Шестая лекция. Направление времени

В своем романе «Посредник» Лесли Поулз Хартли пишет: «Прошлое — это чужая страна. Там все делается иначе — но почему прошлое столь отлично от будущего? Почему мы помним прошлое, а не будущее?» Другими словами, почему время движется вперед? Не связано ли это с расширением Вселенной?

C, P, T: Заряд, Четность, Время

Законы физики не делают различия между прошлым и будущим. Точнее, они не изменяются, если провести операцию, именуемую CPT(си-пи-ти)-преобразованием. Здесь латинская буква «C» обозначает замену частиц соответствующими им античастицами, «P» — замену объекта его зеркальным изображением (в котором левое и правое меняются местами), «T» — изменение направления движения всех частиц на противоположное (то есть обращение движения вспять). Законы физики, которые управляют поведением материи при нормальных условиях, не изменяются при операциях С и Р. Другими словами, жизнь будет той же самой для обитателей далекой планеты, созданных из антивещества и представляющих собой наши зеркальные отражения. Если пришелец с другой планеты протянет вам левую руку,

не пожимайте ее. Он может состоять из антиматерии. Вы оба исчезнете в чудовищной вспышке света. Если законы физики не изменяются при комбинировании операций С и Р, а также операций C, P и T, они должны сохраняться и при выполнении одной только операции Т. Однако в обычной жизни наблюдается огромная разница между двумя направлениями времени, то есть движением в прошлое и в будущее. Представьте себе, что чашка с водой падает со стола и разбивается вдребезги. Если снять это на кинопленку, вы легко определите, вперед или назад движутся события. Запустив пленку в обратном направлении, вы увидите, как осколки чашки собираются в единое целое и она запрыгивает обратно на стол. Вы сразу скажете, что лента запущена в обратном направлении, потому что предметы никогда не ведут себя подобным образом в повседневной жизни. Иначе производители столовой посуды давно прогорели бы.

Стрелы времени

Если вы спросите, почему разбитые чашки не собираются воедино и не взмывают на стол, вам ответят, что это запрещено вторым законом термодинамики. Он гласит, что беспорядок (энтропия) с течением времени может только возрастать. Другими словами, это так называемый закон Мерфи: события имеют тенденцию развиваться в худшую сторону. Состояние целой чашки на столе более упорядоченно, чем кучи осколков на полу. Поэтому переход от целой чашки на столе в прошлом к осколкам на полу в будущем естественен, а обратный — нет.

Возрастание беспорядка, или энтропии, с течением времени — один из примеров того, что называется стрелой времени, то есть чего-то, что сообщает времени направление и

позволяет различать прошлое и будущее. Существуют по меньшей мере три различные стрелы времени. Прежде всего, термодинамическая, то есть направление времени, в котором возрастает беспорядок, или энтропия. Во-вторых, есть психологическая стрела времени. Это направление, соответствующее тому, как мы воспринимаем течение времени, помня прошлое, а не будущее. Наконец, имеется космологическая стрела времени — направление времени, в котором Вселенная расширяется, а не сжимается.

Я покажу, что психологическая стрела предопределяется термодинамической и они всегда указывают в одном направлении. Если принять предположение об отсутствии границы у Вселенной, окажется, что эти две стрелы связаны с космологической, хотя направления их не обязательно совпадают. Однако я приведу доводы в пользу того, что лишь совпадение направлений всех трех стрел допускает существование разумных существ, которые могут спросить: а почему, собственно, беспорядок нарастает в том же направлении во времени, в каком расширяется Вселенная?

Термодинамическая стрела времени

Я начну с рассмотрения термодинамической стрелы. Второй закон термодинамики основан на том, что число неупорядоченных состояний любой системы всегда намного превышает число упорядоченных. В качестве примера рассмотрим фрагменты пазла в коробке. Существует одна, и только одна, комбинация, при которой из разрозненных кусочков составляется картинка. С другой стороны, есть множество вариантов расположения, не заключающих в себе никакого смысла и не создающих целостного изображения.

