Почему время идет только вперед, но не назад?
У вас на лице яйцо, в буквальном смысле. Вы пытались жонглировать парой яиц, но что-то пошло не так, и теперь вам нужно принять душ и отправить одежду в стирку. Разве не было бы быстрее просто разбить яйцо наоборот? Если разбить его удалось за пару секунд, почему бы не проделать то же самое, но наоборот? Просто соберите скорлупу, вбросьте туда желток и белок. У вас будет чистое лицо, одежда, будто ничего и не случилось. Почему можно разбить яйцо, а собрать его обратно - нет? Чтобы ответить на этот, казалось бы, простой вопрос, нам нужно вернуться к моменту рождения Вселенной.
На самом деле, «разбить яйцо наоборот» вовсе не невозможно. Нет никакого фундаментального закона природы, который запрещал бы нам это сделать. Более того, физики говорят, что любое событие в нашей повседневной жизни может произойти наоборот, в любой момент. Почему тогда мы не собираем яйца, не исцеляем ожоги, не затягиваем лодыжки? Почему вещи не происходят наоборот постоянно? Почему будущее отличается от прошлого?
Возможно, этот вопрос кажется настолько простым, что им даже и задаваться не стоит. Но по факту, пытаясь найти на него ответ, физики обращаются к рождению Вселенной, заглядывают под капоты атомов, пытаются выйти за пределы современной науки.
Как и множество историй о физике, эта начинается с Исаака Ньютона. В 1666 году вспышка бубонной чумы вынудила его покинуть Кембриджский университет и вернуться со своей матерью в деревню Линкольншир. Скучая и изнывая от скуки, Ньютон начал много времени уделять физике.
Он вывел три закона движения, а также знаменитую максиму: у каждого действия есть равное противодействие. Он также разработал объяснение того, как работает гравитация.
Законы Ньютона оказались удивительно успешными в описании мира. Они объясняют, почему яблоки падают с деревьев и почему Земля вращается вокруг Солнца. Но есть у них странная деталь: работают они одинаково хорошо как вперед, так и назад. Если яйцо может разбиться, законы Ньютона говорят, что оно может и собраться.
Очевидно, это неправильно, но почти каждая теория, которую открывали физики со времен Ньютона, обладает похожей проблемой. Законы физики, похоже, просто не волнуются о том, движется время вперед или назад, так же как не волнуются о том, правша вы или левша.
Но мы, конечно, волнуемся. Исходя из наших ощущений, время - это стрела, всегда направленная в будущее. «Вы могли бы перепутать восток и запад, но вы не перепутаете вчера и завтра, - говорит Шон Кэрролл, физик Калифорнийского технологического института в Пасадене. - Но фундаментальные законы физики не различают прошлое и будущее».
Первым человеком, который серьезно занялся этой проблемой, был австрийский физик Людвиг Больцман, живший в конце 19 века. На тот момент многие идеи, которые сегодня оказались верными, тогда еще бурно обсуждались. В частности, физики не были убеждены - как сегодня - что все состоит из крошечных частиц, атомов. По мнению многих физиков, идею атомов просто невозможно было проверить.
Больцман был убежден, что атомы существуют. Поэтому он решил взять эту идею и объяснить все подряд: свечение огня, работу легких, почему остывает чай, если на него дуть. Он думал, что сможет найти объяснение всему этому, используя концепцию атомов. Некоторые физики были впечатлены работой Больцмана, но большинство не приняли ее. Вскоре его исключили из сообщества физиков за такие идеи.
Особенно невзлюбили его мысли о природе тепла. Возможно, тепло имеет мало общего с природой времени, но Больцман хотел показать, что две эти вещи тесно связаны. В то время физики придумали теорию под названием термодинамика, которая описывает поведение тепла. К примеру, термодинамика описывает, как холодильник может удерживать еду холодной в жаркий день.
А был ли прав Больцман?
Противники Больцмана считали, что тепло просто не может быть описано как-то еще. Тепло - это просто тепло. Однако Больцман решил доказать их неправоту. Он считал, что тепло вызывается случайным движением атомов и что всю термодинамику можно объяснить в этом контексте. И он был абсолютно прав, но провел остаток своей жизни, пытаясь убедить остальных.
