Выбор катастроф

Второе начало термодинамики, как я уже говорил, просто обобщение человеческого опыта. Наблюдая Вселенную в различных условиях, мы видим, что вроде как второе начало термодинамики никогда не нарушается; из этого мы заключаем, что оно не может быть нарушено.

Этот вывод может завести нас слишком далеко. В конце концов, неважно, как мы варьируем условия эксперимента и место наблюдения. Важно одно – то, что мы не можем поменять: все наблюдения Земли и тех самых галактик, которые мы способны обнаружить, и все условия эксперимента, которые мы можем разработать, – все без исключения имеет место в расширяющейся Вселенной. Следовательно, наиболее категоричное утверждение, которое мы можем себе позволить, – это то, что в расширяющейся Вселенной второе начало термодинамики нерушимо.

На базе наших наблюдений и экспериментов мы ничего не можем сказать точно о взаимосвязи энтропии и сжимающейся Вселенной. Мы совершенно свободны предположить, что по мере замедления расширения Вселенной ускорение возрастания энтропии станет менее непреодолимым; а вот когда начнется сжатие Вселенной, ускорение уменьшения энтропии станет непреодолимым.

Тогда мы можем также предположить, что в замкнутой Вселенной энтропия на стадии расширения, как правило, возрастает, и, весьма вероятно, что до достижения стадии тепловой смерти произойдет поворот, и энтропия начнет уменьшаться на стадии сжатия. То есть Вселенная, подобно часам, за которыми следят, до того как остановиться, заводится и, таким образом, продолжает двигаться, так сказать, вечно. Но полагая, что Вселенная продолжает двигаться циклично, вечно, без тепловой смерти, можем ли мы быть уверены в том, что и жизнь продолжится вечно? Нет ли в этом цикле таких периодов, во время которых жизнь невозможна?

Например, представляется, что взрыв космического яйца – условие, скорее всего враждебное жизни. Вселенная в целом (состоящая только из космического яйца) в момент взрыва приобретает температуру много триллионов градусов, и только спустя определенное время температура может понизиться достаточно для того, чтобы материя сгруппировалась в галактики, чтобы сформировались планетарные системы и на подходящих планетах развилась жизнь.

Галактики, звезды, планеты и жизнь смогут существовать во Вселенной не ранее, чем приблизительно через миллиард лет после Большого взрыва. Исходя из того, что сжатие повторяет историю Вселенной наоборот, мы вправе предположить, что в течение миллиарда лет до образования космического яйца жизнь, планеты, звезды и галактики невозможны.

Таким образом, в каждом цикле, центром которого является космическое яйцо, имеется период в два миллиарда лет, когда жизнь невозможна. В каждом цикле после этого периода может образоваться новая жизнь, но она не будет иметь никакой связи с жизнью предыдущего цикла, придет к концу перед образованием очередного космического яйца и не будет иметь связи с жизнью последующего цикла.

Задумаемся: возможно ли, чтобы во Вселенной было намного меньше триллиона звезд? Все они изливают свою энергию во Вселенную и делают это на протяжении 15 миллиардов лет. Почему же вся эта энергия не послужила нагреванию всех холодных тел Вселенной – таких планет, как наша Земля, – до высокой температуры и не сделала жизнь невозможной?

Существуют две причины, почему этого не происходит.

Во-первых, в расширяющейся Вселенной все галактические скопления движутся в разные стороны. Это означает, что свет, доходящий до любого из галактических скоплений от остальных, претерпевает красное смещение различной степени. Поскольку чем длиннее световая волна, тем ниже содержащаяся в свете энергия, красный свет означает уменьшение энергии. Поэтому излучение, исходящее от галактик, менее энергетично, чем можно было бы подумать.

Во-вторых, имеющееся во Вселенной пространство быстро увеличивается по мере ее расширения. Пространство фактически растет в объеме быстрее, чем вливаемая в него энергия может заполнить его. Поэтому вместо нагрева Вселенная неуклонно теряет температуру Большого взрыва, теперь ее температура составляет лишь около 3 градусов выше абсолютного нуля.

Для сжимающейся Вселенной ситуация поменялась бы на обратную. Галактические скопления сходились бы, и это означало бы, что свет, доходящий до любого галактического скопления от других, имел бы фиолетовое смещение различной степени и был бы намного энергетичнее, чем сейчас. Затем имеющееся во Вселенной пространство быстро бы уменьшалось, и излучение заполняло бы его быстрее, чем можно было бы ожидать. Следовательно, сжимающаяся Вселенная неуклонно нагревалась бы и, как я уже сказал, за миллиард лет до образования космического яйца была бы слишком горяча для существования жизни.

Сколько же времени осталось до образования очередного космического яйца?

