Почему мы не помним будущее?
Итак, стрела времени описывает не только простые механические процессы;
это неотъемлемое свойство самой жизни . Кроме того, от стрелы времени за-
висит важнейшее качество сознания человека — тот факт, что мы помним 
Часть I . Время, опыт и Вселенная
прошлое, но не будущее . Согласно фундаментальным законам физики, прошлое
и будущее абсолютно равнозначны, однако с точки зрения обычного человека,
смотрящего на жизнь обычным взглядом, более непохожих вещей не найти .
Образы прошлого хранятся у нас в голове в форме воспоминаний . Что же ка-
сается будущего, мы можем лишь что-то прогнозировать, однако никакие про-
гнозы не могут быть настолько же достоверными, как воспоминания о прошлом .
В конечном счете причина, почему у нас в голове формируется надежная
память о прошлом, заключается в том, что в прошлом энтропия была ниже .
В сложной системе, такой как Вселенная, базовые компоненты могут сло-
житься в несметное множество конфигураций вида «вы, с определенными
воспоминаниями о прошлом, плюс вся остальная Вселенная» . Если все, что
вам известно, — это то, что вы существуете прямо сейчас и что у вас есть
воспоминание о походе на пляж летом между шестым и седьмым классами,
то у вас просто-напросто недостаточно информации, чтобы сделать досто-
верное заключение о том, что тем летом вы действительно ходили на пляж .
Гораздо более вероятно, что ваше воспоминание об этом — всего лишь слу-
чайная флуктуация, как комната, в которой весь воздух скопился у одной
стены . Для того чтобы воспоминания имели смысл, необходимо предположить,
что Вселенная также была упорядочена определенным образом — что энтро-
пия была ниже в прошлом .
Представьте, что вы идете по улице и замечаете на тротуаре разбитое яйцо .
По виду растекшегося содержимого понятно, что яйцо лежит здесь совсем не-
долго . Предположение о том, что раньше энтропия была ниже, позволяет нам
с уверенностью заявить, что буквально несколько минут назад яйцо было целым,
но кто-то уронил его и разбил . Если говорить о будущем, то у нас нет никаких
причин предполагать, что энтропия будет уменьшаться, и, таким образом, мы
не можем предсказать судьбу этого яйца — слишком уж много вариантов раз-
вития событий . Возможно, оно останется на асфальте и покроется плесенью,
возможно, кто-то смоет его с тротуара, а может быть, пробежит собака и съест
его (маловероятно, что оно вдруг спонтанно пересоберется обратно в нераз-
битое яйцо, но, строго говоря, и такой исход тоже вероятен) . Яйцо на тротуа-
ре — как воспоминание в вашем мозге; это летопись события, случившегося
ранее, но лишь в предположении, что и энтропия тогда была ниже .
Успешно отделять прошлое от будущего нам также позволяет связь «при-
чина — следствие» . В частности, причины случаются первыми (раньше по
времени), а следствия происходят вслед за ними . Именно поэтому Белая Ко-
ролева кажется нам такой нелепой дамой: как она может кричать от боли еще
до того, как уколет палец? И снова виной всему энтропия . Представьте себе
Глава 2 . Тяжелая рука энтропии
ныряльщика, прыгающего в бассейн, — всплеск воды всегда следует за прыжком .
Согласно микроскопическим законам физики, можно перегруппировать мо-
лекулы воды (а также окружающего воздуха, в котором распространяется звук)
таким образом, чтобы произошел «антивсплеск» и вода вытолкнула бы ны-
ряльщика из бассейна . Точность выбора позиции и скорости каждого отдель-
ного атома при этом должна быть невообразимо высокой: если выбрать слу-
чайную конфигурацию всплеска, то вероятность того, что микроскопические
силы при этом объединятся правильным образом и вытолкнут ныряльщика,
будет близка к нулю .
Другими словами, одно из различий между «следствиями» и «причина-
ми» — то, что «следствия» обычно подразумевают увеличение энтропии .
Если два бильярдных шара столкнутся и раскатятся в разные стороны, энтропия
не изменится и мы не сможем указать ни на один из шаров как на явную при-
чину взаимодействия . Однако если в начале игры вы ударите кием по битку,
чтобы разбить пирамиду (и тем самым вызвать заметное увеличение энтропии),
то смело сможете сказать, что именно биток заставил шары раскатиться, не-
смотря на то что перед законами физики все шары равны .
Искусство возможного
В предыдущей главе мы сравнивали блочное представление о времени, в кото-
ром вся четырехмерная история мира, прошлое, настоящее и будущее одина-
ково реальны, с точкой зрения презентистов, что только текущий момент по-
настоящему реален . Однако существует еще одна концепция, которую иногда
называют поссибилизмом: текущий момент существует, и прошлое существует,
но будущее (еще) не существует .
Идея о том, что прошлое существует — в противоположность несуществу-
ющему будущему, великолепно согласуется с нашим неформальным понима-
нием того, что такое время и как оно работает . Прошлое уже произошло, в то
время как будущее нам еще предстоит испытать: мы можем прикинуть воз-
можные варианты будущих событий, но не знаем, какой в итоге окажется реаль-
ность . Конкретнее, когда мы говорим о прошлом, у нас есть возможность
обратиться к собственным воспоминаниям или записям, описывающим про-
шедшие события . Какие-то записи будут более надежными, какие-то менее, но
в целом они фиксируют реальность прошлого в форме, которая для будущего
попросту недоступна .