Больцман начал с попытки объяснить что-то странное: энтропию. Согласно термодинамике, каждый объект в мире обладает определенным количеством связанной с ним энтропии, и всякий раз, когда с ним что-то происходит, количество энтропии растет. К примеру, если вы положите кубики льда в стакан с водой и дадите им растаять, энтропия в стакане вырастет.
Рост энтропии не похож ни на что другое в физике: этот процесс идет лишь в одном направлении. Но никто не знал, почему энтропия всегда растет.
Коллеги Больцмана утверждали, что невозможно объяснить, почему энтропия всегда растет. Просто растет и все. Но Больцмана это не устраивало, и он искал скрытый смысл во всем этом. В результате появилось радикально новое понимание энтропии. И это открытие оказалось настолько важным, что его даже выгравировали на могильной плите ученого.
Больцман обнаружил, что энтропия измеряется числом способов, которыми атомы, а также переносимая ими энергия, могут быть организованы. Когда энтропия растет, это значит, что атомы становятся более перемешанными.
По мнению Больцмана, поэтому лед тает в воде. Когда вода находится в жидком состоянии, существует гораздо больше способов, которыми молекулы воды могут выстроиться, и гораздо больше способов разделить энергию тепла между этими молекулами, нежели когда вода находится в твердом состоянии. У льда просто есть так много способов растаять и так мало способов остаться в твердом состоянии, что в подавляющем большинстве случаев лед в конечном итоге растает.
Точно так же, если вы капнете крем в свой кофе, крем растечется по чашке, поскольку таково состояние более высокой энтропии. У крема есть больше способов распространить кусочки по кофе, чем когда они пребывали в одной небольшой области.
Энтропия, по мнению Больцмана, заключается в вероятности. Объекты с низкой энтропией аккуратно организованы, поэтому вряд ли существуют. Объекты с высокой энтропией расплывчатыми, а значит, вероятность их существования высока. Энтропия всегда растет, потому что вещам намного проще быть беспорядочными.
Возможно, это звучит удручающе, особенно если вы любите порядок в доме. Но дайте идеям Больцмана шанс: они, похоже, могут объяснить стрелу времени.
Подход Больцмана к энтропии объясняет, почему она всегда увеличивается. Это, в свою очередь, предполагает, почему мы всегда испытываем временные перемещения вперед. Если Вселенная в целом движется от низкой энтропии к высокой энтропии, мы никогда не увидим, как что-то идет вспять.
Мы не увидим, как собирается яйцо, потому что есть много способов организовать части яйца, и почти все они приводят скорее к разбитому яйцу, нежели к целому. Точно так же обратно не расплавится лед, ожоги не исцелятся, а лодыжки не стянутся обратно после растяжения.
Определение энтропии по Больцману даже объясняет, почему мы помним прошлое, но не будущее. Представьте обратное: у вас есть воспоминание о событии, затем оно происходит и воспоминание исчезает. Шансы на то, что это произойдет с этим мозгом, чрезвычайно малы. По мнению Больцмана, будущее отличается от прошлого просто потому, что увеличивается энтропия. Но его назойливые оппоненты указали на ошибку в его рассуждениях.
Больцман сказал, что энтропия увеличивается по мере вашего движения в будущем, благодаря вероятностям, которые управляют поведением малых объектов вроде атомов. Но эти мелкие объекты сами по себе повинуются фундаментальным законам физики, которые не проводят черту между прошлым и будущим. Поэтому аргумент Больцмана можно перевернуть с ног на голову. Если вы утверждаете, что энтропия растет по мере вашего движения в будущее, вы можете утверждать, что энтропия будет расти по мере движения в прошлое.
Больцман думал, что яйцо скорее разобьется, чем останется целым, было бы разумно ожидать, что целые яйца будут разбиваться. Но есть и другая интерпретация. Интактные яйца настолько редкие и невероятные, что яйца должны проводить большую часть своего времени разбитыми, крайне редко собираясь вместе, чтобы на мгновение стать целыми и после снова разбиться. Короче говоря, можно использовать идеи Больцмана об энтропии, утверждая, что будущее и прошлое должны быть похожими. Но мы этого не наблюдаем, поэтому возвращаемся на исходную позицию. Почему, в конце концов, существует стрела времени?
Больцман предложил несколько решений этой проблемы. Одно из лучших стало известно как гипотеза прошлого. Она очень простая: в определенный момент в далеком прошлом Вселенная пребывала в состоянии низкой энтропии. Если это так, брешь в рассуждениях Больцмана затягивается. Будущее и прошлое выглядят по-разному, потому что прошлое имело энтропию выше, чем будущее. Поэтому яйца бьются, но не собираются.
