Простыми словами: что такое тепловая смерть Вселенной?

Идея, родившаяся в эпоху паровых машин

Концепция тепловой смерти появилась задолго до того, как мы узнали о расширении Вселенной, чёрных дырах и даже об устройстве атома в его современном понимании. Её придумали инженеры и физики, которые занимались на первый взгляд гораздо более прозаичной задачей: пытались понять, почему паровые машины не могут быть стопроцентно эффективными.

В 1860-х годах немецкий физик Рудольф Клаузиус сформулировал то, что сегодня известно как второе начало термодинамики. Он же ввёл термин «энтропия» от греческого «превращение». Клаузиус заметил простую вещь: тепло всегда переходит от горячего к холодному, и никогда наоборот. Стакан с горячей водой остывает на столе, а не нагревается дальше. Энергия в природе как будто сама собой стремится «размазаться» равномерно.

Несколькими годами ранее, в 1852 году, шотландский физик Уильям Томсон (более известный как лорд Кельвин, в честь него названа температурная шкала) опубликовал работу «О всеобщей тенденции в природе к рассеянию механической энергии». В ней он впервые применил термодинамику не к локальным процессам, а ко всей Вселенной как целому. Вывод был простым и пугающим: если энергия постоянно рассеивается, то когда-нибудь она рассеется полностью.

В 1854 году немецкий физик Герман фон Гельмгольц в лекции «О взаимодействии природных сил» окончательно сформулировал идею тепловой смерти Вселенной. По его мысли, в далёком будущем все температурные различия в космосе исчезнут. Не останется ни горячих звёзд, ни холодного межзвёздного пространства, только однородное «тёплое ничто», в котором уже невозможны никакие процессы.

Это была революционная и одновременно депрессивная идея. Викторианская эпоха, расцвет науки, прогресса, индустриальной революции, и при этом физика говорит, что в конце концов всё зря, всё угаснет. Современники Гельмгольца были потрясены. Философ Бертран Рассел позже напишет в эссе «A Free Man’s Worship» (1903) известные строки о том, что вся человеческая мудрость, наука и искусство обречены на гибель в космической катастрофе, и что только на этом фундаменте можно строить мировоззрение.

Прошло больше 150 лет. Мы узнали о Вселенной невероятно много нового, и почти всё, что мы узнали, подтверждает идею Клаузиуса и Гельмгольца. Только теперь мы можем посчитать, когда именно это произойдёт. И эти числа поражают воображение.

Что такое энтропия на пальцах

Чтобы понять, почему Вселенная обречена на тепловую смерть, нужно сначала разобраться с понятием энтропии. Школьное определение «мера беспорядка» здесь не очень помогает, оно ничего не объясняет. Лучше зайти через примеры.

Представьте новую колоду карт, разложенную по мастям и достоинствам. Это упорядоченное состояние, низкая энтропия. Теперь перетасуйте колоду. Карты перемешались, теперь это разупорядоченное состояние, высокая энтропия. Можно ли случайной тасовкой получить обратно идеально разложенную колоду? Теоретически да. Практически почти невозможно, потому что упорядоченных раскладок всего одна, а перемешанных астрономически много.

В этом и есть суть второго закона термодинамики. Системы стремятся к состояниям, которых много, а не к тем, которых мало. И «много» здесь означает очень много. Беспорядок просто статистически вероятнее порядка.

Точно так же ведёт себя энергия. Горячий чай в холодной комнате это упорядоченное состояние, в котором энергия сконцентрирована в одном месте. Через час она «размазана» по всей комнате равномерно. Чай остыл, воздух чуть-чуть нагрелся. Если ждать вечность, обратный процесс никогда не произойдёт, энергия не соберётся обратно в чашке сама собой.

Этот принцип работает везде. Разбитое яйцо не собирается обратно. Пролитое молоко не возвращается в стакан. Дым не запихивается обратно в сигарету. Вселенная движется только в одном направлении, в сторону роста энтропии. Этот «термодинамический закон стрелы времени» одна из глубочайших асимметрий в физике, и физик Артур Эддингтон в 1927 году именно его назвал тем, что определяет направление времени.

