Бог. Наука. Доказательства: Начало революционных открытий

От камина к звездам: аналогия, позволяющая лучше понять, что такое тепловая смерть Вселенной

Вселенная подобна огню, который горит в камине. Согласно законам термодинамики огонь должен сгореть по истечении какого-то конечного времени.

Наблюдая за потрескивающим пламенем, я вижу, что поленья горят, но постепенно начинают гаснуть одно за другим. Из этого я могу сделать вывод, что через несколько часов в очаге останется только зола.

Но я вправе сделать и другой, не менее важный, а может быть, даже более важный вывод: огонь в камине горит не вечно, потому что этот процесс происходит с измеримой скоростью. Если бы он длился вечно, то уже достиг бы конца.

Я делаю вывод, что, перед тем как загорелся огонь, существовала куча поленьев, которые кто-то поджег.

То же касается и Вселенной, которая растрачивает себя с измеримой скоростью. Если бы Вселенная существовала вечно, то уже истощилась бы и достигла конца. Вот почему тепловая смерть предполагает, что у Вселенной было начало.

Как ни парадоксально, такая важная тема, как тепловая смерть Вселенной, не настолько возбуждает умы, как Большой взрыв, ставший источником многочисленных дискуссий и противоречий. Разве смерть Вселенной не должна вызывать больше бессознательных тревог, чем исследование ее начала? Открытие концепции тепловой смерти представляет собой одно из самых убедительных доказательств начала Вселенной. Оно включает такое сложное понятие, как энтропия, которая связана с необратимостью времени, что станет центральной темой данной главы.

А что если мы для лучшего понимания происхождения Вселенной полистаем ее сценарий, начиная с финала?

Какое будущее ожидает нашу Вселенную

После двух столетий изучения вопроса сложилось почти единогласное мнение, что история Вселенной закончится неизбежной тепловой смертью. Солнце, существующее 4,5 миллиарда лет, будет светить еще такой же период. Лишь потом оно станет красным гигантом, который поглотит Землю и Марс, а затем – белым карликом, после чего безвозвратно погаснет из-за нехватки горючего, как и поленья, тлеющие в камине[17].

Этому важнейшему открытию, сделанному во второй половине XIX века, понадобилось несколько десятилетий, чтобы утвердиться в умах. С тех пор его только подтверждали все последующие теории и наблюдения. И логические следствия этого открытия во многом меняют наше видение мира.

I. История открытия тепловой смерти Вселенной

Все началось в 1824 году в Париже: опубликовав свою единственную работу «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу», 27-летний Карно заложил базу совершенно новой дисциплины – термодинамики. Тогда этого термина еще не существовало, его ввел в середине XIX века Уильям Томсон, получивший за научные заслуги титул лорда Кельвина. Именно Карно – автор фундаментального теоретического обоснования термодинамики, которая впоследствии получила широкое практическое применение. Именно ему мы обязаны аргументированным представлением о работе тепловых машин, на котором базируется действие всех автомобильных и реактивных двигателей. Сади Карно умер в 1832 году от холеры, ему было только 36 лет.

Сади Карно (1796–1832)

Граф Румфорд выдвинул идею, что сила в процессе работы производит тепло, а Герман фон Гельмгольц обосновал принцип сохранения энергии, включая тепловую, как одну из ее форм. Взяв за основу теоретические разработки Карно и графа Румфорда, Рудольф Клаузиус в 1865 году вывел универсальный закон, согласно которому без поступления извне информации или энергии в любой изолированной системе наблюдается необратимый рост энтропии в ходе эволюции от начального состояния равновесия к конечному состоянию равновесия. Следовательно, любой возврат в исходное состояние невозможен[18]. Так Клаузиус сформулировал второе начало термодинамики[19]. Сразу же возник вопрос о доказательстве справедливости и универсальности предложенного закона.

Лауреат Нобелевской премии по химии 1977 года Илья Пригожин в размышлениях о втором начале термодинамики и его следствиях писал:

«Вечной динамике противостоит второе начало термодинамики, закон необратимого роста энтропии, сформулированный Рудольфом Клаузиусом в 1865 году, а детерминизму динамических траекторий – столь же неумолимый детерминизм процессов, которые нивелируют различия в давлении, температуре, химической концентрации и необратимо приводят изолированную термодинамическую систему к состоянию равновесия, максимальной энтропии. <…> Однако было бы ошибкой полагать, что второе начало термодинамики являлось лишь источником пессимизма и тревоги. Для некоторых физиков, таких как Макс Планк и Людвиг Больцман, оно стало также символом поворотного момента. Физика наконец-то получила возможность описать природу с точки зрения становления. Теперь она способна, как и другие науки, описать мир, имеющий историю»[20].

