Большая история

С точки зрения гравитации ранняя Вселенная была слишком гладкой. Ее нужно было скомковать. Это стремление гравитации перестраивать Вселенную объясняет, почему считается, что на ранних этапах энтропия здесь была низкой: Вселенной была свойственна некоторая опрятность, которую энтропия могла разрушать, внося беспорядок, на протяжении следующих нескольких миллиардов лет. Стоило гравитации взяться за работу, и всего через несколько сотен миллионов лет она превратила равномерную взвесь частиц ранней Вселенной в более беспорядочное и комковатое пространство, полное звезд и галактик.

Как показал Ньютон, сила гравитации больше там, где больше масса и где предметы ближе друг к другу. Поэтому Земля притягивает предметы значительно сильнее, чем вы, и по той же причине Земля притягивает вас к себе значительно слабее, если вы находитесь дальше от ее поверхности – например, на Международной космической станции. Теперь рассмотрим небольшой объем взвеси частиц в ранней Вселенной. Представим себе, что вполне случайным образом концентрация темной материи и атомов в одной части объема оказалась немного больше, чем в другой. Законы Ньютона говорят нам, что гравитация в более плотном углу будет сильнее, поэтому здесь материю будет стягивать с большей силой, и разница между более плотной и более пустой областями увеличится. Вот так, по капельке, гравитация за миллионы лет и сделала Вселенную более зернистой и комковатой.

Когда гравитация пододвигала атомы друг к другу, они начинали сталкиваться чаще, а их колебания становились более активными. Поэтому в местах, где образовалось больше комков, росла температура, ведь в меньших объемах пространства собралось больше тепла (по этому же принципу нагревается шина, когда ее накачивают). Бóльшая часть Вселенной продолжала остывать, а комки снова стали нагреваться. Наконец некоторые из них оказались такими горячими, что протоны уже не могли держаться за свои электроны. Атомы распались, и внутри каждого комка снова образовалась заряженная плазма, потрескивающая от электрических разрядов, – та, которой когда-то была полна Вселенная.

Благодаря гравитации давление накапливалось, более плотные области становились еще плотнее, их ядра – горячее, воссоздавались высокие энергии ранней Вселенной. При температуре около 10 млн градусов Цельсия энергии у протонов становится столько, что они могут сталкиваться достаточно резко, чтобы преодолеть отталкивание положительных зарядов. Перейдя этот барьер, протоны начали соединяться попарно, связанные сильным ядерным взаимодействием, которое работает лишь на очень малых расстояниях. Пары протонов образовали ядра гелия, как уже было когда-то, в краткий период сразу после Большого взрыва.

Когда протоны соединялись, часть их массы превращалась в чистую энергию, а, как мы видели, даже крошечная частичка материи содержит колоссальное количество энергии. Такую же огромную энергию выбрасывает водородная бомба, топливом для которой, как и для звезд, служат реакции ядерного синтеза. Итак, когда температуры в центре плотного облака материи переходят критический порог около 10 млн градусов, триллионы протонов начинают сливаться, синтезируя ядра гелия, и разгорается печь, которая выделяет огромное количество энергии. Однажды зажженная, она будет гореть до тех пор, пока будет достаточно протонов, чтобы продолжался синтез.

Огромное количество энергии, выделяющееся при ядерном синтезе, будет подогревать ядро, так что оно станет расширяться, противодействуя гравитации. Теперь вся эта новая структура стабилизируется на миллионы или миллиарды лет. Родилась новая звезда.

Галактики и звезды во Вселенной

И не одна звезда; в каждой скученной области их были миллиарды, и тьму молодой Вселенной озарили просторные звездные города, которые мы называем галактиками.

