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.

--- title: "Космическая эволюция" subtitle: "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]{.status} — установлено, [Г]{.status} — гипотеза, [С]{.status} — 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](map.qmd)** показывает все связи сразу. - Обозначения, единицы и смысл меток собраны на странице **[Конвенции](conventions.qmd)**. ## 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.