Наука Плоского Мира II: Земной шар

В нашей Вселенной с энтропией связана еще одна загадка. Результаты астрономических наблюдений плохо согласуются со Вторым Законом. Похоже, что в космологических масштабах наша Вселенная со временем становилась сложнее, а не проще. В момент Большого Взрыва материя была распределена довольно равномерно, но с течением времени она становилась все более и более неоднородной, а значит — все более и более сложной. Похоже, что энтропия Вселенной заметно уменьшилась, а вовсе не выросла. Теперь материя образует скопления в самых разных масштабах: камни, астероиды, планеты, звезды, галактики, галактические скопления и сверхскопления и так далее. Используя термодинамическую метафору, можно сказать, что распределение материи становится все более упорядоченным. И это ставит нас в тупик, потому что с точки зрения Второго Закона термодинамическая система должна становиться более беспорядочной.

Причина этой неоднородности нам, по-видимому, хорошо известна — это гравитация. И здесь нас поджидает еще один парадокс временной обратимости. Уравнения поля в теории Эйнштейна, описывающей гравитационные системы, обратимы во времени. А это значит, что если в произвольном решении уравнений Эйнштейна повернуть время в обратную сторону, то результат также будет удовлетворять эти уравнениям. Запустив нашу Вселенную в обратном направлении, мы бы получили гравитационную систему, которая со временем становится все более однородной — так что уменьшение неоднородности с физической точки зрения так же правомерно, как и ее увеличение. И тем не менее, в нашей Вселенной реализуется только один вариант: неоднородность растет.

Пол Дэйвис считает, что «загадка, как и в случае со всеми остальными стрелами времени, связана с моментом, когда в дело вступает асимметрия… В таком случае асимметрию необходимо отследить до начальных условий». Он имеет в виду, что даже в условиях временной обратимости разные начальные условия могут привести к различным вариантам поведения системы. Если мы возьмем яйцо и перемешаем его вилкой, оно потеряет исходную форму. Но если взять размешанное яйцо и очень-очень аккуратно придать каждой частице яйца точно такой же импульс, направив ее вдоль противоположной траектории, то яйцо примет первоначальный вид. Вся разница в начальном состоянии, а не в законах. Заметьте: «перемешивание вилкой» — это довольно отвлеченное описание начальных условий: есть множество способов размешать яйцо с помощью вилки. Однако для того, чтобы восстановить форму яйца, требуются особые и чрезвычайно деликатные условия.

В каком-то смысле это заманчивая перспектива. Появление «комков» материи в нашей Вселенной похоже на «обратное перемешивание» яйца: увеличение ее сложности следует из уникальных начальных условий. Большая часть «обычных» начальных условий привела бы к возникновению Вселенной без всяких «комков» — точно так же, как обычное движение вилкой приводит к перемешиванию яйца. К тому же результаты наблюдений уверенно говорят о том, что в момент Большого Взрыва начальные условия были чрезвычайно гладкими, в то время как любое «обычное» состояние гравитационной системы предположительно является неоднородным. То есть с учетом упомянутого выше предположения получается, что начальное состояние Вселенной должно быть подобрано специальным образом — это довольно привлекательная точки зрения для тех, кто верит в уникальность нашей Вселенной, и, как следствие, уникальность роли, которую мы в ней играем.

От Второго Закона до Бога за один шаг.

Роджер Пенроуз даже подсчитал, насколько особенным должно быть это начальное состояние, сравнив его термодинамическую энтропию с энтропией гипотетического конечного состояния, в котором Вселенная становится системой Черных Дыр. Это финальное состояние обладает крайне высокой неоднородностью — хотя и уступает неоднородности Вселенной, состоящей из одной гигантской Черной Дыры. В результате энтропия начального состояния оказалась примерно в 10³⁰ раз меньше энтропии предполагаемого конечного состояния, что указывает на чрезвычайно особенные начальные условия. Настолько особенные, что Пенроузу пришлось ввести новый асимметричный во времени закон, благодаря которому ранняя Вселенная становится исключительно однородной.

О да, истории вводят нас в заблуждение… Есть и другое, более рациональное объяснение. Ключевая идея проста — гравитация совсем не похожа на термодинамику. В газе, состоящем из колеблющихся молекул, однородное состояние — то есть постоянство плотности — обладает устойчивостью. Соберите весь газ в одном небольшом пространстве внутри комнаты и предоставьте его самому себе — он моментально восстановит однородное состояние. Гравитация действует прямо противоположным образом: в условиях тяготения однородные системы нестабильны. С течением времени мельчайшие изменения, неразличимые при любом конкретном уровне «зернистости», не просто способны проявиться на макроскопическом уровне — они проявятся обязательно.