Вселенная, в которой есть галактики и звезды, очень сильно отличается от Вселенной первых атомов. Теперь в ней есть и крупные, и мелкие структурированные объекты, и можно сказать, что вся она усложнилась. Области между галактиками темные и пустые, а внутри галактик – яркие и плотные. Галактики насыщены материей и энергией, тогда как пространство между ними холодное, в нем ничего нет. Теперь все интересное не рассеяно в виде взвеси, а сконцентрировано в просторных галактических полотнах и волокнах, подобных нитям паутины. У каждой галактики есть определенная структура. Большинство из них – спиральные, как и наша родная галактика Млечный Путь, где сотни миллиардов звезд медленно вращаются вокруг плотного ядра, в котором обычно находится черная дыра. Но некоторые галактики столкнулись с другими, в них все перемешалось, и получились «неправильные галактики». В свою очередь, гравитация объединяет их в скопления и в скопления скоплений, образуя звездные архипелаги, которые простираются через всю Вселенную.

По Вселенной, как горячие изюминки в холодном пудинге, рассыпаны отдельные звезды, тоже хорошо структурированные и обладающие новыми свойствами. У каждой из них есть горячее ядро, в котором протоны соединяются и генерируют энергию, противодействующую гравитации. Внешние слои выше ядра давят вниз и подают в него протонное топливо. Жизнь звезды развивается в первую очередь в зависимости от ее массы при рождении – от того, сколько вещества в ней было изначально. В массивных звездах гравитационное давление оказывается сильнее, поэтому они значительно горячее звезд с массой поменьше. Из-за этого они быстро сжигают свое топливо и гаснут всего через несколько миллионов лет. Звезды меньшей массы горят медленнее, многие маленькие звезды будут гореть значительно дольше, чем существует Вселенная на данный момент.

В этой более разнородной Вселенной были более разнообразные условия, больше творческих возможностей и множество энергетических перепадов. Были градиенты света, температуры и плотности, по которым водопадом стекала свободная энергия. Каждая звезда испускала ее в холодные пространства вокруг, порождая потоки тепла, света и химической энергии, благодаря которой в близлежащих областях могли образовываться новые сложные объекты. Именно потоки свободной энергии позволяют цвести жизни на планете Земля.

Гравитация стала соединять протоны, преодолевая барьер их положительных зарядов, и тем самым дала толчок к образованию звезд из материи. Эту модель мы будем наблюдать снова и снова. Похожим образом вы прибегаете к помощи чашки кофе, чтобы проснуться. Химики называют такую первую дозу энергии энергией активации. Это та самая горящая спичка, с которой начинается пожар. Энергия определенного типа что-то изменяет, и в результате освобождаются другие потоки свободной энергии, значительно превосходящие энергию активации. В истории образования звезд гравитация дала энергию активации для реакции ядерного синтеза, появления звезд и всего, что последовало за этим.

Но есть один вопрос. А как же второй закон термодинамики? Энтропия ненавидит структуру, так почему же она позволяет появляться более сложным вещам?

Если внимательно присмотреться к потокам энергии, вы увидите, что сложные структуры, например звезды, дорого платят за свое устройство. Посмотрите на огромную энергию ядерного синтеза. В первую очередь она поддерживает жизнь звезды, не давая ей коллапсировать. Это выглядит так, как будто звезда уплачивает энтропии пошлину, своеобразный налог на сложность. Перестав генерировать энергию, она схлопнется. Идеей налога на сложность можно объяснить важную вещь, которую заметил астрофизик Эрик Чейсон, – грубо говоря, для более сложных явлений нужны более плотные потоки энергии, больше энергии на грамм в секунду. Например, согласно его оценкам, через современное человеческое общество проходит поток энергии примерно в миллион раз более плотный, чем через Солнце, а плотность потока, который идет через бóльшую часть живых организмов, находится где-то между этими двумя крайними значениями. Кажется, если объект пытается быть сложнее, энтропия требует от него больше энергии; более сложным сущностям приходится находить и осваивать более крупные и сложные потоки свободной энергии. Неудивительно, что создать и сохранить более сложную вещь труднее и что обычно такие вещи распадаются быстрее простых. Эта идея красной нитью проходит через современную историю происхождения мира и позволяет многое сказать о современных человеческих обществах[35].

35

См.: Eric Chaisson. Cosmic Evolution; Fred Spier. Big His-tory.