Смерть одного человека — сама по себе трагедия. Ещё страшнее гибель целых народов. Предельный ужас — гибель человечества, или даже всей Земли со всем живым на ней. Можно ли придумать что-то ещё более страшное? Наверное — прекращение существования Вселенной. Гибель мира. Конец всего.
Такое событие представляется настолько страшным, что за всю историю человечества его мало кто пытался вообразить — ну или, по крайней мере, не решался поделиться с окружающими этим кошмарным плодом своей фантазии. Ведь даже встречающиеся почти во всех религиях сценарии «конца света» при всём разнообразии имеют одну общую черту: это не конец, а лишь перерождение, преображение мира — и зачастую преображение в лучшую сторону, этакое «светлое будущее».
В общем, довольно долго не находилось человека, который измыслил бы такой сверхужас, как полная и окончательная гибель мира, и рассказал бы о нём людям. Но 2 января 1822 года в Кёслине, Германия, в семье пастора родился Рудольф Готтлиб, сделавший затем блестящую научную карьеру. Не пытайтесь напрягать память, припоминая учёного с таким именем. Готтлиб выбрал себе латинский псевдоним, означающий что-то, связанное со скрытностью, — Клаузиус (латинское слово clausus родственно английскому close и означает «закрытый», «скрытый») и публиковал свои труды под этим именем. Именно он, занимаясь исследованиями тепловых явлений, счёл необходимым ввести новую физическую величину, меру хаоса системы, которую назвал энтропией. И в 1865 году сформулировал принцип, известный сейчас как второе начало термодинамики. Суть его проста: в любых процессах энтропия замкнутой системы не убывает, а при любой передаче тепла от одного тела к другому — возрастает.
Таким образом, любая система рано или поздно достигает состояния, в котором её энтропия максимальна. Это состояние полного термодинамического равновесия. В нем невозможен теплообмен, не может быть совершена механическая работа, в общем не происходит никаких процессов. Вывод получался логичный, соответствующий всем наблюдениям, экспериментам и другим положениям физики, и вполне невинный. Пока Клаузиус не сообразил применить его ко всей Вселенной.
Только представьте себе. В каком-то, пусть и отдалённом, будущем весь мир достигает равновесия. Всё вещество равномерно размазано по Вселенной. Нет никаких объектов: ни звёзд, ни планет, ни даже пылинок, не говоря уже о живых существах. Ничего не происходит, нет никакого движения — кроме бессмысленного теплового хаоса частиц вещества. Никакого шанса на появление чего-то нового. И так будет продолжаться бесконечно долго.
Такая картина полной беспросветности неизбежного будущего привела в ужас не только самого Клаузиуса, но и тех его современников, которые могли понять и оценить его выводы. Не желая смириться с перспективой такой тихой, скучной и унылой гибели мироздания, которая показалась страшнее любой самой масштабной вселенской катастрофы, они начали придираться к рассуждениям Клаузиуса в мелочах. И сгоряча наломали немало дров.
Сначала были предприняты попытки подкопаться под само второе начало термодинамики. Самая известная из них — парадокс Максвелла с придуманным им же «демоном». Идея весьма изящная: разделим сосуд с газом — нашу термодинамическую систему, температура в которой повсюду одинакова, — на две части перегородкой с маленькой-маленькой дверцей. И посадим около этой дверцы весьма смышлёного демона с острым зрением и моментальной реакцией. Молекулы газа, как известно, при любой температуре движутся с разными скоростями, а величина их средней скорости как раз и характеризует температуру газа: чем выше скорость, тем выше температура. Наблюдая за подлетающими к дверце молекулами, демон будет пропускать слева направо только быстрые молекулы, а справа налево — только медленные. Постепенно в левой части сосуда средняя скорость молекул будет снижаться, а в правой — повышаться, и то же самое будет с температурой газа в этих частях. Фокус удался! Замкнутая система перешла из равновесного состояния в неравновесное, энтропия снизилась, а, значит, Клаузиус с его тепловым хоррором ошибается! Мир спасён! Спасён?
