Десять великих идей науки. Как устроен наш мир. - Питер Эткинз

Давайте попробуем расставить эти утверждения по порядку. Сначала давайте примем преобладающую точку зрения, которую более подробно исследуем в главе 8, что Вселенная не станет падать сама в себя и сжиматься в Большом Хлопке. Тогда практически нет необходимости беспокоиться о возможности, в некотором смысле, поворота времени, когда неестественное становится естественным, когда Вселенная начинает падать в себя. Но ученые любят исследовать границы мыслимого, и мы могли бы отделить вопрос о термодинамическом будущем Вселенной от ее космологического будущего. Другими словами, предположим, что мы (то есть космологи) не правы относительно долговременного будущего Вселенной и что на самом деле она сожмется. Что тогда? Станет ли естественное неестественным, неспонтанное спонтанным?

Одаренный в высшей степени богатым воображением, в том числе зрительным, британский математик Роджер Пенроуз (р. 1931) посмотрел в лицо схлопывающейся Вселенной и предположил, что может существовать гравитационный вклад в энтропию. Другими словами, беспорядок может возникать скорее из самой структуры пространства-времени, чем просто из беспорядочного расположения вещей, наследующего эту структуру. Пенроуз принимает сингулярность начального момента, Большой Взрыв, но считает возможным, что сингулярность конечного момента, Большой Хлопок, может быть точкой с гораздо более сложной структурой (рис. 4.13). Таким образом, хотя в свои последние дни вещество и энергия могут сжаться обратно в единственную точку и иметь поэтому необычайно низкую энтропию, структура пространства-времени, которую они наследуют, будет столь сложной, что беспорядок окажется больше, чем в начальный момент творения. Итак, энтропия будет продолжать расти от нынешнего момента до вечности, даже если вечность (или по крайней мере несколько десятков миллиардов лет) вернет нас обратно в сингулярность.

Рис. 4.13. Даже если мы направляемся к Большому Хлопку, нам не следует ожидать, что энтропия начнет уменьшаться обратно, когда Вселенная начнет сжиматься. Возможно, что существует гравитационный вклад в энтропию, то есть конечная сингулярность (справа) будет неизмеримо более сложна, чем начальная сингулярность (слева), так что энтропия Вселенной будет продолжать возрастать даже при ее сжатии.

Но возможно, что космос ожидает более невыразительное с виду будущее, все возрастающее его расширение, неограниченный рост его масштаба. В таком сценарии места для рассеяния вещества и энергии будет становиться все больше. Даже если бы все вещество должно было превратиться в излучение, энтропия этого излучения возрастала бы вместе с занимаемым им объемом. Реальной проблемой, однако, является то, что если бы все вещество должно было превратиться в излучение, а все это излучение должно было перейти в диапазон бесконечных длин волн, так что в отдаленном будущем осталось бы мертвое однородное пространство-время безо всякой энергии вообще, то на первый взгляд кажется, что и энтропия Вселенной была бы равна нулю. Но физика космологических масштабов длины и времени еще недостаточно определенный предмет, и возможно, что даже небольших флуктуаций плотности энергии в огромном объеме пространства вполне достаточно, чтобы гарантировать, что полная энтропия крайне велика. Этот вопрос остается открытым.

Гравитация и энтропия являются замечательными компаньонами. На первый взгляд можно подумать, что между общей теорией относительности, теорией гравитации Эйнштейна (с которой мы встретимся в главе 9) и работой Второго Начала очень мало связи, если не считать того, что может существовать гравитационный вклад в энтропию. Однако, когда мы начинаем думать о структуре пространства-времени в терминах энтропии, обнаруживается замечательный факт. В 1995 г. Тед Джекобсон[19] показал, что если мы скомбинируем выражение Клаузиуса для изменения энтропии при поступлении тепла с утверждением о связи энтропии с площадью поверхности, ограничивающей область (на самом деле эти две величины пропорциональны друг другу, как установлено для поверхности, окружающей черную дыру), то получим искажение локальной структуры пространства-времени в точности такое, как предсказывают уравнения Эйнштейна общей теории относительности. Другими словами, в чисто математическом смысле Второе Начало влечет существование уравнений Эйнштейна общей теории относительности!

Итак, возможно, что паровой двигатель не только внутри нас. Он везде.

