осям, или координатам, тогда как время принципиально одномерно и всегда течет из прошлого в будущее? Существует даже понятие «стрелы времени», причем принято выделять три ее составляющие – термодинамическую, космологическую и психологическую стрелу. Удивительным образом все они направлены в одну сторону Человеку с улицы эти вопросы могут показаться праздными и лишенными смысла, ибо наша безусловная вовлеченность в поток событий представляется ему чем-то само собой разумеющимся. Между тем загадка «стрелы времени» – одна из труднейших, и окончательного ответа на вопрос, почему время течет в одном вполне определенном направлении, не сумел найти пока еще никто.
Дело усугубляется тем, что законы науки не отличают прошлого от будущего. Если говорить более строго, они не меняются в результате нарушения так называемой СРТ-симметрии. Буквой С обозначают замену частицы античастицей, буквой Р – зеркальное отражение, когда левое и правое меняются местами, а буквой Т – изменение направления движения всех частиц на обратное, то есть поворот времени вспять. Иными словами, физические процессы, протекающие в нашей Вселенной, не изменятся ни на йоту, если поменять параметры С, Р и Т на обратные. С другой стороны, если законы науки столь равнодушны даже к тройной комбинации операций С, Р и Т, мы вправе предположить, что они точно так же не должны меняться и при выполнении одной-единственной операции Т. Однако совершенно очевидно, что между движением вперед и назад во времени лежит дистанция огромного размера. Фарфоровая чашка, упав со стола на каменный пол, непременно разобьется вдребезги, и никому до сих пор не довелось наблюдать обратной последовательности событий, когда осколки собираются воедино, а целехонькая чашка вновь вспрыгивает на стол. Подобное поведение диктуется вторым началом термодинамики, которое гласит, что в любой замкнутой системе беспорядок (или энтропия, что то же самое) всегда возрастает со временем. В известном смысле этот лучший из миров подчиняется знаменитому закону Мерфи, согласно которому бутерброд всегда падает маслом вниз. Читателю, тяготеющему к научной строгости, можно предложить несколько иную формулировку этого шуточного закона: из двух равновероятных событий всегда происходит наиболее неприятное.
Итак, закон неубывания энтропии, или увеличение беспорядка с течением времени, лежит в основе термодинамической стрелы. Космологическая стрела отражает расширение Вселенной, а психологическая определяет наше субъективное ощущение времени. А поскольку она задается термодинамической стрелой и подчинена ей, мы запоминаем события в том же порядке, в каком растет энтропия. Именно поэтому мы помним прошлое, а не будущее.
Первоначально, к моменту Большого взрыва, Вселенная пребывала в высокоупорядоченном состоянии, но по мере того как эпоха сменялась эпохой, а мир порождал структуру за структурой в виде звезд, планет и галактик, энтропия неуклонно росла. На первый взгляд мы сталкиваемся с некоторым противоречием, поскольку эволюция Вселенной вообще и эволюция органического мира в частности (не говоря уже о становлении разума на планете Земля), казалось бы, не согласуются с увеличением беспорядка. Ведь жизнь развивалась от простого к сложному и в конце концов произвела на свет удивительный и совершенный механизм – гомеостат второго рода, каким является человеческий мозг. Едва ли кто-нибудь станет спорить, что человек значительно сложнее бактерии. Тем не менее это противоречие мнимое, ибо локальная упорядоченность непременно сопровождается ростом энтропии. Стивен Хокинг проиллюстрировал это обстоятельство весьма наглядно. Он пишет в «Краткой истории времени»:
Если вы запомните каждое слово из этой книжки, то ваша память получит около двух миллионов единиц информации и порядок в вашей голове возрастет примерно на два миллиона единиц. Но пока вы читали эту книгу, по крайней мере тысяча калорий упорядоченной энергии, которую вы получили в виде пищи, превратились в неупорядоченную энергию, которую вы передали в окружающий вас воздух в виде тепла за счет конвекции и потовыделения. Беспорядок во Вселенной возрастет при этом примерно на двадцать миллионов миллионов миллионов миллионов единиц, что в десять миллионов миллионов миллионов раз превышает указанное увеличение порядка в вашем мозгу, – и это произойдет лишь в том случае, если вы запомните все из моей книжки.
