Парадокс космічного порядку. Науково-популярна лекція
Опубліковано: 2026-10-28
Парадокс космічного порядку. Науково-популярна лекція¶
Transcript¶
Епізод 1: Вступ¶
0:01 · Шановні глядачі, я вас вітаю.
0:04 · Сьогоднішня наша лекція буде дещо незвичного формату. Зазвичай на своєму каналі я розкриваю широкі глобальні
0:12 · теми, такі як природа гравітації, природа часу, квантовий світ, антиречовина.
0:18 · Я починаю зазвичай з історії. Я описую те, що наука знає зараз і які відкриті питання ще існують.
0:26 · Сьогодні ж ми спробуємо поговорити не про тему загалом, а про одну конкретну проблему. Нібито парадокс виникнення
0:35 · космічного порядку та в цілому складності в нашому всесвіті, який за нашими уявленнями, за побутовим
0:41 · уявленням мав би рухатися до хаосу, якщо якась, звичайно, вища сила його б не організувала.
0:49 · Саме тому це відео буде трохи коротшим за звичні. І про деякі окремі аспекти я вже згадував раніше, але тепер спробую їх зібрати в єдину картинку.
Епізод 2: Складність у Всесвіті та другий закон термодинаміки¶
1:02 · От подивіться навколо. Ми живемо у всесвіті, в якому існують галактики, зорі, планети, складні хімічні сполуки.
1:11 · От живі організми, ми з вами, людський мозок. Усе це надзвичайно складні структури, які мають складну
1:19 · організацію. Галактики якось обертаються. Зорі виробляють енергію. Планети знов мають внутрішню будову.
1:26 · Живі організми підтримують свій обмін речовин, а наш мозок здатен створювати дуже складні моделі навколишнього світлу.
1:37 · І водночас з цим фізика стверджує, що у всесвіті діє фундаментальний закон. Другий закон термодинаміки.
1:46 · У найбільш простому вигляді його можна сформулювати так: в ізольованій системі ентропія не може зменшуватися. Якщо
1:55 · певна система залишена сама собі, то її еволюція завжди відбувається в напрямку
2:01 · зростання ентропії і лише в граничному випадку її незмінності.
2:08 · При цьому ми звикли пов'язувати ентропію з певним руйнуванням, з розсіюванням, з
2:15 · втратою структури. Будинок сам по собі поступово руйнується, гаряча кава охолоджується. Розлита вода ніколи сама собою не буде збиратися назад у склянку.
2:27 · Це все відповідає нашій побутовій інтуїції, відповідає тому, що ми бачимо. Але тоді виникає запитання.
2:35 · Якщо всі природні процеси загалом ведуть лише до збільшення ентропії, то звідки
2:42 · взагалі в нашому всесвіті взялася вся та складність, яку ми бачимо? Чому всесвіт
2:49 · не залишився якоюсь такою однорідною сумішю певних частинок?
2:54 · Як із майже однорідно розподіленої оцієї первинної [прочищення горла] речовини виникли галактики, зорі, планети? Ну, зрештою решту виникле саме життя.
3:06 · Чи не означає це все, що всесвіт, коли він еволюціонує, розвивається, рухається не до безладу, а навпаки до порядку. І
3:15 · якщо це так, чи не суперечить це якось в другому початку термодинаміки? Ну, звичайно, що ні.
3:23 · Ця нібито суперечність, цей нібито парадокс відбувається лише тому, що наша інтуїція звикла до того, що в нашому
3:32 · світі дуже слабко проявляється одна з фундаментальних взаємодій, а саме гравітація.
3:39 · Вона нас тягне до землі. Ми відчуваємо її весь час, але її роль у взаємодії між
3:47 · об'єктами, між тими ж, наприклад, молекулами в повітрі, навіть між людьми, вона нехтовно мала.
3:53 · Ми тягнемося один до одного не тому, що нас до цього штовхає сила тягіння, а зовсім з інших причин.
4:03 · А от коли ми кажемо про всесвіт, то ця роль є вирішальна. В певному сенсі саме завдяки гравітації от відбулося
4:12 · утворення оцих всіх впорядковуваних структур. Саме завдяки гравітації вся складність всесвіту стала можливою.
4:21 · І щоб це зрозуміти, нам доведеться переглянути саме поняття порядку. Ми
4:28 · побачимо, що те, що здається безладом у нашому повсякденному досвіді і те, що є найбільш ймовірним у певній
4:37 · гравітаційній системі, це не завжди одне і те ж саме.
4:43 · Ну і для початку, напевно, почнемо з того, що ми взагалі розуміємо під ентропією.
Епізод 3: Що таке ентропія насправді: формула Больцмана¶
4:50 · У побуті часто ми ототожнюємо ентропію з хаус. І саме в такому контексті, до речі, про цю фізичну величину я досить часто згадував у своїх минулих лекціях.
5:03 · Кімната, у якій все розкладено чітко по своїх місцях, нам здається впорядкованою.
5:09 · Якщо ж речі там розкидані, якщо одяг лежить десь на підлозі, якщо книги перемішані разом з паперами, ми
5:17 · говоримо, що у кімнаті є безлад. Щоб повернути цю кімнату, де безлад, до початкового впорядкованого стану,
5:26 · потрібна певна робота. Хтось має витратити певні зусилля, час, щоб розкласти речі, щоб прибрати цей беслед.
5:37 · І це здається чудовою ілюстрацією другого закону термодинаміки. Безлад завжди виникає сам з собою, а порядок
5:46 · завжди потребує певної роботи, тобто витрат енергії. Але це не фізичне поняття ентропії.
5:53 · Фізика не оперує з побутовими уявленнями на рівні здається.
5:59 · Вона вимагає чіткого математичного визначення.
6:03 · Уявімо собі, що ми маємо кімнату, де є певна кількість молекул. Ми можемо описати цю кімнату, ці молекули, цей газ
6:11 · на двох рівнях. На макроскопічному рівні, коли ми кажемо про його температуру, тиск, об'єм. І на
6:19 · мікроскопічному рівні, коли ми хочемо описати цю поведінку молекул як сукупність частинок, які мають певні
6:27 · координати швидкості, тобто ми описуємо кожну молекулу окремо.
6:32 · І от один і той самий макроскопічний стан, наприклад, газ з певною температурою і тиском, може відповідати
6:40 · величезній кількості різних мікроскопічних конфігурацій.
6:45 · Молекули можуть перебувати абсолютно в різних частинах кіменати. Вони можуть рухатися з абсолютно різними швидкостями,
6:53 · але те, що ми побачимо напряму макроскопічне, тиск, температура, вони будуть мати абсолютно ті ж самі вимірювальні характеристики.
7:05 · І от саме розуміння мікро та макростаннів дає нам фізичне [прочищення горла] визначення ентропії.
7:12 · У відомій формулі Больсмана воно записується так: ентропія S дорівнює добутку сталої Больцмана K. Вона тут
7:21 · потрібна виключно для розмірності, на логарифм W. А W - це і є кількість
7:29 · мікроскопічних станів, які відповідають одному макроскопічному стані.
