Страница:
Если вы представите себе еще десять человек, каждый из которых вытаскивает фишку 49 из отдельной, предназначенной ему коробки, и бросает ее назад, чтобы снова попытать счастья, шансов, что все они вытащат 50 и что все отскочат быстрее, чем сталкивались, будет один из сотни миллионов миллиардов. С другой стороны, два шанса из трех, что каждый из Десяти в отдельности отскочит с более низкой скоростью.
И, наоборот, если бы те же самые десять человек для начала вытащили бы каждый по фишке с номером 2 и снова попытали бы счастья, ситуация поменялась бы на обратную.
Этим людям совершенно не обязательно выбирать одинаковые числа. Допустим, большое количество людей выбирают фишки, и у них оказываются совершенно разные номера, но среднее число довольно высокое. Если они вытащат еще по фишке, то гораздо более вероятно, что среднее число будет ниже, а не выше. Чем больше будет людей, тем более определенно, что среднее число будет ниже.
То же самое можно сказать и о людях, доставших фишки и обнаруживших, что у них довольно низкий средний номер. При повторной попытке они, скорее всего, вытащат номер выше среднего. Чем больше людей, тем больше вероятность, что среднее число будет выше.
В любых телах, достаточно больших, чтобы на них можно было производить опыты в лаборатории, количество атомов или молекул в каждом не десять, и не пятьдесят, и даже не миллион, а миллиарды триллионов. Если эти миллиарды триллионов частиц в горячем теле имеют высокую среднюю скорость и если миллиарды триллионов частиц в холодном теле имеют низкую скорость, тогда очень много шансов на то, что беспорядочные столкновения этой массы частиц уменьшат среднюю скорость частиц в горячем теле и увеличат среднюю скорость частиц в холодном теле.
Как только средняя скорость частиц станет одинаковой в обоих телах, тогда и момент, вероятно, передастся как в одном направлении, так и в другом. Одни частицы будут двигаться быстрее, другие – медленнее, но средняя скорость (а следовательно, и температура) станет одинаковой.
Это дает нам ответ на вопрос, почему тепло течет от горячего тела к холодному, и почему оба тела достигают одинаковой температуры и сохраняют ее значение. Это просто следствие закона вероятности, естественно вытекающее из слепых случайностей.
Вот, собственно, почему энтропия Вселенной неуклонно возрастает. Существует очень много путей, связанных с равномерным распределением энергии, намного больше тех, которые делают ее распределение более неравномерным, поэтому невероятно высоки шансы, что изменения будут идти в направлении возрастания энтропии, и путь к этому не что иное, как слепой случай.
Иными словами, второе начало термодинамики указывает не на то, что должно произойти, а только на то, что произойдет с подавляюще большой вероятностью. Здесь есть существенная разница. Если энтропия должна увеличиваться, то она никогда не уменьшится. Если энтропия лишь скорее всего увеличивается, то она скорее всего не уменьшится, но в конечном счете, если мы подождем достаточно долго, даже почти невероятное может произойти. Фактически, если мы подождем достаточно долго, оно должно произойти.
Представим себе Вселенную в состоянии тепловой смерти. Мы можем вообразить ее огромным, возможно, беспредельным трехмерным морем частиц, вовлеченных в бесконечную игру столкновений и отскакиваний отдельных частиц, одни из которых движутся быстрее, другие – медленнее, но с остающейся неизменной средней скоростью.
Время от времени в небольшой области соседствующих частиц развивается довольно высокая внутренняя скорость, в то же время в другой области на некотором расстоянии от первой устанавливается довольно низкая скорость. Общая средняя скорость во Вселенной не меняется, но у нас появилась область с низкой энтропией, и становится возможным некоторое небольшое количество работы, до тех пор пока эти области не уравняются, что произойдет через некоторое время.
То и дело на какое-то продолжительное время образуется большая неравномерность, произведенная этими случайными столкновениями, и опять, за еще более продолжительное время, еще большая неравномерность. Мы можем себе представить, что иногда, за триллион триллионов лет, образуется такая неравномерность с очень низкой энтропией в области размером со Вселенную. Для области размером со Вселенную с очень низкой энтропией, чтобы снова выравняться, требуется очень длительное время – триллион лет или более.
Возможно, подобное произошло с нами. В бесконечном море тепловой смерти благодаря действию слепого случая вдруг возникла Вселенная с низкой энтропией, а в процессе возрастания энтропии и выравнивания она обособилась в Галактики, звезды, планеты, породила жизнь и интеллект. И вот мы теперь интересуемся всем этим.
Таким образом и за окончательной катастрофой – тепловой смертью – может последовать возрождение, как и при сильнейших катастрофах, описанных в Откровении и скандинавских мифах.
Так как первое начало термодинамики представляется абсолютным, а второе начало термодинамики представляется только статистическим, есть вероятность существования бесконечного ряда вселенных, отделенных друг от друга воображаемыми эрами времени, только не найдется никого и ничего для измерения времени, и никаких способов в отсутствие возрастающей энтропии для его измерения, если бы даже и существовали необходимые приборы и пытливые умы. Следовательно, можно сказать: есть вероятность существования бесконечного ряда вселенных, отделенных друг от друга бесконечными интервалами.
А как на это проецируется человеческая история?
Предположим, что люди каким-то образом переживут все другие возможные катастрофы и что род человеческий проживет еще триллионы лет, прежде чем Вселенную постигнет тепловая смерть. Скорость возрастания энтропии по мере приближения к тепловой смерти неуклонно будет падать, но области со сравнительно низкой энтропией (области, малые по сравнению со Вселенной, но по человеческим масштабам очень большие) оставались бы то тут, то там.
