Вселенная и «стрела времени»
“Время-это то, что не дает всему сразу произойти одновременно”, — писал Рэй Каммингс в 1922 году в своей научно-фантастической повести “Девушка в золотом атоме”. Эта фраза как нельзя лучше описывает все предназначение времени. Но как время это делает, почему все не происходит одновременно? Какой механизм заставляет время течь именно вперед и только вперед?В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Physical Review Letters, группа физиков-теоретиков еще раз исследовала так называемую “стрелу времени” — понятие, которое описывает неумолимое движение времени вперед. Это исследование стало иным способом взглянуть на то, как ведет себя время во вселенских масштабах.
Традиционная «гипотеза прошлого» предполагает, что любая система начинается в состоянии низкой энтропии, а затем, благодаря термодинамическим процессам, ее энтропия увеличивается. То есть, любая изолированная система движется в сторону увеличения энтропии.
В нашей повседневной жизни мы можем найти массу примеров увеличения энтропии, таких например, как газ, заполняющий все предоставленное ему пространство, или тающий кубик льда. В этих примерах наблюдается необратимый рост энтропии, беспорядка, хаоса. То есть, прошлое – это низкая энтропия, будущее – высокая.
Если это применить ко вселенскому масштабу, то Большой Взрыв должен был породить Вселенную именно в состоянии низкой энтропии. Шло время, Вселенная расширялась и охлаждалась, энтропия ее увеличивалась. Таким образом, согласно этой гипотезе, время неразрывно связано со степенью энтропии в нашей Вселенной.
Но есть несколько проблем с этой идеей.
Все данные наблюдений указывают на то, что среда во Вселенной, образовавшаяся сразу после Большого, была горячей и представляла собой полный хаос из первичных частиц. По мере того, как Вселенная росла и охлаждалась, гравитация создавала из нее совсем другую Вселенную, более упорядоченную и более сложную — из остывающих облаков газа образовались звезды и планеты, а из них, в свою очередь, галактики и скопления. В конце концов, стала возможна органическая химия, дав толчок к зарождению жизнь и нас, людей, философствующих о времени и пространстве. В масштабах Вселенной энтропия уменьшилась, а не увеличилась, как предполагает “гипотеза прошлого”.
По словам одного из участников исследования Флавио Меркати из Института теоретической физики в Онтарио, вопрос состоит в том, как энтропия измеряется.
Поскольку энтропия — это физическая величина со своими размерами (как энергия и температура), должны быть какие-то рамки, по отношению к которым эти размеры могут быть измерены.
— Это может быть сделано для подсистем Вселенной, потому что остальной универсум устанавливает эти рамки для них, но у него самого нет внешних ссылок для измерения подобных вещей, ибо нет ничего за его пределами, — выразил Меркати свое мнение Discovery News.
Но если не энтропия, то что тогда движет вселенское время вперед?
Сложность является безразмерной величиной. Если посмотреть на нашу Вселенную, можно с уверенностью сказать, что сложность ее напрямую связана со временем. С течением времени Вселенная становится все более структурированной и сложной.
— Наш ответ — сила тяжести, и ее склонность к созданию порядка и структуры (сложности) из хаоса, — говорит Меркати.
Меркати с коллегами проверили эту идею на компьютерных моделях, имитировавших Вселенную. И обнаружили, что, как ни моделируй, сложность вселенных всегда возрастает и никогда не уменьшается со временем.
В момент Большого Взрыва Вселенная получила свое начало в состоянии наименьшей сложности. Это был некий горячий «бульон» из неупорядоченных частиц и энергии. Затем, по мере его охлаждения, начинает действовать гравитация, газы образуют звезды, звезды группируются в галактики. Вселенная непреклонно становится сложнее, и гравитация является движущей силой этого усложнения.
По мере созревания Вселенной, подсистемы становятся изолированными достаточно для действия классической «стрелы времени» в условиях низкой энтропии. В масштабах Вселенной, наше восприятие времени обусловлено постоянным ростом сложности, но в этих подсистемах доминирует понятие энтропии.
— Вселенная — это конструкция, сложность которой постоянно растет, — сказал Меркати в пресс-релизе исследования. — Она состоит из больших галактик, разделенных огромными пустотами. Но в далеком прошлом они были более близки. Наше предположение заключается в том, что наше восприятие времени — это результат закона, который определяет необратимый рост сложности.
