Песах Амнуэль – Журнал "Млечный Путь, XXI век", 4 (41), 2022 (страница 52)

Объекты движутся во Вселенной с определенными скоростями. Они изменяют свое движение из-за действия гравитации и других сил. В больших масштабах Вселенная расширяется. И куда бы мы ни посмотрели, энтропия Вселенной всегда возрастает.

По мере того, как происходит наша космическая эволюция, мы думаем, что все так и будет продолжаться: законы физики будут по-прежнему применяться так же, как и сегодня, присутствие темной энергии гарантирует, что Вселенная будет продолжать расширяться, а энтропия будет продолжать расти. Это диктуется законами термодинамики. Многие предполагают, хотя доказательств нет, что термодинамическая стрела и стрела времени могут быть связаны. Другие предполагают, что темная энергия может меняться с течением времени, а не оставаться постоянной, оставляя дверь открытой для возможности того, что она может когда-нибудь обратить вспять расширение Вселенной.

Представим, что, в конце концов, Вселенная перестанет расширяться и начнет коллапсировать. Означает ли это, что энтропия может уменьшиться и/или время начнет течь вспять?

Одна из самых важных симметрий во всей физике известна как симметрия обращения времени. Например:

Чисто упругое столкновение, подобное столкновению двух бильярдных шаров, происходит одинаково, независимо от хода времени, вплоть до скорости и угла, с которыми шары отлетят.

Чисто неупругое столкновение, когда два объекта сталкиваются друг с другом и слипаются, точно такое же, как и чисто неупругий взрыв наоборот, когда энергия, поглощаемая или выделяемая материалами, одинакова.

Гравитационные взаимодействия работают одинаково в прямом и обратном направлении.

Электромагнитные взаимодействия ведут себя одинаково в прямом и обратном направлении времени.

Даже ядерная сила, которая связывает атомные ядра, одинакова вперед и назад во времени.

Единственным исключением и единственным известным случаем, когда эта симметрия нарушается, является слабое ядерное взаимодействие: взаимодействие, ответственное за радиоактивный распад. Если мы проигнорируем это исключение, законы физики действительно останутся теми же, независимо от того, идет ли время вперед или назад.

Это означает, что, если вы окажетесь в любом конечном состоянии в любой момент времени, всегда есть способ вернуться в исходное состояние, если вы просто примените правильную серию взаимодействий в правильном порядке. Единственным исключением является то, что, если ваша система достаточно сложна, вам нужно знать такие вещи, как точное положение и импульс каждой частицы, с большей точностью, чем это возможно с помощью квантовой механики. Если оставить в стороне слабые взаимодействия и это тонкое квантовое правило, законы природы действительно инвариантны к обращению времени.

Но это не относится ко всему, что мы испытываем. Некоторые явления ясно показывают стрелу времени или предпочтение определенного одностороннего направления. Если вы возьмете яйцо, разобьете его, взболтаете и приготовите, это будет легко; но вы никогда не сможете обратить этот процесс, сколько бы ни пытались. Если вы столкнете стакан с полки и увидите, как он разобьется, вы никогда не увидите, как эти кусочки стекла поднимутся и спонтанно соберутся снова. Для этих примеров явно существует предпочтительное направление: стрела времени, по которой текут процессы. Эти процессы резко увеличивают энтропию системы и являются термодинамически выгодными. Обратный процесс, когда осколки стекла снова собираются в целое стекло без трещин, настолько маловероятен, что никогда не происходит на практике.

Это сложные макроскопические системы, испытывающие чрезвычайно запутанный набор взаимодействий. Тем не менее, сочетание всех взаимодействий составляет нечто важное: то, что мы знаем как термодинамическую стрелу времени. Законы термодинамики гласят, что существует конечное число способов, которыми частицы в вашей системе могут быть расположены, и те системы, которые имеют максимальное количество возможных конфигураций, находятся в состоянии термодинамического равновесия. К такому состоянию будут стремиться все системы с течением времени. Ваша энтропия, которая является мерой того, насколько статистически вероятна определенная конфигурация (наиболее вероятно = самая высокая энтропия; очень маловероятно = низкая энтропия), всегда возрастает с течением времени. Только если вы уже находитесь в наиболее вероятной конфигурации с наивысшей энтропией, ваша энтропия останется неизменной; в любом другом состоянии она будет увеличиваться.

Насколько мы можем судить, время продолжает всегда идти вперед с той же скоростью, что и всегда: одна секунда в секунду.