Если мы допустим, что человеческая технология за триллион лет будет развиваться более или менее неуклонно, то люди должны оказаться способными воспользоваться этими областями низкой энтропии, обнаруживая и используя их, как мы сейчас обнаруживаем и используем месторождения золота. Эти области, продолжая истощаться, могли бы при этом поддерживать человечество миллиарды лет. Конечно, люди могли бы прекрасно находить новые области низкой энтропии, случайно образующиеся в море тепловой смерти, и использовать их, продолжая таким образом существовать вечно, хотя и в ограниченных условиях. Затем, наконец, шанс предоставит область низкой энтропии размером со Вселенную, и люди смогут повторить относительно безграничную экспансию.
А если взять последнюю крайность, люди могут поступить так, как я описал в моем научно-фантастическом рассказе «Последний вопрос», впервые опубликованном в 1956 году, и попытаться открыть способы вызвать массированное уменьшение энтропии, предотвращая таким образом тепловую смерть, либо обдуманно обновить Вселенную, если тепловая смерть уже на пороге.
Вопрос, однако, в том, будет ли человечество еще существовать в те времена, когда тепловая смерть станет проблемой, не сметет ли нас, на самом деле, какая-либо более ранняя катастрофа другого вида?
Вот вопрос, на который мы будем искать ответ в нашей книге.
В древнейшие времена взгляд человека на Вселенную ограничивался тем, что можно было видеть, и это было очень немного. Сначала Вселенная представлялась маленьким клочком поверхности Земли, над которым небо и все, что на нем было, выглядело просто куполом.
Греки первыми признали, что Земля – шар, они даже получили представление о его истинном размере. Они установили, что Солнце, Луна и планеты движутся по небу самостоятельно, независимо от других объектов, и определили их орбиты. Звезды, по их мнению, находились все в единой, наиболее далекой сфере и считались просто фоном. Даже когда Коперник отправил Землю нестись вокруг Солнца, и появление телескопа раскрыло интересные детали по части планет, знание людей в действительности не простиралось за пределы Солнечной системы. Даже в восемнадцатом веке звезды все еще были не более чем фон. Только в 1838 году немецкий астроном Фридрих Вильгельм Бессель (1784—1846) установил расстояние до одной из звезд, и был принят масштаб для измерения расстояний между звездами.
Свет движется со скоростью примерно 300 000 километров в секунду (Однако, как учил Эйнштейн, в мире все относительно. В 1997 году исследователи Амстердамского университета с помощью расположенных в Англии радиотелескопов зафиксировали взрыв в одной из черных дыр, находящейся в центре квазара G. S. R. 1915 (примерно на расстоянии 40 000 световых лет от Земли). Масса этой дыры во много раз больше массы нашего Солнца. Так вот, эта дыра после взрыва выбрасывает из своего Центра раскаленную массу порой со скоростью, превышающей скорость света), и за год, следовательно, пройдет 9,44 триллиона километров. Это расстояние получило название светового года, и даже самая близкая к нам звезда находится на расстоянии 4,4 световых лет. Среднее расстояние между соседствующими с нами звездами составляет 7,6 световых лет.
Звезды не представляются рассеянными по Вселенной равномерно. В кольцеобразном поясе, окружающем небо, существует так много звезд, что они сливаются в слабо светящийся туман, называемый Млечный Путь. На других участках неба звезд, по сравнению с ним, мало.
В девятнадцатом веке стало ясно, что звезды располагаются в форме линзы, ширина которой гораздо больше, чем ее толщина, толще в середине и тоньше по направлению к краю. Мы теперь знаем, что этот линзообразный конгломерат звезд имеет 100 000 световых лет в поперечнике в самом широком месте и содержит до 300 миллиардов звезд со средней массой примерно в половину нашего Солнца. Этот конгломерат называется Галактикой, от греческого выражения «Млечный Путь».
В девятнадцатом веке полагали, что Галактика – это все, что есть во Вселенной. Казалось, в небе нет ничего такого, что было бы вне ее, за исключением Магеллано-вых облаков. Эти объекты южного неба (невидимые в северном умеренном поясе) выглядели отдельными фрагментами Млечного Пути. Они оказались небольшими конгломератами звезд, которые находятся как раз вне Галактики. Решили, что это галактики-спутники нашей Галактики.
Еще одним подозрительным объектом была Туманность Андромеды, тусклая, плохо различимая невооруженным глазом. Некоторые астрономы считали, что это просто светящееся облако газа, которое является частью нашей Галактики. Но если так, почему внутри него не было звезд, которые являлись бы источником света? (Звезды были видны в других облаках газа, принадлежащих Галактике.) К тому же природа свечения этого облака представлялась светом звезд, а не светом люминесцирующего газа. И вдруг новые (неожиданно вспыхивающие) звезды стали появляться в ней с удивительной частотой, новые звезды, которые не были видны при своей обычной яркости. Находилось достаточно доказательств того, что Туманность Андромеды – такой же конгломерат звезд, как Галактика, но настолько удаленный от нас, что ни одна отдельная звезда не различима, за исключением тех случаев, когда какая-нибудь вспыхивающая по какой-то причине звезда становится настолько яркой, что оказывается видимой. Наиболее решительным последователем этого взгляда был американский астроном Хебер Дуст Куртис (1872—1942), который провел специальное исследование новых звезд в Туманности Андромеды в 1917 и 1918 годах.
Тем временем в 1917 году в Маунт-Вильсоне, около Пасадены, в Калифорнии был установлен новый телескоп со 100-дюймовым зеркалом (самый крупный и самый лучший в мире по тем временам). С помощью этого телескопа американскому астроному Эдвину Пауэллу Хабблу (1889—1953) наконец удалось различить отдельные звезды по краям Туманности Андромеды. Это определенно был конгломерат звезд размером с нашу Галактику, и с тех пор он был назван Галактикой Андромеды.
Теперь мы знаем, что Галактика Андромеды находится в 2,3 миллионах световых лет от нас и что существует огромное количество других галактик, простирающихся во всех направлениях на расстоянии от нас в десятки миллиардов световых лет. Поэтому, если рассматривать Вселенную как целое, надо рассматривать ее как большой конгломерат галактик, более или менее равномерно распределенных по космосу, причем каждая галактика содержит примерно от нескольких миллиардов до нескольких триллионов звезд.
