Космологическое происхождение "стрелы времени". Космологическое происхождение "стрелы времени" Что такое стрела времени

Кофе остывает, здания разрушаются, яйца разбиваются, а звезды гаснут во вселенной, которая как будто обречена на переход к серому однообразию, известному как тепловое равновесие. Астроном и философ сэр Артур Эддингтон (Arthur Eddington) в 1927 году заявил, что постепенное рассеивание энергии является доказательством необратимости «стрелы времени».

Но к недоумению целых поколений физиков, понятие стрелы времени не соответствует основным законам физики, которые во времени действуют как в прямом направлении, так и в противоположном. Согласно этим законам, если бы кто-то знал пути всех частиц во вселенной и обратил их вспять, энергия стала бы накапливаться, а не рассеиваться: холодный кофе начал бы нагреваться, здания подниматься из руин, а солнечный свет направился бы обратно к Солнцу.

«В классической физике у нас были сложности, - говорит профессор Санду Попеску (Sandu Popescu), преподающий физику в британском Бристольском университете. - Если бы я знал больше, мог бы я обратить ход события вспять и собрать воедино все молекулы разбитого яйца?»

Конечно, говорит он, стрела времени не управляется человеческим незнанием. И все же, с момента зарождения термодинамики в 1850-е годы единственным известным способом расчета распространения энергии была формула статистического распределения неизвестных траекторий частиц и демонстрация того, что с течением времени незнание смазывает картину вещей.

Теперь физики вскрывают более фундаментальный источник стрелы времени. Энергия рассеивается, и объекты приходят в равновесие, говорят они, потому что элементарные частицы при взаимодействии спутываются. Этот странный эффект они назвали «квантовым смешением», или запутанностью.

«Наконец мы можем понять, почему чашка кофе в комнате приходит в равновесие с ней, - говорит квантовый физик из Бристоля Тони Шорт (Tony Short). - Возникает смешение между состоянием чашки кофе и состоянием комнаты».

Попеску, Шорт и их коллеги Ной Линден (Noah Linden) и Андреас Уинтер (Andreas Winter) сообщили о своем открытии в журнале Physical Review E в 2009 году, заявив, что предметы приходят в равновесие, или в состояние равномерного распределения энергии, в течение неопределенно долгого времени за счет квантово-механического смешения с окружающей средой. Похожее открытие несколькими месяцами раньше сделал Питер Рейман (Peter Reimann) из Билефельдского университета в Германии, опубликовав свои выводы в Physical Review Letters. Шорт и коллеги подкрепили свои доводы в 2012 году, показав, что запутанность вызывает равновесие за конечное время. А в работе, опубликованной в феврале на сайте arXiv. org, две отдельные группы предприняли следующий шаг, рассчитав, что большинство физических систем быстро уравновешиваются за время, прямо пропорциональное их размеру. «Чтобы показать, что это применимо к нашему реальному физическому миру, процессы должны происходить в разумных временных рамках», - говорит Шорт.

Тенденция кофе (и всего остального) приходить в равновесие «очень интуитивна», считает Николас Бруннер (Nicolas Brunner), работающий квантовым физиком в Женевском университете. «Но при объяснении причин этого мы впервые имеем твердые основания с учетом микроскопической теории».

Если новое направление исследований верно, то история стрелы времени начинается с квантово-механической идеи о том, что в своей основе природа изначально неопределенна. Элементарная частица лишена конкретных физических свойств, и она определяется только вероятностями нахождения в определенных состояниях. К примеру, в определенный момент частица может с 50-процентной вероятностью вращаться по часовой стрелке и с 50-процентной против часовой. Экспериментально проверенная теорема северо-ирландского физика Джона Белла (John Bell) гласит, что нет «истинного» состояния частиц; вероятности это единственное, что можно использовать для его описания.

Квантовая неопределенность неизбежно приводит к смешению - предполагаемому источнику стрелы времени.

Когда две частицы взаимодействуют, их уже нельзя описывать отдельными, независимо развивающимися вероятностями под названием «чистые состояния». Вместо этого, они становятся перепутанными компонентами более сложного распределения вероятностей, которые описывают две частицы вместе. Они могут, например, указать на то, что частицы вращаются в противоположных направлениях. Система в целом находится в чистом состоянии, но состояние каждой частицы «смешано» с состоянием другой частицы. Обе частицы могут двигаться на расстоянии нескольких световых лет друг от друга, но вращение одной частицы будет коррелировать с другим. Альберт Эйнштен хорошо описал это как «жуткое действие на расстоянии».

«Запутанность это в некотором смысле суть квантовой механики», или законов, регулирующих взаимодействия в субатомных масштабах, говорит Бруннер. Это явление лежит в основе квантовых вычислений, квантовой криптографии и квантовой телепортации.

Идея того, что смешением можно объяснить стрелу времени, впервые 30 лет назад пришла в голову Сету Ллойду (Seth Lloyd), когда он был 23-летним выпускником факультета философии Кембриджского университета со степенью Гарварда по физике. Ллойд понял, что квантовая неопределенность и ее распространение по мере того, как частицы становятся все более перепутанными, может прийти на смену неуверенности (или незнанию) человека в старых классических доказательствах и стать истинным источником стрелы времени.

Используя малоизвестный квантово-механический подход, в котором единицы информации являются основными строительными кирпичиками, Ллойд несколько лет изучал эволюцию частиц с точки зрения перетасовки единиц и нулей. Он выяснил, что по мере того, как частицы все больше смешиваются друг с другом, информация, которая их описывала (например, 1 для вращения по часовой стрелке, и 0 - против часовой), перейдет на описание системы запутанных частиц в целом. Частицы как будто постепенно теряли свою самостоятельность и становились пешками коллективного состояния. Со временем вся информация переходит в эти коллективные скопления, а у отдельных частиц ее не остается вообще. В этот момент, как обнаружил Ллойд, частицы переходят в состояние равновесия, и их состояния перестают меняться, словно чашка кофе остывает до комнатной температуры.

«Что происходит на самом деле? Вещи становятся более взаимосвязаннями. Стрела времени - это стрела роста корреляций».

Эта идея, изложенная в докторской диссертации Ллойда в 1988 году, не была услышана. Когда ученый отправил статью об этом в редакцию журнала, ему сказали, что «в этой работе нет физики». Теория квантовой информации «была глубоко непопулярна» в то время, говорит Ллойд, и вопросы о стреле времени «были уделом психов и тронувшихся умом нобелевских лауреатов».

«Я был чертовски близок к тому, чтобы стать водителем такси», - сказал он.

С тех пор достижения в области квантовых вычислений превратили теорию квантовой информации в одну из самых активных областей физики. В настоящее время Ллойд работает профессором Массачусетского технологического института, он признан одним из основателей этой дисциплины, и его забытые идеи возрождаются усилиями физиков из Бристоля. Новые доказательства являются более общими, говорят ученые, и применимы к любой квантовой системе.

«Когда Ллойд высказал идею в своей диссертации, мир был не готов к ней, - говорит руководитель Института теоретической физики при Швейцарской высшей технической школе Цюриха Ренато Реннер (Renato Renner). - Никто не понимал его. Иногда нужно, чтобы идеи приходили в нужное время».

В 2009 году доказательства коллектива бристольских физиков нашли отклик у теоретиков квантовой информации, которые открыли новые способы применения их методов. Они показали, что по мере того, как объекты взаимодействуют с окружающей средой - как частицы в чашке кофе взаимодействуют с воздухом - информация об их свойствах «утекает и растекается по этой среде», поясняет Попеску. Эта локальная потеря информации приводит к тому, что состояние кофе остается неизменным, даже если чистое состояние всей комнаты продолжает меняться. За исключением редких случайных флуктуаций, говорит ученый, «его состояние перестает меняться во времени».

Получается, холодная чашка кофе не может спонтанно нагреться. В принципе, по мере эволюции чистого состояния комнаты, кофе может внезапно выделиться из воздуха комнаты и вернуться в чистое состояние. Но смешанных состояний гораздо больше, чем чистых, и практически кофе никогда не сможет вернуться в чистое состояние. Чтобы увидеть это, нам придется жить дольше вселенной. Эта статистическая маловероятность делает стрелу времени необратимой. «По сути дела, смешение открывает для нас огромное пространство, - говорит Попеску. - Представьте, что вы находитесь в парке, перед вами ворота. Как только вы входите в них, вы выходите из равновесия, попадаете в огромное пространство и теряетесь в нем. К воротам вы не вернетесь никогда».

В новой истории стрелы времени информация теряется в процессе квантовой запутанности, а не из-за субъективного отсутствия человеческих знаний о том, что приводит в равновесие чашку кофе и комнату. Комната в конце концов уравновешивается с внешней средой, а среда еще медленнее движется к равновесию с остальной вселенной. Гиганты термодинамики 19-го века рассматривали этот процесс как постепенное рассеяние энергии, которое увеличивает общую энтропию, или хаос вселенной. Сегодня же Ллойд, Попеску и другие специалисты из этой области рассматривают стрелу времени по-другому. По их мнению, информация становится все более диффузной, но никогда не исчезает полностью. Хотя локально энтропия растет, общая энтропия вселенной остается постоянной и нулевой.

«В целом вселенная находится в чистом состоянии, - говорит Ллойд. - Но отдельные ее части, переплетаясь с остальной частью вселенной, приходят в смешанное состояние».

Но одна загадка стрелы времени остается неразгаданной. «В этих работах нет ничего, что объясняет, почему вы начинаете с ворот, говорит Попеску, возвращаясь к аналогии с парком. - Другими словами, они не объясняют, почему изначальное состояние вселенной было далеко от равновесия». Ученый намекает на то, что этот вопрос относится к природе Большого взрыва.

Несмотря на недавние успехи в расчетах времени уравновешивания, новый подход до сих пор не может стать инструментом для расчета термодинамических свойств конкретных вещей типа кофе, стекла или необычных состояний материи. (Некоторые специалисты по традиционной термодинамике говорят, что очень мало знают о новом подходе). «Дело в том, что нужно найти критерии для того, какие вещи ведут себя как оконное стекло, а какие как чашка чая, - говорит Реннер. - Я думаю, что увижу новые работы в этом направлении, но сделать предстоит еще очень много».

Некоторые исследователи выразили сомнение в том, что этот абстрактный подход к термодинамике когда-нибудь сможет точно объяснить, как ведут себя конкретные наблюдаемые объекты. Но концептуальные достижения и новая совокупность математических формул уже помогают исследователям задаваться теоретическими вопросами из области термодинамики, например о фундаментальных ограничениях квантовых компьютеров и даже о конечной судьбе Вселенной.

«Мы все больше и больше думаем о том, что можно сделать с квантовыми машинами, - говорит Пол Скржипчик (Paul Skrzypczyk) из Института фотонных наук в Барселоне. - Допустим, система еще не находится в состоянии равновесия, и мы хотим заставить ее работать. Сколько полезной работы мы сможем извлечь? Как я смогу вмешаться, чтобы сделать что-нибудь интересное?»

Теоретик космологии из Калифорнийского технологического института Шон Кэрролл (Sean Carroll) применяет новые формулы в своей последней работе о стреле времени в космологии. «Мне интересна самая что ни на есть долгосрочная судьба космологического пространства-времени, - говорит Кэрролл, написавший книгу From Eternity to Here: The Quest for the Ultimate Theory of Time (Из бесконечности сюда. Поиски конечной теории времени). - В этой ситуации мы еще не знаем всех нужных законов физики, поэтому есть смысл обратиться к абстрактному уровню, и здесь, как мне кажется, нам поможет этот квантово-механический подход».

