До конца времен. Сознание, материя и поиск смысла в меняющейся Вселенной - Брайан Грин Страница 21

Чтобы оценить, как процесс формирования звезды сказывается на энтропийном итоге, сложим все составляющие. Как ядро газового облака, которое становится звездой, так и окружающая его газовая оболочка являются объектом двух конкурирующих энтропийных эффектов. Для ядра: температура растет, увеличивая энтропию, а объем снижается, понижая энтропию. Только тщательные вычисления 14 могут определить победителя; результат показывает, что падение превосходит рост, так что суммарная энтропия ядра снижается. Образование больших гравитационных сгустков, таких как звезды, — реальный шаг к большему порядку. Для окружающей ядро оболочки: объем растет, тем самым повышая энтропию, а температура снижается, тем самым понижая энтропию. Опять же, для определения победителя требуются подробные вычисления, результат которых показывает, что рост превалирует над снижением, так что суммарная энтропия оболочки растет. Что не менее важно, расчет устанавливает, что рост энтропии в оболочке превосходит падение энтропии в ядре, гарантируя, что весь процесс приводит к общему увеличению энтропии, заслужив тем самым одобрительный кивок от второго начала.

Эта цепочка событий, сильно идеализированная и упрощенная разумеется, показывает, как звезда — островок низкой энтропии, островок порядка — может образоваться спонтанно, хотя никакой инженер не управляет этим процессом и хотя второе начало термодинамики с его утверждением о непрерывном росте суммарной энтропии продолжает вовсю действовать. По сравнению с паровой машиной космический механизм довольно странный, однако то, что мы обнаружили, — это еще один пример энтропийного тустепа. Примерно как паровая машина и окружающая ее среда участвуют в термодинамическом танце (паровая машина выпускает излишек теплоты, что приводит к снижению энтропии, тогда как среда впитывает эту теплоту и повышает свою энтропию), так и газовое облако с гравитацией (облако достаточно большое, чтобы гравитация в нем играла существенную роль) исполняют аналогичное па-де-де. По мере того как ядро такого газового облака сжимается под действием тяготения, его энтропия снижается, но при этом оно высвобождает теплоту, под действием которого энтропия окружения возрастает. Возникает локальная область порядка в среде, которая переживает более значительный прирост беспорядка.

Новой чертой гравитационной версии энтропийного тустепа является то, что процесс этот самоподдерживающийся. По мере того как газовое облако сжимается и испускает теплоту, его температура растет, заставляя еще больше теплоты уходить наружу и обеспечивая продолжение танца. Напротив, когда паровая машина выполняет работу и испускает теплоту, ее температура падает. Без сжигания дополнительного топлива, способного вновь разогреть пар, машина останавливается. Вот почему для конструирования, постройки и поддержания работы паровой машины необходим разум, тогда как область порядка, созданную сжимающимся облаком газа, — звезду — лепит и заставляет работать неразумная гравитация.

Синтез, порядок и второе начало

Подведем некоторые итоги.

Если влияние гравитации минимально, второе начало толкает систему к однородности, объекты распределяются, энергия рассеивается, энтропия возрастает. И если бы это было все, то история Вселенной, от начала до конца, оказалась бы банальной. Но, если материи имеется достаточно, чтобы влияние гравитации стало значимым, второе начало радикально меняет курс и толкает систему прочь от однородности. Материя образует сгустки в одних местах и распределяется однородно в других. Энергия концентрируется в одних местах и рассеивается в других. Энтропия снижается в одних местах и повышается в других. Таким образом, способ, посредством которого выполняется директива второго начала, существенно зависит от силы тяготения. Когда тяготение достаточно — имеется необходимое количество существенно сконцентрированного вещества, — могут формироваться упорядоченные структуры. С учетом этого история развертывания Вселенной становится намного богаче.

Как уже описано, ведущую роль в этом процессе играет сила всемирного тяготения — гравитация. В сравнении с ней действие ядерной силы, ответственной за синтез, представляется откровенно вторичным. Ее работа, на первый взгляд, ограничивается вмешательством: именно ядерный синтез обеспечивает внутреннее давление, способное остановить коллапс под действием гравитации. Приблизительный итог, который ученые обычно озвучивают, таков: именно гравитация в конечном счете является источником любой структуры в космосе; роль ядерного взаимодействия при этом даже не упоминается. Но более честная оценка такова: существует равноправное партнерство между гравитацией и ядерным взаимодействием, когда они работают в паре ради выполнения программы второго начала.

Дело в том, что ядерное взаимодействие тоже участвует в энтропийном танце. При слиянии атомных ядер — как происходит в недрах Солнца, где ядра водорода сливаются в ядро гелия миллиарды и миллиарды раз в секунду, — результатом становится более сложный, более хитроумно организованный низкоэнтропийный атомный кластер. В ходе этого процесса некоторая часть массы первоначальных ядер превращается в энергию (как предписывает формула Е = ше2), в основном в виде пучка фотонов, которые разогревают внутренность звезды и обеспечивают излучение света с ее поверхности. И именно при помощи этого раскаленного свечения, которое само представляет собой поток улетающих вовне фотонов, звезда отдает избыточную энтропию окружающей среде. В самом деле, примерно как мы обнаружили в случаях с паровой машиной и сжимающимся газовым облаком, рост энтропии среды более чем компенсирует снижение энтропии благодаря ядру с идущими в нем процессами синтеза и гарантирует, что суммарная энтропия растет, — и истинность второго начала не страдает.

Как природный газ и кислород нуждаются в катализаторе (скажем, чтобы я чиркнул спичкой) для начала химического горения, так и атомные ядра нуждаются в катализаторе для запуска реакции ядерного синтеза. Для звезд таким катализатором является не что иное, как гравитация, которая сдавливает вещество в ядре до тех пор, пока оно не становится достаточно горячим и плотным, чтобы запустилась реакция синтеза. Однажды начавшись, синтез может питать звезду миллиарды лет, без устали синтезируя сложные атомные ядра и одновременно извлекая недоступные в других условиях «залежи» энтропии, которую она излучает в окружающий мир с теплом и светом. И как мы будем говорить в следующей главе, эти продукты — сложные атомы и стабильный мощный световой поток — необходимы для формирования еще более разнообразных и хитроумных структур, включая меня и вас. Таким образом, хотя гравитация и играет жизненно важную роль в образовании звезд и поддержании стабильной звездной среды, но именно ядерное взаимодействие миллиарды лет находится на передовой и возглавляет энтропийную атаку. С этой точки зрения гравитация уже не главное действующее лицо, а лишь необходимый участник долговременного дуэта.

Результат, в антропоморфном изложении, состоит в том, что Вселенная умело использует гравитационные и ядерные силы для извлечения запасов нетронутой энтропии, запертой внутри ее материальных составляющих. Без гравитации частицы распределяются равномерно, как аромат по дому, достигая при этом наивысшего доступного уровня энтропии. Но с гравитацией частицы, сжатые в массивные и плотные шары, при поддержке ядерного синтеза делают ставки в энтропийной игре еще выше.