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

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.

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.

Однажды в четвертом классе я пришел домой из школы и решил разогреть остатки пиццы, которые обнаружил в холодильнике. Я поставил духовку на 200 °C, сунул пиццу на средний уровень и стал ждать. Примерно через десять минут я проверил, как идут дела, и с удивлением обнаружил, что пицца по-прежнему такая же холодная, какой была, когда я ее доставал из холодильника. Тогда до меня дошло: ручку включения газа я повернул, а зажечь духовку забыл. (У нашей скромной плиты, как у многих в то время, не было встроенной системы поджигания газа, так что при каждом включении газ необходимо было зажигать спичками.) Следуя процедуре, которую я сотни раз наблюдал в исполнении родителей, я наклонился к открытой духовке и чиркнул спичкой, собираясь сунуть ее в специальное небольшое отверстие. К этому моменту в духовке скопилось довольно много газа, и, когда я зажег спичку, газ взорвался. На меня ринулась стена пламени. Я плотно закрыл глаза, и огонь пронесся мимо меня, спалив брови, ресницы и оставив на лице и ушах ожоги второй и третьей степени. Непосредственный жизненный урок, который не забыли отметить мои родители и который существенно закрепили месяцы болезненного лечения, был сфокусирован на правильном использовании кухонной утвари. (Со временем я оправился, и теперь в нашей семье готовлю в основном я — хотя каждый раз, когда мои дети включают духовку, я испытываю мгновенный приступ тревоги.) Но более серьезный научный смысл урока заключается в том, что на пути к более высокой энтропии возможны препятствия, которые преодолимы только при помощи катализатора. Сейчас поясню.