Попробуйте вообразить такую картинку: ваш супруг или супруга говорит:
«Давай поменяем планы на отпуск в следующем году? Вместо того чтобы лететь
Часть I . Время, опыт и Вселенная
в Канкун, давай бросим все и рванем в Рио!» Вы можете согласиться или не
согласиться с этим предложением, но если вы все же решите поменять планы,
то стратегия реализации этого решения будет очень простой: вы забронируе-
те новые авиабилеты, закажете номер в другом отеле и т . д . Но если вы услы-
шите: «Давай поменяем планы на отпуск в прошлом году! Как будто мы не
ездили в Париж, а бросили все и рванули в Стамбул»? В этом случае ваша
стратегия будет совершенно иной: вы подумаете о том, как аккуратно намекнуть
на необходимость похода к врачу, а не о том, как изменить уже реализованные
отпускные планы . Прошлое прошло, оно осталось в летописях, и не в наших
силах изменить его . Таким образом, совершенно логично относиться к про-
шлому и будущему по-разному . Философы говорят о различии между Бытием —
существованием в мире — и Становлением — динамическом процессе изме-
нения, привносящем реальность в существование .
Нигде в известных нам физических законах вы не найдете упоминаний о том,
что прошлое и будущее — разные вещи, что прошлое фиксировано, а будущее
пластично . Глубинные микроскопические правила природы абсолютно одина-
ково работают вперед и назад во времени, в какой бы ситуации мы их ни при-
менили . Если вам известно точное состояние Вселенной и все законы физики,
то будущее, так же как и прошлое, для вас предрешено строже, чем в самых
смелых снах Жана Кальвина о безусловном предопределении .
Попытки увязать между собой всевозможные убеждения, — что прошлое
фиксировано и неизменно, будущее может меняться, а фундаментальные за-
коны физики обратимы, — неизменно возвращают нас к понятию энтропии .
Если бы мы знали точное состояние каждой частицы во Вселенной, мы могли
бы с успехом как предсказывать будущее, так и узнавать прошлое . Однако это
нам недоступно; мы располагаем лишь знаниями о некоторых макроскопических
характеристиках Вселенной да крохами подробностей о частных состояниях .
Обладая такой информацией, мы в состоянии предсказать лишь определенные
широкомасштабные явления (солнце завтра взойдет), хотя наши знания также
совместимы с огромным диапазоном отдельно взятых будущих событий . Что
же касается прошлого, в нашем распоряжении имеется как знание о текущем
макроскопическом состоянии Вселенной, так и понимание того факта, что
в самом начале Вселенная находилась в состоянии с очень низкой энтропией .
Этот крошечный фрагмент информации, называемый просто гипотезой о про-
шлом, превращается в огромное подспорье в деле реконструкции событий
прошлого из настоящего .
Какой вывод мы должны сделать из всего этого? Наша свободная воля —
возможность менять будущее путем принятия тех или иных решений, не рас-
Глава 2 . Тяжелая рука энтропии
пространяющаяся на события прошлого, доступна нам только потому, что
у прошлого была низкая энтропия, а у будущего энтропия высокая . Будущее
выглядит для нас чистой страницей, тогда как прошлое зафиксировано, несмо-
тря на то что законы физики описывают их одинаково .
Поскольку мы живем во Вселенной с четко обозначенной стрелой времени,
мы смотрим на прошлое и будущее по-разному не только с практической, по-
вседневной точки зрения — в наших глазах эти вещи фундаментально отличают-
ся . Прошлое записано в книгах, а на будущее мы можем повлиять своими дей-
ствиями . Для космологии же наибольшее значение имеет то, что люди склонны
объединять два направления исследований — «объяснение истории Вселенной»
и «объяснение состояния Вселенной в начале времен», а будущее пусть само
с собой разбирается . Наше неравноценное отношение к прошлому и будущему
можно назвать временным шовинизмом; он крепко вжился в наш образ мыслей,
и его крайне непросто искоренить . Однако законы природы никоим образом не
поддерживают и не оправдывают ни временной, ни другие виды шовинизма .
Размышляя о важных свойствах Вселенной, выясняя, что «реально», а что нет
и почему в самом начале у Вселенной была низкая энтропия, нельзя ограничивать
широту суждений, помещая прошлое и будущее по разные стороны баррикад .
Объяснения, которые мы так стремимся найти, в конечном итоге никоим образом
не должны зависеть от направления времени .
Главный урок, который мы должны извлечь из этого краткого экскурса
в понятия энтропии и стрелы времени, прост: существование стрелы време-
ни — одновременно важнейшая характеристика физической Вселенной и все-
проникающая составляющая нашей повседневной жизни . Если честно, то даже
неловко, что, несмотря на огромнейший прогресс, достигнутый современной
физикой и космологией, мы все еще не получили окончательного ответа на
вопрос, почему же Вселенная демонстрирует такую принципиальную асимме-
трию времени . Лично я нахожусь в замешательстве, но, так или иначе, любые
трудности открывают новые возможности, и, размышляя об энтропии, мы
можем узнать что-то новое о нашей Вселенной .
Примечания
Эмис М . Стрела времени, или Природа преступления / Пер . с англ . М .: Астрель, 2011
(Amis, M . Time’s Arrow . New York: Vintage, 1991) .
Фицджеральд Ф . Загадочная история Бенджамина Баттона / Пер . с англ . М .: Эксмо-Пресс,
2010 (Fitzgerald, F.S . The Curious Case of Benjamin Button // Collier’s Weekly, May 1922, p . 27 .
