В сравнении с ходом событий, ожидаемым нами при выпекании хлеба, — что газ со временем равномерно распространится по ящику и температура его тоже выровняется, — мы видим, что в случае, когда гравитация играет заметную роль, события разворачиваются совершенно иначе. В результате действия гравитации некоторые молекулы оказываются втянуты в горячую и плотную сердцевину, тогда как остальные продолжат дрейфовать наружу, в окружающую ее более прохладную и разреженную оболочку.
Этим скромным, на первый взгляд, наблюдением мы с вами открыли один из главнейших механизмов формирования порядка во Вселенной. Позвольте пояснить.
Признайтесь, вам ведь никогда не случалось взять в руку чашку с утренним кофе и обнаружить, что он горячее, чем был, когда вы его наливали? Это потому, что теплота всегда течет в направлении от большей температуры к меньшей, так что ваш горячий кофе передает часть своей теплоты более прохладной среде, в результате чего его собственная температура снижается[45]. В нашем большом облаке газа теплота тоже течет от горячей сердцевины к более прохладной окружающей ее оболочке. Теперь я не удивлюсь, если вы подумаете, что этот поток теплоты остудит сердцевину и нагреет оболочку, сблизив их температуры, примерно как теплота, переданная вашим кофе окружающему воздуху, остужает вашу чашку и сближает ее температуру с комнатной. Но — и это замечательно и необычайно важно — когда бал правит гравитация, все получается наоборот. По мере того как теплота утекает из ядра, оно становится горячее и оболочка остывает.
Безусловно, это противоречит нашим интуитивным представлениям, но для понимания этого утверждения достаточно, по существу, всего лишь соединить уже намеченные нами точки. По мере того как оболочка впитывает в себя теплоту, получаемую от ядра, эта дополнительная энергия заставляет облако еще больше увеличиться в объеме. Молекулам, движущимся наружу, приходится опять же преодолевать притягивающее действие гравитации, в результате чего они замедляются еще сильнее[46]. Суммарный эффект заключается в том, что температура расширяющейся оболочки снижается, а не повышается. И наоборот, по мере того как центральная часть, ядро, отдает теплоту, снижение величины энергии заставляет его сжиматься еще сильнее. Движущиеся внутрь молекулы летят туда же, куда тянет их гравитация, и набирают по ходу дела скорость, в результате чего температура сжимающегося ядра возрастает, а не убывает.
Если бы ваш кофе вел себя подобным образом, вам следовало бы пить его побыстрее. Чем дольше вы ожидали бы, тем больше теплоты он высвободил бы в окружающее пространство — и тем горячее стал. Для кофе такое поведение абсурдно. Но в газовом облаке, достаточно большом, чтобы доминирующую роль в нем играла гравитация, происходит именно это.
Задумайтесь на мгновение об этом выводе, и вы поймете, что мы столкнулись с самоусиливающимся процессом, сильно напоминающим то, что происходит с задолженностью по кредитной карте: чем больше вы должны, тем большие проценты вам начисляют и тем больше становится ваш долг, что заставляет всю эту ситуацию раскручиваться по спирали. По мере того как сердцевина газового облака сжимается, а ее температура растет, она начинает выделять в более прохладное окружение больше теплоты; это заставляет сердцевину сжиматься, а ее температуру — возрастать еще сильнее. В то же время теплота, полученная оболочкой, заставляет ее сильнее расширяться, и ее температура дополнительно снижается. Растущий температурный разрыв между ядром и оболочкой заставляет теплоту течь еще быстрее, и цикл идет по расширяющейся спирали.
Если исключить варианты с внешним вмешательством или изменением обстоятельств, такие самоусиливающиеся циклы идут беспрепятственно. При чрезмерном росте долга по кредитке вмешиваетесь вы, погашая задолженность или объявляя себя банкротом. В случае со сжатым ядром, которое становится все горячее и горячее, вмешивается природа с новым физическим процессом: ядерным синтезом. Когда совокупность атомов становится достаточно горячей и плотной, они сталкиваются с такой силой, что могут соединяться на более глубоком уровне, чем это происходит в ходе химических процессов, таких как горение природного газа. Если химическое горение — реакция, в которую вовлекаются окружающие атом электроны, то ядерный синтез — это реакция, при которой соединяются ядра в центрах атомов. При таком глубоком слиянии ядерный синтез генерирует большое количество энергии в форме быстрого движения частиц. Именно это быстрое тепловое движение порождает внутреннее давление, направленное наружу и способное скомпенсировать направленную внутрь силу тяготения. Таким образом, ядерный синтез останавливает сжатие. В результате возникает сконцентрированный, стабильный и устойчивый источник тепла и света.
Рождается звезда.
