Брайан Грин. Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности
Шрифт:
Это осмысление сдвигает вопрос о том, откуда возникла низкая энтропия яйца, дальше на один шаг назад. Как получается, что источник энергии для курицы, пища, имеет столь низкую энтропию? Как мы объясним этот аномальный источник порядка? Если пища животного происхождения, мы приходим назад к исходному вопросу, как животные имеют такую низкую энтропию. Но если мы проследуем по пищевой цепочке, мы, в конечном счете, придем к животным (вроде меня), которые едят только растения. Как растения и производимые ими плоды и овощи поддерживают низкую энтропию? Через фотосинтез растения используют солнечный свет, чтобы разделить внешний углекислый газ на кислород, который возвращается назад в окружающую среду, и углерод, который растения используют для роста и цветения. Так мы можем проследить низкоэнтропийные источники энергии неживотного происхождения до Солнца.
Это передвигает вопрос объяснения низкой энтропии еще дальше на шаг назад: откуда взялось наше высокоупорядоченное Солнце? Солнце сформировалось около 5 миллиардов лет назад из первичного рассеянного облака газа, которое начало вращаться и сгущаться под воздействием взаимного гравитационного притяжения всех его составляющих частей. По мере того, как газовое облако становилось плотнее, гравитационное притяжение одной части к другой становилось сильнее, приводя облако в дальнейшем к схлопыванию в себя. И по мере того, как гравитация сильнее стискивала облако, оно разогревалось. В конечном счете, оно разогрелось достаточно, чтобы инициировались ядерные процессы, что сгенерировало достаточную уходящую вовне радиацию, чтобы помешать дальнейшему гравитационному сжатию газа. Родилась горячая,
Тогда откуда возникло рассеянное облако газа? Оно, вероятно, сформировалось из остатков старых звезд, которые достигли конца своей жизни, став сверхновыми, и исторгли свое содержимое в пространство. Откуда взялся рассеянный газ, отвечающий за появление этих ранних звезд? Мы верим, что газ сформировался как последствие Большого взрыва. Наши самые усовершенствованные теории возникновения вселенной – наши самые лучшие космологические теории – говорят нам, что в момент, когда вселенная была в возрасте пары минут, она была заполнена почти однородным горячим газом, состоящим грубо на 75 процентов из водорода, на 23 процента из гелия и из небольших количеств дейтерия и лития. Существенным моментом является то, что этот газ, заполняя вселенную, имел экстраординарно низкую энтропию. Большой взрыв дал старт вселенной в состоянии низкой энтропии, и это состояние явилось источником упорядоченности, которую мы видим в настоящее время. Иными словами, текущий порядок является космологическим реликтом. Теперь обсудим это важное объяснение немного более детально.
Энтропия и гравитация
Поскольку теория и наблюдения показывают, что в течение нескольких минут после Большого взрыва изначальный газ был однородно распределен по юной вселенной, вы можете подумать, обратившись к нашей ранней дискуссии о бутылке колы и ее молекулах углекислого газа, что изначальный газ был в высокоэнтропийном, неупорядоченном состоянии. Но это оказывается не верно. Наша ранняя дискуссия об энтропии, полностью игнорирующая гравитацию, делала здравую вещь, поскольку гравитация почти не играет роли в поведении минимальных количеств газа, выходящего из бутылки колы. И при этом предположении мы нашли, что однородно распределенный газ имеет высокую энтропию. Но когда имеет значение гравитация, история существенно отличается. Гравитация есть универсальная притягивающая сила; поэтому, если вы имеете достаточно большую массу газа, каждая область газа будет подталкиваться к каждой другой, и это заставит газ распасться на сгущения, что в некоторой степени подобно фрагментации воды на капельки на листе вощеной бумаги, вызванной поверхностным натяжением. Когда гравитация имеет значение, как это было в высокоплотной ранней вселенной, сваливание в кучу – а не однородность – является нормой; это и есть состояние, в направлении которого газ будет стремиться эволюционировать, как показано на Рис.6.5.