Однако воспринимаемая стрела времени кажется в значительной степени независимой от чего-либо, что может сделать энтропия или термодинамика. Что произойдет, если вообще произойдет, если мы добавим в уравнение расширяющуюся Вселенную? Насколько мы понимаем, далекие галактики, которые не связаны с нами гравитационно, будут продолжать удаляться, с нашей точки зрения, все быстрее и быстрее.

Что, если, как в некоторых теоретических вариантах эволюции темной энергии, расширение будет замедляться, а, в конце концов, полностью остановится, и гравитация заставит Вселенную сжаться? Вселенная может закончиться Большим схлопыванием в далеком будущем.

Если вы возьмете расширяющуюся Вселенную и примените к ней симметрию обращения времени, то получите сжимающуюся Вселенную. Но внутри этой Вселенной гравитация по-прежнему является силой притяжения, и частицы по-прежнему обмениваются энергией и импульсом посредством упругих и неупругих столкновений. Частицы нормальной материи все равно будут терять угловой момент и коллапсировать. Они по-прежнему будут подвергаться атомным и молекулярным переходам и излучать свет и другие формы энергии.

Грубо говоря, все, что вызывает увеличение энтропии сегодня, будет вызывать увеличение энтропии и в сжимающейся Вселенной. Со временем энтропия увеличивается. Насколько нам известно, если бы расширение обратилось вспять, энтропия продолжала бы расти, а время продолжало бы течь вперед. Фактически, самым большим фактором энтропии в нашей Вселенной является существование сверхмассивных черных дыр. За всю историю Вселенной наша энтропия увеличилась примерно на 30 порядков; одна только сверхмассивная черная дыра в центре Млечного Пути имеет больше энтропии, чем вся Вселенная всего через 1 секунду после Большого Взрыва!

Насколько нам известно, не только время будет продолжать идти вперед, но и момент, предшествующий Большому сжатию, будет иметь гораздо большую энтропию, чем Вселенная в начале Большого взрыва. Вещество и энергия в этих экстремальных условиях начнут сливаться вместе, поскольку горизонты событий всех сверхмассивных черных дыр начнут перекрываться.

Со всей материей и энергией, сжатыми в такой крошечный объем, наша Вселенная образовала бы сверхмассивную черную дыру с горизонтом событий в миллиарды световых лет. Извне черной дыры вся падающая материя будет излучать свет и всегда будет видна, в то время как из-под горизонта событий ничто не может выйти наружу. Но если бы вы упали в черную дыру, ваша энергия могла бы вновь возникнуть как часть Большого Взрыва в новорожденной Вселенной; связь между черными дырами и рождением новых Вселенных все еще спекулятивна

Часы идут по-другому, когда вы находитесь в сильном гравитационном поле: когда вы находитесь на достаточно малых расстояниях от достаточно большой массы. Если бы Вселенная снова сжалась, мы неизбежно обнаружили бы, что приближаемся к краю горизонта событий черной дыры, и при этом время для нас начало бы замедляться: растягивая наш последний момент до бесконечности.

Будет происходить своего рода гонка, когда мы попадем в центральную сингулярность черной дыры, и когда все сингулярности сольются, что приведет к окончательной гибели нашей Вселенной в Большом Сжатии.

Что произойдет после этого? Не исчезнет ли Вселенная? Приведет ли это к рождению новой Вселенной? Или сжатие остановится, прежде чем Вселенная достигнет сингулярности?

Это одни из передовых вопросов теоретической физики, и, хотя мы не знаем ответа, во всех сценариях верно одно: энтропия всей Вселенной по-прежнему увеличивается, а время всегда движется в прямом направлении. Если это окажется неверным, то потому, что есть что-то глубокое, оставшееся для нас неуловимым и все еще ждущее своего открытия.

Может ли Земля покинуть Солнечную систему?

Джо Фелан

В романе Лю Цысиня 'Блуждающая Земля' (впервые опубликованном в китайском журнале 'Мир научной фантастики' в июле 2000 г.) автор описывает сценарий, в котором лидеры планеты соглашаются вывести Землю из Солнечной системы, чтобы спастись от неминуемой солнечной вспышки, которая, как ожидается, уничтожит все планеты земной группы. Эта история, конечно, фантастическая, но может ли Земля когда-нибудь действительно покинуть Солнечную систему?

'Это очень маловероятно', - сказал Маттео Чериотти, аэрокосмический инженер и преподаватель в Университете Глазго в Великобритании. Однако, как объяснил Чериотти, 'маловероятно' не означает, что это 'невозможно'. И предложил способ, которым это теоретически можно было бы сделать.