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

Каким бы сложным ни казалось это описание, оно используется чаще всего и представляет собой сильно упрощенную картину, предназначенную лишь для передачи основной идеи без лишних технических подробностей. Однако меня оно никогда не удовлетворяло, поскольку оно предполагает, что частицы с отрицательной энергией преимущественно падают в черную дыру, тогда как частицы с положительной энергией улетают прочь, обладая достаточным количеством энергии для того, чтобы преодолеть ее притяжение. Несмотря на то что Хокинг использовал это объяснение, выступая перед широкой аудиторией, он не хотел, чтобы оно воспринималось буквально, но настоящее объяснение предполагает расчет волновых функций и рассеяния, которое происходит с волнами вблизи черной дыры. В этом невозможно разобраться без серьезной подготовки в области математики и физики. Однако если вы сейчас тоже пришли в недоумение, я просто хочу вас заверить, что, несмотря на неадекватность популярной аналогии, результаты расчетов имеют смысл, если произвести их по всем правилам, используя общую теорию относительности и квантовую теорию поля.

Таким образом, мы можем с уверенностью предположить, что перед лицом тепловой смерти черные дыры действительно испаряются, не оставляя ничего, кроме небольшого количества радиации, которая распространяется по опустошающейся Вселенной. Надеюсь, это более или менее понятно.

Кроме того, способность горизонтов излучать радиацию и учитывать энтропию своего содержимого не только обрекает все черные дыры на гибель, но и вносит важный вклад в процесс тепловой смерти. Ведь у нашей наблюдаемой Вселенной тоже есть горизонт, и мы находимся внутри него.

Максимальная энтропия

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 10-40 градусов 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.

И это очень кстати. Если после тепловой смерти что-то может спонтанно появиться, почему бы не другая вселенная?

Эта идея не столь надуманна, как может показаться. В статистической механике существует принцип, согласно которому любая конфигурация системы частиц может повториться, если подождать достаточно долго. Допустим, у вас есть резервуар, заполненный газом, и вы делаете моментальный снимок случайно движущихся молекул, отмечая позиции, в которых они находятся. Если вы понаблюдаете за резервуаром в течение достаточно длительного времени, то рано или поздно снова увидите молекулы в этих же положениях. Чем менее вероятна конфигурация, тем дольше придется ждать ее повторения. Таким образом, повторного наступления очень редкого события, вроде сосредоточения всех частиц в нижнем правом углу резервуара, придется ждать очень долго, но в принципе его наступление – лишь вопрос времени. В этом заключается суть теоремы Пуанкаре о возвращении. При наличии бесконечного количества времени любое состояние, в котором может находиться система, будет повторяться бесчисленное количество раз, причем частота повторения определяется тем, насколько редкой или особенной является та или иная конфигурация. Однажды физики Энтони Агирре, Шон Кэрролл и Мэтью Джонсон подсчитали, что если подождать в течение периода времени, примерно в триллион триллионов раз превышающего возраст Вселенной, можно увидеть, как в пустой коробке самопроизвольно собирается целое пианино.