Ничего подобного. Для снижения энтропии мы добавили в систему демона. А для того, чтобы он работал, ему нужна энергия, которую он может получить только извне. Система перестаёт быть замкнутой. А если добавить в систему источник энергии демона, то всё встанет на свои места: суммарная энтропия будет расти, а как только энергия демона исчерпается, всё вернётся на круги своя и постепенно вновь достигнет термодинамического равновесия. Интуитивно это было ясно сразу, а в 1929 году Лео Силард точными расчётами подтвердил возрастание суммарной энтропии системы с демоном Максвелла внутри.
Но, повторюсь, ошибка в парадоксе Максвелла была очевидна ещё во времена Клаузиуса. Второе начало устояло. И тогда Людвиг Больцман — человек, который принимал науку настолько близко к сердцу, что впоследствии покончил с собой из-за непонимания его идей научным сообществом, — предложил оригинальный вариант выхода из положения. Он объявил, что Вселенная уже мертва. Мертва в смысле достижения теплового равновесия. Но в любой термодинамической системе возможны случайные флуктуации, отклонения в небольшой области пространства. Вот в такой флуктуации мы и живём. Планеты, звёзды, галактики — это лишь случайный всплеск в тишине и спокойствии огромного термодинамически мёртвого вселенского «болота».
Это была уже хоть какая-то альтернатива безысходности «тепловой смерти». Вот только она никак не соответствовала картине наблюдаемой Вселенной, которая вовсе не формировалась как какая-то флуктуация на фоне теплового равновесия, а явно расширялась из начального плотного горячего состояния. Расширялась и остывала, стремясь к предсказанному Клаузиусом концу, сводя на нет все усилия физиков обоснованно опровергнуть ожидаемый кошмар.
Как это часто бывает в науке, проблему решил не какой-то конкретный гений. Просто общее понимание картины мира научным сообществом постепенно изменилось. И открылись глаза на вещи, которые из нашего времени кажутся элементарными, чуть ли не на уровне школьных знаний.
Всё дело в том, что Клаузиус выводил второе начало термодинамики не для какой попало системы, а конкретно для замкнутой термодинамической. То есть система должна состоять из большого количества частиц, микроскопические свойства которых не влияют на свойства системы, и в ней должна сохраняться суммарная энергия всех физических тел, входящих в неё. Кроме того, понятие «энтропия» было введено Клаузиусом с использованием понятия температуры, а для этого процессы возрастания энтропии должны проходить так медленно, чтобы в каждый момент систему можно было приближённо считать равновесной.
Так позволяют ли свойства Вселенной применить этот закон ко всему мирозданию в целом? Для того чтобы ответить на этот вопрос, выясним современные представления науки о Вселенной. Для того чтобы узнать о них из первых рук, я обратился к известному российскому астрофизику, доктору физико-математических наук Сергею Борисовичу Попову. Начал издалека, первый мой вопрос касался того, какая модель развития Вселенной сейчас представляется наиболее адекватной. Будет ли она бесконечно расширяться или расширение сменится сжатием, которое вернёт наш мир к его начальному состоянию очень плотному, компактному и горячему? Вот его ответ:
Мы, конечно, точно не знаем, является ли Вселенная бесконечно расширяющейся или пульсирующей. В настоящий момент Вселенная расширяется с ускорением, и важнейшей составляющей, определяющей динамику Вселенной, является «тёмная энергия», природу которой мы пока не знаем. Очень похоже на то, что это просто постоянная в космологическом уравнении, то есть свойство вакуума. Если это так, то Вселенная будет всегда расширяться так, как сейчас, то есть расширяться с ускорением. В будущем далёкие объекты, слабо гравитационно связанные с нашим локальным сверхскоплением галактик, станут для нас принципиально недосягаемы.
Если тёмная энергия — это не космологическая постоянная, а некое поле, которое в будущем может перестать играть роль противовеса гравитации, то остаётся возможность, что Вселенная начнёт сжиматься.
Но является ли Вселенная замкнутой системой? И вообще можно ли так ставить вопрос?
Такая постановка вопроса возможна. Например, Вселенная может иметь конечный трёхмерный объём. С другой стороны, можно при этом интересоваться только той областью, которая нам доступна. Наблюдения показывают, что сейчас для описания свойств наблюдаемой нами области, вопрос о замкнутости или бесконечности не важен
Наконец, я спросил Сергея о его собственном отношении к проблеме «тепловой смерти» Вселенной.
