Еще более заинтересовал Хокинга доклад, посвященный «квантовому эффекту Зенона» (КЭЗ).
Зенон — древнегреческий мыслитель, придумавший ряд временных парадоксов, построенных на противопоставлении части и целого. Впервые КЭЗ более-менее достоверно наблюдался в конце прошлого столетия для атомной системы с тремя энергетическими уровнями. Суть эксперимента состояла в том, что время жизни подуровня было выбрано очень малым, так что атом, возбужденный из основного состояния на подуровень, практически сразу же возвращается обратно, излучая при этом фотоны определенной энергии. Исследователи измеряли число фотонов с энергией обратного перехода, получая при этом число атомов, находящихся в основном состоянии. Затем лазерным облучением атомы переводились из начального состояния на еще один подуровень. Одновременно измерялось число фотонов с энергией обратного перехода, фиксируя число атомов основного состояния в определенные моменты времени.
Надо заметить, что как скептик и позитивист, Хокинг всегда прекрасно понимал, что обсуждение проблемы влияния наблюдений на течение квантовых процессов во многом зависит от философской позиции того или иного теоретика. Конечно же, с объективной точки зрения, на эти процессы оказывает воздействие не сам акт «отстраненного» наблюдения, иначе это было бы просто идеалистическими выдумками и проявлением солипсизма, а некоторые реальные микроскопические неупругие взаимодействия между исследуемой частицей и окружающей средой.
Вернувшись в Кембридж, Хокинг тут же стал делать наброски новой книги, которую он намеревался назвать «Квантовая физика времени». К сожалению, его планам так и не удалось сбыться, но один из фрагментов попал в сборник «Теория Всего». Там можно встретить рассуждения о том, что каждый момент, в котором мы находимся, несет нас из прошлого в настоящее, а затем — в будущее. Время всегда движется в одном направлении. Оно никогда не останавливается и не возвращается. Для нас стрела времени всегда направлена вперед. Однако, если мы взглянем на законы физики — от положений Ньютона до Эйнштейна, от Максвелла до Бора, от Дирака до Фейнмана, — то они выглядят симметричными времени.
Связано ли направление течения времени с движением большей части процессов во Вселенной и откуда возникло так часто встречающееся понятие «стрела времени»?
Видный английский астрофизик Артур Эддингтон, известный своими поисками доказательств релятивистской природы окружающей нас действительности, в свое время высказал замечательное предположение, что направление течения времени связано с расширением Вселенной, назвав это явление стрелой времени. Он предполагал, что если наша Вселенная эволюционирует циклически и в определенный момент ее расширение сменится сжатием, то тут же изменит направление полета и стрела времени.
Другими словами, у уравнений, которым подчиняется реальность, нет выраженного направления движения потока времени. Решения, описывающие поведение любой системы, подчиняющейся законам физики, какими мы их понимаем, одинаково действенны как для времени, движущегося в прошлое, так и для времени, направленного в будущее. Но опыт говорит нам, что время движется только в одном направлении — вперед.
И здесь теоретик задал вопрос, который мучил его всю оставшуюся жизнь: откуда берется стрела времени? В поисках решения этой фундаментальной проблемы естествознания Хокинг пришел к другому вопросу: могут ли существовать какие-нибудь объекты во Вселенной с иным ходом времени? После обсуждения с коллегами и друзьями теоретик посчитал, что на этот вопрос следует дать положительный ответ. Так возник образ антивселенной.
В этом мире должна соблюдаться очень странная симметрия. Если поменять на противоположные не только знак заряда и четность, но и направление хода времени, то «вселенная Хокинга» будет подчиняться всем законам физики.…
По Хокингу, обращение времени — весьма причудливый вид симметрии. В Т-симметричной вселенной яичница спрыгивает с тарелки, собирается воедино на сковороде, а затем разбегается обратно по яйцам и запечатывает за собой скорлупу. Мертвец поднимается из могилы, молодеет, становится младенцем и запрыгивает в чрево матери.
Здравый смысл, пишет теоретик, говорит нам, что такая вселенная невозможна. Но математические уравнения элементарных частиц утверждают обратное. Законы Ньютона прекрасно выполняются при любом направлении полета стрелы времени.
Представьте себе видеозапись бильярдной партии. Каждое столкновение шаров подчиняется законам движения классической механики. Если мы прокрутим запись в обратном направлении, игра будет выглядеть странно, однако законы Галилея, Гука и Ньютона допускают и такой порядок вещей…
Это всего лишь один пример физико-фантастических гипотез, которые разрабатывал Хокинг, чтобы согласовать теорию расширяющейся Вселенной с квантовой механикой.
Вернувшись к исследованию стрелы времени, Хокинг выдвинул рабочую гипотезу о том, что между направлением течения времени и энтропией Вселенной существует определенная связь. В элементарных курсах физики и термодинамики энтропию часто определяют как «меру беспорядка», но Хокинг в своих выступлениях всячески избегал этой неточной формулировки. Напротив, энтропию он считал мерой того, сколько тепловой энергии потенциально можно превратить в полезную механическую работу.
