Энтропийная стрела времени - это правило логики, работающее независимо от того как мир устроен: «более вероятные события случаются чаще чем менее вероятные». Упорядоченных состояний мало, а хаотических много, а значит любой порядок со временем станет беспорядком. Нормально ли тогда, что наша Солнечная система выглядит скорее как многополосное шоссе с разметкой, а не как куча камней и песка? Все планеты движутся в одной плоскости, в одном направлении, вращаются в том же направлении, за небольшим исключением в виде Венеры и Урана.
Ответ на вопрос "Как это произошло?" лежит в области школьной астрономии, а на вопрос "Почему так должно было случиться?" отвечает передовая область математики вместе с философией. Мы ответим на эти вопросы коротко, а для полных ответов рекомендуем пройтись по источникам в ссылках.
В начале было нечто компактное
Теория Большого взрыва предполагает, что около 13,8 миллиардов лет назад вся Вселенная начиналась с плотной, чрезвычайно горячей сингулярности и это очень хорошо для наших рассуждений, ведь нет ничего более упорядоченного чем точка, у нее мало состояний. Это хороший старт для дальнейшего развития хаоса.
Через секунду после большого взрыва Вселенная состояла из чрезвычайно горячего (10 миллиардов градусов по Цельсию) первобытного супа из излучения и частиц. В последующие минуты произошел первичный нуклиоинтез, протоны и нейтроны объединились и произвели легкие элементы - водород, гелий и совсем немного лития и бериллия. Через пять минут Вселенная расширилась и охладилась настолько, что дальнейшее образование элементов прекратилось.
Хаоса все-таки больше
В 2004 году астрономы из Принстона провели перепись состава Вселенной и обнаружили что из 90 % всех первичных элементов ничего хорошего не вышло - ни звезд, ни галактик, они "проживают в теплой межгалактической плазме" и были совершенно не видны до 2000 года:
В течение последнего десятилетия астрономы искали огромное количество водорода, который был создан во время Большого взрыва, но каким-то образом сумел исчезнуть в темноте космоса. Миллиарды лет назад эта недостающая материя образовала огромные комплексы водородных облаков, но с тех пор исчезла. Даже острый глаз Хаббла не видел водород напрямую, потому что он слишком горячий и разреженный. Вместо этого Хаббл нашел показательный элементный маркер - высокоионизированный кислород - газ между галактиками, который водород нагревает до температур, наблюдаемых в межгалактическом пространстве. Наличие высокоионизированного кислорода между галактиками подразумевает огромное количество водорода во Вселенной, который настолько горячий, что не может быть обнаружен обычными методами наблюдения.
Это означает, что с большей частью мира все в порядке, это хаотический рассеивающийся из-за расширения вселенной газ, в котором нет никакого порядка. Теперь наши вопросы меняются на: "Как и почему в хаотическом мире образовалось немного порядка?".
Эпоха звезд нового поколения
Большой взрыв не дал тяжелых элементов, однако, мы их видим - кругом металлы и камни. И астрономы видят - все известные звезды обладают некоторой металличностью, а значит являются звездами второго или третьего поколения. Например, Солнце родилось из смеси продуктов первичных звезд и звезд второго поколения. Но тут не все однозначно.
Одним из нерешенных вопросов в астрофизике является характеристика среды рождения Солнечной системы. В частности, понимание того, является ли Солнце «средней» звездой с точки зрения ее эволюции. Это важно для оценки того, насколько вероятно формирование пригодной для жизни звездной системы в контексте поиска внеземной жизни.
Первичные звезды, наверное, были небольшими, быстро состарились, сбросили внешние слои, они перемешались и создали газовые облака, в которых начались процессы звездообразования второго поколения, а потом и третьего. Возможно, некоторые первичные звезды могли сохраниться:
Считается, что бедные металлом звезды являются реликвиями ранней Вселенной. Измерения SDSS J0715-7334 показывают, что эта звезда имеет металличность 0,005 % от металличности Солнца и возникла из Большого Магелланового Облака. Эти результаты свидетельствуют о том, что пылевое охлаждение позволило сформировать первые звезды с низкой массой.