7:37 · Що це означає фізично? Чим більша кількість оцих мікроскопічних конфігурацій
7:44 · може відповідати певній макроскопічній системі, тим більшою є ентропія цієї системи.
7:54 · От уявімо собі для прикладу, ну, наприклад, колоду карт. У нас може бути два макроскопічних стани. А колода впорядкована, б колода перемішана.
8:08 · Якщо ми вимагаємо, щоб колода була впорядкована, щоб карти лежали в суворо визначеному порядку, наприклад, там спочатку всі
8:16 · піки, там від двійки до туза, потім черви, бубни, трефи, то це лише один конкретний порядок з величезної кількості можливих.
8:27 · Він може бути забезпечений лише однією єдиною конфігурацією мікростаннів, тобто розподілу карт у колоді.
8:37 · Якщо ж нас не цікавить порядок кор, то кількість перестановок в цій колоді - це
8:42 · 52 факторіали. Це 8 на 10 в 67 степені конфігурації.
8:49 · Якщо ми спочатку розкидаємо карти, а потім ми будемо випадковим чином їх збирати, ймовірність того, що ми їх
8:57 · зберемо саме в послідовному, впорядкованому порядку буде 1 до 80 на 10 67.
9:05 · А ентропія вона буде прямо пропорційна якраз логарифму цього числа.
9:10 · [сопіння] На цьому механізмі і працює перемішування карт. Це пряме використання закону наростання ентропії.
9:18 · Якщо по-справжньому випадково діяти певним чином на колоду карт, певними рухами, то з великою ймовірністю вона
9:27 · сама собою перейде з рідкісного стану всі карти впорядковані до дуже ймовірного стану всі карти перемішані.
9:38 · І для казу в кімнаті те ж саме.
9:42 · Якщо молекули мають рівномірно заповняти певний доступний об'єм, це можна зробити безліч різних способів.
9:52 · Якщо ж всі молекули мають чомусь опинитися десь в кутку нашої кімнати, кількість можливих конфігурацій, як це можна реалізувати, буде набагато меншою.
10:04 · І саме тому будь-яка система, де має багато частинок, завжди тяжіє до
10:11 · макроскопічних станів, яким відповідає більша кількість мікроскопічних.
10:17 · Це не тому, що природа має намір складворити безлад. Це просто тому, що таких станів значно більше.
10:25 · Для систем з величезною конфігурацією частинок, відхилення від зростання ентрапії стають настільки
10:34 · малоймовірними, що ми їх просто ніколи не спостерігаємо в повсякденних умовах, хоча фізика це не забороняє.
Епізод 4: Локальний порядок у відкритих системах¶
10:44 · [зітхання][хекання]
10:45 · Так, звичайно, якщо система не замкнена, то порядок в ній може бути створений.
10:50 · Самі собою карти ніколи не впорядкуються. Але якщо ми маємо систему карти плюс гравець, то цей гравець може
10:58 · додати до карт свою власну енергію і сам їх впорядкувати. Чи візьмемо, наприклад, холодильник.
11:07 · Усередині ми можемо підтримувати низьку температуру, тобто створювати низько енторпійний стан, який буде відрізнятися від теплової рівноваги з кімнатою.
11:18 · Але холодильник не зменшує ентропію світу. Навпаки, він її збільшує. Він споживає електричну енергію, він викидає
11:27 · в приміщення тепло. Ентропія вмісту холодильника дійсно може зменшуватися,
11:34 · але це відбувається лише тому, що ентропія довкілля збільшується, причому збільшується ще значніше.
11:42 · Ну і це, до речі, відома така шкільна задачка на розуміння. Чи можна холодильникам влітку охолодити кімнату?
11:49 · Якщо кімната закрита, то зрозуміло, що ні. Якщо ж кімната відкрита і зайву ентропію ми зможемо якось викидати на
11:58 · вулицю, то теоретично так. Ну, але це вже буде тоді не холодильник, це буде вже кондиціонер. І це загальний принцип роботи будь-якого кондиціонера.
12:08 · І це не тільки так штучно створені прилади. Кристал, наприклад.
12:12 · Коли у нас є певна речовина і ця речовина кристалізується, її частинки утворюють впорядковану структуру, ентропія зменшується.
12:22 · Проте під час цього процесу виділяється тепло і повний баланс ентропії самої речовини і навколишнього середовища,
12:31 · звичайно, що зростає, бо він визначається всіма процесами разом.
12:38 · І навіть ми з вами є доказом того, що в неізольованій системі проблем тут жодних немає. Будь-який живий організм
12:47 · підтримує свою власну складну внутрішню організацію саме завдяки тому, що він обмінюється речовиною енергією довкілля.
12:57 · Він весь час отримує енергію. Там, якщо це ї там тварини, то там з їжі, якщо це рослини від сонячного випромінювання.
13:04 · Частина цієї енергії завжди розсіюється у вигляді тепла. Продукти обміну виводяться назовні і ми зменшуємо нашу
13:13 · власну локальну ентропію, але при цьому збільшуємо ентропію навколишнього середовища.
13:20 · Отже, локальне зменшення ентропії не суперечить другому закону термодинаміки.
13:25 · Потрібно врахувати повний процес разом з уточненням. Але тепер давайте перейдемо до всесвіту.
13:33 · На початку своєї історії, відразу після великого вибуху, всесвіт був надзвичайно щільним і гарячим. На великому масштабі
13:41 · речовина в ньому була розподілена майже рівномірно і однорідно.
13:46 · Але згодом нібито всупереч закону наростання ентрапії в ньому утворилися оці дуже красиві, дуже впорядковані
13:54 · якісь там сферичні, якісь там симетричні галактики, оці всі закручені сфери, оці
14:01 · всі закручені спіралі, утворилися зорі, планети, складні хімічні системи, живі організми.
14:09 · Якщо ми звикли думати, що зростання ентропії означає руйнування структур, вирівнювання будь-яких відмінностей,
14:18 · космічна історія нібито демонструє протилежне. Спочатку був відносно однорідний стан, а потім з'явилися структури.
14:28 · Чи можна тут спробувати використати минулу логіку? Ні.
14:33 · Ми всесвіт в цілому розглядаємо як певну фізичну систему, за межами якої немає нічого, немає якогось зовнішнього по
14:41 · відношенню до всес середовища, з яким він би міг обмінюватися енергією і передавати кудись ентропію.
14:49 · Ми не можемо пояснити появу галактик, просто сказавши, що всесвіт колись викинув назовні за залишок ентропії.
14:57 · Немає ніякого ззовні.
14:59 · Ну і хоча питання про замкненість всесвіту, воно достатньо складне. Ідея, що ми впорядковуємо щось тут за рахунок
15:09 · того, що десь там стає щось більш хаотичним, вона для всесвіту не працює.
15:16 · Для всесвіту головну роль грає гравітація.
15:19 · У звичайному газі тяжіння між молекулами не відіграє жодної ролі.
15:25 · Якщо ж ми говоримо про космічні масштаби, то саме гравітація стає головним чинником еволюції речовини.
15:34 · Вона змінює те, які конфігурації системи є стійкими і які саме з них відповідають найбільшій ентропії.
