Терри Пратчетт - Наука Плоского Мира II: Земной шар

В каком-то смысле это заманчивая перспектива. Появление «комков» материи в нашей Вселенной похоже на «обратное перемешивание» яйца: увеличение ее сложности следует из уникальных начальных условий. Большая часть «обычных» начальных условий привела бы к возникновению Вселенной без всяких «комков» — точно так же, как обычное движение вилкой приводит к перемешиванию яйца. К тому же результаты наблюдений уверенно говорят о том, что в момент Большого Взрыва начальные условия были чрезвычайно гладкими, в то время как любое «обычное» состояние гравитационной системы предположительно является неоднородным. То есть с учетом упомянутого выше предположения получается, что начальное состояние Вселенной должно быть подобрано специальным образом — это довольно привлекательная точки зрения для тех, кто верит в уникальность нашей Вселенной, и, как следствие, уникальность роли, которую мы в ней играем.

От Второго Закона до Бога за один шаг.

Роджер Пенроуз даже подсчитал, насколько особенным должно быть это начальное состояние, сравнив его термодинамическую энтропию с энтропией гипотетического конечного состояния, в котором Вселенная становится системой Черных Дыр. Это финальное состояние обладает крайне высокой неоднородностью — хотя и уступает неоднородности Вселенной, состоящей из одной гигантской Черной Дыры. В результате энтропия начального состояния оказалась примерно в 10 30раз меньше энтропии предполагаемого конечного состояния, что указывает на чрезвычайно особенные начальные условия. Настолько особенные, что Пенроузу пришлось ввести новый асимметричный во времени закон, благодаря которому ранняя Вселенная становится исключительно однородной.

О да, истории вводят нас в заблуждение… Есть и другое, более рациональное объяснение. Ключевая идея проста — гравитация совсем не похожа на термодинамику. В газе, состоящем из колеблющихся молекул, однородное состояние — то есть постоянство плотности — обладает устойчивостью. Соберите весь газ в одном небольшом пространстве внутри комнаты и предоставьте его самому себе — он моментально восстановит однородное состояние. Гравитация действует прямо противоположным образом: в условиях тяготения однородные системы нестабильны. С течением времени мельчайшие изменения, неразличимые при любом конкретном уровне «зернистости», не просто способны проявиться на макроскопическом уровне — они проявятся обязательно.

В этом состоит принципиальное различие между гравитацией и термодинамикой. Термодинамическая модель, дающая наилучшее приближение нашей Вселенной, такова, что с течением времени все различия в ней становятся меньше уровня зернистости и, в итоге, стираются. В наилучшей гравитационной модели различия, напротив, со временем выходят за границы «зерен» и усиливаются. Рассматривая эти научные теории в контексте одной и той же стрелы времени, мы видим, что их отношения к «зернистости» прямо противоположны.

Теперь мы можем дать совершенно иное и гораздо более рациональное объяснение «разрыву в энтропии», который Пенроуз, обнаружив, приписал чрезвычайно маловероятным начальным условиям. На самом деле это просто побочный эффект крупнозернистости. Материя, концентрирующаяся под действием гравитации, постепенно превышает уровень зернистости, который термодинамическая энтропия не учитывает по определению. Таким образом, практически любое начальное распределение материи во Вселенной привело бы к ее концентрации. Особое, исключительное состояние для этого не нужно.

Физические различия между гравитационными и термодинамическими системами довольно очевидны: гравитация — это дальнодействующая сила притяжения, в то время как упругие соударения действуют в малых масштабах и приводят к взаимному отталкиванию. Неудивительно, что такие разные законы действия сил приводят к такой разнице в поведении. Представьте себе крайний случай, когда масштаб действия гравитации настолько мал, что она вступает в силу только при столкновении частиц, навечно склеивая их вместе. В таких условиях увеличение «комковатости» — довольно очевидный эффект.

Реальная Вселенная проявляет как гравитационные, так и термодинамические свойства. В определенных условиях больше подходит термодинамическая модель, и тогда термодинамика дает хорошее приближение. В других — более адекватной оказывается модель теории гравитации. И даже этими двумя случаями дело не исчерпывается: в молекулярной химии мы снова сталкиваемся с множеством различных типов сил. Было бы ошибкой сводить любое природное явление к термодинамической или гравитационной модели. И вряд ли нам стоит ожидать, что термодинамическая и гравитационная модели будут одновременно действовать в общем контексте — учитывая тот факт, что в условиях «крупнозернистой структуры» они ведут себя диаметрально противоположным образом.

Видите? Все просто. И никакой магии…

Возможно, здесь стоит подвести итог нашим рассуждениям.

«Законы» термодинамики, и в особенности знаменитый Второй Закон, дают статистически верную картину природы — в определенных условиях. Они не выражают универсальную истину об устройстве Вселенной — это подтверждается ее «комковатой» структурой, появившейся благодаря гравитации. Вероятно, в будущем мы даже найдем подходящий способ измерения гравитационной сложности, подобный термодинамической энтропии, но отличающийся от нее — скажем, «гравитропию». Тогда нам, возможно, удастся математически вывести «второй закон гравитатики», согласно которому гравитропия любой гравитатической системы со временем возрастает . Гравитропия, к примеру, может представлять собой фрактальную размерность («степень запутанности») системы.

Несмотря на то, что крупнозернистое приближение играет противоположные роли в двух упомянутых типах систем, оба «вторых закона» — и термодинамический, и гравитатический — могли бы дать довольно точное описание нашей Вселенной. Объясняется это тем, что в основе этих законов лежат результаты реальных наблюдений. И тем не менее, несмотря на кажущееся соперничество, два закона относятся к совершенно разным типами физических систем: в одном случае — это газы, в другом — системы частиц, движущихся в условиях силы тяготения.

Познакомившись с двумя примерами неверного использования теоретико-информационных и связанных с ними термодинамических принципов, мы можем обратиться к интригующему предположению об информационной природе Вселенной.

Чудакулли подозревал, что любое странное явление, — например, исчезновение «обитателей ракушечных холмов», — Думминг Тупс попытается объяснить с помощью «квантов». Это объяснение всегда выглядит довольно привлекательным, потому что квантовый мир действительно живет по необычным законам. Некоторые физики, пытаясь придать смысл квантовой Вселенной, высказали предположение о том, что в основе всех квантовых явлений (а, значит, и вообще всего) лежит понятие информации. Джон Арчибальд Уилер выразил эту идею в своей известной фразе «Все из Бита». Если вкратце, то любой квантовый объект описывается конечным числом состояний. К примеру, спин электрона может иметь одно из двух направлений — вверх или вниз. Следовательно, состояние Вселенной можно представить в виде гигантского списка «верхов» и «низов», а также других, более сложных, но в целом подобных им величин — то есть в виде очень длинного двоичного сообщения.