Свет во тьме. Черные дыры, Вселенная и мы

Все есть информация – материя, энергия и, возможно, даже черные дыры. И при этом одной из наиболее важных концепций является идея о том, что противоположно информации: отсутствие информации, беспорядок, или, на научном языке, энтропия. Суть в том, что такие концепции как свет и время, знание и невежество, случай и судьба – тесно связаны между собой.

Еще в конце XIX века австрийский ученый Людвиг Больцман занимался исследованием связи между термодинамическими величинами – такими как, например, теплота, давление, энергия, работа – и самыми маленькими частицами. Во времена Больцмана работу и энергию производили тепло и давление в паровых машинах. В паровой машине давление, приводящее в движение локомотив, создается за счет движения множества капелек водяного пара.

Частицы в бойлере похожи на играющих в надувном замке детей. Чем неистовее они скачут, тем сильнее сотрясается замок. Чем больше в замке прыгающих детей, тем сильнее давление на его стенки. Энергия и скорость отдельных детей соответствуют температуре в бойлере. В конце праздника дети устают, и энергия начинает убывать. Надувной замок перестает трястись; бойлер охлаждается.

До того как запустить детей в замок, я разделил их на две группы. Вначале я рассадил в замке спокойных ребят в синих футболках. Прозвучал свисток, игра началась, и туда ворвались дикие спортивные ребята в красных футболках. Произошло несколько крупных, но по большей части бескровных столкновений. Когда внутрь замка влетела дикая орда и все дети в красных футболках дружно навалились на заднюю стенку сооружения, оно начало угрожающе раскачиваться. В этот момент состояние в основном еще упорядоченное и энтропия низкая. Однако поскольку замок полон детей, спокойные ребятишки тоже начинают прыгать – иначе их свалят с ног, а разбушевавшиеся “красные футболки” начинают прыгать медленнее – иначе они будут сталкиваться друг с другом. Обе группы перемешиваются, свалка становится общей, ребят все труднее разделить на группы спокойных и буйных. Физики описали бы это так: надувной замок пришел в состояние теплового равновесия, и, поскольку все перемешалось – синие и красные футболки мелькают повсюду, – энтропия выросла. Если ребята снимут футболки, никто не узнает, кто к какой группе изначально принадлежал.

Нечто похожее происходит и в паровой машине. Когда бойлер, наполненный горячим воздухом, соединяют с холодным бойлером, воздух из горячего бойлера перетекает в холодный, заставляя турбину двигаться. Если перестать подавать тепло, температура бойлеров сравняется, частички газа в каждом из них будут двигаться с одинаковой скоростью, воздух больше не будет течь в одном направлении и турбина остановится. Система достигла теплового равновесия: все частицы полностью перемешаны. Упорядоченная система – горячие частицы здесь, а холодные там – превратилась в неупорядоченную; энтропия возросла, и система больше не производит работы. Физики говорят, что система термализована, что означает – полностью перемешана. Имеется одна большая масса подобных частиц, единственная характеристика которых – общая для всех температура.

Можно сказать, что беспорядок всегда только увеличивается. Для молодых родителей это одно из наиболее важных открытий, но оно относится и к физике. Увеличение беспорядка – основополагающий принцип термодинамики, который справедлив как для любой замкнутой системы, так и для любой детской. Никто никогда не станет свидетелем того, как один из двух бойлеров с одинаковой температурой спонтанно станет горячим, а другой – холодным. Точно так же кубики в детской не разделятся по цветам самопроизвольно. Чтобы уменьшить энтропию, сперва надо всегда потратить энергию. Уборка – утомительное, требующее усилий дело.

Тем не менее даже коробка со сваленными в беспорядке кубиками разных цветов не достигает состояния с максимальным уровнем энтропии. Чтобы его достичь, все кубики надо, измельчив, разделить на составные элементы, которые в финале должны излучиться в виде диффузного инфракрасного излучения. Значит, даже если в детской беспорядок, ситуация всегда может стать еще хуже.

Нам повезло, что нашей Вселенной всего несколько миллиардов лет. Если бы мы жили в бесконечно старой Вселенной, то, несмотря на все наши усилия, в ней бы царил максимальный беспорядок и полный хаос. Больше не было бы ни галактик, ни звезд, ни частиц, ни черных дыр. Свет растянулся бы до бесконечности и практически погас. Вселенная была бы не более привлекательна, чем дым от погасшей на ветру свечи в пустыне. В этом смысле конечность Вселенной безусловно является необходимым условием нашего существования.