Представьте себе, что на вашем лице - разбитое яйцо, и это не фигура речи. Попытка жонглирования яйцами обернулась тем, что одно из них упало и разбилось о вашу голову, и теперь вам нужно идти в душ и менять одежду. Но не было бы проще вернуть время на минуту назад? Ведь яйцо разбилось всего за пару секунд - почему нельзя проделать все то же самое, только наоборот? Просто соединить обратно скорлупу, забросить туда белок и желток - и все... У вас было бы чистое лицо, чистая одежда и никакого желтка в волосах.
Движение только вперед
Это звучит смешно - но почему? Почему нельзя отменить это действие? На самом деле в этом нет ничего невозможного. Не существует какого-либо природного закона, который бы запрещал проделывать подобное. Более того, ученые-физики сообщают, что любой момент, который происходит в повседневной жизни, может случиться и в обратном порядке в любой момент времени. Так почему же нельзя «обратно-разбить» яйца, «обратно-сжечь» спичку или даже «обратно-вывихнуть» ногу? Почему эти вещи не происходят каждый день? Почему вообще будущее отличается от прошлого? Этот вопрос выглядит довольно простым, но чтобы на него ответить, нужно вернуться к рождению Вселенной, обратиться к атомному миру и достичь границ физики.
Исаак Ньютон
Как и многие истории в мире физики, эта берет свое начало с великого физика Исаака Ньютона. Бубонная чума поглотила Британию в 1666 году, и именно она заставила Ньютона уйти из Кембриджского университета и отправиться домой к своей матери, которая жила в сельской местности в Линкольншире. Там Ньютон заскучал и, будучи изолированным от внешнего мира, занялся физикой. Он обнаружил три закона движения, включая и известную максиму о том, что каждое действие имеет свое противодействие. Кроме того, он придумал объяснение тому, почему работает гравитация.
Понятие времени в физике
Закон Ньютона являются невероятно эффективными при описании окружающего мира. С их помощью можно объяснить многие явления, начиная с того, почему яблоки падают с деревьев, и заканчивая тем, почему Земля вращается вокруг Солнца. Но у них есть странное свойство - они точно так же работают и наоборот. Если яйцо разбивается, то законы Ньютона говорят, что оно может и вернуться в изначальное состояние. Очевидно, что это неправильно, но практически каждая теория, которая была разработана учеными со времен Ньютона, имеет точно такую же проблему. Законы физики просто не принимают во внимание то, как течет время - вперед или назад. Их это заботит настолько же, насколько информация о том, пишете вы правой рукой или левой. Но вас это определенно заботит! Насколько вы знаете, у времени есть стрелка, которая указывает его направление, и она всегда обращена в будущее. Вы можете перепутать восток и запад, но вы никогда не перепутаете вчерашний день и завтрашний. Однако фундаментальные законы физики не различают прошлое и будущее.
Людвиг Больцман
Первый человек, который всерьез столкнулся с этой проблемой, - австрийский физик Людвиг Больцман, который жил во второй половине 19 века. В те времена все идеи, которые сейчас принимаются за аксиому, были спорными. В частности, ученые-физики не были так убеждены, как они убеждены сегодня, в том, что все в мире создано из частиц, называемых атомами. По мнению большинства физиков, идею про атомы нельзя было доказать, ее невозможно было проверить практическими методами. Больцман же был уверен, что атомы на самом деле существуют, поэтому он использовал данную идею, чтобы объяснить все повседневные вещи, такие как пламя огня, работа легких, а также то, почему чай остывает, если на него подуть. Он думал, что сможет понять все эти вещи, используя ту концепцию, которая ему была так близка, - теорию атомов.
Отрицание
Некоторые физики были впечатлены работой Больцмана, но большинство отклоняли ее. Вскоре он был подвержен остракизму со стороны научного сообщества за его идеи. Однако именно он показал, как атомы связаны с природой времени. В те времена появилась теория термодинамики, которая описывает, как себя ведет тепло. Оппоненты Больцмана настаивали на том, что природу тепла невозможно описать; они говорили, что тепло - это просто тепло. Больцман же решил доказать, что они неправы, и тепло вызывается хаотическим движением атомов. Он был прав, но ему пришлось провести остаток жизни, отстаивая свою точку зрения.
Односторонний процесс
Больцман начал с попыток объяснить кое-что странное - «энтропию». Согласно законам термодинамики, у всего в мире имеется определенное количество энтропии, и когда что-то случается с этим объектом, энтропия возрастает. Например, если вы положите кубики льда в стакан с водой, они растают, а энтропия в стакане вырастет. И рост энтропии отличается от всего в физике - процесс движется в одном направлении. Физики долгое время думали о том, определяется ли то, как течет время, увеличением энтропии. Как вы уже поняли, первым этот вопрос затронул Больцман, но затем многие другие ученые умы принялись изучать этот вопрос. И в итоге стало ясно, что время потенциально может течь в обратном направлении - но только в том случае, если энтропия будет уменьшаться, что попросту невозможно.
