Один из ответов, при помощи которого на протяжении многих эпох люди защищали себя от зачаточных вариантов подобных тревог, состоит в том, что порядок высечен из хаоса каким-то высшим разумом. Человеческий опыт не противоречит такому антропоморфному повороту. В конце концов, значительная часть порядка, с которым мы ежедневно сталкиваемся в рамках современной цивилизации, и правда является творением разума. Но правильное толкование второго начала делает разумный замысел ненужным. Удивительно и одновременно замечательно, что области, в которых сосредоточены энергия и порядок (архетипический пример — звезды), являются естественным следствием того, что Вселенная старательно следует по пути, предписанному вторым началом, и становится все более беспорядочной. В самом деле такие очаги порядка оказываются катализаторами, помогающими Вселенной в долгосрочной перспективе реализовать свой энтропийный потенциал. К тому же по пути они еще способствуют зарождению жизни — и это тоже часть энтропийной прогрессии.
Чтобы разобрать подробнее танец порядка и беспорядка, из которого, собственно, и состоит космологическая история, начнем с начала.
Абрис Большого взрыва
В середине 1920-х гг. священник-иезуит Жорж Леметр использовал недавно предложенное Эйнштейном новое описание гравитации — общую теорию относительности, — чтобы разработать радикальную идею, согласно которой космос начался со взрыва и с тех пор непрерывно расширяется. Леметр вовсе не был диванным физиком. Свою докторскую степень он получил в Массачусетском технологическом институте и принадлежал к тем ученым, которые первыми применили уравнения общей теории относительности к космосу в целом. Интуитивное представление Эйнштейна, позволившее ему после десятилетия изумительных открытий успешно проникнуть в природу пространства, времени и материи, состояло в том, что объекты во Вселенной имеют начало, середину и конец, но сама Вселенная всегда была и всегда будет. Когда проведенный Леметром анализ уравнений Эйнштейна указал на иной вариант, Эйнштейн от него попросту отмахнулся, сказав молодому исследователю: «Ваши расчеты верны, но физика отвратительна»!. Этим Эйнштейн хотел подчеркнуть, что можно мастерски манипулировать уравнениями, но не обладать хорошим научным вкусом, позволяющим определить, какие из ваших математических манипуляций отражают реальность.
Несколькими годами позже Эйнштейн пошел на знаменитую научную «попятную». Тщательные наблюдения, проведенные астрономом Эдвином Хабблом в обсерватории Маунт-Вилсон, показали, что все отдаленные галактики находятся в движении. Все они уносятся прочь. Причем их бегство подчиняется закономерности: чем дальше находится галактика, тем выше ее скорость, что согласуется с математическим выводом из уравнений общей теории относительности. Теперь, когда данные поддержали «отвратительную физику Леметра», Эйнштейн целиком и полностью принял концепцию Вселенной, которая имеет начало2.
Инновационные расчеты Леметра и независимая от него работа русского физика Александра Фридмана заложили основы теоретической космологии. За прошедшее с тех пор столетие она проделала огромный путь, и в ее поддержку была собрана масса наблюдательных данных с наземных и космических телескопов. Выработанная в результате современная космологическая картина мира такова: примерно 14 млрд лет назад вся наблюдаемая Вселенная — все, что мы в состоянии увидеть при помощи самых мощных телескопов, которые только можно себе вообразить, — была втиснута в невообразимо горячее, невероятно плотное «зернышко», которое затем начало стремительно расширяться. Остывая по мере расширения, частицы постепенно замедляли свое лихорадочное движение и собирались в сгустки, из которых со временем сформировались звезды, планеты, всевозможные газообразные и каменные объекты, рассеянные по всему пространству, — и мы.
Это и есть, собственно, вся история, если в двух словах. Давайте рассмотрим ее чуть подробнее и разберемся, как без всякого разумного намерения или замысла, без расчета или оценки, без планирования или обсуждения космос порождает скрупулезно упорядоченные конфигурации частиц от атомов до звезд и жизни. Посмотрим, как появление таких упорядоченных структур сочетается со вторым началом термодинамики и его постулатом о неудержимом возрастании энтропии. Станем свидетелями энтропийного тустепа, исполняемого теперь на космологической сцене.
Для этого нам нужно получше разобраться в ряде деталей космологической картины мира. И прежде всего, что заставило изначальное «зерно» начать расширение? Или, проще говоря, что послужило пусковым механизмом Большого взрыва?
Отталкивающее тяготение
В любом языке существует множество антонимов, потому что наш опыт полон противоположностей. Физике тоже досталось: порядок и беспорядок, вещество и антивещество, положительный и отрицательный. Однако со времен Ньютона сила тяготения, кажется, не вписывалась в эту общую закономерность. В отличие от электромагнитной силы, которая может притягивать, а может и отталкивать, гравитация, казалось, умеет только притягивать. Согласно Ньютону, гравитация действует между объектами, будь то частицы или звезды, и заставляет их притягиваться друг к другу — но не наоборот. В отсутствие принципа, который требовал бы симметрии во всех механизмах природы, большинство из тех, кто глубоко задумывался о тяготении, рассматривали его односторонний характер как изначальную характеристику, которую необходимо просто принять. Эйнштейн изменил ситуацию. Согласно общей теории относительности, гравитация может быть отталкивающей. Ньютон не предвидел отталкивающего тяготения, и ни вы, ни я никогда такого не видели. Но отталкивающая гравитация делает ровно то, на что намекает ее название. Вместо стягивания вместе, она расталкивает наружу.
Согласно уравнениям Эйнштейна, большие комковатые штуки вроде звезд и планет испытывают на себе действие обычной притягивающей версии гравитации, но существуют экзотические ситуации, в которых сила тяготения может расталкивать объекты прочь друг от друга.
Хотя способность гравитационной силы работать на отталкивание была известна Эйнштейну, как и многим ученым, которые работали над общей теорией относительности после него, ее самое глубокое приложение было открыто более чем полвека спустя. Молодой исследователь Алан Гут понял, что отталкивающая гравитация в принципе могла бы разрешить одну ставящую в тупик космическую загадку. Наблюдения говорят нам, что Вселенная расширяется. Уравнения Эйнштейна с этим согласуются. Но уравнения умалчивали, какая сила миллиарды лет назад запустила процесс расширения. Проведенные Гутом подробные математические расчеты, кульминацией которых стала бессонная ночь в декабре 1979 г., полная лихорадочных вычислений, заставили эти уравнения заговорить.
Гут понял, что если некая область пространства заполнена особой субстанцией, которую мне нравится называть «космическим топливом», и если энергия, содержащаяся в этом космическом топливе, равномерно распределена по этой области, — а не собрана в комок, как звезда или планета, — то результирующая гравитационная сила на самом деле получится отталкивающей. Точнее говоря, расчеты Гута показали, что если крохотная область пространства, возможно не превышающая по размеру одной миллиардной миллиардной миллиардной доли метра в поперечнике, заполнена определенным типом энергетического поля (называемого инфляционным полем) и если энергия в этой области распределена равномерно, как пар, плотность которого одинакова во всем объеме «сауны», то отталкивающая гравитация будет настолько сильна, что эта точка пространства начнет расширяться взрывным образом, почти мгновенно достигнув размеров наблюдаемой Вселенной, если не намного больших. То есть отталкивающая гравитация послужит причиной взрыва. Причем по-настоящему Большого взрываЗ.