Предположим, что некая система имела началом небольшой набор упорядоченных состояний. С течением времени система будет эволюционировать в соответствии с законами физики, и ее состояние изменится. Высока вероятность того, что позднее ее состояние станет более неупорядоченным, просто потому, что число неупорядоченных состояний очень велико. Таким образом, с течением времени беспорядок имеет тенденцию возрастать, если начальное состояние системы характеризовалось высокой упорядоченностью.

Пусть изначально фрагменты пазла уложены в коробке так, что составляют рисунок. Если мы встряхнем коробку, они сложатся иным образом. Скорее всего, это будет неправильное расположение, которое нарушит картинку, просто потому, что неправильных расположений очень много. Некоторые группы фрагментов все еще будут составлять части картинки, однако при долгом встряхивании и они наверняка рассыплются. Пазл придет в совершенно беспорядочное состояние, в котором его фрагменты не составляют никакой картинки. Таким образом, неупорядоченность фрагментов, вероятно, возрастет со временем, если они подчиняются начальному условию, требующему, чтобы исходное состояние системы было высоко упорядоченным.

Допустим, однако, что Бог решил: пусть Вселенная в будущем завершит свое существование, пребывая в состоянии высокой упорядоченности, но ее начальное состояние не имеет никакого значения. Тогда в ранние времена Вселенная, вероятно, пребывала бы в неупорядоченном состоянии и степень неупорядоченности уменьшалась бы со временем. Осколки разбившихся чашек соединялись бы и вспрыгивали на стол. Однако человеческие существа, наблюдающие такие чашки, жили бы в мире, где беспорядок уменьшается с течением времени. Я приведу доводы в пользу того, что у таких

людей психологическая стрела времени была бы направлена назад. Они бы помнили предстоящие времена и не помнили тех, что были раньше.

Психологическая стрела времени

Говорить о человеческой памяти очень трудно, потому что мы не знаем во всех деталях, как работает наш мозг. Однако мы знаем всё о том, как работает память компьютеров. Поэтому я буду рассматривать психологическую стрелу времени на примере компьютера. Мне кажется правомерным заключить, что стрела времени одинакова для вычислительных машин и для людей. Иначе можно было бы сорвать большой кущ на фондовой бирже при помощи компьютера, помнящего завтрашние цены на акции.

Компьютерная память — это в основном некое устройство, которое пребывает в одном из двух состояний. Примером может служить сверхпроводящая проволочная петля. Если в ней есть электрический ток, он будет течь и течь, поскольку электрическое сопротивление в сверхпроводнике отсутствует. С другой стороны, при отсутствии тока петля будет существовать без него. Эти два состояния компьютерной памяти можно обозначить цифрами 1 и 0.

Прежде чем те или иные данные записаны в память, она имеет неупорядоченное состояние, которое с равной вероятностью описывается 1 и 0. После того как память вступает во взаимодействие с системой, которую необходимо запомнить, она определенно будет в одном состоянии или в другом в зависимости от состояния системы. Таким образом, память переходит от неупорядоченного состояния к упорядоченному. Однако для того чтобы память наверняка находилась в правильном состоянии, необходимо затратить некоторое

количество энергии. Тепловое рассеяние этой энергии увеличивает неупорядоченность Вселенной. Можно показать, что этот рост неупорядоченности больше роста упорядоченности в памяти. Так что, когда компьютер записывает информацию в свою память, общее количество неупорядоченности во Вселенной увеличивается.

Направление времени, в котором компьютер запоминает прошлое, такое же, в каком нарастает беспорядок (энтропия). Значит, наше субъективное восприятие направления времени, психологическая стрела времени, предопределяется термодинамической стрелой. Это делает второй закон термодинамики почти тривиальным. Беспорядок возрастает во времени, потому что мы отсчитываем время в том самом направлении, в котором нарастает беспорядок. Абсолютно беспроигрышный вариант.

Граничные условия для вселенной

Но почему Вселенная должна была обладать очень упорядоченным состоянием на одном конце времени, том конце, который мы называем прошлым? Почему она не пребывает в состоянии полной неупорядоченности в любое время, всегда? Ведь это представляется более вероятным. И почему направление времени, в котором беспорядок нарастает, совпадает с тем, в каком расширяется Вселенная? Один из возможных ответов таков: Бог просто пожелал, чтобы Вселенная в начале фазы расширения находилась в однородном и упорядоченном состоянии. Мы не должны стараться понять почему или спрашивать, каковы были Его резоны, поскольку зарождение Вселенной — это деяние Бога. Но то же самое можно сказать и обо всей ее истории.

