От большого взрыва до черных дыр. Краткая история времени.

Хокинг С.

Выдержки из книги «От большого взрыва до черных дыр. Краткая история времени»,
Москва, Мир, 1990, стр. 7-8, 124-131, 145-147.
Hawking S.W., «A Brief History of Time: From the Big Bang to Black Holes»,
(Toronto, New York, London, Sydneu, Auckland, 1988), page 198.

Предисловие.

Мы живем, почти ничего не понимая в устройстве мира. Не задумываемся над тем, какой механизм порождает солнечный свет, который обеспечивает наше существование, не думаем о гравитации, которая удерживает нас на Земле, не давая ей сбросить нас в пространство. Нас не интересуют атомы, из которых мы состоим и от устойчивости которых мы сами существенным образом зависим. За исключением детей (которые еще слишком мало знают, чтобы не задавать такие серьезные вопросы), мало кто ломает голову над тем, почему природа такова, какова она есть, откуда появился космос и не существовал ли он всегда? не может ли время однажды повернуть вспять, так что следствие будет предшествовать причине? есть ли непреодолимый предел человеческого познания? Бывают даже такие дети (я их встречал), которым хочется знать, как выглядит черная дыра, какова самая маленькая частичка вещества? почему мы помним прошлое и не помним будущее? если раньше и правда был хаос, то как получилось, что теперь установился видимый порядок? и почему Вселенная вообще существует?
В нашем обществе принято, что родители и учителя в ответ на эти вопросы большей частью пожимают плечами или призывают на помощь смутно сохранившиеся в памяти ссылки на религиозные легенды. Некоторым не нравятся такие темы, потому что в них живо обнаруживается узость человеческого понимания.
Но развитие философии и естественных наук продвигалось вперед в основном благодаря подобным вопросам. Все больше взрослых людей проявляют к ним интерес, и ответы иногда бывают совершенно неожиданными для них. Отличаясь по масштабам как от атомов, так и от звезд, мы раздвигаем горизонты исследований, чтобы охватить как очень маленькие, так и очень большие объекты.
Весной 1974 г., примерно за два года до того, как космический аппарат "Викинг" достиг поверхности Марса, я был в Англии на конференции, организованной Лондонским королевским обществом и посвященной возможностям поиска внеземных цивилизаций. Во время перерыва на кофе я обратил внимание на гораздо более многолюдное собрание, проходившее в соседнем зале, и из любопытства вошел туда. Так я стал свидетелем давнего ритуала - приема новых членов в Королевское общество, которое является одним из старейших на планете объединений ученых. Впереди молодой человек, сидевший в инвалидном кресле, очень медленно выводил свое имя в книге, предыдущие страницы которой хранили подпись Исаака Ньютона. Когда он, наконец, кончил расписываться, зал разразился овацией. Стивен Хокинг уже тогда был легендой.
Сейчас Хокинг в Кембриджском университете занимает кафедру математики, которую когда-то занимал Ньютон, а позже П. А. М. Дирак - два знаменитых исследователя, изучавшие один - самое большое, а другой - самое маленькое. Хокинг - их достойный преемник. Эта первая популярная книга Хокипга содержит массу полезных вещей для широкой аудитории. Книга интересна не только широтой своего содержания, она позволяет увидеть, как работает мысль ее автора. Вы найдете в ней ясные откровения о границах физики, астрономии, космологии и мужества.
Но это также книга о Боге... а может быть, об отсутствии Бога. Слово "Бог" часто появляется на ее страницах. Хокинг отправляется на поиски ответа на знаменитый вопрос Эйнштейна о том, был ли у Бога какой-нибудь выбор, когда он создавал Вселенную. Хокинг пытается, как он сам пишет, разгадать замысел Бога. Тем более неожиданным оказывается вывод (по меньшей мере временный), к которому приводят эти поиски: Вселенная без края в пространстве, без начала и конца во времени, без каких-либо дел для Создателя.
Карл Саган, Корнеллский университет, Итака, шт. Нью-Йорк.

9. Стрела времени.

В предыдущих главах мы видели, как менялись наши взгляды на природу времени с течением лет. До начала нынешнего века люди верили в абсолютное время. Это значит, что каждое событие можно единственным образом пометить неким числом, которое называется временем, и все точно идущие часы будут показывать одинаковый интервал времени между двумя событиями. Но открытие, что скорость света одна и та же для любого наблюдателя независимо от того, как он движется, привело к созданию теории относительности, которая отвергла существование единого абсолютного времени. Каждый наблюдатель имеет свое время, которое он измеряет своими часами, и показания часов разных наблюдателей не обязаны совпадать. Время стало более субъективным понятием, связанным с наблюдателем, который его измеряет.
Попытки объединить гравитацию с квантовой механикой привели к понятию мнимого времени. Мнимое время ничем не отличается от направлений в пространстве. Идя на север, можно повернуть назад и пойти на юг. Аналогично, если кто-то идет вперед в мнимом времени, то он может повернуть и пойти назад. Это означает, что между противоположными направлениями мнимого времени нет существенной разницы. Но когда мы имеем дело с реальным временем, то мы знаем, что существует огромное различие между движением во времени вперед и назад. Откуда же берется такая разница между прошлым и будущим? Почему мы помним прошлое, но не помним будущего?
Законы науки не отличают прошлого от будущего. Точнее говоря, законы науки не меняются в результате выполнения операций (или симметрий), обозначаемых буквами С, Р и Т. (С - замена частицы античастицей, Р - зеркальное отражение, когда левое и правое меняются местами, а Т - изменение направления движения всех частиц на обратное).
Законы физики, управляющие поведением материи во всех обычных ситуациях, не изменяются и после выполнения только двух операций С и Р. Другими словами, жизнь будет одинакова и для нас, и для обитателей другой планеты, если они, во-первых, являются нашим зеркальным отражением и, во-вторых, состоят из антиматерии, а не из материи. Если законы науки не изменяет комбинация операций С и Р, а также тройная комбинация С, Р и Т, то эти законы не должны изменяться и при выполнении одной операции Т. Однако в обычной жизни существует огромное различие между движением вперед и назад во времени. Представьте себе, что со стола падает и разбивается на куски чашка с водой. Если снять это падение на пленку, то при просмотре фильма сразу станет ясно, вперед или назад прокручивается пленка. Если она прокручивается назад, то мы увидим, как лежащие на полу осколки вдруг собираются вместе и, сложившись в целую чашку, впрыгивают на стол. Вы можете утверждать, что фильм прокручивается назад, потому что в обычной жизни такого не бывает. Иначе пришлось бы закрыть фаянсовые заводы.
Чтобы объяснить, почему разбитые чашки никогда не возвращаются целыми обратно на стол, обычно ссылаются на то, что это противоречило бы второму закону термодинамики. Он гласит, что в любой замкнутой системе беспорядок, или энтропия, всегда возрастает со временем. Другими словами, это похоже на закон Мерфи: все в нашем мире происходит не так, как надо. Целая чашка на столе - это состояние высокого порядка, а разбитая, лежащая на полу, находится в состоянии беспорядка. Нетрудно пройти путь от целой чашки на столе в прошлом до разбитой на полу, но обратный ход событий невозможен.
Увеличение беспорядка, или энтропии, с течением времени - это одно из определений так называемой стрелы времени, т. е. возможности отличить прошлое от будущего, определить направление времени. Можно говорить по крайней мере о трех различных стрелах времени. Во-первых, стрела термодинамическая, указывающая направление времени, в котором возрастает беспорядок, или энтропия. Во-вторых, стрела психологическая. Это направление, в котором мы ощущаем ход времени, направление, при котором мы помним прошлое, но не будущее. И в-третьих, стрела космологическая. Это направление времени, в котором Вселенная расширяется, а не сжимается.
В данной главе я докажу, что, исходя из условия отсутствия границ у Вселенной и из слабого антропного принципа, можно объяснить, почему все три стрелы времени направлены одинаково и, более того, почему вообще должна существовать определенная стрела времени. Я докажу, что психологическая стрела определяется термодинамической и обе эти стрелы всегда направлены одинаково. Предположив, что для Вселенной справедливо условие отсутствия границ, мы увидим, что должны существовать хорошо определенные термодинамическая и космологическая стрелы времени, хотя они не обязаны быть одинаково направленными на протяжении всей истории Вселенной. Но, как я покажу, лишь в том случае, когда направления этих стрел совпадают, могут возникнуть условия для развития разумных существ, способных задать такой вопрос: почему беспорядок увеличивается в том же направления по времени, в котором расширяется Вселенная?
Сначала рассмотрим термодинамическую стрелу времени. Второй закон термодинамики вытекает из того, что состояний беспорядка всегда гораздо больше, чем состояний порядка. Возьмем, например, картинку на детских кубиках. Имеется только одно взаимное расположение кубиков, при котором составляется нужная картинка. В то же время есть очень много разных беспорядочных расположений, когда картинка не составляется вообще.
Предположим, что какая-то система вначале находится в одном из немногих состояний порядка. С течением времени состояние системы будет изменяться в полном согласии с законами науки. Через некоторое время система из состояния порядка, скорее всего, перейдет в состояние беспорядка, поскольку состояний беспорядка больше. Следовательно, если система вначале находилась в состоянии высокого порядка, то со временем будет расти беспорядок. Так, если паши кубики сложены в картинку, то при перемешивании изменится их расположение и станет, скорее всего, беспорядочным, потому что состояний беспорядка опять гораздо больше, чем состояний порядка. Картинка, конечно, при этом будет разрушена. Некоторые кубики еще будут удерживаться вместе, образуя куски картинки, но чем больше мы будем их перемешивать, тем с большей вероятностью эти куски рассыплются и все еще больше перепутается. В конце концов никакой картинки у нас не останется. Таким образом, беспорядок будет расти со временем, если в начале было состояние высокого порядка.
Предположим, однако, что Бог повелел, чтобы развитие Вселенной независимо от начального состояния заканчивалось в состоянии высокого порядка. На ранних стадиях Вселенная, вероятнее всего, находилась бы в состоянии беспорядка. Это означало бы, что беспорядок уменьшается со временем. Тогда вы видели бы, как разбитые чашки собираются из осколков и впрыгивают на стол. Но люди, которые видели бы такие прыгающие чашки, должны быть жителями вселенной, в которой беспорядок уменьшается со временем. Я утверждаю, что психологическая стрела времени этих людей должна быть направлена назад, т.е. они должны помнить события в будущем, но не должны помнить события, происходившие в прошлом. Увидев разбитую чашку, они вспомнили бы, как она стоит на столе, но когда она оказывается на столе, они не помнили бы, что она была на полу.
Рассуждать о человеческой памяти - весьма непростое занятие, ибо мы не знаем во всех деталях, как работает наш мозг. Зато мы знаем все о том, как действует память компьютера. Поэтому я буду говорить о психологической стреле времени для компьютеров. Мне кажется вполне логичным предположить, что и у компьютеров, и у людей психологическая стрела одна и та же. Если бы это было не так, то, имея компьютер, который помнил бы завтрашний курс акций, можно было бы прекрасно играть на бирже.
