§ 4. Парадокс «тепловой смерти» Вселенной

Этот парадокс был обнаружен в середине XIX в. Р. Клаузиусом и В. Томсоном (лорд Кельвин) при попытке распространить только что открытое II Начало термодинамики на весь физический (ньютоновский) мир — бесконечное пространство, заполненное звездами. Суть парадокса состоит в одностороннем необратимом рассеянии энергии, ведущем Вселенную к тепловой смерти (Кельвин); в формулировке Клаузиуса: «Энергия мира постоянна. Энтропия мира стремится к максимуму».

В физическом аспекте этот парадокс возник в рамках континуальной модели вещества, используемой классической феноменологической термодинамикой. Устранить парадокс тепловой смерти с позиций указанных моделей материи и Вселенной в то время можно было, только предположив ограниченную справедливость II Начала. На такую возможность намекал при обсуждении границ II Начала и парадокса тепловой смерти сам Кельвин, говоря о справедливости II Начала с точностью лишь до «скрытых ресурсов природы». До сих пор эту возможность нельзя считать исключенной, поскольку II Начало остается постулатом, и ниоткуда не следует, что постулат этот неограниченно справедлив. Впоследствии эта возможность даже частично реализовалась — II Начало было «опровергнуто» на микроуровне открытием флуктуаций в первом десятилетии XX в. Но еще до экспериментального открытия флуктуаций само представление о возможности их уже оказалось достаточным для построения грандиозной космологической флуктуационной гипотезы Больцмана.

Людвиг Больцман (1844—1906) был первым, кто рассмотрел «статистическую модель Вселенной». По существу, это была та же, что и у Кельвина — Клаузиуса, ньютоновская бесконечная Вселенная. Однако Больцман использовал дискретную (атомную) модель материи вместо континуальной, принимаемой в классической феноменологической термодинамике. Он обнаружил неожиданный способ преодоления парадокса тепловой смерти — посредством учета эффекта флуктуаций.

Свое решение парадокса Больцман нашел, пойдя в признании тепловой смерти как бы даже дальше, чем Клаузиус и Кельвин, рассмотрев вопрос о том, что будет, когда установится термодинамическое равновесие, когда тепловая смерть наступит! Считая, что она, собственно говоря, является обычным состоянием любой области Вселенной, он указал, однако, принципиально новое обстоятельство; с учетом флуктуаций неизбежно возникновение как частых малых, так и чрезвычайно редких, но сколь угодно больших неравновесных областей во Вселенной.

В адрес флуктуационной гипотезы Больцмана делались критические замечания в связи с фантастической редкостью гигантских флуктуаций и с парадоксальными картинами обратного хода времени в половине флуктуаций. Ныне эти трудности не кажутся столь непреодолимыми, как во времена Больцмана, но ситуация все же может быть обрисована сказанными, хотя и по другому поводу, словами Б. Понтекорво: «Этот вопрос и до сих пор неясен, хотя и на совершенно другом уровне».

Более ясная перспектива решения космологических парадоксов видится в идее бесконечного качественного разнообразия Вселенной, когда рассмотренные трудности космологии оказываются локальными и не имеющими смысла парадоксов. Такое направление в наши дни привлекает все большее внимание исследователей.