Звезды в пределах Галактики держатся вместе благодаря взаимному притяжению, и каждая галактика вращается по мере движения звезд по орбитам вокруг галактического центра. Благодаря гравитации галактики могут оставаться невредимыми и сохранять свою структуру на протяжении многих миллиардов лет.
Например, наша Галактика, Галактика Андромеды, два Магеллановых облака и свыше двадцати других галактик (большинство из них сравнительно маленькие) образуют «локальную группу». Среди других галактических скоплений, которые мы можем увидеть на небе, некоторые гораздо более значительны. Есть одно скопление в созвездии Волосы Вероники приблизительно на расстоянии 120 миллионов световых лет, которое состоит примерно из 10 000 галактик.
Возможно, Вселенная состоит из миллиарда галактических скоплений, и в каждом из них приблизительно по сотне членов.
Видимый свет, который доходит до нас от любого горячего объекта, будь то огромное скопление галактик или костер, состоит из различной длины волн, от самых коротких, которые воздействуют на сетчатку нашего глаза, до самых длинных. Существуют приборы, которые могут отсортировать эти волны по порядку от самых коротких до самых длинных. Такие диапазоны называются «спектрами».
Волны различной длины воздействуют на наши глаза таким образом, что воспринимаются как цвета. Волны самой короткой длины представляются нам фиолетовым цветом. По мере увеличения длины волны мы видим по порядку: синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый и красный. Это знакомые нам цвета радуги, а радуга, которую мы видим в небе после дождя, является природным спектром.
Когда свет от Солнца или других звезд разлагается в спектр, в нем отсутствуют световые волны некоторой длины. Они поглощены по пути относительно холодными газами в верхней атмосфере Солнца (или других звезд). Эти отсутствующие длины волн проявляются как темные линии, пересекающие цветные диапазоны спектра.
Различные атомы в атмосфере звезды поглощают соответствующие только для них длины волн. Местонахождение характерных для каждого вида атомов длин волн в спектре можно точно определить в лаборатории, и по темным линиям в спектре любой звезды можно получить информацию о ее химическом составе.
Еще в 1842 году австрийский физик Христиан Йоган Допплер (1803—1853) доказал, что, когда тело издает звук определенной длины волны, эта волна удлиняется, если тело движется от нас, и укорачивается, если тело движется к нам. В 1848 году французский физик Арманд И. Л. Физо (1819—1896) применил этот принцип к свету.
В соответствии с эффектом Допплера-Физо длина световых волн, испускаемых звездой, которая удаляется от нас, больше, чем если бы звезда была неподвижным объектом. Это касается и темных линий, которые сдвигаются по направлению к красному концу спектра («красное смещение») относительно того, где они обычно должны находиться. В случае движения звезды в нашу сторону, темные линии сдвигаются к фиолетовому концу спектра.
Определяя положение темных линий спектра той или иной звезды, можно установить не только факт движения звезды к нам или от нас, но и с какой скоростью звезда движется, потому что чем быстрее звезда Удаляется или приближается, тем больше смещение темных линий. Эта идея впервые была использована в 1868 году английским астрономом Уильямом Хаггинсом (1824—1910), который обнаружил красное смещение в спектре звезды Сириус и определил, что она удаляется от нас с умеренной скоростью. По мере того как все больше и больше звезд испытывалось подобным образом, выяснилось, что некоторые приближаются к нам, некоторые удаляются, чего и следовало ожидать, если Галактика в целом не приближается к нам и не удаляется.
В 1912 году американский астроном Весто Мелвин Слифер (1875—1969) начал осуществлять проект по определению смещения темных линий различных галактик (даже еще до того, как было точно установлено, что маленькие светящиеся облака являются галактиками).
Можно было предположить, что галактики, как и звезды, тоже с какой-то скоростью удаляются и с какой-то скоростью приближаются; и, конечно, это оказалось верно для галактик нашей локальной группы. К примеру, первой галактикой, изученной Слифером, была Галактика Андромеды, и было установлено, что она приближается к нашей Галактике со скоростью примерно 50 километров в секунду.
Галактики за пределами нашей локальной группы, тем не менее, проявили удивительное единообразие. Слифер и те, кто за ним последовал, установили, что во всех случаях свет от этих галактик обладает красным смещением. Все, как одна, они удаляются от нас с необычайно высокой скоростью. В то время как звезды нашей Галактики движутся как бы относительно друг друга и со скоростью несколько десятков километров в секунду, даже довольно близкие галактики за пределами нашей локальной группы удаляются от нас со скоростью в несколько сот километров в секунду. Более того, чем слабее различима галактика (и предположительно, чем более она удалена), тем скорее она удаляется от нас.
К 1922 году Хаббл (который за пять лет до этого обнаружил звезды в Галактике Андромеды) доказал, что скорость удаления пропорциональна расстоянию. Так, если галактика А удалена от нас на расстояние в три раза большее, чем галактика Б, значит, галактика А удаляется от нас со скоростью в три раза большей, чем галактика Б. Как только это было установлено, расстояние до галактик стало возможно измерять просто путем измерения величины красного смещения.
Но почему все галактики удаляются от нас? Чтобы объяснить это всеобщее удаление без предположения о наличии какого-либо особого качества у нас, оставалось только принять тот факт, что Вселенная расширяется и что расстояние между соседними скоплениями галактик постоянно увеличивается. А если это так, то с любой наблюдательной станции в пределах нашего скопления галактик, а не только со станции в нашей Галактике, все другие скопления галактик должны казаться удаляющимися со скоростью, которая неуклонно увеличивается с расстоянием.
Но почему Вселенная расширяется? Если представить себе, что время движется вспять (то есть если предположить, что мы сняли фильм о расширяющейся Вселенной, а потом прокручиваем его назад), галактические скопления окажутся приближающимися друг к другу и в конечном счете объединяющимися.
