Время после Большого взрыва
Очевидно, что с течением времени Вселенная эволюционирует: ранняя Все-
ленная была горячей и плотной, современная Вселенная холодная и разрежен-
ная . Но я собираюсь обрисовать намного более глубокие связи . Самая загадоч-
ная характеристика времени — наличие у него направленности: прошлое
отличается от будущего . Это стрела времени. В отличие от направлений в про-
странстве, которые между собой равноправны, у Вселенной, несомненно, есть
предпочтительная ориентация во времени . Основная тема этой книги — то,
что стрела времени существует, потому что Вселенная эволюционирует опре-
деленным образом .
Причина, почему у времени есть направление, кроется в том, что Вселенная
полна необратимых процессов — событий, которые происходят в одном на-
правлении времени, но никогда в другом . Можно превратить яйцо в омлет, как
в классическом примере, но невозможно сделать из омлета целое яйцо . Моло-
ко смешивается с кофе; топливо сгорает и превращается в выхлопные газы;
люди рождаются, взрослеют и умирают . В Природе мы повсеместно обнару-
живаем последовательности событий, в которых один тип событий всегда
предшествует другому, а другой — всегда следует после . Все вместе они опре-
деляют стрелу времени . 
Пролог
Примечательно, что в основе всего нашего понимания необратимых про-
цессов лежит одно-единственное понятие — то, что называется энтропией
и измеряет «неупорядоченность» объекта или скопления объектов . С те-
чением времени энтропия упрямо увеличивается или, по крайней мере,
остается постоянной — это знаменитое второе начало термодинамики .2
А причина, почему энтропия стремится возрастать, обманчиво проста: су-
ществует намного больше способов устроить беспорядок, чем организовать
порядок; следовательно (при прочих равных условиях), упорядоченные кон-
фигурации будут естественным образом перетекать во все более беспорядоч-
ные . Совсем несложно перемешать молекулы яйца, для того чтобы получить
омлет, но аккуратно собрать их обратно, сформировав целое яйцо, нам не под
силу .
На этом традиционная история, которую физики обычно рассказывают
о себе, заканчивается . Но существует еще один ингредиент, обладающий не-
вероятной важностью, который пока что не получает должного внимания: если
все во Вселенной эволюционирует в направлении увеличения беспорядка, то
оно должно было стартовать с невероятно упорядоченной конфигурации . Вся
эта логическая цепочка, объясняющая, почему невозможно превратить омлет
в яйцо, очевидно, базируется на фундаментальном предположении, касающем-
ся ранней Вселенной: она пребывала в состоянии очень низкой энтропии
и очень высокой упорядоченности .
Стрела времени соединяет раннюю Вселенную с тем, что мы в буквальном
смысле испытываем в каждый момент нашей жизни . Это не только разбивание
яиц и другие необратимые процессы, такие как добавление молока в кофе или
захламление комнаты, в которой никто не убирается . Стрела времени — это
причина, почему нам кажется, что время течет мимо нас или (если угодно) по-
чему мы плывем сквозь время . Это причина, почему мы помним прошлое, но
не будущее . Почему мы растем и изменяемся, почему у нас происходит процесс
обмена веществ и почему мы в конце концов умираем . Почему мы верим в при-
чинно-следственную связь . Это принципиальный компонент нашего пред-
ставления о свободе воли .
И все это благодаря Большому взрыву .
Мы видим далеко не всё
Загадка стрелы времени, по сути, сводится к следующему: почему условия
в ранней Вселенной были именно такими, какими они были; почему существо-
вала конфигурация с низкой энтропией, позволившая произойти всем этим
Пролог
интересным и необратимым процессам? Исследованиям этого вопроса и по-
священа данная книга . К сожалению, правильного ответа на него никто пока
что не знает . Но в развитии современной науки мы достигли этапа, на котором
у нас уже есть необходимые инструменты для того, чтобы всерьез взяться за
эту загадку .
И ученые, и древние мыслители всегда старались понять время . В Древней
Греции философы досократовских времен Гераклит и Парменид занимали
разные позиции по вопросу природы времени: Гераклит подчеркивал первич-
ность изменения, в то время как Парменид отрицал реальность изменения
вообще . Девятнадцатый век был героической эпохой статистической механи-
ки: люди научились устанавливать поведение макроскопических объектов
исходя из их микроскопических составляющих, — когда такие фигуры, как
Людвиг Больцман, Джеймс Клерк Максвелл и Джозайя Уиллард Гиббс, сумели
дать определение энтропии и описать ее роль в необратимых процессах . Од-
нако им ничего не было известно об общей теории относительности Эйнштей-
на или о квантовой механике и уж, конечно, о современной космологии . Впер-
вые в истории науки у нас по крайней мере есть шанс собрать обоснованную
теорию времени и эволюции Вселенной .