Кэрролл Л . Алиса в Зазеркалье / Пер . с англ . М .: АСТ, 2010 (Carroll, L . Alice’s Adventures
in Wonderland and Through the Looking Glass . New York: Signet Classics, 2000) .
Часть I . Время, опыт и Вселенная
Очевидно .
Дидрик (Diedrick, J . Understanding Martin Amis . Charleston: University of South Carolina
Press, 1995) перечисляет еще несколько произведений, помимо упомянутых мной, в ко-
торых в той или иной форме используется прием обратного течения времени: «Сильвия
и Бруно» Льюиса Кэрролла, «Завещание Орфея» Жана Кокто, «Никогда в жизни»
Брайана Олдиса и «Время, назад» Филипа Дика . Для Мерлина, героя романа-эпопеи
Теренса Уайта «Король былого и грядущего», время течет задом наперед, хотя Уайт не
пытался использовать этот прием последовательно . Среди более свежих иллюстраций
использования данной техники — «Гиперион» Дэна Симмонса; кроме того, тема об-
ратного хода времени положена в основу «Исповеди Макса Тиволи» Эндрю Шона
Грира и рассказа «Дневник, посланный за сотню световых лет» Грега Игана . В «Бойне
номер пять» Воннегута приводится краткое описание «наоборот» бомбежки Дрездена
зажигательными бомбами — Эмис упоминает его в послесловии к «Стреле времени» .
Стоппард Т . Аркадия . М .: Иностранка, 2008 (Stoppard, T . Arcadia, in Plays: Five . London:
Faber and Faber, 1999) .
Помимо первого начала термодинамики («в любом физическом процессе полная энергия
сохраняется») и второго начала («энтропия замкнутой системы никогда не уменьшает-
ся»), есть также и третье начало: существует минимальное значение температуры (абсо-
лютный ноль), при котором энтропия также находится на минимальном уровне . Эти три
закона умещаются в простом высказывании: «Ты не можешь выиграть; не можешь
остаться при своих; не можешь даже выйти из игры» . Однако также есть нулевое начало:
если две системы находятся в термодинамическом равновесии с третьей системой, то они
находятся в термодинамическом равновесии друг с другом . Попробуйте здесь самосто-
ятельно придумать какую-нибудь забавную аналогию .
Eddington, A. S . The Nature of the Physical World (Gifford Lectures) . Brooklyn: AMS Press, 1927 .
Сноу Ч. П . Две культуры и научная революция . Цитата воспроизведена по изданию:
Сноу Ч. П . Портреты и размышления / Пер . с англ . М .: Прогресс, 1985 . (Snow, C. P . The
Two Cultures . Cambridge: Cambridge University Press, 1998) .
В действительности справедливо было бы признать, что зачатки понятия энтропии и вто-
рого начала термодинамики были впервые озвучены отцом Сади Карно — французским
математиком и офицером вооруженных сил Лазаром Карно . В 1784 году Лазар Карно
написал трактат о механике, в котором утверждал, что создание вечного двигателя невоз-
можно, так как в любой реальной машине полезная энергия будет рассеиваться вследствие
дребезжания и тряски ее составляющих частей . Позднее он стал успешным предводителем
армии революционной Французской Республики .
На самом деле это не совсем верно . Общая теория относительности Эйнштейна, объяс-
няющая гравитацию в терминах искривления пространства—времени, подразумевает,
что «энергия» в привычном понимании этого термина не остается постоянной, например,
в расширяющейся Вселенной . Мы подробнее поговорим об этом в главе 5 . При рассмо-
трении же большинства двигателей внутреннего сгорания расширением Вселенной
можно пренебречь, и для них энергия действительно остается постоянной .
Конкретнее, под формулировкой «мера количества расстановок отдельных частей» мы
подразумеваем «пропорциональность логарифму количества перестановок отдельных
Глава 2 . Тяжелая рука энтропии
частей» . Подробное обсуждение логарифмов вы найдете в приложении, а в девятой
главе детально рассматривается статистическое определение энтропии .
В англоязычной литературе универсальное обозначение «log» используется для обо-
значения любых логарифмов — как десятичных, так и натуральных . Это неудобно, поэто-
му десятичный логарифм иногда обозначают «lg», а натуральный — «ln» . — Примеч.
пер .
Температура поверхности Солнца составляет приблизительно 5800 кельвинов (один
кельвин равен одному градусу Цельсия, только нулевая отметка по шкале Кельвина соот-
ветствует отметке –273 градусов по шкале Цельсия и представляет собой абсолютный
ноль — минимальную возможную температуру) . Комнатная температура — около
300 кельвинов . Температура космического пространства — или, точнее, фонового кос-
мического излучения, заполняющего космос, — около трех кельвинов . Интересное об-
суждение роли Солнца как горячего пятна на холодном небе можно найти в книге: Пен-
роуз Р . Новый ум короля . О компьютерах, мышлении и законах физики . — Изд-во ЛКИ,
2008 (Penrose, R . The Emperor’s New Mind: Concerning Computers, Minds, and the Laws of
Physics . Oxford: Oxford University Press, 1989) .
Иногда вам могут встречаться заявления креационистов о том, что эволюция, как ее
описывал Дарвин в своей теории естественного отбора, несовместима с принципом
увеличения энтропии, поскольку история жизни на Земле — это история непрерывно
усложняющихся организмов, предположительно происходящих из намного более простых
форм . Эти бредовые заявления запросто разбиваются в пух и прах множеством доводов .