Бельгийский астроном Жорж Леметр (1894—1966) предположил в 1927 году, что давно, в какой-то момент времени, все вещество Вселенной было уплотнено в единый объект, который он назвал «космическим яйцом». Оно взорвалось, и из осколков его образовались галактики. Поэтому расширяющаяся Вселенная из-за силы давнего взрыва до сих пор продолжает расширяться. Американский физик русского происхождения Джордж Гамов (1904—1969) назвал этот изначальный взрыв «Большим взрывом», и теперь все используют это выражение. Астрономы считают, что Большой взрыв произошел примерно 15 миллиардов лет назад. Энтропия космического яйца была очень низкой, и с момента Большого взрыва она начала возрастать, а энергия Вселенной истощаться, как описано в предыдущей главе.
Действительно ли Большой взрыв имел место?
Чем дальше мы проникаем в обширные глубины Вселенной, тем дальше заглядываем в прошлое. В конце концов на такое «путешествие» требуется световое время. Если бы мы могли увидеть то, что было за миллиард лет до нас, то свету, который мы бы увидели, понадобился бы миллиард лет, чтобы дойти до нас, и тогда объект, который мы бы увидели, был бы таким, каким он был миллиард лет назад. Если бы мы могли видеть то, что было в 15 миллиардах световых лет от нас, мы бы увидели то, что было за 15 миллиардов лет до нас во время Большого взрыва.
В 1965 году А. А. Пенциас и Р. В. Вильсон из «Белл Телефон Лабораторис» обнаружили еле уловимые радиоволны, равномерно поступающие со всех сторон неба. Этот радиоволновой фон, по всей вероятности, является радиацией Большого взрыва, его отголоском, дошедшим до нас через 15 миллиардов световых лет. Это открытие было принято как весомое свидетельство в пользу Большого взрыва.
Будет ли Вселенная вечно расширяться в результате этого чудовищного изначального взрыва? Я далее остановлюсь на возможности этого, но пока давайте предположим, что Вселенная и впрямь будет расширяться вечно. В таком случае как это скажется на нас? Грозит ли безграничное расширение Вселенной катастрофой?
Визуально, по крайней мере, – нет. Все без исключения, что мы видим на небе невооруженным глазом, включая Магеллановы облака и Галактику Андромеды, является частями нашей локальной группы. Все части локальной группы держатся вместе гравитационно и не участвуют в общем расширении.
Что же тогда это значит? Это означает то, что, несмотря на непрекращающееся расширение Вселенной, наше видение неба от этого не изменится. Будут в ней иные изменения, по иным причинам, но в целом наша локальная группа, содержащая свыше половины триллиона звезд, будет оставаться неизменной.
По мере расширения Вселенной астрономы будут иметь все больше и больше трудностей в различении галактик вне локальной группы и наконец совершенно потеряют их. Все галактические скопления удалятся на такое расстояние и будут двигаться от нас с такой скоростью, что уже не смогут воздействовать на нас никаким образом. Наша Вселенная будет состоять только из нашей локальной группы и будет составлять всего лишь одну пятнадцатимиллиардную часть своей теперешней величины.
Станет ли катастрофой это огромное сокращение нашей Вселенной по размеру? Непосредственно, вероятно, нет, но это повлияло бы на нашу способность разобраться с тепловой смертью.
Сравнительно маленькая Вселенная имела бы меньше шансов образовать большую область низкой энтропии, и она никак бы не могла образовать своего рода космическое яйцо, которое положило начало нашей Вселенной. Для этого не было бы достаточной массы. Чтобы привести какую-нибудь аналогию, скажем, было бы гораздо меньше шансов найти золотую жилу, копая на своем заднем дворе, нежели при возможности копать где угодно на всей поверхности Земли.
Таким образом, безграничное расширение Вселенной значительно уменьшает вероятность того, что люди уцелеют при тепловой смерти – прежде всего, если оно продлится долгое время.
В сущности, испытываешь сильное искушение сказать, что этого не произойдет: сочетание беспредельного расширения и тепловой смерти – это уже слишком много для рода человеческого и ведет к поражению даже при наиболее оптимистической трактовке событий.
Но это еще не все. А не может ли удаление галактических скоплений так изменить свойства Вселенной, что вызовет катастрофу прежде, чем наступит тепловая смерть?
Некоторые физики высказывают предположение, что гравитация является продуктом всей массы Вселенной, действующей совместно, а не только продуктом отдельных тел. Чем больше общая масса Вселенной концентрируется в меньшие объемы, тем более интенсивно гравитационное поле, образуемое любым данным телом. Равным образом, чем более рассредоточивается масса, тем слабее гравитационная сила, образуемая данным телом.
Поскольку Вселенная расширяется, масса Вселенной распределяется на все больший и больший объем, и интенсивность единичных гравитационных полей, создаваемых различными телами Вселенной, должна, согласно нашим рассуждениям, постепенно уменьшаться. Эта идея впервые была высказана английским физиком Полем А. М. Дираком (1902—1984).
Это было бы очень медленное уменьшение, и его результаты не были бы заметны людям на протяжении многих миллионов лет, но результат постепенно накапливался бы. Солнце, например, удерживается в целостности благодаря гравитационному полю. Если бы гравитационная сила стала слабее, Солнце бы медленно расширялось и стало холоднее, то же произошло бы и с другими звездами. Сила притяжения Солнца стала бы ослабевать, и постепенно Земля пошла бы по спирали прочь со своей орбиты. Сама Земля при ослаблении собственной гравитации стала бы медленно расширяться и так далее. Тогда в будущем мы могли бы столкнуться с тем, что температура Земли благодаря удалению от Солнца и охлаждению могла бы упасть и заморозить нас. Этот и другие результаты могли бы привести нас к концу еще до того, как наступит тепловая смерть.