Тепловая смерть это просто доведение этого процесса до логического конца. Состояние, в котором энтропия достигла максимума и расти больше не может. Энергия распределена настолько равномерно, что нигде нет разницы температур. Без разницы температур невозможна работа, без работы невозможны процессы. Жизнь, движение, изменение, всё прекращается.

Звёзды как двигатели, у которых заканчивается топливо

Сейчас Вселенная очень далека от теплового равновесия. И главный источник этого неравновесия это звёзды. Каждая звезда работает как огромная термоядерная топка, в которой водород превращается в гелий с выделением энергии. Эта энергия излучается в холодный космос, создавая ту самую разницу температур, благодаря которой возможны все интересные процессы во Вселенной, включая нашу жизнь.

Но топливо у звёзд не бесконечно. Наше Солнце по расчётам астрономов проживёт ещё около 5 миллиардов лет. Потом оно исчерпает водород в ядре, превратится в красный гигант, поглотит ближайшие планеты (возможно, и Землю), а затем сбросит внешние оболочки и оставит после себя белый карлик. Маленький, плотный, постепенно остывающий огарок.

Звёзды разной массы умирают по-разному. Маленькие красные карлики, они составляют большинство звёзд во Вселенной, горят тускло, но очень долго, сотни миллиардов и даже триллионы лет. Звёзды массивнее Солнца сгорают за десятки и сотни миллионов лет, а заканчивают жизнь сверхновыми, после которых остаётся либо нейтронная звезда, либо чёрная дыра.

Но главное в том, что новые звёзды постепенно перестают рождаться. Звёзды формируются из газа, в основном водорода. Каждое поколение звёзд расходует часть этого газа и «портит» оставшийся: при ядерных реакциях водород превращается в более тяжёлые элементы, которые уже не подходят для термоядерного синтеза в той же эффективности. Газ во Вселенной постепенно выгорает.

Согласно классическим расчётам астрофизиков Фреда Адамса и Грегори Лафлина, последние звёзды во Вселенной погаснут примерно через 100 триллионов лет, то есть через 10¹⁴ лет. Для сравнения, Вселенной сейчас всего 1,38 × 10¹⁰ лет. До конца эры звёзд в десять тысяч раз больше времени, чем уже прошло с Большого взрыва.

И это только самое начало процесса.

Пять эпох умирающей Вселенной

В 1997 году те же Адамс и Лафлин опубликовали статью «A Dying Universe: The Long Term Fate and Evolution of Astrophysical Objects», в которой подробно расписали, что будет происходить с Вселенной в очень далёком будущем. Их хронология стала классической и до сих пор используется в космологии. По ней эволюция Вселенной делится на пять эпох, и мы сейчас находимся в самом начале второй из них.

Эра первичных частиц (от 0 до ~380 000 лет после Большого взрыва)

Первая эпоха, это горячая ранняя Вселенная сразу после Большого взрыва. Никаких звёзд, галактик, даже атомов ещё не было. Только горячая плазма из элементарных частиц. Эта эпоха закончилась, когда Вселенная остыла настолько, что электроны смогли соединиться с ядрами и образовались первые атомы, в основном водород и гелий. Тогда же стало возможным существование света в привычном смысле, потому что фотоны перестали постоянно рассеиваться на свободных электронах. Этот «первый свет» Вселенной мы наблюдаем до сих пор как реликтовое излучение с температурой 2,7 кельвина.

Эра звёзд (от ~380 000 лет до 10¹⁴ лет)

Это эпоха, в которой мы живём сейчас. Главные процессы это формирование и эволюция звёзд, рождение галактик, синтез тяжёлых элементов в недрах массивных звёзд, образование планетных систем. Возникновение жизни тоже феномен этой эпохи и, насколько мы знаем, возможно только в ней.