Память компьютера - это, грубо говоря, устройство, содержащее элементы, которые могут находиться в одном из двух состояний. Простой пример такого устройства - абак, древние счеты. В простейшем виде это набор горизонтальных проволочек, на каждую из которых насажена бусинка. Каждая бусинка находится в одном из двух положений. До тех пор пока в память компьютера ничего не введено, она находится в беспорядочном состоянии, в котором оба возможных расположения бусинок равновероятны (бусинки на проволочках распределены случайным образом). После того как память провзаимодействует с системой, состояние которой надо запомнить, ее состояние станет вполне определенным, зависящим от состояния системы. (Каждая бусинка на счетах будет либо в правом, либо в левом конце своей проволочки). Итак, память компьютера перешла из беспорядка в упорядоченное состояние. Но для того, чтобы быть уверенным в том, что память находится в правильном состоянии, надо затратить некоторое количество энергии (например, для перебрасывания бусинок или питания компьютера). Эта энергия перейдет в тепло и тем самым увеличит степень беспорядка во Вселенной. Можно показать, что это увеличение беспорядка будет всегда больше, чем увеличение упорядоченности самой памяти. Необходимость охлаждения компьютера вентилятором говорит о том, что, когда компьютер записывает что-то в память, общий беспорядок во Вселенной все-таки увеличивается. Направление времени, в котором компьютер запоминает прошлое, оказывается тем же, в котором растет беспорядок.
Следовательно, наше субъективное ощущение направления времени - психологическая стрела времени - задается в нашем мозгу термодинамической стрелой времени. Как и компьютер, мы должны запоминать события в том же порядке, в котором возрастает энтропия. Второй закон термодинамики становится при этом почти тривиальным. Беспорядок растет со временем, потому что мы измеряем время в направлении, в котором растет беспорядок. Трудно спорить с такой логикой!
Все же, почему термодинамическая стрела времени должна вообще существовать? Или, другими словами, почему на одном из концов времени, на том его конце, который мы называем прошлым, Вселенная должна находиться в состоянии с высокой упорядоченностью? Почему бы ей не быть в состоянии полного беспорядка? Ведь это выглядело бы более вероятным. Кроме того, почему беспорядок растет во времени в том же направлении, в котором расширяется Вселенная?
Классическая общая теория относительности не позволяет вычислить, как возникла Вселенная, потому что в сингулярной точке большого взрыва все известные нам законы природы должны нарушаться. Вселенная могла возникнуть в каком-то однородном, сильно упорядоченном состоянии. Это привело бы к четко определенным стрелам времени - термодинамической и космологической, как это наблюдается сейчас. Однако начальное состояние Вселенной вполне могло бы быть и очень неоднородным, и неупорядоченным. В этом случае Вселенная уже находилась бы в состоянии полного беспорядка и беспорядок не мог бы увеличиваться со временем. Он мог бы оставаться неизменным, тогда не было бы определенной термодинамической стрелы времени, либо мог бы уменьшаться, и тогда термодинамическая стрела времени была бы направлена навстречу космологической стреле. Ни одна из этих возможностей не согласуется с тем, что мы наблюдаем. Как мы, однако, видели, классическая общая теория oтносительности предсказывает свое нарушение. Когда кривизна пространства-времени становится большой, становятся существенными квантовые гравитационные эффекты, и классическая теория перестает служить надежным основанием для описания Вселенной. Чтобы понять, как возникла Вселенная, необходимо обратиться к квантовой теории гравитации.
Но, чтобы определить в квантовой теории гравитации состояние Вселенной, необходимо, как мы видели в предыдущих главах, знать, как возможные истории Вселенной вели сабя на границе пространства-времени в прошлом. Необходимость знать то, что мы не знаем и знать не можем, отпадает лишь в том случае, если прошлые истории удовлетворяют условию отсутствия границ: они имеют конечную протяженность, но у них пет ни границ, ни краев, ни особенностей. Тогда начало отсчета времени должно было быть регулярной, гладкой точкой в пространстве-времени и Вселенная начала бы свое расширение из весьма однородного и упорядоченного состояния. Оно не могло бы быть совершенно однородным, потому что этим нарушался бы принцип неопределенности квантовой теории. Это значит, что должны существовать небольшие флуктуации плотности и скоростей частиц. Но в силу условия отсутствия границ эти флуктуации должны были быть малы, чтобы согласоваться с принципом неопределенности.
Вначале Вселенная могла бы экспоненциально расширяться, или раздуваться, в результате чего ее размеры увеличились бы во много раз. Флуктуации плотности, оставаясь сначала небольшими, потом начали бы расти. Расширение тех областей, в которых плотность была чуть выше средней, происходило бы медленнее из-за гравитационного притяжения лишней массы. В конце концов такие области перестанут расширяться и коллапсируют, в результате чего образуются галактики, звезды и живые существа вроде нас. Таким образом, в момент возникновения Вселенная могла находиться в однородном и упорядоченном состоянии и перейти со временем в состояние неоднородное и неупорядоченное. Такой подход мог бы объяснить существование термодинамической стрелы времени.
Но что произошло бы, когда Вселенная перестала бы расширяться и стала сжиматься? Повернулась бы при этом термодинамическая стрела времени? Начал бы уменьшаться со временем беспорядок? Перед теми, кому посчастливилось бы пережить переход из фазы расширения в фазу сжатия, открылись бы самые фантастические возможности. Может быть, они увидели бы, как осколки разбитых чашек собираются на полу в целые чашки, которые возвращаются обратно на стол? А может быть, они бы помнили завтрашний курс акций и удачно играли на бирже? Правда, беспокойство по поводу того, что случится, если Вселенная опять начнет коллапсировать, кажется несколько преждевременным - сжатия не будет еще по крайней мере десять тысяч миллионов лет. Однако узнать об этом можно гораздо быстрее. Для этого надо просто прыгнуть в черную дыру. Коллапс звезды в состояние черной дыры аналогичен последним стадиям коллапса всей Вселенной. Поэтому если беспорядок должен уменьшаться на стадии сжатия Вселенной, то он будет уменьшаться и внутри черной дыры. Тогда астронавт, упавший в черную дыру, мог бы там подзаработать, играя в рулетку. Ведь еще не сделав ставки, он бы уже помнил, где остановится шарик. (Правда, игра была бы очень недолгой, лишь до тех пор, пока сам астронавт не превратился бы в спагетти. Не успев сообщить нам о повороте термодинамической стрелы и даже не получив выигрыш, он исчез бы за горизонтом событий черной дыры).
Вначале я считал, что при коллапсе Вселенной беспорядок должен уменьшаться, потому что, став опять маленькой, Вселенная должна была бы вернуться в исходное гладкое и упорядоченное состояние. Это означало бы, что фаза сжатия эквивалентна обращенной во времени фазе расширения. На стадии сжатия жизнь должна течь в обратном направлении, так что люди умирали бы до своего рождения и по мере сжатия Вселенной становились бы все моложе и моложе.
Привлекательность такого вывода - в красивой симметрии между фазой расширения и фазой сжатия. Однако его нельзя рассматривать сам по себе, независимо от других представлений о Вселенной. Возникает вопрос: следует ли этот вывод из условия отсутствия границ или же, напротив, с этим условием несовместим? Как уже говорилось, я считал вначале, что условие отсутствия границ в самом деле означает, что беспорядок должен увеличиваться на стадии сжатия. Отчасти меня ввела в заблуждение аналогия с поверхностью Земли. Положим, что начало Вселенной соответствует Северному полюсу. Тогда конец Вселенной должен быть похож на начало так же, как Южный полюс похож на Северный. Но Северный и Южный полюсы соответствуют началу и концу Вселенной в мнимом времени. В реальном же времени начало и конец могут сколь угодно сильно отличаться друг от друга. Меня еще ввела в заблуждение работа, в которой я рассматривал одну простую модель Вселенной, где фаза коллапса была похожа на обращенную во времени фазу расширения. Но мой коллега, Дон Пейдж из Университета штата Пенсильвания, показал, что условие отсутствия границ вовсе не требует того, чтобы фаза сжатия была обращенной во времени фазой расширения. Затем один из моих аспирантов, Реймонд Лефлемм, установил, что в несколько более сложной модели коллапс Вселенной сильно отличается от ее расширения. Я понял, что ошибся: из условия отсутствия границ следует, что во время сжатия беспорядок должен продолжать увеличиваться. Термодинамическая и психологическая стрелы времени не изменят своего направления на противоположное ни в черной дыре, ни во Вселенной, начавшей сокращаться вновь.
Что бы вы сделали, обнаружив у себя такую ошибку? Некоторые никогда не признаются в своей неправоте и продолжают поиски новых, часто совершенно необоснованных, аргументов в пользу своих идей. Так поступил Эддингтон, выступив противником теории черных дыр. Другие заявляют, что они никогда и не поддерживали эту неправильную точку зрения, а если и поддерживали, то лишь для того, чтобы продемонстрировать ее несостоятельность. Мне кажется, что гораздо правильнее выступить в печати с признанием своей неправоты. Прекрасный пример тому - Эйнштейн. О введении космологической постоянной, которая понадобилась ему при построении статической модели Вселенной, он говорил как о своей самой серьезной ошибке.
Вернемся к стреле времени. У нас остался один вопрос: почему, как показывают наблюдения, термодинамическая и космологическая стрелы направлены одинаково? Или, другими словами, почему беспорядок возрастает во времени в том же направлении, в каком расширяется Вселенная? Если считать, что Вселенная после расширения начнет сжиматься, как, по-видимому, следует из условия отсутствия границ, то наш вопрос звучит так: почему мы должны находиться в фазе расширения, а не в фазе сжатия?
Ответ на этот вопрос дает слабый антропный принцип: условия в фазе сжатия непригодны для существования таких разумных существ, которые могли бы спросить, почему беспорядок растет в том же направлении во времени, в котором расширяется Вселенная. Условие отсутствия границ предсказывает раздувание Вселенной на ранних стадиях развития. Это означает, что расширение Вселенной должно происходить со скоростью, очень близкой к критической, при которой коллапс исключается, а потому коллапса не будет очень долго. Но тогда все звезды успеют сгореть, а образующие их протоны и нейтроны распадутся на более легкие частицы. Вселенная осталась бы в состоянии практически полного беспорядка, в котором не было бы сильной термодинамической стрелы времени. Беспорядок не мог сильно увеличиваться, ведь Вселенная и так находилась бы в состоянии почти полного беспорядка. Но для существования разумной жизни необходима сильная термодинамическая стрела. Чтобы выжить, люди должны потреблять пищу, которая выступает как носитель упорядоченной формы энергии, и превращать ее в тепло, т. е. в неупорядоченную форму энергии. Следовательно, на стадии сжатия никакой разумной жизни быть не могло. Этим объясняется, почему для нас термодинамическая и космологическая стрелы времени направлены одинаково. Неверно считать, будто беспорядок растет из-за расширения Вселенной. Всему причиной условие отсутствия границ. Из-за него растет беспорядок, но только в фазе расширения создаются условия для существования разумной жизни.
Подведем итог. Законы науки не делают различия между направлением "вперед" и "назад" во времени. Но существуют по крайней мере три стрелы времени, которые отличают будущее от прошлого. Это термодинамическая стрела, т.е. то направление времени, в котором возрастает беспорядок; психологическая стрела - то направление времени, в котором мы помним прошлое, а не будущее; космологическая стрела - направление времени, в котором Вселенная не сжимается, а расширяется. Я показал, что психологическая стрела практически эквивалентна термодинамической стреле, так что обе они должны быть направлены одинаково. Из условия отсутствия границ вытекает существование четко определенной термодинамической стрелы времени, потому что Вселенная должна была возникнуть в гладком и упорядоченном состоянии. А причина совпадения термодинамической и космологической стрел кроется в том, что разумные существа могут жить только в фазе расширения. Фаза сжатия для них не подходит, потому что в ней отсутствует сильная термодинамическая стрела времени.
Прогресс человека на пути познания Вселенной привел к возникновению маленького уголка порядка в растущем беспорядке Вселенной. 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. В следующей главе я попытаюсь навести у нас в головах еще больший порядок. Я расскажу о том, как люди пытаются объединить друг с другом те отдельные теории, о которых я рассказал, стараясь создать полную единую теорию, которая охватывала бы все, что происходит во Вселенной.