Другими словами, понятие энтропии важно для нового взгляда на представление о конце Вселенной.

На основе работ Клаузиуса и собственных исследований по кинетической теории газов Больцман сумел доказать, что существует функция, характеризующая любую замкнутую систему и возрастающая с течением времени. Эта функция S возрастает в промежутке между двумя равновесными состояниями:

S = k × ln × W,

где S – энтропия[21], k – постоянная Больцмана, а W – множество возможных состояний всех атомных, или «микроскопических», объектов.

Эйнштейн однажды объявил эту формулу, высеченную на бюсте ученого, «самой важной формулой в физике»[22]. По сути, рассматриваемая революционная теория доказывает, что степень беспорядка, характеризующая тот или иной объект, может увеличиваться только статистически – и никак иначе.

Людвиг Больцман (1844–1906)

В статье, датированной 1854 годом, Герман фон Гельмгольц[23] берет быка за рога: по мнению прусского ученого, Вселенную ожидает только один исход – тепловая смерть[24]. Он объясняет, что звезды будут постепенно гаснуть, а температура в космосе будет снижаться, пока не наступит «неизбежный вечный покой». Спустя несколько лет лорд Кельвин предложит научное обоснование идеи тепловой смерти Вселенной[25].

Лорд Кельвин (1824–1907)

Второе начало термодинамики исходит из того, что время имеет одностороннюю направленность. Мы уже говорили, что в замкнутой системе энтропия возрастает. Достаточно измерить энтропию этой системы в два разных момента, чтобы понять, какой из них был первым и, следовательно, в каком направлении ориентирована термодинамическая стрела времени. Если применить эту мысль в масштабах Вселенной[26], можно говорить о космологической «стреле времени». Это открытие ознаменовало радикальные перемены, которые повлекли большие метафизические и философские последствия. Оно противоречит всем циклическим мировоззрениям, мифам о вечном возвращении, античной и отчасти индуистской метафизике, которые уже изжили себя.

Новизна приведенного закона Вселенной и его однозначные последствия объясняют неприятие идеи. Несмотря на актуальность концепции, потребовалось более пятидесяти лет, чтобы ее признало и приняло научное сообщество. Последствия концепции действительно способны поколебать многие устоявшиеся представления.

С материалистической точки зрения Вселенная представляет собой гигантскую замкнутую систему, поскольку включает все, что существует. Вне ее не существует ничего. Поэтому Вселенную можно уподобить пламени в камине или свече, которая мало-помалу сгорает и, если заглянуть в будущее, рано или поздно полностью догорит. Исходя из той же логики, если, наоборот, заглянуть в прошлое, Вселенная обязана иметь начало, поскольку невозможно представить замкнутую систему, которая, расходуя себя в течение бесконечного времени, не исчерпала бы себя полностью к настоящему моменту. В этом случае говорить было бы просто не о чем. Если использовать математические понятия: «Бесконечность – Т = Бесконечность». Иначе говоря, какое бы конечное время T мы ни отняли от бесконечности, в итоге всегда останется бесконечность. В контексте второго закона термодинамики такого быть не может, следовательно, Вселенная обязательно имела начало.

Неоспоримость начала Вселенной требует наличия трансцендентной причины ее существования, потому что согласно аргументу Калама[27]:

• все, что имеет начало, имеет причину;

• у Вселенной есть начало;

• у Вселенной, следовательно, есть причина.

В 1878 году Больцман пришел к выводу, что энтропия Вселенной на начальном этапе неизбежно должна была иметь минимальное значение. Больцман почувствовал это. Лишь много позже его идею подтвердят исследования Роджера Пенроуза. Но минимальная энтропия для Вселенной означает, что сперва абсолютно все в первозданном космосе было фантастически рассчитанным и упорядоченным. Каким чудом? Как бы Больцман ни изнурял себя исследованиями, он не смог представить формальные доказательства. Прошло больше столетия, прежде чем исследователи снова вернулись к идее тонкой настройки Вселенной. Больцман слишком опередил свое время… Ему пришлось вынести настолько яростные нападки коллег, что и без того хрупкая психика этого не выдержала, и в 1906 году ученый покончил с собой.