Чтобы оценить, как процесс формирования звезды сказывается на энтропийном итоге, сложим все составляющие. Как ядро газового облака, которое становится звездой, так и окружающая его газовая оболочка являются объектом двух конкурирующих энтропийных эффектов. Для ядра: температура растет, увеличивая энтропию, а объем снижается, понижая энтропию. Только тщательные вычисления[47] могут определить победителя; результат показывает, что падение превосходит рост, так что суммарная энтропия ядра снижается. Образование больших гравитационных сгустков, таких как звезды, — реальный шаг к большему порядку. Для окружающей ядро оболочки: объем растет, тем самым повышая энтропию, а температура снижается, тем самым понижая энтропию. Опять же, для определения победителя требуются подробные вычисления, результат которых показывает, что рост превалирует над снижением, так что суммарная энтропия оболочки растет. Что не менее важно, расчет устанавливает, что рост энтропии в оболочке превосходит падение энтропии в ядре, гарантируя, что весь процесс приводит к общему увеличению энтропии, заслужив тем самым одобрительный кивок от второго начала.
Эта цепочка событий, сильно идеализированная и упрощенная разумеется, показывает, как звезда — островок низкой энтропии, островок порядка — может образоваться спонтанно, хотя никакой инженер не управляет этим процессом и хотя второе начало термодинамики с его утверждением о непрерывном росте суммарной энтропии продолжает вовсю действовать. По сравнению с паровой машиной космический механизм довольно странный, однако то, что мы обнаружили, — это еще один пример энтропийного тустепа. Примерно как паровая машина и окружающая ее среда участвуют в термодинамическом танце (паровая машина выпускает излишек теплоты, что приводит к снижению энтропии, тогда как среда впитывает эту теплоту и повышает свою энтропию), так и газовое облако с гравитацией (облако достаточно большое, чтобы гравитация в нем играла существенную роль) исполняют аналогичное па-де-де. По мере того как ядро такого газового облака сжимается под действием тяготения, его энтропия снижается, но при этом оно высвобождает теплоту, под действием которого энтропия окружения возрастает. Возникает локальная область порядка в среде, которая переживает более значительный прирост беспорядка.
Новой чертой гравитационной версии энтропийного тустепа является то, что процесс этот самоподдерживающийся. По мере того как газовое облако сжимается и испускает теплоту, его температура растет, заставляя еще больше теплоты уходить наружу и обеспечивая продолжение танца. Напротив, когда паровая машина выполняет работу и испускает теплоту, ее температура падает. Без сжигания дополнительного топлива, способного вновь разогреть пар, машина останавливается. Вот почему для конструирования, постройки и поддержания работы паровой машины необходим разум, тогда как область порядка, созданную сжимающимся облаком газа, — звезду — лепит и заставляет работать неразумная гравитация.
Подведем некоторые итоги.
Если влияние гравитации минимально, второе начало толкает систему к однородности, объекты распределяются, энергия рассеивается, энтропия возрастает. И если бы это было все, то история Вселенной, от начала до конца, оказалась бы банальной. Но, если материи имеется достаточно, чтобы влияние гравитации стало значимым, второе начало радикально меняет курс и толкает систему прочь от однородности. Материя образует сгустки в одних местах и распределяется однородно в других. Энергия концентрируется в одних местах и рассеивается в других. Энтропия снижается в одних местах и повышается в других. Таким образом, способ, посредством которого выполняется директива второго начала, существенно зависит от силы тяготения. Когда тяготение достаточно — имеется необходимое количество существенно сконцентрированного вещества, — могут формироваться упорядоченные структуры. С учетом этого история развертывания Вселенной становится намного богаче.
Как уже описано, ведущую роль в этом процессе играет сила всемирного тяготения — гравитация. В сравнении с ней действие ядерной силы, ответственной за синтез, представляется откровенно вторичным. Ее работа, на первый взгляд, ограничивается вмешательством: именно ядерный синтез обеспечивает внутреннее давление, способное остановить коллапс под действием гравитации. Приблизительный итог, который ученые обычно озвучивают, таков: именно гравитация в конечном счете является источником любой структуры в космосе; роль ядерного взаимодействия при этом даже не упоминается. Но более честная оценка такова: существует равноправное партнерство между гравитацией и ядерным взаимодействием, когда они работают в паре ради выполнения программы второго начала.
Дело в том, что ядерное взаимодействие тоже участвует в энтропийном танце. При слиянии атомных ядер — как происходит в недрах Солнца, где ядра водорода сливаются в ядро гелия миллиарды и миллиарды раз в секунду, — результатом становится более сложный, более хитроумно организованный низкоэнтропийный атомный кластер. В ходе этого процесса некоторая часть массы первоначальных ядер превращается в энергию (как предписывает формула Е = mc