На простейшем уровне: второе начало термодинамики относится к замкнутым системам,
а организм (или вид, или биосфера) — это не замкнутая система . Мы чуть подробнее
поговорим об этом в главе 9, но, по сути, этого достаточно .
Thomson, W . On the Age of the Sun’s Heat // Macmillan’s, 1862, 5, p . 288–293 .
Пинчон Т . Энтропия / Пер . с англ . С . Кузнецова // Иностранная литература, 1996, № 3
(Pynchon, T. Slow Learner . Boston: Back Bay Books, 1984) .
Гл а в а 3
Начало и конец времени
Какое тебе дело до Вселенной? Ты в Бруклине!
Бруклин не расширяется!
Мама Элви Сингера. Энни Холл
Представьте себе, что вы бродите по книжному магазину ближайшего универ-
ситета и зашли в раздел учебной литературы . Подойдя к полке, на которой
выставлены книги по физике, вы решаете пролистать несколько томов по тер-
модинамике и статистической механике . Вам интересно: что же там говорится
об энтропии и стреле времени? К вашему безмерному удивлению (а вы ведь
уже ознакомились с первыми двумя главами этой книги и краткой аннотацией
на обложке), в учебниках нет ни слова о космологии . В них не упоминается
Большой взрыв и не рассказывается о том, что концепция стрелы времени объ-
ясняется граничным условием, существовавшим в начале обозримой Вселен-
ной, — ее крайне низкой энтропией .
На самом деле здесь нет никакого замалчивания важнейшей роли космоло-
гии, никаких тайных заговоров и никакого противоречия . Студентов, изучаю-
щих статистическую механику, в основном интересуют эксперименты, вос-
производимые в лабораториях или на кухнях здесь, на Земле . Проводя
эксперимент, мы сами контролируем его условия; в частности, мы можем по-
низить энтропию изучаемых систем и посмотреть, что произойдет . Для того
чтобы понять, как это работает, не нужно знать ничего о космологии и огром-
ной Вселенной вокруг нас .
Однако наши цели куда грандиознее . Стрела времени — это намного боль-
ше, чем просто один из элементов каких-то конкретных лабораторных опытов;
это неотъемлемая составляющая нашего мира . Традиционная статистическая
механика успешно объясняет, почему яйцо легко превратить в яичницу, но
яичницу превратить обратно в яйцо практически невозможно . Что она не в со-
стоянии объяснить, так это почему, открывая холодильник, мы, в принципе,
можем там обнаружить яйцо . Почему мы окружены идеально упорядоченными,
законченными объектами, такими как яйца, и пианино, и научные книги, а не
бесформенным хаосом?
Часть ответа на этот вопрос очевидна: объекты, окружающие нас в повсе-
дневной жизни, не относятся к замкнутым системам . Очевидно, что яйцо — это
Глава 3 . Начало и конец времени
не случайная конфигурация атомов, а тщательно сконструированная система,
для построения которой требуется определенный набор ресурсов и доступная
энергия, не говоря уж о курице . Однако мы могли бы задать аналогичный во-
прос относительно Солнечной системы или галактики Млечный Путь . В каж-
дом из этих случаев мы имеем дело с изолированными — с практической точки
зрения — системами, энтропия которых тем не менее очень низка — намного
ниже, чем могла бы быть .
Ответ, как известно, заключается в том, что Солнечная система не всегда
была замкнутой системой; она появилась из межзвездного облака с более низ-
кой, чем у нее, энтропией . А это облако сформировалось в существовавшей
ранее галактике, энтропия которой была еще ниже . А эта галактика сформи-
ровалась из изначальной плазмы с еще более низкой энтропией . А эта плазма
была порождена самой ранней Вселенной, у которой энтропия была самой
низкой .
Ранняя Вселенная появилась в результате Большого взрыва . В действитель-
ности нам не очень много известно о ранней Вселенной — почему у нее была
именно такая конфигурация, а не какая-то другая; это одна из загадок, с кото-
рыми мы пытаемся разобраться в этой книге . Однако именно чрезвычайно
низкая энтропия ранней Вселенной лежит в корне окончательного объяснения
стрелы времени в том виде, в каком она проявляет себя на наших кухнях, в ла-
бораториях и воспоминаниях .
В обычных учебниках по статистической механике вы не найдете обсуж-
дения этой увлекательной истории . Их авторы исходят из предположения,
что нас интересуют системы, у которых в исходном состоянии относительно
низкая энтропия, и начинают рассуждения с этой точки . Однако нам нужно
больше: мы хотим знать, почему на одном конце времени у нашей Вселенной
была такая низкая энтропия, породившая и задавшая направление стреле
времени . Полагаю, для начала имеет смысл вспомнить, что нам известно
о Вселенной в целом и как она развивалась от момента зарождения и до се-
годняшнего дня .
Видимая Вселенная
Наша Вселенная расширяется, и она наполнена галактиками, постепенно от-
даляющимися друг от друга . Мы напрямую взаимодействуем лишь с небольшой
частью Вселенной и в попытке осознать общую картину неизбежно прибегаем
к помощи аналогий . Мы сравниваем Вселенную с поверхностью воздушного
шарика, на которой нарисованы маленькие точки, представляющие отдельные
Часть I . Время, опыт и Вселенная
галактики . Или же мы говорим, что Вселенная похожа на поднимающийся
в духовке кекс с изюмом, в котором галактики — это изюминки .