И, наоборот, если бы те же самые десять человек для начала вытащили бы каждый по фишке с номером 2 и снова попытали бы счастья, ситуация поменялась бы на обратную.
Этим людям совершенно не обязательно выбирать одинаковые числа. Допустим, большое количество людей выбирают фишки, и у них оказываются совершенно разные номера, но среднее число довольно высокое. Если они вытащат еще по фишке, то гораздо более вероятно, что среднее число будет ниже, а не выше. Чем больше будет людей, тем более определенно, что среднее число будет ниже.
То же самое можно сказать и о людях, доставших фишки и обнаруживших, что у них довольно низкий средний номер. При повторной попытке они, скорее всего, вытащат номер выше среднего. Чем больше людей, тем больше вероятность, что среднее число будет выше.
В любых телах, достаточно больших, чтобы на них можно было производить опыты в лаборатории, количество атомов или молекул в каждом не десять, и не пятьдесят, и даже не миллион, а миллиарды триллионов. Если эти миллиарды триллионов частиц в горячем теле имеют высокую среднюю скорость и если миллиарды триллионов частиц в холодном теле имеют низкую скорость, тогда очень много шансов на то, что беспорядочные столкновения этой массы частиц уменьшат среднюю скорость частиц в горячем теле и увеличат среднюю скорость частиц в холодном теле.
Как только средняя скорость частиц станет одинаковой в обоих телах, тогда и момент, вероятно, передастся как в одном направлении, так и в другом. Одни частицы будут двигаться быстрее, другие – медленнее, но средняя скорость (а следовательно, и температура) станет одинаковой.
Это дает нам ответ на вопрос, почему тепло течет от горячего тела к холодному, и почему оба тела достигают одинаковой температуры и сохраняют ее значение. Это просто следствие закона вероятности, естественно вытекающее из слепых случайностей.
Вот, собственно, почему энтропия Вселенной неуклонно возрастает. Существует очень много путей, связанных с равномерным распределением энергии, намного больше тех, которые делают ее распределение более неравномерным, поэтому невероятно высоки шансы, что изменения будут идти в направлении возрастания энтропии, и путь к этому не что иное, как слепой случай.
Иными словами, второе начало термодинамики указывает не на то, что должно произойти, а только на то, что произойдет с подавляюще большой вероятностью. Здесь есть существенная разница. Если энтропия должна увеличиваться, то она никогда не уменьшится. Если энтропия лишь скорее всего увеличивается, то она скорее всего не уменьшится, но в конечном счете, если мы подождем достаточно долго, даже почти невероятное может произойти. Фактически, если мы подождем достаточно долго, оно должно произойти.
Представим себе Вселенную в состоянии тепловой смерти. Мы можем вообразить ее огромным, возможно, беспредельным трехмерным морем частиц, вовлеченных в бесконечную игру столкновений и отскакиваний отдельных частиц, одни из которых движутся быстрее, другие – медленнее, но с остающейся неизменной средней скоростью.
Время от времени в небольшой области соседствующих частиц развивается довольно высокая внутренняя скорость, в то же время в другой области на некотором расстоянии от первой устанавливается довольно низкая скорость. Общая средняя скорость во Вселенной не меняется, но у нас появилась область с низкой энтропией, и становится возможным некоторое небольшое количество работы, до тех пор пока эти области не уравняются, что произойдет через некоторое время.
То и дело на какое-то продолжительное время образуется большая неравномерность, произведенная этими случайными столкновениями, и опять, за еще более продолжительное время, еще большая неравномерность. Мы можем себе представить, что иногда, за триллион триллионов лет, образуется такая неравномерность с очень низкой энтропией в области размером со Вселенную. Для области размером со Вселенную с очень низкой энтропией, чтобы снова выравняться, требуется очень длительное время – триллион лет или более.
Возможно, подобное произошло с нами. В бесконечном море тепловой смерти благодаря действию слепого случая вдруг возникла Вселенная с низкой энтропией, а в процессе возрастания энтропии и выравнивания она обособилась в Галактики, звезды, планеты, породила жизнь и интеллект. И вот мы теперь интересуемся всем этим.
Таким образом и за окончательной катастрофой – тепловой смертью – может последовать возрождение, как и при сильнейших катастрофах, описанных в Откровении и скандинавских мифах.
Так как первое начало термодинамики представляется абсолютным, а второе начало термодинамики представляется только статистическим, есть вероятность существования бесконечного ряда вселенных, отделенных друг от друга воображаемыми эрами времени, только не найдется никого и ничего для измерения времени, и никаких способов в отсутствие возрастающей энтропии для его измерения, если бы даже и существовали необходимые приборы и пытливые умы. Следовательно, можно сказать: есть вероятность существования бесконечного ряда вселенных, отделенных друг от друга бесконечными интервалами.
А как на это проецируется человеческая история?
Предположим, что люди каким-то образом переживут все другие возможные катастрофы и что род человеческий проживет еще триллионы лет, прежде чем Вселенную постигнет тепловая смерть. Скорость возрастания энтропии по мере приближения к тепловой смерти неуклонно будет падать, но области со сравнительно низкой энтропией (области, малые по сравнению со Вселенной, но по человеческим масштабам очень большие) оставались бы то тут, то там.
Если мы допустим, что человеческая технология за триллион лет будет развиваться более или менее неуклонно, то люди должны оказаться способными воспользоваться этими областями низкой энтропии, обнаруживая и используя их, как мы сейчас обнаруживаем и используем месторождения золота. Эти области, продолжая истощаться, могли бы при этом поддерживать человечество миллиарды лет. Конечно, люди могли бы прекрасно находить новые области низкой энтропии, случайно образующиеся в море тепловой смерти, и использовать их, продолжая таким образом существовать вечно, хотя и в ограниченных условиях. Затем, наконец, шанс предоставит область низкой энтропии размером со Вселенную, и люди смогут повторить относительно безграничную экспансию.