15:45 · Для систем, у яких гравітація істота, оцей рівномірний розподіл речовини вже не є станом максимальної ентропії.
15:54 · Навпаки, утворення будь-яких впорядкованих структур, тих самих, наприклад, галактик, тих самих зірок, тих самих
16:03 · чорних дір, може супроводжуватися значним зростанням гравітаційної ентропії.
16:10 · Це означає, що коли ми кажемо про впорядкованість Всесвіту, перед нами не виняток з другого початку термодинаміки,
16:18 · а зовсім інша фізична ситуація. Це не те, до чого ми звикли в нашому повсякденному житті.
16:26 · І для того, щоб зрозуміти цю різницю, давайте для початку уявімо собі світ, у якому гравітації взагалі немає.
Епізод 5: Як би виглядав Всесвіт без гравітації¶
16:35 · Уявімо, що наш всесвіт - це така собі коробка, всередині якої перебуває газ.
16:41 · Молекули якось хаотично рухаються, вони якось штовхуються одна з одною. Вони якось там можуть взаємодіяти зі стінками цієї коробки, якщо вони, звичайно, що існують.
16:51 · А тепер давайте собі уявімо, що весь газ якимось чином опинився в одній половині коробції, а інша половина залишилася зовсім порожня.
17:02 · Якщо ми залишимо цей газ сам собі, якщо ми відкриємо певну перегородку, яка не дає йому далі рухатися, молекули
17:10 · поступово розлетяться і почнуть заповнювати весь наш об'єм. Чому це так відбувається? Молекули не знають, де
17:19 · саме знаходиться порожня половина цієї коробки. Вони не мають мети. А давайте-ка ми рівномірно розподілимося.
17:27 · Молекула не думає: "Хм, щось мені сьогодні якось так сумно." А збільшука я загальну ентропію нашої коробки. Он там якраз якесь вільне
17:36 · місце. От полечу я туди. Ні. Кожна молекула рухається відповідно до своїх початкових умов і вона взаємодіє з іншими молекулами.
17:48 · Проте внаслідок величезної кількості абсолютно випадкових руків газ поступово
17:55 · розподіляється по всьому об'єму. не через намір, не через те, що він хоче збільшити хаос, а через статистику.
18:04 · Просто тому, що цей стан значно більш ймовірний.
18:09 · Чи можна собі уявити, що в певну міть всі молекули взяли і випадково зібралися в одній половині коробці? Так, без проблем.
18:20 · Фізично це абсолютно не заборонено, але кількість мікроскопічних конфігурацій, у яких всі молекули
18:29 · перебувають в одній половині, незрівняно менша, ніж кількість конфігурацій, у якій газ розподілений по всьому об'єму.
18:39 · Якщо молекул дуже багато, то ймовірність того, що вони всі раптом опиняться в певній половині, стає фантастично малою.
18:49 · І саме тому завжди в наших побутових ситуаціях ми спостерігаємо розширення газу, а не його там спонтанне збирання
18:58 · десь в кутку кімнати. І саме це розширення газу і призводить до максимізації ентропії. Система без
19:07 · зовнішнього впливу рухається до теплової рагноваги і будь-які початкові неоднорідності поступово з часом не відразу, але зникають.
19:19 · Тут наша побутова інтуїція працює добре.
19:22 · Якщо ми не враховуємо гравітацію, то згущення газу в одному місці потребує спеціальних умов. Потребує, щоб хтось це
19:30 · зробив. Без таких умов газ дійсно прагне заповнити весь доступний об'єм.
19:39 · Тому, якщо ми візьмемо будь-яку макросистему, наприклад, там розбиту склянку, розбитий бокал, ситуація абсолютно аналогічна.
19:49 · Не існує жодного закону фізики, не існує жодного рівняння руху, який би забороняв уламкам стола, молекулам, що розлетілися
19:57 · кудись, перетворити своє тепло на впорядковану кінетичну енергію, спонтанно злетітися назад, якось
20:05 · з'єднатися і утворити оцей келик, цей бокал. Знов закони механіки абсолютно симетричні
20:13 · відносно часу і на мікрорівні кожен абсолютно процес дійсно може пойти в зворотньому напрямку, але ми цього ніколи не спостерігаємо.
20:24 · І причина не в тому, що в природі існує якась заборона на такий сценарій, а у звичній мало ймовірності.
20:33 · Існує лише один єдиний спосіб зібрати всі ті уламки із імпульсів мільярдів атомних частинок впорядкувати тіли
20:42 · бакалу. І є астрономічна кількість способів зробити навпаки, розсіяти цю енергію, розсіяти ті частинки у вигляді тепла і хаотичного якогось розльоту.
20:54 · Ми не бачимо, що розбиті бокали збираються разом не тому, що це заборонено, а виключно тому, що
21:02 · ймовірність такої події настільки мізерна, що за весь час існування всесвіту вона статистично жодного разу не відбудеться.
21:13 · Якщо б цей всесвіт, наш всесвіт був би без гравітації, ми б отримали те ж саме. Ми б отримали стерильну реальність.
21:21 · Це був би всесвіт, який майже від самого початку перебував би в стані рівномірної, абсолютно максимальної ентропії.
21:31 · У такому всесвіті дійсно без якоїсь зовнішньої волі не змогли б сформуватися ані галактики, ані зорі, ані планети,
21:40 · ані будь-які хімічні складні елементи, ані життя.
21:44 · Це був би світ без структур, без жодної історії і навіть без стріли часу.
21:52 · Як я розповідав в лекції про час, про природу часу, саме наростання ентропії задає напрямок часу, яких відрізняє минуле від майбутнього.
22:04 · Без еволюції до більшої ентропії час, як міра змін, просто втратив би свій сенс.
22:11 · Всесвіт після утворення просто би релаксував. він би відразу завмер от в цій вічній незмінній тепловій рівновазі.
22:21 · Але на щастя для нас це не так.
22:25 · На космічних масштабах несутєва на землі гравітація починає відігравати вже головну роль.
Епізод 6: Гравітація змінює правила¶
22:33 · От уявімо собі хмару газу, яка спочатку має майже однорідну установу.
22:39 · Чи буде вона прагнути до ще рівномірнішого розподілу, як газ в тій коробці? Не обов'язково.
22:47 · Якщо в певній ділянці густина трохи вища, ніж десь поруч, ця ділянка створює
22:54 · сильніше гравітаційне поле. Вона притягує до себе навколишній газ.
23:00 · Унаслідок цього густина в цій області стає ще більша, а більша густина означає ще більше тяжіння.
23:10 · Таким чином, у нас виникає позитивний зворотній зв'язок і у нас виникає механізм самопідсилення початкових
23:18 · неоднорідностей. Оце невеличке згущення з відповідних, звичайно, що умов [сопіння] може перетворитися на значно виразнішу структуру.
23:29 · Цей процес пов'язаний з гравітаційною нестійкістю. В класичному аналізі газових хмар, як це відбувається в
23:36 · нашому всесвіті, він описується, зокрема, критерієм джинса.