11. Заключение.

Мы живем в удивительном мире. Нам хочется понять то, что мы видим вокруг, и спросить: каково происхождение Вселенной? какое место в ней занимаем мы, и откуда мы и она - все это взялось? почему все происходит именно так, а не иначе?
Для ответа на эти вопросы мы принимаем некую картину мира. Такой картиной может быть как башня из стоящих друг на друге черепах, несущих на себе плоскую Землю, так и теория суперструн. Обе они являются теориями Вселенной, но вторая значительно математичнее и точнее первой. Ни одна из этих теорий не подтверждена наблюдениями: никто никогда не видел гигантскую черепаху с нашей Землей на спине, но ведь и суперструну никто никогда не видел. Однако модель черепах нельзя назвать хорошей научной теорией, потому что она предсказывает возможность выпадения людей через край мира. Такая возможность не подтверждена экспериментально, разве что она окажется причиной предполагаемого исчезновения людей в Бермудском треугольнике!
Самые первые попытки описания и объяснения Вселенной были основаны на представлении, что событиями и явлениями природы управляют духи, наделенные человеческими эмоциями и действующие совершенно как люди и абсолютно непредсказуемо. Эти духи населяли такие природные объекты, как реки, горы и небесные тела, например, Солнце и Луну. Полагалось задабривать их и добиваться их расположения, чтобы обеспечить плодородие почвы и смену времен года. Но постепенно люди должны были подметить определенные закономерности: Солнце всегда вставало на востоке и садилось на западе независимо от того, была или не была принесена жертва богу Солнца. Солнце, Луна и планеты ходили по небу вдоль совершенно определенных путей, которые можно было предсказать наперед с хорошей точностью. Солнце и Луна все же могли оказаться богами, но богами, которые подчиняются строгим, по-видимому, не допускающим исключений законам, если, конечно, отвлечься от россказней вроде легенды о том, как ради Иисуса Навина остановилось Солнце.
Сначала закономерности и законы были обнаружены только в астрономии и еще в считанных случаях. По мере развития цивилизации, и особенно за последние триста лет, открывались все новые и новые закономерности и законы. Успешное применение этих законов в начале XIX в. привело Лапласа к доктрине научного детерминизма. Ее суть в том, что должна существовать система законов, точно определяющих, как будет развиваться Вселенная, по ее состоянию в один какой-нибудь момент времени.
Лапласовский детерминизм был неполным но двум причинам. В нем ничего не говорилось о том, как следует выбирать законы, и никак не определялось начальное состояние Вселенной. И то и другое предоставлялось решать Богу. Бог должен был решить, каким быть началу Вселенной и каким законам ей подчиняться, но с возникновением Вселенной его вмешательство прекратилось. Практически Богу были оставлены лишь те области, которые были непонятны науке XIX в.
Сейчас мы знаем, что мечты Лапласа о детерминизме нереальны, по крайней мере в том виде, как это понимал Лаплас. В силу квантово-механического принципа неопределенности некоторые пары величин, например, положение частицы и ее скорость, нельзя одновременно абсолютно точно предсказать.
Квантовая механика в подобных ситуациях обращается к целому классу квантовых теорий, в которых частицы не имеют точно определенных положений и скоростей, а представляются в виде волн. Такие квантовые теории являются детерминистскими в том смысле, что они указывают закон изменения волн со временем. Поэтому, зная характеристики волны в один момент времени, мы можем рассчитать, какими они станут в любой другой момент времени. Элемент нспредсказуемости и случайности возникает лишь при попытках интерпретации волны на основе представлений о положении и скорости частиц. Но в этом-то, возможно, и заключается наша ошибка: может быть, нет ни положений, ни скоростей частиц, а существуют одни только волны. И ошибка именно в том, что мы пытаемся втиснуть понятие волны в наши заскорузлые представления о положениях и скоростях, а возникающее несоответствие и есть причина кажущейся непредсказуемости.
И вот мы поставили иную задачу перед наукой: найти законы, которые позволяли бы предсказывать события с точностью, допускаемой принципом неопределенности. Однако все равно остается без ответа вопрос: как и почему производился выбор законов и начального состояния Вселенной?
В этой книге я особо выделил законы, которым подчиняется гравитация, потому что, хотя гравитационные силы самые слабые из существующих четырех типов сил, именно под действием гравитации формируется крупномасштабная структура Вселенной. Законы гравитации были несовместимы с еще недавно бытовавшей точкой зрения, что Вселенная не изменяется со временем: из того, что гравитационные силы всегда являются силами притяжения, вытекает, что Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься. Согласно общей теории относительности, в прошлом должно было существовать состояние с бесконечной плотностью - большой взрыв, который и стал эффективно началом отсчета времени. Аналогичным образом, если вся Вселенная испытает повторный коллапс, то в будущем должно обнаружиться еще одно состояние с бесконечной плотностью - большой хлопок, который станет концом течения времени. Даже если вторичный коллапс Вселенной не произойдет, во всех локализованных областях, из которых в результате коллапса образовались черные дыры, все равно возникнут сингулярности. Эти сингулярности будут концом времени для любого, кто упадет в черную дыру. В точке большого взрыва и в других сингулярностях нарушаются все законы, а поэтому за Богом сохраняется полная свобода в выборе того, что происходило в сингулярностях и каким было начало Вселенной.
При объединении квантовой механики с общей теорией относительности возникает, по-видимому, новая, доселе неизвестная возможность: пространство и время могут вместе образовать конечное четырехмерное пространство, не имеющее сингулярностей и границ и напоминающее поверхность Земли, но с большим числом измерений. С помощью такого подхода удалось бы, наверное, объяснить многие из наблюдаемых свойств Вселенной, например, ее однородность в больших масштабах и одновременно отклонения от однородности, наблюдаемые в меньших масштабах, такие, как галактики, звезды и даже человеческие существа. С помощью этого подхода можно было бы объяснить даже существование наблюдаемой нами стрелы времени. Но если Вселенная полностью замкнута и не имеет ни сингулярностей, ни границ, то отсюда вытекают очень серьезные выводы о роли Бога как Создателя.
Однажды Эйнштейн задал вопрос: "Какой выбор был у Бога, когда он создавал Вселенную?" Если верно предположение об отсутствии границ, то у Бога вообще не было никакой свободы выбора начальных условий. Разумеется, у него еще оставалась свобода выбора законов, которым подчиняется Вселенная. Но их на самом деле не так уж много; существует, возможно, всего одна или несколько полных единых теорий, например, теория гетеротической струны, которые были бы непротиворечивы и допускали существование таких сложных структур, как человеческие существа, способных исследовать законы Вселенной и задавать вопросы о сущности Бога.
Даже если возможна всего одна единая теория - это просто набор правил и уравнений. Но что вдыхает жизнь в эти уравнения и создает Вселенную, которую они могли бы описывать? Обычный путь пауки - построение математической модели - не может привести к ответу на вопрос о том, почему должна существовать Вселенная, которую будет описывать построенная модель. Почему Вселенная идет на все хлопоты существования? Неужели единая теория так всесильна, что сама является причиной своей реализации? Или ей нужен создатель, а если нужен, то оказывает ли он еще какое-нибудь воздействие на Вселенную? И кто создал его?
Пока большинство ученых слишком заняты развитием новых теорий, описывающих, что есть Вселенная, и им некогда спросить себя, почему она есть. Философы же, чья работа в том и состоит, чтобы задавать вопрос "почему", не могут угнаться за развитием научных теорий. В XVIII в. философы считали все человеческое знание, в том числе и науку, полем своей деятельности и занимались обсуждением вопросов типа: было ли у Вселенной начало? Но расчеты и математический аппарат науки XIX и XX вв. стали слишком сложны для философов и вообще для всех, кроме специалистов. Философы настолько сузили круг своих запросов, что самый известный философ нашего века Виттгенштейн по этому поводу сказал: "Единственное, что еще остается философии, - это анализ языка". Какое унижение для философии с ее великими традициями от Аристотеля до Канта!
Но если мы действительно откроем полную теорию, то со временем ее основные принципы станут доступны пониманию каждого, а не только нескольким специалистам. И тогда все мы, философы, ученые и просто обычные люди, сможем принять участие в дискуссии о том, почему так произошло, что существуем мы и существует Вселенная. И если будет найден ответ на такой вопрос, это будет полным триумфом человеческого разума, ибо тогда нам станет понятен замысел Бога.

Справка.

Хокинг (Hawking Stephen William) Стивен Вильям (1942 г.р.), английский физик-теоретик. В 1962 получил степень бакалавра по математике и физике в Юниверсити-колледже Оксфордского университета, а в 1966 – степень доктора философии по прикладной математике и теоретической физике в Кембриджском университете. В 1974 был избран членом Лондонского королевского общества. В 1977 стал профессором гравитационной физики, в 1979 – профессором математики Кембриджского университета. В 1988 за работы по черным дырам вместе с Р.Пенроузом получил премию Фонда Вольфа по физике.
Хокинг – автор ряда популярных книг по космологии, в числе которых мировой бестселлер «От Большого Взрыва до черных дыр. Краткая история времени» (A Brief History of Time: From the Big Bang to Black Holes, 1988), а также издания «Черные дыры и вселенные-младенцы и другие эссе» (Black Holes and Baby Universes and Other Essays, 1994) и – в соавторстве с Дж.Эллис – «Крупномасштабная структура пространства-времени» (The Large-Scale Structure of Space-Time, 1975).

Саган (Sagan Carl) Карл Эдуард (1934-1996), американский астроном, профессор (с 1970). Обнаружил органические молекулы в атмосфере Юпитера. По данным радиолокации предсказал большие перепады высот (до 16 км) на Марсе. Участвовал в исследовании планет космическими аппаратами. Известный популяризатор науки и писатель, автор книг «Разумная жизнь во Вселенной» (совместно с И.С. Шкловским, 1966), «Космос» (1980), «Контакт» (1985, русский перевод 1994). Пулитцеровская премия (1978).

Будущее всегда воспринимается нами иначе, чем прошлое - это один из основных факторов нашей жизни. Однако в больших космологических масштабах и будущее, и прошлое могут выглядеть одинаково.

Наша Вселенная выглядит как-то не так. Сначала это утверждение кажется несколько странным, поскольку в распоряжении космологов имеется не так уж и много вселенных для сравнения. Как узнать, на что должна быть похожа «правильная» вселенная? Спустя долгие годы теоретических и наблюдательных исследований космологи выработали достаточно четкое представление о том, что считать «нормой», и та Вселенная, которую мы видим сейчас, не удовлетворяет этому представлению.

Автор сразу предостерегает читателя от заблуждения. На сегодняшний момент ученые обладают достаточно полной, подробной и согласованной картиной происхождения и эволюции Вселенной. Согласно современному представлению, 14 млрд лет назад пространство-время было несравненно более горячим и плотным, чем, например, внутренние области современных звезд. Расширяясь, пространство охлаждалось и становилось более разреженным. Практически все имеющиеся наблюдения объясняются такой картиной, однако наличие некоторого количества странных и необъяснимых особенностей, прежде всего в ранней Вселенной, говорит о том, что в нашем понимании истории Вселенной есть белые пятна.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Фундаментальные законы физики действуют одинаково вперед и назад во времени. Однако мы ощущаем время, движущееся только в одном направлении: из прошлого в будущее. Почему так происходит?

2. Для объяснения этого факта необходимо произвести изыскания в предыстории Вселенной, в эпохе до Большого взрыва. Наша Вселенная может оказаться крохотной частью гораздо более обширной области пространства-времени, так называемой Мультиленной, которая, возможно, симметрична во времени. Другими словами, в разных частях Мультиленной время может течь вспять.

Среди таких необычных черт одна выделяется особенно ярко - это асимметрия времени во Вселенной. Физические законы микромира, во многом определяющие поведение Вселенной, одинаковы и в прошлом, и в будущем, но ранняя Вселенная - горячая, плотная, однородная - сильно отличается от окружающего нас холодного, разреженного и неоднородного пространства.

Вселенная начала свое развитие с обладающего большой упорядоченностью состояния и с тех пор становилась все более неупорядоченной. Необратимость этого процесса во времени (или просто асимметрию времени) символизирует стрела, всегда направленная из прошлого в будущее. «Стрела времени» играет важнейшую роль в нашей повседневной жизни, объясняя, почему мы, например, можем сделать из яйца омлет, но не наоборот, или почему в стакане воды никогда самопроизвольно не образуются кубики льда, или почему мы помним о событиях в прошлом, а не в будущем. Происхождение «стрелы времени» может быть последовательно прослежено вспять, вплоть до времен очень ранней Вселенной, момента Большого взрыва. Можно сказать, что каждый раз, разбивая яйцо для омлета, мы проводим настоящий космологический эксперимент, подтверждая существование «стрелы времени». Подтверждая, но, как и вся современная космология, не объясняя причины ее наличия. Эта основная загадка той Вселенной, которую мы наблюдаем, намекает на существование гораздо большего пространства-времени, недоступного наблюдениям. Она добавляет веса гипотезе о том, что мы видим лишь малую часть Мультиленной, чья динамика поможет нам объяснить необычные свойства нашей локальной области.

Загадка энтропии

Физики запрятали концепцию асимметрии времени в знаменитый второй закон термодинамики, гласящий, что энтропия замкнутой системы никогда не убывает. Грубо говоря, энтропия есть мера беспорядка системы. В XIX в. австрийский физик Людвиг Больцман объяснил энтропию в терминах различия макро- и микросостояния объекта. Так, если бы вас попросили дать физическое описание налитого в чашку кофе, вы скорее всего обратились бы к его макрохарактеристикам, а именно температуре, давлению и другим общим свойствам. Микросостояние специфицирует точное положение и скорость каждого отдельно взятого атома в рассматриваемой среде (в нашем примере в кофе). Важно отметить, что множество различных микросостояний соответствует какому-то единственному макросостоянию: ведь мы можем переместить один или два атома, из-за чего общее (макро-) состояние нашего кофе никак не изменится.

НАГЛЯДНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ОБ ЭНТРОПИИ

Сырое яйцо своим примером демонстрирует асимметрию времени: оно легко разбивается, но, однажды разбитое, уже не может снова стать целым - по той простой причине, что способов разбиться гораздо больше, чем собраться в целую конфигурацию. Если говорить на жаргоне физиков, разбитое яйцо обладает большей энтропией

Энтропия характеризуется числом различных микросостояний, которые соответствуют одному и тому же макросостоянию (математически энтропия есть произведение числа микросостояний на логарифм этого числа). Существует гораздо больше способов упорядочить некий набор атомов в обладающую большой энтропией конфигурацию, чем способов упорядочить атомы в конфигурацию с низкой энтропией. Поясним на примере двух несмешивающихся жидкостей. Представьте, что вы добавили в ваш кофе сливки. Существует огромное количество способов взаимного распределения молекул, при котором сливки и кофе окажутся полностью перемешанными, и сравнительно небольшое количество способов распределить их так, чтобы молекулы сливок сгруппировались, оказавшись, например, окруженными молекулами кофе. Более вероятно получить именно равномерную смесь, она обладает большей энтропией.

Таким образом, не удивительно, что в подавляющем большинстве процессов энтропия обладает тенденцией возрастать со временем. Количество состояний с высокой энтропией значительно превышает количество состояний с низкой энтропией; почти любое изменение системы ведет ее в состояние с более высокой энтропией на основе простых вероятностных принципов. Именно по этой причине сливки всегда смешиваются с кофе. Физически, конечно, возможно, что все молекулы сливок «сговорятся» расположиться одна за другой, но статистически это очень маловероятно: если бы вы ждали, пока молекулы сливок, случайно перегруппировавшись, без постороннего вмешательства образовали бы такую конфигурацию, вам пришлось бы ждать гораздо дольше, чем составляет современный возраст Вселенной. «Стрела времени» - это просто тенденция системы эволюционировать в направлении более вероятного состояния с более высокой энтропией.

КАК ГРАВИТАЦИЯ ВЛИЯЕТ НА ЭНТРОПИЮ

«Низкая энтропия» и «высокая энтропия» зависят от ситуации. Физики судят о количестве энтропии в некоторой системе, основываясь на анализе эволюции этой системы во времени. Например, если разреженный и достаточно холодный газ «чувствует» гравитацию, то он эволюциони- рует как сгусток. Энтропия такой системы растет - так, у облака энтропия высока, даже если на первый взгляд оно кажется упорядоченным (т.е. визуально проявляет признаки системы с низкой энтропией)

1. Гравитация «выключена»
2. Объем пространства фиксирован
В случае если силами гравита- ционного взаимодействия можно пренебречь, газ в заданном объеме обладает низкой энтропией, если он концентрируется в углу, и высокой энтропией, если он разлетается во все стороны. Таким образом, разлет молекул газа действительно увеличивает энтропию

1. Гравитация «включена»
2. Объем пространства фиксирован Если вклад гравитации значим, реализуется обратная ситуация: газ увеличивает свою энтропию, сжимаясь в черную дыру. Таким образом, для гравитирующего газа предпочтительнее сформировать облако, а не разлететься. Черная дыра может вечно находиться в состоянии равновесия с окружением

1. Гравитация «включена»
2. Объем пространства увеличивается
Если рассматриваемый объем уже не фиксирован, а растет со временем, газ на начальной стадии сгущается в облака и формирует черную дыру, но потом черная дыра испаряется. Разлетающийся газ приводит к росту энтропии и к сильному разряжению пространства

Однако объяснение того, почему состояния с низкой энтропией переходят в состояния с высокой энтропией, далеко не то же самое, что ответ на вопрос, почему энтропия возрастает во Вселенной. Вопрос остается открытым: почему в начале развития Вселенной энтропия была очень низкой? Этот факт кажется очень неестественным, поскольку состояния с низкой энтропией, как мы только что выяснили на простом примере, довольно редки. Даже если допустить, что современная Вселенная обладает неким средним уровнем энтропии, все равно невозможно объяснить, почему раньше энтропия была ниже. Среди всех допустимых начальных условий развития нашей Вселенной (при которых Вселенная к настоящему моменту времени развилась бы именно в то, что мы сейчас наблюдаем), подавляющее большинство обладало бы гораздо большей, а не меньшей энтропией.