Все эти аналогии просто ужасны . И не только потому, что как-то унизитель-
но сравнивать нечто настолько величественное, как галактика, с крошечной
сморщенной изюминкой . Настоящая проблема заключается в том, что любая
подобная аналогия вызывает ассоциации, не применимые к реальной Вселенной .
У воздушного шарика, например, есть внутренняя и внешняя поверхности, а так-
же большое пространство снаружи, в которое он, собственно, и расширяется;
у Вселенной ничего этого нет . У кекса есть края, а сам он находится внутри ду-
ховки и вкусно пахнет; для Вселенной вы не найдете аналогичных понятий .
Поэтому давайте попробуем зайти с другой стороны . Для того чтобы по-
нять Вселенную вокруг нас, представим себе реальную ситуацию . Вообразите,
что вы находитесь на природе в ясную безоблачную ночь и городских огней не
заметно даже на горизонте . Что вы увидите, если взглянете на небо? В целях
этого мысленного эксперимента давайте наградим себя идеальным зрением,
бесконечно чувствительным ко всем разнообразным формам электромагнит-
ного излучения .
Разумеется, вы увидите звезды . Для невооруженного глаза звезды — всего
лишь точечные источники света, однако человечество уже давно выяснило, что
каждая звезда — это огромный шар плазмы, сияющий за счет энергии внутрен-
них ядерных реакций, и что Солнце — тоже самая настоящая звезда . Наша
единственная проблема заключается в отсутствии ощущения глубины: невоз-
можно сказать, насколько далеко от нас находится каждая из видимых звезд .
Тем не менее астрономы изобрели хитрые способы измерения расстояния до
близлежащих звезд, и оказалось, что нас разделяют просто невообразимые
дистанции . Расстояние до ближайшей звезды, Проксима Центавра, составляет
около 40 триллионов километров; даже путешествуя со скоростью света, мы
добрались бы до нее примерно через четыре года .
Звезды распределены по небу неравномерно . Находясь на улице в нашу
гипотетическую ясную ночь, мы обязательно заметили бы Млечный Путь —
размытую белую полосу, протянувшуюся от горизонта до горизонта . В дей-
ствительности то, что мы видим, — это не сплошная полоса, а множество
близко расположенных звезд . Еще древние греки подозревали о таком устрой-
стве Млечного Пути, а Галилео подтвердил их догадку, когда направил на не-
беса свой телескоп . Сегодня нам известно, что Млечный Путь — это гигантская
спиральная галактика, сотни миллиардов звезд, формирующие диск с утолще-
нием в центре . Наша Солнечная система находится в далекой провинции на
самом краю диска .
Глава 3 . Начало и конец времени
Долгое время астрономы полагали, что «галактика» и «вселенная» — это
одно и то же . Бытовало мнение, что Млечный Путь представляет собой изо-
лированную группу звезд, парящую в пространстве, где кроме нее ничего
больше нет . Однако сегодня мы знаем, что, помимо точечных звезд, на ночном
небе также есть расплывчатые пятна, называемые туманностями; кто-то считал
их отдельными гигантскими собраниями звезд . В начале XX века между астро-
номами разгорелись нешуточные споры на эту тему,1 однако в конце концов
Эдвин Хаббл сумел измерить расстояние до туманности М33 (тридцать третий
объект в каталоге расплывчатых небесных объектов Шарля Мессье, предна-
значенном в помощь искателям комет) и обнаружил, что она гораздо дальше
от нас, чем любая звезда . Оказалось, что М33, Галактика Треугольника — это
группа звезд, по размеру сопоставимая с галактикой Млечный Путь .
Дальнейшие исследования показали, что Вселенная буквально кишит га-
лактиками . Как сотни миллиардов звезд составляют Млечный Путь, так и обо-
зримую Вселенную составляют сотни миллиардов галактик . Некоторые галак-
тики (включая нашу) входят в скопления, или кластеры, которые в свою очередь
образуют пласты и нити еще более крупномасштабной структуры . В среднем,
однако, галактики распределены по пространству достаточно равномерно .
В каком бы направлении мы ни смотрели, на любом расстоянии от Земли чис-
ло галактик будет примерно одинаковым . В обозримой Вселенной везде все
достаточно однообразно .
Большая и всё больше
Несомненно, Хаббл был одним из величайших астрономов в истории, но так
получилось, потому что он оказался в правильном месте в правильное время .
После окончания колледжа он некоторое время искал себя: был стипендиатом
Родса, работал преподавателем, юристом, побывал в качестве солдата на Первой
мировой войне и даже тренировал бейсбольную команду . Однако в конечном
итоге он стал астрономом, получил в 1917 году степень доктора наук в Универ-
ситете Чикаго и переехал в Калифорнию, чтобы занять должность в обсерва-
тории Маунт-Вилсон недалеко от Лос-Анджелеса . По прибытии он обнаружил
там новенький телескоп Хукера со 100-дюймовым зеркалом, самым большим
в мире на тот момент . Именно благодаря этому 100-дюймовому рефлектору
Хаббл получил возможность наблюдать разнообразные звезды в других галак-
тиках и узнал, какие огромные расстояния отделяют их от Млечного Пути .
