Вид с высоты

Понижение энтропии на Земле настолько мало по сравнению с возрастанием энтропии, в грандиозных масштабах происходящим на Солнце при превращении массы в энергию, что оно попросту поглощается им. Солнечная система в целом испытывает колоссальное, не прекращающееся ни на миг повышение энтропии.

Так как то же самое должно происходить и в других звездах, физики XIX столетия рассудили, что энтропия всей Вселенной, по-видимому, быстро растет и рано или поздно наступит момент, когда конечный запас энергии, заключенный в конечной Вселенной, достигнет состояния с максимальной энтропией.

В таком состоянии во Вселенной иссякнет энергия, которую можно было бы превратить в полезную работу. Вселенная придет в состояние максимального беспорядка. Она будет представлять собой однородную массу с одинаковой повсюду температурой. Не будет происходить никаких изменений, по которым можно было бы измерить время, и, следовательно, время не будет существовать. Не будет возможностей отличить одно место в пространстве от другого, и, следовательно, пространство также прекратит свое существование. Такое состояние с максимальной энтропией было названо «тепловой смертью Вселенной».

Но, конечно, при этом подразумевалось, что Вселенная конечна, то есть имеет пределы. Если она бесконечна, то и запас энергии в ней неограничен, а для того чтобы энтропия достигла максимума, потребуется вся бесконечная вечность. Кроме того, можно ли неопровержимо доказать, что законы термодинамики, выведенные в наших лабораториях из наблюдений за небольшими объемами пространства и верные (или как будто верные) для чуть-чуть бóльших объемов — нашей астрономической округи, верны и для всей Вселенной в целом?

Возможно, во Вселенной происходят совершенно неизвестные нам процессы, которые понижают энтропию так же быстро, как она повышается звездной активностью, так что суммарное изменение энтропии — нуль. Это могло бы оказаться верным, даже если предположить, что небольшие участки пространства, скажем отдельные галактики, претерпевают длительное повышение энтропии и могут когда-нибудь погрузиться в состояние, соответствующее местной «тепловой смерти». Теория непрерывного сотворения материи[7] предполагает, по существу, постоянный уровень энтропии во Вселенной в целом.

Но даже если Вселенная конечна и даже если ее постигнет «тепловая смерть», означает ли это конец всего и вся?

Коль скоро нам удалось дотасовать карты до совершенной неупорядоченности, то неумолимо придет момент, если ждать достаточно долго, когда непрерывное тасование приведет по крайней мере к частичному порядку.

Ну, а ждать «достаточно долго» во Вселенной, находящейся в состоянии тепловой смерти, — это не проблема, так как времени в ней не существует. Поэтому можно не сомневаться, что после периода «безвременья» во Вселенной, имеющей максимальную энтропию, чисто случайный поток частиц, несущий чисто случайно приобретенную энергию, сможет то там, то здесь, то раньше, то позже привести к частичному восстановлению порядка.

Было бы любопытно знать, не является ли наша нынешняя Вселенная, столь необъятная и столь трудная для нашего понимания, просто результатом небольшого случайного упорядочивания в очень маленькой части немыслимо огромной Вселенной, находящейся фактически в состоянии тепловой смерти?

Может быть, мы просто скользим по поверхности крошечной волны, случайно всколыхнувшей на мгновение безмятежную гладь пруда, и лишь ограниченность нашего бесконечно малого кругозора в пространстве и времени создает у нас ощущение, будто мы несемся в реве космического водопада повышающейся энтропии, водопада колоссальной величины и продолжительности.

11. Современная демонология

Зная, кто я и что я, вы, надо полагать, считаете, что, появись у меня хоть малейшая возможность подмешать элемент фантазии в какую-нибудь серьезную научную дискуссию, я тотчас принялся бы за дело под сверкание неоновых огней и пальбу фейерверков.