Другими словами, природа бросает космологам вызов: не объяснить, почему завтра энтропия Вселенной будет больше, чем сегодня, но понять, почему вчера энтропия была ниже, чем сегодня, а позавчера была ниже, чем вчера. Последний вопрос гораздо более сложен, чем кажется на первый взгляд, потому что мы можем проследить его логику на протяжении всего пути во времени вплоть до Большого взрыва - начала рождения времени в наблюдаемой Вселенной. Асимметрия времени - вопрос, на который должны ответить космологи.

Беспорядок пустоты

Ранняя Вселенная была ареной, где свершались великие события. Все частицы, составляющие наблюдаемую Вселенную, были сжаты в невероятно горячем и плотном крошечном объеме. Важно отметить, что частицы были распределены почти равномерно: средний контраст плотности составлял около 10–5. Постепенно, с расширением и остыванием Вселенной, гравитационное притяжение увеличивало этот контраст: области, в которых изначально было чуть больше частиц, сформировали звезды и галактики, области с небольшим недостатком частиц опустели, образовав войды (пустоты).

Гравитация стала основной силой, формирующей структуру Вселенной. К сожалению, у нас все еще нет четкого понимания эволюции энтропии в системе с учетом гравитационных взаимодействий, тесно связанных с геометрией пространства-времени. Построение единой картины мира есть цель многих современных физических теорий, например квантовой гравитации. В то время как мы можем связать энтропию среды с поведением составляющих ее молекул, мы не знаем, из чего состоит само пространство-время. Другими словами, нам не известно, каким образом гравитационные микросостояния могут быть поставлены в соответствие каждому конкретному макросостоянию.

«СТРЕЛА ВРЕМЕНИ»: ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ ЧАСТЬ I

Если энтропия всегда только возрастает, то как тогда могли сформироваться объекты, обладающие низкой энтропией, например то же яйцо? Закон энтропии применим только к замкнутым системам. Не запрещено уменьшение энтропии в открытых системах, включая кур. Курица затрачивает много энергии для того, чтобы снести яйцо.

Не могут ли некоторые процессы при взаимодействии частиц обладать встроенной «стрелой времени»? Распады некоторых элементарных частиц, например нейтральных каонов, в определенном смысле чаще случаются в одном направлении времени, а не в другом. (Физикам нет нужды путешествовать назад во времени, чтобы выявить такую асимметрию - они просто выводят эту закономерность, изучая другие свойства частиц.) Но эти процессы обратимы в противоположность росту энтропии, то есть они не объясняют «стрелу времени». Стандартная Модель физики частиц не представляется способной объяснить закон энтропии в ранней Вселенной.

Несмотря на указанные трудности, мы все же обладаем некими общими представлениями о том, как должна себя вести энтропия (рис. ниже). В случае если гравитацией можно пренебречь, как в примере с чашкой кофе, равномерное распределение частиц обладает высокой энтропией. Это условие есть состояние равновесия системы. Даже если частицы снова перегруппировались, то в макромасштабе ничего «особенного» не случится, поскольку частицы и до этого уже были основательно перемешаны. Однако если гравитацию нельзя исключить из рассмотрения и фиксировать объем, в котором эволюционирует система, то сглаженное распределение имеет сравнительно низкую энтропию. В последнем случае система очень далека от состояния равновесия. Наличие гравитации приводит к тому, что частицы группируются, образуя звезды и галактики, и энтропия, согласно второму закону термодинамики, значимо увеличивается.

Если мы захотим максимизировать энтропию в объеме, где гравитацией нельзя пренебречь, мы знаем, что произойдет: появится черная дыра. В 1970 г. Стивен Хокинг (Stephen Hawking) из ДАМПТ в Кембридже подтвердил провокационное предположение Якова Бекенштейна (Jakob Bekenstein), в настоящее время работающего в Еврейском университете в Иерусалиме, что черные дыры очень хорошо подчиняются второму закону термодинамики. Так же, как и горячие тела, для описания которых был сформулирован второй закон термодинамики, черные дыры могут излучать частицы (испаряться) и обладают большим количеством энтропии. Одиночная черная дыра с массой, составляющей около миллиона солнечных масс (подобная той, что предположительно находится в центре нашей Галактики), обладает энтропией, в сто раз превышающей энтропию всех частиц в наблюдаемой Вселенной.

Итак, со временем черная дыра испаряется согласно механизму Хокинга. Черная дыра не обладает наибольшей возможной в природе энтропией, тем не менее ее энтропия - наибольшая, которая может быть заключена в заданном объеме. Объем пространства Вселенной, по-видимому, со временем неограниченно растет. В 1998 г. астрономы открыли, что наша Вселенная ускоренно расширяется. Наиболее простое объяснение этому наблюдательному факту - наличие так называемой «темной энергии», некой формы энергии, которая существует даже в пустом пространстве и, насколько сейчас можно судить, не меняет своей плотности с его расширением. Наличие темной энергии - не единственно возможное объяснение ускоренного расширения, однако все попытки предложить что-то лучшее довольно быстро проваливаются.

ВОССТАНОВЛЕНИЕ СИММЕТРИИ ВРЕМЕНИ

Вселенная начала свое существование с плазмы высокой степени однородности и, согласно одной из космологических концепций, закончит свое существование, став почти пустым пространством. Если сказать кратко, то Вселенная эволюционирует от состояния с низкой энтропией к состоянию с высокой энтропией - конечному состоянию, которое физики называют «тепловая смерть». Однако такая модель не может объяснить, как возникло начальное состояние, обладающее низкой энтропией.

Предлагаемая автором модель включает в себя «доисторический» космологический период, захватывающий гипотетическую эпоху до Большого взрыва. Согласно этой модели, Вселенная началась с пустоты и пустотой же и закончится. Появление звезд и галактик есть просто непродолжительное отклонение от обычных условий равновесия (Рисунки схематичны; не показано расширение про- странства)

Если темная энергия не меняет своей плотности, Вселенная будет расширяться вечно. Удаленные галактики исчезнут из нашего поля зрения (см.: Кросс Л., Шеррер Р. Наступит ли конец космологии? // ВМН, № 6, 2008 ). Те же, что останутся вблизи нас, превратятся в черные дыры, которые будут испаряться в окружающую тьму, подобно тому как высыхает лужа в жаркий день. Через миллиарды лет, возможно, останется действительно пустая Вселенная. Тогда и только тогда она на самом деле будет обладать максимально возможной энтропией. Вселенная придет в состояние равновесия, и с этого момента в ней больше никогда ничего не произойдет. Может показаться странным, что пустое пространство обладает гигантской энтропией. Это звучит примерно как утверждение, что самый захламленный рабочий стол в мире - это… абсолютно пустой стол. Ведь энтропия требует наличия микросостояний, а пустое пространство, на первый взгляд, не содержит ни одного. Однако на самом деле пустое пространство обладает огромным количеством квантово-гравитационных микросостояний, сформировавшихся в ткани пространства-времени. Мы до сих пор с определенностью не знаем, что представляют собой такие состояния. Ученым не известно, как микросостояния объясняют энтропию черной дыры. Но, тем не менее, считается установленным, что в ускоряющейся Вселенной энтропия в доступном наблюдению объеме приближается к постоянному значению, пропорциональному площади границы этого объема. Энтропия, содержащаяся в этом объеме, огромна - ее гораздо больше, чем просто в материи в таком же объеме.

Прошлое и будущее

Важнейшая идея предыдущих рассуждений - подчеркнуть различие между прошлым и будущим. Вселенная начинает свое развитие из состояния с очень низкой энтропией: частицы гладко «упакованы» вместе. Вселенная эволюционирует, проходя через состояние с промежуточной энтропией: неоднородное распределение звезд и галактик, которое мы видим сегодня вокруг нас. В конце концов Вселенная достигает состояния с высокой энтропией: почти пустое пространство, изредка пересекаемое низкоэнергетическими частицами.

«СТРЕЛА ВРЕМЕНИ»: ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ ЧАСТЬ II

Почему мы помним прошлое, но не помним будущее? Для формирования достоверной памяти требуется, чтобы прошлое было упорядоченно - т.е. обладало низкой энтропией. Если энтропия высока, почти все «воспоминания» были бы случайными флуктуациями, совершенно не связанными с тем, что реально происходило в прошлом.

Почему же прошлое и будущее Вселенной так непохожи? Для объяснения, почему наша Вселенная начала свое развитие из состояния с низкой энтропией, постулировать начальные условия оказывается совершенно не достаточным. Философ Хав Прайс (Huw Price) из Сиднейского университета заметил, что любое обоснование начальных условий может быть применимо и к конечным условиям. Иначе говоря, мы допустим логическую ошибку, считая, что прошлое Вселенной было каким-то особенным, поскольку последнее утверждение изначально являлось бы тем, что подлежало доказательству. Таким образом, либо мы должны считать глубокую асимметрию времени просто некой данностью, абсолютным свойством нашей Вселенной, и избегать объяснений этого факта, либо мы должны более тщательно и терпеливо вникать в проблемы пространства и времени.

Если темная энергия не меняет своей плотности, Вселенная будет расширяться вечно

«СТРЕЛА ВРЕМЕНИ»: ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ ЧАСТЬ III

Проверяема ли теория Мультиленной? Идея о том, что Вселенная простирает- ся гораздо дальше, чем мы можем наблю- дать, не является реальной теорией - это предсказание, сделанное на основе некоторых представлений квантовой теории и гравитации. По общему признанию, это предсказание невозможно проверить напрямую. Но все физические теории заставляют нас выходить за пределы того, что мы можем непосредственно наблю- дать. Например, современная модель происхождения крупномасштабной структуры - сценарий инфляционной Вселен- ной -требует понимания физических условий до инфляции.

Многие космологи стараются связать асимметрию времени с космологической инфляцией, ранней эпохой экспоненциального расширения Вселенной. Инфляция предлагает простое и согласующееся с наблюдательными данными объяснение многих важных особенностей Вселенной. Согласно инфляционной парадигме, очень ранняя Вселенная (или, по крайней мере, некоторая ее часть) была заполнена не частицами, а временной формой темной энергии (полем инфлатона), плотность которой была гораздо больше, чем плотность темной энергии, которая наблюдается в сегодняшней Вселенной. Эта энергия и вызвала расширение Вселенной с очень большим ускорением, после чего распалась, образовав высокотемпературную плазму, позже разделившуюся на привычные нам материю и излучение. Остался лишь слабый след темной энергии, который стал значимым только в современную эпоху.

Первоначальная мотивация для теории инфляции - дать строгое объяснение хорошо подобранным условиям ранней Вселенной, в частности, большой однородности плотности материи в далеко отстоящих друг от друга областях. Ускорение, вызванное инфлатоном, практически идеально сгладило Вселенную. Все структурные особенности Вселенной до периода инфляции несущественны, поскольку инфляция стерла все следы существовавших до нее условий, оставив нам горячую, плотную, однородную раннюю Вселенную.

Парадигма инфляции оказалась очень удачной по многим причинам. Ее предсказания слабого отклонения от строгой однородности согласуются с наблюдениями флуктуаций плотности во Вселенной. Однако с точки зрения объяснения асимметрии времени многие космологи полагают ее в большой степени ловким трюком по причинам, указанным Роджером Пенроузом (Roger Penrose) из Оксфордского университета и другими. Для того чтобы инфляция началась, сверхплотная темная энергия должна была обладать довольно специфической конфигурацией. Фактически ее энтропия должна была быть гораздо меньше, чем энтропия плазмы, на которую она распалась. Это означает, что инфляция в действительности ничего не решает: она «объясняет» состояние с необычно низкой энтропией (горячая, плотная, однородная плазма) путем привлечения предположения о предыдущем состоянии с еще меньшей энтропией (однородная часть пространства, доминированная сверхплотным инфлатоном). Это просто отодвигает решение проблемы на шаг назад, к вопросу о том, почему вообще была инфляция.

Один из доводов, почему космологи привлекают инфляцию для объяснения асимметрии времени - то, что начальная конфигурация темной энергии не кажется маловероятной. Во время инфляции Вселенная была меньше сантиметра в диаметре. Такая маленькая область не может обладать большим числом микросостояний, следовательно, не так уж невероятно, что Вселенная натолкнется на микросостояние, соответствующее инфляции.

К сожалению, это интуитивное заключение обманчиво. Ранняя Вселенная, даже такая крошечная, обладает ровно тем же количеством микросостояний, что и наблюдаемая сегодня. Согласно законам квантовой механики, общее количество микросостояний системы никогда не меняется. (Энтропия возрастает не из-за роста числа микросостояний, а потому, что система естественным образом приходит в наиболее общее возможное макросостояние.) Ранняя Вселенная - точно такая же физическая система, как и поздняя Вселенная, одно эволюционирует в другое.