• Анри Пуанкаре

Исходные данные расчетов Больцмана неизбежно указывают на феномен необратимости. Однако Пуанкаре, как и большинство ученых того времени, считал невозможным, что динамика способна привести к необратимости.

• Эрнст Мах

Великий австрийский ученый Эрнст Мах, которому пришлось уступить Больцману должность заведующего кафедрой философии и истории науки в Вене, поклялся «заставить замолчать этого коротышку, идеи которого опасны для физики»[28]. Будучи ярым материалистом и сторонником Парижской коммуны, он не принимал работы Больцмана и систематически нападал на них во всех публичных выступлениях.

• Эрнст Геккель

С тем, что новая концепция предполагает начало Вселенной, согласились и другие ученые, что поставило под сомнение их убеждения. Так, великий биолог Эрнст Геккель утверждал, что второе начало термодинамики не может быть верным. Доказательству этого он посвятил бóльшую часть своей жизни.

• Фридрих Энгельс

Фридрих Энгельс, один из основателей марксизма, придерживался идеи цикличности времени. Он всеми силами боролся с новой концепцией, ставившей под сомнение диалектический материализм.

• Сванте Аррениус

В своей книге «Образование миров» великий шведский химик, лауреат Нобелевской премии 1903 года, так изложил свой взгляд на проблему:

«Если бы постулаты Клаузиуса были верны, тепловая смерть уже должна была бы состояться с учетом бесконечности времени, в течение которого существует мир! Мы не можем предположить, что имело место начало, поскольку энергию невозможно создать. Это совершенно не поддается осмыслению»[29].

Такая позиция великого ученого удивительна. Предубежденность относительно существования Бога заставляет исследователя отрицать любой акт творения! Вселенная, по мнению Аррениуса, не могла иметь начало, поэтому открытия в области термодинамики находятся за пределами его понимания. Гипотезу, что Бог мог существовать и создать Вселенную вместе с термодинамикой, химик не воспринимает в принципе…

• Марселен Бертло

Выдающийся французский химик Марселен Бертло тоже входит в длинный перечень известных противников Больцмана. Будучи создателем механической теории химических реакций, он яростно полемизировал с Пьером Дюэмом (Дюгемом), который в сотрудничестве с Уиллардом Гиббсом предложил теорию химических реакций, основанную на первом и втором начале термодинамики. Выводы Дюэма противоречили выводам Бертло. Поэтому Бертло, занимавший в то время пост министра народного образования, не позволил оппоненту защитить диссертацию. Дюэм был вынужден выбрать другую тему. Правда, позже Бертло смог загладить свою вину.

• Альберт Эйнштейн (на начальном этапе)

Альберт Эйнштейн тоже долгое время выступал против идеи необратимости времени и расширения Вселенной, но позже изменил мнение по обоим вопросам и признал представленные доказательства. В начале ХХ века Планк использовал второе начало термодинамики, чтобы объяснить излучение черного тела. В свою очередь, Эйнштейн в 1905 году, изучая фотоэлектрический эффект, интерпретировал эти заряды энергии как кванты и заявил, что второе начало термодинамики стало «первым законом всей науки».

В конце XIX века, осознав экзистенциальные философские последствия открытий Карно и Клаузиуса, некоторые ученые разделили их радикальный пессимизм насчет судьбы Вселенной, которая, по-видимому, была обречена медленно и необратимо распадаться. Но были и те, кто воспринял эту идею более позитивно. Односторонняя направленность «стрелы времени» и невозможность вечных циклических повторов сделали нашу историю гораздо более интересной.

Принцип возрастающей энтропии физического мира, который обычно развивается в одном направлении, никогда серьезно не оспаривался. Даже сегодня это один из наиболее твердо установленных законов физики. Статистическая математика тоже доказывает, что вероятность движения назад бесконечно мала, тем более если система столь масштабна. Выдающийся астрофизик Артур Эддингтон известен категоричным комментарием на эту тему:

«Если кто-то скажет, что ваша любимая теория Вселенной не согласуется с уравнениями Максвелла, тем хуже для уравнений Максвелла. <…> Но если ваша теория противоречит второму началу термодинамики, я не думаю, что у нее есть хоть какие-то шансы»[30].

Здесь сквозь шутку явно проглядывает абсолютная убежденность Эддингтона.

