Параллельные миры - Мичио Каку

легко сжечь клочок бумаги. Этот процесс представляет собой чистый прирост общего количества энтропии. Однако невозможно загнать дым обратно в бумагу. (Энтропию можно заставить снизиться при привлечении механической работы, наподобие того, как это сделано в холодильнике, но лишь для небольшой близлежащей области. Что касается общей энтропии всей системы — холодильник плюс все его окружение, — то она всегда возрастает.)

Артур Эддингтон однажды так сказал о втором законе: «Закон, согласно которому энтропия все время возрастает, — Второй закон термодинамики — занимает, по моему мнению, высшее положение среди всех законов Природы… Если обнаруживается, что ваша теория противоречит Второму закону термодинамики, я не думаю, что у нее есть какие-то шансы; этой теории остается лишь потерпеть унизительное поражение».

(Поначалу кажется, что существование сложных форм жизни на Земле противоречит Второму закону. Удивляет, что из хаоса ранней Земли появилось невероятное разнообразие жизненных форм, даже обладающих разумом и сознанием, что снижает количество энтропии. Некоторые принимают это чудо за подтверждение того, что к созданию приложил свою руку некий благожелательный творец. Но вспомним о том, что жизнь движется согласно законам эволюции и что Солнце бесконечно поставляет дополнительную энергию, питающую жизнь. Если рассматривать Землю и Солнце вместе, то общая энтропия системы все же возрастает.)

Третье начало гласит, что ни один холодильник не может достичь температуры абсолютного нуля. Можно дойти до температуры, на ничтожную долю выше абсолютного нуля, но никогда нельзя достичь состояния с нулевым движением. (А если мы включим квантовый принцип, то это подразумевает, что молекулы всегда будут обладать небольшим количеством энергии, поскольку нулевая энергия означает, что нам будут известны точное местонахождение и точная скорость каждой молекулы, а это противоречило бы принципу неопределенности.)

Если применить Второе начало в масштабах всей вселенной, то это означает, что вся Вселенная в конечном счете остановится. Звезды израсходуют свое ядерное топливо, галактики больше не будут освещать небо, а от Вселенной останется безжизненное скопление мертвых звезд-карликов, нейтронных звезд и черных дыр. Вселенная погрузится в вечную темноту.

Некоторые космологи пытались обойти эту «тепловую смерть», выдвинув теорию пульсирующей Вселенной. В такой Вселенной энтропия постепенно возрастала бы по мере ее расширения, и в конечном счете — сжатия. Но после того, как произойдет Большое Сжатие, непонятно, что станет с энтропией во Вселенной. Некоторые поддерживают мысль о том, что Вселенная, возможно, могла бы просто-напросто в точности повторить самое себя в течение следующего цикла. Более реалистичной выглядит возможность того, что энтропия перенесется в следующий цикл, а это означает, что срок жизни Вселенной будет постепенно увеличиваться с каждым новым циклом. Но вне зависимости от того, как мы будем рассматривать этот вопрос, результатом развития пульсирующей Вселенной, так же как открытой и закрытой Вселенной, станет уничтожение всякой разумной жизни.

Одной из первых попыток применения физики для объяснения конца вселенной стала работа, написанная в 1969 году сэром Мартином Рисом. Она называлась «Коллапс вселенной: эсхатологическое исследование». В те времена о значении со было мало что известно, а потому из предположения Риса, что со = 2, вытекало, что вселенная в конечном счете прекратит свое расширение и погибнет не от Большого Охлаждения, а от Большого Сжатия.

Рис подсчитал, что расширение вселенной в конце концов прекратится, когда галактики будут находиться на расстоянии вдвое большем, чем сейчас: тогда гравитация наконец преодолеет первоначальное расширение вселенной. Красное смещение, которое мы наблюдаем в небе сегодня, превратится в синее, когда галактики ринутся по направлению к нам.

