Физика с Хокингом. Ключевые идеи в популярном изложении - Рюдигер Ваас

Сила беспорядка

Любой, кто увидит, как из компоста появляется красное яблоко, как капли молока выпрыгивают из чашки кофе, как стакан поднимается из осколков на полу, вероятно, почувствует, что смотрит не тот фильм – или просто обратную киносъемку. Потому что все сложные процессы в природе необратимы. Даже повторяющиеся процессы, такие как смена времен года или фаз Луны, имеют необратимый ход действий. Вот почему гораздо менее вероятно, что что-то возникнет и разовьется, чем то, что это что-то превратится в руины и пепел.

Хаос намного превосходит порядок. Это можно даже точно описать в физических терминах: с помощью энтропии, меры беспорядка системы. Например, для компактной капли молока в кофе существует гораздо меньше способов систематизированного расположения молекул, чем для хорошего и, следовательно, неорганизованного размешивания.

Энтропия, согласно второму закону термодинамики, в среднем может только увеличиваться. Это не противоречит возникновению порядка в отдельных сегментах, поскольку он возможен только за счет большего беспорядка в целом. Образование сложных структур, т. е. порядка, возможно, но лишь потому, что он соседствует с еще большим беспорядком. Любому, кто наводит порядок на своем столе, нужна энергия, и поэтому ему приходится есть больше яблок, которые получают энергию из процессов ядерного синтеза на солнце. Стол может стать более аккуратным, но хаос в Солнечной системе возрастет. Таким образом, второй закон определяет направление времени. Он «течет» в сторону большей общей энтропии; все имеет тенденцию к беспорядку.

Чистый стол стоит дорого. Порядок возможен только за счет большего беспорядка в окружающей среде.

Но это скорее не решение вопроса направления времени, а его суть. Все известные фундаментальные законы природы симметричны относительно времени: они не содержат выделенного направления времени и не различают будущее и прошлое. Каждый процесс может также происходить в обратном порядке. Но почему он этого не делает?

Этот вопрос можно отмести как бессмысленный, если придерживаться термодинамики и приравнивать направление времени к росту энтропии. Однако развитие событий может также попеременно происходить то вперед, то назад, либо не происходить вообще. Следовательно, энтропия не является решением, как подчеркивал Хокинг. «Течение» времени остается загадкой. Никто не знает, куда она ведет, откуда берется и почему вообще существует.

ьтяпсв тедйоп ямерв илсЕ

Многие космологи и физики, включая Хокинга, видят тесную связь между направлением времени и расширением пространства. В лучших моделях квантовой космологии время вообще больше не выступает как фундаментальная величина, оно даже не появляется как независимый физический параметр в уравнениях. Здесь космическое расширение указывает направление времени и, возможно, даже подстегивает увеличение энтропии. Эта связь между расширением Вселенной и направлением времени применима и к моделям Хокинга.

Хокинг задал себе этот вопрос еще в начале 1980-х годов. Ранее высказывались предположения, что ось времени может быть обращена вспять, если в далеком будущем пространство станет сжиматься, а не расширяться. Такой коллапс до финального взрыва кажется неизбежным, если общая масса Вселенной превысит критическое значение или космологическая постоянная Эйнштейна окажется отрицательной. Хотя астрономические наблюдения последних лет противоречат обоим вариантам, возможность коллапса никогда не может быть полностью исключена.

Независимо от того, произойдет ли окончательный взрыв или нет, изучение последствий коллапса Вселенной имеет огромное значение для понимания времени. Если бы Второй закон термодинамики изменил свое направление в сжимающейся Вселенной, наступила бы своего рода эпоха чудес! С сегодняшней точки зрения излучение собиралось бы в звезды, яблоки формировались бы в компостных кучах и поднимались бы на деревья, люди восставали бы из пепла, становились бы все моложе и моложе и в конце концов исчезали бы в утробе матери.

Может ли время течь вспять? Тогда песок в песочных часах сможет подняться, а звезды поглотят свой собственный свет.

Фактически в 1985 году, после того как Хокинг и Джеймс Хартл предложили свою теорию безграничности для объяснения Большого взрыва, они пришли к убеждению, что термодинамическая ось времени в его модели меняет направление и время течет вспять, когда пространство сжимается.

Самая большая ошибка Хокинга

Однако большинство космологов не были убеждены предположениями Хокинга. Роджер Пенроуз еще на раннем этапе выдвинул веские аргументы в пользу того, почему финальный взрыв полностью отличается от Большого взрыва и имеет максимальную энтропию. (То же самое относится и к черным дырам.) Сразу после Большого взрыва пространство должно было быть очень однородным, гладким или плоским, но незадолго до Большого взрыва оно было крайне неоднородным или искривленным из-за множества черных дыр. Модель Хокинга подверглась резкой критике. Это не злой умысел, а нормальный ход науки: только так возможны постоянные проверки и развитие.

Одним из критиков был Дон Н. Пейдж. После защиты диссертации, вторым рецензентом которой был Хокинг, Пейдж на несколько лет приехал из США в Кембридж и жил с Хокингом и его семьей, чтобы поддерживать его. Пейдж не видел убедительных причин для космологического обращения времени и считал, что Хокинг сделал слишком упрощенные предположения.

Если Вселенная закончится финальным взрывом, то до него она будет гораздо менее однородной, чем вскоре после Большого взрыва.

Хокинг отнесся к этому скептически и поручил решение этой проблемы своему студенту Рэймонду Лафламму. Однако его расчеты также противоречили мнению Хокинга. Они обсуждали свои модели в течение многих недель, затем к ним присоединился и Пейдж. Вместе с Лафламмом ему наконец удалось убедить Хокинга в его ошибке.