До конца времен. Сознание, материя и поиск смысла в меняющейся Вселенной - Брайан Грин

Пытаясь избавиться от дискомфорта, некоторые исследователи полагаются на простое наблюдение: если ждать достаточно долго, случится даже самый невероятный из всех вариантов. Трясите и бросайте 100 монет раз за разом, и в конце концов у вас выпадет 100 орлов. Не стоит ждать такого результата с нетерпением, но когда-нибудь это произойдет. По аналогии можно утверждать, что в хаотичной среде, где величина инфляции бешено колеблется, рано или поздно — по чистой случайности — возникнет крохотная область, в которой случайные флуктуации, поднимающие величину поля здесь и опускающие там, выровняются, в результате чего поле станет одинаковым во всей области. Для этого требуется статистическая удача, которая приведет к большему порядку и, следовательно, более низкой энтропии, но иногда такое случается. Не часто. Но не беспокойтесь. Поскольку все эти махинации должны были происходить в доисторический период — до стремительного расширения пространства, которое мы называем Большим взрывом, — свидетелей у них не было, никто не наблюдал за процессом, сложа руки и постукивая ногой по полу в ожидании запуска процесса инфляционного расширения. Так что инфляционная прелюдия могла продолжаться сколько угодно, это не имеет значения. И только когда случился все же статистический выброс (возникла однородная область инфляционного поля), ситуация изменилась: сработал запал Большого взрыва, запустилось расширение пространства и началось космологическое представление.

Хотя все это не дает ответов на самые фундаментальные вопросы происхождения (пространства, времени, полей, математики и так далее), становится понятно, как хаотичная среда может породить особые, упорядоченные, однородные низкоэнтропийные условия, необходимые для инфляции. Когда крохотное зернышко пространства делает наконец статистически маловероятный прыжок к низкой энтропии, в дело вступает отталкивающая гравитация, которая превращает его в стремительно расширяющуюся Вселенную, — начинается Большой взрыв.

Это не единственная гипотеза того, как мог состояться Большой взрыв. Андрей Линде, один из пионеров инфляционной космологии, как-то пошутил, что на каждую тройку исследователей приходится по крайней мере девять мнений на этот счет9. Так что поиски более определенного ответа на вопрос о том, как небольшая область пространства стала однородно заполненной инфляционным полем, запустив таким образом взрыв расширения пространства, нам следует оставить для будущих исследований — теоретических и наблюдательных. Пока же просто будем считать, что ранняя Вселенная тем или иным способом перешла в такую высокоупорядоченную низкоэнтропийную конфигурацию, инициировав взрыв и дав нам таким образом возможность заявить, что остальное — история.

Отталкиваясь от этого момента, мы двинемся в путь и посмотрим, как упорядоченные структуры вроде звезд и галактик формируются во Вселенной, мчащейся навстречу своему все более беспорядочному будущему.

Происхождение материи и рождение звезд

За одну миллиардную миллиардной миллиардной доли секунды после Большого взрыва отталкивающая гравитация растянула крохотную область пространства необычайно сильно — возможно, до гораздо больших размеров, чем расстояние до самых далеких объектов, доступных для самых совершенных телескопов 10. Пространство осталось заполненным инфляционным полем, но еще через крохотную долю секунды изменилось и это. Подобно энергии на поверхности расширяющегося мыльного пузыря, энергия в расширяющейся инфляционной области пространства держится на волоске. Она неустойчива. Как мыльный пузырь рано или поздно лопнет, превратив свою энергию в россыпь крохотных капелек мыльной воды, инфляционное поле со временем тоже «лопнуло» — разрушилось, превратив свою энергию в россыпь частиц.

Мы не знаем наверняка, какие это были частицы, но можем сказать с уверенностью, что это не были обычные составляющие вещества, которые изучают в старших классах школы. Но в течение всего нескольких минут по всему пространству прокатился каскад стремительных преобразований частиц: тяжелые частицы рассыпались на веер более легких, частицы с сильным сродством соединялись в тесные конгломераты; и в результате эта первичная баня превратилась в смесь протонов, нейтронов и электронов — строительных блоков знакомого нам вещества (и, что тоже вполне возможно, во множество других, более экзотических частиц, таких как темная материя, о чем свидетельствует долгая история астрономических наблюдений 11).

Таким образом, через короткое время после Большого взрыва Вселенная оказалась заполнена горячим, почти однородным туманом из частиц — как знакомых нам, так и неизвестных, — носившихся по продолжающему расширяться пространству.

Я добавил к характеристике «однородный» оговорку «почти», потому что квантовые флуктуации инфляционного поля не только сформировали температурные вариации послесвечения Большого взрыва, но и гарантировали, что, когда инфляция спадет, концентрация образовавшихся частиц тоже будет слегка различаться в пространстве — чуть выше здесь, чуть ниже там и так далее. Эти вариации сыграют ключевую роль в том, что произойдет следом: в крайне важном процессе образования комковатых структур вроде звезд и галактик. Область, которая оказалась чуть плотнее соседних, становится источником чуть более сильного гравитационного притяжения и, соответственно, втягивает в себя чуть большую часть окружающих частиц. Так эта область становится еще плотнее, дает еще более сильное гравитационное притяжение и втягивает еще больше вещества. Возникает эффект снежного кома в отношении гравитации, в результате которого формируются комки вещества размером все больше и больше. Достаточно немного подождать, порядка сотен миллионов лет, и из гравитационных «снежных комьев» получатся агломерации частиц настолько массивные, настолько сжатые и настолько горячие, что в них запустятся ядерные процессы, породив таким образом звезды. Именно квантовая неопределенность, усиленная инфляционным растягиванием и сконцентрированная эффектом гравитационных «снежных комьев», привела к появлению тех светящихся точек, что усеивают ночное небо.

Вопрос теперь ставится следующим образом: как процесс формирования звезд, в ходе которого гравитация из беспорядочной, почти однородной бани частиц собирает упорядоченные астрофизические структуры, сочетается со вторым началом, утверждающим рост беспорядка? Для ответа нам необходимо рассмотреть чуть более тщательно различные пути, ведущие к более высокой энтропии.

Барьеры на пути к беспорядку

Когда ваш хлеб печется в духовке, высвобожденные из него частицы распространяются наружу, занимая все больший объем, так что их энтропия возрастает. Но, находясь в отдаленной спальне, вы не сразу ощутите аромат свежеиспеченного хлеба. Аромату требуется время, чтобы распространиться по всему дому. Придется ждать, пока ароматические молекулы проникнут наружу и образуют доступные высокоэнтропийные конфигурации. Это типичная ситуация.

Физические системы, как правило, не могут прыгнуть прямиком в конфигурацию с максимальной энтропией. Вместо этого, пока образующие систему частицы блуждают случайным образом, энтропия постепенно возрастает, стремясь к максимально возможной.

На пути к более высокой энтропии могут встретиться препятствия, замедляющие прогресс. Закройте поплотнее духовку и кухонную дверь — и вы затрудните распространение аромата, а следовательно, замедлите рост энтропии. Такие препятствия обусловлены вмешательством человека, но существуют и другие ситуации, в которых энтропийные препятствия возникают вследствие законов, управляющих ни много ни мало фундаментальными физическими взаимодействиями. В случае, который приключился со мной еще в детстве, также задействована духовка.