Удивительно, но ученые согласились далеко не со всеми логическими следствиями открытия второго начала термодинамики. В профессиональной среде по-прежнему сохранялось общее убеждение, что Вселенная вечна, и серьезных дискуссий о теоретической возможности ее возникновения просто не было. Чем это можно объяснить? Разумеется, априорными философскими убеждениями, но еще и тем, что в 1915–1925 годах космология попросту не считалась наукой. Рассказывают, что Эрнест Резерфорд, один из самых блестящих физиков того времени, запретил в своей лаборатории любое обсуждение космологии, заявив, что это лженаука[31]. Потребовалось открытие Хабблом в 1924 году существования других галактик и опубликование в 1927 году первых работ аббата Леметра о расширении Вселенной, основанных на теории общей теории относительности Эйнштейна, чтобы область космологии постепенно приобрела научный статус. И все равно еще долго ни один космолог не мог считаться номинантом на Нобелевскую премию. Фридман, Леметр, Хойл или Гамов вполне заслуживали этого, однако Нобелевский комитет не признавал космологию наукой. Ситуация начала меняться только в 1953 году, но тогда Хаббл скоропостижно умер от инсульта в ходе номинации на Нобелевскую премию. Кроме того, в период с 1931 по 1965 год оживленное обсуждение гипотезы Большого взрыва затмило любой другой подход, так что в течение всех этих лет следствия второго начала термодинамики не были предметом дискуссий, а идея начала Вселенной так и оставалась за пределами внимания ученых.

Эдвин Хаббл (1889–1953)

На самом деле не только теоретики энтропии задумывались о начале Вселенной. Об этом размышляли и многие другие деятели, например астроном Генрих Ольберс[32] в 1823 году; писатель Эдгар Аллан По с его захватывающей поэмой в прозе «Эврика», опубликованной в 1848 году; астроном Франсуа Араго; математик Бернхард Риман в 1854 году; астрономы Весто Слайфер (учитель аббата Леметра) и Виллем де Ситтер. Но их гипотезы считались фантазией, беспочвенными мечтаниями, не выдерживавшими сравнения с прочными априорными убеждениями.

После того как в 1964 году гипотеза Большого взрыва подтвердилась благодаря открытию космического фонового излучения, которое хорошо согласовывалось с прогнозами Гамова и его единомышленников[33], сторонники вечной Вселенной впали в замешательство. Как еще можно оспорить факт, что Большой взрыв стал абсолютным началом Вселенной? Именно в те годы возникла теория Большого сжатия или окончательного коллапса – полная противоположность Большому взрыву. Она исходит из того, что, если плотность Вселенной достаточно велика, под действием силы всемирного тяготения после периода расширения должен наступить этап сжатия и возвращения к исходной точке. На протяжении десятилетий казалось, что эта гипотеза способна обеспечить поддержку идеи вечной Вселенной, в которой повторяется последовательность циклов. Естественно, все ожидали, что расширение Вселенной замедлится, и пытались довольно точно рассчитать критическую точку, после которой Большое сжатие станет неизбежным.

В итоге Сол Перлмуттер, Брайан Шмидт и Адам Рисс в 1998 году вопреки всем ожиданиям доказали, что расширение Вселенной ускоряется, а не замедляется, как предполагалось.

Это открытие принесло его авторам в 2011 году Нобелевскую премию по физике, а их работа с тех пор многократно подтверждалась измерениями нулевой кривизны Вселенной с помощью космических зондов WMAP (2001) и Planck (2009). В результате гипотеза Большого сжатия растеряла всех сторонников. У явления расширения пока нет удовлетворительного теоретического объяснения, но наблюдения показывают, что данный процесс, похоже, никогда не остановится.

Описание эволюции Вселенной как физической системы основывается на общей теории относительности. В соответствии с ее уравнениями скорость расширения Вселенной – функция средней плотности энергии Вселенной, а также одно из ее геометрических свойств – пространственной кривизны. Чтобы объяснить феномен ускоренного расширения, астрофизики подсчитали, что Вселенная должна примерно на 4 процента состоять из известной нам материи, которую можно наблюдать, и чуть менее чем на 26 процентов – из темной материи, загадочной субстанции, которая могла бы пролить свет на тему «недостающего» гравитационного притяжения. Остальные 70 процентов представляют собой не менее загадочную темную энергию (или энергию пустоты) – отталкивающую силу, которая противодействует гравитации и могла бы объяснить ускорение расширения Вселенной. Благодаря измерениям и расчетам существование темной материи и темной энергии становится очевидным, но их природа по-прежнему совершенно неизвестна. Не ставя под сомнение наблюдаемый эффект расширения, мы можем лишь констатировать, что значительная часть Вселенной все еще остается непознанной.