23:41 · Ее сутвого критерію у конкуренції двох чинників. Гравітація намагається стиснути газ, а внутрішній тиск в цьому
23:49 · газі, навпаки намагається протидіяти цьому стисканю.
23:54 · є певна формула, яка залежить від властивостей газу. Вона визначає, знов таки там певну довжину. Якщо початкове
24:03 · зборення менше за ц за цю характерну довжину, внутрішній тиск його майже миттєво згладжує і починається певна
24:10 · коливання, певна звукова хвиля. Якщо ж воно більше за певну довжину, гравітація
24:16 · вже переважає і це збурення починає самопідсилюватися і стискатися далі.
24:25 · Тобто, якщо десь у всесвіті випадковим чином утворилося певне зборення, яке має
24:33 · достатній розмір, щоб гравітація в ньому переважала здатність тиску вирівнювати нерівноміроності, це збурення завжди починає зростати.
24:45 · І саме так з випадкових збурень гравітація і сформувала всі великомасштабні структури нашого всесвіту.
24:54 · Первинні невеличкі неоднорідності густини з часом зростали.
24:59 · Речовина утворювала гравітаційно зв'язані системи, а вже з них і з'являлися [прочищення горла] галактики, згорні скупчення, синізорі і так далі.
25:10 · Є купа комп'ютерних симуляцій, які якраз і моделюють цей процес. У нас є коробка, ми в цю коробку запускаємо певну
25:18 · кількість, велику кількість кульок, які взаємодіють між собою за законом всесвітнього тяжіння. І ми бачимо, як
25:25 · вони поступово формують структуру, яку яка дуже схожа на сучасну великомасштабну структуру нашого всесвіту.
25:34 · Ну, там, до речі, основну роль грає навіть незвична нам баріонна речовина, а там основну роль грає темна матерія.
25:43 · Я про це детально розповідаю в лекції про її пошуки, тому не буду зараз на цьому зупинятися.
25:52 · Але виникає відразу запитання.
25:54 · Якщо речовина збирається в певні компактні впорядковані структури, чи не означає це, що вона стає більш
26:03 · впорядкованою, а отже, її ентропія зменшується?
26:09 · Чи є цей порядок чимось, що суперечить другому закону термодинаміки?
26:16 · І от тут якраз і сховається головна відмінність гравітаційних систем від
26:23 · звичайного газу. Коли газ стискається під дією тяжіння, його гравітаційна енергія зменшується.
26:33 · Частина цієї енергії переходить в кінетичну енергію руху частинок і газ при цьому нагрівається.
26:42 · Якщо газ може ще і випромінювати, він віддає частину енергії назовні у вигляді електромагнітного випромінювання, тобто світла і тепла.
26:52 · Отже, локальне згущення речовини завжди супроводжується її нагріванням,
27:00 · більш швидким рухом частинок і випромінюванням.
27:04 · Ті частинки, що виходять, ті фотони, вони знов таки несуть енергію і ентропію. Тому ми повинні розглядати
27:11 · весь процес. Ми не можемо його оцінювати лише за тим, наскільки компактно розташована певна речовина.
27:21 · І тут, до речі, ее значну роль грає ще одна важлива особливість подібних систем, а саме від'ємна теплоємність.
27:33 · У повсякденному житті ми звикли до того, що для того, щоб нагріти певне тіло, ми повинні йому передати енергію. Якщо ми
27:41 · хочемо нагріти воду, ми ставимо цю воду на плиту. І навпаки, якщо ми хочемо щось охолодити, ми забираємо тепло, ми
27:50 · ставимо кудись в холодильник. Ну і це здається очевидним. Якщо тіло витрачає енергію, воно охолоджується. Якщо воно отримує енергію, воно нагрівається.
28:03 · Але гравітаційні системи можуть поводитися протилежним чином. Вони здатні нагріватися, коли вони втрачають енергію.
28:13 · І саме тому їх теплоємність, тобто відношення зміни їх енергії до зміни їх температури від'ємна.
Епізод 7: Народження та еволюція зір¶
28:23 · От давайте подивимося, що відбувається під час гравітаційного стискання певної газової хмари. Гравітація
28:33 · змушує речовину цієї хмари поступово падати до її центра. Її потенціальна енергія під час цього падіння
28:41 · зменшується, але енергія нікуди не зникає.
28:45 · Значна її частина переходить у кінетичну енергію руху частинок цього газу.
28:50 · Зіткнення між цими частинками якось перерозподіляють цю енергію і газ нагрівається.
28:58 · Цей зв'язок між різними типами енергій описує так звана теорема віреалу. Вона була отримана ще в другій половині X
29:07 · століття відомим фізиком Рудольфом Клаузіосом.
29:11 · І за цією теоремою, коли гравітаційна система стискається, оця гравітаційна потенціальна енергія розподіляється на дві рівні міжчастини.
29:23 · По-перше, вона іде у кінетичну енергію газу, тобто нагрів системи.
29:31 · Приблизно половина оцієї втраченої гравітаційної енергії переходить в в кінетичну енергію хаотичного руху
29:38 · частинок в теплову енергію. А оскільки температура це і є мінера кінетичної енергії, газ стає гарячим.
29:47 · І по-друге, ця енергія іде у випромінювання. половина енергії перетворюється на електромагнітні хвилі і назавжди покидає цю систему,
29:55 · розсіюючись десь там в холодному космосі. Інакше кажучи, система,
30:02 · коли вона випромінює енергію, її втрачає, але внаслідок того вона стає ще більш корячою.
30:12 · І цей механізм, до речі, є якраз тим механізмом, який колись запалив всі зорі нашого всесвіту.
30:20 · Коли ми маємо оцю велику газову хмару, вона стискається, речовина нагрівається,
30:28 · гарячий газ випромінює енергію в навколишній простір, втрата енергії дозволяє цьому газу стискатися далі.
30:36 · Подальший стиск, знов таки підвищує температуру. Ну, а коли температура досягає певної межі, розпочинаються вже
30:45 · термоядерні реакції, реакції синтезу гелію з водню. Ну, але це тема для окремої і дуже фундаментальної лекції.
30:54 · Тому утворення зорі - це не просто переміщення речовини з великого обсягу в
31:01 · малий. Це дуже складний процес, під час якого гравітаційна система проходить у
31:07 · більш зв'язаний стан, при цьому нагріваючись і випромінюючи енергію.
31:15 · І для обрахунку зміни ентропії потрібно врахувати весь процес, включаючи випромінювання, а не тільки те, яка була
31:24 · роз чина на початку і якою конфігурацією вона стала в кінці.
31:29 · І з точки зору термодинаміки - це потужне джерело виробництва ентропії.
31:36 · Зоря перетворює енергію ядерних реакцій на випромінювання, яке поширюється в навколишньому просторі.
31:45 · Але, звичайно, що зоря не може скі світити нескінченно. Якщо ми кажемо про еволюцію зірок, то доля зірки на
31:54 · останніх етапах її життя визначається в першу чергу її масою, ну, а також хімічним складом і певними фізичними
32:01 · процесами всередині. Коли водень у ядрі зірки вичерпується, змінюється структура зорії. Вона може розширитися, вона може
32:09 · перетворитися на червоний гігант, на надгігант. І ядро навпаки почне стискатися.
