энтропийного времени достаточно хорошо объясняет, почему все события в мире имеют временную направленность. Однако, к сожалению, сама по себе стрелка энтропийного времени вовсе даже и не стрелка, как казалось вначале.
Теперь представьте себе, что в нашей коробке содержится 10 атомов водорода, и в какой-то момент времени (время t) четыре атома водорода находятся слева, а шесть справа; обозначим это состояние [4, 6]. Нам известно, что система обладает максимальной энтропией, когда с каждой стороны находится по пять атомов ([5, 5]), поскольку существует больше способов распределить атомы в две группы по пять, чем каким-то иным образом. Так что в следующий момент времени (время t+1) мы с большей вероятностью будем наблюдать состояние [5, 5] (с повышением энтропии), чем состояние [3, 7].
Но давайте заглянем не в будущее, а в прошлое, и зададим вопрос, каким было наиболее вероятное состояние системы в предыдущий момент времени (время t-1). Исходя из тех же логических соображений, ответ будет таким же: наиболее вероятным было состояние [5, 5]. Таким образом, если у нас нет никакой другой информации об этой системе, и наиболее вероятным состоянием после состояния [4, 6] является состояние [5, 5], то наиболее вероятным предыдущим состоянием тоже является состояние [5, 5]. Заметьте, что в данном случае я не утверждал, что в исходном состоянии все атомы находились в одной и той же части коробки; вполне возможно, что все началось с состояния [5, 5], а состояние [4, 6] было лишь флуктуацией.
Вот так так! Если мы используем второе начало термодинамики для определения направленности времени, довольно неприятно осознавать, что оно предсказывает рост энтропии не только в будущем, но и в прошлом. Кажется, что энтропийное время имеет два направления. Термодинамическое обоснование одно-направленности времени имело смысл лишь по той причине, что в нем было одно скрытое допущение. В первом примере мы начали рассуждения с такого состояния системы, когда все атомы находились в одной и той же части коробки, т. е. с состояния с очень низким значением энтропии. Если начинать с состояния с самой низкой энтропией, она, естественно, может только возрастать. Так что второе начало термодинамики определяет направление движения времени при условии, что система (вселенная) начинается с состояния с низким значением энтропии.
Иногда говорят, что время, как и все остальное, началось с момента Большого взрыва примерно 14 млрд лет назад, и что сразу после Большого взрыва вселенная действительно находилась в состоянии с очень низким значением энтропии. Тогда возникает вопрос: как вселенная пришла к этому исходному состоянию с низким значением энтропии?
Людвиг Больцман понимал всю серьезность этого вопроса и выдвинул разумную гипотезу, заключающуюся в том, что состояние вселенной с низким значением энтропии было лишь временной флуктуацией. Если вам кажется, что эта гипотеза идет вразрез с им же установленным законом, то дело заключается в неверном прочтении закона. Как мы уже говорили, второе начало термодинамики — статистический закон: снижение энтропии маловероятно, но не невозможно, а при наличии достаточного количества времени маловероятное может стать вероятным.
Более современная гипотеза, объясняющая загадку низкой энтропии, сводится к идее мультивселенной, в соответствии с которой наша вселенная началась как некий участок пространства с низким уровнем энтропии в гораздо более объемной множественной вселенной186. Пока не существует единой общепринятой теории, объясняющей происхождение вселенной, начиная с состояния с низким значением энтропии, и маловероятно, что в ближайшее время мы поймем механизмы происхождения вселенной и, следовательно, происхождения времени.
Второе начало термодинамики предлагает ответ на вопрос о причине направленности времени или как минимум объясняет постоянное нарастание энтропии вселенной, начиная от состояния с низким уровнем энтропии в момент Большого взрыва. Но существуют и другие гипотезы, пытающиеся объяснить причины направленности времени. Одна из них заключается в том, что необратимость процессов во времени (наличие «стрелки времени») вытекает из законов квантовой механики.
Я уже упомянул, что все законы физики, включая законы квантовой механики (уравнение Шредингера), симметричны по отношению ко времени, и это действительно так. Однако в квантовой механике существует проблема, которая выходит за рамки уравнения Шредингера и мучает ученых уже около сотни лет.