Спустя двадцать шесть лет после провала грандиозной идеи Ллойда о стреле времени он с удовольствием наблюдает за ее возрождением и пытается применить идеи последней работы к парадоксу информации, попадающей в черную дыру. «Думаю, сейчас все же заговорят о том, что в этой идее есть физика», - заявляет он.

А философия и подавно.

По мнению ученых, наша способность помнить прошлое, но не будущее, что является сбивающим с толку проявлением стрелы времени, также может рассматриваться как возрастание корреляций между взаимодействующими частицами. Когда читаешь записку на листе бумаги, мозг коррелирует с информацией через фотоны, которые попадают в ваши глаза. Только с этого момента вы можете запомнить, что написано на бумаге. Как отмечает Ллойд, «настоящее можно охарактеризовать как процесс установления корреляций с нашим окружением».

Фоном для устойчивого роста переплетений во всей вселенной является, конечно, само время. Физики подчеркивают, что несмотря на большие успехи в понимании того, как происходят изменения во времени, они ни на шаг не приблизились к пониманию природы самого времени или того, почему оно отличается от трех других измерений пространства (в концептуальном плане и в уравнениях квантовой механики). Попеску называет эту загадку «одним из величайших неизвестных в физике».

«Мы можем обсуждать то, что час назад наш мозг был в состоянии, которое коррелировало с меньшим числом вещей, - говорит он. - Но наше восприятие того, что время идет - это совсем другое дело. Скорее всего, нам понадобится новая революция в физике, которая расскажет об этом».

От большого взрыва до черных дыр. Краткая история времени.

Хокинг С.

Выдержки из книги «От большого взрыва до черных дыр. Краткая история времени»,
Москва, Мир, 1990, стр. 7-8, 124-131, 145-147.
Hawking S.W., «A Brief History of Time: From the Big Bang to Black Holes»,
(Toronto, New York, London, Sydneu, Auckland, 1988), page 198.

Предисловие.

Мы живем, почти ничего не понимая в устройстве мира. Не задумываемся над тем, какой механизм порождает солнечный свет, который обеспечивает наше существование, не думаем о гравитации, которая удерживает нас на Земле, не давая ей сбросить нас в пространство. Нас не интересуют атомы, из которых мы состоим и от устойчивости которых мы сами существенным образом зависим. За исключением детей (которые еще слишком мало знают, чтобы не задавать такие серьезные вопросы), мало кто ломает голову над тем, почему природа такова, какова она есть, откуда появился космос и не существовал ли он всегда? не может ли время однажды повернуть вспять, так что следствие будет предшествовать причине? есть ли непреодолимый предел человеческого познания? Бывают даже такие дети (я их встречал), которым хочется знать, как выглядит черная дыра, какова самая маленькая частичка вещества? почему мы помним прошлое и не помним будущее? если раньше и правда был хаос, то как получилось, что теперь установился видимый порядок? и почему Вселенная вообще существует?
В нашем обществе принято, что родители и учителя в ответ на эти вопросы большей частью пожимают плечами или призывают на помощь смутно сохранившиеся в памяти ссылки на религиозные легенды. Некоторым не нравятся такие темы, потому что в них живо обнаруживается узость человеческого понимания.
Но развитие философии и естественных наук продвигалось вперед в основном благодаря подобным вопросам. Все больше взрослых людей проявляют к ним интерес, и ответы иногда бывают совершенно неожиданными для них. Отличаясь по масштабам как от атомов, так и от звезд, мы раздвигаем горизонты исследований, чтобы охватить как очень маленькие, так и очень большие объекты.
Весной 1974 г., примерно за два года до того, как космический аппарат "Викинг" достиг поверхности Марса, я был в Англии на конференции, организованной Лондонским королевским обществом и посвященной возможностям поиска внеземных цивилизаций. Во время перерыва на кофе я обратил внимание на гораздо более многолюдное собрание, проходившее в соседнем зале, и из любопытства вошел туда. Так я стал свидетелем давнего ритуала - приема новых членов в Королевское общество, которое является одним из старейших на планете объединений ученых. Впереди молодой человек, сидевший в инвалидном кресле, очень медленно выводил свое имя в книге, предыдущие страницы которой хранили подпись Исаака Ньютона. Когда он, наконец, кончил расписываться, зал разразился овацией. Стивен Хокинг уже тогда был легендой.
Сейчас Хокинг в Кембриджском университете занимает кафедру математики, которую когда-то занимал Ньютон, а позже П. А. М. Дирак - два знаменитых исследователя, изучавшие один - самое большое, а другой - самое маленькое. Хокинг - их достойный преемник. Эта первая популярная книга Хокипга содержит массу полезных вещей для широкой аудитории. Книга интересна не только широтой своего содержания, она позволяет увидеть, как работает мысль ее автора. Вы найдете в ней ясные откровения о границах физики, астрономии, космологии и мужества.
Но это также книга о Боге... а может быть, об отсутствии Бога. Слово "Бог" часто появляется на ее страницах. Хокинг отправляется на поиски ответа на знаменитый вопрос Эйнштейна о том, был ли у Бога какой-нибудь выбор, когда он создавал Вселенную. Хокинг пытается, как он сам пишет, разгадать замысел Бога. Тем более неожиданным оказывается вывод (по меньшей мере временный), к которому приводят эти поиски: Вселенная без края в пространстве, без начала и конца во времени, без каких-либо дел для Создателя.
Карл Саган, Корнеллский университет, Итака, шт. Нью-Йорк.

9. Стрела времени.