А если взять последнюю крайность, люди могут поступить так, как я описал в моем научно-фантастическом рассказе «Последний вопрос», впервые опубликованном в 1956 году, и попытаться открыть способы вызвать массированное уменьшение энтропии, предотвращая таким образом тепловую смерть, либо обдуманно обновить Вселенную, если тепловая смерть уже на пороге.
Вопрос, однако, в том, будет ли человечество еще существовать в те времена, когда тепловая смерть станет проблемой, не сметет ли нас, на самом деле, какая-либо более ранняя катастрофа другого вида?
Вот вопрос, на который мы будем искать ответ в нашей книге.
3. Крушение Вселенной
Галактики
Мы только что рассуждали о том, как, казалось бы, должна была вести себя Вселенная в соответствии с законами термодинамики. Теперь время взглянуть на собственно Вселенную, чтобы выяснить, не заставит ли это нас изменить наши выводы. Для этого посмотрим, как развивалось представление о Вселенной до того наиболее полного, которое мы смогли получить только в двадцатом веке.В древнейшие времена взгляд человека на Вселенную ограничивался тем, что можно было видеть, и это было очень немного. Сначала Вселенная представлялась маленьким клочком поверхности Земли, над которым небо и все, что на нем было, выглядело просто куполом.
Греки первыми признали, что Земля – шар, они даже получили представление о его истинном размере. Они установили, что Солнце, Луна и планеты движутся по небу самостоятельно, независимо от других объектов, и определили их орбиты. Звезды, по их мнению, находились все в единой, наиболее далекой сфере и считались просто фоном. Даже когда Коперник отправил Землю нестись вокруг Солнца, и появление телескопа раскрыло интересные детали по части планет, знание людей в действительности не простиралось за пределы Солнечной системы. Даже в восемнадцатом веке звезды все еще были не более чем фон. Только в 1838 году немецкий астроном Фридрих Вильгельм Бессель (1784—1846) установил расстояние до одной из звезд, и был принят масштаб для измерения расстояний между звездами.
Свет движется со скоростью примерно 300 000 километров в секунду (Однако, как учил Эйнштейн, в мире все относительно. В 1997 году исследователи Амстердамского университета с помощью расположенных в Англии радиотелескопов зафиксировали взрыв в одной из черных дыр, находящейся в центре квазара G. S. R. 1915 (примерно на расстоянии 40 000 световых лет от Земли). Масса этой дыры во много раз больше массы нашего Солнца. Так вот, эта дыра после взрыва выбрасывает из своего Центра раскаленную массу порой со скоростью, превышающей скорость света), и за год, следовательно, пройдет 9,44 триллиона километров. Это расстояние получило название светового года, и даже самая близкая к нам звезда находится на расстоянии 4,4 световых лет. Среднее расстояние между соседствующими с нами звездами составляет 7,6 световых лет.
Звезды не представляются рассеянными по Вселенной равномерно. В кольцеобразном поясе, окружающем небо, существует так много звезд, что они сливаются в слабо светящийся туман, называемый Млечный Путь. На других участках неба звезд, по сравнению с ним, мало.
В девятнадцатом веке стало ясно, что звезды располагаются в форме линзы, ширина которой гораздо больше, чем ее толщина, толще в середине и тоньше по направлению к краю. Мы теперь знаем, что этот линзообразный конгломерат звезд имеет 100 000 световых лет в поперечнике в самом широком месте и содержит до 300 миллиардов звезд со средней массой примерно в половину нашего Солнца. Этот конгломерат называется Галактикой, от греческого выражения «Млечный Путь».
В девятнадцатом веке полагали, что Галактика – это все, что есть во Вселенной. Казалось, в небе нет ничего такого, что было бы вне ее, за исключением Магеллано-вых облаков. Эти объекты южного неба (невидимые в северном умеренном поясе) выглядели отдельными фрагментами Млечного Пути. Они оказались небольшими конгломератами звезд, которые находятся как раз вне Галактики. Решили, что это галактики-спутники нашей Галактики.
Еще одним подозрительным объектом была Туманность Андромеды, тусклая, плохо различимая невооруженным глазом. Некоторые астрономы считали, что это просто светящееся облако газа, которое является частью нашей Галактики. Но если так, почему внутри него не было звезд, которые являлись бы источником света? (Звезды были видны в других облаках газа, принадлежащих Галактике.) К тому же природа свечения этого облака представлялась светом звезд, а не светом люминесцирующего газа. И вдруг новые (неожиданно вспыхивающие) звезды стали появляться в ней с удивительной частотой, новые звезды, которые не были видны при своей обычной яркости. Находилось достаточно доказательств того, что Туманность Андромеды – такой же конгломерат звезд, как Галактика, но настолько удаленный от нас, что ни одна отдельная звезда не различима, за исключением тех случаев, когда какая-нибудь вспыхивающая по какой-то причине звезда становится настолько яркой, что оказывается видимой. Наиболее решительным последователем этого взгляда был американский астроном Хебер Дуст Куртис (1872—1942), который провел специальное исследование новых звезд в Туманности Андромеды в 1917 и 1918 годах.
Тем временем в 1917 году в Маунт-Вильсоне, около Пасадены, в Калифорнии был установлен новый телескоп со 100-дюймовым зеркалом (самый крупный и самый лучший в мире по тем временам). С помощью этого телескопа американскому астроному Эдвину Пауэллу Хабблу (1889—1953) наконец удалось различить отдельные звезды по краям Туманности Андромеды. Это определенно был конгломерат звезд размером с нашу Галактику, и с тех пор он был назван Галактикой Андромеды.
Теперь мы знаем, что Галактика Андромеды находится в 2,3 миллионах световых лет от нас и что существует огромное количество других галактик, простирающихся во всех направлениях на расстоянии от нас в десятки миллиардов световых лет. Поэтому, если рассматривать Вселенную как целое, надо рассматривать ее как большой конгломерат галактик, более или менее равномерно распределенных по космосу, причем каждая галактика содержит примерно от нескольких миллиардов до нескольких триллионов звезд.