32:16 · Подальша доля будь-якої зорі залежить від її маси. Якщо ми кажемо про сонцеподібні зорі, то вони врешті-решт скидають оті зовнішні оболонки і вони залишають після себе малий білий карлик.
32:28 · Якщо це масивніша азоріату, то вона може пройти через послідовність, знов таки інших ядерних реакцій. Вона може пройти
32:35 · через стадію червоного гіганта. І вона може сформувати в результаті дуже компактні об'єкти, такі як нейтронні
32:42 · зорі або чорні діри. Я про це детально розповідав в лекції про мегасвіт. Зараз
32:49 · для нас це не так важливо, бо головним є той факт, що при всіх цих перетвореннях зоря стає все більш і більш компактною.
32:59 · Спочатку величезна газова хмара розміром у кілька світлових років. Потім зоря головної послідовності, наприклад, сонце
33:07 · мільйон клометрів. Далі компактний залишок, білий карлик, це може бути там 10 000 км. Якщо зоря масивна, то зовсім
33:17 · маленький об'єкт. Нейтронна зоря розміром 10 км або ще мініатюрніша чорна діра.
33:25 · І на перший погляд це схоже на створення деталі більшого порядку. Речовина збирається в дедалі компактніші об'єкти.
33:35 · Але таке враження оманливе.
33:38 · Як ми вже побачили, під час стискання гравітаційна система вивільняє енергію.
33:45 · Вона нагрівається, вона випромінює.
33:48 · Якщо поверхня сонця десь там має температуру 6 000°, то поверхня нейтронних зірок в момент їх народження може досягати 100 млрд грав.
34:01 · Ну, далі вона поступово зменшується, але вона все одно в сотні разів більша, ніж температура сонця.
34:08 · Але що з чорними дірами?
34:11 · Якщо решта зірок дуже розігріті і ця температура разом з їх випромінюванням і
34:18 · є наслідком наростання ентропії, то чорні діри начебто взагалі нічого не випромінюють.
34:25 · Може хоч тут нарешті оцей другий закон трамадинаміки зламався. Може хоч тут нарешті ми отримали впорядковану
34:33 · систему. Щось таке невеличке, щось таке дуже компактне, щось дуже холодне. Ні.
34:40 · з точністю до навпаки.
34:44 · Хоча чорна діра дійсно дуже компактна, хоча чорна діра дійсно дуже холодна, але це етап, коли наростання ентропії досягає своєї абсолютної межі.
Епізод 8: Чорні діри та ентропія Бекенштейна—Гокінга¶
34:58 · Чорні діри досить довгий час сприймалися як об'єкти, які майже нічого не випромінюють і поглинають все, що
35:06 · перетинає оцей їх горизонт подій. І з цієї точки зору дійсно може здаватися, що чорна діра - це просто область
35:13 · простору, з якої не може вийти ніщо, в тому числі світлі. Але в другій половині XX століття з'ясувалося, що чорні діри
35:23 · мають значно глибший зв'язок з термодинамікою.
35:29 · У 1970х роках відомий вчений Джейкоб Пекенштейн запропонував пов'язати ентропію чорної діри.
35:39 · з площею її горизонта подій.
35:42 · Згодом Стівен Гокінг показав, як саме квантові ефекти біля чорної тіри можуть означати, що вони можуть щось
35:50 · випромінювати. Про це я згадаю трохи далі. І так виникла формула Бекенштейна Хокінга.
35:56 · Я якраз і здатна описати ентропію подібного об'єкта. Ентропія чорної діри
36:02 · S дорівнює добутку сталої Больцмана K на величину А. Це площа горизонту подій чорної діри.
36:12 · Поділити на чотири сталих планка, довжини планка в квадраті. Планківська довжина - це 1,6 десь в -35 м. Це
36:22 · фундаментальний масштаб, який утворений із гравітаційної стало, сталої планка і швидкості світла.
36:31 · І от ця формула показує, що ентропія чорної діри пропорційна площі її горизонту, а не об'єму, як ми могли б
36:39 · там якось очікувати від звичайної речовини.
36:44 · Це насправді неймовірно незвично. Для систем, які нас оточують, можливість
36:51 · зберігати інформацію про їх стан залежить в першу чергу від кількості речовини, тобто від маси. А маса залежить від об'єму системи.
37:03 · Як я вже казав, щоб описати стан газової хмари, нам потрібно вказати її макроскопічні характеристики.
37:13 · І формула Больцмана, про яку я розповідав на початку лекції, логічним чином приводить нас до об'єму. Якщо
37:21 · збільшити об'єм газу, при цьому зберігаючи його густину, то ми збільшуємо кількість частинок.
37:29 · Отже, і кількість мікроскопічних конфігурацій, а отже, і збільшуємо ентропію. Тобто, з інших однакових умов,
37:39 · ентропія буде пропорційна кількості речовини, а кількість речовини пропорційна об'єму певного об'єкта.
37:49 · Але для чорної діри ентропія виявляється пропорційною не об'єму області всередині цього горизонту, а площі самого горизонту.
37:58 · Величина, яка характеризує можливу кількість мікроскопічних станів, поводиться так. Наче ключову роль
38:07 · відіграє оця двовимірна поверхня, а не тривимірний [прочищення горла] об'єм всередині.
38:16 · Це, звичайно, що не означає, що вся речовина всередині чорної діри розташована на її поверхні. Ні. Горизонт
38:23 · подій чорної діри - це взагалі не матеріальна оболонка. Це межа. Це межа в просторі часі, яка відділяє область,
38:32 · звідки сигнали вже не можуть дістатися до зовнішнього спостерігача від області, звідки вони ще можуть вийти. Але чому це
38:42 · так? Чому саме площа цієї межі визначає ентропію? Ну, насправді, це питання, на жаль, досі відкрите.
38:53 · Так, ми можемо спробувати описати ентропію чорної діри через традиційну формулу, через всі ті мікро і
39:00 · макростани. Із макростанами у нас все досить просто. Це чорна діра. У неї не так багато характеристик. У чорної діри
39:09 · є маса, є електричний заряд, ну і кутовий момент, бо чорна діра може обертатися.
39:16 · А от щодо мікростаннів все значно складніше. Класична теорія гравітації сама по собі не дає оцього повного
39:23 · мікроскопічного опису того, що відбувається на межі чорної дри. Там велику роль починають грати вже якісь
39:31 · квантові закони. Ну а повноцінної теорії квантової гравітації, як відомо, людство ще не створило.
39:39 · Тому це більше не результат точного підрахунку станів, а це межа інформації,
39:46 · яку в принципі здатен отримати всередини себе певний шматок простору.
39:54 · При цьому, що цікаво, що цей зв'язок насправді став основою для одного з найбільш цікавих напрямків сучасної
40:03 · теоретичної фізики, а саме голографічного принципу.
40:08 · Він досить популярний в теоріях струн, в деяких моделях квантової гравітації. Він
40:14 · стверджує, що опис усього тривимірного простору може бути повністю закодований на двовимірній межі цього простору.
