Юрий Артамонов - Ли Смолин. Возрожденное время: От кризиса в физике к будущему вселенной
Посмотрим вокруг. Хоть невооруженным глазом, хоть через самый мощный телескоп мы видим вселенную, которая в высшей степени структурирована и сложна.
Сложность невероятна. Она требует объяснения. Ничто не может немедленно перепрыгнуть из простоты к очень сложной организации.
к оглавлению
Великая сложность требует серии малых шагов. Они происходят в последовательности, что предполагает строгую упорядоченность событий во времени.
Все научные объяснения сложности требуют истории, во время которой уровни сложности медленно и постепенно наращиваются. Это Невероятное Восхождение на Гору Ричарда Докинса [1] (*). Так что вселенная должна иметь историю, которая разыгрывается во времени. Имеется причинный порядок, требующийся для объяснения того, как вселенная пришла к ее нынешнему состоянию.
Согласно физикам 19-го столетия и некоторым из наших современных теоретических космологов, которые принимают вневременную картину, сложность, которую мы наблюдаем вокруг нас, является случайной и неизбежно преходящей. С их точки зрения вселенная обречена на конец в состоянии равновесия. Это состояние, названное тепловой смертью вселенной, в котором материя и энергия равномерно распределены по вселенной и ничего никогда не происходит за исключением редких хаотических флуктуаций [2]. Большую часть времени эти флуктуации рассеиваются как только возникают, ничего не создавая. Но, как я буду объяснять в этой и последующих главах, принципы, выписанные в Главе 10 для новой космологической теории, помогут нам понять, почему вселенная с растущей сложностью является естественной и необходимой.
Так что перед нами лежат две дороги, приводящие к сильно различающимся версиям будущего вселенной. В первой картине будущего нет, поскольку тут нет времени. Время есть иллюзия, которая в лучшем случае есть мера изменения, иллюзия, которая закончится, когда изменения прекратятся.
В ограниченной временем картине, которую я предлагаю, вселенная есть процесс размножения новых явлений и состояний организации, которые всегда будут обновляться по мере их эволюции к состояниям со всегда большей сложностью и организацией.
Записи наблюдений однозначно говорят нам, что вселенная становится все более интересной с течением времени. Ранее она была заполнена плазмой в равновесии; от этого простейшего из начал она эволюционировала к гигантской сложности по широкому диапазону масштабов, от кластеров галактик до биологических молекул [3].
Живучесть и рост всех этих структур и сложности озадачивают, поскольку исключает простейшее объяснение структуры, которую мы видим, - что это случайное упорядочение. Случайность
Речь идет о научно-популярной книге Ричарда Докинса с этим названием, вышедшей в 1996 и посвященной вероятностям и их применению к теории эволюции. Цель книги - разоблачение креационизма и его претензий к механизмам, подобным естественному отбору (прим. перев.)
к оглавлению не могла бы привести к структурам, сохраняющимся миллиарды лет, чья сложность непрерывно растет со временем. Как я кратко объясню, если сложность, которую мы видим вокруг нас, случайна, она почти определенно уменьшалась бы со временем, вместо того, чтобы увеличиваться.
Предсказание о том, что вселенная найдет свой конец в тепловой смерти, является еще одним шагом в изгнании времени из физики и космологии и родственно античной идее, что естественным состоянием вселенной является состояние без изменений. Старейшим прорывом в космологическом мышлении было то, что естественное состояние мира есть равновесие - то есть, состояние, в котором нет импульса в направлении организации, поскольку все находится в своем естественном месте. Это была сущность космологии Аристотеля, которая, как я описывал в Главе 2, базировалась на физике, в рамках которой каждая сущность имеет естественное движение: Например, земля ищет центр, тогда как естественным для воздуха является движение вверх.
