Неумолимая стрела времени: почему время движется только вперед

Каждый момент, в котором мы находимся, несет нас из прошлого в настоящее, а затем — в будущее. Время всегда движется в одном направлении. Оно никогда не останавливается и не движется назад. Для нас стрела времени всегда направлена вперед. Однако, если мы взглянем на законы физики — от положений Ньютона до Эйнштейна, от Максвелла до Бора, от Дирака до Фейнмана, — то они выглядят симметричными времени. Другими словами, у уравнений, которым подчиняется реальность, нет предпочтений по части направления движения времени. Решения, описывающие поведение любой системы, подчиняющейся законам физики, какими мы их понимаем, одинаково действенны как для времени, движущегося в прошлое, так и для времени, направленного в будущее. Но опыт говорит нам, что время движется только в одном направлении — вперед. Итак, откуда берется стрела времени?

Многие считают, что между стрелой времени и энтропией есть связь. Тогда как большинство людей обычно приравнивают энтропию к «беспорядку», это ленивое и не совсем точное описание. Напротив, об энтропии следует думать как о мере того, сколько тепловой энергии потенциально можно превратить в полезную, механическую работу. Если у вас много такой энергии, потенциально способной выполнить работу, то это система с низкой энтропией, тогда как если у вас ее мало, то ваша система имеет высокую энтропию. Второе начало термодинамики — важное соотношение в физике, утверждающее, что энтропия закрытой системы может либо не изменяться, либо возрастать с течением времени, то есть она не может уменьшиться. Иначе говоря, со временем энтропия всей Вселенной должна возрастать. Это единственный закон физики, у которого есть предпочтительное направление времени.

Итак, означает ли это, что мы воспринимаем время именно так из-за второго начала термодинамики? Связано ли это с фундаментальной связью стрелы времени с энтропией? Некоторые физики считают, что это именно так. В проекте 2016 года, проведенном на ютьюб-канале MinutePhysics и физиком Шоном Кэрроллом, автором нескольких научно-популярных книг, интервью с которым вы можете прочитать в выпуске №39 журнала Naked Science, была предпринята попытка ответить на вопрос, почему время не движется назад. В итоге физики пришли к выводу, что это связано с энтропией.

Энтропия действительно объясняет стрелу времени в случае многих феноменов, включая то, почему не разделяется смесь кофе и молока, а разбитое яйцо никогда не собирается обратно в скорлупу. Во всех этих и аналогичных случаях изначальное состояние низкой энтропии (с большей энергией, пригодной для работы) двигалось к состоянию с более высокой энтропией (и меньшей доступной энергией) с течением времени вперед. В природе есть много примеров этого процесса, включая комнату, наполненную молекулами: одна сторона наполнена холодными, движущимися медленно молекулами, а другая полна горячих и быстродвижущихся. Надо лишь подождать, и комната заполнится перемешанными частицами средней энергии, что представляет собой большой рост энтропии и необратимую реакцию.

Но нельзя сказать, что она абсолютно необратима. Видите ли, многие забывают, что, когда дело касается второго начала термодинамики и увеличения энтропии, это относится исключительно к закрытой системе или системе, в которую не добавляется энергия извне и не вносятся никакие изменения по увеличению или уменьшению энтропии. В далеком, 1870 году физик Джеймс Клерк Максвелл предложил способ обращения этой реакции: нужна внешняя сущность, которая будет открывать разделение между двумя сторонами комнаты, позволяя «холодным» молекулам переходить на одну сторону, а «горячим» — на другую. Эту идею назвали «демоном Максвелла», и она позволяет понизить энтропию системы.

Конечно, нарушить второе начало термодинамики с помощью этого метода невозможно. Дело в том, что «демону» необходимо затратить огромные объемы энергии, чтобы разделить частицы таким способом. Система под влиянием «демона» — открытая. Если вы прибавите к ней энтропию и самого «демона» к общей системе частиц, окажется, что общая энтропия в итоге все-таки возрастает. Но и тут есть важная деталь: даже если бы вы жили в коробке и не заметили существование «демона» — другими словами, если бы вы жили в «карманной вселенной» с возрастающей энтропией, — для вас время все равно бы шло вперед. Термодинамическая стрела времени не определяет направление, в котором мы воспринимаем ход времени.

Итак, откуда берется стрела времени, которая соотносится с нашим восприятием времени? Неизвестно. Однако известно, что это точно не термодинамическая стрела времени. Измерения энтропии Вселенной указывают только на одно возможное уменьшение во всей космической истории: окончание космической инфляции и ее переход к Горячему Большому взрыву (не путать с Большим взрывом — это два разных состояния Вселенной; Горячий Большой взрыв — период развития Вселенной, на последних стадиях которого мы живем). Большинство ученых утверждают, что Вселенную ждет холодное пустое будущее после того, как все ее звезды сгорят, черные дыры распадутся, а темная энергия разнесет не связанные друг с другом гравитационно галактики на огромные, невообразимые расстояния. Это термодинамическое состояние максимальной энтропии известно как тепловая смерть Вселенной. Любопытно, что состояние, из которого развилась Вселенная — состояние космической инфляции, — обладает теми же свойствами, но с более высокой скоростью расширения во время эпохи инфляции, по сравнению с тем, к которому приведет нынешняя эпоха, где главенствует темная энергия.

Каким образом завершилась инфляция? Как вакуумная энергия Вселенной — свойственная самому пустому пространству — преобразилась в горячий бульон из частиц, античастиц и излучения? И перешла ли Вселенная из состояния с невероятно высокой энтропией во время космической инфляции в состояние с более низкой энтропией во время Горячего Большого взрыва либо энтропия при инфляции была еще ниже из-за итоговой способности Вселенной к совершению механической работы? На сегодня у ученых есть только теории, которые — будем надеяться — однажды приведут к верным ответам на эти вопросы. Экспериментальные или наблюдательные признаки, которые могли бы подсказать, пока получены не были.

Мы понимаем стрелу времени с точки зрения термодинамики — и это действительно ценное и очень важное понимание. Но если вы хотите узнать, почему вчера раз за разом остается в неизменном прошлом, завтра наступает на следующий день, а настоящее — то, где вы проживаете прямо сейчас, то термодинамика не сможет ответить на этот вопрос. И пока что, по сути, нет никого, кто бы смог.