Тем временем другие астрономы во главе с Весто Слайфером занимались
определением скорости спиральных туманностей, используя эффект Доплера .2
Часть I . Время, опыт и Вселенная
Если объект по отношению к нам находится
в движении, то когда он приближается, любая
излучаемая им волна (например, световая или
звуковая) сжимается, а если он движется
прочь, то растягивается . Когда объект при-
ближается к нам, вследствие эффекта Допле-
ра тон издаваемых им звуков кажется выше,
а когда он отдаляется, тон понижается . Ана-
логичным образом свет от движущихся к нам
объектов оказывается синее (длина волны
меньше), чем можно было бы ожидать, а свет
от удаляющихся объектов — краснее (длина
волны больше) . Таким образом, для прибли-
Рис . 3 .1 . Эдвин Хаббл, исследова-
тель Вселенной, курящий трубку
Слайфер обнаружил, что для абсолютного большинства туманностей на-
блюдается красное смещение . Такое открытие стало неожиданностью, ведь
если бы эти объекты случайным образом двигались во Вселенной, то логично
было бы ожидать равного количества туманностей с синим и красным смеще-
нием . Если бы туманности были небольшими облаками газа и пыли, мы бы
сделали вывод о том, что какой-то неизвестный механизм выталкивает их из
нашей галактики . Однако полученный Хабблом результат, о котором стало из-
вестно в 1925 году, исключил такую возможность . То, что мы наблюдаем, — это
группа галактик, по размеру сравнимых с нашей, и все они убегают от нас,
словно их что-то напугало .
Следующее открытие Хаббла расставило все по своим местам . В 1929 году
он совместно со своим коллегой Милтоном Хьюмасоном сравнил красные
смещения галактик с измеренным расстоянием до них и обнаружил поразитель-
ную закономерность: чем дальше находились галактики, тем быстрее они
удалялись . Сегодня этот факт известен под названием закона Хаббла: кажуща-
яся скорость удаления галактики прямо пропорциональна расстоянию до нее,
а коэффициент пропорциональности носит название постоянной Хаббла .3
Казалось бы, такой простой факт: чем дальше друг от друга вещи находят-
ся, тем быстрее они разбегаются, но он скрывает важнейшее последствие: у нас
нет никаких оснований считать себя центром исполинской космической ми-
грации . У вас может возникнуть впечатление, что мы особенные и что все эти
галактики убегают именно от нас . Однако попробуйте поставить себя на место
инопланетного астронома, живущего в одной из других галактик . Если он
|
|
|
Глава 3 . Начало и конец времени
посмотрит на нас, то, разумеется, увидит, что Млечный Путь убегает прочь от
его галактики . А если он посмотрит на небо в противоположном направлении,
то увидит другие галактики, и они тоже будут удаляться, потому что с нашей
точки зрения эти более далекие галактики движутся еще быстрее . Это потря-
сающее свойство Вселенной, в которой мы живем . Не существует никакого
специального места или центральной точки, от которой всё разбегается в сто-
роны . Каждая галактика отдаляется от всех остальных галактик, и относитель-
но каждой из них поведение остальных объектов Вселенной одинаково . Слов-
но галактики вообще не двигаются, а расширяется лишь пространство,
разделяющее прикованные к своим местам галактики .
Это, собственно, и происходит с современной точки зрения . В полном со-
ответствии с общей теорией относительности Эйнштейна мы говорим, что
пространство — это не абсолютно фиксированная сцена, на которой развер-
тывается действие — происходит движение материи, а что это еще одна дина-
мическая сущность, живущая собственной и весьма насыщенной жизнью .
Утверждая, что пространство расширяется, мы имеем в виду, что между галак-
тиками возникает все больше и больше нового пространства . Сами галактики
не расширяются, и вы не расширяетесь, и отдельные атомы тоже не расширя-
ются; все, что сохраняет форму благодаря неким локальным силам, остается
одного и того же размера даже в расширяющейся Вселенной (хотя, возможно,
вы как раз расширяетесь, но Вселенную в этом винить нельзя) . Световая волна,
которую не удерживают в неизменной жесткой форме никакие силы, будет
растягиваться, испытывая космологическое красное смещение . И разумеется,
галактики, находящиеся друг от друга достаточно далеко, чтобы на них не
действовало взаимное гравитационное притяжение, также будут отдаляться .
Это — величественная и интригующая картина Вселенной . Последующие
наблюдения подтвердили идею о том, что на очень больших масштабах Вселен-
ная однородна: куда ни посмотри, везде более или менее одно и то же . Очевид-
но, что в более мелком масштабе она все же «комковатая» (вот галактика, а вот
тут рядом с ней пустое пространство), но если рассматривать достаточно
большие объемы пространства, то число галактик и количество вещества всегда
будут примерно одинаковыми, и неважно, в каком месте Вселенной вы будете
производить замеры . При этом она постепенно становится все больше, и при-
мерно через 14 миллиардов лет любая отдаленная галактика из тех, что мы
наблюдаем сейчас, окажется вдвое дальше .
Мы обнаруживаем себя посреди довольно гладкого распределения галактик,
пространство между которыми расширяется, заставляя галактики отдаляться
друг от друга .4 Но если Вселенная расширяется, то куда она расширяется?
Часть I . Время, опыт и Вселенная
Никуда . Мы говорим о Вселенной, поэтому нет нужды придумывать новые
понятия в попытке осознать, куда именно она расширяется . Это Вселенная!
Она не должна быть ни во что вложена, возможно, кроме нее вообще ничего
не существует . Мы не привыкли мыслить подобным образом, потому что все
объекты, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни, находятся в про-
странстве . Однако Вселенная — это и есть пространство, так что нет никакой
причины полагать, что «снаружи» может быть еще что-то .