Мы не можем остановить время. Даже в пробке, когда время, кажется, замирает и останавливается. Экономия света в дневное время тоже не помогает, время неизбежно стремится вперед. Почему не назад? Почему мы помним прошлое, а не будущее? Физики...
Мы не можем остановить время. Даже в пробке, когда время, кажется, замирает и останавливается. Экономия света в дневное время тоже не помогает, время неизбежно стремится вперед. Почему не назад? Почему мы помним прошлое, а не будущее? Физики считают, что ответ на этот глубокий и сложный вопрос может скрываться в хорошо знакомой нам всем гравитации.
Основные законы физики совершенно не волнует, в каком направлении движется время. К примеру, правила, которые регулируют орбиты планет, работают вне зависимости от того, движетесь вы во времени вперед или назад. Вы можете просмотреть движения в Солнечной системе в обратном порядке и они будут выглядеть совершенно нормально, не нарушая ни один из законов физики. Что же отличает будущее от прошлого?
«Проблема стрелы времени всегда волновала людей», - говорит Флавио Меркати из Периметрического института теоретической физики в Ватерлоо, Канада.
Большинство людей, которые задумываются о стреле времени, говорят, что она определяется энтропией, количеством беспорядка (хаоса) в системе, будь то миска с кашей или вселенная. Согласно второму закону термодинамики, общая энтропия замкнутой системы всегда растет. Пока энтропия растет, время движется в том же направлении.
Когда кубик льда в вашем стакане тает и разбавляет ваш виски с колой, например, энтропия растет. Когда вы разбиваете яйцо, энтропия растет. Оба примера необратимы: вы не можете заморозить кубик льда в стакане с теплой колой или собрать яйцо заново. Последовательность событий - а значит и время - движется только в одном направлении.
Если стрела времени следует за ростом энтропии, и если энтропия во Вселенной всегда возрастает, значит, в какой-то момент в прошлом энтропия должна была быть низкой. Здесь и рождается загадка: почему энтропия Вселенной в начале была низкой?
По мнению Меркати и его коллег, не было никакого особенного начального состояния вообще. Вместо этого, состояние, которое указало времени двигаться вперед, появилось естественным путем во вселенной под диктовку гравитации. Этот аргумент ученые раскрыли в недавно опубликованной работе в Physical Review Letters.
Для проверки своей идеи ученые смоделировали Вселенную в виде собрания тысячи частиц, которые взаимодействуют друг с другом только посредством гравитации и представляют собой галактики и звезды, плавающие в космосе.
Ученые обнаружили, что независимо от стартовых позиций и скоростей в какой-то момент частицы неизбежно оказываются сгруппированными вместе в шар, прежде чем снова рассыпаться. Этот момент можно назвать эквивалентным Большому Взрыву, когда вся вселенная сжимается в бесконечно малую точку.
Вместо того чтобы использовать энтропию, ученые описывают свою систему с использованием величины, которую сами называют «запутанностью» (complexity), определяемую как грубое отношение расстояния между двумя частицами, которые находятся дальше друг от друга, чем от остальных, к расстоянию между двумя ближайшими частицами. Когда все частицы слипаются воедино, запутанность находится в наименьшем значении.
Ключевая идея во всем этом, как объясняет Меркати, такова: этот момент наименьшей запутанности возникает естественным путем из группы гравитационно взаимодействующих частиц - никаких особых условий не требуется. Запутанность увеличивается по мере того, как частицы расходятся, представляя одновременно и расширение Вселенной, и движение времени вперед.
Если этого недостаточно, события, которые имели место до того, как сгруппировались частицы - то есть до Большого Взрыва - двигались во втором направлении времени. Если вы проиграете события с этого момента назад, частицы постепенно разлетятся из скопления. Поскольку в этом обратном направлении запутанность возрастает, эта вторая стрела времени тоже будет указывать в прошлое. Которое, исходя из второго направления времени, будет на самом деле «будущим» другой вселенной, которая существует по ту сторону Большого Взрыва. Весьма запутанно, согласитесь.
Эта идея похожа на ту, что 10 лет назад предложили физики Шон Кэрролл и Дженнифер Чен из Калифорнийского технологического института. Они связали стрелу времени с идеями, описывающими инфляцию, резкое и быстрое расширение Вселенной, которое произошло сразу после Большого Взрыва.
«Что интересно в этой идее, это то, что она вполне логично связана с нами, - говорил Кэрролл, описывая свою работу применимо к стреле времени. - Возможно, причина того, что мы помним вчерашний день и не помним завтрашний, заключается в условиях, связанных с Большим Взрывом».
