Теория всего. От сингулярности до бесконечности: происхождение и судьба Вселенной - Стивен Хокинг

Затем Вселенная должна была пережить период стремительного расширения, как в инфляционных моделях. В течение этого периода исходные неоднородности, вероятно, увеличились до размеров, достаточных для того, чтобы объяснить возникновение галактик. Таким образом, все сложные структуры, наблюдаемые во Вселенной, можно объяснить, опираясь на условие отсутствия границы Вселенной и принцип неопределенности квантовой механики.

Идея о том, что пространство и время могут образовывать замкнутую поверхность без границы, имеет также серьезные последствия для определения роли Бога в вопросах, связанных с существованием Вселенной. Успех научных теорий в описании физических явлений привел к тому, что большинство людей уверовали в то, что Бог позволяет Вселенной развиваться в соответствии с некоторым набором физических законов. По-видимому, Он не вмешивается в ход развития Вселенной и не нарушает эти законы. Однако эти законы не сообщают нам, какой была Вселенная в момент своего возникновения. Право завести часовой механизм и решить, как его запустить, по-прежнему остается прерогативой Бога.

В том случае, если Вселенная имеет начало в виде сингулярности, можно предполагать, что она была создана некой внешней силой. Но если Вселенная действительно полностью замкнута и не имеет границы или края, она не может быть ни создана, ни уничтожена. Она просто существует. Зачем тогда нужен Создатель?

В своем романе «Посредник» Лесли Поулз Хартли пишет: «Прошлое — это другая страна. Там все иначе. Но почему прошлое так отличается от будущего? Почему мы помним прошлое и не помним будущее?» Иными словами, почему время течет вперед? Связано ли это с расширением Вселенной?

Операции C, P, T

Законы физики не делают различия между прошлым и будущим. Точнее, законы физики не меняются при сочетании операций, обозначаемых C, P и Т. (C означает замену частиц античастицами. P — зеркальное отражение, когда право и лево меняются местами. T означает изменение направления движения всех частиц на противоположное — обращение движения вспять.) Законы физики, управляющие поведением материи при нормальных условиях, не изменяются при операциях C и Р. Иными словами, жизнь обитателей другой планеты, являющихся нашими зеркальными отражениями и состоящих из антиматерии, ничем не отличалась бы от нашей. Если вы встретите инопланетянина и он протянет вам левую руку, не пожимайте ее. Он может состоять из антиматерии. Вы оба исчезнете в грандиозной вспышке света. Если законы физики не изменяются при комбинации операций С и P, а также операций С, P и T, они должны оставаться неизменными и при операции T. И все же в обычной жизни существует большая разница между прямым и обратным направлениями времени. Представьте себе чашку воды, которая падает со стола и разбивается на мелкие осколки. Если снять об этом фильм, то вы сможете легко определить, когда его показывают в прямом направлении, а когда — в обратном. Если показывать его в обратном направлении, то вы увидите, как осколки внезапно собираются вместе и «запрыгивают» с пола обратно на стол, образуя целую чашку. Вы понимаете, что фильм показывают в обратном направлении, поскольку в обычной жизни такое никогда не случается. В противном случае производители посуды давно бы разорились.

Стрелы времени

Обычно тот факт, что мы не видим, как разбитая чашка «запрыгивает» обратно на стол, объясняют тем, что это запрещено вторым законом термодинамики. Он гласит, что беспорядок, или энтропия, всегда возрастает с течением времени. Иными словами, это закон Мерфи: события имеют тенденцию развиваться в худшую сторону. Целая чашка на столе — это высокоупорядоченное состояние, а разбитая чашка на полу — неупорядоченное. Поэтому события могут развиваться от состояния целой чашки на столе в прошлом к состоянию разбитой чашки на полу в будущем, а не наоборот.

Возрастание беспорядка, или энтропии, с течением времени является одним из примеров того, что называется стрелой времени — того, что указывает направление времени и позволяет различать прошлое и будущее. Существуют по крайней мере три различные стрелы времени. Во-первых, термодинамическая стрела времени — направление времени, в котором возрастает беспорядок, или энтропия. Во-вторых, психологическая стрела времени. Это направление течения времени, как мы его ощущаем, — то направление времени, в котором мы помним прошлое, но не помним будущее. В-третьих, космологическая стрела времени. Это направление времени, в котором Вселенная расширяется, а не сжимается.

В обычной жизни существует большая разница между прямым и обратным направлениями времени.

Я покажу, что психологическая стрела времени определяется термодинамической и что обе эти стрелы всегда указывают в одном направлении. Если предположить, что Вселенная не имеет границы, обе эти стрелы связаны с космологической стрелой времени, хотя они могут и не указывать в том же направлении. Впрочем, я покажу, что только когда они совпадают с космологической стрелой времени, могут появиться разумные существа, способные задать вопрос: почему беспорядок возрастает в том же направлении времени, в котором Вселенная расширяется?

Термодинамическая стрела

Сначала я расскажу о термодинамической стреле времени. Второй закон термодинамики опирается на тот факт, что неупорядоченных состояний намного больше, чем упорядоченных. Например, рассмотрим фрагменты пазла в коробке. Существует одна и только одна комбинация, при которой эти фрагменты образуют завершенную картинку. С другой стороны, существует много комбинаций, при которых фрагменты не упорядочены и не образуют картинки.

Предположим, что система сначала находится в одном из небольшого числа упорядоченных состояний. С течением времени она будет развиваться по законам физики и ее состояние изменится. Впоследствии она с высокой вероятностью окажется в более неупорядоченном состоянии просто потому, что таких состояний гораздо больше. Таким образом, беспорядок имеет тенденцию возрастать с течением времени, если система удовлетворяет начальному условию, требующему, чтобы ее исходное состояние было высокоупорядоченным.