О "термодинамике Вселенной" - Астрономия и современная картина мира

    - А зачем им вообще эта дурацкая энергия? - Видишь ли, мальчик, эти славные существа вбили себе в голову, что вечного двигателя построить нельзя! - Не может быть, - сказал юноша. ([4], с. 127).

Флуктуации и проблема физических границ 2-го Начала термодинамики. Пожалуй, впервые термодинамический аспект в космологии обозначил еще Ньютон. Именно он подметил эффект "трения" в часовом механизме Вселенной - тенденцию, которую в середине XIX в. назвали ростом энтропии. В духе своего времени Ньютон призвал на помощь Господа Бога. Он и был приставлен сэром Исааком к слежению за подзаводом и ремонтом этих "часов".

В рамках космологии термодинамический парадокс был осознан в середине XIX в. (см. статью В. В. Казютинского [5]). Дискуссия о парадоксе породила ряд блестящих идей широкого научного значения ("шредингерово" объяснение Л. Больцманом "антиэнтропийности" жизни; введение им флуктуаций в термодинамику, фундаментальные следствия чего в физике не исчерпаны до сих пор; его же грандиозная космологическая флуктуационная гипотеза, за концептуальные рамки которой физика в проблеме "тепловой смерти" Вселенной так еще и не вышла; глубокая и новаторская, но тем не менее исторически ограниченная флуктуационная трактовка 2 Начала М. Смолуховским [6] и т. д.).

Мне уже доводилось [7,8] обращать внимание на примечательные следствия введения Больцманом флуктуаций в термодинамику и космологию. Отмечу здесь лишь, что последовательное развитие идей Больцмана ведет нас к весьма неожиданным следствиям. Так, связь между вероятностью состояния W системы и ее энтропией S оказывается, вопреки стандартной трактовке знаменитой формулы Больцмана (S = k. ln W), не функциональной, а статистической; и сама эта формула строго справедлива лишь в полном пренебрежении флуктуациями! Далее, состояния термодинамического и статистического равновесия различаются не пренебрежимо мало (и тем более не тождественны), а макроскопически существенно (эффект равновесных флуктуаций)...

С учетом этого еще более, чем было продемонстрировано М. Смолуховским, расшатывается и статистическая (не только исходная феноменологическая) трактовка 2-го Начала термодинамики. Не исключено, скажем, что 2 Начало ограниченно справедливо даже в форме запрета "вечного двигателя 2-го рода"! Если открывающиеся тут фантастические варианты при последующих теоретических и экспериментальных исследованиях подтвердятся и реализуются, это откроет необозримые перспективы не только в энергетике, но и в фундаментальной физике и, более того, радикально может изменить картину мира. Например, "за рамками" 2-го Начала роль космических цивилизаций (КЦ) могла бы существенно возрасти и стать даже космологической. Картина мира, в этом плане, могла бы определяться не "часовщиком Ньютона", а Разумом КЦ.

Картина мира инфляционной космологии и термодинамика. Но и в случае неограниченной справедливости 2-го Начала (в трактовке Больцмана - Смолуховского) появление инфляционной космологии [9, 10], особенно сценария "хаотического раздувания" [11] радикально меняет ситуацию с термодинамическими свойствами Вселенной и ее "тепловой смертью".

Как справедливо подчеркнуто в [5], во всех космологических построениях, обсуждающих проблему тепловой смерти Вселенной, изучались, открывались и "закрывались" свойства не реальной Вселенной, а ее специфических моделей (что часто игнорируется). Так, тепловая смерть неизбежно наступала в моделях Вселенной типа ньютоновской или даже, с точностью до флуктуаций, в больцмановской (последнее - вопреки популярному одно время мнению И. Р. Плоткина [12]); не достигалась в бесконечно расширяющейся фридмановской модели (знаменитый результат Р. Толмена [13]); реализовывалась в худшем варианте в бесконечной иерархической модели Вселенной [14], в противоположность оптимистическому выводу К. П. Станюковича [15]; не удавалось избежать ее в осциллирующих постфридмановских моделях [16] и т. д.

В [7] (см. также [17]) мною было отмечено, что в актуально бесконечно разнообразной ("максимально неоднородной") модели Вселенной, в отличие от однородной по свойствам и законам, 2 Начало, хотя бы и сохраняло всюду справедливость, оказывалось бы в определенном смысле "неактуальным", то есть не могло бы реализоваться здесь даже за бесконечное время.