В предыдущих главах мы видели, как менялись наши взгляды на природу времени с течением лет. До начала нынешнего века люди верили в абсолютное время. Это значит, что каждое событие можно единственным образом пометить неким числом, которое называется временем, и все точно идущие часы будут показывать одинаковый интервал времени между двумя событиями. Но открытие, что скорость света одна и та же для любого наблюдателя независимо от того, как он движется, привело к созданию теории относительности, которая отвергла существование единого абсолютного времени. Каждый наблюдатель имеет свое время, которое он измеряет своими часами, и показания часов разных наблюдателей не обязаны совпадать. Время стало более субъективным понятием, связанным с наблюдателем, который его измеряет.
Попытки объединить гравитацию с квантовой механикой привели к понятию мнимого времени. Мнимое время ничем не отличается от направлений в пространстве. Идя на север, можно повернуть назад и пойти на юг. Аналогично, если кто-то идет вперед в мнимом времени, то он может повернуть и пойти назад. Это означает, что между противоположными направлениями мнимого времени нет существенной разницы. Но когда мы имеем дело с реальным временем, то мы знаем, что существует огромное различие между движением во времени вперед и назад. Откуда же берется такая разница между прошлым и будущим? Почему мы помним прошлое, но не помним будущего?
Законы науки не отличают прошлого от будущего. Точнее говоря, законы науки не меняются в результате выполнения операций (или симметрий), обозначаемых буквами С, Р и Т. (С - замена частицы античастицей, Р - зеркальное отражение, когда левое и правое меняются местами, а Т - изменение направления движения всех частиц на обратное).
Законы физики, управляющие поведением материи во всех обычных ситуациях, не изменяются и после выполнения только двух операций С и Р. Другими словами, жизнь будет одинакова и для нас, и для обитателей другой планеты, если они, во-первых, являются нашим зеркальным отражением и, во-вторых, состоят из антиматерии, а не из материи. Если законы науки не изменяет комбинация операций С и Р, а также тройная комбинация С, Р и Т, то эти законы не должны изменяться и при выполнении одной операции Т. Однако в обычной жизни существует огромное различие между движением вперед и назад во времени. Представьте себе, что со стола падает и разбивается на куски чашка с водой. Если снять это падение на пленку, то при просмотре фильма сразу станет ясно, вперед или назад прокручивается пленка. Если она прокручивается назад, то мы увидим, как лежащие на полу осколки вдруг собираются вместе и, сложившись в целую чашку, впрыгивают на стол. Вы можете утверждать, что фильм прокручивается назад, потому что в обычной жизни такого не бывает. Иначе пришлось бы закрыть фаянсовые заводы.
Чтобы объяснить, почему разбитые чашки никогда не возвращаются целыми обратно на стол, обычно ссылаются на то, что это противоречило бы второму закону термодинамики. Он гласит, что в любой замкнутой системе беспорядок, или энтропия, всегда возрастает со временем. Другими словами, это похоже на закон Мерфи: все в нашем мире происходит не так, как надо. Целая чашка на столе - это состояние высокого порядка, а разбитая, лежащая на полу, находится в состоянии беспорядка. Нетрудно пройти путь от целой чашки на столе в прошлом до разбитой на полу, но обратный ход событий невозможен.
Увеличение беспорядка, или энтропии, с течением времени - это одно из определений так называемой стрелы времени, т. е. возможности отличить прошлое от будущего, определить направление времени. Можно говорить по крайней мере о трех различных стрелах времени. Во-первых, стрела термодинамическая, указывающая направление времени, в котором возрастает беспорядок, или энтропия. Во-вторых, стрела психологическая. Это направление, в котором мы ощущаем ход времени, направление, при котором мы помним прошлое, но не будущее. И в-третьих, стрела космологическая. Это направление времени, в котором Вселенная расширяется, а не сжимается.
В данной главе я докажу, что, исходя из условия отсутствия границ у Вселенной и из слабого антропного принципа, можно объяснить, почему все три стрелы времени направлены одинаково и, более того, почему вообще должна существовать определенная стрела времени. Я докажу, что психологическая стрела определяется термодинамической и обе эти стрелы всегда направлены одинаково. Предположив, что для Вселенной справедливо условие отсутствия границ, мы увидим, что должны существовать хорошо определенные термодинамическая и космологическая стрелы времени, хотя они не обязаны быть одинаково направленными на протяжении всей истории Вселенной. Но, как я покажу, лишь в том случае, когда направления этих стрел совпадают, могут возникнуть условия для развития разумных существ, способных задать такой вопрос: почему беспорядок увеличивается в том же направления по времени, в котором расширяется Вселенная?
Сначала рассмотрим термодинамическую стрелу времени. Второй закон термодинамики вытекает из того, что состояний беспорядка всегда гораздо больше, чем состояний порядка. Возьмем, например, картинку на детских кубиках. Имеется только одно взаимное расположение кубиков, при котором составляется нужная картинка. В то же время есть очень много разных беспорядочных расположений, когда картинка не составляется вообще.
Предположим, что какая-то система вначале находится в одном из немногих состояний порядка. С течением времени состояние системы будет изменяться в полном согласии с законами науки. Через некоторое время система из состояния порядка, скорее всего, перейдет в состояние беспорядка, поскольку состояний беспорядка больше. Следовательно, если система вначале находилась в состоянии высокого порядка, то со временем будет расти беспорядок. Так, если паши кубики сложены в картинку, то при перемешивании изменится их расположение и станет, скорее всего, беспорядочным, потому что состояний беспорядка опять гораздо больше, чем состояний порядка. Картинка, конечно, при этом будет разрушена. Некоторые кубики еще будут удерживаться вместе, образуя куски картинки, но чем больше мы будем их перемешивать, тем с большей вероятностью эти куски рассыплются и все еще больше перепутается. В конце концов никакой картинки у нас не останется. Таким образом, беспорядок будет расти со временем, если в начале было состояние высокого порядка.
Предположим, однако, что Бог повелел, чтобы развитие Вселенной независимо от начального состояния заканчивалось в состоянии высокого порядка. На ранних стадиях Вселенная, вероятнее всего, находилась бы в состоянии беспорядка. Это означало бы, что беспорядок уменьшается со временем. Тогда вы видели бы, как разбитые чашки собираются из осколков и впрыгивают на стол. Но люди, которые видели бы такие прыгающие чашки, должны быть жителями вселенной, в которой беспорядок уменьшается со временем. Я утверждаю, что психологическая стрела времени этих людей должна быть направлена назад, т.е. они должны помнить события в будущем, но не должны помнить события, происходившие в прошлом. Увидев разбитую чашку, они вспомнили бы, как она стоит на столе, но когда она оказывается на столе, они не помнили бы, что она была на полу.
Рассуждать о человеческой памяти - весьма непростое занятие, ибо мы не знаем во всех деталях, как работает наш мозг. Зато мы знаем все о том, как действует память компьютера. Поэтому я буду говорить о психологической стреле времени для компьютеров. Мне кажется вполне логичным предположить, что и у компьютеров, и у людей психологическая стрела одна и та же. Если бы это было не так, то, имея компьютер, который помнил бы завтрашний курс акций, можно было бы прекрасно играть на бирже.
Память компьютера - это, грубо говоря, устройство, содержащее элементы, которые могут находиться в одном из двух состояний. Простой пример такого устройства - абак, древние счеты. В простейшем виде это набор горизонтальных проволочек, на каждую из которых насажена бусинка. Каждая бусинка находится в одном из двух положений. До тех пор пока в память компьютера ничего не введено, она находится в беспорядочном состоянии, в котором оба возможных расположения бусинок равновероятны (бусинки на проволочках распределены случайным образом). После того как память провзаимодействует с системой, состояние которой надо запомнить, ее состояние станет вполне определенным, зависящим от состояния системы. (Каждая бусинка на счетах будет либо в правом, либо в левом конце своей проволочки). Итак, память компьютера перешла из беспорядка в упорядоченное состояние. Но для того, чтобы быть уверенным в том, что память находится в правильном состоянии, надо затратить некоторое количество энергии (например, для перебрасывания бусинок или питания компьютера). Эта энергия перейдет в тепло и тем самым увеличит степень беспорядка во Вселенной. Можно показать, что это увеличение беспорядка будет всегда больше, чем увеличение упорядоченности самой памяти. Необходимость охлаждения компьютера вентилятором говорит о том, что, когда компьютер записывает что-то в память, общий беспорядок во Вселенной все-таки увеличивается. Направление времени, в котором компьютер запоминает прошлое, оказывается тем же, в котором растет беспорядок.
Следовательно, наше субъективное ощущение направления времени - психологическая стрела времени - задается в нашем мозгу термодинамической стрелой времени. Как и компьютер, мы должны запоминать события в том же порядке, в котором возрастает энтропия. Второй закон термодинамики становится при этом почти тривиальным. Беспорядок растет со временем, потому что мы измеряем время в направлении, в котором растет беспорядок. Трудно спорить с такой логикой!
Все же, почему термодинамическая стрела времени должна вообще существовать? Или, другими словами, почему на одном из концов времени, на том его конце, который мы называем прошлым, Вселенная должна находиться в состоянии с высокой упорядоченностью? Почему бы ей не быть в состоянии полного беспорядка? Ведь это выглядело бы более вероятным. Кроме того, почему беспорядок растет во времени в том же направлении, в котором расширяется Вселенная?
Классическая общая теория относительности не позволяет вычислить, как возникла Вселенная, потому что в сингулярной точке большого взрыва все известные нам законы природы должны нарушаться. Вселенная могла возникнуть в каком-то однородном, сильно упорядоченном состоянии. Это привело бы к четко определенным стрелам времени - термодинамической и космологической, как это наблюдается сейчас. Однако начальное состояние Вселенной вполне могло бы быть и очень неоднородным, и неупорядоченным. В этом случае Вселенная уже находилась бы в состоянии полного беспорядка и беспорядок не мог бы увеличиваться со временем. Он мог бы оставаться неизменным, тогда не было бы определенной термодинамической стрелы времени, либо мог бы уменьшаться, и тогда термодинамическая стрела времени была бы направлена навстречу космологической стреле. Ни одна из этих возможностей не согласуется с тем, что мы наблюдаем. Как мы, однако, видели, классическая общая теория oтносительности предсказывает свое нарушение. Когда кривизна пространства-времени становится большой, становятся существенными квантовые гравитационные эффекты, и классическая теория перестает служить надежным основанием для описания Вселенной. Чтобы понять, как возникла Вселенная, необходимо обратиться к квантовой теории гравитации.
Но, чтобы определить в квантовой теории гравитации состояние Вселенной, необходимо, как мы видели в предыдущих главах, знать, как возможные истории Вселенной вели сабя на границе пространства-времени в прошлом. Необходимость знать то, что мы не знаем и знать не можем, отпадает лишь в том случае, если прошлые истории удовлетворяют условию отсутствия границ: они имеют конечную протяженность, но у них пет ни границ, ни краев, ни особенностей. Тогда начало отсчета времени должно было быть регулярной, гладкой точкой в пространстве-времени и Вселенная начала бы свое расширение из весьма однородного и упорядоченного состояния. Оно не могло бы быть совершенно однородным, потому что этим нарушался бы принцип неопределенности квантовой теории. Это значит, что должны существовать небольшие флуктуации плотности и скоростей частиц. Но в силу условия отсутствия границ эти флуктуации должны были быть малы, чтобы согласоваться с принципом неопределенности.
Вначале Вселенная могла бы экспоненциально расширяться, или раздуваться, в результате чего ее размеры увеличились бы во много раз. Флуктуации плотности, оставаясь сначала небольшими, потом начали бы расти. Расширение тех областей, в которых плотность была чуть выше средней, происходило бы медленнее из-за гравитационного притяжения лишней массы. В конце концов такие области перестанут расширяться и коллапсируют, в результате чего образуются галактики, звезды и живые существа вроде нас. Таким образом, в момент возникновения Вселенная могла находиться в однородном и упорядоченном состоянии и перейти со временем в состояние неоднородное и неупорядоченное. Такой подход мог бы объяснить существование термодинамической стрелы времени.
Но что произошло бы, когда Вселенная перестала бы расширяться и стала сжиматься? Повернулась бы при этом термодинамическая стрела времени? Начал бы уменьшаться со временем беспорядок? Перед теми, кому посчастливилось бы пережить переход из фазы расширения в фазу сжатия, открылись бы самые фантастические возможности. Может быть, они увидели бы, как осколки разбитых чашек собираются на полу в целые чашки, которые возвращаются обратно на стол? А может быть, они бы помнили завтрашний курс акций и удачно играли на бирже? Правда, беспокойство по поводу того, что случится, если Вселенная опять начнет коллапсировать, кажется несколько преждевременным - сжатия не будет еще по крайней мере десять тысяч миллионов лет. Однако узнать об этом можно гораздо быстрее. Для этого надо просто прыгнуть в черную дыру. Коллапс звезды в состояние черной дыры аналогичен последним стадиям коллапса всей Вселенной. Поэтому если беспорядок должен уменьшаться на стадии сжатия Вселенной, то он будет уменьшаться и внутри черной дыры. Тогда астронавт, упавший в черную дыру, мог бы там подзаработать, играя в рулетку. Ведь еще не сделав ставки, он бы уже помнил, где остановится шарик. (Правда, игра была бы очень недолгой, лишь до тех пор, пока сам астронавт не превратился бы в спагетти. Не успев сообщить нам о повороте термодинамической стрелы и даже не получив выигрыш, он исчез бы за горизонтом событий черной дыры).
Вначале я считал, что при коллапсе Вселенной беспорядок должен уменьшаться, потому что, став опять маленькой, Вселенная должна была бы вернуться в исходное гладкое и упорядоченное состояние. Это означало бы, что фаза сжатия эквивалентна обращенной во времени фазе расширения. На стадии сжатия жизнь должна течь в обратном направлении, так что люди умирали бы до своего рождения и по мере сжатия Вселенной становились бы все моложе и моложе.
Привлекательность такого вывода - в красивой симметрии между фазой расширения и фазой сжатия. Однако его нельзя рассматривать сам по себе, независимо от других представлений о Вселенной. Возникает вопрос: следует ли этот вывод из условия отсутствия границ или же, напротив, с этим условием несовместим? Как уже говорилось, я считал вначале, что условие отсутствия границ в самом деле означает, что беспорядок должен увеличиваться на стадии сжатия. Отчасти меня ввела в заблуждение аналогия с поверхностью Земли. Положим, что начало Вселенной соответствует Северному полюсу. Тогда конец Вселенной должен быть похож на начало так же, как Южный полюс похож на Северный. Но Северный и Южный полюсы соответствуют началу и концу Вселенной в мнимом времени. В реальном же времени начало и конец могут сколь угодно сильно отличаться друг от друга. Меня еще ввела в заблуждение работа, в которой я рассматривал одну простую модель Вселенной, где фаза коллапса была похожа на обращенную во времени фазу расширения. Но мой коллега, Дон Пейдж из Университета штата Пенсильвания, показал, что условие отсутствия границ вовсе не требует того, чтобы фаза сжатия была обращенной во времени фазой расширения. Затем один из моих аспирантов, Реймонд Лефлемм, установил, что в несколько более сложной модели коллапс Вселенной сильно отличается от ее расширения. Я понял, что ошибся: из условия отсутствия границ следует, что во время сжатия беспорядок должен продолжать увеличиваться. Термодинамическая и психологическая стрелы времени не изменят своего направления на противоположное ни в черной дыре, ни во Вселенной, начавшей сокращаться вновь.
Что бы вы сделали, обнаружив у себя такую ошибку? Некоторые никогда не признаются в своей неправоте и продолжают поиски новых, часто совершенно необоснованных, аргументов в пользу своих идей. Так поступил Эддингтон, выступив противником теории черных дыр. Другие заявляют, что они никогда и не поддерживали эту неправильную точку зрения, а если и поддерживали, то лишь для того, чтобы продемонстрировать ее несостоятельность. Мне кажется, что гораздо правильнее выступить в печати с признанием своей неправоты. Прекрасный пример тому - Эйнштейн. О введении космологической постоянной, которая понадобилась ему при построении статической модели Вселенной, он говорил как о своей самой серьезной ошибке.
Вернемся к стреле времени. У нас остался один вопрос: почему, как показывают наблюдения, термодинамическая и космологическая стрелы направлены одинаково? Или, другими словами, почему беспорядок возрастает во времени в том же направлении, в каком расширяется Вселенная? Если считать, что Вселенная после расширения начнет сжиматься, как, по-видимому, следует из условия отсутствия границ, то наш вопрос звучит так: почему мы должны находиться в фазе расширения, а не в фазе сжатия?
Ответ на этот вопрос дает слабый антропный принцип: условия в фазе сжатия непригодны для существования таких разумных существ, которые могли бы спросить, почему беспорядок растет в том же направлении во времени, в котором расширяется Вселенная. Условие отсутствия границ предсказывает раздувание Вселенной на ранних стадиях развития. Это означает, что расширение Вселенной должно происходить со скоростью, очень близкой к критической, при которой коллапс исключается, а потому коллапса не будет очень долго. Но тогда все звезды успеют сгореть, а образующие их протоны и нейтроны распадутся на более легкие частицы. Вселенная осталась бы в состоянии практически полного беспорядка, в котором не было бы сильной термодинамической стрелы времени. Беспорядок не мог сильно увеличиваться, ведь Вселенная и так находилась бы в состоянии почти полного беспорядка. Но для существования разумной жизни необходима сильная термодинамическая стрела. Чтобы выжить, люди должны потреблять пищу, которая выступает как носитель упорядоченной формы энергии, и превращать ее в тепло, т. е. в неупорядоченную форму энергии. Следовательно, на стадии сжатия никакой разумной жизни быть не могло. Этим объясняется, почему для нас термодинамическая и космологическая стрелы времени направлены одинаково. Неверно считать, будто беспорядок растет из-за расширения Вселенной. Всему причиной условие отсутствия границ. Из-за него растет беспорядок, но только в фазе расширения создаются условия для существования разумной жизни.
Подведем итог. Законы науки не делают различия между направлением "вперед" и "назад" во времени. Но существуют по крайней мере три стрелы времени, которые отличают будущее от прошлого. Это термодинамическая стрела, т.е. то направление времени, в котором возрастает беспорядок; психологическая стрела - то направление времени, в котором мы помним прошлое, а не будущее; космологическая стрела - направление времени, в котором Вселенная не сжимается, а расширяется. Я показал, что психологическая стрела практически эквивалентна термодинамической стреле, так что обе они должны быть направлены одинаково. Из условия отсутствия границ вытекает существование четко определенной термодинамической стрелы времени, потому что Вселенная должна была возникнуть в гладком и упорядоченном состоянии. А причина совпадения термодинамической и космологической стрел кроется в том, что разумные существа могут жить только в фазе расширения. Фаза сжатия для них не подходит, потому что в ней отсутствует сильная термодинамическая стрела времени.
Прогресс человека на пути познания Вселенной привел к возникновению маленького уголка порядка в растущем беспорядке Вселенной. Если вы запомните каждое слово из этой книжки, то ваша память получит около двух миллионов единиц информации, и порядок в вашей голове возрастет примерно на два миллиона единиц. Но пока вы читали эту книгу, по крайней мере тысяча калорий упорядоченной энергии, которую вы получили в виде пищи, превратились в неупорядоченную энергию, которую вы передали в окружающий вас воздух в виде тепла за счет конвекции и потовыделения. Беспорядок во Вселенной возрастет при этом примерно на двадцать миллионов миллионов миллионов миллионов единиц, что в десять миллионов миллионов миллионов раз превышает указанное увеличение порядка в вашем мозгу, - и это произойдет лишь в том случае, если вы запомните все из моей книжки. В следующей главе я попытаюсь навести у нас в головах еще больший порядок. Я расскажу о том, как люди пытаются объединить друг с другом те отдельные теории, о которых я рассказал, стараясь создать полную единую теорию, которая охватывала бы все, что происходит во Вселенной.

