8.4. Необратимость и космология
... если мы попытаемся применить статистику к миру как целому, рассматриваемому как единая замкнутая система, то мы сразу же столкнемся с разительным противоречием между теорией и опытом. Согласно результатам статистики Вселенная должна была бы находиться в состоянии полногостатистического равновесия ... Между тем ежедневный опыт убеждает нас в том, что свойства природы природы не имеют ничего общего со свойствами равновесной системы, а астрономические данные показывают, что то же самое относится и ко всей доступной нашему наблюдению колоссальной области Вселенной.
Более того, сегодняшнее состояние Вселенной должно было возникнуть из состояния с более низкой энтропией, и т.д., следовательно, исходное ее состояние должно было иметь крайне низкую энтропию, т.е. иметь крайне малую вероятность реализации, что пока не имеет никакого объяснения, указывается далее.
Выход авторы классического учебника предлагают искать в общей теории относительности, делая замечания весьма общего характера о неприменимости понятия "стационарные внешние условия" к Вселенной в целом из-за наличия у нее гравитационных характеристик.
В некотором смысле конкретизацией этой идеи (хотя и весьма радикальной) является центральная идея данной книги о том, что наша Вселенная, будучи черной дырой, необратимо расширяется за счет и по мере поглощения энергии извне.104
8. О необратимости
Это и порождает глобальный общемировой процесс, связанный с так называемой космологической стрелой времени. В данной книге я попытался показать, что само время как таковое неразрывно связано с реальным направлением изменения радиуса Вселенной. Замечу, что если бы ее радиус уменьшался, время текло бы в обратную сторону, а если этот радиус станет постоянным, время остановится (это решающее для нашей модели утверждение вряд ли может быть проверено экспериментально - впрочем, как говорится в одной финской притче о двух соседях и их несчастьях, кто знает).
Нашей целью здесь является описание модели Вселенной, позволяющей примирить ее наблюдаемую эволюцию с законами термодинамики. Эта модель сходна с концепцией тепловой машины (непрерывного, а не циклического действия), в которой рабочее тело получает энергию от нагревателя при относительно высокой температуре и отдает энергию охладителю при относительно низкой температуре. Однако в нашем случае рабочее тело оказывается открытой системой, в которой выходной поток энтропии оказывается больше, чем входной (выходная температура меньше входной), в результате чего оказывается возможным уменьшение энтропии тела и прогрессивная эволюция. Процесс оказывается стационарным, что было бы невозможным в отсутствие охладителя.
Такая модель работает на уровне системы "Солнце-Земля-Космос". Действительно, фотоны покидают поверхность Солнца при температуре порядка 6000 К, а затем после ряда трансформаций переизлучаются Землей в космическую среду с температурой, близкой в настоящее время к 3 К. Заметим, что энергия фотонов, поступающих от Солнца, частично потребляется живыми организмами, частично преобразуется в работу природных сил, а частично - в потенциальную энергию органических и неорганических природных ресурсов.
Наша основная задача - показать, что такая модель применима и для Вселенной в целом.
На первый взгляд эта задача выглядит неразрешимой, так как трудно себе представить, что является для Вселенной нагревателем, а что - охладителем. Чтобы ответить на эти вопросы, должны выполняться два радикальных предположения.Первое предположение сводится к ранее высказанному нами тезису о том, что наша Вселенная не является замкнутой системой, а представляет собой гипермассивную растущую черную дыру (ЧД) в некотором "материнском" мире, который принципиально недоступен обычному наблюдателю. Рассмотренная ЧД оказывается именно расширяющейся Вселенной, причем ее расширение обусловлено исключительно ростом массы, поступающей в нее извне. Поглощение внешней материи и энергии связано с ростом "внешней" энтропии ЧД (т.е. поверхности ее горизонта событий). Таким образом, "материнский" мир вполне может играть роль нагревателя для нашей Вселенной.
Второе предположение связано с выбором кандидата на роль охладителя. В этой связи полезно вспомнить, что в центре галактик, как правило, размещаются сверхмассивные черные дыры с массой порядка 10 солнечных масс. Как известно [Bekenstein, 2003], температуру горизонта событий черной дыры можно оценить по формуле Тчд ~ 10 /М, где М - масса ЧД в граммах, а температура выражена в Кельвинах. Поскольку одна солнечная масса составляет 10 г, то температура сверхмассивных ЧД не превышает ничтожных долей Кельвина, т.е. очень близка к абсолютному нулю (заведомо меньше 2.72 К) и обеспечивает весьма высокую эффективность работы такого охладителя для своей галактики.
Недавно появилась работа [Egan and Lineweaver, 2009], в которой приведена подробная оценка вклада в энтропию Вселенной различных компонент. "Внешняя" энтропия, т.е. энтропия космического горизонта событий, составляет порядка 10 к (где к - постоянная Больцмана), тогда как "внутренняя" энтропия не превышает 10 к. Основной вклад во внутреннюю энтропию вносят именно крупнейшие сверхмассивные ЧД в центре галактик, тогда как ЧД со звездной массой обладают энтропией порядка 10 к, фотоны и реликтовые нейтрино - порядка 10 к, и т.д.
Заметим также, что как ЧД, так и сформировавшиеся звезды и галактики, являясь сильно гравитирующими физическими системами, обладают отрицательной теплоемкостью. Иными словами, звезды излучают свою энергию и нагреваются, а ЧД поглощают эту энергию и
8. О необратимости
105
охлаждаются. Таким образом, различие температур и удаленность от равновесного состояния в галактиках в течение миллиардов лет должны не уменьшаться, а нарастать.