Таким образом, наше субъективное ощущение времени – его неумолимая психологическая стрела – задается стрелой термодинамической, и второе начало термодинамики при такой постановке вопроса становится почти тривиальным. Беспорядок растет со временем, потому что мы измеряем время в том направлении, в котором растет беспорядок. Логика вполне безупречная. Остается только разобраться, почему и космологическая, и термодинамическая стрела тоже направлены в одну сторону. Ларчик открывается просто. Если Вселенная будет расширяться достаточно долго, то к тому времени, когда расширение сменится сжатием, все звезды благополучно сгорят, а частицы развалятся на элементарные кирпичи. Другими словами, Вселенная окажется в крайне неупорядоченном состоянии.
Но для эволюции органического мира и существования разумной жизни необходима, как мы помним, сильная термодинамическая стрела, потому что все живое потребляет пищу, которая выступает в роли носителя упорядоченной формы энергии. Жизнь переводит ее в неупорядоченную форму, превращая энергию пищи в тепло. Таким образом, на стадии сжатия существование сложных структур невозможно, ибо мир отличается предельной неупорядоченностью и не содержит необходимого строительного материала. Вдобавок в фазе сжатия температура и давление будут неуклонно расти, так что любая органика неминуемо погибнет в пламени мирового пожара.
Справедливости ради следует отметить, что некоторые ученые рассматривают новорожденную Вселенную как предельно неупорядоченную структуру. Скажем, знаменитый бельгийский физик русского происхождения Илья Пригожин полагает, что история Вселенной с момента Большого взрыва есть не что иное, как процесс эволюционного усложнения некоего «первичного атома», который был ее элементарным хаотически однородным состоянием. А доступные наблюдению и совершенно бесспорные процессы термодинамической деградации нашего мира носят сугубо локальный характер и ни в малейшей степени не влияют на судьбу Вселенной. По Пригожину, процессы самоорганизации будут продолжаться неограниченно долго, пока в конце концов не восторжествуют над силами вселенского распада. Однако большинство физиков с Пригожиным решительно не согласны и расценивают исходное состояние Вселенной как пример высокоупорядоченной структуры. Так или иначе, но вопрос о стреле времени пока еще очень далек от окончательного разрешения. А вам, читатель, если хотите разобраться в проблеме более основательно, рекомендую увлекательную книжку Стивена Хокинга «Краткая история времени».
Вернемся к варианту обхода сингулярности, предложенному Хокингом. Забегая немного вперед, отмечу, что его сценарий напичкан головоломной математикой и потому очень непрост для популярного изложения. Даже у специалистов, собаку съевших на различных моделях Вселенной, порой опускаются руки, когда они пытаются разобраться в построениях британского теоретика. Например, известный отечественный физик Я. А. Смородинский откровенно пишет, что пройдет еще немало времени, пока заманчивая и многообещающая идея Хокинга станет сколько-нибудь понятной.
Модель Вселенной
Стандартную модель Вселенной, обремененную сингулярностью, можно графически изобразить в виде конуса. Горизонтальная ось будет обозначать время, а две взаимно перпендикулярные вертикали – пространство нашего мира. Вершина конуса соответствует точке «ноль», моменту рождения Вселенной «из ничего». Легко видеть, что и масштабный фактор, то есть размер Вселенной, тоже равнялся в то время нулю. С течением времени диаметр окружности непрерывно растет, поскольку Вселенная расширяется. Таким образом, наш конус можно представить как набор срезов различного диаметра, каждый из которых соответствует некоторому вполне определенному моменту времени. Чем дальше в прошлое, тем меньше размер Вселенной, пока в вершине конуса (то есть в сингулярности) он окончательно не обратится в нуль. Итак, перед нами своего рода конусообразный хлебный батон, состоящий из отдельных ломтиков хлеба.
Однако сингулярность, как мы помним, не просто безразмерная точка, но исчезающе малый объем, лежащий в области планковских длин (10-33 сантиметров). Напомню, что квантовые флуктуации, которыми мы легко пренебрегаем в «большом» мире, становятся весьма значимыми при масштабах порядка 10-33 сантиметров. Планковскую длину луч света пересекает за 10- 43 секунды, следовательно, мы можем рассматривать эту величину как своего рода «квант времени».