И все же в предыдущей главе, посвященной энтропии, я совершенно умолчал об одном самом знаменитом плоде фантазии в истории науки. Но не сделал я этого только потому, что хочу посвятить ему целую главу.

Когда горячее тело соприкасается с холодным телом, тепло стихийно переходит от горячего к холодному, и оба тела в конце концов приходят к температурному равновесию. Такова одна из сторон необратимого возрастания энтропии при всех самопроизвольных процессах в замкнутой системе.

В начале XIX века было общепринято, что теплота — это жидкость, перетекающая от горячего к холодному, точно так же как камень скатывается с высокого уровня на низкий. Упав с горы в ущелье, камень остается неподвижным. Точно так же, когда два тела достигают температурного равновесия, уже ни при каких условиях не может возникнуть потока тепла.

Однако в середине XIX века шотландский математик Джеймс Клерк Максвелл встал на другую точку зрения; он истолковал температуру как меру средней кинетической энергии частиц системы. Частицы горячего тела движутся (в среднем) быстрее частиц холодного. Когда они приходят в соприкосновение, их энергии перераспределяются. В целом наиболее вероятно такое перераспределение, при котором скорость (и, следовательно, кинетическая энергия) быстрых частиц снизится, а скорость (энергия) медленных частиц повысится. В конце концов средняя скорость частиц в обоих телах станет одинаковой.

С позиций такой теории «частиц в движении» представлялось возможным, чтобы поток тепла не прекратился и после достижения теплового равновесия.

Представьте себе, например, два сосуда с газом, соединенных узкой трубкой. Вся система находится в тепловом равновесии. Это значит, что средняя энергия молекул в любой достаточно заметной порции газа (не меньшей, скажем, чем можно разглядеть в микроскоп) равна средней энергии любой другой достаточно заметной его порции.

Это не значит, что энергии всех до единой молекул одинаковы. Среди них есть молекулы, движущиеся быстро, есть движущиеся очень быстро и даже движущиеся необыкновенно быстро. Есть и медленные молекулы, и очень медленные, и очень-очень медленные. Однако здесь царит полнейший хаос и отчаянная давка. Более того, они еще и сталкиваются друг с другом миллионы раз в секунду, так что скорость и энергия каждой из них постоянно меняются. Поэтому всякая достаточно заметная порция газа имеет свою справедливую долю и быстрых, и медленных молекул, а в результате — и ту же температуру, какую имеет всякая другая достаточно заметная порция.

Но что, если — пусть это будет редкая случайность — несколько молекул высокой энергии вдруг перешло бы по соединительной трубке из правого сосуда в левый, а несколько молекул низкой энергии — из левого в правый? Тогда левый сосуд нагрелся бы, а правый охладился (хотя общая средняя температура осталась бы той же самой). Итак, несмотря на тепловое равновесие, возник бы поток тепла и энтропия понизилась бы.

На самом деле есть некоторая бесконечно малая вероятность (невообразимо близкая к нулевой), что это случится просто благодаря хаотическому движению молекул. Разницей между «нулем» и «почти-почти-почти нулем» в практике можно пренебречь, но с точки зрения теории она колоссальна; так вот, по теории «тепловой жидкости» возможность переноса при температурном равновесии равна нулю, а по теории «частиц в движении» она равна «почти-почти-почти нулю».

Максвеллу нужен был какой-то эффектный драматический образ, для того чтобы эта разница стала предельно выпуклой.

Вообразите, сказал Максвелл, что в трубке, соединяющей сосуды с газом, сидит крошечный демон. Пусть он пропускает быстрые молекулы только справа налево, а медленные — только слева направо. Тогда быстрые молекулы соберутся в левом, а медленные — в правом сосуде. Левый сосуд нагреется, а правый охладится. Энтропия повернет вспять.

7

Подробнее об этом можно прочитать в научно-популярной книге М. Борна «Эйнштейновская теория относительности» (издательство «Мир», Москва, 1964). — Прим. ред.