Сказать это невозможно. Опять-таки это зависит от общей массы Вселенной. Предположим, масса достаточно велика, чтобы гарантировать замкнутую Вселенную. Чем больше требуемый минимум массы, тем сильнее общее гравитационное поле Вселенной и тем быстрее нынешнее расширение дойдет до остановки, и все сожмется в новое космическое яйцо.

Однако нынешняя общая масса настолько мала, что представляется вполне вероятным, что ее можно увеличить, причем достаточно значительно, чтобы обусловить замкнутую Вселенную. А это означает, что со временем скорость расширения замедлится, и когда расширение почти прекратится и под влиянием гравитации, достаточно большой, чтобы завершить это дело, постепенно пропадут его последние следы, тогда Вселенная начнет сжиматься, и поначалу это сжатие продолжительное время будет происходить тоже очень медленно.

Мы живем в относительно короткий период быстрого расширения, а когда-то наступит относительно короткий период быстрого сжатия, каждый из них продолжительностью всего лишь несколько десятков миллиардов лет; а между ними будет длительный период, по существу, статической Вселенной.

В качестве чистой догадки мы можем представить себе, что Вселенная придет в состояние остановки приблизительно на полпути до тепловой смерти, скажем, после половины триллиона лет, и что пройдет еще половина триллиона лет до образования очередного космического яйца. В таком случае род человеческий имеет альтернативу ждать триллион лет тепловой смерти, если Вселенная не замкнута, или триллион лет до образования космического яйца, если Вселенная замкнута.

И то, и другое представляется окончательной катастрофой, но космическое яйцо куда более насильственно, куда более напоминает Апокалипсис-Рагнарек. Род человеческий предпочел бы, пожалуй, первое, но я подозреваю (всегда предполагая, что он еще долго проживет до того), что произойдет именно второе[3 - И все же, чтобы не заканчивать на совсем уж траурной ноте: научный фантаст Пол Андерсон в своем романе «Тау Зеро» описывает космический корабль, экипаж которого стал свидетелем и пережил формирование и взрыв космического яйца, и описывает он это с удивительно правдоподобными подробностями.].

4. Гибель звезд

Гравитация

При рассмотрении альтернативных катастроф тепловой смерти и космического яйца мы имели дело со Вселенной в целом и считали, что она представляет собой более или менее однородное море тонкого вещества, которое приобретало энтропию и расширялось, приближаясь к тепловой смерти, или которое теряло энтропию и сжималось в космическое яйцо. Мы полагали, что все части Вселенной имеют одну судьбу, одинаковым образом и в одно и то же время.

Но дело в том, что Вселенная вовсе не однородна, если ее рассматривать не с огромных расстояний и не в общем плане. При ближайшем рассмотрении она оказывается весьма, так сказать, комковатой.

Начнем с того, что во Вселенной содержится как минимум десять миллиардов триллионов звезд, причем условия в самой звезде или рядом с ней чудовищно отличаются от условий вдалеке от звезды. Более того, местами звезды расположены очень плотно, в то время как в других местах их мало, а в иных и вовсе нет. Отсюда вполне возможно, что события в некоторых частях Вселенной очень отличаются от событий в других ее частях, например, в то время как Вселенная в целом расширяется, части ее сжимаются. Нам следует рассмотреть эти варианты, поскольку такая разница в поведении, вероятно, может приводить и к иным видам катастроф.

Для начала рассмотрим Землю, которая сформирована примерно из шести триллионов триллионов килограммов камня и металла. Характер ее образования управлялся в значительной мере гравитационным полем, сгенерированным всей этой массой. Таким образом, вещество Земли, сжавшись под воздействием гравитационного поля, продолжало продвигаться как можно ближе к центру. Каждый кусочек Земли двигался по направлению к центру до тех пор, пока какой-то другой кусок не преграждал ему продвижение физически. В результате каждый кусок Зек ли оказался настолько близок к центру, насколько смог пробраться, так что вся планета стала обладать минимальной потенциальной энергией.

Расстояние различных частей сферического тела от его центра в среднем меньше, чем было бы в любом другом геометрическом теле, так что Земля стала сферой. (Такими же являются Солнце, Луна и все другие обладающие объемом астрономические тела, за исключением образовавшихся в специальных условиях.) Более того, Земля, сформированная гравитацией в сферу, плотно «упакована». Составляющие ее атомы связаны между собой. В сущности, чем дальше в глубину от поверхности Земли, тем более сжаты атомы весом вещества расположенных выше слоев (этот вес представляет собой силу гравитации, или притяжения).

Тем не менее даже в центре Земли атомы, несмотря на то, что они сильно сжаты, остаются невредимыми. Из-за того, что они невредимы, они оказывают сопротивление дальнейшему действию гравитации. Земля более не сжимается, а остается сферой диаметром 12750 километров и при условии, что она полностью предоставлена самой себе, будет оставаться такой неопределенно долгое время.

