Возрожденное время. От кризиса в физике к будущему вселенной

Что мы видим, когда бросаем взгляд назад? Мы видим вселенную, эволюционирующую от меньшей к большей структуризации, от равновесия к сложности.

Есть хорошая причина для уверенности, что вещество и радиация в ранней вселенной находились вблизи теплового равновесия. Вещество и радиация были в горячем состоянии с удивительно однородной температурой, которая повышается, когда мы двигаемся дальше назад во времени. Перед эрой разделения (отделения фотонов от вещества через 400 000 лет после Большого Взрыва) материя была в равновесии с излучением — в равновесии, которое, насколько нам известно, нарушалось только случайными флуктуациями плотности. Вся структура и сложность, которую мы видим сегодня, сформировалась после разделения вещества и излучения. Начальные структуры были посеяны малыми хаотическими флуктуациями плотности, и эти структуры росли по мере расширения вселенной. Формировались галактики, затем звезды, затем жизнь.

Это определенно непохоже на картину, которую предложило бы наивное применение второго закона термодинамики. Второй закон говорит, что изолированные системы повышают свою хаотичность, становятся более разупорядоченными и менее сложными и структурированными по мере движения времени вперед. Это противоположно тому, что, как мы видим, происходило в истории нашей вселенной, в которой сложность возрастает, когда на всех масштабах формируются структуры, причем самыми сложными структурами являются самые недавние.

Эволюционирующая сложность означает время. Никогда не было статических сложных систем. Главный урок в том, что наша вселенная имеет историю, и это история возрастания сложности со временем. Вселенная не только не является Больцмановской, она с течением времени становится все менее и менее Больцмановской.

Это все не отменяет второй закон термодинамики. Второй закон применим к изолированным системам, и они со временем приходят к равновесию. Более того, формирование сложности на самом деле совместимо с ростом энтропии до тех пор, пока рост энтропии и увеличение сложности происходят в различных местах. Земная биосфера организовывалась примерно 4 миллиарда лет с момента возникновения жизни на нашей планете. Эта растущая организация управлялась потоком энергии от Солнца, поступающей в виде фотонов наиболее видимого света, которые захватываются при фотосинтезе в растениях. Фотосинтез захватывает энергию фотонов в химических связях. В этой форме энергия может катализировать химические реакции, которые, например, формируют молекулы белка. Энергия в конце концов проходит через биосферу, улетучивается в виде тепла и окончательно излучается в виде инфракрасных фотонов в небо и за его пределы. Следующей остановкой фотонов может быть нагрев частичек пыли на орбите вокруг Солнца.

Отдельный квант энергии может катализировать формирование сложной молекулы и, следовательно, уменьшить энтропию биосферы, но, когда он излучен в пространство как инфракрасный свет, это повышает энтропию солнечной системы как целого. Пока рост энтропии, вызванный нагревом частиц пыли где-то в пространстве, больше, чем уменьшение энтропии, вызванное формированием молекулярных связей, долгосрочный результат находится в согласии со вторым законом.

Так что если мы рассматриваем солнечную систему как изолированную систему, тот факт, что ее части подвержены самоорганизации и усложнению, согласуется с общим ростом энтропии. Система как целое пытается прийти к равновесию, и будет наращивать свою энтропию, где сможет. Второй закон делает все возможное, чтобы привести солнечную систему в равновесие, но пока большая звезда излучает в холодное пространство горячие фотоны, равновесие откладывается. Пока оно откладывается, молекулы могут переправлять поток энергии в направлении все больших и бо

льших состояний организации и сложности. А звезды горят миллиарды лет, так что есть очень много времени для распространения сложности. Существование звезд играет большую роль в том, почему вселенная почти через 14 миллиардов лет после ее формирования далека от равновесия.

* * *

Но почему звезды существуют? Если вселенная должна склоняться в сторону энтропии и беспорядка, как происходит, что звезды, которые уводят вселенную от равновесия, повсеместны? Иными словами, если вселенная является Лейбницевской, что-то вроде звезд должно существовать. Какие особенности законов природы гарантируют, что так и есть?