Среди многочисленных возможных микросостояний Вселенной лишь ничтожная часть соответствует гладкой конфигурации сверхплотной темной энергии, упакованной в крошечный объем. Условия, необходимые для начала инфляции, очень специфичны и, таким образом, описывают конфигурацию с очень низкой энтропией. Если бы вы выбирали конфигурацию Вселенной случайно, то с очень большой вероятностью не попали бы в нужные условия для начала инфляции. Таким образом, инфляция сама по себе не объясняет, почему ранняя Вселенная обладала низкой энтропией, которая просто «нужна» для начала инфляции; существование такой конфигурации просто подразумевается с самого начала.

Вселенная, симметричная во времени

Инфляция оказалась бессильна ответить на вопрос, почему прошлое отличается от будущего. Существует смелая и очень простая стратегия решения этой проблемы: возможно, очень далекое прошлое вообще никак не отличается от очень далекого будущего и тоже обладает высокой энтропией. Если это так, то горячее, плотное состояние, которое мы назвали «ранняя Вселенная», не является действительным началом Вселенной, а всего лишь представляет собой некоторое переходное состояние на пути ее эволюции.

Некоторые космологи предполагают, что Вселенная совершила «отскок». До этого события пространство сжималось, однако оно не пришло в состояние с бесконечной плотностью. Вместо этого благодаря неизвестным физическим причинам - квантовой гравитации, дополнительным измерениям пространства, суперструнам или чему-то еще - пространство стало расширяться, и такой переход от сжатия к расширению воспринимается нами сейчас как Большой взрыв. Однако и такой подход не объясняет происхождение «стрелы времени», и вот почему. Если в предыдущей вселенной, до «отскока», энтропия по мере сжатия пространства возрастала, то в этом случае «стрела времени» должна растягиваться бесконечно в прошлое. Если же энтропия уменьшалась, то получается, что состояние с низкой энтропией реализовалось почему-то посередине истории Вселенной (в момент «отскока»). В любом случае, мы снова остаемся без ответа, почему вблизи Большого взрыва энтропия была такой маленькой.

Вместо проделанных рассуждений давайте предположим, что Вселенная начала свое развитие из состояния с высокой энтропией, являющегося наиболее естественным. Хороший кандидат на такую роль - пустое пространство. Подобно любому состоянию с высокой энтропией, пустое пространство «предпочитает» оставаться неизменным, из чего сразу же возникает проблема: как же нам получить нашу сегодняшнюю Вселенную из замершего пустого пространства? Решение может предоставить темная энергия. В ее присутствии пустое пространство уже не является пустым. Флуктуации квантовых полей порождают очень низкую температуру, гораздо меньшую, чем температура современной Вселенной, но все же не равную абсолютному нулю. В такой Вселенной все квантовые поля испытывают случайные флуктуации. Следовательно, если мы подождем достаточно долго, отдельные частицы или даже совокупности частиц будут флуктуировать до своего реального появления (это именно реальные частицы, в противоположность короткоживущим «виртуальным», которые пустое пространство содержит даже в отсутствии темной энергии). Рождаются не только частицы. Флуктуирует и темная энергия, порождая сгустки повышенной плотности. Если какой-то из сгустков оказался наделенным правильными свойствами, то он подвергнется инфляционному расширению и «оторвется», сформировав дочернюю вселенную. Наша Вселенная может оказаться «плодом» какой-либо другой вселенной.

На первый взгляд, этот сценарий имеет некоторое сходство со стандартной теорией инфляции. Мы тоже полагаем, что сгусток темной энергии, обладающий повышенной плотностью, появляется случайным образом, давая начало инфляции. Разница нашей модели и модели инфляции - в природе начальных условий.

В стандартном сценарии сгусток темной энергии образуется в сильно флуктуирующей Вселенной, в которой громадное большинство флуктуаций не производит ничего похожего на инфляцию. Возможно, что для Вселенной гораздо более вероятно флуктуировать прямо в горячую стадию, минуя инфляцию. Более того, с точки зрения энтропии было бы еще более вероятно флуктуировать напрямую в ту конфигурацию, которую мы видим сегодня, минуя 14 млрд лет космологической эволюции.

В новом сценарии вселенная, существовавшая до нашей Вселенной, никогда не была подвержена случайным флуктуациям; она находилась в очень специфическом состоянии, а именно, являлась пустым пространством. Эта теория утверждает - и оставляет для дальнейшего доказательства - то, что наиболее вероятный способ создавать вселенные, подобные нашей Вселенной, из такого предыдущего состояния - это пройти инфляционный период, а не флуктуировать сразу в современную конфигурацию. Другими словами, согласно новому сценарию, Вселенная есть флуктуация, но не случайная.

Ученые обдумывают идею о дочерних вселенных уже много лет, но мы до сих пор не понимаем процесс их зарождения

«Инемерв алертс»

Данный сценарий, предложенный в 2004 г. Дженнифер Чен (Jennifer Chen) из Чикагского университета и мной, дает провокационное решение проблемы происхождения асимметрии времени во Вселенной, а именно: мы видим только малую часть большой картины, которая вся целиком полностью симметрична по времени. Энтропия может возрастать безгранично благодаря созданию новых дочерних вселенных.

Лучше всего продемонстрировать эту теорию, рассмотрев эволюцию вселенной - как по ходу времени, так и обратно во времени. Представьте, что в некий момент времени мы начали наблюдать пустое пространство и прослеживаем эволюцию этой системы в будущее и прошлое. (Эволюция системы идет в обе стороны, поскольку мы не предполагаем избранное направление «стрелы времени».) В результате флуктуаций пространства образуются дочерние вселенные, которые эволюционируют в обе стороны во времени, постепенно пустеют и порождают собственные дочерние вселенные. На сверхбольших расстояниях такая Мультиленная выглядела бы статистически симметричной относительно времени: и в будущем, и в прошлом рождались бы дочерние вселенные, умножающиеся без границ. Каждая из дочерних вселенных обладала бы «стрелой времени», но в половине из них время текло бы в одну сторону, а во второй половине - в другую.

Ни одно существо, живущее в области с обратным временем, не могло бы родиться старым и умереть молодым

ИСТОРИЯ НАБЛЮДАЕМОЙ ВСЕЛЕННОЙ

Ниже представлена краткая хронология важных событий истории наблюдаемой Вселенной

1. Пустое пространство, лишенное каких бы то ни было особенностей, но обладающее небольшим количеством вакуумной энергии, а также редкими длинноволновыми (низкоэнергетическими) частицами, сформировавшимися в результате флуктуаций заполняющих пространство квантовых полей.
2. Излучение высокой интенсивности начинает внезапно прилетать cо всех сторон сферическим фронтом с центром в некоторой точке пространства. Когда излучение собирается в точке, формируется так называемая «белая дыра».
3. Белая дыра постепенно растет до миллиарда солнечных масс благодаря аккреции дополнительного излучения, обладающего растущей температурой.
4. Другие белые дыры начинают приближаться с расстояния в миллиарды световых лет. Они формируют однородное распределение, медленно вращаясь одна около другой.
5. Белые дыры начинают терять массу, выбрасывая газ, пыль и излучение в окружающее пространство.
6. Газ и пыль иногда взрываются, формируя звезды, которые группируются в галактики, окружающие белые дыры.
7. Как и белые дыры, сформировавшиеся звезды получают направленное внутрь излучение. Они используют энергию этого излучения для превращения тяжелых элементов в легкие.
8. Звезды рассеиваются, постепенно превращаясь в равномерно распределенный газ; вещество продолжает двигаться как единое целое, становясь более плотным.
9. Вселенная становится горячее и плотнее и в конце концов «схлопывается».

Нет нужды говорить, что это очень необычный способ описания истории нашей Вселенной - последовательность событий, обращенная назад во времени. Законы физики работают и при смене хода течения времени на противоположный. Таким образом, указанная последовательность вполне имеет право на существование наравне с привычной для нас картиной. Цель этого изложения - показать, насколько в действительности неправдоподобна вся история нашей наблюдаемой Вселенной

Идея о существовании вселенных с противоположной ориентацией «стрелы времени» может показаться тревожащей. Если бы мы встретили кого-нибудь из такой вселенной, мог бы он «помнить» будущее? К счастью, такое рандеву никогда не сможет состояться. В описываемом нами сценарии те области пространства, где время течет вспять, находятся очень далеко в нашем прошлом, задолго до нашего Большого взрыва. Между нашими мирами лежит обширная часть вселенной, в которой время, согласно нашей идее, не движется совсем; там почти нет материи, и энтропия не меняется. Заметим, тем не менее, что ни одно существо, живущее в области с обратным временем, не могло бы родиться старым и умереть молодым, либо продемонстрировать что-то еще, странное с нашей точки зрения. Для них время текло бы совершенно обычным образом. Только при сравнении двух миров наше будущее оказалось бы их прошлым и наоборот. Но такое сравнение возможно только умозрительно, поскольку мы никогда не сможем добраться до них, а они никогда не придут к нам.

Мы считаем, что на текущем этапе развития космологии нашу модель нельзя признать ни истинной, ни ложной. Ученые обдумывают идею о дочерних вселенных уже много лет, но мы до сих пор не понимаем процесс их зарождения. Если квантовые флуктуации могли бы создавать новые вселенные, они должны были бы создавать и многие другие вещи - например целую галактику.

По сценарию, подобному нашему, для объяснения той Вселенной, которую мы видим, нужно предсказать, что большинство галактик рождаются как следствия событий, аналогичных Большому взрыву, а не как одинокие флуктуации в пустом пространстве. Если это не так, то наша Вселенная кажется очень неестественной.

Подчеркнем, что наша основная цель не в том, чтобы предложить какой-либо конкретный сценарий структуры пространства-времени на сверхбольших масштабах. Главной мы считаем ту идею, что удивительное свойство нашего наблюдаемого мира - «стрела времени», берущая начало в ранней Вселенной, обладавшей низкой энтропией, - может дать нить к разгадке природы принципиально не доступной наблюдениям части Мультиленной.

Как было сказано в начале статьи, очень хорошо обладать теорией, согласующейся с реальными данными. Но некоторые космологи хотят большего: мы ищем понимания законов природы и законов развития нашей Вселенной, в которой все обладает смыслом для нас. Мы не хотим ограничивать себя, принимая странные свойства нашей Вселенной как простой набор фактов. Драматическая асимметрия времени дает нам ключи к чему-то более глубокому, к глобальному понимаю пространства и времени. Наша цель как физиков - использовать этот и другие факты для построения единой картины всей Мультиленной.

Если наблюдаемая Вселенная - это все, что существует, то «стрела времени» вряд ли может быть объяснена естественным образом. Но если Вселенная вокруг нас есть маленькая часть огромного полотна Мультиленной, то перед учеными открываются новые возможности. Мы можем считать нашу область Вселенной всего лишь отражением тенденции большой системы увеличивать свою энтропию неограниченно - как в далеком будущем, так и в далеком прошлом. Перефразируя американского физика Эдварда Триона (Edward Tryon), Большой взрыв проще понять, если не считать его началом всего, но всего лишь рядовым событием, которое происходит время от времени.

Другие исследователи работают над близкими идеями, и все больше космологов серьезно воспринимают проблему «стрелы времени». Удивительно просто наблюдать эту стрелу: все, что мы должны сделать - это добавить немного сливок в свой кофе. Прихлебывая напиток, давайте задумаемся, как такое нехитрое действо может быть прослежено на всем протяжении пути к началу нашей наблюдаемой Вселенной, а возможно, и дальше.

Перевод: О.С. Сажина

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА

• Time’s Arrow and Archimedes’ Point: New directions for the Physics of Time. Huw Price. Oxford University Press, 1996.
• Spontaneous Inflation and the Origin of the Arrow of Time. Sean M. Carroll and Jennifer Chen. Submitted on October 27, 2004. www.arxiv.org/abs/hepth/0410270
• Dark Energy and the Preposterous Universe. Sean M. Carroll in Sky & Telescope, Vol. 109, No. 3, pages 32–39; March 2005. Доступно на: at www.preposterousuniverse.com/writings/skytel-mar05.pdf

Шон Кэрролл (Sean M. Carroll) - старший научный сотрудник Калифорнийского технологического института. Область исследований - космология, физика частиц и общая теория относительности, в особенности вопросы темной энергии. Был награжден грантами фондов Слоана и Паккарда, а также премией за преподавание Совета по преподаванию аспирантам Массачусетсского технологического института и медалью Университета Вилланова. Вне научного сообщества Кэрролл наиболее известен как активный участник сетевого дневника Cosmic Variance. Этот электронный ресурс не только является наиболее известным блогом по науке в Америке, но и стал тем местом, где автору статьи посчастливилось встретить свою будущую жену, писательницу Дженнифер Олетт (Jennifer Oullette).

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

• Введение
• 2. Физические «стрелы времени»
• 2.1 Термодинамическая стрела времени
• 2.2 Космологическая стрела времени
• 2.3 Волновая стрела времени
• 3. Эволюционная «стрела времени»
• 5. Принцип причинности
• Заключение
• С писок использованной литературы

Введение

То, что на сегодняшний день нам известно о строении Вселенной, позволяет считать, что ее энергия утекает не безвозвратно. Рано или поздно процесс поглощения вещества "черными дырами" может прекратиться, и тогда начнется обратный процесс - выход энергии и вещества наружу. Быть может, начиная с этого момента, и время потечет вспять?

Правда, весь предыдущий опыт человечества пока говорит о том, что большинство события и явлений, с которыми мы имеем дело в повседневной жизни, не обладают обратимостью: человек может только стареть, разбитая чашка никогда уже не станет целой, молоко, разлившееся из опрокинутой бутылки, никогда не соберется в нее вновь...