11. Заключение.

Мы живем в удивительном мире. Нам хочется понять то, что мы видим вокруг, и спросить: каково происхождение Вселенной? какое место в ней занимаем мы, и откуда мы и она - все это взялось? почему все происходит именно так, а не иначе?
Для ответа на эти вопросы мы принимаем некую картину мира. Такой картиной может быть как башня из стоящих друг на друге черепах, несущих на себе плоскую Землю, так и теория суперструн. Обе они являются теориями Вселенной, но вторая значительно математичнее и точнее первой. Ни одна из этих теорий не подтверждена наблюдениями: никто никогда не видел гигантскую черепаху с нашей Землей на спине, но ведь и суперструну никто никогда не видел. Однако модель черепах нельзя назвать хорошей научной теорией, потому что она предсказывает возможность выпадения людей через край мира. Такая возможность не подтверждена экспериментально, разве что она окажется причиной предполагаемого исчезновения людей в Бермудском треугольнике!
Самые первые попытки описания и объяснения Вселенной были основаны на представлении, что событиями и явлениями природы управляют духи, наделенные человеческими эмоциями и действующие совершенно как люди и абсолютно непредсказуемо. Эти духи населяли такие природные объекты, как реки, горы и небесные тела, например, Солнце и Луну. Полагалось задабривать их и добиваться их расположения, чтобы обеспечить плодородие почвы и смену времен года. Но постепенно люди должны были подметить определенные закономерности: Солнце всегда вставало на востоке и садилось на западе независимо от того, была или не была принесена жертва богу Солнца. Солнце, Луна и планеты ходили по небу вдоль совершенно определенных путей, которые можно было предсказать наперед с хорошей точностью. Солнце и Луна все же могли оказаться богами, но богами, которые подчиняются строгим, по-видимому, не допускающим исключений законам, если, конечно, отвлечься от россказней вроде легенды о том, как ради Иисуса Навина остановилось Солнце.
Сначала закономерности и законы были обнаружены только в астрономии и еще в считанных случаях. По мере развития цивилизации, и особенно за последние триста лет, открывались все новые и новые закономерности и законы. Успешное применение этих законов в начале XIX в. привело Лапласа к доктрине научного детерминизма. Ее суть в том, что должна существовать система законов, точно определяющих, как будет развиваться Вселенная, по ее состоянию в один какой-нибудь момент времени.
Лапласовский детерминизм был неполным но двум причинам. В нем ничего не говорилось о том, как следует выбирать законы, и никак не определялось начальное состояние Вселенной. И то и другое предоставлялось решать Богу. Бог должен был решить, каким быть началу Вселенной и каким законам ей подчиняться, но с возникновением Вселенной его вмешательство прекратилось. Практически Богу были оставлены лишь те области, которые были непонятны науке XIX в.
Сейчас мы знаем, что мечты Лапласа о детерминизме нереальны, по крайней мере в том виде, как это понимал Лаплас. В силу квантово-механического принципа неопределенности некоторые пары величин, например, положение частицы и ее скорость, нельзя одновременно абсолютно точно предсказать.
Квантовая механика в подобных ситуациях обращается к целому классу квантовых теорий, в которых частицы не имеют точно определенных положений и скоростей, а представляются в виде волн. Такие квантовые теории являются детерминистскими в том смысле, что они указывают закон изменения волн со временем. Поэтому, зная характеристики волны в один момент времени, мы можем рассчитать, какими они станут в любой другой момент времени. Элемент нспредсказуемости и случайности возникает лишь при попытках интерпретации волны на основе представлений о положении и скорости частиц. Но в этом-то, возможно, и заключается наша ошибка: может быть, нет ни положений, ни скоростей частиц, а существуют одни только волны. И ошибка именно в том, что мы пытаемся втиснуть понятие волны в наши заскорузлые представления о положениях и скоростях, а возникающее несоответствие и есть причина кажущейся непредсказуемости.
И вот мы поставили иную задачу перед наукой: найти законы, которые позволяли бы предсказывать события с точностью, допускаемой принципом неопределенности. Однако все равно остается без ответа вопрос: как и почему производился выбор законов и начального состояния Вселенной?
В этой книге я особо выделил законы, которым подчиняется гравитация, потому что, хотя гравитационные силы самые слабые из существующих четырех типов сил, именно под действием гравитации формируется крупномасштабная структура Вселенной. Законы гравитации были несовместимы с еще недавно бытовавшей точкой зрения, что Вселенная не изменяется со временем: из того, что гравитационные силы всегда являются силами притяжения, вытекает, что Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься. Согласно общей теории относительности, в прошлом должно было существовать состояние с бесконечной плотностью - большой взрыв, который и стал эффективно началом отсчета времени. Аналогичным образом, если вся Вселенная испытает повторный коллапс, то в будущем должно обнаружиться еще одно состояние с бесконечной плотностью - большой хлопок, который станет концом течения времени. Даже если вторичный коллапс Вселенной не произойдет, во всех локализованных областях, из которых в результате коллапса образовались черные дыры, все равно возникнут сингулярности. Эти сингулярности будут концом времени для любого, кто упадет в черную дыру. В точке большого взрыва и в других сингулярностях нарушаются все законы, а поэтому за Богом сохраняется полная свобода в выборе того, что происходило в сингулярностях и каким было начало Вселенной.
При объединении квантовой механики с общей теорией относительности возникает, по-видимому, новая, доселе неизвестная возможность: пространство и время могут вместе образовать конечное четырехмерное пространство, не имеющее сингулярностей и границ и напоминающее поверхность Земли, но с большим числом измерений. С помощью такого подхода удалось бы, наверное, объяснить многие из наблюдаемых свойств Вселенной, например, ее однородность в больших масштабах и одновременно отклонения от однородности, наблюдаемые в меньших масштабах, такие, как галактики, звезды и даже человеческие существа. С помощью этого подхода можно было бы объяснить даже существование наблюдаемой нами стрелы времени. Но если Вселенная полностью замкнута и не имеет ни сингулярностей, ни границ, то отсюда вытекают очень серьезные выводы о роли Бога как Создателя.
Однажды Эйнштейн задал вопрос: "Какой выбор был у Бога, когда он создавал Вселенную?" Если верно предположение об отсутствии границ, то у Бога вообще не было никакой свободы выбора начальных условий. Разумеется, у него еще оставалась свобода выбора законов, которым подчиняется Вселенная. Но их на самом деле не так уж много; существует, возможно, всего одна или несколько полных единых теорий, например, теория гетеротической струны, которые были бы непротиворечивы и допускали существование таких сложных структур, как человеческие существа, способных исследовать законы Вселенной и задавать вопросы о сущности Бога.
Даже если возможна всего одна единая теория - это просто набор правил и уравнений. Но что вдыхает жизнь в эти уравнения и создает Вселенную, которую они могли бы описывать? Обычный путь пауки - построение математической модели - не может привести к ответу на вопрос о том, почему должна существовать Вселенная, которую будет описывать построенная модель. Почему Вселенная идет на все хлопоты существования? Неужели единая теория так всесильна, что сама является причиной своей реализации? Или ей нужен создатель, а если нужен, то оказывает ли он еще какое-нибудь воздействие на Вселенную? И кто создал его?
Пока большинство ученых слишком заняты развитием новых теорий, описывающих, что есть Вселенная, и им некогда спросить себя, почему она есть. Философы же, чья работа в том и состоит, чтобы задавать вопрос "почему", не могут угнаться за развитием научных теорий. В XVIII в. философы считали все человеческое знание, в том числе и науку, полем своей деятельности и занимались обсуждением вопросов типа: было ли у Вселенной начало? Но расчеты и математический аппарат науки XIX и XX вв. стали слишком сложны для философов и вообще для всех, кроме специалистов. Философы настолько сузили круг своих запросов, что самый известный философ нашего века Виттгенштейн по этому поводу сказал: "Единственное, что еще остается философии, - это анализ языка". Какое унижение для философии с ее великими традициями от Аристотеля до Канта!
Но если мы действительно откроем полную теорию, то со временем ее основные принципы станут доступны пониманию каждого, а не только нескольким специалистам. И тогда все мы, философы, ученые и просто обычные люди, сможем принять участие в дискуссии о том, почему так произошло, что существуем мы и существует Вселенная. И если будет найден ответ на такой вопрос, это будет полным триумфом человеческого разума, ибо тогда нам станет понятен замысел Бога.