Если мы направляем на фотопластинку отдельный электрон, в соответствии с уравнением Шредингера мы можем рассчитать вероятность нахождения электрона в момент времени t. Но для точного определения положения электрона нужно произвести измерения, а уравнение Шредингера ничего не говорит о том, что происходит в момент осуществления этих измерений. Пока измерения не сделаны (например, не определена точка соприкосновения электрона с фотопластинкой), говорят, что электрон может одновременно находиться во всех разрешенных позициях. И только сам акт измерения положения электрона заставляет его принять какое-то определенное положение: физики говорят, что акт измерения вызывает коллапс волновой функции электрона. Однако ученые пока не пришли к единому мнению относительного того, что именно в акте измерения приводит к коллапсу (если вообще приводит). Некоторые физики полагают, что этап измерения квантово-механического процесса накладывает на вселенную вектор времени187. При такой интерпретации квантовой механики, как только положение электрона определено, пути назад не существует. После осуществления измерения нельзя использовать уравнение Шредингера, чтобы показать, откуда взялся электрон188.
Но даже если квантовая механика подразумевает наличие у вселенной вектора времени (хотя многие считают, что это не так), факт остается фактом: ни квантовая механика, ни какие-либо другие законы физики не придают специфического значения настоящему моменту времени189. Из основополагающих законов физики следует, что сейчас на шкале времени — то же, что здесь в области пространства. Именно по этой причине многие физики и философы считают, что мы живем в «блоке вселенной» этернализма. Однако для большинства людей, к которым отношусь и я, не это является наиболее серьезным аргументом в пользу этернализма. Я бы сказал, что наиболее веской причиной принять концепцию этернализма является теория относительности Эйнштейна.
9:00ОПРОСТРАНСТВЛИВАНИЕ ВРЕМЕНИ В ФИЗИКЕ
Мы, физики, считаем, что деление на прошлое, настоящее и будущее есть всего лишь устойчивая иллюзия.
Одна из вещей, которая меня привлекает в баскетболе, заключается в том, что это игра против времени. Игрок, делающий последний бросок, должен выпустить мяч из рук до того, как истечет время игры и раздастся финальный свисток. Если мяч отделяется от руки до окончания времени игры, бросок засчитывается. Нам кажется, что определение порядка этих событий (звук свистка и отделение мяча от руки игрока) является объективной проблемой. Однако выясняется, что это не так.
Давайте проведем мысленный эксперимент и предположим, что, по мнению судьи, победный мяч отделился от руки игрока, находящегося в одной части поля, до того, как атомные часы в другой части поля показали конец игры. Используя высокоточное оборудование, судья позднее подтверждает, что от момента броска до окончания игры оставалась еще целая наносекунда (миллиардная доля секунды). Теперь допустим, что это была седьмая игра финала НБА191, и за ней через телескоп наблюдал космонавт, находившийся на космическом корабле, который двигался с фантастической скоростью, равной половине скорости света192. Узнав о решении судьи, космонавт приходит в изумление, поскольку видел своими глазами, что часы показали окончание игры до того, как игрок выпустил мяч из рук, и, следовательно, этот бросок не должен засчитываться. Спор относительно того, засчитывается ли мяч, и какая команда победила, не имеет никакого отношения к тому, как скоро информация дошла до космического корабля (считаем, что обе стороны это учитывают); вопрос лишь в том, что у нас есть две равноправные реальности: в одной победившая команда действительно победила, а в другой произошла судейская ошибка.
Как это возможно? Может ли быть, что два события происходят в одном порядке для одного наблюдателя и в другом для другого? И если это так, что это говорит о природе времени? Чтобы ответить на эти вопросы, следует обратиться к специальной теории относительности.
Скромное название статьи Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел» не позволяло предугадать, что эта статья изменит ход развития науки. В статье Эйнштейн изложил специальную теорию относительности и обосновывал ее, исходя из двух принципов.
Первый принцип заключался в том, что законы физики едины для всех наблюдателей, движущихся с постоянной скоростью193. Этот так называемый принцип относительности Эйнштейн позаимствовал у Галилея, который указывал, что наблюдатель, находящийся в море на движущемся с постоянной скоростью корабле, не может однозначно определить, движется он или нет. Возможно, вам знакомо это ощущение, когда, внезапно очнувшись в самолете, вы не можете сразу сообразить, летите вы, выруливаете на взлетно-посадочную полосу или стоите. Принцип относительности заставляет нас определять скорость движения по отношению к чему-то еще. Когда мы говорим, что машина едет со скоростью 100 км/ч, подразумевается, что мы соотносим скорость ее движения с покоящимися предметами на планете Земля, например, со знаком, ограничивающим скорость до 80 км/ч. Однако, строго говоря, абсолютного стандарта для сравнения не существует. Для приближающейся навстречу полицейской машины скорость движения данной машины будет намного выше 100 км/ч. Более того, вполне законно сказать, что машина покоится, а дорожный знак движется со скоростью 100 км/ч. Таким образом, скорость перемещения предмета всегда относительна и определяется в каком-то конкретном контексте. С одним только исключением…