Однако многие явления обладают обратимостью: автомобиль может проехать сначала в одну сторону, а потом вернуться, день сменяется ночью, а потом снова приходит день, все молекулы участвуют в беспорядочном броуновском движении... Откуда возникает необратимость, если законы движения обратимы?

Вопрос непростой. О нем не случайно говорят как о парадоксе обратимости.

В данной работе обратимся к понятиям стрелы времени и причинности.

1. Существует ли «стрела времени»?

Представления о направленности и необратимости времени, определяющие понятие «стрелы времени» , имеют всеобщее распространение в физической и особенно в философской литературе. Вот типичное высказывание: «Наше обыденное (и научное) представление о времени прежде всего и главным образом ассоциируется с его необратимостью… Это главнейший признак-доминанта, определяющий «лицо» понятия времени. Отсюда и традиционное в истории научно-философской мысли отождествление сущности феномена времени с необратимостью» . Представление о потоке времени пронизывает всю многовековую историю философии времени начиная с античности. Приведем только немногие цитаты из философских трактатов последних десятилетий.

Б. Рассел : «Более правильная картина мира получится, если мы изобразим время как поток, в который входят вещи из лежащего вовне вечного мира» . Г. Рейхенбах : «Наиболее очевидным свойством времени» является то, что оно «не статично, оно движется» . Это позволяет Рейхенбаху даже дать «определение «Время движется от прошлого к будущему». Я.Ф. Аскин : «Течение времени выражает смысл времени как формы последовательного существования вещей и событий» . Представители точных наук говорят то же самое. Д. Рюэль : «Поток времени - это неотъемлемый аспект нашего восприятия мира» . А.Д. Чернин : «Течение времени - это особое свойство времени, очевидное для всех" . "Бег времени необратим». Цитирование таких высказываний можно было бы продолжать неограниченно. Поэтому нельзя не согласиться с В.П. Казарян, которая подытоживает свой обзор словами: «Думается, что большинство мыслителей прошлого и настоящего согласны в том, что одним из наиболее специфических свойств времени является его течение от прошлого к будущему» .

Когда говорят: «время течет от прошлого к будущему, прошлое никогда не повторяется», - то что собственно имеют при этом в виду? Ведь время как такое не есть предмет нашего восприятия; наука, исследуя объективные закономерности природы, изучает также не время, а движение, изменение вещей, т.е. поведение материальных процессов во времени. Поэтому когда говорят, что «прошлое никогда не повторяется», подразумевают, что не повторяются события, ситуации, которые были в прошлом, т.е. речь идет о некоторых материальных процессах, а вовсе не о времени. И легко проследить, что всегда, когда говорят о течении времени, подразумевают течение некоторых процессов. Очевидным фактом являются изменение, движение, становление материальных (или духовных - о которых мы здесь для определенности не будем говорить) феноменов, и время есть универсальный язык для выражения этого фундаментального факта. Поэтому, «строго говоря, выражение «время течет, проходит, наступает» неточно. Все сущее (в своем явном, поверхностном слое) «течет, проходит, наступает» во времени; или, еще точнее, эту форму последовательного, текучего наступающего и преходящего бытия мы называем временем» . Иными словами, время есть универсальная форма существования материального мира. Эту известную формулировку мы считаем адекватной. Любые изменения, любые процессы происходят во времени. И было бы ошибкой переносить на время свойства тех или иных процессов, даже если они кажутся нам универсальными. Именно эта ошибка делается, когда времени приписывается свойство асимметрии, анизотропии, необратимости - и вообще когда говорится о «потоке» или «течении» времени.

Не разделяя свойства времени как такого и временные свойства материальных процессов, невозможно серьезно обсуждать философские проблемы времени. Именно это разделение мы намереваемся проследить в данной статье при рассмотрении аргументов, на основе которых делаются заключения о существовании «стрелы времени». Наше рассмотрение по необходимости будет весьма конспективным, оно лишь намечает направление рассуждений.

2. Физические «стрелы времени»

Сложилось устойчивое мнение, что об однонаправленности времени свидетельствуют фундаментальные физические процессы, протекающие в одном направлении. Они якобы и определяют соответствующие стрелы времени. Наиболее часто выделяют три стрелы: термодинамическую, космологическую и волновую. На примере анализа указанных стрел мы хотим показать: никакой однонаправленный процесс не может определить ход, течение и направленность времени; необходимо четко отделять направленность времени от направленности процессов.

2.1 Термодинамическая стрела времени

Эту стрелу связывают со вторым началом термодинамики, которое утверждает, что любая изолированная система всегда стремится к состоянию термодинамического равновесия, в ходе которого энтропия возрастает. Стремление к термодинамическому равновесию имеет универсальный характер и не знает исключений. Отсюда возникает идея, что время течет в том направлении, в котором происходят необратимые физические явления с возрастанием энтропии.

Очень простое опровержение такого подхода предложил А.Д. Чернин. Ход его рассуждений таков. Рассмотрим обычные маятниковые механические часы, висящие на стене. Качание маятника - это обратимое и периодическое явление с точностью до трения в подвесе и о воздух. Хотя наличие трения делает это явление необратимым, часы показывают время вовсе не потому, что имеется трение; наоборот, часы тем точнее указывают время, чем меньше в них трения. Идеальные часы - это часы, в которых вовсе отсутствует трение. Следовательно, необратимые явления в самих часах или вокруг них вовсе не при чем. Если течение времени определяется движением Вселенной (или каких-либо больших макроскопических систем) к тепловому равновесию, то часы должны были бы как-то его чувствовать. Для этого требуется какое-то постоянное физическое воздействие на часы, которое непрерывно сообщало бы им, что происходит со Вселенной. Однако современная физика ничего не знает о такого рода процессах. Значит, время, которое показывают часы, не имеет никакого отношения к глобальным процессам во Вселенной.

Это рассуждение является частным случаем общего методологического принципа локальности физических явлений (который можно рассматривать как переформулировку принципа близкодействия): все явления, происходящие в конечной области пространства, определяются силами и полями, действующими в этой области и не зависят от того, что происходит в других областях пространства, не взаимодействующих (в течение рассматриваемого интервала времени) с данной. Поэтому поведение часов, равно как и любого локального процесса, не может зависеть от роста энтропии в других местах и во Вселенной в целом.

Заметим, что само второе начало термодинамики является статистическим законом, т.е. требуемое им возрастание энтропии происходит только в среднем, только если не обращать внимания на флуктуации. При точном описании в данной локальной области и на данном отрезке времени энтропия может и уменьшаться, - это отражает конкретные процессы, происходящие в данной системе. Эти процессы (которые и проявляются как флуктуации), как правило, управляются фундаментальными динамическими законами физики, которые инвариантны относительно изменения знака времени, т.е. не могут указывать никакого направления времени. Явления жизни или ставшие ныне модными явления самоорганизации происходят в локальных областях пространства и на ограниченном отрезке времени также с уменьшением энтропии. Таким образом, глобальный второй закон термодинамики никак не определяет течения локальных процессов: мнимая термодинамическая стрела времени никак не ощущается ими.

Поучительно рассмотреть гипотезу Л. Больцмана о возможности таких эпох («эонов») в развитии Вселенной, когда энтропия на протяжении больших интервалов времени (космических масштабов) в среднем уменьшается, а не увеличивается, как в нашем теперешнем эоне. В таких эонах термодинамическая стрела времени должна быть направлена в противоположную сторону по сравнению с направлением стрелы в нашем эоне. Однако для того чтобы представление о двух разнонаправленных стрелах времени имело смысл, необходимо ввести некое «сверхвремя», в котором протекают времена в разных эонах. Это и делает Рейхенбах. Он пишет: «Сверхвремя не имеет направления, но только порядок, однако оно содержит индивидуальные участки, которые обладают направлением, хотя эти направления и изменяются от участка к участку». По нашему мнению, это «сверхвремя» и есть истинное время, время как универсальная форма движения. Оно действительно не имеет направления (см. ниже). Направление же «стрел времени» на индивидуальных участках отражает направление течения определенных процессов, а вовсе не направление времени.

2.2 Космологическая стрела времени

Расширение Вселенной имеет всеобщий, всемирный характер, и, казалось бы, лучшего процесса для обоснования направленности времени подобрать нельзя. Тем не менее существуют серьезные препятствия для этого. Действительно, расширение Вселенной проявляется во взаимном удалении галактик и их скоплений друг от друга. Но это отнюдь не означает всеобщего растяжения всех расстояний и длин в мире. Размеры всех тел во Вселенной не возрастают со временем, - они никак не ощущают движения галактик. Общее космологическое расширение представляет собой далекий фон пространственно-временной метрики, который совершенно не сказывается на свойствах пространства и времени в масштабах звезд, планет или тел, находящихся на поверхности Земли. То, что это так, строго доказано А. Эйнштейном методами общей теории относительности в 1945 г.. «Свойства мира планет такие же, как если бы не существовало ни космического расширения, ни кривизны», - заключает Эйнштейн. Эта теорема является опять-таки частным случаем принципа локальности физических явлений. Поэтому против космологической стрелы справедливы возражения того же рода, что и против термодинамической. Если бы космологическое расширение определяло стрелу времени, то должно было бы существовать какое-то физическое воздействие на часы в конкретной локальной области, которое непрерывно сообщало бы им, что происходит со Вселенной. Но такого воздействия, как показал Эйнштейн, не существует. Следовательно, можно сделать вывод, что космологическая стрела не может служить основанием для представления о направленности времени.

Опыт показывает, что в настоящее время Вселенная расширяется. Однако отнюдь не обязательно, что это расширение будет продолжаться всегда. В релятивистской космологии существуют модели, в которых расширение Вселенной в какой-то момент ее эволюции сменится сжатием. Что же, при этом стрела времени изменит свое направление и время потечет вспять? Конечно, нет. Сжатие будет происходить в том же времени, в каком происходило расширение. Здесь снова речь идет об изменении направления процесса эволюции Вселенной, но вовсе не времени, в котором происходит эта эволюция. «Если бы стрела времени сменила направление, то в сжимающейся Вселенной лучи света, например, вместо того чтобы излучаться звездами и уходить в мировое пространство, входили бы в звезды и т.д. Это явно бессмысленно» .

2.3 Волновая стрела времени

Эта стрела связывается с необратимым процессом испускания волн каким-либо источником. Например, свет, испущенный звездой в пустое пространство («во Вселенную»), конечно, никогда не вернется назад к звезде. Или в более простом примере, предложенном Поппером: когда мы бросаем камень в воду, от него по поверхности водоема идут расходящиеся волны; но мы никогда не увидим, чтобы от берегов водоема пошли нарастающие волны, сомкнувшиеся в одной точке. Таким образом, распространение волн - это необратимый процесс, и с ним якобы можно связать стрелу времени. Ходячая интерпретация этих явлений заключается в том, что их связывают с диссипацией энергии и возрастанием энтропии, что и объясняет их необратимость, которая не следует из законов механики или электродинамики, симметричных по отношению к изменению знака времени; поэтому испускание волн определяет стрелу времени, направление которой совпадает с термодинамической стрелой.

Это рассуждение убедительно опроверг К. Поппер. Он указал, что «хотя стрела времени не подразумевается фундаментальными уравнениями, она тем не менее характеризует большинство решений» этих уравнений - из-за необратимости начальных условий. Процесс распространения волн «теор е тически обратим - в том смысле, что физическая теория позволяет указать условия, которые обратили бы процесс, и в то же самое время он причинно необратим - в том смысле, что причинно невозможно реализовать требуемые условия». Таким образом, наблюдаемая здесь необратимость возникает не в результате необратимости законов природы, а вследствие такой организации процесса, которая исключает его обратимость (расходящиеся волны, возникшие при бросании камня, не могут сойтись обратно). Наряду с такими процессами и рядом с ними мы можем организовать полностью обратимые процессы, например последовательное испускание и поглощение волн атомами, находящимися в фокусах эллипсоидального зеркала (также пример Поппера). Поэтому с процессами распространения волн никак нельзя связать универсальную стрелу времени.

3. Эволюционная « стрела времени »

Три обсуждавшиеся выше стрелы времени основаны на физических закономерностях. Можно было бы назвать еще несколько физических явлений, которые можно связывать со стрелой времени (например, Р. Пенроуз насчитывает семь таких стрел). Однако это не даст ничего нового, ибо аргументация в пользу стрелы времени при рассмотрении этих процессов страдает тем же недостатком, что и при обсуждении трех предыдущих: вместо «течения времени» рассматривается течение физических процессов. Но имеются другие, нефизические явления, которые, казалось бы, с неоспоримостью указывают на существование стрелы времени. Рассмотрим для примера эволюционную стрелу времени, которая связана с эволюцией биологических организмов.

Явления жизни представляют собой истинно необратимый процесс. Живой организм рождается, развивается и умирает, и никто никогда не наблюдал, чтобы после смерти организм оживал, молодел и возвращался в семя или утробу. Когда говорят, что прошлое никогда не возвращается, то, конечно, имеют в виду в первую очередь эти жизненные явления. Молодость, увы, не возвращается, и это все очень хорошо знают. Поэтому кажется весьма убедительным, что развитие организмов задает положительное направление стрелы времени.