Звезды в пределах Галактики держатся вместе благодаря взаимному притяжению, и каждая галактика вращается по мере движения звезд по орбитам вокруг галактического центра. Благодаря гравитации галактики могут оставаться невредимыми и сохранять свою структуру на протяжении многих миллиардов лет.
Например, наша Галактика, Галактика Андромеды, два Магеллановых облака и свыше двадцати других галактик (большинство из них сравнительно маленькие) образуют «локальную группу». Среди других галактических скоплений, которые мы можем увидеть на небе, некоторые гораздо более значительны. Есть одно скопление в созвездии Волосы Вероники приблизительно на расстоянии 120 миллионов световых лет, которое состоит примерно из 10 000 галактик.
Возможно, Вселенная состоит из миллиарда галактических скоплений, и в каждом из них приблизительно по сотне членов.
Расширяющаяся Вселенная
Несмотря на то что галактики чрезвычайно удалены от нас, некоторые интересные вещи о них можно узнать по свету, который до нас доходит.Видимый свет, который доходит до нас от любого горячего объекта, будь то огромное скопление галактик или костер, состоит из различной длины волн, от самых коротких, которые воздействуют на сетчатку нашего глаза, до самых длинных. Существуют приборы, которые могут отсортировать эти волны по порядку от самых коротких до самых длинных. Такие диапазоны называются «спектрами».
Волны различной длины воздействуют на наши глаза таким образом, что воспринимаются как цвета. Волны самой короткой длины представляются нам фиолетовым цветом. По мере увеличения длины волны мы видим по порядку: синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый и красный. Это знакомые нам цвета радуги, а радуга, которую мы видим в небе после дождя, является природным спектром.
Когда свет от Солнца или других звезд разлагается в спектр, в нем отсутствуют световые волны некоторой длины. Они поглощены по пути относительно холодными газами в верхней атмосфере Солнца (или других звезд). Эти отсутствующие длины волн проявляются как темные линии, пересекающие цветные диапазоны спектра.
Различные атомы в атмосфере звезды поглощают соответствующие только для них длины волн. Местонахождение характерных для каждого вида атомов длин волн в спектре можно точно определить в лаборатории, и по темным линиям в спектре любой звезды можно получить информацию о ее химическом составе.
Еще в 1842 году австрийский физик Христиан Йоган Допплер (1803—1853) доказал, что, когда тело издает звук определенной длины волны, эта волна удлиняется, если тело движется от нас, и укорачивается, если тело движется к нам. В 1848 году французский физик Арманд И. Л. Физо (1819—1896) применил этот принцип к свету.
В соответствии с эффектом Допплера-Физо длина световых волн, испускаемых звездой, которая удаляется от нас, больше, чем если бы звезда была неподвижным объектом. Это касается и темных линий, которые сдвигаются по направлению к красному концу спектра («красное смещение») относительно того, где они обычно должны находиться. В случае движения звезды в нашу сторону, темные линии сдвигаются к фиолетовому концу спектра.
Определяя положение темных линий спектра той или иной звезды, можно установить не только факт движения звезды к нам или от нас, но и с какой скоростью звезда движется, потому что чем быстрее звезда Удаляется или приближается, тем больше смещение темных линий. Эта идея впервые была использована в 1868 году английским астрономом Уильямом Хаггинсом (1824—1910), который обнаружил красное смещение в спектре звезды Сириус и определил, что она удаляется от нас с умеренной скоростью. По мере того как все больше и больше звезд испытывалось подобным образом, выяснилось, что некоторые приближаются к нам, некоторые удаляются, чего и следовало ожидать, если Галактика в целом не приближается к нам и не удаляется.
В 1912 году американский астроном Весто Мелвин Слифер (1875—1969) начал осуществлять проект по определению смещения темных линий различных галактик (даже еще до того, как было точно установлено, что маленькие светящиеся облака являются галактиками).
Можно было предположить, что галактики, как и звезды, тоже с какой-то скоростью удаляются и с какой-то скоростью приближаются; и, конечно, это оказалось верно для галактик нашей локальной группы. К примеру, первой галактикой, изученной Слифером, была Галактика Андромеды, и было установлено, что она приближается к нашей Галактике со скоростью примерно 50 километров в секунду.
Галактики за пределами нашей локальной группы, тем не менее, проявили удивительное единообразие. Слифер и те, кто за ним последовал, установили, что во всех случаях свет от этих галактик обладает красным смещением. Все, как одна, они удаляются от нас с необычайно высокой скоростью. В то время как звезды нашей Галактики движутся как бы относительно друг друга и со скоростью несколько десятков километров в секунду, даже довольно близкие галактики за пределами нашей локальной группы удаляются от нас со скоростью в несколько сот километров в секунду. Более того, чем слабее различима галактика (и предположительно, чем более она удалена), тем скорее она удаляется от нас.
К 1922 году Хаббл (который за пять лет до этого обнаружил звезды в Галактике Андромеды) доказал, что скорость удаления пропорциональна расстоянию. Так, если галактика А удалена от нас на расстояние в три раза большее, чем галактика Б, значит, галактика А удаляется от нас со скоростью в три раза большей, чем галактика Б. Как только это было установлено, расстояние до галактик стало возможно измерять просто путем измерения величины красного смещения.
Но почему все галактики удаляются от нас? Чтобы объяснить это всеобщее удаление без предположения о наличии какого-либо особого качества у нас, оставалось только принять тот факт, что Вселенная расширяется и что расстояние между соседними скоплениями галактик постоянно увеличивается. А если это так, то с любой наблюдательной станции в пределах нашего скопления галактик, а не только со станции в нашей Галактике, все другие скопления галактик должны казаться удаляющимися со скоростью, которая неуклонно увеличивается с расстоянием.
