Вселенная Стивена Хокинга - Стивен Хокинг

В этой главе я привожу доводы в пользу того утверждения, что никакие граничные условия для Вселенной вкупе со слабым антропным принципом не могут объяснить, почему все три стрелы направлены в одну сторону. И даже более того, почему вообще должна существовать четко заданная стрела времени. Я попытаюсь показать, что психологическая стрела времени определяется термодинамической стрелой и что обе они обязательно направлены в одну сторону. Если принять гипотезу об отсутствии у Вселенной границ, то, как мы увидим, должны иметься строгие термодинамическая и космологическая стрелы времени, но они указывают не в одну сторону на протяжении всей истории Вселенной. Тем не менее я утверждаю, что условия, подходящие для появления разумных существ, которые способны задаться вопросом о том, почему беспорядок всегда возрастает в том же направлении времени, в котором расширяется Вселенная, могут возникнуть, только когда эти две стрелы направлены в одну сторону.

Поговорим сначала о термодинамической стреле времени. Второе начало термодинамики есть следствие того, что неупорядоченных состояний всегда больше, чем упорядоченных. Возьмем, например, пазл из множества деталей. Картинка получается только из единственно возможного сочетания фрагментов. С другой стороны, вариантов расположения фрагментов множество, но при этом они составлены беспорядочно и не складываются в осмысленную картину.

Пусть эволюция системы началась из одного из немногих упорядоченных состояний, и система эволюционирует во времени в соответствии с законами природы, ее состояние меняется. Вероятность того, что позднее система окажется в неупорядоченном состоянии, куда выше, чем что в упорядоченном, потому что состояний первого типа больше. Таким образом, если система удовлетворяет начальному условию – высокой степени порядка, – то степень хаоса будет стремиться к росту.

Предположим, что в начальный момент детали пазла находятся в упорядоченном состоянии и составляют картинку. Если коробку с головоломкой встряхнуть, расположение фрагментов изменится, и новое расположение деталей, скорее всего, будет беспорядочным, то есть фрагменты не будут образовывать цельной картины, просто потому что беспорядочных состояний больше. При этом некоторые детали могут все еще составлять какую-то часть пазла. Но чем дольше вы трясете коробку, тем больше вероятность, что эти группы рассыплются и все детали полностью перемешаются – от первоначального изображения не останется ничего. Так что если начальное условие в том, что детали должны образовывать конфигурацию с высокой степенью упорядоченности, то степень их беспорядка со временем, скорее всего, будет возрастать.

Тем не менее предположим, будто Бог решил, что Вселенная должна окончить эволюцию в состоянии с высокой степенью порядка и что при этом неважно, с какого состояния эволюция началась. В таком случае на заре своей истории Вселенная, очевидно, отличалась неупорядоченностью. Это означает, что степень хаоса со временем должна была уменьшаться. То есть разбитые чашки складывались из осколков и запрыгивали обратно на столы. Но любой человек, наблюдающий эти чашки, жил бы во вселенной, где беспорядок со временем уменьшается. Я утверждаю, что у таких существ психологическая стрела времени должна быть направлена назад. То есть они бы помнили события из будущего и не хранили бы в памяти те, что произошли в прошлом. В момент, когда чашка разбилась, они помнили бы, что она находилась на столе, а когда она находилась бы на столе, они бы не помнили, что она была на полу.

Рассуждать о человеческой памяти нелегко, потому что мы не до конца понимаем, как работает мозг человека. Но мы знаем все об устройстве памяти компьютеров. Поэтому я стану рассматривать психологическую стрелу времени для них. Мне представляется разумным предположение, что стрела времени для компьютеров такая же, как и для людей. Если бы это было не так, можно было бы разорить фондовую биржу, завладев компьютером, способным вспомнить завтрашние котировки! Компьютерная память, вообще говоря, состоит из элементов, которые могут пребывать в одном из двух состояний. Элементарным примером служит абак. В простейшем случае он состоит из множества отрезков проволоки, на каждый из которых нанизаны бусины, принимающие одно из двух положений. Перед записью единицы данных память компьютера находится в неупорядоченном состоянии, и вероятности ее перехода в одно из двух состояний равны. (Бусины распределены по нитям абака случайно.) Когда память завершит взаимодействие с системой, состояние которой следует запомнить, она определенно перейдет в одно или другое состояние – в зависимости от состояния системы. (Каждая бусина в абаке будет располагаться на проволоке слева или справа.) И вот память перешла от неупорядоченного состояния к упорядоченному. Но чтобы убедиться, что память находится в нужном состоянии, необходимо затратить некоторое количество энергии (например, для перемещения бусины или питания компьютера). Энергия рассеивается в виде тепла и увеличивает степень хаоса Вселенной. Можно показать, что рост степени хаоса всегда более значителен, чем рост степени порядка внутри самой памяти. Таким образом, отводимое вентилятором компьютера тепло означает, что когда компьютер записывает данные в память, общее количество беспорядка во Вселенной тем не менее увеличивается. Направление времени, в котором компьютер помнит прошлое, совпадает с направлением, в котором увеличивается степень беспорядка.

Таким образом, наше субъективное ощущение направления времени – психологическая стрела – определяется в мозгу и ориентировано на термодинамическую стрелу времени. Так же как и компьютер, мы должны помнить события в том порядке, в каком возрастает энтропия. В свете этого вывода второе начало термодинамики становится почти что тривиальным. Степень беспорядка со временем увеличивается, потому что мы измеряем время в том направлении, в каком растет степень беспорядка. За это даже головой можно поручиться!

Но почему вообще должна существовать термодинамическая стрела времени? Или, другими словами, почему Вселенная на одном конце времени – том, которое мы называем прошлым, – должна находиться в состоянии с высокой степенью порядка? Почему она не пребывает в подчеркнуто хаотичном состоянии все время? В конце концов, это может показаться более вероятным. И почему направление времени, относительно которого увеличивается степень беспорядка, совпадает с тем, в котором расширяется Вселенная?

В классической общей теории относительности невозможно предсказать, как возникла Вселенная, потому что все известные законы природы перестают соблюдаться в сингулярности Большого взрыва. У своих истоков Вселенная могла быть однородной и упорядоченной. Это имело бы следствием те четко очерченные термодинамическую и космологическую стрелы времени, что мы наблюдаем. Но с таким же успехом Вселенная в начале времен могла быть клочковатой и беспорядочной. В этом случае она пришла бы теперь к полному хаосу, и его степень не могла бы увеличиваться со временем. Степень беспорядка либо оставалась бы постоянной – и в этом случае не было бы четкой термодинамической стрелы времени, – либо снижалась бы, и тогда термодинамическая стрела времени указывала бы в направлении, противоположном космологической стреле. Оба эти сценария противоречат наблюдениям. Но как мы видели, классическая общая теория относительности предсказывает свое собственное банкротство. При изрядной кривизне пространства-времени приобретают большую значимость эффекты квантовой гравитации: классическая общая теория относительности перестает быть надежным инструментом для описания макрокосмоса. Чтобы понять, как началась Вселенная, нужно прибегнуть к квантовой теории гравитации.