Энтропийная смерть

Энтропийная смерть

Предположим на минуту, что средняя плотность Вселенной меньше критической величины. Поскольку содержание материи-энергии определяет искривленность пространства-времени, мы обнаруживаем, что материи-энергии недостаточно, чтобы сделать обратимым коллапс Вселенной. В таком случае Вселенная будет беспрепятственно расширяться, пока температура в ней не достигнет почти абсолютного нуля. При этом возрастает энтропия (которая измеряет степень хаоса или беспорядка во Вселенной). В конце концов Вселенную ждет энтропийная смерть.

Английский физик и астроном сэр Джеймс Джинс еще на рубеже нынешнего века писал об окончательной гибели Вселенной, называя это явление «тепловая смерть»: «Второй закон термодинамики предполагает, что конец у Вселенной может быть только один — „тепловая смерть“ при температурах настолько низких, что жизнь при них невозможна»[157].

Для того чтобы понять, как происходит энтропийная смерть, важно знать три закона термодинамики, которые управляют всеми химическими и ядерными процессами на Земле и звездах. Британский ученый и писатель Чарльз Сноу нашел оригинальный способ запоминания этих трех законов:

1. Нельзя победить (т. е. нельзя получить что-то без ничего, так материя и энергия сохраняются).

2. Нельзя сыграть вничью (нельзя вернуться в прежнее энергетическое состояние, поскольку беспорядок, энтропия всегда нарастают).

3. Нельзя выйти из игры (потому что абсолютный нуль недостижим).

Для смерти Вселенной наиболее важен второй закон, который гласит, что любой процесс дает прирост количества беспорядка (энтропии) во Вселенной. В сущности, второй закон термодинамики — неотъемлемая часть нашей повседневной жизни. Представьте себе, как добавляете сливки в чашку с кофе. Порядок (кофе и сливки в отдельной посуде) естественным образом сменяется беспорядком (произвольно смешанные сливки и кофе). Но процесс, обратный энтропии, — восстановление порядка из хаоса — чрезвычайно сложен. «Разделить» смешанные жидкости и поместить их в разную посуду невозможно без сложных химических преобразований. Точно так же горящая сигарета наполняет дымом пустую комнату и увеличивает в этой комнате энтропию. Порядок (табак и бумага) снова превращается в беспорядок (дым и пепел). Процесс, обратный энтропии, т. е. втягивание дыма в сигарету и превращение пепла в табак, невозможен даже в самой лучшей химической лаборатории планеты.

Аналогично, всем известно, что разрушать проще, чем строить. Строительство дома может занять целый год, а огню хватает одного-двух часов, чтобы разрушить его. Понадобилось почти 5000 лет, чтобы преобразить кочующие группы охотников в великую цивилизацию ацтеков, которая процветала в Мексике и Центральной Америке и возводила величественные памятники своим богам. Но Кортесу и конкистадорам понадобилось всего несколько месяцев, чтобы разделаться с цивилизацией ацтеков.

Энтропия неуклонно растет как на звездах, так и на нашей планете. В конечном итоге это означает, что звезды исчерпают запасы своего ядерного топлива и угаснут, превратившись в мертвые массы ядерного вещества. Звезды одна за другой перестанут мерцать, Вселенная потемнеет.

Благодаря своим знаниям об эволюции звезд мы можем нарисовать довольно мрачную картину смерти Вселенной. Все звезды станут черными дырами, нейтронными звездами или холодными белыми карликами (в зависимости от их массы), и это произойдет в пределах 10²⁴ лет после того, как их ядерные топки погаснут. Энтропия будет нарастать по мере скольжения звезд вниз, по кривой энергии связи, до тех пор, пока ядерное топливо не истощится окончательно. В пределах 10³² лет все протоны и нейтроны во Вселенной наверняка распадутся. Согласно теориям Великого объединения, протоны и нейтроны нестабильны при больших промежутках времени. Это означает, что в конце концов вся материя, известная нам, в том числе Земля и Солнечная система, распадется на мелкие частицы — электроны и нейтрино. Таким образом, разумные существа ждет малоприятная перспектива: протоны и нейтроны в их организме распадутся. Организм разумных существ уже не будет состоять из привычных 100 химических элементов, нестабильных на протяжении длительного времени. Разумной жизни придется найти способ создавать себе новые тела из энергии, электронов и нейтрино.

По прошествии невероятного множества лет — 10¹⁰⁰ (гугол) температура во Вселенной почти достигнет абсолютного нуля. Разумная жизнь в этом мрачном будущем столкнется с перспективой вымирания. Не сумев подобраться ближе к звездам, представители разумной жизни замерзнут насмерть. Но даже в пустынной холодной Вселенной при температурах, близких к абсолютному нулю, останется еще один, последний источник энергии — черные дыры. Согласно космологу Стивену Хокингу, черные дыры не сплошь черные: на протяжении длительного времени энергия постепенно вытекает из них в космос.

В отдаленном будущем черные дыры могут стать спасителями человечества, так как они излучают энергию, испаряясь. Разумная жизнь неизбежно будет скапливаться вблизи черных дыр и получать от них энергию, чтобы приводить в действие машины. Как мерзнущие бездомные жмутся к угасающему костру, так и разумные цивилизации сократятся до жалких и убогих поселений возле черной дыры[158].

Но что же, спросите вы, будет дальше, по прошествии 10¹⁰⁰ лет, когда запасы энергии испаряющихся черных дыр иссякнут? Астрономы Джон Барроу из Университета Суссекса и Джозеф Силк из Калифорнийского университета в Беркли предупреждают, что имеющиеся у нас на сегодняшний момент знания не дают ответа на такой вопрос. В таком временном масштабе квантовая теория, к примеру, оставляет открытым вопрос о возможности туннелирования нашей Вселенной в другую вселенную.

Вероятность событий такого рода исключительно мала, их понадобится ждать на протяжении периода, превышающего продолжительность жизни нашей нынешней Вселенной, так что нам незачем беспокоиться о том, что реальность коллапсирует при нашей жизни, а вместе с этим коллапсом появится и новый свод физических законов. Но если речь идет о промежутке продолжительностью 10¹⁰⁰ лет, тогда даже такие редкие космические квантовые события не следует сбрасывать со счетов.

Барроу и Силк добавляют: «Где есть квантовая теория, там есть и надежда. Мы не можем быть абсолютно уверенными в том, что „тепловая смерть“ неизбежна, так как не можем с полной определенностью предсказать будущее квантовомеханической Вселенной; ибо в бесконечном квантовом будущем все, что может произойти, в конце концов произойдет»[159].