Стрелы времени
Второе начало термодинамики объясняет процессы, связанные с нарастанием хаоса, например, почему горячий чай остывает, а не нагревается, охлаждая воздух в комнате, капля чернил растворяется в воде и никогда вновь не собирается, люди стареют и умирают. Термодинамика указывает, почему процессы идут только так, а не иначе. Иными словами, почему движение во времени возможно только в одном направлении. Этот подход к проблеме известен как термодинамическая стрела времени. Следует заметить, что есть, как минимум два других необратимых процесса, которые, на данный момент, не сводимы к термодинамике.
Известно, что электромагнитное излучение порождается движущимися зарядами – заряд, например, совершая колебания, создает электромагнитную волну. И этот процесс тоже возможен только в одном направлении. Волна распространяется от заряда, а колебания затухают, но не бывает так, чтобы волна повернула вспять и вызвала колебания заряда. Эти соображения называют электромагнитной стрелой времени.
Кроме того, общеизвестный однонаправленный процесс – это расширение Вселенной. Материя разлетается из точки сингулярности. Отдельно следует отметить, что по современным представлениям это расширение носит ускоренный, а не замедленный, как считалось ранее, характер. Такая несимметричность тоже вполне может задавать направление протекания процессов, являя собой космологическую стрелу времени.
Складывается ситуация чем-то напоминающая положение дел с инертной и гравитационной массами. Имеются общие теории и нельзя указать, которая из них может включить в себя остальные как частные случаи. Возникает вопрос о первичности. Который из процессов на самом деле определяет направление течения времени во Вселенной? Вполне возможно, что, совсем наоборот, время определяет направление течения всех трех процессов, а направление это задается каким-то другим, еще более общим законом. Так или иначе, на эти вопросы науке только предстоит найти ответ.
Тепловая смерть Вселенной
Как было сказано, во всем мире процессы стремятся в направлении увеличения энтропии и выравнивания температуры. Вопрос в том, насколько универсальный характер имеют законы термодинамики. Ни опыт, ни теория не позволяют сомневаться в их истинности и универсальности. Если мы рассматриваем Вселенную, как изолированную систему, то второе начало термодинамики приводит нас к выводу, что энтропия такой замкнутой системы должна непрерывно расти. Температура должна выравниваться. Горячие объекты должны охлаждаться, а холодные нагреваться до какого-то среднего значения. В результате, это приводит нас к выводу, что Вселенная должна достичь состояния теплового равновесия. Такого состояния, когда вся энергия, а, следовательно, и материя будет «размазана» равномерным слоем по вселенной. Любые макроскопические локальные объекты, такие как звезды, планеты, организмы в этом мире отсутствуют, поскольку представляют собой локализации энергии, существенно отклоняющиеся от среднего значения. Эта идея была высказана Больцманом и получила название «тепловая смерть Вселенной». Сценарий не очень оптимистичный. Впрочем, описанный сценарий не единственно возможный, и вряд ли он будет реализован.
Одним
из первых возражения против тепловой
смерти высказал сам Больцман: он указал
на то, что в такой системе возможны
температурные флуктуации (отклонения
от среднего значения). Тогда, согласно
его рассуждениям, тепловая смерть вполне
могла уже наступить, однако мы живем в
одной из таких температурных флуктуаций,
называемой галактикой, и знать ничего
не знаем. Концепция Больцмана была
хороша, однако расчет показывал, что в
таком случае ближайшая к нам другая
флуктуация, как явление крайне
маловероятное, может находиться примерно
на расстоянии
парсек. Названная цифра на много порядков
превосходит размер Метагалактики, и с
открытием множества других галактик
куда ближе, конечно же, была отвергнута.
Из существующих ныне оптимистических прогнозов следует отметить точку зрения Л.Д. Ландау и Е.М. Лифшица. Дело в том, что когда мы привлекаем для изучения Вселенной ОТО, то оказывается, что мы не можем включить гравитационное поле в качестве составной части статистической системы, поскольку это приводит, с определенной точки зрения, к обессмысливанию законов сохранения, точнее лишаясь законов сохранения, ничего не можем сказать о поведении статистической системы. Тогда, чтобы избежать подобного выхолащивания поле следует считать внешним по отношению к системе. Более того, уравнения, описывающие поведение гравитационного поля зависят не только от координат, но и от времени. То есть внешнее, по отношению статистической системе, поле еще и нестационарно. Но статистическая система, находящаяся во внешнем нестационарном поле не может прийти к состоянию статистического равновесия. Скорее всего, если данная идея верна эффекты, связанные с гравитацией никоим образом не отменяют выводов термодинамики, но делают тепловую смерть невозможной.
Существуют и другие соображения, «отменяющие» тепловую смерть, но они встречают значительно больше возражений.