Даже если сгущения возникают более упорядоченными, чем исходный рассеянный газ – почти как игровая комната с игрушками, которые аккуратно разложены в сундуки и ящики, более упорядочена, чем комната, в которой игрушки однородно разбросаны по полу, – в расчете энтропии вам надо подсчитать вклады от всех источников. Для игровой комнаты уменьшение энтропии в процессе движения от дико разбросанных игрушек к игрушкам, которые все "упакованы" в сундуки и ящики, более чем компенсируется ростом энтропии от распадающегося жира и выделяемого тепла от родителей, которые потратили часы, чтобы все вычистить и привести в порядок. Аналогично, в первичном рассеянном газовом облаке вы найдете, что уменьшение энтропии при формировании упорядоченных сгущений более чем компенсируется за счет выделения тепла при сжатии газа и, в конце концов, за счет огромного количества тепла и света, высвобождающегося, когда начинают иметь место ядерные процессы.
Рис 6.5 Для гигантских объемов газа, когда гравитация имеет значение, атомы и молекулы эволюционируют из однородной равномерно распределенной конфигурации в конфигурацию, включающую все большие и все более плотные сгущения.
Это важный момент, который временами упускается из вида. Подавляющее стремление в направлении беспорядка не означает, что не могут формироваться организованные структуры вроде звезд и планет или организованные формы жизни вроде растений и животных. Могут. И, очевидно, формируются. Что определяет второй закон термодинамики, так это то, что при формировании порядка в целом происходит более чем компенсирующее генерирование беспорядка. Итог таблицы энтропийного баланса все еще находится в пассиве, даже если определенные составляющие становятся более упорядоченными. И из фундаментальных сил природы гравитация единственная, которая использует это свойство энтропии во всей полноте. Поскольку гравитация действует через громадные расстояния и является универсально притягивающей силой, она подстегивает формирование упорядоченных сгущений – звезд – которые испускают свет, который мы видим на чистом ночном небе, в полном согласии с итоговым балансом в пользу роста энтропии.
Чем более сжаты, плотны и массивны сгущения газа, тем больше общая энтропия. Черные дыры, наиболее экстремальная форма гравитационного сгущения и сжатия во вселенной, доводят это до предела. Гравитационное притяжение черной дыры настолько сильно, что ничто, даже свет, не может вырваться, что объясняет, почему черные дыры являются черными. Итак, в отличие от обычных звезд, черные дыры непреклонно удерживают всю энтропию, которую они произвели: ничто не может спастись от мощнейшего гравитационного захвата черной дыры. [16] Фактически, как мы будем обсуждать в Главе 16, ничто во вселенной не содержит больше беспорядка – больше энтропии – чем черная дыра.* Этому можно придать хороший интуитивный смысл: высокая энтропия означает, что огромное количество перестановок составляющих объекта проходят незамеченными. Поскольку мы не можем видеть внутренность черной дыры, для нас невозможно отследить любую перегруппировку ее составляющих, – какими бы ни были эти составляющие, – и отсюда черная дыра имеет максимальную энтропию. Когда гравитация доводит свою силу до предела, она становится самым эффективным генератором энтропии в известной вселенной.
16. Вспомним, что наше обсуждение в этой главе не принимает во внимание квантовую механику. Как показал Стивен Хокинг в 1970е, когда рассматриваются квантовые эффекты, черные дыры позволяют некоторому количеству радиации просачиваться наружу, но это не влияет на их статус самых высокоэнтропийных объектов в косомосе.
(*)"Это значит, что черная дыра заданного размера содержит больше энтропии, чем все что угодно другое того же размера."