Но почему Вселенная расширяется? Если представить себе, что время движется вспять (то есть если предположить, что мы сняли фильм о расширяющейся Вселенной, а потом прокручиваем его назад), галактические скопления окажутся приближающимися друг к другу и в конечном счете объединяющимися.
Бельгийский астроном Жорж Леметр (1894—1966) предположил в 1927 году, что давно, в какой-то момент времени, все вещество Вселенной было уплотнено в единый объект, который он назвал «космическим яйцом». Оно взорвалось, и из осколков его образовались галактики. Поэтому расширяющаяся Вселенная из-за силы давнего взрыва до сих пор продолжает расширяться. Американский физик русского происхождения Джордж Гамов (1904—1969) назвал этот изначальный взрыв «Большим взрывом», и теперь все используют это выражение. Астрономы считают, что Большой взрыв произошел примерно 15 миллиардов лет назад. Энтропия космического яйца была очень низкой, и с момента Большого взрыва она начала возрастать, а энергия Вселенной истощаться, как описано в предыдущей главе.
Действительно ли Большой взрыв имел место?
Чем дальше мы проникаем в обширные глубины Вселенной, тем дальше заглядываем в прошлое. В конце концов на такое «путешествие» требуется световое время. Если бы мы могли увидеть то, что было за миллиард лет до нас, то свету, который мы бы увидели, понадобился бы миллиард лет, чтобы дойти до нас, и тогда объект, который мы бы увидели, был бы таким, каким он был миллиард лет назад. Если бы мы могли видеть то, что было в 15 миллиардах световых лет от нас, мы бы увидели то, что было за 15 миллиардов лет до нас во время Большого взрыва.
В 1965 году А. А. Пенциас и Р. В. Вильсон из «Белл Телефон Лабораторис» обнаружили еле уловимые радиоволны, равномерно поступающие со всех сторон неба. Этот радиоволновой фон, по всей вероятности, является радиацией Большого взрыва, его отголоском, дошедшим до нас через 15 миллиардов световых лет. Это открытие было принято как весомое свидетельство в пользу Большого взрыва.
Будет ли Вселенная вечно расширяться в результате этого чудовищного изначального взрыва? Я далее остановлюсь на возможности этого, но пока давайте предположим, что Вселенная и впрямь будет расширяться вечно. В таком случае как это скажется на нас? Грозит ли безграничное расширение Вселенной катастрофой?
Визуально, по крайней мере, – нет. Все без исключения, что мы видим на небе невооруженным глазом, включая Магеллановы облака и Галактику Андромеды, является частями нашей локальной группы. Все части локальной группы держатся вместе гравитационно и не участвуют в общем расширении.
Что же тогда это значит? Это означает то, что, несмотря на непрекращающееся расширение Вселенной, наше видение неба от этого не изменится. Будут в ней иные изменения, по иным причинам, но в целом наша локальная группа, содержащая свыше половины триллиона звезд, будет оставаться неизменной.
По мере расширения Вселенной астрономы будут иметь все больше и больше трудностей в различении галактик вне локальной группы и наконец совершенно потеряют их. Все галактические скопления удалятся на такое расстояние и будут двигаться от нас с такой скоростью, что уже не смогут воздействовать на нас никаким образом. Наша Вселенная будет состоять только из нашей локальной группы и будет составлять всего лишь одну пятнадцатимиллиардную часть своей теперешней величины.
Станет ли катастрофой это огромное сокращение нашей Вселенной по размеру? Непосредственно, вероятно, нет, но это повлияло бы на нашу способность разобраться с тепловой смертью.
Сравнительно маленькая Вселенная имела бы меньше шансов образовать большую область низкой энтропии, и она никак бы не могла образовать своего рода космическое яйцо, которое положило начало нашей Вселенной. Для этого не было бы достаточной массы. Чтобы привести какую-нибудь аналогию, скажем, было бы гораздо меньше шансов найти золотую жилу, копая на своем заднем дворе, нежели при возможности копать где угодно на всей поверхности Земли.
Таким образом, безграничное расширение Вселенной значительно уменьшает вероятность того, что люди уцелеют при тепловой смерти – прежде всего, если оно продлится долгое время.
В сущности, испытываешь сильное искушение сказать, что этого не произойдет: сочетание беспредельного расширения и тепловой смерти – это уже слишком много для рода человеческого и ведет к поражению даже при наиболее оптимистической трактовке событий.
Но это еще не все. А не может ли удаление галактических скоплений так изменить свойства Вселенной, что вызовет катастрофу прежде, чем наступит тепловая смерть?
Некоторые физики высказывают предположение, что гравитация является продуктом всей массы Вселенной, действующей совместно, а не только продуктом отдельных тел. Чем больше общая масса Вселенной концентрируется в меньшие объемы, тем более интенсивно гравитационное поле, образуемое любым данным телом. Равным образом, чем более рассредоточивается масса, тем слабее гравитационная сила, образуемая данным телом.
Поскольку Вселенная расширяется, масса Вселенной распределяется на все больший и больший объем, и интенсивность единичных гравитационных полей, создаваемых различными телами Вселенной, должна, согласно нашим рассуждениям, постепенно уменьшаться. Эта идея впервые была высказана английским физиком Полем А. М. Дираком (1902—1984).
Это было бы очень медленное уменьшение, и его результаты не были бы заметны людям на протяжении многих миллионов лет, но результат постепенно накапливался бы. Солнце, например, удерживается в целостности благодаря гравитационному полю. Если бы гравитационная сила стала слабее, Солнце бы медленно расширялось и стало холоднее, то же произошло бы и с другими звездами. Сила притяжения Солнца стала бы ослабевать, и постепенно Земля пошла бы по спирали прочь со своей орбиты. Сама Земля при ослаблении собственной гравитации стала бы медленно расширяться и так далее. Тогда в будущем мы могли бы столкнуться с тем, что температура Земли благодаря удалению от Солнца и охлаждению могла бы упасть и заморозить нас. Этот и другие результаты могли бы привести нас к концу еще до того, как наступит тепловая смерть.