Читать книгу "Сейчас. Физика времени - Ричард А. Мюллер"

В известной книге The Nature of the Physical World («Природа физического мира») Артур Эддингтон утверждал, что стрела времени определяется энтропией. Издание было написано без излишней научности (несмотря на то что Эддингтон блестяще владел продвинутыми математическими методами) и не адресовалось научной общественности, хотя дело обстояло именно так. Этой работой можно насладиться и сегодня, она доступна в интернете (англоязычном. Прим. ред.). По сюжету идет как бы возвращение в детство в стиле Эйнштейна, при этом в ней есть важный тезис: о времени нужно говорить понятным языком.

Эддингтон утверждал, что направление стрелы времени устанавливает единственный физический закон – второе начало термодинамики[117]. Все другие теории в физике – классическая механика, электричество и магнетизм и даже находившаяся тогда на подъеме квантовая физика, – как представлялось, неспособны отличить прошлое от будущего. Планеты могут двигаться по своим орбитам в обратном направлении. Антенна для излучения радиоволн может с таким же успехом использоваться и для их приема. Атомы испускают свет, однако они его и поглощают: оба этих процесса легко описываются одними и теми же уравнениями. Пустите кинопленку в проекторе с конца, и вы не нарушите никаких законов физики. Никаких, кроме второго закона термодинамики. Никаких, за исключением закона, который гласит, что энтропия будет всегда увеличиваться (не убывать) со временем.

Сегодня появились убедительные доказательства того, что стрела времени прочно присутствует еще в одной области физики. Это физика радиоактивного распада, которую всегда считали областью «слабых взаимодействий». Уже есть свидетельства в пользу того, что закон симметрии времени может нарушаться в некоторых процессах распада. Однако это не изменило мнение ученых по поводу стрелы времени: они по-прежнему привержены ее объяснению с позиций энтропии. Я вернусь к этому после обсуждения стрел энтропии Артура Эддингтона.

Кино, прокрученное в обратном направлении

Ранее я просил вас представить кадры кинопленки, на которых чайная чашка падает со стола. Вы можете с уверенностью сказать, в каком направлении прокручивается пленка, потому что в реальной жизни чашки не собираются из осколков на полу и не запрыгивают целые и невредимые обратно, на стол. Микроскопические молекулярные силы могли, наверное, сделать это, если бы все разом начали действовать в одном направлении. Но вероятность этого исчезающе мала. Так что, даже если вам не сказали, с какого конца запущена кинолента, направление стрелы времени было бы для вас вполне очевидным. Чайная чашка – это, конечно, очень наглядный пример, но можно подумать и о громадном множестве других примеров. Сгорают звезды. Истощаются запасы жидких углеводородов. Мы умираем, а наши тела разлагаются. Увеличение энтропии неизбежно.

Предположим, вас наделили полным знанием о двух мгновениях времени в нашей Вселенной и попросили определить, какое из них случилось первым. Как вы можете это сделать? Ответ простой: вычислить энтропию двух моментальных снимков. Тот момент, энтропия которого была меньше, произошел раньше. Физики считают, что энтропия вполне убедительно задает направление стрелам времени.

Первичные и вторичные законы физики

Второй закон термодинамики, устанавливающий, что энтропия увеличивается, вообще-то довольно странный. Он ничего не прибавляет физике, кроме утверждения, что более вероятные процессы происходят с большей долей вероятности. Почему же тогда это начало квалифицируют как физический закон? Разве эта тавтология не самоочевидна и не тривиальна? И если уравнения механики, электричества и магнетизма – то есть реальной физики – не дают направления времени, почему это делает какой-то довольно ненаучный закон, который на этих областях физики и основывается?

Эддингтон хорошо знал об этом парадоксе. На самом деле он ввел различия в законы физики, разделив их на первичные и вторичные. Энтропия определенно была законом вторичным, выведенным из других законов и не имевшим собственного твердого основания.

Усилим этот парадокс. Давайте исходить из представления об истинности классической физики, то есть той, на которой основывается второе начало термодинамики. В этой физике, если вы знаете точное местоположение и характеристики движения каждой частицы (отставив в сторону принцип неопределенности квантовой физики), разве вы не можете, хотя бы в принципе, предсказать будущее? Здесь не нужны расчеты вероятностей и законы случайностей. Как же тогда могут фундаментальные законы, не имеющие стрелы времени, породить вторичный закон, у которого такая «стрела» имеется?

Ответ в том, что нынешняя Вселенная очень высоко организована – по причинам, которые Эддингтон вначале не мог определить. В нашем мире низкая энтропия. Когда вы заставляете газ, сконцентрированный в одном углу емкости, распределиться по всей этой емкости, вы имеете дело с огромным увеличением энтропии. А материя во Вселенной сосредоточена компактно в разных ее областях, как газ, скопившийся в каком-то углу емкости. Большая часть видимой массы Вселенной обнаруживается в звездах, небольшая часть – в планетах; и все это окружено пустым пространством. (Здесь я не касаюсь вопроса о темной материи, которая была неизвестна во времена Эддингтона.) Так что во Вселенной много пустого пространства, которое могло быть заполнено для увеличения энтропии. Другими словами, дальнейшая организация Вселенной очень маловероятна. Благодаря тому, что сейчас она очень высоко организована и с большой вероятностью идет по пути дезорганизации, время движется вперед.

Если вы верите, что Вселенная бесконечно стара, значит, у нее было бесконечное время для эволюции и бесконечное время для увеличения энтропии. Тогда можно предположить, что максимальный уровень энтропии во Вселенной должен был быть достигнут давным-давно. Почему же этого не случилось?

Почему наша Вселенная столь невероятна

Некоторые думают, что нынешнее состояние Вселенной, с ее относительно высокой организацией и низкой энтропией (в сравнении с той, какой она могла бы быть), подразумевает существование Бога. Артур Эддингтон сформулировал это более элегантно. Он сказал (в упомянутой книге):

Направление «стрелы времени» может быть определено только такой несочетаемой смесью теологии и статистики, как второе начало термодинамики. Или, если выражаться точнее, направление «стрелы» может быть определено на основе законов статистики; но ее значение как важнейшего фактора, определяющего смысл мира, может быть выведено только на основе телеологических[118] представлений.