Единственная причина того, что в земной сфере еще имеются изменения, по Аристотелю, заключается в наличии других причин для движения, определенных как вынужденные движения, которые могут вывести некоторую вещь из ее естественного состояния. Люди и животные являются источниками вынужденных движений, но есть и другие. Горячая вода допускает в себя воздух и таким образом частично приобретает естественное для воздуха движение вверх, отчего возгоняется, пока не охладится, и в этот момент исторгает из себя воздух и падает в виде дождя. Конечный источник этого вынужденного движения есть нагрев от Солнца, которое является частью небесной сферы. Тем или иным образом Солнце является источником всех вынужденных движений. Если земную сферу отсоединить от небес и оставить ее саму по себе, все пришло бы к равновесию в покое в своем естественном месте, и изменения прекратились бы.
Современная физика имеет собственное понятие о равновесии, которое характеризуется законами термодинамики. Они применимы к физике в ящике. Средой для законов термодинамики является изолированная система, которая не обменивается ни энергией, ни веществом со своим окружением.
Однако мы должны позаботиться, чтобы не спутать понятия равновесия Аристотеля или Ньютона с современным понятием термодинамического равновесия. Равновесие по Аристотелю и Ньютону возникает из баланса сил. Мост стоит потому, что силы, действующие на каждый брус и заклепку, скомпенсированы. Понятие равновесия в современной
к оглавлению
термодинамике полностью иное. Оно применимо к системам с очень большим числом частиц и существенным образом ссылается на понятие вероятностей.
Прежде, чем мы поговорим о тепловой смерти вселенной, убедимся получше, что мы понимаем нашу терминологию. Это означает, прежде всего, понимание смысла энтропии и второго закона термодинамики.
*
Ключом к пониманию современной термодинамики является то, что она содержит два уровня описания. Имеется микроскопический уровень, точно описывающий положения и движения всех атомов любой конкретной системы. Это называется микросостояние. Затем есть макроскопический уровень или макросостояние системы, который представляет собой неполное приблизительное описание в терминах нескольких переменных, таких как температура и давление газа. Изучение термодинамики системы содержит оценку взаимоотношения между этими двумя уровнями описания.
Простым примером является стандартное кирпичное здание. Макросостоянием в данном случае является архитектурный облик; микросостояние это где точно находится каждый кирпич. Архитектору нужно только указать, что должны быть построены кирпичные стены таких и таких размеров с проемами для окон и дверей. Ему не нужно говорить, куда какой кирпич пойдет. Большинство кирпичей идентичны, так что на структуру не повлияет, если два идентичных кирпича поменяются местами. Так что тут имеется гигантское количество различных микросостояний, которые дают одно и то же макросостояние.
Сравним это со зданиями Фрэнка Гэри (*) вроде Музея Гуггенхайма в Бильбао, чья внешняя поверхность выполнена из индивидуально созданных металлических ячеек. Чтобы сделать кривые поверхности, спроектированные Гэри, каждая ячейка должна отличаться, и имеет значение, где располагается каждая. Здание будет иметь форму, которую имел в виду архитектор, если любая и каждая металлическая ячейка будет уложена на свое точное место. В этом случае архитектурный проект опять определяет макросостояние, а куда идет каждая ячейка есть микросостояние. Но, в отличие от традиционного кирпичного здания, тут
Frank Owen Gehry - один из крупнейших архитекторов современности, стоявший у истоков архитектурного деконструктивизма (прим. перев.)
к оглавлению нет свободы вмешиваться в микросостояния. Тут имеется только одно микросостояние, которое дает задуманное макросостояние.
Концепция, дающая представление о том, сколько микросостояний могли бы дать одно и то же макросостояние, таким образом, дает нам способ объяснить, почему здания Гэри столь революционны. Эта концепция называется энтропией. Энтропия здания есть мера числа различных способов уложить части вместе, чтобы реализовать проект архитектора. Стандартное кирпичное здание имеет очень высокую энтропию. Здание Фрэнка Гэри может иметь нулевую энтропию [4], соответствующую его уникальному микросостоянию.