Похожая ситуация усматривается в модели инфляционной Вселенной. Действительно, современные оценки размеров инфляционного "пузыря", содержащего нашу Вселенную (Метагалактику), наряду с невообразимо большим (практически бесконечным) числом других "вселенных" (фундаментальные физические законы в которых, и даже число измерений пространства, могут как угодно отличаться от наших), дают величины от 10104 до 101014 см [11]. Такого рода числа не меняются, выражай ли их в ангстремах или в радиусах Метагалактики! Соответственно, "время пересечения" такой системы лучом света (мыслимая нижняя грань "времени релаксации") выразится тем же числом, опять-таки независимо от того, измеряем ли мы время в наименьших физически мыслимых, в рамках нашей физики, единицах ( 10-43 с или в "возрастах Метагалактики", ( 1010 лет. (Эта тема ярко освещена Дж. Литтлвудом в [18]).

Но такая инвариантность - характерное свойство бесконечных величин! Таким образом, размерные параметры "инфляционного пузыря" отличаются от бесконечных значений в определенном смысле пренебрежимо мало (!), во всяком случае, качественно, в пределах той точности, какую мы выражаем символом "(" и какая нас, очевидно, в современной астрономической картине Мира удовлетворяет.

Соответственно, уже в этом варианте модели инфляционной Вселенной постижимые нами промежутки времени (в равной степени 10-43 с или 1010 лет), характеризующие "нашу Вселенную", и даже астрофизически экстремальные, типа 10100 лет (распад сверхмассивных "галактических" черных дыр) обладают всеми традиционными признаками бесконечно малых величин - в сравнении с теми временами, в течение которых (( 101010 "наших времен") в Большой Вселенной (инфляционный пузырь, при раздувании которого родилась и наша Вселенная) заведомо не наступит еще состояние типа термодинамического равновесия, то есть и пресловутая тепловая смерть. Можно ли полагать, что это понятие в инфляционной модели Вселенной вообще сохраняет для нас смысл? Крайне сомнительно, по меньшей мере!..

Наконец, в самом последнем (пока!..) варианте модели инфляционной Вселенной - сценарии "хаотического раздувания" по А. Д. Линде [11] условия для реализации тепловой смерти, мягко говоря, еще менее благоприятны, чем в первоначальном варианте концепции раздувания. Эта последняя модель вообще трактуется ее автором и другими видными космологами (например, И. Д. Новиковым) как модель вечно юной, самообновляющейся Вселенной. Правда, последняя трактовка не базируется на каком-либо последовательном анализе свойств этой Вселенной в плане термодинамики. Так что остается за кадром фактор увеличения энтропии в ходе эволюции каждого отдельного инфляционного пузыря (или вселенных типа нашей - практически Метагалактики). Но, в аспекте "максимальной неоднородности" свойств Вселенной в модели с хаотическим раздуванием, не вызывает сомнения, что условия для реализации в ней состояния тепловой смерти, как отмечено, еще куда менее благоприятны, чем даже в исходной модели раздувающейся Вселенной.

Интересная модель вселенной больцмановского типа, но сплошь заполненной гигантскими флуктуациями (Я. П. Терлецкий [19]), к сожалению, пока остается недоисследованной в этом плане. В то же время термодинамическая финитность осциллирующей фридмановской модели (опустим здесь проблему более строгого математического обоснования ее), и именно по причине накопления энтропии от цикла к циклу, была убедительно продемонстрирована Я. Б. Зельдовичем и И. Д. Новиковым [16, с. 699].

Исходная инфляционная модель Вселенной А. Д. Линде аналогична, пожалуй, единичной гигантской флуктуации во Вселенной Больцмана (хотя вследствие учета существенно квантового характера системы Линде его модель куда более вероятна). Поэтому даже она находится за рамками требований и запретов со стороны 2-го Начала, которые обходятся здесь соображениями "антропного" характера (А. Л. Зельманов [20], Г. М. Идлис [21]). Но в модели хаотического раздувания фигурирует уже ансамбль гигантских флуктуаций физического вакуума. Здесь мыслим и даже, пожалуй, обязателен и статистико-термодинамический подход к системе. Является ли она в термодинамическом отношении аналогом множества (ансамбля) осциллирующих "термодинамически смертных" [16] фридмановских вселенных, или же она ближе к флуктуационной модели Вселенной больцмановского типа в варианте Терлецкого [19] - подлежит выяснению. И, разумеется, мы не должны забывать о варианте, в котором 2 Начало в системах определенной динамической структуры вообще не является универсальным физическим законом. Здесь вопрос о тепловой смерти соответствующих моделей Вселенной вовсе не возникает, при любом их масштабе.

Похожие статьи




О "термодинамике Вселенной" - Астрономия и современная картина мира

Предыдущая | Следующая