Справка.

Хокинг (Hawking Stephen William) Стивен Вильям (1942 г.р.), английский физик-теоретик. В 1962 получил степень бакалавра по математике и физике в Юниверсити-колледже Оксфордского университета, а в 1966 – степень доктора философии по прикладной математике и теоретической физике в Кембриджском университете. В 1974 был избран членом Лондонского королевского общества. В 1977 стал профессором гравитационной физики, в 1979 – профессором математики Кембриджского университета. В 1988 за работы по черным дырам вместе с Р.Пенроузом получил премию Фонда Вольфа по физике.
Хокинг – автор ряда популярных книг по космологии, в числе которых мировой бестселлер «От Большого Взрыва до черных дыр. Краткая история времени» (A Brief History of Time: From the Big Bang to Black Holes, 1988), а также издания «Черные дыры и вселенные-младенцы и другие эссе» (Black Holes and Baby Universes and Other Essays, 1994) и – в соавторстве с Дж.Эллис – «Крупномасштабная структура пространства-времени» (The Large-Scale Structure of Space-Time, 1975).

Саган (Sagan Carl) Карл Эдуард (1934-1996), американский астроном, профессор (с 1970). Обнаружил органические молекулы в атмосфере Юпитера. По данным радиолокации предсказал большие перепады высот (до 16 км) на Марсе. Участвовал в исследовании планет космическими аппаратами. Известный популяризатор науки и писатель, автор книг «Разумная жизнь во Вселенной» (совместно с И.С. Шкловским, 1966), «Космос» (1980), «Контакт» (1985, русский перевод 1994). Пулитцеровская премия (1978).

Стрела времени- метафорическое обозначение направления времени. Это концепция, описывающая время как прямую (т. Е. математически одномерный объект) , протянутую из прошлого в будущее. Из любых двух несовпадающих точек оси времени одна всегда является будущим относительно другой.

«Стрела времени» позволяет нам отличать прошлое от будущего. «Стрела времени» как понятие фиксирует необратимость времени.

Наука выделяет три вида «стрела времени»: термодинамическую, психологическую и космологическую. Все эти виды взаимосвязаны между собой. Термодинамическая стрела времени «указывает» направление времени в макромире. Психологическая стрела представляет собой частный случай временной стрелы в термодинамике; она фиксирует необратимость процессов, идущих в головном мозге и организмах живых существ: мы помним прошлое, но не будущее. Космологическая стрела времени – глобальная интерпретация стрелы термодинамической. Она показывает, что Вселенная расширяется, а не сжимается.

Для осуществления разумной жизни и управления необходима термодинамическая и психологическая стрела времени как необратимого и направленного на расширение космического процесса. Поэтому управление представляет собой социальный феномен, возникший в ходе развития общества в масштабах макромира; в масштабах термодинамической и психологической стрелы времени, как можем мы сказать в настоящее время. Управление, анализируя прошлые результаты труда, прогнозирует будущие его результаты, получаемые в процессе совместной человеческой деятельности.
Стрела времени позволяет предвидеть, прогнозировать управленческий результат, то есть видеть его раньше, чем он наступил в реальности, и потому более уверенно двигаться к достижению намеченного успеха.

6.Могут ли стрелы времени иметь разное направление,обоснуйте. Мы знаем, что время- это совокупность отношений, выражающих координацию сменяющих друг друга состояний (явлений) , их последовательность и длительность.

Время позволяет различать «раньше» и «позже» ,прошлое и будущее.Как количественная величина, время есть число движения, причем число, которым выражается время, может только увеличиваться. В этом заключается основное свойство времени-однонаправленность.

Стрела времени – строгий научный термин, введённый знаменитым английским астрономом и физиком Артуром Стэнли Эддингтоном в 30-х годах нашего века для характеристики такого общеизвестного свойства времени, как его однозначная направленность из Прошлого в Будущее. Стрела – это образ однонаправленного движения.

Однонаправленность времени - это логическая последовательность сменяющих друг друга явлений, событий и т. д. Из данного свойства времени можно сделать вывод о том, что возникновению следствия всегда предшествует формирование причины. Наоборот, быть НИКОГДА не может: нельзя сначала испечь хлеб, а затем помолоть муку, для того чтобы испечь именно данную буханку хлеба.

психологическая стрела времени - задается в нашем мозгу термодинамической стрелой времени.

Почему термодинамическая и космологическая стрелы времени направлены одинаково? Или, другими словами, почему беспорядок возрастает во времени в том же направлении, в каком расширяется Вселенная? Ответ - условия в фазе сжатия непригодны для существования таких разумных существ, которые могли бы спросить, почему беспорядок растет в том же направлении во времени, в котором расширяется Вселенная. Условие отсутствия границ предсказывает раздувание Вселенной на ранних стадиях развития.Для существования разумной жизни необходима сильная термодинамическая стрела. Чтобы выжить, люди должны потреблять пищу, которая выступает как носитель упорядоченной формы энергии, и превращать ее в тепло, т. е. в неупорядоченную форму энергии. Следовательно, на стадии сжатия никакой разумной жизни быть не могло. Этим объясняется, почему для нас термодинамическая и космологическая стрелы времени направлены одинаково. Из-за отсутствия границ растет беспорядок, но только в фазе расширения создаются условия для существования разумной жизни.

Итак , Законы науки не делают различия между направлением «вперед» и «назад» во времени. Но существуют по крайней мере три стрелы времени, которые отличают будущее от прошлого. Это термодинамическая стрела, т. е. то направление времени, в котором возрастает беспорядок; психологическая стрела – то направление времени, в котором мы помним прошлое, а не будущее; космологическая стрела – направление времени, в котором Вселенная не сжимается, а расширяется.Психологическая стрела практически эквивалентна термодинамической стреле, так что обе они должны быть направлены одинаково. Из условия отсутствия границ вытекает существование четко определенной термодинамической стрелы времени, потому что Вселенная должна была возникнуть в гладком и упорядоченном состоянии. А причина совпадения термодинамической и космологической стрел кроется в том, что разумные существа могут жить только в фазе расширения. Фаза сжатия для них не подходит, потому что в ней отсутствует сильная термодинамическая стрела времени.

Стрела времени существует, т к вселенная расширяется. Если в будущем она будет сжиматься, то и изменится направление стрел времени.На стадии сжатия жизнь должна течь в обратном направлен, так что люд умирали бы до своего рождения и по мере сжатия становились бы все моложе и моложе.

Последовательность: прошлое-настоящее-будущее.Они необратимы в силу действия принципов логического отображения, а содержательно- в силу действия закона возрастания энтропии, самой схемы линейной причинности и закона генетического порождения одного другим – в виде стрелы времени.

Время – одно из самых загадочных понятий философии и естествознания. Это – одно из фундаментальных понятий научной картины мира. Блаженный Августин, христианский теолог и церковный деятель (354-430) признавался: пока его никто не спрашивает о том, что такое время, он это понимает, но когда хочет ответить на такой вопрос, попадает в тупик. «Душа моя горит желанием проникнуть в эту необъяснимую для нее тайну» - говорил он.

Нам известно одно неотъемлемое свойство времени – его направленность от прошлого к будущему.

Действительно, при описании любых явлений, с которыми человеку приходится иметь дело, прошлое и будущее играют разные роли. Это справедливо для физики, изучающей макроскопические явления (для микромира, на фундаментальном уровне описания этой направленности времени не существует), биологии, геологии, гуманитарных наук. Почему это именно так и не иначе? Известный физик Эддингтон придумал яркое название «стрела времени» .

Английский астрофизик Фрейд Хойл высказал мысль о связи направления времени с направлением процесса увеличение расстояния между галактиками в ходе расширения Вселенной, которое наблюдается в настоящее время. Эту идею поддержал и Эддингтон. Однако расширение Вселенной, о котором свидетельствует т.н. “красное смещение” спектральных линий в излучении удаляющихся друг от друга галактик («разбегания» галактик) не означает расширения в каждом месте , иначе расширялись бы размеры тел, а этого не наблюдается. А поскольку нет этого общего физического влияния, разбегание галактик или расширения Вселенной не может влиять на ход времени в элементарных процессах. Связь с расширением Вселенной может определять только «космологическую шкалу времени ».

Вот что говорит о времени философ Владимир Порус в беседе с корреспондентом журнала «Знание-Сила» О.Балла: О.Б.: Мы знаем время физическое и историческое, психологическое и социальное, субъективное и объективное, измеряемое и переживаемое. Циклическое, линейное и ветвящееся. Равномерное и скачкообразное. Летящее и стоящее на месте. Пустое и насыщенное. Время математиков и философов, астрономов и поэтов, домохозяек и бездельников. Но что такое время для человека вообще? Как оно вообще возможно и почему мы можем о нем говорить? Что предшествует всем этим многообразным временам, что держит их вместе? В.П.: Мне иногда кажется, что самые глубокие вопросы о времени человек задает в детстве. Ребенку говорят: «Прошел час». Вопрос: час чего прошел? Как ответить? Капля воды, кусочек дерева, моток проволоки, килограмм крупы, я применяю некоторую меру к какому-то предмету, веществу, я могу измерить это. Но когда говорят «час времени», я не знаю, чтo я меряю. Впоследствии ребенок поймет, что мы сравниваем различные процессы и выбираем какой-то из них в качестве меры: колебания маятника, изменения звездного неба, частоту излучения, биение сердца…

Существует и субъективное восприятие течения времени в результате психологических процессов, которые дают нам “психологическую шкалу времени”. Вопрос о психологическом времени сам по себе очень сложен. Для обычного - «природного» человека в первобытном, доцивилизованном племени время текло то быстро (например, ночью), то медленно (в минуты томительного ожидания) и сосредоточивалось в настоящем (по принципу «здесь и сейчас»). Прошлое при этом было вечным и, в то же время, одномоментным. Мы сохранили много пережитков субъективного восприятия времени. В частности, отмечая юбилейные даты, мы почти отождествляем их с первоначальным событием. У древних такое слияние было в порядке вещей. Известный психолог Эллиот Аронсон считает, что человеческая память является реконструирующей: мы не записываем прошлые события буквально, подобно магнитофону, а воссоздаем воспоминания из фрагментов, заполняя пробелы тем, что, по нашему мнению, должно было быть в тот момент. И эта реконструкция сильно зависит от внешнего мнения - человеку нетрудно внушить, что было в прошлом.

В то же время во Вселенной идет необратимый процесс роста энтропии. Не он ли определяет стрелу времени? Действительно, согласно Больцману, возрастание энтропии означает необратимость процесса и рассматривается как проявление возрастающего хаоса, постепенного “забывания” начальных условий. Таким образом,.термодинамические процессы определяют и «термодинамическую шкалу времени».

Итак, фактически мы имеем три «стрелы времени»:

• космологическую (расширение Вселенной);
  · психологическую (субъективное восприятие, опыт);
  · термодинамическую (рост энтропии).

Тот факт, что эти «стрелы времени» в настоящее время в нашей Вселенной совпадают, является одной из загадок современной картины мира.

Говоря о стреле времени, можно упомянуть и различные «экзотические гипотезы» о природе времени, например, гипотеза многомерного времени, выдвинутая физиком Л. Барашенковым.

