Холодильник Эйнштейна. Как перепад температур объясняет Вселенную - Пол Сен

Хуже того, придираться к работе Больцмана стали даже ученые, которые не считали себя преданными сторонниками феноменологии и энергетизма. Так, когда в 1896 году с критикой выступил математик Эрнст Цермело, Больцман начал ответную статью следующим образом: “Работа Цермело показывает, что мои статьи были поняты неправильно; тем не менее мне доставляет удовлетворение ее появление, поскольку она, по-видимому, является первым свидетельством того, что эти статьи вообще обратили на себя какое-то внимание в Германии”[16].

Тем не менее Больцман не лишился способности к оригинальному мышлению. В его ответе на критику Цермело содержалось множество любопытных идей, и самой яркой из них стало первое сделанное на основе одних лишь научных выкладок утверждение, что Вселенная, вероятно, должна была быть создана в какой-то определенный момент — момент творения.

Больцмановский мозг

Я плохо сплю и места себе не нахожу от страданий… Прошу, прости меня за всё!

Людвиг Больцман

В 1854 году Уильям Томсон, наблюдая, как теплота рассеивается в железном стержне, пришел к выводу, что Вселенная должна умереть. Четыре десятилетия спустя, подстегнутый критикой, Людвиг Больцман предположил, что, согласно статистическому объяснению энтропии, наблюдаемая Вселенная должна была однажды родиться. Лишь через несколько десятков лет астрономы нашли доказательства Большого взрыва. Хотя больцмановская версия сотворения мира отличается от современной, некоторые ее элементы играют важную роль в сегодняшних космологических исследованиях.

Представление о том, что Вселенная имеет момент творения, появилось в ответ на критику Лошмидта и Цермело, которая заставила Больцмана признать, что в статистическом объяснении второго начала термодинамики кроется неучтенное допущение. Больцман утверждал, что энтропия Вселенной увеличивается в результате движения Вселенной от менее вероятных конфигураций к более вероятным. Такое объяснение состоятельно лишь в том случае, отметил Больцман, если допустить, что сначала Вселенная пребывала в статистически весьма маловероятном состоянии с низкой энтропией.

Чтобы понять почему, представьте банку с несколькими черными и белыми шариками. Пусть сначала шарики будут перемешаны. Когда банку встряхивают, одно перемешанное состояние шариков сменяется другим. Если записать это на пленку, фильм будет казаться одинаковым при прокрутке вперед и назад. Однако, чтобы использовать банку с шариками как способ определить направление течения времени, нужно сначала расположить шарики слоями — слой черных, слой белых и так далее — и лишь затем встряхнуть банку. Теперь, если фильм показывает, что шарики перемешиваются сильнее, вы понимаете, что он идет вперед по времени. Менее вероятная конфигурация шариков уступает место более вероятной. Если применить этот принцип ко Вселенной, получится, что в любой момент прошлого Вселенная должна была пребывать в более “невероятном” состоянии, чем сейчас. Чем дальше в прошлое вы заглядываете, тем в более невероятном состоянии пребывает в тот момент Вселенная. И возникает вопрос: как Вселенная изначально оказалась в весьма невероятном состоянии с низкой энтропией?

По мнению Больцмана, ответ на него кроется в существовании момента творения. Нужды в боге не возникало — достаточно было природных явлений и законов вероятности.

Вселенная в целом, предположил Больцман, пребывает в состоянии неизменного равновесия. Представьте ее в форме огромного, безликого газового облака, где не происходит ничего, кроме случайных столкновений частиц газа. Такая Вселенная по всем параметрам мертва. По чистой случайности после миллиардов лет бездействия небольшая часть Вселенной выходит из этого состояния и оказывается в состоянии с необычно низкой энтропией. В этой части Вселенной случайным образом формируются звезды и галактики. Утверждать такое — все равно что сказать, что если достаточно долго трясти банку с черными и белыми шариками, то они по чистой случайности лягут ровными слоями. Впрочем, если трясти ее и дальше, то порядок нарушится и шарики снова перемешаются. Больцман полагал, что небольшая часть Вселенной, в которой мы живем, именно такова. Однажды — давным-давно, по чистой случайности — она перешла в состояние с низкой энтропией, и ее энтропия с тех пор медленно увеличивается, в результате чего в конце концов она вернется в равновесие с остальной частью мертвой Вселенной. Однако, поскольку жизнь может существовать лишь в этой части Вселенной, характеризующейся низкой энтропией, живые существа наблюдают время в форме направленной в одну сторону стрелы. Или, как выразился Больцман:

Живое существо, которое находится в определенной временной фазе одного из таких отдельных миров, назовет направление времени, ведущее к более невероятным состояниям, по-другому, чем противоположное (первое как направленное к “прошлому”, к началу, последнее — к “будущему”, к концу), и вследствие этого называния будет обнаруживать “начало” для этих малых областей, выделенных из Вселенной, всегда в некотором невероятном состоянии[17].

Большая часть Вселенной мертва, но ничего узнать об этой мертвой части мы не можем, поскольку она непригодна для жизни. Такая логика — пример антропного принципа, который гласит, что Вселенная, где живут люди, должна подчиняться физическим законам, допускающим существование человеческой жизни. Это кажется тавтологией, но сегодня физики и космологи часто прибегают к этому принципу, чтобы объяснить таинственный факт, что вселенная кажется “точно настроенной” для нашего существования. Так, сила притяжения, масса атомного ядра, скорость света и другие “физические постоянные” ровно таковы, чтобы обеспечить стабильность Вселенной на миллиарды лет. Если бы любая из этих величин хоть немного отличалась, то либо схлопнулась бы сама Вселенная, либо за считаные секунды выгорели бы все звезды. С целью объяснить это была в том числе предложена идея, что мы живем в одной из вселенных “мультивселенной”, которая состоит из многих других вселенных, где физические постоянные действительно не подходят для жизни. Однако, поскольку мы не можем жить в этих вселенных, нам известно лишь о нашей Вселенной, для которой характерны определенные значения физических постоянных. Хотя контекст таких рассуждений отличается от больцмановского, антропный принцип предложил именно он.

Насколько правдоподобна теория творения Больцмана, который сказал, что обитаемая Вселенная изначально была случайной, в высшей степени невероятной флуктуацией, создавшей область с низкой энтропией? Большинство современных космологов, вероятно, отвергли бы объяснение Больцмана, и все же, просто подняв вопрос, он определил тему, которая легла в основу современной теоретической физики. Чтобы понять, каким образом это произошло, нужно проанализировать главный изъян его гипотезы о “случайной флуктуации”. Опровергающий ее аргумент таков:

Наша Вселенная сложна и прекрасно структурирована — она не только допускает существование жизни, но и полна звезд и галактик, каждая из которых представляет собой упорядоченную систему. Это значит, что энтропия нашей Вселенной исключительно низка. Также это значит, что изначально она была еще ниже, а Вселенная пребывала в чрезвычайно упорядоченном состоянии со сверхнизкой энтропией. Иными словами, наша Вселенная весьма невероятна. Пока ничто из этого не противоречит гипотезе Больцмана. Нам остается лишь дождаться описанного невероятного события, которое в конце концов произойдет.