Теперь мы подошли к месту, где рулетка окончательно остановилась. Исходным источником порядка, низкой энтропии должен быть сам Большой взрыв. В ее самые ранние моменты, вместо того, чтобы быть заполненной чудовищными контейнерами энтропии вроде черных дыр, как мы ожидали из вероятностного рассмотрения, по некоторым причинам рождающаяся вселенная была заполнена горячей, однородной, газовой смесью водорода и гелия. Хотя эта конфигурация имеет высокую энтропию, когда плотность настолько низка, что мы можем игнорировать гравитацию, ситуация иная, когда гравитация не может быть проигнорирована; тогда такой однородный газ имеет экстремально низкую энтропию. По сравнению с черными дырами, рассеянный почти однородный газ был в состоянии с экстраординарно низкой энтропией. С тех пор всегда, в соответствии со вторым законом термодинамики, общая энтропия вселенной постепенно становится выше и выше; общее итоговое количество беспорядка постепенно возрастает. После примерно миллиарда лет или около того гравитация заставила изначальный газ сгуститься, и сгущения в конце концов сформировали звезды, галактики и некоторые более
В этом ошеломляющая связь, которую мы выводили на протяжении целой главы. Разбивающееся яйцо говорит нам нечто глубокое о Большом взрыве. Оно говорит нам, что Большой взрыв дал начало экстраординарно упорядоченному нарождающемуся космосу.
Та же идея применима ко всем другим примерам. Причина, по которой подбрасываемые заново в воздух нескрепленные страницы Войны и мира приходят в состояние высшей энтропии, в том, что они исходно начинали в такой высоко упорядоченной низкоэнтропийной форме. Их начальная упорядоченная форма подготовила их к росту энтропии. И напротив, если страницы изначально были полностью вне числового порядка, подбрасывание их в воздух вряд ли внесет разницу, влияющую на энтропию. Так что еще раз возникает вопрос: как они становятся такими упорядоченными. Ну, Толстой написал их и представил в таком порядке, а печатник и переплетчик следовали его инструкциям. А высоко упорядоченные тело и ум Толстого и издателей книги, которые позволили им по очереди создать том такого высокого порядка, могут быть объяснены путем следования той же цепочке рассуждений, которую мы уже прошли для яйца, что еще раз приведет нас назад к Большому взрыву. Как насчет частично растаявших кубиков льда, которые вы видели в 10:30 вечера? Теперь, раз уж мы доверяем памяти и записям, вы вспомните, что еще перед 10:00 вечера бармен кинул сформированные кубики льда в ваш стакан. Он взял кубики льда из морозильника, который был разработан умелым инженером и изготовлен талантливым механиком, которые способны создавать нечто такого высокого порядка потому, что они сами являются высоко организованными формами жизни. И опять мы последовательно приводим их высокую организацию к высоко упорядоченному началу вселенной.
Необходимое добавление
Откровение, к которому мы пришли, заключается в том, что мы можем доверять нашей памяти о прошлом с более низкой, а не более высокой энтропией, только если Большой взрыв – процесс, событие или явление, которое привело вселенную к существованию, – дал старт вселенной в экстраординарно специфическом, высоко упорядоченном состоянии с низкой энтропией. Без этого важного добавления наши ранние рассуждения, что энтропия должна расти как в будущее, так и в прошлое от любого заданного момента, приводят нас к заключению, что весь порядок, который мы видим, возник из случайной флуктуации из обыкновенного неупорядоченного состояния высокой энтропии, к заключению, которое, как мы видели, подрывает сами рассуждения, на которых оно основано. Но включая в наш анализ маловероятную низкоэнтропийную начальную точку вселенной, мы теперь видим, что корректное заключение таково, что энтропия растет по направлению в будущее, поскольку вероятностные рассуждения полностью работают и не имеют противоречий в данном направлении; но энтропия не растет в прошлое, поскольку это использует возможность, входящую в конфликт с нашим новым условием, что вселенная начиналась в состоянии с низкой, а не высокой, энтропией. [17] Так что условия рождения вселенной оказываются решающими для направления стрелы времени. Будущее в самом деле есть направление роста энтропии. Стрела времени – факт, что вещи начинаются подобно этому и заканчиваются подобно тому, но никогда не начинаются подобно тому и не заканчиваются подобно этому, – начинает свой полет в высоко упорядоченном, низкоэнтропийном состоянии вселенной при ее зарождении. [18]
17. Естественный вопрос, откуда мы знаем, что не имеются некоторые будущие ограничения, которые также имеют влияние на энтропию. Основной момент в том, что мы не знаем, и некоторые физики даже предлагали эксперименты, чтобы обнаружить возможное влияние, которое такие будущие ограничения могут оказывать на вещи, которые мы можем наблюдать сегодня. Интересная статья, обсуждающая возможность будущих и прошлых ограничений на энтропию, Murray Gell-Mann and James Hartle, "Time Symmetry and Asymmetry in Quantum Mechanics and Quantum Cosmology," in Physical Origins of Time Asymmetry, J.J. Halliwell, J. Perez-Mercader, W.H. Zurek, eds. (Cambridge, Eng.: Cambridge University Press, 1996), а также другие статьи в частях 4 и 5 этого сборника.
