Космическая эволюция
Физика сложности от Большого взрыва до пределов разума. Электронное пособие для магистрантов-теоретиков с вычислительным практикумом
Пособие прослеживает, как во Вселенной за 13,8 млрд лет возникали всё более сложные структуры — ядра и атомы, галактики и звёзды, химические элементы и планеты, диссипативные и самовоспроизводящиеся системы, вычисляющие системы — и где проходят физические пределы этого процесса в далёком будущем. Биологическая эволюция как таковая здесь не излагается: нас интересует физика, общая для всех этапов.
Через всё пособие проходят три линии:
- энергия — сложные структуры существуют за счёт потока свободной энергии; сквозная мера — удельная мощность \(\Phim\);
- информация — её хранение и обработка имеют физическую цену и физические пределы;
- энтропия — локальный рост сложности обеспечивается вторым началом, пока во Вселенной есть градиенты.
У эволюции нет заранее заданной цели. Есть ли закономерность в наблюдаемой последовательности «звёзды → химия → жизнь → разум → технологии» — открытый вопрос, к которому пособие подводит, но не решает за читателя.
Для кого
Для магистрантов и аспирантов, прошедших полный курс теоретической физики: механика, теория поля и основы ОТО, квантовая механика, статистическая физика и кинетика, основы квантовой теории поля. Пособие рассчитано на самостоятельное изучение и может служить основой спецкурса.
Как читать
Пособие можно читать подряд или открывать на любой теме, как справочник.
- У каждой статьи указан уровень: 1 — основы, 2 — углублённый, 3 — исследовательский.
- Указан статус центральных утверждений: У — установлено, Г — гипотеза, С — спекуляция. Такими же метками отмечены отдельные утверждения в тексте.
- Блок «Нужно знать» в начале статьи перечисляет темы, на которые она опирается; «Куда дальше» — темы, которые опираются на неё.
- Карта тем показывает все связи сразу.
- Обозначения, единицы и смысл меток собраны на странице Конвенции.
Устройство
Материал разделён на две оси, которые ссылаются друг на друга:
- Аппарат — физические методы, нужные на разных этапах: однородная космология и её возмущения, ядерная астрофизика, строение звёзд, неравновесная статистическая физика, термодинамика информации, квантовая информация, поля в искривлённом пространстве, численные методы;
- Космическая эволюция — сами этапы: ранняя Вселенная, звёзды и элементы, тонкая настройка, термодинамика сложности, обитаемые миры, физика вычислений и разума, далёкое будущее.
Весь код пособия (Python: NumPy, SciPy, SymPy, Astropy) исполняется при каждой сборке сайта, поэтому приведённые числа и графики — настоящий вывод программ, а не пересказ.