Пять возрастов Вселенной

Прежде всего, на любое разрешенное поведение строгие ограничения накладывают законы физики. Должен соблюдаться закон сохранения общей энергии. Не должен нарушаться закон сохранения электрического заряда. Основной направляющей концепцией является второй закон термодинамики, который формально гласит, что общая энтропия физической системы должна возрастать. Грубо говоря, этот закон предполагает, что системы должны эволюционировать в состояния увеличения беспорядка. На практике второй закон термодинамики заставляет тепло переходить от горячих объектов к холодным, а не наоборот.

Но даже в рамках процессов, разрешенных законами физики, многие события, которые могли бы произойти в принципе, на деле никогда не происходят. Одна общая причина состоит в том, что они просто требуют слишком долгого времени, и первыми происходят другие процессы, которые их опережают. Хорошим примером этой тенденции служит процесс холодного синтеза. Как мы уже отмечали в связи с ядерными реакциями в недрах звезд, самым стабильным из всех возможных ядер является ядро железа. Множество более мелких ядер типа водорода или гелия отдали бы свою энергию, если бы могли объединиться в ядро железа. На другом конце периодической таблицы более крупные ядра типа урана тоже отдали бы свою энергию, если бы их можно было разделить на части, а из этих частей составить ядро железа. Железо представляет собой самое низкоэнергетическое состояние, доступное ядрам. Ядра стремятся к пребыванию в форме железа, но энергетические барьеры препятствуют тому, чтобы это преобразование могло легко произойти при большинстве условий. Чтобы преодолеть эти энергетические барьеры, как правило, нужны либо высокие температуры, либо продолжительные промежутки времени.

Рассмотрим большой кусок твердого вещества типа камня или, быть может, планеты. Структура этого твердого тела не изменяется благодаря обычным электромагнитным силам, вроде тех, что участвуют в химической связи. Вместо сохранения своего исходного ядерного состава вещество, в принципе, могло бы перегруппироваться так, чтобы все его атомные ядра превратились в железо. Чтобы произошла подобная реструктуризация вещества, ядра должны преодолеть электрические силы, удерживающие это вещество в том виде, в каком оно существует, и электрические силы отталкивания, с которыми ядра действуют друг на друга. Эти электрические силы создают сильный энергетический барьер, во многом напоминающий барьер, изображенный на рис. 23. Из-за этого барьера ядра должны перегруппировываться посредством квантово-механического туннелирования (как только ядра проникают через барьер, сильное притяжение инициирует синтез). Таким образом, наш кусок вещества выказал бы ядерную активность. При наличии достаточного времени весь камень или вся планета превратились бы в чистое железо.

Сколько времени заняла бы подобная реструктуризация ядер? Ядерная активность такого типа преобразовала бы ядра камня в железо примерно за пятнадцать сотен космологических декад. Если бы произошел этот ядерный процесс, в космос была бы испущена избыточная энергия, потому что ядра железа соответствуют более низкому энергетическому состоянию. Однако этот процесс холодного ядерного синтеза никогда не будет доведен до конца. Он даже никогда по-настоящему не начнется. Все протоны, составляющие ядра, распадутся на меньшие частицы много раньше, чем ядра преобразуются в железо. Даже самое длинное возможное время жизни протона составляет менее двухсот космологических декад — много короче огромного промежутка времени, необходимого для холодного синтеза. Другими словами, ядра распадутся прежде, чем у них появится шанс превратиться в железо.

Другой физический процесс, требующий слишком долгого времени, чтобы считаться важным для космологии, — это туннелирование вырожденных звезд в черные дыры. Поскольку черные дыры — это самые низкоэнергетические состояния, доступные звездам, вырожденный объект типа белого карлика имеет большую энергию, чем черная дыра той же массы. Таким образом, если бы белый карлик мог самопроизвольно преобразоваться в черную дыру, он высвободил бы лишнюю энергию. Однако обычно подобного преобразования не происходит из-за энергетического барьера, создаваемого давлением вырожденного газа, который поддерживает существование белого карлика.