Я собираюсь предложить следующую версию: Большой взрыв не был на-
чалом Вселенной . Космологи иногда говорят, что Большой взрыв представляет
истинную границу пространства и времени, до которой ничего не существо-
вало, — на самом деле даже само время не существовало, поэтому понятие
«до», строго говоря, в этом случае применять нельзя . Однако мы слишком
мало знаем об окончательных законах физики, чтобы с уверенностью делать
подобные заявления . Ученые все чаще начинают апеллировать к возможности
того, что Большой взрыв в действительности не был началом всего, — это
всего лишь фаза, через которую проходит Вселенная или как минимум наша
часть Вселенной . Если это правда, то вопрос о нашем низкоэнтропийном на-
чале принимает другую форму: не «Почему Вселенная зародилась в таком
низкоэнтропийном состоянии?», а «Почему наша часть Вселенной прошла
через период такой низкой энтропии?»
Хотя этот вопрос и не кажется более простым, это — другой вопрос, и он
открывает нам новый диапазон возможных ответов . Не исключено, что Все-
ленная, которую мы видим, — всего лишь часть намного более крупной Муль-
тиленной, которая не зарождается в низкоэнтропийной конфигурации . Я при-
веду доводы, что самая разумная модель Мультиленной — такая, где энтропия
увеличивается просто потому, что энтропия способна увеличиваться всегда:
не существует состояния максимальной энтропии . В качестве дополнительно-
Пролог
го бонуса Мультиленная может быть абсолютно симметричной во времени:
начиная с какого-то момента в середине, когда энтропия имеет высокое значе-
ние, она эволюционирует по направлению к прошлому и будущему в состояния,
в которых энтропия еще выше . Вселенная, доступная нашему взору, — это
всего лишь крошечный отросток невероятно массивного ансамбля, и наше
конкретное путешествие из плотного Большого взрыва к извечной пустоте —
это часть более глобального стремления всей Мультиленной к увеличению ее
собственной энтропии .
В любом случае это всего лишь одна из возможностей . Считайте это при-
мером одного из сценариев, которые космологам следует рассматривать, если
они решают всерьез взяться за проблемы, порождаемые стрелой времени .
И независимо от того, ведет ли нас данная конкретная идея в правильном на-
правлении, сами по себе эти проблемы уже невероятно увлекательны и реаль-
ны . На протяжении этой книги мы будем изучать проблемы времени с самых
разных точек зрения: путешествия во времени, информация, квантовая меха-
ника, природа вечности . Когда уверенности относительно того, как должен
звучать финальный ответ, еще нет, вопрос следует пробовать задавать всеми
способами, какие только возможны .
Всегда останутся скептики
Не все согласны с тем, что космология должна играть значительную роль в на-
шем понимании стрелы времени . Однажды мне довелось провести семинар на
эту тему в большой аудитории на физическом факультете одного крупного
учебного заведения . Один из пожилых профессоров этого факультета посчитал
мое выступление недостаточно убедительным и приложил усилия для того,
чтобы все присутствующие узнали о его неудовольствии . На следующий день
он разослал электронное сообщение другим сотрудникам факультета и при
этом был достаточно любезен для того, чтобы включить в список адресатов
и меня:
Наконец, величина энтропии Вселенной как функция времени — это интерес-
ная проблема для космологии, но предполагать, что от нее зависят законы
физики, — совершеннейшая бессмыслица. Утверждение Кэрролла о том, что
второе начало термодинамики обязано своим существованием космологии, —
одно из глупейших [sic] заявлений, что мне доводилось слышать на физических
семинарах, за исключением заявления [фамилия вырезана] о сознании в кван-
товой механике. Я удивлен тем, что присутствовавшие физики любезно вы-
Пролог
слушали подобный вздор. Позже у меня состоялся ужин с несколькими аспиран-
тами, которые с готовностью поддержали мои возражения, но Кэрролл
остался непоколебим.
Надеюсь, он прочитает эту книгу . Здесь содержится много громких заявле-
ний, но я проявлю осмотрительность, подразделив их на три типа: 1) приме-
чательные результаты современной физики, звучащие удивительно, но тем не
менее являющиеся общепризнанными фактами; 2) масштабные заявления,
с которыми согласны не все работающие физики, но которые тем не менее
должны быть приняты, так как их истинность не вызывает никаких вопросов;
3) умозрительные идеи за пределами зоны комфорта современного положения
дел в науке . Определенно, мы не будем чураться отвлеченных и спекулятивных
рассуждений, но они всегда будут ясно обозначены как таковые . В конечном
счете вы будете вооружены всеми необходимыми знаниями для того, чтобы
самостоятельно решать, какие части истории имеют смысл, а какие нет .