Звезды, однако, нельзя рассматривать точно таким же образом, поскольку масса их больше массы Земли в десять тысяч, а то и в десять миллионов раз, а это большая разница.

Возьмем, например, Солнце, масса которого в 330000 раз больше массы Земли. Соответственно в 330000 раз больше и его гравитационное поле, и сила, которая при образовании Солнца собрала его в сферу, была во столько же раз мощнее. Под действием этой огромной силы атомы в центре Солнца, попавшие под колоссальный вес верхних слоев, сломались и были разбиты вдребезги.

Подобное может происходить потому, что атомы совсем не аналогичны крохотным бильярдным шарам, как думали в девятнадцатом веке. Напротив, это главным образом рыхлые оболочки, состоящие из электронных волн с очень малой массой, в центре которых находится крошечное ядро, которое содержит почти всю массу. Диаметр ядра всего 1/100000 часть диаметра всего атома. Атом довольно похож на мячик для пинг-понга с невидимо маленьким и очень плотным металлическим шариком, находящимся в центре.

Под давлением верхних слоев Солнца электронные оболочки атомов, находящихся в его середине, полностыо разрушаются, и крошечные ядра в центре атомов освобождаются. Изолированные ядра и осколки электронных оболочек настолько меньше, чем целые атомы, что под влиянием собственной гравитационной силы Солнце могло бы сжаться до удивительно малых размеров, но не сжимается.

Не сжимается потому, что Солнце – а также большей частью и другие звезды – состоит главным образом из водорода. Водородное ядро в центре атома водорода является одиночной субатомной частицей, называемой протоном, который несет положительный электрический заряд. Раз атомы разрушены, лишенные оболочек протоны могут свободно двигаться и могут приближаться друг к другу гораздо ближе, чем могли, когда были окружены электронами. На самом деле протоны не просто приближаются друг к другу, они сталкиваются с большой силой, поскольку энергия гравитационного поля, когда вещество Солнца сжимается, преобразуется в тепло, причем температура внутри Солнца приблизительно 15 миллионов градусов.

Когда протоны сталкиваются, они иногда не отскакивают, а соединяются друг с другом, вызывая таким образом «ядерную реакцию». В процессе подобных ядерных реакций некоторые протоны теряют электрический заряд и становятся нейтронами, и в конечном счете образуется ядро, состоящее из двух протонов и двух нейтронов. Это ядро атома гелия.

Этот процесс (тот же, что происходит в водородной бомбе, но неизмеримо больший по мощи) генерирует огромное количество тепла, которое превращает все Солнце в огнедышащий шар раскаленного добела газа и поддерживает это состояние долгое, долгое время.

Земля удерживается от сжатия сопротивлением невредимых атомов, а Солнце – благодаря расширяющему эффекту тепла, вырабатываемого ядерными реакциями внутри звезды. Разница лишь в том, что Земля может сохранять свой размер неопределенно продолжительное время, поскольку невредимые атомы, предоставленные сами себе, будут всегда оставаться невредимыми, Солнце же – не может. Размер Солнца зависит от непрерывного производства тепла в его недрах, что в свою очередь зависит от непрерывной серии ядерных реакций, производящих тепло, и что в свою очередь зависит от непрерывной поставки водорода, топлива для таких реакций.

Водорода там очень много. Но в конечном счете пройдет достаточно много времени, и количество водорода Солнца (или любой другой звезды) станет меньше определенной критической величины. Скорость ядерной реакции станет снижаться, уменьшаться будет и энергия. Тепла станет недостаточно, чтобы сохранить Солнце (или любую другую звезду) в расширенном состоянии, и оно начнет сжиматься. Сжатие звезды имеет важные гравитационные последствия.

Гравитационная сила между двумя объектами увеличивается по мере уменьшения расстояния между их центрами, обратно пропорционально квадрату этого расстояния. Если на определенном большом расстоянии от Земли уменьшить это расстояние наполовину, то есть в 2 раза, то притяжение Земли увеличится в 2 х 2, или в 4 раза; если уменьшить это расстояние в 16 раз, притяжение Земли увеличится в 16 х 16, или в 256 раз.

На поверхности Земли сила притяжения Земли для вас зависит от ее массы, вашей массы и того факта, что вы находитесь в 6378 километрах от центра Земли. Вы не можете существенно изменить массу Земли, и вы не имеете желания изменить свою собственную массу. Но представьте себе, что вы изменяете расстояние от себя до центра Земли?

