Кэти Мак - Конец всего. 5 сценариев гибели Вселенной с точки зрения астрофизики

Вселенную, порабощенную космологической постоянной, в будущем ждет лишь тьма и пустота. По мере ускорения процесса ее расширения пустого пространства становится все больше, а значит, увеличивается и количество темной энергии, вызывающей дальнейшее расширение. В конце концов, когда звезды выгорят, частицы распадутся, а черные дыры испарятся, Вселенная будет представлять собой пустое пространство, в котором есть лишь космологическая постоянная, обеспечивающая ее экспоненциальное расширение. Это называется пространством де Ситтера, и, по нашему мнению, оно развивается так же, как очень ранний космос на стадии инфляции. Правда, процесс инфляции в итоге остановился. Если темная энергия действительно является космологической постоянной, то расширение никогда не прекратится и космос будет расширяться экспоненциально на протяжении вечности.

Так можно ли считать такое бесконечное расширение гибелью Вселенной? Чтобы ответить на этот вопрос, нам следует глубже разобраться в теме энтропии и стрелы времени.

При выгорании звезд, распаде частиц и испарении черных дыр все больше вещества преобразуется в свободное излучение, которое распространяется по Вселенной в виде теплоты – чистой неупорядоченной энергии. Преобразование вещества в тепловое излучение максимизирует его энтропию, поскольку распространению энергии ничто не мешает. По мере опустошения Вселенной это излучение все сильнее рассеивается, из-за чего может показаться, что совокупная энтропия должна уменьшаться вслед за температурой. Однако этого не происходит.

А происходит следующее: когда Вселенная достигает стадии экспоненциального расширения, вокруг любой точки можно очертить сферу, за границей которой будет находиться навсегда скрытая часть космоса. Эта граница представляет собой настоящий горизонт в том смысле, что все, находящееся за ним, уже никогда не сможет достичь вас. Оказывается, что подобно горизонту событий черной дыры этот горизонт также связан с энтропией, а значит, и с температурой.

Разница лишь в том, что теплота не выходит наружу, как в случае с черной дырой, а входит внутрь. Температура теперь очень низкая – примерно 10 -40градусов выше абсолютного нуля, однако после распада всего остального в этом излучении будет заключена вся энтропия Вселенной. Достигнув состояния де Ситтера, Вселенная будет иметь максимальную энтропию. С этого момента совокупная энтропия Вселенной больше не сможет увеличиваться, что будет в прямом смысле означать исчезновение… стрелы времени.

Здесь мне следует еще раз сказать о том, что стрела времени и второй закон термодинамики имеют столь огромное значение для функционирования Вселенной, что при невозможности дальнейшего возрастания энтропии ничто не может произойти. То есть невозможным становится существование организованных структур, эволюция и вообще протекание каких-либо процессов. Чтобы нечто произошло, энергия должна переместиться из одного места в другое. Если энтропия не может нарастать, это означает, что энергия не может переместиться из одного места в другое без того, чтобы сразу вернуться, стерев все то, что могло при этом случиться. Градиенты энергии являются основой жизни, а также любой другой конструкции или машины, выполняющей какую-либо работу. Градиенты энергии не могут существовать во Вселенной, которая представляет собой одну гигантскую (но очень холодную) тепловую ванну. Теплота бесполезна. Теплота – это смерть.

Однако тут есть несколько нюансов.

И эти нюансы относятся не к категории «ну, технически здесь есть одна маленькая деталь», а к категории «о боже, это же все меняет».

Теперь странность имеет отношение к области физики, называемой статистической механикой. Ее мы используем, когда хотим поговорить о чем-то вроде температуры, которая, по сути, представляет собой просто количество движения в системе частиц, не описывая при этом траектории отдельных ее компонентов. Статистическая механика – это та область, где второй закон термодинамики проявляется во всей красе, поскольку позволяет описать большую сложную систему с точки зрения одного важного свойства – ее энтропии. Однако он также создает своего рода «лазейку». Помните, мы говорили о законе возрастания энтропии Вселенной? Технически это применимо лишь в среднем и в достаточно больших масштабах. На квантовом уровне или даже в больших масштабах, если вы готовы ждать достаточно долго, время от времени происходят непредсказуемые флуктуации, способные сдвинуть некоторую часть системы в состояние более низкой энтропии. Чем больше система, тем меньше влияния оказывают эти флуктуации, однако в вечно расширяющейся Вселенной, в которой действует лишь космологическая постоянная, времени и пространства так много, что в ней могут произойти крайне маловероятные события. Маловероятно, что в совершенно пустом пространстве вдруг появится кашалот и горшок с петунией, но в принципе, если подождать достаточно долго, такое может случиться.