40:25 · Ну, часто це подають занадто буквально.
40:29 · Фізики стверджують, що ми всі живемо в голограмі. Ні, фізики такого не стверджують. Але питання щодо
40:37 · взаємозв'язку простору, гравітації та інформації дійсно є одним з найцікавіших, відкритих саме питань
40:46 · сучасної фізики. І відповіді тут остаточної ми ще не маємо. Але давайте повернемося до нашої теми.
40:54 · Давайте оцінимо, що буде з ентропією зорі, коли воно стане чорною дірою. От сонце.
41:02 · Оцінимо для початку ентропію сонця.
41:05 · Сонце складається переважно з водню та гелію. Для грубої оцінки можна порахувати скільки там частинок.
41:13 · Врахувати, що ентропія газу там за певних умов має порядок величини кількості частинок помножени на сталу Больцмена.
41:21 · Маса сонця нам чудово відомо, це 2* 10 в 30 степені кг. Якщо ми поділимо цю масу
41:29 · на масу одного протона, ми отримаємо, що в сонці приблизно там 10 в 57й мас протона.
41:37 · Можна далі врахувати, що там є гелій. Можна врахувати там окремі стани плазми.
41:43 · Є така відома формула сакура тетроди, яка описує ентропію одноатомного ідеального газу. І врешті-решт отримати
41:50 · оцінку, що ентропія сонця у сталих Больчмана - це десь десь в 58-й.
41:57 · Це не моя оцінка, я це не рахував. Це оцінка з підручників, з астрофізики, це
42:04 · оцінка з наукових статей. Вона нам дає порядок величини.
42:10 · Якщо ж уявити чорну діру такої самої маси, як сонце, то її радіус може бути
42:17 · порахований за формулою Шваршельда. Це приблизно 3 км. Її площа 4R², тобто десь
42:25 · 10 в8 степені метрів. Поділивши це на квадрат планківської довжини, ми
42:31 · отримуємо 10 в 77й стали польсмена. Це у 19 порядків більше. ніж ентропія сонця.
42:40 · Це у 10 млрд мільярдів разів більше.
42:45 · Звичайно, наше сонце не перетвориться на чорну діру. Для цього у нього брахує маси. Наприкінці свого життя воно оце
42:52 · скине зовнішні оболонки. Його залишком стане білий карлик. Але якщо уявити чорну діру з такою самою масою, як
43:01 · сонце, ми побачимо, наскільки разючою є різниця між ентропією звичайної зорі і
43:07 · ентропією чорної діри. 10 млрд мільярдів разів.
43:14 · Звідки береться оця колосальна ентропія чорної діри? Звідки береться ця колосальна різниця? Чорна діра не містить у собі стільки речовини. Її маса
43:23 · та ж сама, але ентропія звичайної речовини пропорційна масі.
43:30 · Ентропія чорної діри пропорційна площі горизонту, яка залежить від маси квадратично, тобто маса в квадраті. І
43:38 · насправді чорна діра є найентропійнішим об'єктом з усіх, які тільки можна в
43:46 · цілому вмістити в певний розмір. Це абсолютно межа ентропії. Ніщо у всесвіті
43:53 · не може бути більш компактним і ентропійним, ніж чорна діра. І коли ми це зрозуміли, то всі суперечності майже зняті.
44:04 · Еволюція всесвіту - це саме рух від порядку до хаосу.
44:10 · А утворення будь-яких компактних оцих впорядкованих структур - це побічний продукт цього руху.
44:17 · Цей однорідний розподіл речовини на початку Всесвіту був станом мінімальної гравітаційної ентропії. А утворення в
44:25 · кінці чорних дір - це стан максимальної ентропії. Це стан, коли еволюція всесвіту вже майже досягла своєї межі. І
44:35 · вся еволюція - це перехід від майже однорідного стану на початку до галактик, зір, чорних дір в кінці. І він вже не виглядає якось суперечністю.
44:47 · Саме цей рух і забезпечує, в тому числі наше власне існування.
44:54 · Я вже давно планую зробити лекцію про те, як порядок виникає з хаосу, де
45:01 · відповісти на одне з найчастіших питань глядачів, як узгоджується закон
45:07 · наростання ентропії з тим, що на Землі колись з'явилося і еволюційноє життя. чудово у сходжується.
45:16 · Ну, але я хочу зробити цю лекцію просто ідеальною, щоб зняті всі можливі питання. Тому я її відкладаю все на
45:25 · потім і потім, але колись я її обов'язково зроблю.
Епізод 9: Земля, життя та потік ентропії¶
45:30 · Якщо казати глобально, то вся сучасна складність Всесвіту можлива лише завдяки одному факту, пояснення якого сучасна
45:38 · наука ще немає. Це неймовірно низький рівень початкової гравітаційної ентропії нашого всесвітку.
45:48 · За сучасною космологічною моделлю на ранніх етапах свого розвитку всесвіт був гарячим і щільним. Але на великих
45:56 · масштабах розподіл речовини був надзвичайно однорідним. Хоча все ж таки оці певні невеличкі неоднорідності все ж існували.
46:06 · І хоча ця гаряча плазма раннього всесвіту мала велику теплову ентропію, оцей однорідний стан відповідав
46:15 · мінімальній гравітаційній ентропії. І це все якраз і стало важливим потім, коли
46:22 · речовина почала об'єднуватися і утворювати будь-які складні структури. Але чому це так?
46:31 · Чому взагалі всесвіт почав свою історію зі стану настільки низької гравітаційної ентропії?
46:39 · І насправді це знов ще одне питання, на яке сучасна наука відповіді не має.
46:47 · Загальна теорія відносності описує, як розвивається всесвіт. Якщо ми вже маємо певні початкові умови,
46:54 · космологічні спостереження дозволяють дослідити різні етапи розвитку всесвіту.
47:00 · Проте сам факт того, що всесвіт на початку мав стільки низьку гравітаційну
47:06 · ентропію і досі залишається однією з найглибших нерозв'язаних проблем сучасної фундаментальної фізики. Поки що
47:16 · ми це приймаємо як факт. Так було.
47:21 · Але саме цей факт забезпечив можливість всіх тих потоків ентропії, які потім
47:29 · створили і підтримують всю сладість нашого всесвіту. От, наприклад, Земля.
47:36 · Земля отримує енергію переважно від Сонця і випромінює цю енергію назад у космос. У середньому Земля випромінює
47:46 · приблизно стільки ж енергій, скільки і поглинає. Ну, інакше б температура б Землі постійно зростала, чого ми не спостерігаємо.
47:55 · Але однакова кількість енергії не означає однакову ентропію. Поверхня сонця має температура біля 6 000°.
48:06 · Фотони від сонця мають велику енергію.
48:10 · Земля в середньому має ефективну температуру там 255° кельвіна. Воно теж
48:17 · випромінює у космос. Але фотони значно меншої енергії, значно меншої температури.
48:25 · Так як сонячне випромінювання має характерну енергію фотонів велику, а земне випромінювання має характерну кількість фотонів значно меншу.
