Роджер Пенроуз - Новый ум короля: О компьютерах, мышлении и законах физики

Точка, которая кажется геометрическим центром шара, не принадлежит вселенной, она лишь помогает нам наглядно представить нашу модель. Вещество, выброшенное в результате Большого взрыва, однородно рассеивается по всей пространственной вселенной.

Точно так же обстоит дело и в двух других стандартных моделях (хотя наглядно представить себе картину взрыва будет немного труднее). Вещество никогда не было сконцентрированным в какой-либо точке пространства. Напротив, оно равномерно заполняло всё пространство — причем, с самого начала.

Такая картина лежит в основе теории горячего большого взрыва , называемой стандартной моделью . Согласно этой теории, вселенная, сразу после своего возникновения, была чрезвычайно разогретой и находилась в состоянии горячего протошара . В результате довольно кропотливых вычислений, мы имеем некоторое представление о природе и начальном составе этого шара (т. е. самой ранней вселенной), а также о том, как менялся этот состав по мере расширения и остывания протошара. Достоин удивления тот факт, что для описания вселенной, находящейся в столь отличном от нынешнего состоянии, вообще оказались возможными какие-либо правдоподобные вычисления. Правда, физические принципы, на которых эти вычисления основаны, работают, пока мы не интересуемся событиями, происходившими во вселенной в первые десятитысячные доли секунды после Большого взрыва! Начиная с этого момента и на протяжении последующих трех минут после Большого взрыва поведение вселенной изучено в деталях (см. Вайнберг [1977]) и, что удивительно, современные физические теории, основанные на экспериментальных наблюдениях нынешней вселенной, которая очень сильно отличается по свойствам от той, далекой ранней вселенной, оказываются вполне пригодными для ее описания [179]. Из этих вычислений следует, что во вселенной в однородном рассеянном состоянии должно было находиться большое количество фотонов (т. е. свет), электронов и протонов (две составные части водорода), небольшое количество α - частиц (ядра гелия), еще меньшее количество дейтронов (ядра дейтерия, тяжелого изотопа водорода) и совсем незначительное количество ядер других элементов; а также, вполне вероятно, большое количество всевозможных «невидимых» частиц, которые весьма неохотно обнаруживают себя наблюдателю. Эти материальные составляющие вселенной (главным образом, протоны и электроны), должны были соединиться вместе и образовать тот газ (в основном водород), из которого сформировались звезды спустя примерно 10 8 лет после Большого взрыва.

Звезды, однако, формировались постепенно. После дальнейшего расширения и охлаждения газа, его концентрация в некоторых частях вселенной могла немного увеличиться, что было необходимо для того, чтобы гравитационное притяжение в этой области начало доминировать над всеобщим расширением. Здесь мы подходим к еще нерешенному и спорному вопросу о действительном механизме формирования галактик, и о характере тех начальных неоднородностей, которые обеспечивают возможность формирования галактик. Я не собираюсь обсуждать сейчас эти вопросы. Мы только примем как факт, что в начальном распределении газа должны были иметь место некоторые неоднородности, и в определенный момент вступил в действие определенный механизм гравитационной конденсации, который обеспечил формирование галактик, со всеми сотнями и тысячами миллионов составляющих их звезд!

Мы установили, откуда взялся рассеянный газ. Он возник из того самого протошара, которым, собственно, и являлся Большой взрыв. Второе начало термодинамики в той детальной форме, в которой оно дошло до нас, обязано своим существованием факту удивительно равномерного распределения этого газа в пространстве после того, как стали возможными процессы гравитационной конденсации, повышающие полную энтропию. Насколько же однородно распределено вещество в настоящей вселенной? Мы уже обращали внимание на то, что звезды во вселенной собраны в галактики. Галактики, в свою очередь, группируются в скопления галактик, а скопления — в так называемые сверхскопления. Есть даже некоторые свидетельства в пользу того, что эти сверхскопления собираются в огромные группировки, известные как комплексы сверхскоплений. Необходимо заметить, однако, что все эти неоднородности и скопления — «совершенные пустяки» в сравнении с поразительной однородностью структуры вселенной в целом. При этом, чем глубже в прошлое мы бы могли проникнуть и чем больший объем вселенной мы бы могли исследовать, тем все более однородной оказывалась бы вселенная. Чернотельное фоновое излучение дает самое убедительное свидетельство в пользу такого вывода. Отсюда следует, в частности, что когда возраст вселенной равнялся всего одному миллиону лет, на тех масштабах, которые сейчас расширились до 10 23 километров (такое расстояние от нас включает около 10 10 галактик) вселенная и все составляющее ее вещество были однородны с точностью до одной стотысячной (см. Дэвис и др. [1987]). Вселенная, несмотря на взрывообразный характер своего рождения, была в высокой степени однородной на своих самых ранних стадиях.

Итак, мы поняли, что это был горячий протошар, который так однородно распределил газ по всему пространству. Именно к этому моменту нас привели наши исследования.

Но закончились ли на этом наши поиски оснований для второго начала термодинамики?

Можно ли объяснить тот интригующий факт, что начальная энтропия вселенной была чрезвычайно мала — а именно он и дает нам второе начало — тем обстоятельством, что вселенная началась с Большого взрыва? После некоторых размышлений мы обнаружим, что такое объяснение содержит в себе парадокс. И потому оно никак не может быть окончательным ответом. Вспомним, что первичный протошар представлял собой некоторое тепловое состояние, а именно, горячий расширяющийся газ в тепловом равновесии. Вспомним также, что термин «тепловое равновесие» относится к состоянию с максимальной энтропией.

(Именно так мы определяли максимум энтропии для газа в ящике.) Но второе начало требует, чтобы в начальном состоянии наша вселенная, напротив, находилась, в своего рода минимуме, но не в максимуме!

Где же ошибка? Один из «стандартных» ответов примерно таков:

Действительно, в самом начале протошар пребывал в тепловом равновесии, но вселенная в то время была совсем маленькой. Этот протошар находился в состоянии с максимумом энтропии, разрешенной для вселенной с крошечными размерами, но такая энтропия оказалась бы совершенно ничтожной по сравнению с энтропией, разрешенной для вселенной с ее сегодняшними размерами. По мере расширения вселенной, соответствующий максимум энтропии также возрастал с увеличением размеров вселенной, но реальное значение энтропии вселенной сильно отставало от этого максимума. Следовательно, второе начало появляется благодаря тому, что реальная энтропия всегда пытается догнать свой разрешенный максимум.