Эра звёзд закончится примерно через 100 триллионов лет, когда последние красные карлики исчерпают водород и погаснут. К этому моменту Вселенная расширится настолько, что галактики окажутся изолированы друг от друга. Расстояние между ними превысит горизонт наблюдений из-за ускоренного расширения, вызванного тёмной энергией.

Эра вырожденных объектов (от 10¹⁴ до 10⁴⁰ лет)

После того как погасли все звёзды, остаются только их «трупы»: белые карлики, нейтронные звёзды и чёрные дыры. А ещё несостоявшиеся звёзды, коричневые карлики, которые так и не набрали массу для запуска термоядерного синтеза.

В этой эпохе Вселенная становится тёмной в буквальном смысле, нет источников света, кроме редких столкновений вырожденных объектов и тусклого свечения остывающих белых карликов. Через достаточно долгое время белые карлики остывают до состояния чёрных карликов, холодных тёмных гипотетических объектов. Считается, что во Вселенной их пока не существует, потому что времени недостаточно: даже самым старым белым карликам нужно ещё около 10¹⁵ лет, чтобы остыть полностью.

К концу этой эры в игру вступает один из самых экзотических процессов в физике, распад протона. По теории, протоны не вечны, и хотя их период полураспада очень велик (более 10³⁴ лет по результатам экспериментов в японском детекторе Super-Kamiokande), за достаточно долгое время вся обычная материя во Вселенной должна распасться. Распад протона пока экспериментально не наблюдался, но если он происходит, то к концу эры вырожденных объектов от обычной материи во Вселенной не останется почти ничего, кроме чёрных дыр.

Эра чёрных дыр (от 10⁴⁰ до 10¹⁰⁰ лет)

К этому моменту Вселенная превращается в почти пустое пространство, в котором изредка встречаются чёрные дыры разных размеров: от звёздных, образовавшихся на месте погибших массивных звёзд, до сверхмассивных, которые когда-то были в центрах галактик. Чёрные дыры долгое время казались физикам идеально стабильными объектами, ловушками для материи и света, из которых ничто не может вырваться.

В 1974 году Стивен Хокинг опубликовал работу, полностью изменившую представления учёных о чёрных дырах. Он доказал, что чёрные дыры не являются абсолютно «чёрными»: из-за квантовых эффектов у горизонта событий они способны испускать крайне слабое излучение. Позже это явление назвали излучением Хокинга, и оно стало одним из важнейших открытий современной физики.

Излучение Хокинга означает, что чёрные дыры медленно теряют массу и со временем испаряются. Время испарения зависит от массы. Чёрная дыра массой с Солнце испарится примерно за 10⁶⁷ лет. Сверхмассивная чёрная дыра в центре галактики, в миллионы раз тяжелее Солнца, проживёт около 10⁹⁰ лет. Самые большие из известных нам чёрных дыр исчезнут не раньше чем через 10¹⁰⁰ лет.

К концу этой эры во Вселенной не останется ни одной чёрной дыры. Только разреженный газ из элементарных частиц и фотонов, размазанный по немыслимо огромному пространству.

Тёмная эра (после 10¹⁰⁰ лет)

Это и есть тепловая смерть в чистом виде. Вселенная состоит только из электромагнитного излучения и небольшого числа выживших частиц: электронов, позитронов, нейтрино. Они настолько редки и удалены друг от друга, что взаимодействия практически не происходят. Температура близка к абсолютному нулю, но не ноль, потому что у Вселенной всегда остаётся немного фоновой энергии.

Никаких процессов больше нет. Никакого света, никаких структур, никакого «времени» в осмысленном понимании, потому что время существует там, где есть изменения, а изменений больше не будет. Бесконечная пустота, в которой ничего не происходит.

Это финал.