Это не является проблемой ближайшего будущего. А я не строю планы на время, превышающее миллиард лет (и другим не советую).
Но всё-таки пренебрежём этим разумным советом и попробуем понять, как соотносится гипотеза Клаузиуса о «тепловой смерти» с современной научной картиной мира. Итак, является ли наша система термодинамической? Нет ли влияния микроскопических свойств составляющих её частиц на макроскопическое поведение? Есть. Конечно, это свойство трудно назвать «микроскопическим» в привычных для нас масштабах. Но если рассмотреть Вселенную в целом, именно оно действует на уровне отдельных частиц (планет, звёзд, галактик), но при этом определяет динамику системы в целом. Наверное, кто-то уже догадался, что я говорю о гравитации.
Её наличие и определяющее влияние на судьбу мироздания и выводит Вселенную из разряда термодинамических систем. А, значит, законы термодинамики ко всему миру в целом применять нельзя. И это первое возражение против гипотезы «тепловой смерти».
Затем замкнутость системы предполагает отсутствие притока энергии. Разумеется, внешнего притока энергии быть не может — неоткуда. Но и рассматривать весь мир как замкнутую систему, как мы поняли, нельзя. А та самая «тёмная энергия» как раз и представляет собой такой внутренний приток, нарушающий закон сохранения энергии для Вселенной в целом — либо постоянный, если это космологическая константа, либо продолжающийся до трансформации неизвестного пока поля. Причём первое — вероятнее. Таким образом, второе возражение Клаузиусу состоит в том, что полная энергия Вселенной не остаётся постоянной.
Далее возникает вопрос, можно ли вообще говорить об энтропии Вселенной в целом. Ведь при введении этой физической величины Клаузиус пользовался понятием температуры системы. Значит, мы должны иметь возможность говорить о температуре Вселенной. А для этого процессы, происходящие в ней, должны носить квазистационарный характер. То есть произошедшее в каком-то месте изменение состояния должно успевать распространиться по всему объёму Вселенной раньше, чем произойдёт новое заметное изменение в начальной точке. Ничего подобного мы не наблюдаем в ускоренно расширяющемся мире, где нас ожидает даже полная потеря досягаемости достаточно удалённых частей Вселенной, не говоря уже о «выравнивании» термодинамических характеристик по всему её объёму. То есть третья претензия к гипотезе Клаузиуса состоит в том, что корректно ввести понятие энтропии Вселенной по-старому невозможно. А если придумать для мироздания какую-то новую «энтропию», то она вовсе не обязана подчиняться второму началу, доказанному для прежней величины с таким же названием.
Наконец, четвёртое возражение. Никто из ранних критиков Клаузиуса не задался вопросом: допустим, энтропия системы действительно постоянно возрастает. Обязательно ли она в какой-то момент достигнет максимального значения? Взгляните на довольно простую функцию y=x/(x+1). Представим, что каждую секунду икс увеличивается на единицу. Тогда и игрек будет постоянно увеличиваться — проверьте! но при этом никогда не достигнет максимума. Между значением игрека и единицей всегда будет какой-то «зазор». Ничто не мешает и энтропии Вселенной, даже если три предыдущих возражения оказались бы несостоятельными, таким же образом постоянно возрастать, но вовсе не достигать никакого максимума. Да, конечно, «зазор», остающийся для физических процессов будет становиться все меньше и меньше, и в какой-то момент в далёком будущем все события будут происходить крайне медленно, с гораздо меньшей энергией процессов, размазанной по гораздо большему объёму мироздания. Однако в этом ничего необычного нет, ведь и современные события происходят с неизмеримо меньшей интенсивностью и скоростью по сравнению с тем же периодом инфляционного расширения Вселенной — но это же не повод говорить, что сейчас жизнь Вселенной замерла!
Эти четыре довода против концепции Клаузиуса позволяют с определённостью сказать: слухи о грядущей «тепловой смерти» мира сильно преувеличены. Самая ужасная перспектива будущего — не более чем фантазия, нет причин беспокоиться, что она может реализоваться. В отличие от других, гораздо более реальных, угроз, о которых можно прочесть в соседних материалах.
