Книга Вечность. В поисках окончательной теории времени - Шон Кэрролл

Законы физики как мы их знаем, абстрагируясь от важного вопроса коллапса волновых функций в квантовой механике, производят впечатление обратимых. Но мы пока ничего не можем сказать о том, какими окажутся окончательные, фундаментальные законы физики; все, чем мы можем распоряжаться, — это качественные приближения. Возможно ли, что реальные физические законы фундаментально необратимы и что именно их необратимость объясняет стрелу времени?

Давайте для начала разберемся с потенциально ошибочным представлением о том, что это должно означать. «Объяснить» стрелу времени — значит предложить такой набор законов физики и такое «начальное» состояние Вселенной, чтобы естественным образом (без тонкой подстройки) с течением времени наблюдать изменение энтропии, аналогичное происходящему вокруг нас. В частности, если мы просто предполагаем, что одним из начальных условий является низкая энтропия, то объяснять вовсе ничего не требуется — согласно выводам Больцмана, энтропия будет стремиться к увеличению, и на этом все. В данном случае нет даже необходимости постулировать существование необратимых законов физики; со всей нужной работой успешно справляются обратимые. Но проблема в том, что подобное низкоэнтропийное граничное условие кажется неестественным.

Это означает, что если мы желаем объяснить стрелу времени естественным образом, но прибегнув к необратимым фундаментальным законам, то гораздо лучшей идеей будет постулировать высокоэнтропийное условие — «типовое» состояние Вселенной — и воображать, что физические законы, действуя на это состояние, естественным образом уменьшают его энтропию. Это будет считаться реальным объяснением стрелы времени. Может показаться, что в такой схеме все наоборот: она вроде бы предсказывает, что энтропия уменьшается, а не возрастает. Однако суть стрелы времени просто-напросто в том, что энтропия постоянно меняется в одном и том же направлении. Если это выполняется, наблюдатель, живущий в подобном мире, всегда «помнит» направление времени, в котором энтропия была ниже; схожим образом, в причинно-следственных связях причины всегда будут на низкоэнтропийной стороне, так как это направление с меньшим числом доступных вариантов. Другими словами, такие наблюдатели будут называть высокоэнтропийное направление времени «будущим», а низкоэнтропийное — «прошлым», несмотря на то что фундаментальные законы физики в этом мире работают на точное восстановление прошлого из будущего, а не наоборот.

Определенно, подобную Вселенную вообразить также несложно. Но снова возникает проблема — такая Вселенная будет абсолютно не похожа на нашу Вселенную.

Давайте подумаем, как бы обстояли дела во Вселенной, живущей в соответствии с этим сценарием. Вселенная по какой-то причине обнаруживает себя в выбранном случайным образом высокоэнтропийном состоянии, выглядящем как пустое пространство де Ситтера. И наши постулированные необратимые законы физики действуют на это состояние таким образом, что энтропия начинает уменьшаться. Результатом — если все это, в принципе, может сработать — должна быть история нашей фактической Вселенной, но перевернутая в обратную сторону относительно привычного для нас направления времени. Другими словами, в изначальной пустоте несколько фотонов волшебным образом фокусируются в одной точке пространства, создавая там белую дыру. Масса этой белой дыры постепенно возрастает благодаря аккреции дополнительных фотонов (хокинговское излучение наоборот). Мало-помалу вдали появляются новые белые дыры, выстроенные в пространстве в некоторую почти упорядоченную структуру. Все эти белые дыры начинают извергать газ во Вселенную, этот газ сжимается, образуя звезды. Звезды, в свою очередь, постепенно ускоряясь, по мягкой спирали улетают прочь от белых дыр, формируя галактики. Эти звезды впитывают все больше и больше излучения из внешнего мира и используют энергию для разделения тяжелых элементов на более легкие. По мере того как галактики продолжают сближаться в пространстве, сжимающемся со все увеличивающейся скоростью, звезды распадаются и превращаются в равномерно распределенный по пространству газ. В итоге во Вселенной происходит Большое сжатие, и вблизи конца времен наблюдается чрезвычайно гладкое и равномерное распределение материи и излучения.

Это реальная история нашей наблюдаемой Вселенной, только воспроизведенная обратно во времени. И это превосходное решение для законов физики в том виде, как мы их в настоящее время понимаем: нужно всего лишь начать с состояния вблизи Большого взрыва, позволить ему эволюционировать вперед во времени до одного из возможных высокоэнтропийных состояний, а затем обратить эту историю во времени. Но гипотеза, которую мы рассматриваем в данный момент, совершенно иная: она утверждает, что эволюция такого вида неизбежна почти для любого высокоэнтропийного состояния пустого пространства де Ситтера. Можно ли предъявлять подобные требования к каким-то законам физики? Одно дело воображать, что энтропия уменьшается в результате действия необратимых законов, но совершенно другое — утверждать, что она может снижаться в точности таким способом, как необходимо для получения обратной версии истории нашей Вселенной.

Можно точнее указать, что именно в этом сценарии вызывает такой дискомфорт. Для того чтобы испытать действие стрелы времени, нет необходимости думать обо всей Вселенной — она здесь, прямо в нашей кухне. Бросим кубик льда в стакан теплой воды: лед растворится в остывающей воде, и температура всего содержимого стакана станет одинаковой. А фундаментально необратимая гипотеза подразумевает, что данный процесс может быть объяснен с помощью глубинных законов физики, начиная со стакана равномерно прохладной воды. Другими словами, законы физики целенаправленно действуют на воду, выделяя различные молекулы и формируя из них кубик льда, плавающий в стакане теплой воды, и все это происходит точно так же, как если бы все начиналось с отдельного кубика льда и воды, только в обратную сторону во времени.

Но это же безумие. Как минимум, откуда им знать? Одни стаканы с прохладной водой пять минут назад были стаканами с теплой водой и кубиками льда, тогда как другие были теми же самыми стаканами с прохладной водой. Хотя каждому макросостоянию с низкой энтропией соответствует относительно немного микросостояний, самих низкоэнтропийных макросостояний гораздо больше, чем высокоэнтропийных. (Говоря формальным языком, каждое низкоэнтропийное состояние содержит больше информации, чем высокоэнтропийное.)

Эта проблема тесно связана с вопросом сложности, о котором я говорил в конце главы 9. Вреальном мире, эволюционируя из низкоэнтропийного Большого взрыва в высокоэнтропийное будущее, Вселенная создает утонченные сложные структуры. Изначально однородный газ не просто распыляется по расширяющейся Вселенной; сначала он сжимается в звезды и планеты, которые увеличивают энтропию локально, попутно поддерживая замысловатые экосистемы и подсистемы обработки информации.

Невероятно сложно, почти невозможно представить, что все это возникает из первоначально высокоэнтропийного состояния, которое эволюционирует согласно каким-то необратимым законам физики. Это не железный аргумент, но, судя по всему, нам все же следует поискать объяснение стрелы времени в реальном мире где-то в другом месте.