Почему именно тепловая смерть

В физике есть несколько конкурирующих сценариев конца Вселенной, и тепловая смерть лишь один из них. Но он считается самым вероятным благодаря открытию, сделанному в 1998 году. Тогда две независимые группы астрономов, наблюдавшие сверхновые звёзды типа Ia в далёких галактиках, обнаружили, что Вселенная расширяется не равномерно, а с ускорением. Это открытие принесло его авторам Нобелевскую премию по физике в 2011 году, а саму причину ускорения назвали тёмной энергией.

Если расширение продолжит ускоряться, как сейчас, или хотя бы останется постоянным, Вселенная будет расширяться вечно. Галактики будут расходиться, плотность материи будет падать, всё будет остывать. Это и есть путь к тепловой смерти.

Существуют альтернативы.

Большое сжатие (Big Crunch). Если бы во Вселенной было достаточно материи, гравитация со временем замедлила бы расширение, остановила его, а потом обратила вспять. Вселенная начала бы сжиматься обратно, всё ускоряясь, и в итоге сколлапсировала бы в сингулярность, обратную Большому взрыву. Этот сценарий считался основным до конца XX века, но открытие тёмной энергии сделало его маловероятным.

Большой разрыв (Big Rip). Если тёмная энергия не просто ускоряет расширение, а со временем становится сильнее, то в какой-то момент она начнёт разрывать сами галактики, потом звёздные системы, потом планеты, и в конце концов атомы. Конец Вселенной в этом сценарии куда более драматичный и быстрый. По расчётам, это могло бы произойти примерно через 22 миллиарда лет, если природа тёмной энергии именно такая. Большинство наблюдений сегодня говорят, что это не так, но полностью исключить сценарий нельзя.

Большой отскок (Big Bounce). Идея, которую развивает Роджер Пенроуз, лауреат Нобелевской премии 2020 года, в своей конформной циклической космологии. По его модели, после тепловой смерти, когда во Вселенной не остаётся ничего, кроме безмассовых частиц, понятия масштаба теряют смысл. И тогда «бесконечно большая» остывшая Вселенная математически становится эквивалентной «бесконечно маленькой» горячей. Тепловая смерть превращается в Большой взрыв новой Вселенной. Эта идея остаётся гипотезой, экспериментальных подтверждений у неё пока нет.

Современные данные с наблюдательных проектов вроде космического телескопа «Планк» и обзоров типа DESI говорят, что Вселенная плоская, что её расширение ускоряется, и что наиболее вероятный её финал это именно тепловая смерть.

Что это значит для нас

С практической точки зрения, абсолютно ничего. Все упомянутые в этой статье эпохи настолько далеки от человеческого масштаба, что обсуждать их применительно к нам бессмысленно. Жизнь на Земле, по самым оптимистичным оценкам, возможна ещё около миллиарда лет, пока Солнце не нагреется настолько, что испарит океаны. Это в 100 000 раз меньше, чем длительность одной только эры звёзд, и в 10⁹⁰ раз меньше, чем время до тепловой смерти.

Тепловая смерть Вселенной это скорее философское и научное упражнение, чем повод для тревоги. Она показывает, что у Вселенной есть направление, что её история имеет начало и конец, что сами понятия «начала» и «конца» применимы к космосу как целому. Это глубокое и красивое следствие физических законов, которые мы открыли, изучая паровые машины 170 лет назад.

В каком-то смысле тепловая смерть это последний триумф второго закона термодинамики. Закон, родившийся из попытки понять, почему нельзя сделать вечный двигатель, в итоге описал судьбу всего сущего.

Источники и дополнительное чтение

• Adams F. C., Laughlin G. «A Dying Universe: The Long Term Fate and Evolution of Astrophysical Objects» (1997). arXiv:astro-ph/9701131
• Hawking S. W. «Black hole explosions?» Nature, 248, 30 (1974). Оригинальная статья об излучении Хокинга.
• NASA. Dark Energy, Dark Matter
• Penrose R. «Cycles of Time: An Extraordinary New View of the Universe» (2010). Книга, в которой изложена конформная циклическая космология.
• Stanford Encyclopedia of Philosophy. Philosophy of Statistical Mechanics