Однако и это рассуждение столь же некорректно, как и все предыдущие. В нем направленность времени снова связывается с некоторым необратимым процессом, и здесь неважно, что необратимость эволюции более очевидна, чем необратимость некоторых других физических процессов. Да, неоспоримо, что жизнь протекает в одном направлении. Да, здесь особенно хорошо видно, что прошлое никогда не возвращается. Но прошлое никогда не возвращается и в обратимых процессах, - этим свойством обладает не только жизнь, это свойство любого движения. Движение есть смена одного состояния системы другим, и эта смена происходит всегда в одном направлении для всех без исключения процессов: старые состояния сменяются новыми состояниями, старые остаются в прошлом, новые открывают будущее, причем прошлое и будущее - одно и то же для всех процессов. Обратимость движения (в обратимых процессах) - это лишь свойство симметрии данного типа движения. Математически это свойство выражается в инвариантности закона движения при обращении знака переменной t , которой описывается время (его можно назвать номологической обратимостью). Истинно необратимые процессы не обладают такой номологической обратимостью. Но здесь всюду речь идет о свойствах тех или иных процессов, но не об обратимости времени. Аристотель удачно сказал, что «время есть нечто, исчисляемое в движении, когда мы в последнем обращаем внимание на «до» и «после»». И все дело в том, что во всех конкретных движениях эти «до» и «после» одинаково следуют друг за другом: все движения происходят в одном направлении.

Рассмотрим типичный номологически обратимый процесс - колебание маятника в пренебрежении трением, т.е. идеальные часы. Характер движения здесь симметричен относительно прошлого и будущего. Но тот факт, что характер движения не изменяется при обращении времени (точнее, при замене t на -t , которую можно произвести только на бумаге или в уме), не означает, что можно заставить часы тикать назад, - число тиканий часов всегда увеличивается. Разумеется, если бы во Вселенной существовали только одни часы, то понятия «до» и «после» были бы относительными. Но кроме нашего маятника существуют и другие объекты, находящиеся в движении. Пока тикают часы, живые организмы растут и умирают. Протекание жизненных процессов, равно как и движение любых объектов (обратимое или необратимое), - все происходит в том направлении, в котором растет число тиканий часов. Точнее, понятия «до» и «после» одинаковы для всех движений во Вселенной; невозможно поменять их местами для одного из движений, оставив прежний порядок для других. Это свойство движения и делает возможным введение универсальной категории времени, в котором исчисляются все движения, имеющие место во Вселенной. В этом смысле во Вселенной действительно есть универсальный поток: все изменяется, все течет в едином потоке движения. Но протекает именно все , протекают субъекты движения, а не время, которое есть универсальный язык для исчисления движения.

4. Однонаправленность и беззначность времени

Итак, можно говорить об универсальном потоке, в который вовлечено все движущееся, и это движение однонаправленно, так что смысл понятий «до» и «после» одинаков для всех движений. Казалось бы, тем самым наконец найдено направление стрелы времени: универсальное направление движения и определяет положительный знак времени. Однако такой вывод безоснователен. Бессмысленно приписывать знак направлению времени, которое в принципе невозможно изменить. Число, которым мы описываем время (число тиканий любых часов), всегда увеличивается и никогда не может уменьшаться. Это означает, что время однонаправленно . В этом (и только в этом) смысле можно говорить о «потоке времени», о «течении времени». Но бессмысленно спрашивать, в каком направлении (положительном или отрицательном) «течет» время. Понятие «стрелы времени» имело бы смысл, если бы время с равным (логическим) основанием могло бы либо увеличиваться, либо уменьшаться; тогда положительному направлению изменения можно было бы приписать знак «плюс», а отрицательному - «минус». Но время как исчисленное движение всегда увеличивается. Поэтому бессмысленно говорить о направлении «течения времени» и, следовательно, о «стреле времени». Существует не «стрела времени», а «стрелы процессов»: мы можем приписать протеканию процесса положительный или отрицательный знак в зависимости от того, увеличивается или уменьшается во времени величина, описывающая некоторое свойство процесса. Знак протеканию процесса можно приписать потому, что этот процесс происходит во времени. Само же время протекать не может (если понимать слово «протекание» в буквальном, а не в переносном смысле).

Итак, важнейшим свойством времени является однонаправленность. Но о знаке направления «течения времени» говорить не имеет смысла. Направлению «течения времени» невозможно приписать знака. Но это означает, что и само время нужно считать беззначной величиной. Идея беззначности времени, по-видимому, впервые была выдвинута А.В. Шубниковым . Поскольку концепция Шубникова осталась незамеченной , уместно повторить его аргументацию. Он отмечает, что существует большая категория беззначных величин. Ясно, например, что число любых предметов не может быть отрицательным, но именно в силу этой ясности оно не может быть и положительным. Абсолютную температуру в физике обычно относят к сущ е ственно положительным величинам, тем самым давая повод думать, что могут существовать какие-то никому не известные существенно отрицательные величины. Такие величины нужно назвать беззначными, так как они не являются ни положительными, ни отрицательными. К категории беззначных относится много физических величин: не имеют знака частота колебаний, длина волны, масса, электрическая емкость и т.д. Категория беззначных величин, существовавшая в античности, исчезла в современной математике, оказавшись поглощенной понятием положительных чисел. Это приводит к путанице понятий, и проблема «стрелы времени» есть яркий пример такой путаницы.

Время принадлежит как раз к категории беззначных величин. Вообще говоря, беззначные величины (например, масса или емкость конденсатора) могут как увеличиваться, так и уменьшаться. Принципиальное отличие времени от всех беззначных величин заключается в том, что оно - в силу своей однонаправленности - всегда увеличивается и никогда не может уменьшаться.

Однонаправленность и следующая из нее беззначность являются фундаментальными свойствами времени, адекватно выражающими интуитивное представление о потоке или течении времени. Другие свойства, обычно приписываемые времени в связи со «стрелой времени» - асимметрия, t _неинвариантность и необратимость, - относятся не ко времени, а к описанию событий и процессов. Этот вопрос хорошо проанализировал М.Бунге. Кратко повторим его выводы. То, что называют асимметрией или анизотропией времени, - это свойство ориентированности временнуго отношения раньше-позже между двумя событиями, заключающееся в нечетности функции, описывающей это отношение. «Обращение времени», т.е. изменение знака переменной t в физических законах, - это чисто математический прием, не имеющий никакого отношения к философской категории времени. В философском смысле слова «время, как величина беззначная, изменять свой знак не может даже в нашем воображении». Смысловое поле переменных в математической формулировке законов физики может быть шире смыслового поля физических величин и философских категорий. Такое расширение является типичным при применении математики, и, конечно, не только к физике; оно оказывается очень полезным для выяснения логической структуры количественных закономерностей.

В некоторых задачах теоретической физики полезным является введение мнимого времени , но это, конечно, только математический трюк, показывающий интересные свойства математизированных моделей действительности. Инвариантность многих законов физики относительно замены знака переменной t вскрывает важное свойство симметрии математической формы этих законов, но «это не есть ни свойство времени, ни свойство каких-либо процессов. Это не есть инверсия «потока» времени (хотя бы потому, что нет такого потока)… Прямой и обратный (инвертированный по t ) процессы протекают вперед во времени». Что касается необратимости, то это свойство некоторых процессов, но не их законов и, тем более, не свойство времени.

В рассмотренных выше рассуждениях, пытающихся обосновать существование «стрелы времени» исходя из свойств каких-либо процессов, ложной является сама постановка вопроса о направлении течения времени. Это и объясняет, между прочим, почему всегда удается найти конкретные возражения против них. «Выражаясь метафорически, природа говорит нам, что время «течет», но не говорит, в какую сторону. Лучше сказать: время не имеет стрелы в себе самом. Стрелы должны мыслиться во всех процессах, а не в каком-либо из свойств процессов».

5. Принцип причинности

Принцип причинности является одним из фундаментальных физических законов.

В классической физике это утверждение означает, что любое событие произошедшее в момент времени может повлиять на событие произошедшее в момент времени только при условии:

Классическая физика предполагает скорость распространения взаимодействий (скорость света) бесконечной. При учёте релятивистских эффектов принцип причинности (ПП) должен быть модифицирован, поскольку время становится относительным - взаимное расположение событий во времени может зависеть от выбранной системы отсчёта. В релятивистской физике ПП утверждает, что любое событие произошедшее в точке пространства-времени может повлиять на событие произошедшее в точке пространства-времени только при условии:

где с - предельная скорость распространения взаимодействий, равная, согласно современным представлениям, скорости света в вакууме.

Иными словами, интервал между событиями A и B должен быть времениподобен (событие A предшествует событию B в любой системе отсчёта). Таким образом, событие B причинно связано с событием A (являясь его следствием), только если оно находится в области абсолютно будущих событий светового конуса с вершиной в событии A. Если два события A и В разделены пространственноподобным интервалом (т. е. ни одно из них не находится внутри светового конуса с вершиной в другом событии), то их последовательность может быть изменена на противоположную простым выбором системы отсчёта (СО): если в одной СО то в другой СО может оказаться, что Это не противоречит принципу причинности, потому что ни одно из этих событий не может влиять на другое.

Важно отметить, что даже при отсутствии причинного влияния одного события A на другое B эти события могут быть скоррелированными причинным влиянием на них третьего события C, находящегося в пересечении областей абсолютного прошлого для А и B: при этом интервалы СА и СВ времениподобны, АВ - пространственноподобен. Так, фазовая скорость электромагнитной волны может превышать скорость света в вакууме, в результате чего колебания поля в точках пространства-времени, разделённых пространственноподобным интервалом, оказываются скоррелированными. В квантовой механике состояния квантовых систем, разделённых пространственноподобным интервалом, также не обязаны быть независимыми. Однако эти примеры не противоречат ПП, поскольку подобные эффекты невозможно использовать для сверхсветовой передачи взаимодействия. Можно сказать, что ПП запрещает передачу информации со сверхсветовой скоростью.

ПП - эмпирически установленный принцип, универсальность которого неопровержима на сегодняшний день.

Заключение

Время - это такая форма существования, которая позволяет различать «раньше» и «позже», прошлое и будущее. Как количественная величина время есть число движения, причем число, которым выражается время, может только увеличиваться. В этом и заключается основное свойство времени - его однонаправленность, которую в обиходе неудачно называют «потоком» или «течением» времени. Бессмысленно спрашивать о направлении «потока» времени, ибо время - в силу своей однонаправленности - «течет» всегда в одну сторону и это направление невозможно изменить. Поэтому ни один из физических, биологических или иных процессов не может указать направление «течения» времени (которое вообще не существует). Напротив, направление протекания процессов может быть изменено, но и прямой, и обращенный процесс протекают «вперед» в одном и том же времени.

Список использованной литературы

1. Турсунов А. Направление времени: новые аспекты старой проблемы // Вопросы философии. - 1975. - № 3. С. 72.

2. Рассел Б. Мистицизм и логика // Рассел Б. Почему я не христианин. - М.: Политиздат, 1987. - С. 52.

3. Рейхенбах Г. Направление времени. - М.: Иностр. Лит., 1962. - С. 35.

4. Аскин Я.Ф. Направление времени и временная структура процессов / Пространство. Время. Движение. - М.: Наука, 1971. - С. 57.

5. Рюэль Д. Случайность и хаос. - Ижевск: РХД, 2001. - С. 29.

6. Чернин А.Д. Физика времени. - М., 1987. - С. 15.

7. Казарян В.П. Понятие времени в структуре научного знания. - М., 1980. - С. 73.

8. Франк С.Л. Мысли в страшные дни // Франк С. Непрочитанное… - М., 2001. - С. 368.

9. Зельдович Я.Б., Новиков И.Д. Строение и эволюция Вселенной. - М.: Наука, 1975.

10. Шубников А.В. Проблема диссимметрии материальных объектов. - М.: Изд-во АН СССР, 1961.

11. Никитин Е.Е., Питаевский Л.П. Мнимое время и метод Ландау вычисления квазиклассических матричных элементов // Успехи физических наук. - 1993.

Подобные документы

Пространственно-временные отношения. Понятие необратимости физических процессов и времени. Необратимость времени означает и единственность его направления. Эмпирические обоснования направления времени, термодинамические и статистические процессы.

реферат , добавлен 29.03.2009


Изучение эволюции взглядов на понятие времени в различных картинах мира. Характеристика времени - неотъемлемой составляющей бытия. Особенности и этапы развития учений о "стреле времени" - понятия, определяющего однонаправленность и необратимость времени.

презентация , добавлен 09.08.2010


О времени и его измерении. Биологические предпосылки времени. Теоцентрическая модель пространства и времени. Классические интерпретации пространства и времени. Первая физическая теория времени в "Началах" Ньютона. Ньютоново отношение к времени.

реферат , добавлен 01.03.2009


Обобщение философских теорий времени от самых древних времен до наших лет. Анализ понятия времени Платоном, Аристотелем, Суаресом, Спинозой, Ньютоном, Эйнштейном. Возрождение реалистической метафизики в XIX в. Вечное и длительное, как два вида сущего.

реферат , добавлен 02.12.2011


Историчность человеческого сознания, определяемого духом времени и его инвариантность (устойчивость к ходу времени). Смысл и значение исторического времени, диалектика прошлого, настоящего и будущего в нем. Типы переживания времени в прошлых эпохах.

реферат , добавлен 16.03.2010


Концептуальные положения модели динамического времени. Методологическая сложность модельной реализации концепции динамического времени. Разработка и анализ вопроса "Что такое время?". Исследование проблемы функционального биологического времени.

реферат , добавлен 19.09.2008


Исследование биографии и публикаций Дэвида Юма, его теорий и рассуждений относительно причинности. Характеристика способа соединения перцепций в области психики. Обзор индуктивного обоснования знания и каузального перехода в нем от настоящего к будущему.

реферат , добавлен 06.02.2012


Объективный и субъективный познавательный статус философских категорий пространства и времени. Субстанциальная и реляционная концепции отношения пространства и времени к субстанции. Характеристика основных свойств понятий пространства и времени.

эссе , добавлен 02.10.2011


Субстанциальная и реляционная концепции пространства и времени. Основные свойства пространства и времени. Критика идеалистических и метафизических концепций пространства и времени. Концепция множественности не физических форм пространства и времени.