Аналогично, у Вселенной вовсе не обязательно где-то должен быть край —
она может простираться в космос на бесконечное расстояние . Или, если уж на
то пошло, она может быть конечной и замыкаться на саму себя, как поверхность
сферы . Есть все основания полагать, что непосредственные наблюдения нико-
гда не позволят нам узнать истину . Скорость света конечна (один световой год
в год, или 300 000 километров в секунду), и с момента Большого взрыва прошло
конечное время . Глядя в космос, мы всматриваемся в прошлое . Так как Большой
взрыв случился около 14 миллиардов лет тому назад, существует абсолютный
предел того, насколько далеко назад нам удастся взглянуть .5 И что же мы видим?
Относительно однородный набор галактик (в общей сложности около 100 мил-
лиардов штук), неуклонно расширяющийся, в котором галактики стабильно
отдаляются друг от друга . Однако за пределами нашей зоны видимости дела
могут обстоять совсем по-другому .
Большой взрыв
Вы заметили, что я несколько раз небрежно упомянул некий Большой взрыв .
Этот термин из профессионального жаргона физиков уже давно вошел в обы-
денную речь . Но из всех сложных и запутанных аспектов современной космо-
логии именно с Большим взрывом связано наибольшее число вводящих
в заблуждение или попросту недостоверных утверждений, в том числе выска-
зываемых серьезными специалистами по космологии, которые, казалось бы,
должны разбираться в этом вопросе лучше всех . Давайте остановимся на
мгновение и посмотрим, что же нам в действительности известно, а что нет .
На больших масштабах Вселенная однородна, и она расширяется; про-
странство, разделяющее галактики, растет . Если предполагать, что число атомов
во Вселенной остается неизменным,6 то с течением времени вещество должно
становиться все более разреженным . Тем временем фотоны испытывают крас-
ное смещение, увеличивающее их длину волны и понижающее энергию, что
означает постепенное понижение температуры Вселенной . Нашу Вселенную
ожидает разреженное, холодное и одинокое будущее .
Глава 3 . Начало и конец времени
Однако давайте прокрутим пленку назад . Если сейчас Вселенная расши-
ряется и охлаждается, значит, в прошлом она была плотнее и горячее . Во-
обще говоря (если не учитывать некоторые тонкости, связанные с темной
энергией, о которой мы поговорим чуть позже), гравитационная сила за-
ставляет объекты притягиваться друг к другу . Таким образом, ожидается, что
мы сможем проэкстраполировать Вселенную назад во времени до более
плотного состояния, и эта экстраполяция будет надежной . Другими словами,
нет оснований ожидать какого-либо вида «отскока» . Вселенная в «обратной
перемотке» будет становиться только плотнее . Тогда логично предположить,
что через какой-то конечный промежуток времени мы доберемся до момен-
та, когда Вселенная была бесконечно плотной, то есть пребывала в состоянии
сингулярности . Именно эту гипотетическую сингулярность мы и называем
Большим взрывом .7
Обратите внимание на то, что Большой взрыв — это именно момент в исто-
рии Вселенной, а не место в пространстве . Точно так же, как в современной
Вселенной не существует какой-то особой точки, определяющей центр рас-
ширения, вы не найдете и специально обозначенного места «здесь был Большой
взрыв» . Общая теория относительности утверждает, что размер Вселенной
в момент сингулярности мог быть нулевым, а в любой момент после сингуляр-
ности — бесконечно большим .
Так что происходило до Большого взрыва? Многие обсуждения современ-
ной космологии на этом вопросе начинают буксовать . Вам будут часто встре-
чаться заявления вроде: «До Большого взрыва время и пространство не суще-
ствовали . Нельзя говорить, что Вселенная появилась в какой-то момент
времени, потому что самого времени до тех пор не существовало . Задаваться
вопросом, что происходило до Большого взрыва, — то же самое, что спраши-
вать, что находится к северу от Северного полюса» .
Это все звучит весьма основательно и может даже быть правдой . Но может
и не быть . Истина в том, что мы этого не знаем . Правила общей теории от-
носительности позволяют сделать однозначный вывод: если во Вселенной
существуют начинка определенного типа, значит, в прошлом точно случилась
сингулярность . Однако в данном утверждении скрыто внутреннее проти-
воречие . Сингулярность сама по себе должна быть моментом, когда искрив-
ление пространства—времени и плотность вещества бесконечны; следо-
вательно, правила общей теории относительности к ней неприменимы .
Корректнее было бы говорить, что общая теория относительности предпо-
лагает не существование сингулярности, а то, что Вселенная в своем развитии
стремится к конфигурации, в которой сама теория относительности теряет
Часть I . Время, опыт и Вселенная
смысл . Это представление далеко от идеала; что-то происходит там, где общая
теория относительности предполагает сингулярности, но мы не знаем что .
Возможно, общая теория относительности неправильно описывает гра-
витационные взаимодействия, по крайней мере в контексте самого начала
Вселенной . Многие физики предполагают, что окончательно объяснить про-
исходившее при зарождении Вселенной сможет только квантовая теория
гравитации, примиряющая положения квантовой механики с идеями Эйнштей-
на об искривлении пространства—времени . Получается, что единственным
честным ответом на вопрос, что же в действительности происходило в момент
предполагаемого Большого взрыва, будет «не знаю» . Мы сумеем найти ответ,
когда у нас появится надежная теоретическая основа, позволяющая описывать
экстремальные условия существования ранней Вселенной, однако пока что мы
такой теорией не располагаем .