Вроде логично, но возникает новый вопрос: почему гипотеза прошлого должна быть верной? Состояние низкой энтропии маловероятно, почему тогда энтропия Вселенной в прошлом должна быть низкой? Больцману так и не удалось решить этот вопрос. Пребывая в состоянии почти постоянной депрессии, отвергнутый физическим сообществом, он был уверен, что труд его жизни будет забыт. На семейном празднике близ Триеста в 1906 году Людвиг Больцман повесился.
Его самоубийство было особенно трагичным, поскольку уже через десять лет физики приняли идеи Больцмана об атомах. Более того, в последующие десятилетия новые открытия показали, что гипотезе прошлого вполне могут быть найдены объяснения.
В 20 веке наша картина Вселенной кардинально изменилась. Мы обнаружили, что у нее есть начало.
Во времена Больцмана большинство физиков считали, что Вселенная вечная - существовала всегда. Но в 1920-х годах астрономы обнаружили, что галактики разлетаются. Вселенная расширяется, догадались они. А значит, когда-то все было куда ближе и теснее.
В течение следующих нескольких десятилетий физики пришли к соглашению, что Вселенная началась с невероятно горячей и плотной точки. Она быстро расширилась и остыла, образовав все существующее ныне. Это быстрое расширение из крошечной горячей Вселенной назвали Большим Взрывом.
Все говорило в пользу гипотезы прошлого. «Люди сказали: хорошо, очевидно, что у юной Вселенной энтропия была низкой, - говорит Кэрролл. - Но почему энтропия была изначально низкой, 14 миллиардов лет назад во времена Большого Взрыва, никто не знает».
Справедливости ради стоит отметить, что огромный космический взрыв явно не звучит как что-то с низкой энтропией. Взрывы обычно представлены чем угодно, только не порядком. Было много способов организации материи и энергии в юной Вселенной, поэтому она была горячей, крошечной и расширялась. Однако, как оказалось, энтропия немного другая, когда вокруг так много энергии.
Представьте огромный пустой регион космоса, в центре которого находится облако газа с массой Солнца. Гравитация стягивает газ воедино, поэтому газ становится плотно сбитым и в конечном итоге коллапсирует в звезду. Как это возможно, если энтропия постоянно растет? У газа есть больше способов организации, когда он рассеивается и рассредоточивается.
Привилегия массы
Ответ в том, что гравитация влияет на энтропию, но как именно, физики до сих пор не понимают. В случае с массивными объектами набрать массу будет означать более высокую энтропию, нежели быть плотным и однородным. Поэтому Вселенная с галактиками, звездами и планетами обладает более высокой энтропией, нежели Вселенная, заполненная горячим и плотным газом.
У нас появляется новая проблема. Тот сорт Вселенной, который появился сразу после Большого Взрыва, горячий и плотный, обладает низкой энтропией, а значит, маловероятен. «Едва ли вы ожидали бы извлечь такое из мешка со вселенными», - говорит Кэрролл.
Каким образом наша Вселенная начала с такого маловероятного состояния? Даже неясно, какой ответ нам хотелось бы найти. «Что будет считаться научным объяснением изначального состояния вселенной?», - спрашивает Тим Модлин, философ физики Нью-Йоркского университета.
Есть идея, что до Большого Взрыва что-то было. Можно считать это низкой энтропией юной Вселенной? Кэрролл и один из его бывших студентов предложили модель, в которой «младенческие» вселенные постоянно приходят к существованию, отделяясь от родительской вселенной и расширяясь, подобно нашей собственной. Эти крошки-вселенные начинают с низкой энтропией, но энтропия «множественной вселенной» в целом всегда будет выше.
Если это правда, юные вселенные только на вид кажутся с низкой энтропией, поскольку мы не видим общую картину. То же самое может быть справедливо для стрелы времени. «Такого рода идея предполагает, что далекое прошлое нашей общей картины вселенной абсолютно похоже на далекое будущее», - говорит Кэрролл.
Широкого соглашения по объяснению Кэрролла нет. Только предложения, но ничего многообещающего. Часть проблемы заключается в том, что наши лучшие теории физики не могут объяснить Большой Взрыв. Без объяснения того, что произошло во время рождения Вселенной, мы не можем объяснить, почему она обладает низкой энтропией.