48:37 · Для того, щоб передати оцю однакову кількість енергій, Землі потрібно відправляти в космос значно більше
48:45 · фотонів, ніж вона отримала від сонця.
48:50 · Ну, в першому наближенні ентропія пропорційна кількості частинок, а отже, якщо фотонів стало в 20 разів більше, то
49:00 · й ентропія того, що Земля випускає, зросла в 20 разів.
49:06 · Фактично Земля імпортує від Сонця трохи ентропії, перетворює її, підтримує за
49:14 · рахунок цього свою власну складність, після чого експортує у космос в 20 разів більше ентропії.
49:24 · І саме цей постійний потік ентропії і дає можливість підтримувати все те, що ми бачимо навколо, оту саму циркуляцію
49:33 · атмосфери, кругобіг води. фотосинтез, багато інших процесів.
49:40 · В тому числі цей потік ентропії забезпечує і можливість існування нашого власного життя.
49:48 · Живі організми на землі, як правило, використовують частину цього потоку вільної енергії, щоб підтримувати свою власну організацію.
49:56 · Вони там синтезують якісь молекули, вони відновлюють клітинні структури, вони підтримують там градієнти концентрацій
50:05 · натрій, калієвик та вони виконують певну роботу. І все це вимагає певної роботи, вимагає певної енергії і все це
50:14 · супроводжується процесами, які врешті-решт збільшують загальну ентропію будь-якого середовища разом з довкіллям.
50:25 · І людина зрозуміла, що також є частиною цього потеклу. Наш організм отримує хімічну енергію з їжі. Він використовує
50:34 · її для руху, для підтримання температури тіла, для роботи мозку, для роботи всіх наших внутрішніх органів. Значна частина
50:42 · цієї енергії врешті-решт переходить в тепло. І це тепло віддається навколишньому середовищу.
50:51 · І насправді, що б ми не робили, який би порядок ми десь не нагодили, завжди,
51:00 · підкреслюю, завжди це буде супроводжуватися збільшенням ентропії.
51:06 · Неважливо, що ми робимо. Ми можемо там прибирати в кімнаті. Ми будемо будувати якийсь собор Святого Стефана у Відні. Ми
51:15 · розкладаємо карти в колоді. Щоб ми не робили, загальний хаос. всесвіту, якщо порахувати повний баланс, від цього
51:23 · тільки зростає і ніколи не зменшується.
51:29 · Тому насправді життя існує не всупереч другому початку термодинаміки, а завдяки
51:35 · ньому. Ми існуємо на постійних потоках вільної енергії і ентропії.
51:42 · Життя - це відкрита система, яка підтримує свою [прочищення горла] організацію, використовуючи той факт, що існує
51:51 · перепад ентропій між гарячим сонцем і холодним космічним оточенням.
51:57 · [сопіння] Не енергія сама по собі, а саме цей перепад дає можливість існувати будь-якій складності.
52:06 · А цей перепад, в свою чергу виникнув не сам з собою, а він пов'язаний з конкретною космічною історію і
52:14 · врешті-решт з тим, що ранній всесвіт на самому початку був в дуже особливому стані, з якого могла розвиватися
52:23 · структура, в якій зорі могли збиратися до купи і протягом мільярдів років випромінювати енергію колись там в оточуючий космос.
52:33 · І ми всі є наслідком того, що початкова ентропія всесвіту була чомусь, невідомо чому, дуже малою.
Епізод 10: Випаровування чорних дір і теплова смерть Всесвіту¶
52:44 · Ну, але це станом на зараз. Але що буде в майбутньому?
52:50 · Що буде відбуватися, коли всесвіт буде розширюватися?
52:54 · Коли зорі поступово згасатимуть? Коли запаси доступної для виконання роботи будуть поступово зменшуватися?
53:04 · Щоб відповісти на це запитання, нам знов треба звернутися до чорних дір. Але
53:11 · цього разу нас цікавить не їх утворення, а їх загибель.
53:18 · У класичній загальній теорії відносності чорна діра є об'єктом, з якого ніщо не може вийти. І будь-що, що перетинає
53:27 · горизонт подій, назавжди зникає з причинного майбутнього нашого сервису.
53:33 · Проте, е, класична теорія не враховує квантових ефектів. Як я вже згадував і
53:40 · сьогодні, і в минулих лекціях, у 1974-75 роках молодий на той час фізик Стівен
53:47 · Гокінг показав, що чорні діри повинні випромінювати певне теплове випромінювання.
53:54 · Це складний квантово-механічний ефект.
53:57 · Популярні пояснення цього ефекту, як правило, зводяться до того, що у нас біля поверхні горизонту подій утворюється пара частинка античастинка.
54:07 · Одна з них падає всередину, інша виходить назовні, забираючи частину енергії, а отже, і маси чорної діри.
54:16 · І от якщо це випромінювання, то воно повинно мати температуру.
54:21 · Причому виходить, що для нерухомої, незарядженої чорної діри температура Гокінга обернено пропорційно її маси.
54:30 · Чим масивніша чорна діра, тим нижча її температура.
54:37 · Якщо ми кажемо про чорну діру масою, наприклад, як наше сонце, то ця температура - це десь 6 в міну8 кервіна.
54:46 · Це надзвичайно низька температура. Це температура, яка значно нижча за температуру рельтовопромінювання зараз
54:55 · випромінювання, яке заповнює весь наш всесвіт.
54:59 · Тому в нинішньому стані всесвіту чорна діра мас як сонця просто не могла б випромінювати енергію в холодний космос.
55:07 · У сучасному всесвіті така чорна діра поглинає більше енергії, ніж витрачає за рахунок випромінювання окінга.
55:15 · І це випромінювання стане домінуючим лише на останніх етапах розвитку нашого всесвіту, в далекому майбутньому, коли
55:24 · теплове випромінювання релікктиви фон достатньо охолоне і коли температура чорних дір стане вищою, ніж температура фону навколо.
55:34 · І це, м'яко кажучи, дуже тривалий процес.
55:38 · Для чорної діри, як наше сонце, характерний час випромінювання - це 10 в 67 степені років.
55:46 · Якщо ми кажемо про надмасивні чорні діри, то час випромінювання ще більший. Він там зростає пропорційно кубо масі.
55:53 · Це не так важливо. Для надмасивних об'єктів це може бути щось типу там десь в 90-тій, десь в соті років або навіть
56:02 · більше. Це це більше за все, що люди можуть собі уявити, але це не нескінченність.
56:11 · А отже, чорні діри не будуть існувати вічно.
56:16 · Дуже поступово, так, але вони будуть втрачати масу.
56:20 · І це, до речі, знов таки, це приклад системи з від'ємною теплоємністю.
56:26 · Коли чорна діра втрачає енергію, вона не охолоджується, вона навпаки стає все більш горячою.
56:36 · Чим менша її маса, тим вищою є температури випромінювання, тим швидше вона втрачає речовину. На початку цей
56:45 · процес дуже повільний. З часом він прискорюється, а наприкінці життя чорної діри він може закінчитися справжнім
56:54 · вибухом, після якого чорна діра може зникнути остаточно. Тобто чорні діри в кінці свого життя вибухають і все.