Тема времени включает огромное количество идей — от бытовых до шо-
кирующих . Мы заглянем в термодинамику, квантовую механику, специальную
и общую теории относительности, теорию информации, космологию, физику
элементарных частиц и квантовую гравитацию . Первую часть книги можно
рассматривать в качестве обзорной экскурсии, рассказывающей об энтропии
и стреле времени, эволюции Вселенной и разнообразных концепциях самой
идеи «времени» . После этого мы постараемся подойти к вопросу более систе-
матизированно: во второй части мы глубоко задумаемся о пространстве—вре-
мени и относительности, включая возможность путешествий назад во времени .
В третьей части мы серьезно рассмотрим понятие энтропии, изучив ее роль во
множестве контекстов — от эволюции жизни до загадок квантовой механики .
В четвертой части мы соберем все вместе, для того чтобы смело посмотреть
в глаза загадкам, которые энтропия ставит перед современными космологами:
как должна выглядеть Вселенная и насколько это похоже на то, как Вселенная
на самом деле выглядит? Я продемонстрирую, что Вселенная выглядит совер-
шенно не так, как «должна» (разумеется, объяснив, что я имею в виду, употреб-
ляя это слово), — по крайней мере, так дела обстоят для Вселенной, которую
мы видим вокруг нас . Если наша Вселенная зародилась в Большом взрыве, то
ее существование отягощается тонко подстроенным граничным условием, для
которого мы не можем найти достойного объяснения . Однако если наблюдае-
мая Вселенная является частью более крупного ансамбля — Мультиленной, то,
возможно, у нас есть шанс объяснить, почему в крохотной части этого ансамбля
энтропия на одном конце времени так разительно отличается от энтропии
на другом .
Пролог
Все это, конечно, непростительное теоретизирование, однако к этим из-
мышлениям стоит отнестись серьезно . Ставки велики — время, пространство,
Вселенная, так что ошибки, которые мы непременно будем делать по пути, без
сомнений, также будут отличаться масштабностью . Иногда полезно отпустить
свое воображение в свободное плавание, даже если наша конечная цель —
вернуться на Землю и объяснить, что происходит на кухне .
Примечания
Авторы статей в Wikipedia (2009) . Настоящий фрагмент представляет собой перевод
приведенного автором отрывка из англоязычной статьи на русский язык и может не со-
ответствовать содержимому русскоязычного варианта статьи, существовавшему на тот
момент времени . — Примеч. пер .
Здесь необходимо сделать акцент на направлениях, так как в них очень легко запутаться:
энтропия измеряет беспорядок, а не порядок, и она со временем увеличивается, а не
уменьшается . На бытовом уровне мы привыкли думать, что «все замедляется и постепен-
но сходит на нет», но правильно говорить, что «энтропия увеличивается» .
Часть I
Время, опыт и Вселенная
Гл а в а 1
Прошлое — это воспоминания настоящего
Что же такое время? Если никто меня об этом
не спрашивает, я знаю; если бы я захотел объ-
яснить тому, кто спрашивает, — нет, не знаю .
Св. Августин. Исповедь
В следующий раз, когда у вас возникнет необходимоcть скрасить пару часов
в баре, на борту самолета или в очереди за справкой в районном отделении
дорожной полиции, проведите время с пользой: попробуйте поспрашивать
незнакомцев, что такое, по их мнению, время . Кстати, это было частью моих
исследований во время подготовки к написанию книги, которую вы держите
в руках . Думаю, вы услышите множество интересных ответов: «Время — это
то, что движет нас вперед по жизни», «Время отделяет прошлое от будущего»,
«Время — это часть Вселенной» и прочие вариации на ту же тему . Мне боль-
ше всего понравилось такое определение: «Время — это то, благодаря чему
мы знаем, что что-то происходит» .
Все эти понятия верны лишь отчасти . И хотя облечь понятие времени в сло-
ва не так уж просто, в повседневной жизни мы, как и Святой Августин, справля-
емся с ним вполне успешно . Большинство людей умеют определять время по
часам, могут оценить, сколько времени займет поездка из дома на работу или
приготовление чашки кофе, и способны прийти на ужин с друзьями в назначен-
ный час . Даже если у нас не получается дать четкое определение тому, что такое
«время», на интуитивном уровне мы осознаем, что это и как оно работает . 
Часть I . Время, опыт и Вселенная
Как и судья Верховного суда, столкнувшийся с вопиющим проявлением
бесстыдства, мы прекрасно понимаем, что за явление происходит перед нами,
и в большинстве случаев этого достаточно . Однако определенные аспекты
времени все же остаются загадочными и непостижимыми . Итак, действитель-
но ли мы знаем, что означает это слово?