ВЕСЕЛКА

Одна из современных научных теорий гласит: наше настоящее — это чье-то прошлое.

Любая космологическая теория, будь она основана на ньютоновской теории тяготения, максвелловской электродинамике, эйнштейновской общей и частной теориях относительности, квантовой механике, работает при одном условии: если время линейно. Оно может идти вперед или назад, но оно должно быть линейным.

Конечно, зримая картина мира отлична от астрофизических теорий. Вселенная расширяется, а не сжимается. Звезды испускают свет, а не поглощают его. Атомы радиоактивных элементов распадаются, а не образуют соединения. Яичница не становится яйцом, пепел сигареты не превращается в табак. Помнить можно прошлое, но не будущее. Мы с каждым днем стареем, а не молодеем. Для нас время линейно и однонаправленно — в будущее.

Стрела времени

В конце 1920-х годов астрофизик Артур Эддингтон представил концепцию «стрелы времени», в которой он определил время как прямую (одномерный объект), протянутую из прошлого в будущее. Почти век считалось, что это сфера интересов термодинамики, а Эддингтон сделал многое для доказательства мнения, высказанного еще в конце XIX века австрийским физиком Людвигом Больцманом. Стрела, или ось времени, принципиально однонаправленна, и все наблюдаемые нами явления, сколь бы разноплановыми они ни были, в итоге должны уравновешивать друг друга.

Говоря проще, «все стремится развалиться». В науке это описывается как следствие второго закона термодинамики, заслуга выведения которого принадлежит, в числе прочих, Людвигу Больцману.

Согласно второму закону термодинамики, в любой замкнутой системе усиливается энтропия: космос уступает позиции хаосу. Наша Вселенная — не исключение.

В любой системе число нестабильных состояний намного превышает число стабильных. Попробуйте смести рукой бумаги с письменного стола. Это гораздо проще, чем потом их собрать и привести в порядок.

В термодинамической парадигме стрела времени говорит о том, что поддающаяся нашим наблюдениям Вселенная возникла в уникальный момент, когда порядок превалировал над энтропией. В начале времени некое «яйцо» материализовалось и начало превращаться в «яичницу», что по сей день и делает. С конца XIX века, эпохи расцвета научного позитивизма, ученые не могут побороть в себе неприязнь к идее создания Вселенной — но и разрешить головоломку времени они тоже не в состоянии.

Людвиг Больцман считал, что Вселенная вечна (в ньютоновской парадигме так и должно быть), и именно это объясняет заниженный уровень энтропии в момент появления стрелы времени. Дайте время (вообще-то, в этой теории оно должно быть бесконечным) — и всё, что может произойти, произойдет. В числе прочего, во вселенской ситуации, близкой к равновесной, возникнет обширное пространство с очень низкой энтропией — как статистическая функция безвременья. Больцман не исключал того, что человечество может оказаться в этом гипотетическом пространстве, где стрела времени будет указывать на медленное энтропическое восстановление равновесия.

Теории нового времени

На дворе XXI век, и задача усложнилась: физики знают, что наблюдаемая Вселенная имеет возраст и изменчива. Им надо описать стрелу времени в динамической относительной Вселенной, возникшей приблизительно 14 млрд лет назад в результате Большого взрыва (по крайней мере, таков научный консенсус). Нередко «объяснения» сводятся к «подкручиванию» параметров базовой теории: если факты не соответствуют теории, тем хуже для них.

Многие современные интерпретации стрелы времени с низкой энтропией неизбежно используют инфляционную теорию: антигравитационное расширение пра-Вселенной до астрономических масштабов, за которым последовало уменьшение уровня энтропии до очень низкого, что сделало возможным формирование космических структур.

Взрывное расширение Вселенной физики называют инфляцией. Сам термин до сих пор требует более четкого определения. Казалось бы, инфляция, однажды начавшись, должна быть нескончаемой. В таком случае должно появляться бесконечное число новых вселенных, о природе которых из нашей Вселенной можно в лучшем случае лишь гадать. То ли это дефект теории, то ли это ее прекрасная особенность — ученые давно не могут прийти к единому мнению. На данном этапе развития физической мысли ясно одно: инфляционная теория является исключительно гибкой и очень многое объясняет. В этом и её сила, и её слабость.

Поэтому ряд ученых, стремящихся найти низко-энтропийную основу стрелы времени, не полностью принимают инфляционную теорию. Дэвид Альберт, профессор философии и физики Колумбийского университета, говорит:

«Сейчас многие пытаются найти рациональное объяснение тому, почему в начале времени уровень энтропии был столь низким. Некоторые коллеги даже придерживаются мнения, что идея изначально низкой энтропии должна стать новым законом физики».

Доказательство такого закона ознаменовало бы крах всей научной космологии. К счастью, оно все еще не найдено.

Предварительные данные опубликованного в октябрьском выпуске Physical Review Letters совместного исследования Джулиан Барбур (Оксфордский университет), Тима Козловски (Университет Нью-Брансвика) и Флавио Меркати (канадский Институт теоретической физики Perimeter) показывают: концепцию стрелы времени не нужно «подкручивать». В этой концепции начальный уровень энтропии не играет роли. Джулиан Барбур и коллеги утверждают: гравитация важнее термодинамики.

Исследование использует намеренно упрощенную модель Вселенной — компьютерную симуляцию влияния гравитации на тысячу одномерных частиц в ньютоновской парадигме. Динамика системы измеряется критерием ее сложности, определяемой как отношение расстояния между двумя ближайшими частицами к расстоянию между двумя наиболее равноудаленными. Ниже всего сложность системы при тесной облачной кластеризации частиц (их размер минимален, однородность максимальна — это примерная аналогия ситуации начала Большого взрыва). Группа Джулиан Барбур показала, что любая конфигурация частиц вне зависимости от числа и размера приходит в состояние наименьшей сложности. Таким образом, гравитация — основа расширения системы и источник стрелы времени. Эта теория обходится без вопроса о том, каким было и было ли начальное состояние низкой энтропии системы.

