Читать книгу Эта идея должна умереть. Научные теории, которые блокируют прогресс - Сборник - Страница 15

Это предположение восходит по меньшей мере к 1865 году, когда Рудольф Клаузиус ввел термин «энтропия» и заявил, что энтропия Вселенной стремится к максимуму. Эта идея теперь известна как второй закон термодинамики, который чаще всего формулируется так: энтропия изолированной системы всегда увеличивается или остается постоянной, но никогда не уменьшается. Изолированные системы эволюционируют к состоянию максимальной энтропии – состоянию термодинамического равновесия. Хотя энтропия и будет играть главную роль в нашем обсуждении, ей придется на этот раз смириться с довольно грубым определением: энтропия – это мера неупорядоченности физической системы. В квантовом описании системы ее энтропия определяется числом квантовых состояний, соответствующих одному и тому же макроскопическому – то есть состоянию, описываемому такими переменными, как температура, объем и плотность.

Классический пример – газ в закрытом резервуаре. Если принять, что все молекулы газа сначала находятся в одном углу резервуара, то можно представить, что произойдет потом. Молекулы газа равномерно заполнят весь резервуар, увеличив энтропию до максимума. Но в обратном направлении процесс пойти уже не сможет: если молекулы газа заполнили резервуар, то мы никогда не увидим, как они сами по себе вновь соберутся в одном из его углов.

Такое поведение кажется естественным, но плохо сочетается с нашим пониманием основополагающих законов физики. Из-за того что газ всегда стремится из состояния с меньшей энтропией к состоянию с большей, возникает огромное различие между прошлым и будущим. Это однонаправленное поведение материи в большом масштабе называется «стрела времени». Однако микроскопические законы, описывающие столкновения молекул, симметричны по отношению ко времени и не делают никаких различий между прошлым и будущим.

Можно прокрутить задом наперед любой фильм о столкновении, и всё равно картина столкновения останется достоверной. (Для некоторых очень редких событий, открытых учеными, занимающимися физикой элементарных частиц, такой фильм будет гарантированно правильным, только если он к тому же отражается в зеркале и каждая частица выглядит как соответствующая античастица.) Отсюда возникает важная проблема, которой уже больше ста лет: понять, каким образом стрела времени могла возникнуть из симметричных во времени законов эволюции.

Тайна стрелы времени заставляла физиков искать причины в рамках наблюдаемых законов физики – но безуспешно. Эти законы не делают различия между прошлым и будущим. Физики, однако, поняли, что система всегда будет стремиться перейти из состояния с низкой энтропией в состояние с более высокой просто потому, что состояний с более высокой энтропией много больше. Таким образом, сегодня энтропия выше, чем была вчера, потому что вчера Вселенная была в состоянии с более низкой энтропией. А еще днем раньше энтропия была еще ниже. Традиционное понимание этой модели позволяет отследить изменения энтропии до момента рождения Вселенной, а происхождение стрелы времени связывают с немного таинственными начальными условиями Вселенной, которые должны соответствовать состоянию минимальной энтропии. Как писал Брайан Грин в The Fabric of the Cosmos[10],

исходным источником порядка, низкой энтропии должен быть сам Большой взрыв… Яйцо разбивается скорее, чем восстанавливается, поскольку это продолжение стремления вперед к более высокой энтропии, которое было инициировано состоянием с экстраординарно низкой энтропией, с которого началась Вселенная.

Если развить идею, выдвинутую в 2004 году Шоном Кэрроллом и Дженнифер Чен, то возможно новое решение вековой проблемы стрелы времени. Эта работа, которую я веду вместе с Шоном Кэрроллом и Цэнем Чэньяо, пока находится в стадии предположений и еще не проверена научным сообществом. Но, кажется, она предлагает привлекательную альтернативу стандартной картине.

Согласно стандартной картине, начальные условия в момент рождения Вселенной должны отвечать состоянию с минимальной энтропией, поскольку иначе не будет никакой стрелы времени. (Никакого похожего предположения нельзя сделать о конечном состоянии, а стрела времени определяется асимметричностью состояний во времени.) Мы, напротив, доказываем, что стрелу времени можно объяснить, и не делая каких-то специальных предположений о начальных условиях, поэтому исчезает необходимость в гипотезе о том, что Вселенная началась в состоянии исключительно низкой энтропии. Самая привлекательная черта нашей идеи состоит в том, что больше не надо делать никаких предположений, которые нарушают временнýю симметрию известных физических законов.

В основе своей идея проста: мы на самом деле не знаем, конечна или бесконечна максимально возможная энтропия Вселенной, поэтому предположим, что она бесконечна. Далее, независимо от того, с какой степени энтропии началась Вселенная, эта энтропия в любом случае была низкой по сравнению с этим максимумом. И это всё, что нужно, чтобы доказать, почему с тех пор энтропия постоянно нарастает!

Метафора газа в резервуаре замещается газом без резервуара. В контексте того, что физики называют «рассуждением на пальцах» – то есть упрощенной модели, призванной проиллюстрировать какой-нибудь главный принцип и не претендующей на то, чтобы быть реалистичной во всем остальном, – мы можем представить себе выбор (произвольным и симметричным по времени образом) изначального состояния газа, состоящего из некоего конечного количества невзаимодействующих частиц. Здесь важно, что любое правильно определенное состояние должно иметь конечную величину энтропии и конечное расстояние максимального удаления любой частицы от начала нашей системы координат. Если проследить развитие этой системы в будущее, частицы в течение какого-то конечного времени могут двигаться внутрь или наружу, но в конечном счете движущиеся внутрь частицы минуют центральную зону и начнут двигаться вовне. В конечном счете все частицы будут двигаться наружу, и газ продолжит бесконечно расширяться в бесконечное пространство с бесконечно растущей энтропией. Стрела времени – постоянный рост энтропии во времени – получена без помощи каких-либо асимметричных по времени допущений.

Интересная особенность получающейся в этом случае картины заключается в том, что у Вселенной не должно быть начала, и с того места, где мы начали, она может быть продолжена в обоих направлениях времени. Поскольку законы эволюции и изначальное состояние временно-симметричны, прошлое будет статистически эквивалентно будущему. Наблюдатели в глубоком прошлом будут видеть стрелу времени в противоположном направлении от нашего, но их опыт ничем не будет отличаться от нашего.