Время после Большого взрыва

Очевидно, что с течением времени Вселенная эволюционирует: ранняя Все-

ленная была горячей и плотной, современная Вселенная холодная и разрежен-

ная. Но я собираюсь обрисовать намного более глубокие связи. Самая загадоч-

ная характеристика времени — наличие у него направленности: прошлое

отличается от будущего. Это стрела времени. В отличие от направлений в про-

странстве, которые между собой равноправны, у Вселенной, несомненно, есть

предпочтительная ориентация во времени. Основная тема этой книги — то,

что стрела времени существует, потому что Вселенная эволюционирует опре-

деленным образом.

Причина, почему у времени есть направление, кроется в том, что Вселенная

полна необратимых процессов — событий, которые происходят в одном на-

правлении времени, но никогда в другом. Можно превратить яйцо в омлет, как

в классическом примере, но невозможно сделать из омлета целое яйцо. Моло-

ко смешивается с кофе; топливо сгорает и превращается в выхлопные газы;

люди рождаются, взрослеют и умирают. В Природе мы повсеместно обнару-

живаем последовательности событий, в которых один тип событий всегда

предшествует другому, а другой — всегда следует после. Все вместе они опре-

деляют стрелу времени.

 

 

Пролог

 

Примечательно, что в основе всего нашего понимания необратимых про-

цессов лежит одно-единственное понятие — то, что называется энтропией

и измеряет «неупорядоченность» объекта или скопления объектов. С те-

чением времени энтропия упрямо увеличивается или, по крайней мере,

остается постоянной — это знаменитое второе начало термодинамики.2

А причина, почему энтропия стремится возрастать, обманчиво проста: су-

ществует намного больше способов устроить беспорядок, чем организовать

порядок; следовательно (при прочих равных условиях), упорядоченные кон-

фигурации будут естественным образом перетекать во все более беспорядоч-

ные. Совсем несложно перемешать молекулы яйца, для того чтобы получить

омлет, но аккуратно собрать их обратно, сформировав целое яйцо, нам не под

силу.

На этом традиционная история, которую физики обычно рассказывают

о себе, заканчивается. Но существует еще один ингредиент, обладающий не-

вероятной важностью, который пока что не получает должного внимания: если

все во Вселенной эволюционирует в направлении увеличения беспорядка, то

оно должно было стартовать с невероятно упорядоченной конфигурации. Вся

эта логическая цепочка, объясняющая, почему невозможно превратить омлет

в яйцо, очевидно, базируется на фундаментальном предположении, касающем-

ся ранней Вселенной: она пребывала в состоянии очень низкой энтропии

и очень высокой упорядоченности.

Стрела времени соединяет раннюю Вселенную с тем, что мы в буквальном

смысле испытываем в каждый момент нашей жизни. Это не только разбивание

яиц и другие необратимые процессы, такие как добавление молока в кофе или

захламление комнаты, в которой никто не убирается. Стрела времени — это

причина, почему нам кажется, что время течет мимо нас или (если угодно) по-

чему мы плывем сквозь время. Это причина, почему мы помним прошлое, но

не будущее. Почему мы растем и изменяемся, почему у нас происходит процесс

обмена веществ и почему мы в конце концов умираем. Почему мы верим в при-

чинно-следственную связь. Это принципиальный компонент нашего пред-

ставления о свободе воли.

И все это благодаря Большому взрыву.

 

Мы видим далеко не всё

Загадка стрелы времени, по сути, сводится к следующему: почему условия

в ранней Вселенной были именно такими, какими они были; почему существо-

вала конфигурация с низкой энтропией, позволившая произойти всем этим

 

Пролог

 

 

интересным и необратимым процессам? Исследованиям этого вопроса и по-

священа данная книга. К сожалению, правильного ответа на него никто пока

что не знает. Но в развитии современной науки мы достигли этапа, на котором

у нас уже есть необходимые инструменты для того, чтобы всерьез взяться за

эту загадку.

И ученые, и древние мыслители всегда старались понять время. В Древней

Греции философы досократовских времен Гераклит и Парменид занимали

разные позиции по вопросу природы времени: Гераклит подчеркивал первич-

ность изменения, в то время как Парменид отрицал реальность изменения

вообще. Девятнадцатый век был героической эпохой статистической механи-

ки: люди научились устанавливать поведение макроскопических объектов

исходя из их микроскопических составляющих, — когда такие фигуры, как

Людвиг Больцман, Джеймс Клерк Максвелл и Джозайя Уиллард Гиббс, сумели

дать определение энтропии и описать ее роль в необратимых процессах. Од-

нако им ничего не было известно об общей теории относительности Эйнштей-

на или о квантовой механике и уж, конечно, о современной космологии. Впер-

вые в истории науки у нас по крайней мере есть шанс собрать обоснованную

теорию времени и эволюции Вселенной.