Вы можете, например, в воображении продвинуться ближе к центру Земли путем бурения самого вещества Земли. И вы можете подумать, что сила притяжения для вас увеличится, если вы подошли ближе к центру Земли.

Но нет, подобная зависимость силы притяжения от расстояния до центра притягивающего тела сохраняется только в том случае, когда вы находитесь вне тела. Только тогда при расчете сил гравитации мы можем относиться ко всей массе тела так, как будто она сконцентрирована в его центре.

Если вы углубитесь в Землю, то только часть Земли, которая ближе вас к центру, будет притягивать вас по направлению к нему. Часть Земли, которая дальше вас от центра, уже не будет участвовать для вас в силе притяжения. Следовательно, когда вы углубляетесь в Землю, притяжение для вас уменьшается. И если бы вы в воображении достигли самого центра Земли, никакого притяжения к центру Земли вообще бы не было, потому что не было бы ничего ближе к центру, чтобы оказывать на вас притяжение. Вы были бы подвержены нулевой гравитации.

Предположим, однако, что Земля сжалась бы на половину своего радиуса при сохранении всей своей массы.

Если бы вы находились далеко, скажем, в космическом корабле, это сжатие на вас не повлияло бы. Масса Земли оставалась бы прежней, неизменными оставались бы ваша масса и расстояние от вас до центра Земли. Сжимается Земля или расширяется, сила ее притяжения для вас не меняется (за исключением случая, когда ее расширение заходит настолько далеко, что она захватывает вас своим веществом, в этом случае для вас ее притяжение уменьшилось бы).

Предположим теперь, что вы стоите на поверхности Земли, когда она начала сжиматься, и вы остаетесь на ее поверхности в процессе сжатия. Масса Земли и ваша масса остаются теми же самыми, но ваше расстояние от центра Земли уменьшилось в 2 раза. Вы – вне самой Земли, и вся масса Земли находится между вами и ее Центром, тогда притяжение Земли увеличится для вас в 2 х 2, или в 4 раза. Другими словами, поверхностная гравитация Земли увеличивается при сжатии Земли.

Если бы Земля продолжала сжиматься без потери массы, и если бы вы оставались на ее поверхности, сила притяжения для вас продолжала бы увеличиваться. Если представить, что Земля уменьшится до точки нулевого диаметра (при сохранении массы), и вы бы оказались в этой точке, сила притяжения для вас была бы бесконечной.

Это верно для любого тела, обладающего массой, какое бы оно ни было маленькое или большое. Если бы вы, или я, или, скажем, протон сжимались все больше и больше, сила притяжения на нашей поверхности или поверхности протона увеличивалась бы беспредельно. И если бы вы, или я, или протон были уменьшены до точки нулевого диаметра при сохранении первоначальной массы, поверхностная гравитация в этом случае стала бы бесконечной.

Черные дыры

Впрочем, Земля, вероятно, никогда не сожмется до меньшего размера, по крайней мере пока она сохраняет свое настоящее состояние. Как не сожмется ничто, что меньше Земли. Даже объекты намного крупнее, чем Земля, например Юпитер, масса которого в 318 раз больше массы Земли, – не сожмутся, пока они предоставлены сами себе.

Звезды, тем не менее, в конечном счете сожмутся. Их масса значительно больше, чем масса планет, и их мощное гравитационное поле вызовет сжатие, как только масса ядерного топлива упадет ниже критической точки, и производимого тепла станет недостаточно для противодействия гравитационной силе. Насколько далеко зайдет сжатие, зависит от интенсивности гравитационного поля сжимающегося тела и соответственно от его массы. Если тело достаточно массивно, то, насколько нам известно, предела сжатию нет, и тело сжимается до нулевого объема Когда звезда сжимается, интенсивность ее гравитационного поля на значительных расстояниях не меняется, но ее поверхностная гравитация увеличивается без предела Одно из последствий этого – то, что скорость исчезновения с поверхности звезды, или вторая космическая скорость, неуклонно увеличивается, когда звезда сжимается. Любому объекту становится все труднее и труднее оторваться от звезды, уйти от нее, когда звезда сжимается и ее поверхностная гравитация увеличивается.

В настоящий момент, например, вторая космическая скорость для нашего Солнца – 617 километров в секунду, почти в 55 раз больше второй космической скорости для Земли. Для Солнца это все еще достаточно малая скорость, и частицы вещества покидают его довольно легко. Солнце (и другие звезды) постоянно испускает субатомные частицы во всех направлениях и с высокой скоростью.

Однако, если бы Солнце сжималось, и, соответственно, увеличивалась бы его поверхностная гравитация, увеличивалась бы и его вторая космическая скорость до тысяч километров в секунду, до десятков тысяч, до сотен тысяч. В конечном счете она достигла бы уровня 300 000 километров в секунду, а это – скорость света.