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

Несмотря на то что из приведенных примеров это неочевидно, более высокая энтропия связана с более высокой температурой. Это имеет смысл, если подумать о разнице между глыбой льда и облаком пара. Чтобы стать льдом, молекулы воды должны сложиться в кристаллическую структуру, тогда как частицы пара могут свободно перемещаться в трех измерениях. Однако даже простое охлаждение пара приводит к некоторому уменьшению его энтропии, поскольку частицы двигаются менее активно и не так беспорядочно.

Важно то, что в масштабе Вселенной энтропия со временем возрастает. Согласно второму закону термодинамики[43], в любой изолированной системе совокупная энтропия может лишь увеличиваться, но не уменьшаться. Другими словами, порядок не возникает спонтанно из ниоткуда, и если вы оставите систему в покое на достаточно длительное время, мера беспорядка в ней неизбежно увеличится. Любой, кто пытался поддерживать порядок на своем столе, знаком с этим самым раздражающим законом природы.

Вопрос о том, является ли Вселенная изолированной системой, все еще предмет дискуссий, но если мы согласимся с этим, нам придется признать, что в будущем космос ожидает лишь нарастание беспорядка и распад. Фактически второй закон термодинамики считается настолько незыблемым и фундаментальным, что им объясняют существование самой стрелы времени.

Как правило, законы физики не учитывают направление течения времени; в большинстве ситуаций обращение времени в уравнениях не влияет на результат. Единственная часть физики, которой, судя по всему, есть дело до этого, – энтропия. На самом деле, вполне возможно, что единственная причина, по которой мы помним прошлое, а не будущее, заключается в том, что истина «дальше будет только хуже», настолько универсальна, что она формирует саму реальность, какой мы ее знаем.

Вы можете возразить: «Но я же сложил мозаику! Я создал порядок! Я что, обратил время вспять?!»

Не совсем. Мозаика – это не изолированная система, и вы тоже. Технически любое локальное увеличение энтропии можно обратить вспять, если приложить достаточно усилий. Собрать разбитое яйцо обратно чрезвычайно сложно, но возможно при наличии достаточного количества времени и невероятно сложного лабораторного оборудования. Однако совокупная энтропия всегда будет нарастать. В случае с мозаикой, усилия, которые вы должны приложить для того, чтобы ее собрать, потребуют затрат энергии, а это означает, что вы будете переваривать пищу и выделять в окружающую среду тепло и продукты жизнедеятельности (например, углекислый газ). В результате воздух в комнате нагреется и загрязнится твердыми частицами. Кроме того, за то время, пока вы складываете мозаику, вы, вероятно, помнете свою рубашку. Я не знаю, что могла бы сделать с окружающей средой машина для сборки яиц, но я точно не хотела бы оказаться в закрытой комнате, в которой она работает.

Кстати, именно поэтому, если оставить дверцу холодильника открытой, в итоге нагреется весь воздух в кухне. По той же причине кондиционеры могут способствовать глобальному потеплению. Каждая наша попытка подчинить своей воле какую-то часть мира создает беспорядок в другой его части, как правило, в форме теплоты.

Каких бы интересных последствий это ни имело для яиц, холодильников и кондиционеров, все становится гораздо более странным, если включить в эту картину черные дыры.

Еще в 1970-х годах физики много говорили об энтропии, о ее постепенном увеличении в масштабе всей Вселенной, а также о возможных последствиях этого процесса. В то же самое время молодой и малоизвестный Стивен Хокинг и еще более молодой постдокторант Джейкоб Бекенштейн размышляли о черных дырах и задавались вопросом, не способны ли эти странные космические мусороперерабатывающие предприятия как-то вмешаться в действие второго закона термодинамики. Например, что будет, если собрать разбитое яйцо, а затем выбросить нагретую лабораторию, которая для этого использовалась, в ближайшую черную дыру? Уменьшится ли совокупная энтропия Вселенной, если собрать яйцо и избавиться от энтропии, возникшей в ходе этого процесса? В конце концов, черная дыра описывается как некая область, из которой не может вырваться даже свет. Это объект настолько массивный и компактный, что его гравитация сгибает световые лучи, направляя их обратно к центральной сингулярности. Попав за горизонт событий черной дыры, то есть преодолев гравитационную точку невозврата, ничто – ни свет, ни информация, ни теплота – уже не сможет вырваться оттуда. Может ли сокрытие энтропии за горизонтом событий черной дыры считаться идеальным преступлением?

Какую бы часть физики вы ни решили перехитрить, никогда не ставьте против второго закона термодинамики. Решение проблемы энтропии черных дыр изменило наши представления об этих объектах. Энтропию нельзя скрыть в черных дырах, потому что им присуща собственная энтропия. У них есть температура (они производят тепло). А это означает, что они вовсе не «черные».

Бекенштейн и Хокинг в итоге пришли к выводу, что черная дыра должна иметь энтропию, чтобы существовать в соответствии со вторым законом термодинамики. Поскольку эта энтропия должна увеличиваться всякий раз, когда черная дыра что-то поглощает, логично предположить, что энтропия связана с размером самой черной дыры – в частности, с общей площадью поверхности горизонта событий. Если бросить в черную дыру холодильник, ее масса увеличится на массу холодильника, что приведет к увеличению размера горизонта событий и, следовательно, площади его поверхности[44].

Тот факт, что энтропия связана с температурой, означает, что черные дыры должны что-то излучать (например, радиацию и частицы). И это излучение может иметь место лишь на горизонте событий или непосредственно вблизи него, снаружи, поскольку вырваться за его пределы не может ничто. Таким образом, в этой области должно происходить нечто странное.

К счастью, если нам понадобятся странности, мы всегда можем найти что-нибудь в области квантовой физики. В данном случае Хокинг воспользовался такой странностью, как виртуальные частицы – пары частиц с положительной и отрицательной энергией, которые рождаются и исчезают в вакууме[45]. Идея заключалась в том, что это происходит постоянно и повсюду в пространстве-времени, как правило, не оказывая никакого влияния, поскольку виртуальные частицы исчезают практически сразу после своего спонтанного появления, аннигилируя друг с другом. Однако Хокинг считал, что вблизи черной дыры может возникнуть ситуация, когда виртуальная частица с отрицательной энергией попадает за горизонт событий, а виртуальная частица с положительной энергией превращается в реальную и улетает. Вследствие поглощения отрицательной энергии масса черной дыры немного уменьшается, при этом такое же количество положительной энергии излучается на ее горизонте событий. Поскольку виртуальные частицы появляются и исчезают постоянно и повсюду в космосе, любая черная дыра, которая активно не поглощает вещество из своего ближайшего окружения, должна постепенно терять массу в ходе такого процесса испарения.