Связь направления времени с простой системой из классической физики относительно нова, говорит физик Стив Карлип из Калифорнийского университета в Дэвисе. Новое в этом - отказаться от энтропии в пользу идеи запутанности. Проблема энтропии в том, что она определяется в терминах энергии и температуры, которые измеряются посредством внешнего механизма вроде термометра. В случае со вселенной нет никакого внешнего механизма, поэтому вам нужна величина, которая не опирается ни на одну из единиц измерения. Запутанность, в отличие от этого, является безразмерным отношением и отвечает всем требованиям.
Это не означает, что от энтропии нужно отказаться совсем. Наш повседневный опыт - вроде вашего прохладного лимонада - полагается на энтропию. Но при рассмотрении вопроса времени в космических масштабах нужно оперировать термином запутанности, а не энтропии.
Одним из основных ограничений этой модели является то, что она исключительно сделана на базе классической физики, полностью игнорируя квантовую механику. Также она не включает в себя общую теорию относительности Эйнштейна. В ней нет темной энергии или чего-то еще, что нужно для создания точной модели Вселенной. Но исследователи думают о том, как включить более реалистичную физику в модель, что впоследствии могло бы дать возможность сделать проверяемые прогнозы.
«Для меня большой проблемой является то, что существует великое множество разных физических стрел времени», - говорит Карлип. Прямое направление времени чаще всего проявляет себя, совершенно не подключая гравитацию. К примеру, свет всегда излучается от лампы - и никогда по направлению к ней. Радиоактивные изотопы распадаются на более легкие атомы, никогда наоборот. Почему тогда стрела времени, появившаяся из гравитации, подталкивает другие стрелы времени в том же направлении?
«Это большой вопрос, который остается открытым. Думаю, пока ни у кого нет хорошего ответа на этот вопрос».
Эта мысль не даёт мне покоя. Поиск царя в России начался? С одной стороны царём хочет быть любой, кто забрался на высшую ступень Власти. Но надо же соблюсти какую-то преемственность? Например, быть похожим на Николая Второго. Кстати, в Англии родственников нашего покойного царя - хоть отбавляй! Похожих вполне можно найти.
В России - Анатолий Дмитриевич. Неудобно говорить, но - вылитый царь! Народ же видит!
Однако же Путин... молчу! Тут уже слова все гаснут, как свечи в церкви от сквозняка.
Ну, хорошо! Выбрали царя, как когда-то выбрали Бориса Годунова. Польза-то будет?
Вот, возвратили церковные праздники. Народ стал молиться. Бог услышал, поспешил к нам. Не пришёл ещё? Странно. Молимся не все? Бедное наше Царство-Государство!
Тут нам обещают приезд танков немецких прямо на Московский Двор! Три мизерных Государства под названием - "Прибалтика" готовы бороться за свободу даже под угрозой закидать всю Прибалтику Россией одной-единственной бомбой!
Есть подозрение, что от одной бомбы пострадает ещё и половина Германии? А если - вся Европа?
Вот, выберем царя, божьего помазанника на Власть над приданной толпой верующих,
соберём опять все народы, что были в единой России до 1917 года, так и бомбу кидать не надо будет!
Вся Прибалтика рухнет на колени перед царствующей особой, запричитает: - Прости нас, Леопольд! Мы больше так не будем!
Может быть, всё же вперёд движемся? Чего нам искать концы в девятнадцатом веке?
Останемся при Президенте? Придумаем какой-то вариант не капитализма?
Ну, что-то мы должны же придумать? Чтобы всё время не обновлять одну и ту же улицу асфальтом ежегодно! Чтобы дома стояли века, как в Европе, а не пятьдесят лет, разваливаясь от какого-то взрыва газа, как карточный домик!
Честно работать разучились при Генеральных Секретарях, занялись очковтирательством, рапортами и поисками врагов Революции! Да, автомобили были прочными! Ездили тихо, но долго. Стиральные машины перемалывали плохую воду, не применяя "колгон". А дома разваливались на протяжении одной жизни хозяев квартир!
С этого и начать переустройство политики! Дома должны стоять три века! Асфальт должен быть прочным минимум пять лет! Водопроводные трубы не должны гнить двадцать пять лет! Для труб должны прокладываться подземные каналы! И каждую ржавую трубу не должна заменять новая ржавая труба!
У нас в каждом деле сегодня Государство тратит двойную цену, куда бы мы ни заглянули критическим взглядом. Дом после взрыва газа подлежит сносу. Построен был сразу плохо? Нет сомнения!