Будущее всегда воспринимается нами иначе, чем прошлое - это один из основных факторов нашей жизни. Однако в больших космологических масштабах и будущее, и прошлое могут выглядеть одинаково.

Наша Вселенная выглядит как-то не так. Сначала это утверждение кажется несколько странным, поскольку в распоряжении космологов имеется не так уж и много вселенных для сравнения. Как узнать, на что должна быть похожа «правильная» вселенная? Спустя долгие годы теоретических и наблюдательных исследований космологи выработали достаточно четкое представление о том, что считать «нормой», и та Вселенная, которую мы видим сейчас, не удовлетворяет этому представлению.

Автор сразу предостерегает читателя от заблуждения. На сегодняшний момент ученые обладают достаточно полной, подробной и согласованной картиной происхождения и эволюции Вселенной. Согласно современному представлению, 14 млрд лет назад пространство-время было несравненно более горячим и плотным, чем, например, внутренние области современных звезд. Расширяясь, пространство охлаждалось и становилось более разреженным. Практически все имеющиеся наблюдения объясняются такой картиной, однако наличие некоторого количества странных и необъяснимых особенностей, прежде всего в ранней Вселенной, говорит о том, что в нашем понимании истории Вселенной есть белые пятна.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Фундаментальные законы физики действуют одинаково вперед и назад во времени. Однако мы ощущаем время, движущееся только в одном направлении: из прошлого в будущее. Почему так происходит?

2. Для объяснения этого факта необходимо произвести изыскания в предыстории Вселенной, в эпохе до Большого взрыва. Наша Вселенная может оказаться крохотной частью гораздо более обширной области пространства-времени, так называемой Мультиленной, которая, возможно, симметрична во времени. Другими словами, в разных частях Мультиленной время может течь вспять.

Среди таких необычных черт одна выделяется особенно ярко - это асимметрия времени во Вселенной. Физические законы микромира, во многом определяющие поведение Вселенной, одинаковы и в прошлом, и в будущем, но ранняя Вселенная - горячая, плотная, однородная - сильно отличается от окружающего нас холодного, разреженного и неоднородного пространства.

Вселенная начала свое развитие с обладающего большой упорядоченностью состояния и с тех пор становилась все более неупорядоченной. Необратимость этого процесса во времени (или просто асимметрию времени) символизирует стрела, всегда направленная из прошлого в будущее. «Стрела времени» играет важнейшую роль в нашей повседневной жизни, объясняя, почему мы, например, можем сделать из яйца омлет, но не наоборот, или почему в стакане воды никогда самопроизвольно не образуются кубики льда, или почему мы помним о событиях в прошлом, а не в будущем. Происхождение «стрелы времени» может быть последовательно прослежено вспять, вплоть до времен очень ранней Вселенной, момента Большого взрыва. Можно сказать, что каждый раз, разбивая яйцо для омлета, мы проводим настоящий космологический эксперимент, подтверждая существование «стрелы времени». Подтверждая, но, как и вся современная космология, не объясняя причины ее наличия. Эта основная загадка той Вселенной, которую мы наблюдаем, намекает на существование гораздо большего пространства-времени, недоступного наблюдениям. Она добавляет веса гипотезе о том, что мы видим лишь малую часть Мультиленной, чья динамика поможет нам объяснить необычные свойства нашей локальной области.

Загадка энтропии

Физики запрятали концепцию асимметрии времени в знаменитый второй закон термодинамики, гласящий, что энтропия замкнутой системы никогда не убывает. Грубо говоря, энтропия есть мера беспорядка системы. В XIX в. австрийский физик Людвиг Больцман объяснил энтропию в терминах различия макро- и микросостояния объекта. Так, если бы вас попросили дать физическое описание налитого в чашку кофе, вы скорее всего обратились бы к его макрохарактеристикам, а именно температуре, давлению и другим общим свойствам. Микросостояние специфицирует точное положение и скорость каждого отдельно взятого атома в рассматриваемой среде (в нашем примере в кофе). Важно отметить, что множество различных микросостояний соответствует какому-то единственному макросостоянию: ведь мы можем переместить один или два атома, из-за чего общее (макро-) состояние нашего кофе никак не изменится.

НАГЛЯДНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ОБ ЭНТРОПИИ

Сырое яйцо своим примером демонстрирует асимметрию времени: оно легко разбивается, но, однажды разбитое, уже не может снова стать целым - по той простой причине, что способов разбиться гораздо больше, чем собраться в целую конфигурацию. Если говорить на жаргоне физиков, разбитое яйцо обладает большей энтропией

Энтропия характеризуется числом различных микросостояний, которые соответствуют одному и тому же макросостоянию (математически энтропия есть произведение числа микросостояний на логарифм этого числа). Существует гораздо больше способов упорядочить некий набор атомов в обладающую большой энтропией конфигурацию, чем способов упорядочить атомы в конфигурацию с низкой энтропией. Поясним на примере двух несмешивающихся жидкостей. Представьте, что вы добавили в ваш кофе сливки. Существует огромное количество способов взаимного распределения молекул, при котором сливки и кофе окажутся полностью перемешанными, и сравнительно небольшое количество способов распределить их так, чтобы молекулы сливок сгруппировались, оказавшись, например, окруженными молекулами кофе. Более вероятно получить именно равномерную смесь, она обладает большей энтропией.

Таким образом, не удивительно, что в подавляющем большинстве процессов энтропия обладает тенденцией возрастать со временем. Количество состояний с высокой энтропией значительно превышает количество состояний с низкой энтропией; почти любое изменение системы ведет ее в состояние с более высокой энтропией на основе простых вероятностных принципов. Именно по этой причине сливки всегда смешиваются с кофе. Физически, конечно, возможно, что все молекулы сливок «сговорятся» расположиться одна за другой, но статистически это очень маловероятно: если бы вы ждали, пока молекулы сливок, случайно перегруппировавшись, без постороннего вмешательства образовали бы такую конфигурацию, вам пришлось бы ждать гораздо дольше, чем составляет современный возраст Вселенной. «Стрела времени» - это просто тенденция системы эволюционировать в направлении более вероятного состояния с более высокой энтропией.

КАК ГРАВИТАЦИЯ ВЛИЯЕТ НА ЭНТРОПИЮ

«Низкая энтропия» и «высокая энтропия» зависят от ситуации. Физики судят о количестве энтропии в некоторой системе, основываясь на анализе эволюции этой системы во времени. Например, если разреженный и достаточно холодный газ «чувствует» гравитацию, то он эволюциони- рует как сгусток. Энтропия такой системы растет - так, у облака энтропия высока, даже если на первый взгляд оно кажется упорядоченным (т.е. визуально проявляет признаки системы с низкой энтропией)

1. Гравитация «выключена»
2. Объем пространства фиксирован
В случае если силами гравита- ционного взаимодействия можно пренебречь, газ в заданном объеме обладает низкой энтропией, если он концентрируется в углу, и высокой энтропией, если он разлетается во все стороны. Таким образом, разлет молекул газа действительно увеличивает энтропию

1. Гравитация «включена»
2. Объем пространства фиксирован Если вклад гравитации значим, реализуется обратная ситуация: газ увеличивает свою энтропию, сжимаясь в черную дыру. Таким образом, для гравитирующего газа предпочтительнее сформировать облако, а не разлететься. Черная дыра может вечно находиться в состоянии равновесия с окружением

1. Гравитация «включена»
2. Объем пространства увеличивается
Если рассматриваемый объем уже не фиксирован, а растет со временем, газ на начальной стадии сгущается в облака и формирует черную дыру, но потом черная дыра испаряется. Разлетающийся газ приводит к росту энтропии и к сильному разряжению пространства

Однако объяснение того, почему состояния с низкой энтропией переходят в состояния с высокой энтропией, далеко не то же самое, что ответ на вопрос, почему энтропия возрастает во Вселенной. Вопрос остается открытым: почему в начале развития Вселенной энтропия была очень низкой? Этот факт кажется очень неестественным, поскольку состояния с низкой энтропией, как мы только что выяснили на простом примере, довольно редки. Даже если допустить, что современная Вселенная обладает неким средним уровнем энтропии, все равно невозможно объяснить, почему раньше энтропия была ниже. Среди всех допустимых начальных условий развития нашей Вселенной (при которых Вселенная к настоящему моменту времени развилась бы именно в то, что мы сейчас наблюдаем), подавляющее большинство обладало бы гораздо большей, а не меньшей энтропией.

Другими словами, природа бросает космологам вызов: не объяснить, почему завтра энтропия Вселенной будет больше, чем сегодня, но понять, почему вчера энтропия была ниже, чем сегодня, а позавчера была ниже, чем вчера. Последний вопрос гораздо более сложен, чем кажется на первый взгляд, потому что мы можем проследить его логику на протяжении всего пути во времени вплоть до Большого взрыва - начала рождения времени в наблюдаемой Вселенной. Асимметрия времени - вопрос, на который должны ответить космологи.

Беспорядок пустоты

Ранняя Вселенная была ареной, где свершались великие события. Все частицы, составляющие наблюдаемую Вселенную, были сжаты в невероятно горячем и плотном крошечном объеме. Важно отметить, что частицы были распределены почти равномерно: средний контраст плотности составлял около 10–5. Постепенно, с расширением и остыванием Вселенной, гравитационное притяжение увеличивало этот контраст: области, в которых изначально было чуть больше частиц, сформировали звезды и галактики, области с небольшим недостатком частиц опустели, образовав войды (пустоты).

Гравитация стала основной силой, формирующей структуру Вселенной. К сожалению, у нас все еще нет четкого понимания эволюции энтропии в системе с учетом гравитационных взаимодействий, тесно связанных с геометрией пространства-времени. Построение единой картины мира есть цель многих современных физических теорий, например квантовой гравитации. В то время как мы можем связать энтропию среды с поведением составляющих ее молекул, мы не знаем, из чего состоит само пространство-время. Другими словами, нам не известно, каким образом гравитационные микросостояния могут быть поставлены в соответствие каждому конкретному макросостоянию.

«СТРЕЛА ВРЕМЕНИ»: ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ ЧАСТЬ I

Если энтропия всегда только возрастает, то как тогда могли сформироваться объекты, обладающие низкой энтропией, например то же яйцо? Закон энтропии применим только к замкнутым системам. Не запрещено уменьшение энтропии в открытых системах, включая кур. Курица затрачивает много энергии для того, чтобы снести яйцо.

Не могут ли некоторые процессы при взаимодействии частиц обладать встроенной «стрелой времени»? Распады некоторых элементарных частиц, например нейтральных каонов, в определенном смысле чаще случаются в одном направлении времени, а не в другом. (Физикам нет нужды путешествовать назад во времени, чтобы выявить такую асимметрию - они просто выводят эту закономерность, изучая другие свойства частиц.) Но эти процессы обратимы в противоположность росту энтропии, то есть они не объясняют «стрелу времени». Стандартная Модель физики частиц не представляется способной объяснить закон энтропии в ранней Вселенной.