Я собираюсь предложить следующую версию: Большой взрыв не был на-

чалом Вселенной. Космологи иногда говорят, что Большой взрыв представляет

истинную границу пространства и времени, до которой ничего не существо-

вало, — на самом деле даже само время не существовало, поэтому понятие

«до», строго говоря, в этом случае применять нельзя. Однако мы слишком

мало знаем об окончательных законах физики, чтобы с уверенностью делать

подобные заявления. Ученые все чаще начинают апеллировать к возможности

того, что Большой взрыв в действительности не был началом всего, — это

всего лишь фаза, через которую проходит Вселенная или как минимум наша

часть Вселенной. Если это правда, то вопрос о нашем низкоэнтропийном на-

чале принимает другую форму: не «Почему Вселенная зародилась в таком

низкоэнтропийном состоянии?», а «Почему наша часть Вселенной прошла

через период такой низкой энтропии?»

Хотя этот вопрос и не кажется более простым, это — другой вопрос, и он

открывает нам новый диапазон возможных ответов. Не исключено, что Все-

ленная, которую мы видим, — всего лишь часть намного более крупной Муль-

тиленной, которая не зарождается в низкоэнтропийной конфигурации. Я при-

веду доводы, что самая разумная модель Мультиленной — такая, где энтропия

увеличивается просто потому, что энтропия способна увеличиваться всегда:

не существует состояния максимальной энтропии. В качестве дополнительно-

 

 

Пролог

 

го бонуса Мультиленная может быть абсолютно симметричной во времени:

начиная с какого-то момента в середине, когда энтропия имеет высокое значе-

ние, она эволюционирует по направлению к прошлому и будущему в состояния,

в которых энтропия еще выше. Вселенная, доступная нашему взору, — это

всего лишь крошечный отросток невероятно массивного ансамбля, и наше

конкретное путешествие из плотного Большого взрыва к извечной пустоте —

это часть более глобального стремления всей Мультиленной к увеличению ее

собственной энтропии.

В любом случае это всего лишь одна из возможностей. Считайте это при-

мером одного из сценариев, которые космологам следует рассматривать, если

они решают всерьез взяться за проблемы, порождаемые стрелой времени.

И независимо от того, ведет ли нас данная конкретная идея в правильном на-

правлении, сами по себе эти проблемы уже невероятно увлекательны и реаль-

ны. На протяжении этой книги мы будем изучать проблемы времени с самых

разных точек зрения: путешествия во времени, информация, квантовая меха-

ника, природа вечности. Когда уверенности относительно того, как должен

звучать финальный ответ, еще нет, вопрос следует пробовать задавать всеми

способами, какие только возможны.

 

Всегда останутся скептики

Не все согласны с тем, что космология должна играть значительную роль в на-

шем понимании стрелы времени. Однажды мне довелось провести семинар на

эту тему в большой аудитории на физическом факультете одного крупного

учебного заведения. Один из пожилых профессоров этого факультета посчитал

мое выступление недостаточно убедительным и приложил усилия для того,

чтобы все присутствующие узнали о его неудовольствии. На следующий день

он разослал электронное сообщение другим сотрудникам факультета и при

этом был достаточно любезен для того, чтобы включить в список адресатов

и меня:

Наконец, величина энтропии Вселенной как функция времени — это интерес-

ная проблема для космологии, но предполагать, что от нее зависят законы

физики, — совершеннейшая бессмыслица. Утверждение Кэрролла о том, что

второе начало термодинамики обязано своим существованием космологии, —

одно из глупейших [sic] заявлений, что мне доводилось слышать на физических

семинарах, за исключением заявления [фамилия вырезана] о сознании в кван-

товой механике. Я удивлен тем, что присутствовавшие физики любезно вы-

 

Пролог

 

 

слушали подобный вздор. Позже у меня состоялся ужин с несколькими аспиран-

тами, которые с готовностью поддержали мои возражения, но Кэрролл

остался непоколебим.

Надеюсь, он прочитает эту книгу. Здесь содержится много громких заявле-

ний, но я проявлю осмотрительность, подразделив их на три типа: 1) приме-

чательные результаты современной физики, звучащие удивительно, но тем не

менее являющиеся общепризнанными фактами; 2) масштабные заявления,

с которыми согласны не все работающие физики, но которые тем не менее

должны быть приняты, так как их истинность не вызывает никаких вопросов;

3) умозрительные идеи за пределами зоны комфорта современного положения

дел в науке. Определенно, мы не будем чураться отвлеченных и спекулятивных

рассуждений, но они всегда будут ясно обозначены как таковые. В конечном

счете вы будете вооружены всеми необходимыми знаниями для того, чтобы

самостоятельно решать, какие части истории имеют смысл, а какие нет.

