Юрий Артамонов - Ли Смолин. Возрожденное время: От кризиса в физике к будущему вселенной
*
Но почему звезды существуют? Если вселенная должна склоняться в сторону энтропии и беспорядка, как происходит, что звезды, которые уводят вселенную от равновесия, повсеместны? Иными словами, если вселенная является Лейбницевской, что-то вроде звезд должно существовать. Какие особенности законов природы гарантируют, что так и есть?
Физика звезд зависит от двух необычных особенностей законов природы. Первая это невероятно тонкая настройка параметров, которые управляют физикой. Эти тонкие настройки включают массы элементарных
к оглавлению частиц и интенсивности четырех сил. Они делают возможным ядерный синтез, так что газ водород, содержащийся в звездах, ведет себя иначе, чем если бы ядерных сил не было. Вместо того, чтобы просто хаотично двигаться вокруг, атомы водорода, сжатые вместе в центре звезды, могут взаимодействовать по-новому. Они сливаются, чтобы создать гелий и некоторые другие легкие элементы. Это как если бы вы были посажены в камеру, день за днем, в одном и том же скучном равновесии. Каждый час такой же, как любой другой. Затем внезапно там, где ничего до этого не было, распахивается дверь, и вы ускользаете в целый новый мир. Законы термодинамики, примененные к типичным атомам, никогда не могли бы предсказать ядерный синтез и возможности, которым он дает начало.
Вторая необычная особенность связана с поведением систем, удерживающихся вместе силой гравитации. Очень просто, гравитация ниспровергает наши наивные идеи по поводу термодинамики.
Повседневное наблюдение, которое также является следствием второго закона термодинамики, показывает, что тепло перетекает от более горячих к более холодным телам. Лед тает. Вода на плите кипит. Тепло прекращает перетекание, когда температура двух тел одинакова; они достигают состояния равновесия. Обычно, когда мы забираем энергию от тела, его температура снижается, а когда мы подводим энергию к телу, оно нагревается. Так что, когда тепло перетекает от более горячего тела к более холодному телу, последнее нагревается, а первое остывает. Это происходит до тех пор, пока оба не окажутся при одинаковой температуре. По этой причине воздух в помещении находится при одной температуре. Если бы это было не так, энергия перетекала бы от более теплой стороны к более холодной, пока они не достигли бы единой температуры.
Это поведение делает систему в равновесии стабильной по отношению к эффектам малых флуктуаций. Предположим, что за счет малой флуктуации одна сторона комнаты стала немного теплее, чем другая. Энергия будет перетекать от теплой стороны, охлаждая ее, к более холодной стороне, нагревая последнюю, так что вскоре температура снова станет однородной. Большинство систем ведут себя таким интуитивно понятным способом. Но не все.
Представим себе газ, который ведет себя иначе, охлаждаясь, когда вы добавляете к нему энергию, и нагреваясь, когда вы забираете энергию прочь. Это может показаться парадоксальным, но такие газы есть. Они должны быть нестабильными. Предположим, вы начинаете наблюдение в комнате, заполненной газом такого сорта при
к оглавлению одинаковой температуре. Малая флуктуация перемещает небольшую энергию из левой части к правой. Тогда левая часть нагревается, а правая часть одновременно остывает. Это приводит к тому, что еще большая энергия перетекает с левой, горячей стороны к холодной стороне. Когда это происходит, левая сторона не будет охлаждаться, напротив, она станет еще горячее. И по мере перетекания все большего количества энергии к холодной правой стороне, эта сторона станет еще холоднее. Вскоре вы получите неудержимую нестабильность, в которой две стороны помещения приводятся к постоянно растущей разнице их температур.
Теперь посмотрим только на горячую сторону и повторим сценарий. Предположим, что возникла другая флуктуация, ненамного охладившая центр горячей стороны. То же самое явление действует как положительная обратная связь, все больше охлаждая центр и все больше нагревая область вокруг него. С течением времени малая флуктуация вырастет в особенность. Это может происходить снова и снова. Вскоре вы получите сложную структуру холодных и горячих областей.
