Отдельный квант энергии может катализировать формирование сложной молекулы и, следовательно, уменьшить энтропию биосферы, но, когда он излучен в пространство как инфракрасный свет, это повышает энтропию солнечной системы как целого. Пока рост энтропии, вызванный нагревом частиц пыли где-то в пространстве, больше, чем уменьшение энтропии, вызванное формированием молекулярных связей, долгосрочный результат находится в согласии со вторым законом.
Так что если мы рассматриваем солнечную систему как изолированную систему, тот факт, что ее части подвержены самоорганизации и усложнению, согласуется с общим ростом энтропии. Система как целое пытается прийти к равновесию, и будет наращивать свою энтропию, где сможет. Второй закон делает все возможное, чтобы привести солнечную систему в равновесие, но пока большая звезда излучает в холодное пространство горячие фотоны, равновесие откладывается. Пока оно откладывается, молекулы могут переправлять поток энергии в направлении все больших и больших состояний организации и сложности. А звезды горят миллиарды лет, так что есть очень много времени для распространения сложности. Существование звезд играет большую роль в том, почему вселенная почти через 14 миллиардов лет после ее формирования далека от равновесия.
* * *
Но почему звезды существуют? Если вселенная должна склоняться в сторону энтропии и беспорядка, как происходит, что звезды, которые уводят вселенную от равновесия, повсеместны? Иными словами, если вселенная является Лейбницевской, что-то вроде звезд должно существовать. Какие особенности законов природы гарантируют, что так и есть?
Физика звезд зависит от двух необычных особенностей законов природы. Первая это невероятно тонкая настройка параметров, которые управляют физикой. Эти тонкие настройки включают массы элементарных частиц и интенсивности четырех сил. Они делают возможным ядерный синтез, так что газ водород, содержащийся в звездах, ведет себя иначе, чем если бы ядерных сил не было. Вместо того, чтобы просто хаотично двигаться вокруг, атомы водорода, сжатые вместе в центре звезды, могут взаимодействовать по-новому. Они сливаются, чтобы создать гелий и некоторые другие легкие элементы. Это как если бы вы были посажены в камеру, день за днем, в одном и том же скучном равновесии. Каждый час такой же, как любой другой. Затем внезапно там, где ничего до этого не было, распахивается дверь, и вы ускользаете в целый новый мир. Законы термодинамики, примененные к типичным атомам, никогда не могли бы предсказать ядерный синтез и возможности, которым он дает начало.
Вторая необычная особенность связана с поведением систем, удерживающихся вместе силой гравитации. Очень просто, гравитация ниспровергает наши наивные идеи по поводу термодинамики.
Повседневное наблюдение, которое также является следствием второго закона термодинамики, показывает, что тепло перетекает от более горячих к более холодным телам. Лед тает. Вода на плите кипит. Тепло прекращает перетекание, когда температура двух тел одинакова; они достигают состояния равновесия. Обычно, когда мы забираем энергию от тела, его температура снижается, а когда мы подводим энергию к телу, оно нагревается. Так что, когда тепло перетекает от более горячего тела к более холодному телу, последнее нагревается, а первое остывает. Это происходит до тех пор, пока оба не окажутся при одинаковой температуре. По этой причине воздух в помещении находится при одной температуре. Если бы это было не так, энергия перетекала бы от более теплой стороны к более холодной, пока они не достигли бы единой температуры.
Это поведение делает систему в равновесии стабильной по отношению к эффектам малых флуктуаций. Предположим, что за счет малой флуктуации одна сторона комнаты стала немного теплее, чем другая. Энергия будет перетекать от теплой стороны, охлаждая ее, к более холодной стороне, нагревая последнюю, так что вскоре температура снова станет однородной. Большинство систем ведут себя таким интуитивно понятным способом. Но не все.
Представим себе газ, который ведет себя иначе, охлаждаясь, когда вы добавляете к нему энергию, и нагреваясь, когда вы забираете энергию прочь. Это может показаться парадоксальным, но такие газы есть. Они должны быть нестабильными. Предположим, вы начинаете наблюдение в комнате, заполненной газом такого сорта при одинаковой температуре. Малая флуктуация перемещает небольшую энергию из левой части к правой. Тогда левая часть нагревается, а правая часть одновременно остывает. Это приводит к тому, что еще большая энергия перетекает с левой, горячей стороны к холодной стороне. Когда это происходит, левая сторона не будет охлаждаться, напротив, она станет еще горячее. И по мере перетекания все большего количества энергии к холодной правой стороне, эта сторона станет еще холоднее. Вскоре вы получите неудержимую нестабильность, в которой две стороны помещения приводятся к постоянно растущей разнице их температур.
Теперь посмотрим только на горячую сторону и повторим сценарий. Предположим, что возникла другая флуктуация, ненамного охладившая центр горячей стороны. То же самое явление действует как положительная обратная связь, все больше охлаждая центр и все больше нагревая область вокруг него. С течением времени малая флуктуация вырастет в особенность. Это может происходить снова и снова. Вскоре вы получите сложную структуру холодных и горячих областей.
Система, которая ведет себя так, естественным образом приводится к формированию сложных структур. Тяжело предсказать, где такая система окажется в конечном итоге, поскольку имеется гигантское число неоднородных, структурированных конфигураций, к которым она может эволюционировать. Мы называем такие системы анти-термодинамическими системами. Второй закон все еще действует в них, но, поскольку введение энергии в область охлаждает ее, состояние, в котором газ однородно распределен, является в высшей степени нестабильным.
Системы, удерживаемые вместе гравитацией, ведут себя именно таким сумасшедшим образом. Звезды, солнечные системы, галактики и черные дыры все являются анти-термодинамическими. Они охлаждаются, когда вы подводите к ним энергию. Это означает, что все эти системы нестабильны. Нестабильности уводят их прочь от однородности и стимулируют формирование структур в пространстве и времени.
Это тесно связано с тем, почему вселенная через 13,7 миллиарда лет после своего возникновения не находится в равновесии. Возрастающая структура и сложность, которые характеризуют историю вселенной, в значительной степени объясняются тем фактом, что заполняющие ее гравитационно-связанные системы, от кластеров галактик до звезд, являются анти-термодинамическими.
Легко понять, почему такие системы являются анти-термодинамическими. Две главные особенности выделяют гравитацию из других сил: Гравитационная сила (1) дальнодействующая и (2) универсально притягивающая. Рассмотрим планету на орбите вокруг звезды. Если вы добавляете энергии, планета переместится на более далекую от звезды орбиту, где она будет двигаться медленнее. Так что введение энергии понижает скорость планеты, а это понижает температуру системы — поскольку температура есть просто средняя скорость вещей в системе. И наоборот, если вы забираете энергию из солнечной системы, планета должна ответить падением ближе к звезде, где она движется быстрее. Следовательно, отвод энергии нагревает систему.