Если у вас много энергии, потенциально способной выполнить работу, то это система с низкой энтропией, тогда как если у вас ее мало, то ваша система имеет высокую энтропию. Второе начало термодинамики — важное соотношение в физике, утверждающее, что энтропия закрытой системы может либо не изменяться, либо возрастать с течением времени, то есть не может уменьшиться. Иначе говоря, со временем энтропия всей Вселенной должна возрастать. Это единственный закон физики, у которого есть предпочтительное направление времени.
Обосновывая свою версию «термодинамической стрелы времени», Хокинг снова ставил вопросы: воспринимаем ли мы одностороннее течение времени из прошлого в будущее из-за второго начала термодинамики? связано ли это с фундаментальной связью стрелы времени и энтропии?
С некоторого момента Хокинг присоединился к мнению, что дело обстоит именно так. Последним, с кем он обсуждал проблему «термодинамического направления времени», был известный физик и научный популяризатор, профессор Шон Кэрролл. В ходе долгой беседы была предпринята попытка ответить на вопрос, почему время не движется назад. В итоге физики пришли к выводу, что это связано именно с энтропией.
Энтропия действительно объясняет стрелу времени, доказывал Хокинг на очередном заседании Лондонского королевского общества. В бесчисленных случаях из повседневной реальности, например, кофе с молоком никогда не разделяется на исходные компоненты, а разбитое яйцо никогда не собирается обратно в скорлупу. Во всех этих и аналогичных случаях изначальное состояние низкой энтропии (с большей энергией, пригодной для работы) двигалось к состоянию с более высокой энтропией (и меньшей доступной энергией) с течением времени вперед. В природе много примеров этого процесса, пояснял Хокинг, включая комнату, наполненную молекулами: одна часть полна холодных, движущихся медленно молекулами, а другая — горячих и быстродвижущихся. Надо лишь подождать, и комната заполнится перемешанными частицами средней энергии, что представляет собой большой рост энтропии и необратимую реакцию.
Но нельзя сказать, что она абсолютно необратима. Когда дело касается второго начала термодинамики и увеличения энтропии, это относится исключительно к закрытой системе или системе, в которую не добавляется энергия извне и не вносятся никакие изменения по увеличению или уменьшению энтропии. В 1870 году физик Максвелл предложил способ обращения этой реакции: нужна внешняя сущность, которая будет открывать разделение между двумя сторонами комнаты, позволяя «холодным» молекулам переходить на одну сторону, а «горячим» — на другую (уже упоминавшаяся идея «демон Максвелла», она позволяет понизить энтропию системы).
Разумеется, «обхитрить» природу и нарушить второе начало термодинамики с помощью подобных «демонических сил» все равно никогда не удастся. Дело в том, что демону необходимо затратить огромные объемы энергии, чтобы разделить частицы таким способом. Система под влиянием демона — открытая. Если добавить к ней энтропию и самого демона к общей системе частиц, окажется, что общая энтропия в итоге все-таки возрастает. Но и тут есть важная деталь: даже если бы вы жили в коробке и не заметили существование «демона» — другими словами, если бы вы жили в «карманной вселенной» с возрастающей энтропией, — для вас время все равно бы шло вперед. Термодинамическая стрела времени не определяет направление, в котором воспринимается ход времени.
Итак, откуда берется стрела времени, которая соотносится с нашим восприятием времени? Неизвестно. Однако известно, что это точно не термодинамическая стрела времени. Измерения энтропии Вселенной указывают только на одно возможное уменьшение во всей космической истории: окончание космической инфляции и ее переход к Горячему Большому взрыву (не путать с Большим взрывом — это два разных состояния Вселенной; Горячий Большой взрыв — период развития Вселенной, на последних стадиях которого мы живем).
Большинство ученых утверждает, что Вселенную ждет холодное пустое будущее после того, как все ее звезды сгорят, черные дыры распадутся, а темная энергия разнесет не связанные друг с другом тяготением галактики на огромные, невообразимые расстояния. Это термодинамическое состояние максимальной энтропии известно, как тепловая смерть Вселенной. Любопытно, что состояние, из которого развилась Вселенная — состояние космической инфляции, — обладает теми же свойствами, но с более высокой скоростью расширения во время эпохи инфляции, по сравнению с тем, к которому приведет нынешняя эпоха, где главенствует темная энергия.
Каким образом завершилась инфляция? Как вакуумная энергия Вселенной, свойственная самому пустому пространству, преобразилась в горячий бульон из частиц, античастиц и излучения? И перешла ли Вселенная из состояния с невероятно высокой энтропией во время космической инфляции в состояние с более низкой энтропией во время Горячего Большого взрыва, либо энтропия при инфляции была еще ниже из-за итоговой способности Вселенной к совершению механической работы? На сегодня у ученых есть только теории, которые оставил после себя кембриджский теоретик, и они когда-нибудь приведут к верным ответам на эти вопросы. Экспериментальные ил