Второй закон термодинамики

Второй закон термодинамики

Согласно второму закону (началу) термодинамики, процессы, происходящие в замкнутой системе, всегда стремятся к равновесному состоянию. (Иными словами, если нет постоянного притока энергии в систему, идущие в системе процессы стремятся к затуханию и прекращению.)

Например, если бы у меня был баллон с вакуумом внутри, и я поместил бы туда какое-то количество молекул газа, этот газ распределился бы внутри баллона равномерно. Практически невозможно, чтобы молекулы, к примеру, собрались в одном конце баллона и там оставались. Для литрового баллона газа вероятность того, что вместо 100% объёма газ заполнит лишь 99,99%, составляет 1:(10¹⁰)²⁰.

Тогда понятно, почему воздух в комнате никогда не разделяется внезапно на кислород в одном углу и азот в другом. По той же причине вы, ступая в ванну, находите её приятно тёплой, а не заледеневшей в одном конце и кипящей в другом. Очевидно, что жизнь без второго закона термодинамики была бы невозможна.

Теперь такой вопрос: что происходит, когда действие этого закона распространяется на Вселенную в целом? Вселенная — гигантская замкнутая система, поскольку в ней содержится всё существующее, и вне её ничего нет.[42] Это, видимо, означает, что, по прошествии достаточного времени, все процессы во Вселенной замедлятся и постепенно прекратятся. Настанет так называемая «тепловая смерть Вселенной», когда никакие дальнейшие перемены не будут возможны. Вселенная будет мертва.

Учёные признают два варианта тепловой смерти. Если Вселенная замкнута, то она погибнет «горячей» смертью.

Вот как описывает это состояние Б. Тинзли:

Если средняя плотность материи во Вселенной достаточно высока, взаимное гравитационное притяжение между телами постепенно замедлит расширение и остановит его. Потом Вселенная сожмётся в раскалённый огненный шар. Нам неизвестен никакой физический механизм, который мог бы обратить вспять это катастрофическое «большое сжатие». Ясно, что если Вселенная достаточно уплотнится, ей не избежать горячей смерти.[43]

Таким образом, если Вселенная замкнута, то её ожидает огненная гибель, после которой она уже не воскреснет.

Но как мы видели, более вероятно, что Вселенная «открыта». Вот как описывает Б. Тинзли конец такой Вселенной:

Если плотность Вселенной невелика, её гибель будет холодной. Она будет вечно расширяться — всё медленнее и медленнее. Весь галактический газ превратится в звёзды, а звёзды догорят. Наше Солнце станет холодным мёртвым куском шлака, парящим среди трупов других звёзд среди всё более одинокого Млечного Пути.[44]

В конечном счёте везде установится равновесие, и вся Вселенная достигнет конечного состояния, исключающего возможность любых перемен.

Следующий вопрос: если Вселенной, по прошествии достаточного времени, предстоит тепловая смерть, то почему же, если она существует вечно, она не мертва уже сейчас? Если Вселенная не имела начала, она уже должна пребывать в состоянии равновесия, вся полезная энергия должна быть израсходована.

Если я слышу, как тикает мой заводной будильник (что, уверяю вас, не так уж трудно), то знаю, что в какой-то момент в недавнем прошлом он был заведён и с тех пор идёт, раскручивая пружину. Вселенной движет тот же принцип. Поскольку её пружина ещё раскручивается, то справедливо изречение одного озадаченного учёного. «Каким-то образом Вселенная должна была быть заведена!»[45]

Некоторые учёные пытались избежать такого вывода. Они предположили, что Вселенная пульсирует взад-вперёд — вечно, никогда не достигая состояния окончательного равновесия.

Я уже отмечал, что подобная модель Вселенной невозможна физически. Но даже если бы она и была возможна, термодинамические свойства такой модели всё равно требуют того самого начала Вселенной, которого пытаются избежать её авторы.

Дело вот в чём. Как отмечает ряд учёных — каждый раз, когда (по этой модели) Вселенная расширяется, она должна расшириться несколько больше, чей в предыдущий раз. Если рассмотреть прошлые разбегания, можно обнаружить, что чем глубже в прошлое, тем они меньше.

Таким образом, по словам выдающихся советских физиков из Института прикладной математики АН СССР, «мультицикловая модель даёт бесконечное будущее, но лишь конечное прошлое».[46] Другой автор оказывает на то, что модель пульсирующей Вселенной всё же требует точки её происхождения перед самым малым циклом.[47]

Таким образом, какую модель ни выбирай: замкнутую, открытую или пульсирующую, — из второго закона термодинамики следует, что Вселенная имела начало.

Против этого аргумента существуют два традиционных возражения.[48]

Первое: «Аргумент недействителен, если Вселенная бесконечна». На это есть два ответа:

1) Реально бесконечная Вселенная влечёт за собой все противоречащие здравому смыслу парадоксы, связанные с существованием актуально бесконечного в реальном мире. Поэтому реально бесконечную Вселенную невозможно себе представить. Это вдвойне справедливо для модели «Большого Взрыва», ибо это потребует от нас допущения Вселенной с плотностью, близкой к бесконечной (по мере продвижения в прошлое) и которая в то же время остаётся бесконечной по размерам!

Часто утверждают, что если Вселенная «открыта», она не может не быть бесконечной. Но такое мнение не учитывает всех вариантов, допускаемых топологией пространства-времени.

Если пространство-время седловидно, то это действительно требует открытой и бесконечной Вселенной. Но если пространство-время имеет форму тора («бублика»), то Вселенная может быть и открытой, и в то же время конечной. Поскольку эти различные теоретические модели равно возможны, точнее принять ту модель, которая не чревата противными здравому смыслу парадоксами (связанными с существованием актуальной бесконечности).

2) Даже если Вселенная бесконечна, она всё равно придёт в состояние равновесия. Как объяснил мне в письме профессор Лондонского университета, если каждая конечная область Вселенной придёт в равновесие, то придёт в равновесие и вся Вселенная.[49] Это будет справедливым даже для бесконечного числа конечных участков. Ведь если каждая доска забора — зеленеет, то зелёным станет и весь забор, даже если число досок в нём бесконечно. Поскольку каждую конечную область во Вселенной постигнет тепловая смерть, то же самое произойдёт и со всей Вселенной.

Другое возражение: нынешнее состояние Вселенной — нетипичное для неё, это только флуктуация, т. е. крохотное отклонение от общего состояния равновесия. Иными словами, ныне наблюдаемые энергетические процессы можно сравнить с мелкой рябью на поверхности пруда, в целом спокойного.

Такое возражение чудовищно искажает все пропорции и масштабы.

Флуктуации, известные физикам, настолько малы, что могут иметь хоть какое-то значение лишь для систем, состоящих из нескольких атомов, не больше. В равновесной вселенной обнаружить флуктуации будет практически невозможно.[50] График, представляющий флуктуации в такой вселенной, будет неотличим от прямой линии.

Итак: поскольку существующая ныне Вселенная равновесной не является, то что же из этого следует?

Согласно английскому учёному П. Девису, Вселенная, совершенно очевидно, была создана конечное время назад и находится сейчас в процессе достижения равновесия.[51] По его словам, нынешнее неравновесное состояние не может быть отклонением от предыдущего состояния равновесия, поскольку до момента своего создания Вселенная просто не существовала. Таким образом, заключает Девис, энергия Вселенной была «попросту заложена в ней при создании, в качестве начального условия»[52]