Согласно этой версии, приблизительно через 50 миллиардов лет, считая от настоящего времени, произойдут катастрофические события, которые явятся сигналом последней предсмертной агонии вселенной. За сто миллионов лет до Большого Сжатия галактики вселенной, в том числе и наша Галактика Млечный Путь, начнут сталкиваться друг с другом и в конце концов сольются. Как это ни странно, Рис обнаружил, что отдельные звезды прекратят свое существование еще до того, как начнут сталкиваться друг с другом, — по двум причинам. Во-первых, возрастут энергии излучения других звезд по мере того, как вселенная будет сжиматься; таким образом, звезды будут купаться в обжигающем, сместившемся в синюю сторону свете, исходящем от других звезд. Во-вторых, возрастет температура фонового микроволнового излучения, связанная с резким скачком температуры всей вселенной. Совместное действие этих двух эффектов создаст температуры, превосходящие температуры поверхности звезд, звезды будут поглощать тепло быстрее, чем смогут от него избавиться. Иными словами, звезды, вероятно, разрушатся и рассеются в сверхгорячие газовые облака.

Разумная жизнь при таких условиях неизбежно погибнет, сгорев в космическом жаре, изливающемся из близлежащих звезд и галактик. Спасения нет. Как написал Фриман Дайсон: «Как ни прискорбно, я вынужден согласиться, что в этом случае мы не избежим зажаривания. Как бы глубоко мы ни вкопались в Землю, чтобы защититься от фонового излучения с синим смещением, мы сможем лишь на несколько миллионов лет отсрочить свой жалкий конец».

Если вселенная стремится к Большому Сжатию, то остается проблема того, что, сжатая, она может затем снова расшириться, как в модели пульсирующей вселенной. Именно такой сценарий описывается в романе Пола Андерсона «Тау Ноль». Если бы вселенная была ньютонианской, то это было бы возможно при условии достаточного смещения в момент слияния галактик. В этом случае, может быть, звезды не сожмутся в одну точку, а пролетят мимо друг друга в момент максимального сжатия, так и не столкнувшись, и, таким образом, вселенная снова начнет расширяться.

Однако наша вселенная — отнюдь не ньютонианская; она повинуется уравнениям Эйнштейна. Роджер Пенроуз и Стивен Хокинг показали, что при самых общих обстоятельствах сжимающееся скопление галактик обязательно придет к сингулярности. (Это произойдет потому, что поперечное движение галактик обладает энергией, а отсюда следует, что оно взаимодействует с гравитацией. Таким образом, гравитационное притяжение для сжимающихся вселенных в теории Эйнштейна намного сильнее, чем то, которое дает теория Ньютона, и наша вселенная сжимается в одну точку.)

Однако последние данные, полученные со спутника WMAP, свидетельствуют в пользу сценария Большого Охлаждения. Для анализа жизненного пути вселенной такие ученые, как Фред Адаме и Грег Лафлин из Мичиганского университета, попытались разделить срок жизни вселенной на пять этапов. Поскольку речь идет о поистине астрономических временных масштабах, мы примем логарифмическую систему временного отсчета. Таким образом, 1020 лет будут представлены как 20. (Эта временная шкала была составлена еще до того, как ученые полностью осознали все последствия, вытекающие из факта расширения вселенной. Но в целом разделение пути развития вселенной на этапы не изменилось.)

Этап 1: приморлиальный период

На первом этапе своего развития, между -50 и 5 (т. е. между 10-50 и 105 секунд), вселенная стремительно расширялась, но также и стремительно остывала. По мере ее остывания различные взаимодействия, прежде объединенные в единую основную «сверхсилу», постепенно отделялись друг от друга, а результатом этого распада являются четыре известных нам сегодня взаимодействия. Первой отщепилась гравитация, затем сильное ядерное взаимодействие, и наконец — слабое ядерное взаимодействие. Поначалу вселенная была непрозрачной, а небо — белым, поскольку свет поглощался слишком быстро после своего возникновения. Но спустя 380 ООО лет после Большого Взрыва вселенная уже достаточно остыла для того, чтобы атомы образовались и больше не разбивались из-за невероятного жара. Небо стало черным. Микроволновое фоновое излучение восходит именно к этому временному отрезку

В этот период происходил синтез первичного водорода с образованием гелия, в результате чего по вселенной распространилась современная смесь звездного топлива. На этом этапе развития веселенной известная нам жизнь представлялась невозможной. Жар был слишком силен; любые образовавшиеся ДНК или другие аутокаталитические молекулы разрушились бы из-за беспорядочных столкновений с другими атомами, что делало невозможным создание устойчивых соединений, необходимых для существования жизни.