Несмотря на указанные трудности, мы все же обладаем некими общими представлениями о том, как должна себя вести энтропия (рис. ниже). В случае если гравитацией можно пренебречь, как в примере с чашкой кофе, равномерное распределение частиц обладает высокой энтропией. Это условие есть состояние равновесия системы. Даже если частицы снова перегруппировались, то в макромасштабе ничего «особенного» не случится, поскольку частицы и до этого уже были основательно перемешаны. Однако если гравитацию нельзя исключить из рассмотрения и фиксировать объем, в котором эволюционирует система, то сглаженное распределение имеет сравнительно низкую энтропию. В последнем случае система очень далека от состояния равновесия. Наличие гравитации приводит к тому, что частицы группируются, образуя звезды и галактики, и энтропия, согласно второму закону термодинамики, значимо увеличивается.

Если мы захотим максимизировать энтропию в объеме, где гравитацией нельзя пренебречь, мы знаем, что произойдет: появится черная дыра. В 1970 г. Стивен Хокинг (Stephen Hawking) из ДАМПТ в Кембридже подтвердил провокационное предположение Якова Бекенштейна (Jakob Bekenstein), в настоящее время работающего в Еврейском университете в Иерусалиме, что черные дыры очень хорошо подчиняются второму закону термодинамики. Так же, как и горячие тела, для описания которых был сформулирован второй закон термодинамики, черные дыры могут излучать частицы (испаряться) и обладают большим количеством энтропии. Одиночная черная дыра с массой, составляющей около миллиона солнечных масс (подобная той, что предположительно находится в центре нашей Галактики), обладает энтропией, в сто раз превышающей энтропию всех частиц в наблюдаемой Вселенной.

Итак, со временем черная дыра испаряется согласно механизму Хокинга. Черная дыра не обладает наибольшей возможной в природе энтропией, тем не менее ее энтропия - наибольшая, которая может быть заключена в заданном объеме. Объем пространства Вселенной, по-видимому, со временем неограниченно растет. В 1998 г. астрономы открыли, что наша Вселенная ускоренно расширяется. Наиболее простое объяснение этому наблюдательному факту - наличие так называемой «темной энергии», некой формы энергии, которая существует даже в пустом пространстве и, насколько сейчас можно судить, не меняет своей плотности с его расширением. Наличие темной энергии - не единственно возможное объяснение ускоренного расширения, однако все попытки предложить что-то лучшее довольно быстро проваливаются.

ВОССТАНОВЛЕНИЕ СИММЕТРИИ ВРЕМЕНИ

Вселенная начала свое существование с плазмы высокой степени однородности и, согласно одной из космологических концепций, закончит свое существование, став почти пустым пространством. Если сказать кратко, то Вселенная эволюционирует от состояния с низкой энтропией к состоянию с высокой энтропией - конечному состоянию, которое физики называют «тепловая смерть». Однако такая модель не может объяснить, как возникло начальное состояние, обладающее низкой энтропией.

Предлагаемая автором модель включает в себя «доисторический» космологический период, захватывающий гипотетическую эпоху до Большого взрыва. Согласно этой модели, Вселенная началась с пустоты и пустотой же и закончится. Появление звезд и галактик есть просто непродолжительное отклонение от обычных условий равновесия (Рисунки схематичны; не показано расширение про- странства)

Если темная энергия не меняет своей плотности, Вселенная будет расширяться вечно. Удаленные галактики исчезнут из нашего поля зрения (см.: Кросс Л., Шеррер Р. Наступит ли конец космологии? // ВМН, № 6, 2008 ). Те же, что останутся вблизи нас, превратятся в черные дыры, которые будут испаряться в окружающую тьму, подобно тому как высыхает лужа в жаркий день. Через миллиарды лет, возможно, останется действительно пустая Вселенная. Тогда и только тогда она на самом деле будет обладать максимально возможной энтропией. Вселенная придет в состояние равновесия, и с этого момента в ней больше никогда ничего не произойдет. Может показаться странным, что пустое пространство обладает гигантской энтропией. Это звучит примерно как утверждение, что самый захламленный рабочий стол в мире - это… абсолютно пустой стол. Ведь энтропия требует наличия микросостояний, а пустое пространство, на первый взгляд, не содержит ни одного. Однако на самом деле пустое пространство обладает огромным количеством квантово-гравитационных микросостояний, сформировавшихся в ткани пространства-времени. Мы до сих пор с определенностью не знаем, что представляют собой такие состояния. Ученым не известно, как микросостояния объясняют энтропию черной дыры. Но, тем не менее, считается установленным, что в ускоряющейся Вселенной энтропия в доступном наблюдению объеме приближается к постоянному значению, пропорциональному площади границы этого объема. Энтропия, содержащаяся в этом объеме, огромна - ее гораздо больше, чем просто в материи в таком же объеме.

Прошлое и будущее

Важнейшая идея предыдущих рассуждений - подчеркнуть различие между прошлым и будущим. Вселенная начинает свое развитие из состояния с очень низкой энтропией: частицы гладко «упакованы» вместе. Вселенная эволюционирует, проходя через состояние с промежуточной энтропией: неоднородное распределение звезд и галактик, которое мы видим сегодня вокруг нас. В конце концов Вселенная достигает состояния с высокой энтропией: почти пустое пространство, изредка пересекаемое низкоэнергетическими частицами.

«СТРЕЛА ВРЕМЕНИ»: ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ ЧАСТЬ II

Почему мы помним прошлое, но не помним будущее? Для формирования достоверной памяти требуется, чтобы прошлое было упорядоченно - т.е. обладало низкой энтропией. Если энтропия высока, почти все «воспоминания» были бы случайными флуктуациями, совершенно не связанными с тем, что реально происходило в прошлом.

Почему же прошлое и будущее Вселенной так непохожи? Для объяснения, почему наша Вселенная начала свое развитие из состояния с низкой энтропией, постулировать начальные условия оказывается совершенно не достаточным. Философ Хав Прайс (Huw Price) из Сиднейского университета заметил, что любое обоснование начальных условий может быть применимо и к конечным условиям. Иначе говоря, мы допустим логическую ошибку, считая, что прошлое Вселенной было каким-то особенным, поскольку последнее утверждение изначально являлось бы тем, что подлежало доказательству. Таким образом, либо мы должны считать глубокую асимметрию времени просто некой данностью, абсолютным свойством нашей Вселенной, и избегать объяснений этого факта, либо мы должны более тщательно и терпеливо вникать в проблемы пространства и времени.

Если темная энергия не меняет своей плотности, Вселенная будет расширяться вечно

«СТРЕЛА ВРЕМЕНИ»: ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ ЧАСТЬ III

Проверяема ли теория Мультиленной? Идея о том, что Вселенная простирает- ся гораздо дальше, чем мы можем наблю- дать, не является реальной теорией - это предсказание, сделанное на основе некоторых представлений квантовой теории и гравитации. По общему признанию, это предсказание невозможно проверить напрямую. Но все физические теории заставляют нас выходить за пределы того, что мы можем непосредственно наблю- дать. Например, современная модель происхождения крупномасштабной структуры - сценарий инфляционной Вселен- ной -требует понимания физических условий до инфляции.

Многие космологи стараются связать асимметрию времени с космологической инфляцией, ранней эпохой экспоненциального расширения Вселенной. Инфляция предлагает простое и согласующееся с наблюдательными данными объяснение многих важных особенностей Вселенной. Согласно инфляционной парадигме, очень ранняя Вселенная (или, по крайней мере, некоторая ее часть) была заполнена не частицами, а временной формой темной энергии (полем инфлатона), плотность которой была гораздо больше, чем плотность темной энергии, которая наблюдается в сегодняшней Вселенной. Эта энергия и вызвала расширение Вселенной с очень большим ускорением, после чего распалась, образовав высокотемпературную плазму, позже разделившуюся на привычные нам материю и излучение. Остался лишь слабый след темной энергии, который стал значимым только в современную эпоху.

Первоначальная мотивация для теории инфляции - дать строгое объяснение хорошо подобранным условиям ранней Вселенной, в частности, большой однородности плотности материи в далеко отстоящих друг от друга областях. Ускорение, вызванное инфлатоном, практически идеально сгладило Вселенную. Все структурные особенности Вселенной до периода инфляции несущественны, поскольку инфляция стерла все следы существовавших до нее условий, оставив нам горячую, плотную, однородную раннюю Вселенную.

Парадигма инфляции оказалась очень удачной по многим причинам. Ее предсказания слабого отклонения от строгой однородности согласуются с наблюдениями флуктуаций плотности во Вселенной. Однако с точки зрения объяснения асимметрии времени многие космологи полагают ее в большой степени ловким трюком по причинам, указанным Роджером Пенроузом (Roger Penrose) из Оксфордского университета и другими. Для того чтобы инфляция началась, сверхплотная темная энергия должна была обладать довольно специфической конфигурацией. Фактически ее энтропия должна была быть гораздо меньше, чем энтропия плазмы, на которую она распалась. Это означает, что инфляция в действительности ничего не решает: она «объясняет» состояние с необычно низкой энтропией (горячая, плотная, однородная плазма) путем привлечения предположения о предыдущем состоянии с еще меньшей энтропией (однородная часть пространства, доминированная сверхплотным инфлатоном). Это просто отодвигает решение проблемы на шаг назад, к вопросу о том, почему вообще была инфляция.

Один из доводов, почему космологи привлекают инфляцию для объяснения асимметрии времени - то, что начальная конфигурация темной энергии не кажется маловероятной. Во время инфляции Вселенная была меньше сантиметра в диаметре. Такая маленькая область не может обладать большим числом микросостояний, следовательно, не так уж невероятно, что Вселенная натолкнется на микросостояние, соответствующее инфляции.

К сожалению, это интуитивное заключение обманчиво. Ранняя Вселенная, даже такая крошечная, обладает ровно тем же количеством микросостояний, что и наблюдаемая сегодня. Согласно законам квантовой механики, общее количество микросостояний системы никогда не меняется. (Энтропия возрастает не из-за роста числа микросостояний, а потому, что система естественным образом приходит в наиболее общее возможное макросостояние.) Ранняя Вселенная - точно такая же физическая система, как и поздняя Вселенная, одно эволюционирует в другое.

Среди многочисленных возможных микросостояний Вселенной лишь ничтожная часть соответствует гладкой конфигурации сверхплотной темной энергии, упакованной в крошечный объем. Условия, необходимые для начала инфляции, очень специфичны и, таким образом, описывают конфигурацию с очень низкой энтропией. Если бы вы выбирали конфигурацию Вселенной случайно, то с очень большой вероятностью не попали бы в нужные условия для начала инфляции. Таким образом, инфляция сама по себе не объясняет, почему ранняя Вселенная обладала низкой энтропией, которая просто «нужна» для начала инфляции; существование такой конфигурации просто подразумевается с самого начала.

Вселенная, симметричная во времени

Инфляция оказалась бессильна ответить на вопрос, почему прошлое отличается от будущего. Существует смелая и очень простая стратегия решения этой проблемы: возможно, очень далекое прошлое вообще никак не отличается от очень далекого будущего и тоже обладает высокой энтропией. Если это так, то горячее, плотное состояние, которое мы назвали «ранняя Вселенная», не является действительным началом Вселенной, а всего лишь представляет собой некоторое переходное состояние на пути ее эволюции.