Похоже, что Вселенная развивается в согласии с четко определенными законами. Определены они Богом или нет, в любом случае мы способны открывать и постигать их. Не разумно ли в таком случае надеяться, что те же или сходные законы действовали при зарождении Вселенной? В классической общей теории относительности Вселенная начинается с сингулярности бесконечной плотности при бесконечной кривизне пространства-времени. При таких условиях должны нарушаться все известные законы физики. Так что их нельзя применять для предсказания того, как начиналась Вселенная.

Начальное состояние Вселенной могло быть весьма однородным и упорядоченным. Это привело к точно определенным термодинамической и космологической стрелам времени, какие мы наблюдаем. Но с такой же вероятностью развитие Вселенной могло начаться с предельно неоднородного и беспорядочного состояния. В этом случае беспорядок в совершенно хаотической Вселенной не мог возрастать со временем. Он должен был либо оставаться постоянным (в этом случае не существовало бы никакой определенной термодинамической стрелы времени), либо уменьшаться (и тогда термодинамическая и космологическая стрелы времени были бы направлены в противоположные стороны). Ни одна из этих возможностей не согласуется с наблюдениями.

Как я упоминал, классическая общая теория относительности предсказывает, что Вселенная возникает из сингулярности, в которой кривизна пространства-времени бесконечна. По сути, это означает, что классическая общая теория относительности предсказывает собственный крах. При очень больших искривлениях пространства-времени эффекты квантовой гравитации становятся существенными и классическая теория уже не дает удовлетворительного описания Вселенной. Для того чтобы понять, как зарождалась Вселенная, надо использовать квантовую теорию гравитации.

В квантовой теории гравитации рассмотрению подлежат все возможные истории Вселенной. И каждой истории соответствует пара чисел. Одно характеризует размер волны, а второе — ее фазу (гребень или впадина). Вероятность того, что Вселенная будет обладать тем или иным специфическим свойством, определяется сложением всех волн, соответствующих историям, которые обладают этим свойством. Истории должны представлять собой искривленные пространства, отображающие эволюцию Вселенной во времени. Но и тогда нам придется определить, как возможные истории Вселенной ведут себя на границе пространства-времени в прошлом. Мы не знаем и не можем знать граничных условий для Вселенной в прошлом. Однако этой трудности можно избежать, если граничные условия для Вселенной состоят в том, что у нее нет границы. Другими словами, все возможные истории конечны по протяженности, но не имеют ни границ, ни краев, ни сингулярностей. Все они напоминают поверхность Земли, которой приданы два дополнительных измерения. В этом случае начало времени должно быть обычной гладкой точкой в пространстве-времени. Значит, расширение Вселенной должно было начаться с очень ровного и упорядоченного состояния. Оно не могло быть совершенно однородным, потому что это нарушило бы принцип неопределенности квантовой теории. В распределениях плотности и скоростей частиц должны были иметься небольшие флуктуации. Условие об отсутствии границы, однако, лимитирует величину этих флуктуаций, сводя ее к минимально необходимому значению в соответствии с требованиями принципа неопределенности.

Развитие Вселенной должно было начаться с периода экспоненциального (инфляционного) расширения. Это привело бы к многократному увеличению ее размеров. Во время расширения флуктуации плотности сперва оставались бы небольшими, но затем начали бы расти. Расширение областей

с плотностью немного выше средней было бы замедлено гравитационным притяжением избыточной массы. Рано или поздно такие области вообще прекратили бы расширяться и пережили коллапс, ведущий к образованию галактик, звезд и существ, подобных нам.

Однородная и упорядоченная вначале, Вселенная с течением времени должна была становиться неоднородной и неупорядоченной. Этим объясняется существование термодинамической стрелы времени. Вселенная должна была начаться с состояния высокой степени упорядоченности и со временем стать менее упорядоченной. Как я показал ранее, психологическая стрела времени указывает в том же направлении, что и термодинамическая. Поэтому наше субъективное восприятие времени имело бы скорее ту же направленность, что и расширение Вселенной, нежели противоположную направленность, соответствующую сжатию.

