкновении молекулы по-прежнему разлетаются, но в облаке присутствует и другая сила — гравитация. Термодинамика не учитывает гравитацию, потому что в этом контексте ее действие пренебрежимо мало. Но в космологии гравитация — доминантный игрок, потому что газа в пространстве очень-очень много. Термодинамика помогает ему сохранять газообразность, но именно гравитация определяет, что делает газ в крупных масштабах. Гравитация — это сила притяжения с большим радиусом действия; она представляет собой почти точную противоположность упругим столкновениям. Говоря о «большом радиусе действия», мы имеем в виду, что тела гравитационно взаимодействуют между собой, даже если далеко разнесены в пространстве. Тяготение Луны (и в меньшей степени Солнца) поднимает приливы в земных океанах — а ведь до Луны от нас почти 400 000 километров. «Притяжение» — это просто: взаимодействующие тела под действием этой силы движутся по направлению друг к другу.

Это похоже на вечеринку, где каждый видит всех остальных в зале — в любом его уголке, но чем дальше, тем менее отчетливо, а увидев, кидается к ним. Вряд ли стоит удивляться тому, что масса гравитационно взаимодействующего газа естественным образом собирается в комки. В очень маленьких областях в газе доминирует термодинамическая модель, но в более крупном масштабе тенденция к образованию комков берет верх над динамикой.

Если мы пытаемся понять, что будет происходить с гипотетической Солнечной туманностью в масштабе солнечных систем или планет, нам придется учитывать гравитационную силу притяжения дальнего действия. Отталкивание ближнего действия при столкновении молекул, возможно, скажет нам что-нибудь о состоянии небольшой области в атмосфере планеты, но ничего не сообщит о самой планете. Мало того, эта сила обманет нас, заставив подумать, что планета вообще не должна была сформироваться.

Скучивание — неизбежное следствие гравитации, а равномерное распределение нет.

Поскольку под действием силы тяготения вещество собирается в сгустки, непонятно, как может эта же самая сила разорвать молекулярное облако на части. Эти утверждения кажутся противоречивыми.

Ответ состоит в том, что одновременно в массе газа может возникнуть несколько конкурирующих сгустков. При математическом обосновании того, что газовое облако в конечном итоге соберется в плоский вращающийся диск, мы для начала считаем, что заполненная газом область имеет приблизительно сферическую форму, может быть, слегка вытянутую, как мяч для регби, но никак не в виде, скажем, гантели. Однако в большом облаке газа обязательно возникнут случайно расположенные локальные области, в которых вещество окажется чуть плотнее, чем в остальных местах. Каждая такая область выступает в роли центра притяжения, поскольку постепенно притягивает дополнительное вещество из окружающих областей и обретает все более мощную гравитационную силу. Возникающий в результате сгусток газа сначала имеет довольно строгую сферическую форму, а затем коллапсирует во вращающийся диск.

Однако в достаточно большом газовом облаке может сформироваться несколько таких центров. Несмотря на то что гравитация обладает большим радиусом действия, с увеличением расстояния между телами ее сила ослабевает. Поэтому молекулы притягиваются к ближайшему центру. Вокруг каждого такого центра формируется область, в которой доминирует именно его гравитационное притяжение. Если на вечеринке присутствуют двое очень популярных гостей и они находятся в противоположных концах зала, то собравшиеся в зале разделятся на две группы. Таким же образом газовое облако организуется в трехмерную лоскутную структуру из притягивающих центров, и эти области разрывают облако вдоль общих границ. На практике процесс выглядит немного более сложно, и быстрые молекулы могут уходить из-под влияния ближайшего центра и оказываться в конечном итоге в другом сгустке, но, если не вдаваться в подробности, следует ожидать именно такого поведения. Каждый центр сжимается и образует звезду, а из каких-то остатков вокруг звезды могут сформироваться планеты и другие более мелкие тела.