Ровный протопланетный диск из неровного газового шарика
Главный этап наведения порядка в хаотическом мире - формирование аккреционного протопланетного диска. Из-за того что он плоский и круглый, планеты, которые из него получатся в будущем будут хорошо упорядочены. Но как хаотические молекулярные облака становятся вращающимися дисками?
Гравитация и инерция
Главная пара сил в процессе закручивания и сплющивания протопланетного диска - это инерция и гравитация. Они уравновешивают друг друга, но только в плоскости перпендикулярной оси вращения. В других направлениях гравитация сильнее, потому диск "сплющивается". Вращение получается из-за того что частицы, попадающие ровно в центр масс облака слипаются в будущую звезду, а те что не попали идут на второй заход, а потом еще раз и так далее. Рекомендую лекцию индийского математика на эту тему.
Электромагнитные поля
По мере коллапса газа в ядре молекулярного облака под действием собственной гравитации, угловой момент газа замедляет его коллапс в малых масштабах и способствует формированию протопланетного диска. Однако наблюдается, что молекулярные облака пронизаны магнитными полями, которые в принципе могут сильно влиять на эволюцию углового момента во время коллапса ядра посредством магнитного торможения.
Астрономы подсказывают, что огромные движущиеся объемы газа неизбежно создадут вокруг себя электромагнитное поле, которое повлияет на многое, в том числе на очищение пространства вокруг полюсов протопланетного диска. По оси вращения будущей звезды образуются джеты - ускорители частиц, почти как у черной дыры, но слабее. Тем ни менее, джеты создают стабильные потоки газа, которые сдувают окружающее молекулярное облако, "шлифуя" протопланетный диск в районе полюсов.
Фрагментационный барьер
Если вы дочитали статью до этого места, то получили представление об эволюции звезд и планет на уровне школьной астрономии. Как и в любой другой науке, учебные ответы лаконичны, а научные полны. К сожалению, стройная теория в астрофизике ломается на этапе слипания крупных комков космической пыли из мелких. До сантиметровых частиц все нормально, но уже метровые сгустки материи не должны слипаться дальше и вообще быстрее попадают на свою звезду чем подрастут сильнее. Следует знать, что это передовая область науки, поэтому здесь все еще "обитают драконы". Механизм аккреции, наверняка, будет уточнен в ближайшем будущем
Почему порядок должен был родиться?
Энтропия - это принцип чистой логики, который требует хаоса со временем. Хотелось бы найти второй такой же фундаментальный принцип, который требовал бы немного порядка для комфортных планет, а лучше сразу и для нас самих.
Кандидатами может быть теорема Гильберта, Клейна, Нётр, выводящая все законы сохранения из принципов симметрии. Или принцип наименьшего действия, из которого тоже получаются многие основные формулы физики. Это хорошие, но промежуточные ответы. Они не говорят: «Почему обязательно должна быть симметрия?» или «Почему все в мире экономит силы?». А вот теория Рамсея говорит о том, что начиная с некоторого размера системы, в ней обязательно найдется упорядоченный фрагмент.
Несмотря на то, что некоторый беспорядок неизбежен, полный беспорядок невозможен.
Теодор С. Моцкин
На сколько мне известно, теория Рамсея применяется для описания ранних этапов Вселенной, в квантовой механике и физике конденсированного состояния, для выявления «гарантии появления упорядоченных подструктур в случайных системах». Но пока не используется в астрономии напрямую. Впрочем, это передовая область математики с примесью философии и у нее могут появиться новые приложения. Могу только предположить, что наблюдаемая астрономия найдет объяснение своему существованию где-то в этом разделе.
Что еще посмотреть по теме?
Автор статьи - Георгий Тимс для проекта «Физика для гуманитариев». При копировании, пожалуйста, указывайте авторство. Социальные сети проекта: Телеграмм канал, Ютуб канал, Инстаграмм