Обратима ли стрела времени?

Но что произошло бы, если (когда) расширение Вселенной прекратилось бы, уступив место сжатию? Не обратилась бы вспять термодинамическая стрела времени и не начал бы беспорядок сокращаться с течением времени? Для людей, переживших переход от расширения к сжатию, это обернулось бы разного рода возможностями в духе научной фантастики. Увидят ли они, как разбитые чашки сами собой складываются из осколков и вспрыгивают на стол? Сколотят ли состояние на фондовой бирже, припомнив завтрашние котировки акций?

Вам может показаться сугубо умозрительным беспокойство о том, что случится в результате коллапса Вселенной, коль скоро размеры ее не начнут сокращаться в ближайшие десять

миллиардов лет. Но есть более быстрый способ определить, что случится, — прыгнуть в черную дыру. Коллапс звезды, которая должна превратиться в черную дыру, в значительной мере напоминает последние стадии коллапса всей Вселенной. Так что если беспорядок уменьшается в фазе сжатия Вселенной, можно ожидать, что он уменьшается и в черной дыре. Возможно, астронавт, угодивший в черную дыру, выиграет кучу денег в рулетку, припомнив, куда отправился шарик перед тем, как была сделана ставка. К несчастью, однако, в рулетку астронавт играл бы недолго, потому что очень сильные гравитационные поля быстро превратили бы его в лапшу. Равным образом он не смог бы ни сообщить нам, обратима ли термодинамическая стрела времени, ни положить свой выигрыш в банк, потому что навеки остался бы за горизонтом событий, пойманный в ловушку черной дыры.

Поначалу я верил в уменьшение беспорядка при обратном сжатии Вселенной. А все потому, что считал, будто с уменьшением размеров Вселенная должна вернуться к упорядоченному и однородному состоянию. Это означало бы, что в фазе сжатия время, за которое произошла стадия расширения, потечет вспять. Люди в фазе сжатия проживали бы свою жизнь от конца к началу. Умирали бы раньше, чем рождались, и молодели бы по мере сжатия Вселенной. Эта идея привлекательна, поскольку устанавливает точную симметрию между фазами расширения и сжатия. Однако ее нельзя принять саму по себе, независимо от других представлений о Вселенной. Вопрос в следующем: согласуется она или нет с предположением об отсутствии границы?

Как уже упоминалось, я поначалу думал, что условие об отсутствии границы действительно предполагает уменьшение беспорядка в фазе сжатия Вселенной. Это убеждение основывалось на работе над простой моделью Вселенной, в которой фаза сжатия похожа на обращенную во времени

фазу расширения. Однако мой коллега Дон Пейдж указал, что это условие вовсе не требует со всей неизбежностью, чтобы фаза сжатия была подобна обращенной во времени фазе расширения. Позднее мой студент Раймон Лафламм обнаружил, что в чуть более сложной модели процесс сжатия Вселенной существенно отличается от расширения. Я понял, что допустил ошибку. На самом деле условие отсутствия границы не предполагало, что беспорядок будет уменьшаться в фазе сжатия. Ни в сжимающейся Вселенной, ни в черной дыре термодинамическая и психологическая стрелы времени не меняют своего направления.

Что же делать, когда обнаруживаешь, что совершил такую ошибку? Кое-кто, подобно Эддингтону, никогда не признают, что ошибались. Они продолжают искать новые, зачастую взаимоисключающие, аргументы в поддержку своей позиции. Другие делают вид, будто никогда всерьез не поддерживали неверных взглядов, а если и поддерживали, то только для того, чтобы выявить их несостоятельность. Я мог бы привести множество примеров, но не стану, потому что это не прибавит мне популярности. Самым лучшим и щадящим самолюбие выходом мне представляется признание своей ошибки в печати. Хорошим примером может служить Альберт Эйнштейн, признавший, что введение космологической постоянной для обоснования стационарной модели Вселенной было величайшей ошибкой его жизни.