Некоторые космологи предполагают, что Вселенная совершила «отскок». До этого события пространство сжималось, однако оно не пришло в состояние с бесконечной плотностью. Вместо этого благодаря неизвестным физическим причинам - квантовой гравитации, дополнительным измерениям пространства, суперструнам или чему-то еще - пространство стало расширяться, и такой переход от сжатия к расширению воспринимается нами сейчас как Большой взрыв. Однако и такой подход не объясняет происхождение «стрелы времени», и вот почему. Если в предыдущей вселенной, до «отскока», энтропия по мере сжатия пространства возрастала, то в этом случае «стрела времени» должна растягиваться бесконечно в прошлое. Если же энтропия уменьшалась, то получается, что состояние с низкой энтропией реализовалось почему-то посередине истории Вселенной (в момент «отскока»). В любом случае, мы снова остаемся без ответа, почему вблизи Большого взрыва энтропия была такой маленькой.

Вместо проделанных рассуждений давайте предположим, что Вселенная начала свое развитие из состояния с высокой энтропией, являющегося наиболее естественным. Хороший кандидат на такую роль - пустое пространство. Подобно любому состоянию с высокой энтропией, пустое пространство «предпочитает» оставаться неизменным, из чего сразу же возникает проблема: как же нам получить нашу сегодняшнюю Вселенную из замершего пустого пространства? Решение может предоставить темная энергия. В ее присутствии пустое пространство уже не является пустым. Флуктуации квантовых полей порождают очень низкую температуру, гораздо меньшую, чем температура современной Вселенной, но все же не равную абсолютному нулю. В такой Вселенной все квантовые поля испытывают случайные флуктуации. Следовательно, если мы подождем достаточно долго, отдельные частицы или даже совокупности частиц будут флуктуировать до своего реального появления (это именно реальные частицы, в противоположность короткоживущим «виртуальным», которые пустое пространство содержит даже в отсутствии темной энергии). Рождаются не только частицы. Флуктуирует и темная энергия, порождая сгустки повышенной плотности. Если какой-то из сгустков оказался наделенным правильными свойствами, то он подвергнется инфляционному расширению и «оторвется», сформировав дочернюю вселенную. Наша Вселенная может оказаться «плодом» какой-либо другой вселенной.

На первый взгляд, этот сценарий имеет некоторое сходство со стандартной теорией инфляции. Мы тоже полагаем, что сгусток темной энергии, обладающий повышенной плотностью, появляется случайным образом, давая начало инфляции. Разница нашей модели и модели инфляции - в природе начальных условий.

В стандартном сценарии сгусток темной энергии образуется в сильно флуктуирующей Вселенной, в которой громадное большинство флуктуаций не производит ничего похожего на инфляцию. Возможно, что для Вселенной гораздо более вероятно флуктуировать прямо в горячую стадию, минуя инфляцию. Более того, с точки зрения энтропии было бы еще более вероятно флуктуировать напрямую в ту конфигурацию, которую мы видим сегодня, минуя 14 млрд лет космологической эволюции.

В новом сценарии вселенная, существовавшая до нашей Вселенной, никогда не была подвержена случайным флуктуациям; она находилась в очень специфическом состоянии, а именно, являлась пустым пространством. Эта теория утверждает - и оставляет для дальнейшего доказательства - то, что наиболее вероятный способ создавать вселенные, подобные нашей Вселенной, из такого предыдущего состояния - это пройти инфляционный период, а не флуктуировать сразу в современную конфигурацию. Другими словами, согласно новому сценарию, Вселенная есть флуктуация, но не случайная.

Ученые обдумывают идею о дочерних вселенных уже много лет, но мы до сих пор не понимаем процесс их зарождения

«Инемерв алертс»

Данный сценарий, предложенный в 2004 г. Дженнифер Чен (Jennifer Chen) из Чикагского университета и мной, дает провокационное решение проблемы происхождения асимметрии времени во Вселенной, а именно: мы видим только малую часть большой картины, которая вся целиком полностью симметрична по времени. Энтропия может возрастать безгранично благодаря созданию новых дочерних вселенных.

Лучше всего продемонстрировать эту теорию, рассмотрев эволюцию вселенной - как по ходу времени, так и обратно во времени. Представьте, что в некий момент времени мы начали наблюдать пустое пространство и прослеживаем эволюцию этой системы в будущее и прошлое. (Эволюция системы идет в обе стороны, поскольку мы не предполагаем избранное направление «стрелы времени».) В результате флуктуаций пространства образуются дочерние вселенные, которые эволюционируют в обе стороны во времени, постепенно пустеют и порождают собственные дочерние вселенные. На сверхбольших расстояниях такая Мультиленная выглядела бы статистически симметричной относительно времени: и в будущем, и в прошлом рождались бы дочерние вселенные, умножающиеся без границ. Каждая из дочерних вселенных обладала бы «стрелой времени», но в половине из них время текло бы в одну сторону, а во второй половине - в другую.

Ни одно существо, живущее в области с обратным временем, не могло бы родиться старым и умереть молодым

ИСТОРИЯ НАБЛЮДАЕМОЙ ВСЕЛЕННОЙ

Ниже представлена краткая хронология важных событий истории наблюдаемой Вселенной

1. Пустое пространство, лишенное каких бы то ни было особенностей, но обладающее небольшим количеством вакуумной энергии, а также редкими длинноволновыми (низкоэнергетическими) частицами, сформировавшимися в результате флуктуаций заполняющих пространство квантовых полей.
2. Излучение высокой интенсивности начинает внезапно прилетать cо всех сторон сферическим фронтом с центром в некоторой точке пространства. Когда излучение собирается в точке, формируется так называемая «белая дыра».
3. Белая дыра постепенно растет до миллиарда солнечных масс благодаря аккреции дополнительного излучения, обладающего растущей температурой.
4. Другие белые дыры начинают приближаться с расстояния в миллиарды световых лет. Они формируют однородное распределение, медленно вращаясь одна около другой.
5. Белые дыры начинают терять массу, выбрасывая газ, пыль и излучение в окружающее пространство.
6. Газ и пыль иногда взрываются, формируя звезды, которые группируются в галактики, окружающие белые дыры.
7. Как и белые дыры, сформировавшиеся звезды получают направленное внутрь излучение. Они используют энергию этого излучения для превращения тяжелых элементов в легкие.
8. Звезды рассеиваются, постепенно превращаясь в равномерно распределенный газ; вещество продолжает двигаться как единое целое, становясь более плотным.
9. Вселенная становится горячее и плотнее и в конце концов «схлопывается».

Нет нужды говорить, что это очень необычный способ описания истории нашей Вселенной - последовательность событий, обращенная назад во времени. Законы физики работают и при смене хода течения времени на противоположный. Таким образом, указанная последовательность вполне имеет право на существование наравне с привычной для нас картиной. Цель этого изложения - показать, насколько в действительности неправдоподобна вся история нашей наблюдаемой Вселенной

Идея о существовании вселенных с противоположной ориентацией «стрелы времени» может показаться тревожащей. Если бы мы встретили кого-нибудь из такой вселенной, мог бы он «помнить» будущее? К счастью, такое рандеву никогда не сможет состояться. В описываемом нами сценарии те области пространства, где время течет вспять, находятся очень далеко в нашем прошлом, задолго до нашего Большого взрыва. Между нашими мирами лежит обширная часть вселенной, в которой время, согласно нашей идее, не движется совсем; там почти нет материи, и энтропия не меняется. Заметим, тем не менее, что ни одно существо, живущее в области с обратным временем, не могло бы родиться старым и умереть молодым, либо продемонстрировать что-то еще, странное с нашей точки зрения. Для них время текло бы совершенно обычным образом. Только при сравнении двух миров наше будущее оказалось бы их прошлым и наоборот. Но такое сравнение возможно только умозрительно, поскольку мы никогда не сможем добраться до них, а они никогда не придут к нам.

Мы считаем, что на текущем этапе развития космологии нашу модель нельзя признать ни истинной, ни ложной. Ученые обдумывают идею о дочерних вселенных уже много лет, но мы до сих пор не понимаем процесс их зарождения. Если квантовые флуктуации могли бы создавать новые вселенные, они должны были бы создавать и многие другие вещи - например целую галактику.

По сценарию, подобному нашему, для объяснения той Вселенной, которую мы видим, нужно предсказать, что большинство галактик рождаются как следствия событий, аналогичных Большому взрыву, а не как одинокие флуктуации в пустом пространстве. Если это не так, то наша Вселенная кажется очень неестественной.

Подчеркнем, что наша основная цель не в том, чтобы предложить какой-либо конкретный сценарий структуры пространства-времени на сверхбольших масштабах. Главной мы считаем ту идею, что удивительное свойство нашего наблюдаемого мира - «стрела времени», берущая начало в ранней Вселенной, обладавшей низкой энтропией, - может дать нить к разгадке природы принципиально не доступной наблюдениям части Мультиленной.

Как было сказано в начале статьи, очень хорошо обладать теорией, согласующейся с реальными данными. Но некоторые космологи хотят большего: мы ищем понимания законов природы и законов развития нашей Вселенной, в которой все обладает смыслом для нас. Мы не хотим ограничивать себя, принимая странные свойства нашей Вселенной как простой набор фактов. Драматическая асимметрия времени дает нам ключи к чему-то более глубокому, к глобальному понимаю пространства и времени. Наша цель как физиков - использовать этот и другие факты для построения единой картины всей Мультиленной.

Если наблюдаемая Вселенная - это все, что существует, то «стрела времени» вряд ли может быть объяснена естественным образом. Но если Вселенная вокруг нас есть маленькая часть огромного полотна Мультиленной, то перед учеными открываются новые возможности. Мы можем считать нашу область Вселенной всего лишь отражением тенденции большой системы увеличивать свою энтропию неограниченно - как в далеком будущем, так и в далеком прошлом. Перефразируя американского физика Эдварда Триона (Edward Tryon), Большой взрыв проще понять, если не считать его началом всего, но всего лишь рядовым событием, которое происходит время от времени.

Другие исследователи работают над близкими идеями, и все больше космологов серьезно воспринимают проблему «стрелы времени». Удивительно просто наблюдать эту стрелу: все, что мы должны сделать - это добавить немного сливок в свой кофе. Прихлебывая напиток, давайте задумаемся, как такое нехитрое действо может быть прослежено на всем протяжении пути к началу нашей наблюдаемой Вселенной, а возможно, и дальше.

Перевод: О.С. Сажина

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА

• Time’s Arrow and Archimedes’ Point: New directions for the Physics of Time. Huw Price. Oxford University Press, 1996.
• Spontaneous Inflation and the Origin of the Arrow of Time. Sean M. Carroll and Jennifer Chen. Submitted on October 27, 2004. www.arxiv.org/abs/hepth/0410270
• Dark Energy and the Preposterous Universe. Sean M. Carroll in Sky & Telescope, Vol. 109, No. 3, pages 32–39; March 2005. Доступно на: at www.preposterousuniverse.com/writings/skytel-mar05.pdf

Шон Кэрролл (Sean M. Carroll) - старший научный сотрудник Калифорнийского технологического института. Область исследований - космология, физика частиц и общая теория относительности, в особенности вопросы темной энергии. Был награжден грантами фондов Слоана и Паккарда, а также премией за преподавание Совета по преподаванию аспирантам Массачусетсского технологического института и медалью Университета Вилланова. Вне научного сообщества Кэрролл наиболее известен как активный участник сетевого дневника Cosmic Variance. Этот электронный ресурс не только является наиболее известным блогом по науке в Америке, но и стал тем местом, где автору статьи посчастливилось встретить свою будущую жену, писательницу Дженнифер Олетт (Jennifer Oullette).