Из состояния низкой сложности система частиц расширяется в обоих временных направлениях: возникают две разнонаправленные симметричные стрелы времени. На обеих стрелах гравитация объединяет частицы в более структурированные и сложные композиции — подобно галактическим кластерам, звездам и планетарным системам. С этого момента в действие может вступить стандартный ход времени в термодинамической парадигме — в любом из двух направлений.

Иными словами, модель предполагает возможность одного прошлого и двух будущих. В данном случае законы физики не используют временную категорию, поэтому наконечник стрелы времени может указывать в любом направлении. Наблюдателю же доступно лишь одно направление стрелы и лишь в один момент времени. Флавио Меркати поясняет:

«Гравитация по своей сути вытягивает Вселенную из пред-существовавшего состояния хаоса и формирует структуры, порядки и уровень сложности. Все решения ситуации делятся на две эпохи, которые неизбывно идут в двух противоположных направлениях времени. Характерными особенностями обладает только ситуация в момент разделения».

Это приблизительная модель, не учитывающая ни квантовую механику, ни принципы общей теории относительности. Но у нее большой научный потенциал. Если принять ее верной для нашей Вселенной, получится, что Большой взрыв — не начало космоса, а один из этапов его, по-видимому, бесконечного во времени и пространстве развития. Наблюдатели по противоположные стороны Вселенной и времени будут видеть ее по-разному. Джулиан Барбур говорит:

«В двухвременной ситуации прошлое одномерно и хаотично в обоих направлениях, а это значит, что должны существовать две параллельные Вселенные, каждая со своим началом. Если бы они были достаточно сложны, оба разносторонних наблюдателя могли бы существовать одновременно, хотя на оси времени они движутся разнонаправленно. В такой ситуации любое разумное существо определит стрелу времени как движущуюся от начальной точки. Таким образом, наблюдатели сказали бы, что мы с вами живем в их глубоком прошлом».

Более того: если гравитация действительно является определяющим фактором стрелы времени, рано или поздно станет возможным делать проверяемые прогнозы, а это снизит степень субъективности в объяснении и описании инфляционной модели и структуры наблюдаемой Вселенной.

Прошлые исследования

Это не первое научное исследование двунаправленной стрелы времени. Физики Шон Кэррол и Дженнифер Чен (Калифорнийский технологический университет) еще в 2004 году представили свою модель разнонаправленного времени, описывая низкоэнтропичный аспект инфляции и создания вселенных.

По их мнению, определяющим фактором стрелы времени является не минимальный уровень энтропии в прошлом, а ее завышенный уровень в обоих будущих, обусловленный возникновением новых вселенных в результате инфляции.

Спустя десять лет Шон Кэррол придерживается прежнего мнения: усиление энтропии — главный фактор стрел времени, а все остальные, включая гравитацию, — вторичны. Кэррол говорит:

«Все происходящее во Вселенной в итоге объясняется разницей в уровне энтропии на двух противоположных направлениях. Исследование группы Джулиан Барбур полезно: мои коллеги не поленились сделать массу расчетов динамики частиц в гравитационной парадигме. Однако я не сторонник их модели: полагаю, они скорее анализировали её саму. На мой взгляд, замкнутая выборка частиц в поистине необъятной Вселенной не может быть показательной: ее можно заставить вести себя так, как вам хочется. Вопрос в том, как генерализировать результаты исследования, распространяя их на объяснение всей Вселенной. Вот это очень трудная задача».

Шон Кэррол сотрудничает с Аланом Гутсом из Массачусетского технологического института. Он изобрел инфляционную теорию — в процессе разработки ответа сторонников термодинамического подхода тем физикам, которые отстаивают первостепенную значимость гравитации. Предварительный ответ таков: можно построить модель стремящейся к минимальной сложности Вселенной из частиц, в которой тоже возникнет стрела времени, но без влияния гравитации или любой другой силы. Для этого надо допустить, что потенциал энтропии во Вселенной неограничен.

Алан Гутс поясняет:

«Если считать потенциал энтропии неограниченным, можно утверждать, что в любом состоянии системы уровень энтропии может быть низким. Возможно, это звучит странно, но я уверен, что этот подход работает. Исследование Джулиан Барбур и её коллег показало важную вещь: если потенциал энтропии неограничен, можно ставить точку отсчета где угодно, и энтропия всегда будет усиливаться по мере расширения системы. Постоянная инфляция — естественный контекст, в который можно поместить эту идею, поскольку в непрерывно и нескончаемо расширяющейся Вселенной уровень энтропии не может быть ограничен».

Со времен Больцмана и Эддингтона спор о стреле времени зашел весьма далеко. Мнений было высказано много, но Джулиан Барбур говорит, что спор этот вечный, и плохого в этом ничего нет:

«Наши обсуждения открывают совершенно новые подходы к осмыслению фундаментального вопроса природы стрелы времени природы второго начала термодинамики. По сути, физики просто исследуют новый аспект теории тяготения, изобретенной Ньютоном, который прежде ускользал от нашего внимания. К чему мы придем? Время покажет.

Термин „стрела времени“ ввел в научный дискурс Артур Эддингтон. Ему же принадлежит знаменитое высказывание о том, что природа может все, кроме трансформации материи в энергию. Моя команда со всей очевидностью доказала, что гравитация на это способна. Она может превращать исключительно хаотичные системы в исключительно порядковые. Именно это произошло с нашей Вселенной. Здесь хаос стал космосом».