Строится мост. До первого весеннего паводка? Что у нас ещё плохо строится?
Где мы теряем миллиарды рублей? Где мы можем найти новые миллиарды рублей?
Все вопросы не ко мне.
К специалистам. А они есть? Здесь тоже - вопрос.
Сообщение: обращаться только к специалистам! Специалисты варят? Ну да! Сварщики с дипломом!
На моих глазах факелом вспыхнул "Запорожец". Сгорел дотла за две минуты! Кто варил электродами поддон автомобиля? Специалист!
Кто в доме варил трубу водопровода? Специалист! Он только перепутал трубу газа с трубой водопровода!
Может быть, мы всё же движемся назад, а не вперёд?
Кто ответит? Специалист? А какое у него образование? С помощью шпаргалок или с помощью выплат денежных за каждый пропускной балл?
Рафаэль Нуньес, сотрудник Калифорнийского университета в Сан-Диего (США), и его коллеги отправились на склоны хребта Финистерре на северо-востоке страны. В этой местности нет дорог, электричества или даже пастбищ. Уклад жизни племени остается практически нетронутым на протяжении веков. Общаясь с местными жителями, американские исследователи обратили внимание на жестикуляцию аборигенов в тот момент, когда разговор заходил о течении времени, событиях прошлого, настоящего или будущего. Жесты собеседников показались Нуньесу и коллегам довольно необычными.
Если разговор происходил на улице, то при упоминании прошлого аборигены показывали вниз, на подножье местных гор и устье реки, а говоря о будущем, указывали вверх, на вершины гор, где прятался исток реки. Жесты повторялись вне зависимости от того, куда был направлен взгляд человека. Все аборигены были уверены: будущее - наверху, в горах, а прошлое - в долине.
Внутри хижины географические ориентиры юпно теряются, и там линия времени становится более прямой. Тем не менее, аборигены указывают на дверь, когда речь идет о прошлом, и в сторону от входа, когда упоминают о будущем, независимо от ориентации дома. Возможно, это связано с тем, что вход хижины приподнят над уровнем земли, рассуждают исследователи. Таким образом, прошлое, как и выход из дома, располагается "вниз по склону", а пространство внутри хижины - наверху, значит - в будущем.
Исследователи выдвинули историческую гипотезу, объясняющую такую картину мира: предки юпно прибыли в эти места по морю и затем поднялись на 2500-метровую высоту. Возможно, поэтому низина кажется им прошлым. Самым удивительным ученым показалось то, что линия времени повторяла окрестный ландшафт. "Это первый случай, когда повседневные представления о времени имеют топографические свойства", - заключил Нуньес.
Впрочем, у юпно есть почти что единомышленники. У австралийского племени пормпураау время течет с востока на запад. Представления о времени некоторых племен, живущих в глухих уголках планеты, заставляют задуматься о многом. К примеру, о том, что привычная нам картина мира не универсальна.
К примеру, на кечуа, языке племенной группы, в древности создавшей государство, которое мы знаем как Империю Инков, время было неотделимо от пространства: оба понятия обозначались одним и тем же словом "пача". Притом кечуа не различали прошлое и будущее: по их мнению, существовало лишь два вида времени-пространства: то, которое здесь и сейчас, и то, которое "не сейчас" и не здесь. Такое прошлое-будущее на языке кечуа называлось "навья-пача".
В некоторых языках Древней Индии, в том числе и в хинди, вчера и завтра тоже обозначаются одним и тем же словом "каль" ("kal"). Только по находящемуся рядом глаголу можно понять, идет ли речь о прошедшем или будущем времени. Языки этих народов отражают циклическое восприятие времени, которое было характерно для наших предков. Сбор урожая, чередование времен года, циклы природы - привычные события шли по кругу, повторяясь из раза в раз.
Можно предположить, что современная идея прогресса и личных достижений, устремления вперед не пришлась бы им по душе. Успехом в их понимании было скорее не выпасть из привычного круга времени - вовремя посеять и собрать урожай, не умереть от болезни в молодости, родить и воспитать детей, которые продолжат жизненный цикл.
Есть и удивительные народы, которые считают, что время течет назад. Так полагают, к примеру, аймара, живущие на склонах Анд. Для них будущее располагается за спиной, а прошлое - перед глазами. Логика проста: прошлое-то мы помним и видели, а о будущем ничего не знаем. А для китайцев прошлое находится вверху, а будущее - внизу. Здесь, скорее всего, дело в привычке писать в столбик сверху вниз. В плане "горизонтальности" времени китайцы согласны с европейцами, но вот направление показывают несколько иное: "вперед" они воспринимают как "сверху вниз".