Глава пятая

Атомы

Редукция вещества

Я покажу те атомы, из которых природа творит все вещи…

Мы видели внешние проявления изменений в образовании биосферы и внутренние механизмы этих изменений в молекулярных основаниях генетики. Мы видели то, что не изменяется, энергию, и видели, в терминах энтропии, почему изменяются вещи. Теперь мы исследуем материальную основу изменений еще более детально, совершив, таким образом, переход от мастодонтов к элементам.

Что сообщает наука о природе вещества, материала, из которого сделано все, доступное ощущениям? Мы изучим этот чрезвычайно важный вопрос в два этапа. На первом этапе, составляющем предмет настоящей главы, мы исследуем вопрос, который окажется лежащим на поверхностном уровне, хотя и не выглядит таким, и опишем появление концепции атома, этой валюты всех рассуждений в химии. Мы увидим, почему различные атомы имеют различные индивидуальности, которые мы называем их химическими свойствами. Пусть не оттолкнет вас мысль о том, что эта глава посвящена химии. Химия является мостом между постигаемым миром веществ и воображаемым миром атомов, и несмотря на зачастую ужасные воспоминания о столкновениях с этим предметом в школе, он способен глубоко очаровывать и просвещать, даже если его скорее вертят в руках (как здесь), чем разжевывают. Моя цель — ввести сюда немного химии, чтобы ваши глаза увидели мир вокруг вас, и ваше восхищение им стало глубже. Затем, в следующей главе, мы оставим поверхностный взгляд на атомы и погрузимся в самые глубины того понятия, которое мы именуем материей. Тогда мы приблизимся к пониманию того, чем материя является на самом деле, и сделаем это таким способом, который мог бы удовлетворить даже древних греков.

Греки много думали о материи и предложили так много различных гипотез о ее природе, что по крайней мере одна из них, вполне вероятно, могла оказаться правильной. Некоторые из их предположений были совершенно ложны, но демонстрировали достойный одобрения дух исследования. Так, Фалес из Милета (около 500 до н.э.), считающийся в народном воображении отцом философии, найдя высоко в горах ископаемые морские раковины, незадолго до своей кончины внезапно пришел к заключению, что все сделано из воды. Тысячу лет спустя этот взгляд нашел свое место в Коране:

Мы… сделали из воды всякую вещь живую. Неужели они не уверуют?[20]

Величие этого источника в глазах некоторых придает такому взгляду авторитетность даже сегодня. Однако греки продвигались в своих поисках понимания, считая, что одной сущности недостаточно для объяснения многообразия сущностей мира. Так, Гераклит из Эфеса (приблизительно 540-475 до н.э.), развивая идею Фалеса, заключил, что необходим агент изменений, и добавил в котел бытия огонь. Вскоре Эмпедокл из Сицилии (приблизительно 492-432 до н.э.), считая, что твердость трудно образовать только из воды, воздуха и огня, усовершенствовал эту первосмесь еще больше, добавив к ней землю, и предположив, а возможно и веря, что все может быть построено из воздуха, земли, огня и воды (рис. 5.1). Аристотель (384-322 до н.э.) был почти полностью согласен с эмпедокловой редукцией мира к четырем элементам, возражая только, что подлунный мир Земли, это театр перемен и распада, совершенно отличен от вечной небесной сферы, и что эмпедокловы элементы приложимы к первому, но недостаточны для понимания последней. Для вневременной, совершенной небесной сферы Аристотель считал обязательным пятый основной элемент, квинтэссенцию.

Рис. 5.1. Две самых ранних периодических таблицы элементов. Диаграмма слева показывает четыре элемента, положенные древними греками в основу материи, и свойства, сообщаемые этими элементами тем веществам, которые они образуют. Диаграмма справа дает китайскую версию, восходящую к даосскому взгляду на бытие, основанному Лао-цзы (около 600 до н.э.), в котором пять элементов возникают из взаимодействия ян (мужское, положительное, теплое, светлое) и инь (женское, отрицательное, холодное и темное).

Все это было, конечно, совершенно неверно, так как ни одна из этих сущностей не является элементарной, за исключением, возможно, гипотетической, экспериментально ненаблюдаемой и, как мы знаем, не существующей квинтэссенции на небесах. Но формулирование и разработка концепции о том, что сложное возникает из простого, были фундаментально важным понятийным шагом, и этот подход до сих пор лежит в сердцевине современной науки.