57:04 · От коли це відбудеться, ми будемо мати всесвіт, в якому не залишиться нічого, крім розрядженого газу фотонів, якись
57:12 · там, можливо, нейтрину, інших дуже холодних частинок.
57:17 · Але що буде з його ентропією? Ну, здавалось би, і на початку, після
57:24 · великого вибуху, і в кінці ми маємо схожі картинки.
57:29 · Ми маємо порівняно рівномірний роздржений простір, де немає ані зір, ані галактик, ані складних структур.
57:40 · Але з точки зору термодинаміки це два стани, які є абсолютно протилежними один до одного. Ранній всесвіт хоч і був
57:49 · однорідним, але мав дуже низьку гравітаційну ентропію.
57:55 · Це особливий стан, який залишив колосальний потенціал для того, щоб сила тяжіння потім могла зібрати речовину
58:04 · разом, могла створити оці всі скущення, могла запалювати зорі, могла формувати галактики, могла народжувати складність.
58:13 · Натомість кінцевий стан - це абсолютний максимум ентропії. Всі потенційні перепади енергії остаточно вичерпані.
58:24 · Всі зорі згаслі, всі чорні діри випарвались.
58:30 · Речовина перетворилася на хаотичний, рівномірний, розсіяний океан сутільного випромінювання.
58:38 · У цьому стані ентропія досягає своєї граничної межі і все.
58:44 · Більше жодні процеси, жодна робота, жодна еволюція всі тій системі в принципі неможливі.
58:55 · Це один із сценаріїв кінця світу, про які я вже згадував у відповідній лекції.
59:01 · Це теплова смерть всесвіту. Це стан, в якому не залишиться жодних доступних механізмів для потоків ентропії.
59:09 · Так, це не єдиний можливий сценарій. Є і розпад вакууму, є велике схлопування, є
59:17 · великий розрив темною енергію. Але, мабуть, серед усіх сценаріїв це є найбільш ймовірним з точки зору, знов
59:25 · таки сучасної науки. Це кінець історії, це кінець часу.
59:32 · Зорі випромінюються тому, що їх поверхня набагато гарячіша за оточуючий простір.
59:39 · Живі організми використовують потоки вільної енергії, потоки ентропії.
59:45 · Але якщо всі джерела будуть вичерпані, можливості підтримувати будь-яку складність у всесвіті просто не буде.
59:56 · Тому всі ті елементи складності, які ми бачимо, ті ж самі зорі, планети, життя, це лише тимчасові етапи еволюції
1:00:05 · всесвіту на його довгому-товкому шляху по зростанню етрапії.
1:00:12 · І вся складність, яку ми бачимо, це лише побічний продукт цього шляху.
Епізод 11: Висновки¶
1:00:20 · Отже, давайте тепер підсумуємо, що ми сьогодні почули.
1:00:27 · По-перше, другий закон термодинаміки не забороняє локальне виникнення порядку.
1:00:33 · Він визначає напрямок фізичних процесів, в межах якого складні структури цілком можуть виникати. Вони можуть існувати, вони можуть зникати.
1:00:46 · По-друге, для гравітаційних систем звична наша інтуїція про безлад не працює. Це лише в ідеальному газі без
1:00:54 · гравітації оцей рівномірний розподіл речовини є найбільш ймовірним. Бо якщо є гравітація, то невеличкі згущення
1:01:02 · поступово зростають, речовина стискається, вона формує складні структури і при цьому вона нагрівається та випромінює.
1:01:13 · По-третє, вся еволюція всесвіту - це постійний шлях зростання ентропії. від
1:01:20 · первинної оцієї газової хмари до утворення чорних дір, ентропія яких є
1:01:27 · абсолютною межею ентропії в одиниці простору.
1:01:33 · По-четверте, вся складність нашого всесвіту існує саме завдяки потокам ентропії та вільної енергії. І живі
1:01:43 · організми виникли, існують, еволюціонують.
1:01:47 · якраз використовуючи частину цього потоку, щоб підтримувати свою власну організацію складність, при цьому
1:01:55 · збільшуючи сумарну ентропію довкілля.
1:02:01 · Ну і нарешті у далекому майбутньому всесвіт з великою ймовірністю прийде до стану, у якому доступні перепади вільної
1:02:11 · енергії практично зникнуть, а ентропія досягне свого максимального значення.
1:02:19 · Це буде порожній світ, та навіть чорні діри всі зникли, та будь-які складні структури в цьому світі перестануть існувати.
1:02:32 · Ми зазвичай протиставляємо порядок і хаос, складність руйнування, живе і неживе.
1:02:40 · Нам здається, що поява складної структури має бути чимось особливим. Це має бути майже виняток із загальних законів фізики.
1:02:51 · Але коли ми розглядаємо всесвіт у масштабах мільярдів років, то картина змінюється. Ми живемо в дуже особливому етапі космічної історії.
1:03:04 · У всесвіті існують зорі, які випромінюють енергію. Існують планети, на яких ця енергія підтримує
1:03:11 · різноманітні процеси. Існують живі організми, які здатні досліджувати закони, за якими це все відбувається.
1:03:20 · Колись так не було, колись так вже не буде.
1:03:25 · У порівнянні з тим, що чекає наш все в майбутньому, оцей зоряний етап - це лише коротка мить, яка неминуче колись закінчиться.
1:03:37 · Нещодавно я цю лекцію читав на одній зустрічі і там мене після цієї зустрічі
1:03:45 · спитали: "А якщо це так, то навіщо це все? Навіщо тоді жити, боротися, чогось досягати?"
1:03:53 · Ну, я думаю, що це питання в першу чергу не до фізика, а до філософа. Але моя думка, що тимчасовість зовсім не означає
1:04:03 · відсутність сенсу. Навпаки, той факт, що наше існування у цьому величезному, холотному, здебільшого
1:04:12 · байдужому всесвіті є настільки кригким, настільки миттєвим, робить кожну мить нашого досвіду ще більш цінною.
1:04:22 · Головна цінність у самому житті, у тому, щоб мати змогу пізнавати цей світ, згадувати якось його фундаментальні
1:04:31 · загадки. Ну, врешті-решт, кохати і бути коханим. Хоча не всім в цьому житті за цим пощастило.
1:04:40 · Стерсвіт подарував нам цей унікальний яскравий спалах свідомості у проміжку між
1:04:48 · первинним гравітаційним порядком та кінцевим термодинамічним хаосом.
1:04:55 · І те, що цей кінець колись буде неминувчим, ані трохи не робить життя чимось менш значущим.
1:05:05 · І сенс нашого життя визначається не тим, скільки років триматиме всесвіт після нас, а тим, як ми проживемо доступний
1:05:14 · нам оцей короткий час, створюючи свій власний неповторний порядок, попри
1:05:21 · байдужість оцього величезного холодного всезвіту.
1:05:27 · Ну і на цьому, мабуть, на сьогодні все.
1:05:31 · Живіть, підтримуйте вашу власну складність завдяки потокам зовнішньої ентрапії і насолоджуйтесь цим життям.
1:05:41 · До нових зустрічей і дякую за увагу.