Современная физика полагается на две крупные теории. Квантовая механика объясняет поведение небольших вещей вроде атомов, а общая теория относительности объясняет крупные вещи вроде звезд. Но совместить их пока не удается.
Поэтому, если что-то будет очень малым и очень тяжелым, вроде вселенной во время Большого Взрыва, физики окажутся в тупике. Чтобы объяснить юную вселенную, им необходимо совместить две теории в «теорию всего». Общая теория, скорее всего, объяснит стрелу времени. Также эта теория объяснит, как природа выстраивает пространство и время. Но за десятки лет никто даже близко не подобрался к теории всего. Хотя кандидаты, безусловно, имеются.
Самой многообещающей теорией всего может оказаться теория струн, которая утверждает, что все субатомные частицы на самом деле состоят из крошечных струн. Струнная теория также гласит, что у пространства есть дополнительные измерения, помимо известных трех, которые свернуты до микроскопических размеров, а мы живем в своего рода множественной вселенной.
Все это звучит довольно странно. Тем не менее большинство физиков частиц видят в теории струн нашего лучшего кандидата на теорию всего. Впрочем, это не помогает нам объяснить, почему время движется вперед. Как и почти любая другая фундаментальная физическая теория, уравнения теории струн не проводят строгую черту между прошлым и будущим. Даже если теория струн окажется верной, она может и не объяснить стрелу времени.
Работая с Ли Смолиным в Институте Периметра в Ватерлоо, Канада, Марина Кортес трудится над альтернативами струнной теории, которые включают стрелу времени на фундаментальном уровне.
Кортес и Смолин предполагают, что Вселенная состоит из ряда совершенно уникальных событий, которые никогда не повторяются. Каждый набор событий может влиять только на события в следующем наборе, выстраивая таким образом стрелу времени. «Мы надеемся, что если сможем применить эти типы уравнений к космологии, то придем к проблеме начальных условий Вселенной и обнаружим, что в них нет ничего особенного», - говорит Кортес.
Это объяснение полностью расходится с больцмановским, когда стрела времени вытекает из законов вероятности. «Время не иллюзия, - считает Кортес. - Оно существует и оно действительно движется вперед».
Большинство физиков не видят проблему в объяснениях Больцмана. «Больцман указал правильное направление для поиска решения, и очень давно, - говорит Дэвид Альберт, философ физики Колумбийского университета в Нью-Йорке. - Есть реальная надежда, что если копнуть достаточно глубоко, то все окажется так, как и говорил Больцман». Кэрролл соглашается. «Если Большой Взрыв будет с низкой энтропией, на этом все. Мы сможем объяснить все различия между прошлым и будущим».
Как бы то ни было, чтобы объяснить стрелу времени, нам нужно объяснить состояние низкой энтропии на старте нашей Вселенной. Для этого может пригодиться любая теория, теория всего, теория струн, теория причинных рядов Кортес и Смолина. Люди ищут теорию всего уже 90 лет. Как нам ее найти? Как мы узнаем, что нашли ту, которую нужно?
Мы можем проверить ее на чем-то очень маленьком и плотном. Но мы не можем вернуться назад во времени к Большому Взрыву, не можем и нырнуть в черную дыру и послать информацию из нее. Что нам нужно сделать, если мы действительно хотим объяснить, почему разбитые яйца не собираются обратно?
Наши лучшие надежды возлагаются на крупнейшую машину в истории человечества. Большой адронный коллайдер - это ускоритель частиц, который лежит 27-километровым кольцом на границе Франции и Швейцарии. Он сталкивает протоны почти на скорости света. Феноменальная энергия этих столкновений рождает новые частицы.
Последние два года БАК был закрыт на ремонт, но весной 2015 года он вернулся и заработал с удвоенной силой. В 2012 году он обнаружил давно искомый бозон Хиггса. Это открытие принесло Нобелевскую премию, но теперь БАК хочет побить свои собственные рекорды. Если повезет, БАК может пролить свет на новые и неожиданные фундаментальные частицы, которые укажут нам в направлении теории всего.
Пройдет несколько лет, прежде чем ученые соберут и проанализируют все необходимые данные. И, может, тогда мы, наконец, поймем, почему вы не можете просто собрать это глупое яйцо со своего лица.