Тема времени включает огромное количество идей — от бытовых до шо-

кирующих. Мы заглянем в термодинамику, квантовую механику, специальную

и общую теории относительности, теорию информации, космологию, физику

элементарных частиц и квантовую гравитацию. Первую часть книги можно

рассматривать в качестве обзорной экскурсии, рассказывающей об энтропии

и стреле времени, эволюции Вселенной и разнообразных концепциях самой

идеи «времени». После этого мы постараемся подойти к вопросу более систе-

матизированно: во второй части мы глубоко задумаемся о пространстве—вре-

мени и относительности, включая возможность путешествий назад во времени.

В третьей части мы серьезно рассмотрим понятие энтропии, изучив ее роль во

множестве контекстов — от эволюции жизни до загадок квантовой механики.

В четвертой части мы соберем все вместе, для того чтобы смело посмотреть

в глаза загадкам, которые энтропия ставит перед современными космологами:

как должна выглядеть Вселенная и насколько это похоже на то, как Вселенная

на самом деле выглядит? Я продемонстрирую, что Вселенная выглядит совер-

шенно не так, как «должна» (разумеется, объяснив, что я имею в виду, употреб-

ляя это слово), — по крайней мере, так дела обстоят для Вселенной, которую

мы видим вокруг нас. Если наша Вселенная зародилась в Большом взрыве, то

ее существование отягощается тонко подстроенным граничным условием, для

которого мы не можем найти достойного объяснения. Однако если наблюдае-

мая Вселенная является частью более крупного ансамбля — Мультиленной, то,

возможно, у нас есть шанс объяснить, почему в крохотной части этого ансамбля

энтропия на одном конце времени так разительно отличается от энтропии

на другом.

 

 

Пролог

 

Все это, конечно, непростительное теоретизирование, однако к этим из-

мышлениям стоит отнестись серьезно. Ставки велики — время, пространство,

Вселенная, так что ошибки, которые мы непременно будем делать по пути, без

сомнений, также будут отличаться масштабностью. Иногда полезно отпустить

свое воображение в свободное плавание, даже если наша конечная цель —

вернуться на Землю и объяснить, что происходит на кухне.

 

Примечания

 

Авторы статей в Wikipedia (2009). Настоящий фрагмент представляет собой перевод

приведенного автором отрывка из англоязычной статьи на русский язык и может не со-

ответствовать содержимому русскоязычного варианта статьи, существовавшему на тот

момент времени. — Примеч. пер.

Здесь необходимо сделать акцент на направлениях, так как в них очень легко запутаться:

энтропия измеряет беспорядок, а не порядок, и она со временем увеличивается, а не

уменьшается. На бытовом уровне мы привыкли думать, что «все замедляется и постепен-

но сходит на нет», но правильно говорить, что «энтропия увеличивается».

 

Часть I

Время, опыт и Вселенная

 

 

Гл а в а 1

Прошлое — это воспоминания настоящего

 

Что же такое время? Если никто меня об этом

не спрашивает, я знаю; если бы я захотел объ-

яснить тому, кто спрашивает, — нет, не знаю.

Св. Августин. Исповедь

 

В следующий раз, когда у вас возникнет необходимоcть скрасить пару часов

в баре, на борту самолета или в очереди за справкой в районном отделении

дорожной полиции, проведите время с пользой: попробуйте поспрашивать

незнакомцев, что такое, по их мнению, время. Кстати, это было частью моих

исследований во время подготовки к написанию книги, которую вы держите

в руках. Думаю, вы услышите множество интересных ответов: «Время — это

то, что движет нас вперед по жизни», «Время отделяет прошлое от будущего»,

«Время — это часть Вселенной» и прочие вариации на ту же тему. Мне боль-

ше всего понравилось такое определение: «Время — это то, благодаря чему

мы знаем, что что-то происходит».

Все эти понятия верны лишь отчасти. И хотя облечь понятие времени в сло-

ва не так уж просто, в повседневной жизни мы, как и Святой Августин, справля-

емся с ним вполне успешно. Большинство людей умеют определять время по

часам, могут оценить, сколько времени займет поездка из дома на работу или

приготовление чашки кофе, и способны прийти на ужин с друзьями в назначен-

ный час. Даже если у нас не получается дать четкое определение тому, что такое

«время», на интуитивном уровне мы осознаем, что это и как оно работает.

 

 

Часть I. Время, опыт и Вселенная

 

Как и судья Верховного суда, столкнувшийся с вопиющим проявлением

бесстыдства, мы прекрасно понимаем, что за явление происходит перед нами,

и в большинстве случаев этого достаточно. Однако определенные аспекты

времени все же остаются загадочными и непостижимыми. Итак, действитель-

но ли мы знаем, что означает это слово?