18. На протяжении этой главы мы говорили о стреле времени, ссылаясь на очевидные факты, что имеется асимметрия вдоль оси времени (оси времени любого наблюдателя) пространства-времени: гигантское разнообразие последовательностей событий выстраивается в одном порядке вдоль оси времени, но обратное упорядочение таких событий появляется редко, если вообще появляется. На протяжении лет физики и философы выделяли эти последовательности событий в подкатегории, чьи темпоральные асимметрии могут, в принципе, быть подвергнуты логически независимому объяснению. Например, тепло перетекает от горячих объектов к более холодным, но не от холодных объектов к горячим; электромагнитные волны испускаются вовне из источников вроде звезд и электрических лампочек, но, кажется, никогда не собираются внутрь таких источников; вселенная выглядит однородно расширяющейся, но не сходящейся; и мы помним прошлое, но не будущее (это называется, соответственно, термодинамической, электромагнитной, космологической и психологической стрелой времени). Все эти явления асимметричны во времени, но они могут, в принципе, приобрести свою временную асимметрию из совершенно различных физических принципов. Мой взгляд, который многие разделяют (но другие нет), что, исключая, возможно, космологическую стрелу времени, эти явления темпоральной асимметрии фундаментально не отличаются и, в конце концов, поддаются одинаковому объяснению, – которое мы описываем в этой главе.
Например, почему электромагнитная радиация путешествует в виде расширяющихся вовне волн, но не в виде сходящихся внутрь волн, даже если оба вида волн являются совершенно прекрасными решениями уравнений электромагнетизма Максвелла? Ну, потому, что наша вселенная имеет низкоэнтропийные, когерентные, упорядоченные источники таких расходящихся волн – звезды и электрические лампочки, чтобы назвать парочку, – и существование этих упорядоченных источников происходит из даже еще более упорядоченного окружения в отправной точке вселенной, как обсуждается в главном тексте. Психологическая стрела времени тяжелее для обращения, поскольку тут очень много от микропсихических основ человеческого мышления, которые нам еще предстоит понять. Но большой прогресс был сделан в понимании стрелы времени, когда она подходит к компьютерам – предприятие, завершение и затем производство записей вычислений является основой вычислительной последовательности, чьи энтропийные свойства хорошо поняты (как исследовано Чарлзом Беннетом, Рольфом Ландауером и другими) и подходят прямо ко второму закону термодинамики. Таким образом, если человеческое мышление может быть связано с процессами вычисления, может быть применено сходное термодинамическое объяснение. Отметим также, что асимметрия, связанная с тем фактом, что вселенная расширяется, а не стягивается, связана со стрелой времени, которую мы исследовали, но логически отличается от нее. Если расширение вселенной замедлится, остановится, а затем повернет к сжатию, стрела времени все еще будет смотреть в том же направлении. Физические процессы (разбивание яиц, старение людей и так далее) все еще будут происходить в обычном направлении, даже если расширение вселенной сменится сжатием.