реферат , добавлен 19.04.2011


Общее представление про понятие времени. Сущность понятия "настоящее". Внутреннее и внешнее время: результаты исследования по механическим и биологическим часам. Основные способы определения чувства времени. Способы воздействия на чувство времени.

Актуальность

Время - неотъемлемая составляющая нашего бытия. Включение времени в галилеевскую механику ознаменовало рождение новой науки. Основная тема нашего реферата – проблема стрелы времени.

Стрела времени

Метафорическое обозначение направления времени

Концепция, описывающая время как прямую (т.е. математически одномерный объект), протянутую из прошлого в будущее. Из любых двух несовпадающих точек оси времени одна всегда является будущим относительно другой.

Английский астрофизик Фрейд Хойл высказал мысль о связи направления времени с направлением процесса увеличения расстояния между галактиками.

Фрейд Хойл
(1915-2001)

Для характеристики однонаправленности и необратимости времени английский астрофизик А. Эддингтон ввел понятие, «стрела времени».

А.Эддингтон

По мнению А. Эддингтона, Ф. Хойла и некоторых других «стрела времени» существует, потому что Вселенная расширяется. Если в будущем расширение сменится сжатием, то, по мнению этих ученых, изменится и направление «стрелы времени».

Загадкой является тот факт, что все три «стрелы» направлены в сегодняшней Вселенной в одну сторону.

С. Хоукинг в недавно вышедшей книге «Краткая история времени» обсудил эту проблему, и мы приведем здесь некоторые его соображения.

Стивен Уильям Хокинг
(1942- н.в.)

Эволюционно выделяют три стрелы времени:

Термодинамическая стрела, указывающая то направление времени, в котором возрастает энтропия или беспорядок;

Космологическая стрела времени, в направлении которой происходит расширение Вселенной;

Психологическая стрела или направление времени, соответствующее нашему ощущению непреклонного хода времени, направление накопления поступающей информации.

Космологическая стрела времени определяет направление эволюции нестационарной, неравновесной Вселенной.

Однако расширение Вселенной, о котором свидетельствует т.н. “красное смещение” спектральных линий в излучении удаляющихся друг от друга галактик («разбегания» галактик) не означает расширения в каждом месте , иначе расширялись бы размеры тел, а этого не наблюдается. А поскольку нет этого общего физического влияния, разбегание галактик или расширения Вселенной не может влиять на ход времени в элементарных процессах. Связь с расширением Вселенной может определять только «космологическую шкалу времени ».

Термодинамическая стрела указывает направление времени в сторону увеличения энтропии Больцмана, т. е. в направлении самопроизвольного роста беспорядка в изолированных системах.

В термодинамике подчёркивается выделенность направления времени (неравноценность прошлого и будущего). Во всех процессах существует выделенное направление, в котором процессы идут сами собой от более упорядоченного состояния к менее упорядоченному. Чем больше порядок системы, тем сложнее восстановить его из беспорядка. Несравненно проще разбить стекло, чем изготовить новое и вставить его в раму.

«Гораздо проще убить живое существо, чем возвратить его к жизни, если вообще возможно. Бог сотворил маленькую букашку. Если ты её раздавишь, она умрёт.» - такой эпиграф поставил американский биохимик Сент Дьерди к своей книге

Психологическая стрела определяет направление стрелы времени в наших собственных ощущениях прошлого и будущего. На мой взгляд, это довольно зыбкое понятие. Конечно, мы отличаем вчера от сегодня и сегодня от завтра, помним, что-то из прошлого нашей жизни.

«Всему свое время, и время всякой вещи под небом: время рождаться, и время умирать; время насаждать,- и время вырывать посаженное; время убивать, и время врачевать; время разрушать, и время строить; время плакать, и время смеяться; время сетовать, и время плясать; время разбрасывать камни, и время собирать камни; время обнимать, и время уклоняться от объятий; время искать, и время терять; время сберегать и время бросать; время раздирать, и время сшивать; время молчать, и время говорить; время любить, и время ненавидеть; время войне, и время миру

(Книга «Экклезиаста»)

Совпадение направления космологической, термолинамической и психологической стрел времени

С. Хоукинг в недавно вышедшей книге «Краткая история времени» обсудил эту проблему, и мы приведем здесь некоторые его соображения.

она всегда указывает в направлении увеличения беспорядка, ибо путей к увеличению беспорядка всегда несравненно больше, чем ведущих к упорядочению. Поэтому с гораздо большей вероятностью увеличивается «хаос», чем наступает порядок.

Психологическая стрела времени

«Направление времени, - пишет С. Хоукинг, - в котором компьютер запоминает прошлое, совпадает с направлением, в котором возрастает беспорядок.

любые человеческие существа, которые наблюдали бы чашки, жили бы во Вселенной, в которой беспорядок уменьшается со временем...

Такие существа имели бы «психологическую стрелу времени», направленную вспять.

Это означает, что они помнили бы события будущего и не помнили бы события в их прошлом.

В момент, когда чашка разбита, они помнили бы ее стоящей на столе, но в момент, когда она была на столе, они не помнили бы ее находящейся на полу.

Итак, «психологическая» и «термодинамическая» стрелы времени должны совпадать.

По теории С.Хокинга

направление космологической стрелы совпадает с направлением двух упомянутых. Но возможно, что так будет не всегда. Если плотность материи во Вселенной превышает критическое значение, то в будущем наступит момент, когда расширение сменится сжатием. В этот момент сменит свое направление и «космологическая стрела времени», а две остальные по-прежнему будут указывать то же направление. И между тремя стрелами времени наступит рассогласование.

Благодарю за внимание!

Многие теоретические физики столкнулись с неприятной проблемой понимания того, как Т-инвариантность может быть чрезвычайно точной, но не совсем. И здесь пригодилась работа Макото Кобаяси и Тосихиде Маскава. В 1973 году они предположили, что приблизительная Т-инвариантность является случайным следствием других, более глубоких принципов.

Прошло время. Незадолго до этого нарисовались контуры современной Стандартной модели физики элементарных частиц, а вместе с ними и новый уровень прозрачности фундаментальных взаимодействий. К 1973 году был мощный - и эмпирически успешный - теоретический фреймворк, основанный на нескольких «сакральных принципах». Это относительность, квантовая механика и математическое правило однородности под названием калибровочная симметрия.

Но заставить все эти идеи работать вместе оказалось сложно. Вместе они значительно ограничивают возможности базовых взаимодействий.

Кобаяси и Маскава, в двух коротких параграфах, сделали две вещи. Во-первых, они показали, что если ограничить физику известными тогда частицами (например, если бы было всего две семьи кварков и лептонов), то все взаимодействия, позволенные сакральными принципами, также следуют Т-инвариантности. Если бы Кронин и Фитч никогда не сделали своего открытия, все было бы не так. Но они сделали, и Кобаяси с Маскавой пошли еще дальше. Они показали, что если ввести особый набор новых частиц (третье семейство), эти частицы приведут к новым взаимодействиям, приводящим к нарушениям Т-инвариантности. На первый взгляд — прям то, что доктор прописал.

В последующие годы их блестящий пример детективной работы был полностью оправдан. Новые частицы, существование которых допустили Кобаяси и Маскава, были обнаружены, а их взаимодействия оказались в точности такими, какими должны были быть.

Внимание, вопрос. Являются ли эти сакральные принципы действительно сакральными? Конечно, нет. Если эксперименты приводят к тому, что ученые должны дополнить эти принципы, они, конечно, дополнят. На текущий момент сакральные принципы смотрятся чертовски хорошо. И были достаточно плодотворными, чтобы относиться к ним серьезно.

До сих пор это была история триумфа. Вопрос, который мы поставили в начале, одна из самых сложных головоломок о том, как работает мир, получил частичный ответ: глубокий, прекрасный, плодотворный.

Но в этом яблоке есть червячок.

Через несколько лет после работы Кобаяси и Маскавы, Джерард т’Хоофт обнаружил лазейку в их объяснении Т-инвариантности. Сакральные принципы позволяют дополнительный вид взаимодействия. Возможное новое взаимодействие довольно тонкое, и открытие т’Хоофта стало сюрпризом для большинства физиков-теоретиков.

Новое взаимодействие, в случае присутствия с существенной силой, нарушило бы Т-инвариантность в гораздо более очевидной степени, чем эффект, открытый Кронином, Фитчем и их коллегами. В частности, оно позволило бы вращению нейтрона вырабатывать электрическое поле, в дополнение к магнитному полю, которое он может вызывать. ( вращающегося нейтрона - аналог того, что производит наша вращающаяся Земля, хотя и в совершенно других масштабах). Экспериментаторы усиленно искали такие электрические поля, но их поиски не приносили результатов.

Природа словно не хочет использовать лазейку т’Хоофта. Конечно, это ее право, но это право снова поднимает наш вопрос: почему природа так тщательно следует Т-инвариантности?

Предлагалось несколько объяснений, но только одно прошло проверку временем. Центральная идея принадлежит Роберто Пеццеи и Хелен Квинн. Их предложение, как у Кобаяси и Маскавы, включает расширение Стандартной модели особым образом. К примеру, через нейтрализующее поле, поведение которого особенно чувствительно к новому взаимодействию т’Хоофта. Если присутствует новое взаимодействие, нейтрализующее поле подстраивает собственную величину, чтобы компенсировать влияние этого взаимодействия. (Этот процесс подстройки в общем похож на то, как отрицательно заряженные электроны в твердых веществах собираются вокруг положительно заряженных примесей и экранируют их влияние). Такое нейтрализующее поле, получается, закрывает нашу лазейку.

Пеццеи и Квинн забыли о важных проверяемых последствиях своей идеи. Частицы, производимые их нейтрализующим полем - ее квантами - должны обладать замечательными свойствами. Поскольку они забыли о своих частицах, они их также и не назвали. Это позволило мне осуществить мечту детства.

За несколько лет до этого я увидел в супермаркете ярко раскрашенную коробку с названием «Аксион» (Axion). Мне показалось, что «аксион» звучит как частица и, вроде бы, таковой является. Поэтому когда я обнаружил новую частицу, которая «очищает» проблему с помощью «осевого» (axial) потока, мне показалось, что выпал шанс. (Скоро я узнал, что Стивен Вайнберг тоже обнаружил эту частицу, независимо. Он назвал ее «хигглет». К счастью, он согласился отказаться от этого названия). Так началась эпопея, заключение которой только осталось написать.

В хрониках Particle Data Group вы найдете несколько страниц, охватывающих десятки экспериментов, описывающих безуспешные поиски аксиона. Но поводы для оптимизма еще есть.

Теория аксионов предсказывает, в общих чертах, что аксионы должны быть очень легкими, очень долгоживущими частицами, которые слабо взаимодействуют с обычной материей. Но чтобы сравнивать теорию и эксперимент, нужно опираться на числа. И здесь мы сталкиваемся с двусмысленностью, поскольку существующая теория не фиксирует значение массы аксиона. Если бы мы знали массу аксиона, мы бы предсказали и остальные его свойства. Но сама масса может быть в широком промежутке значений. (Та же проблема была с очарованным кварком, частицей Хиггса, топ-кварком и несколькими другими. До обнаружения каждой из этих частиц, теория предсказала все их свойства, кроме значения массы). Оказалось, что сила взаимодействия аксиона пропорциональна его массе. Поэтому по мере уменьшения значения массы аксиона, он становится все более неуловимым.

Раньше физики были сосредоточены на моделях, в которых аксион тесно связан с частицей Хиггса. Предположили, что масса аксиона должна быть порядка 10 кэВ - одна пятидесятая массы электрона. Большинство экспериментов, о которых мы сказали ранее, искали аксион именно такого плана. В настоящее время мы можем быть уверены, что таких аксионов не существует.


И поэтому внимание обратили на гораздо меньшие значения масс аксиона, которые не были исключены экспериментально. Аксионы такого рода вполне естественно возникают в моделях, объединяющих взаимодействия в Стандартной модели. Они также возникают в теории струн.

Мы рассчитали, что аксионы должны были в изобилии производиться в течение первых моментов Большого взрыва. Если аксионы вообще существуют, то аксионная жидкость наполняет Вселенную. Происхождение аксионной жидкости грубо напоминает происхождение знаменитого космического микроволнового фона, но есть три крупных различия между двумя этими понятиями. Первое: микроволновый фон наблюдается, а аксионная жидкость остается сугубо гипотетической. Второе: поскольку аксионы обладают массой, их жидкость влияет на общую плотность массы Вселенной. По сути, мы подсчитали, что их масса должна грубо соответствовать массе, которую астрономы определили за темной материей! Третье: поскольку аксионы так слабо взаимодействуют, их должно быть сложнее наблюдать, чем фотоны реликтового излучения.

Экспериментальный поиск аксионов продолжается на нескольких фронтах. Два из самых многообещающих экспериментов нацелены на поиск аксионной жидкости. Один из них, ADMX (Axion Dark Matter eXperiment), использует специальные сверхчувствительные антенны для преобразования фоновых аксионов в электромагнитные импульсы. Другой, CASPEr (Cosmic Axion Spin Precession Experiment), ищет крошечные колебания в движении ядерных спинов, которые могут быть вызваны аксионной жидкостью. Помимо этого, эти сложные эксперименты обещают покрыть почти весь диапазон возможных масс аксиона.

Существуют ли аксионы? Мы пока не знаем. Их существование привнесет в историю обратимой стрелы времени драматическое и удовлетворительное заключение, а также, возможно, решит загадку темной материи в придачу. Игра началась.

Франк Вилчек, по материалам Quanta Magazine