Возрожденное время. От кризиса в физике к будущему вселенной

Это тесно связано с тем, почему вселенная через 13,7 миллиарда лет после своего возникновения не находится в равновесии. Возрастающая структура и сложность, которые характеризуют историю вселенной, в значительной степени объясняются тем фактом, что заполняющие ее гравитационно-связанные системы, от кластеров галактик до звезд, являются анти-термодинамическими.

Легко понять, почему такие системы являются анти-термодинамическими. Две главные особенности выделяют гравитацию из других сил: Гравитационная сила (1) дальнодействующая и (2) универсально притягивающая. Рассмотрим планету на орбите вокруг звезды. Если вы добавляете энергии, планета переместится на более далекую от звезды орбиту, где она будет двигаться медленнее. Так что введение энергии понижает скорость планеты, а это понижает температуру системы — поскольку температура есть просто средняя скорость вещей в системе. И наоборот, если вы забираете энергию из солнечной системы, планета должна ответить падением ближе к звезде, где она движется быстрее. Следовательно, отвод энергии нагревает систему.

Мы можем сравнить это с поведением атома, который удерживается вместе за счет электрических сил между зарядами. Подобно гравитации, электрические силы действуют на большие расстояния, но отличаются тем, что они являются притягивающими только между противоположными зарядами. Положительно заряженный протон будет притягивать отрицательно заряженный электрон, но раз уж электрон связан с протоном, получившийся атом в итоге не имеет заряда. Говорят, что сила насыщена, и атом не притягивает к себе любые другие частицы. Солнечная система работает противоположным образом, поскольку, когда звезда притягивает некоторую планету, получившаяся система является еще более притягивающей для пролетающих мимо тел, чем была бы одна звезда. Так что тут есть другая нестабильность — гравитационно-связанная система будет притягивать к себе все больше тел.

Это анти-термодинамическое поведение проявляется в вырождении звездных скоплений. Если бы звездное скопление должно было вести себя термодинамически, оно достигло бы равновесия — в этом случае это состояние, в котором все его звезды имели бы одинаковую среднюю скорость и вечно пребывали бы в группе. Вместо этого звездные кластеры медленно рассеиваются. Это происходит интересным образом. Каждый раз, когда звезда сближается с двойной звездой — то есть, двумя звездами, вращающимися друг вокруг друга, — тесное сближение может привести к сужению орбиты двойной звезды. Это орбитальное сжатие высвобождает энергию, которая передается третьей звезде. Теперь третья звезда имеет достаточно энергии, чтобы покинуть скопление, и она начинает путешествие прочь в пространство. Через длительное время от звездного скопления мало что остается, кроме некоторых двойных звезд на близких орбитах и утекающего прочь от скопления о

блака быстро движущихся звезд.

Это не противоречит второму закону, а только его наивной интерпретации. Закон, что энтропия должна обычно расти, просто закрепляет банальность, что чем больше способов имеется, чтобы что-либо произошло, тем более вероятно, что оно наступит. Нормальные термодинамические системы в конце концов приходят к единственному скучному состоянию однородного равновесия; гравитационно-связанные, анти-термодинамические системы оказываются в конечном итоге в одном из огромного числа в высшей степени неоднородных состояний.

Так что факт, что наша вселенная интересна и нетривиальна, имеет тройное объяснение: Принцип управляемой самоорганизации

действует на мириады подсистем и масштабов, от молекулярного до галактического, заставляя их эволюционировать к состояниям все более возрастающей сложности. Двигателями, ведущими этот процесс, являются звезды, которые существуют благодаря комбинации тонкой настройки фундаментальных законов и анти-термодинамической природе гравитации

. Но эти силы могут произвести вселенную, заполненную звездами и галактиками, только если начальные условия вселенной сильно асимметричны во времени.

Все это может быть сформулировано и, в некоторой степени, понято в рамках Ньютоновской парадигмы. Но если мы продолжаем думать в рамках этой парадигмы, организация мира, кажется, остается с огромными невероятностями — предельной особостью выбора законов и начальных условий. Печальное заключение в том, что единственная разновидность вселенной, которая естественным образом появляется из вневременных воззрений Ньютоновской парадигмы, есть мертвая вселенная в равновесии, что, очевидно, не та разновидность вселенной, в которой мы живем. Но с точки зрения реальности времени полностью естественно, что вселенная и ее фундаментальные законы асимметричны во времени, с сильной стрелой времени, которая осуществляет рост энтропии для изолированных систем вместе с непрерывным ростом структуры и сложности.

18

Бесконечное пространство или бесконечное время?