Система, которая ведет себя так, естественным образом приводится к формированию сложных структур. Тяжело предсказать, где такая система окажется в конечном итоге, поскольку имеется гигантское число неоднородных, структурированных конфигураций, к которым она может эволюционировать. Мы называем такие системы анти-термодинамическими системами. Второй закон все еще действует в них, но, поскольку введение энергии в область охлаждает ее, состояние, в котором газ однородно распределен, является в высшей степени нестабильным.
Системы, удерживаемые вместе гравитацией, ведут себя именно таким сумасшедшим образом. Звезды, солнечные системы, галактики и черные дыры все являются анти-термодинамическими. Они охлаждаются, когда вы подводите к ним энергию. Это означает, что все эти системы нестабильны. Нестабильности уводят их прочь от однородности и стимулируют формирование структур в пространстве и времени.
Это тесно связано с тем, почему вселенная через 13,7 миллиарда лет после своего возникновения не находится в равновесии. Возрастающая структура и сложность, которые характеризуют историю вселенной, в значительной степени объясняются тем фактом, что заполняющие ее гравитационно-связанные системы, от кластеров галактик до звезд, являются анти-термодинамическими.
Легко понять, почему такие системы являются анти-термодинамическими. Две главные особенности выделяют гравитацию из других сил: Гравитационная сила (1) дальнодействующая и (2) универсально притягивающая. Рассмотрим планету на орбите вокруг звезды. Если вы добавляете энергии, планета переместится на
к оглавлению более далекую от звезды орбиту, где она будет двигаться медленнее. Так что введение энергии понижает скорость планеты, а это понижает температуру системы - поскольку температура есть просто средняя скорость вещей в системе. И наоборот, если вы забираете энергию из солнечной системы, планета должна ответить падением ближе к звезде, где она движется быстрее. Следовательно, отвод энергии нагревает систему.
Мы можем сравнить это с поведением атома, который удерживается вместе за счет электрических сил между зарядами. Подобно гравитации, электрические силы действуют на большие расстояния, но отличаются тем, что они являются притягивающими только между противоположными зарядами. Положительно заряженный протон будет притягивать отрицательно заряженный электрон, но раз уж электрон связан с протоном, получившийся атом в итоге не имеет заряда. Говорят, что сила насыщена, и атом не притягивает к себе любые другие частицы. Солнечная система работает противоположным образом, поскольку, когда звезда притягивает некоторую планету, получившаяся система является еще более притягивающей для пролетающих мимо тел, чем была бы одна звезда. Так что тут есть другая нестабильность - гравитационно-связанная система будет притягивать к себе все больше тел.
Это анти-термодинамическое поведение проявляется в вырождении звездных скоплений. Если бы звездное скопление должно было вести себя термодинамически, оно достигло бы равновесия - в этом случае это состояние, в котором все его звезды имели бы одинаковую среднюю скорость и вечно пребывали бы в группе. Вместо этого звездные кластеры медленно рассеиваются. Это происходит интересным образом. Каждый раз, когда звезда сближается с двойной звездой - то есть, двумя звездами, вращающимися друг вокруг друга, - тесное сближение может привести к сужению орбиты двойной звезды. Это орбитальное сжатие высвобождает энергию, которая передается третьей звезде. Теперь третья звезда имеет достаточно энергии, чтобы покинуть скопление, и она начинает путешествие прочь в пространство. Через длительное время от звездного скопления мало что остается, кроме некоторых двойных звезд на близких орбитах и утекающего прочь от скопления облака быстро движущихся звезд.
Это не противоречит второму закону, а только его наивной интерпретации. Закон, что энтропия должна обычно расти, просто закрепляет банальность, что чем больше способов имеется, чтобы что-либо произошло, тем более вероятно, что оно наступит. Нормальные термодинамические системы в конце концов приходят к единственному скучному состоянию однородного равновесия; гравитационно-
к оглавлению связанные, анти-термодинамические системы оказываются в конечном итоге в одном из огромного числа в высшей степени неоднородных состояний.