Возможно, Вселенная до Большого взрыва действительно не существовала,
как и предполагает традиционная общая теория относительности . Но также
вполне вероятно (и мне эта точка зрения близка по причинам, о которых мы
поговорим чуть дальше), что пространство и время существовали до Большо-
го взрыва; просто то, что мы называем «взрывом», в действительности было
своеобразным переходом от одной фазы к другой . В своих изысканиях с целью
понять стрелу времени, завязанных на низкую энтропию ранней Вселенной,
мы неизменно будем возвращаться к этому вопросу . В этой книге я продолжу
использовать термин «Большой взрыв» в смысле «момента в истории ранней
Вселенной, случившегося прямо перед тем, как начали действовать правила
традиционной космологии», вне зависимости от того, как этот момент опи-
сывался бы в более полной теории, и без учета наличия или отсутствия у Все-
ленной каких-либо границ или сингулярностей .
Горячее однородное начало
Хоть нам и неизвестно, что происходило со Вселенной в самом начале ее жиз-
ни, мы обладаем чрезвычайно обширными познаниями о том, что происходи-
ло потом . В момент зарождения Вселенная находилась в невероятно горячем
и плотном состоянии . Затем пространство расширилось, а вещество рассредо-
точилось и охладилось, пройдя целую череду превращений . Данные, полученные
в ходе множества наблюдений, подтверждают, что от момента Большого взры-
ва нас отделяет около 14 миллиардов лет . Даже если мы не знаем в деталях, как
происходило образование Вселенной, нам известно, что это случилось за очень
короткий промежуток времени: практически всю историю Вселенной образу-
Глава 3 . Начало и конец времени
ют события, произошедшие уже после мистического зарождения . Следователь-
но, вполне допустимо говорить, что с момента Большого взрыва прошло
столько-то лет . Такое глобальное представление о Вселенной носит название
модели Большого взрыва; она хорошо изучена с теоретической точки зрения
и поддерживается горами эмпирических данных в противоположность гипо-
тетической сингулярности Большого взрыва, которая для нас пока что остает-
ся загадкой .
Наше представление о ранней Вселенной базируется не только на теорети-
ческой экстраполяции; мы можем применять существующие теории для фор-
мулировки предсказаний, поддающихся реальной проверке . Например, когда
Вселенной было всего около 1 минуты, она представляла собой ядерный реак-
тор, синтезирующий из протонов и нейтронов гелий и другие легкие элементы;
это был процесс, называемый первичным нуклеосинтезом . Сегодня мы наблю-
даем распространенность подобных элементов, и это превосходно согласуется
с предсказаниями модели Большого взрыва .
Мы также наблюдаем космический микроволновый фон — реликтовое
излучение . Ранняя Вселенная была не только плотной, но и очень горячей,
а горячие объекты — источники излучения . Благодаря излучению мы можем
видеть в темноте: люди (а также другие теплые объекты) испускают инфра-
красные лучи, которые можно обнаружить, если воспользоваться подходящим
датчиком; в этом заключается принцип работы очков ночного видения .
Чем теплее объект, тем более энергичным является его излучение (длина
волны короче, а частота выше) . Поскольку ранняя Вселенная была чрезвы-
чайно горячей, она испускала огромное количество высокоэнергичного из-
лучения .
Более того, ранняя Вселенная была еще и непрозрачной . Она была настоль-
ко горячей, что связи между электронами и атомными ядрами не могли сфор-
мироваться; электроны свободно летали в пространстве . Фотоны часто стал-
кивались с ними и отскакивали от свободных электронов, поэтому окажись вы
там, вы не смогли бы разглядеть пальцы на своей руке . Однако в конечном
итоге температура понизилась настолько, что электроны сумели привязаться
к ядрам, да так там и остались, — этот процесс называется рекомбинацией,
и он произошел примерно через 400 000 лет после Большого взрыва . Когда это
случилось, Вселенная стала прозрачной, и свет получил возможность распро-
страняться практически беспрепятственно, чем он до сих пор и занимается .
Разумеется, на него распространяется эффект красного смещения, порождае-
мый космологическим расширением, поэтому горячее излучение периода ре-
комбинации в результате оказалось растянутым до микроволн (с длиной волны
Часть I . Время, опыт и Вселенная
около одного сантиметра), а температура Вселенной понизилась до 2,7 кель-
винов (–270,4 градуса Цельсия) .
Таким образом, история эволюции Вселенной согласно модели Большого
взрыва (которую, как вы помните, не следует путать с самим загадочным мо-
ментом Большого взрыва) позволяет сделать надежное предсказание: наша
Вселенная должна быть заполнена микроволновым излучением, распростра-
няющимся во всех направлениях, — наследием тех времен, когда Вселенная
была горячей и плотной . И действительно, реликтовое излучение было обна-
ружено Арно Пензиасом и Робертом Уилсоном в 1965 году в лаборатории
Белла в Холмделе, штат Нью-Джерси . Самое интересное, что они его даже не
искали — оба были радиоастрономами, которых раздражало это непонятное
фоновое излучение, от которого никак не удавалось избавиться . Раздражение,
надо сказать, несколько поутихло, когда в 1978 году им присудили Нобелевскую
премию .8 Именно открытие микроволнового фона заставило последних при-
верженцев теории стационарной Вселенной (которая утверждает, что темпе-
ратура Вселенной не меняется со временем, но постоянно появляется новая
материя) сменить точку зрения и окончательно принять модель Большого
взрыва .