У науки есть привычка задавать глупые вопросы. Глупые, конечно, по меркам здравого смысла. Но снова и снова мы приходим к выводу, что здравый смысл-это плохое руководство к тому, что действительно происходит в мире.
Итак, если ваш ответ на вопрос: "Почему время всегда идет вперед, а не назад?" - разве это глупо-спрашивать?
Конечно, мы можем просто сказать, что будущее не влияет на прошлое, потому что этого еще не случилось. На самом деле нет, ибо вопрос о том, откуда взялась стрела времени, является более тонким и сложным, чем кажется.
Более того, это утверждение может даже быть ложью. Некоторые ученые и философы считают, что будущее действительно может повлиять на прошлое – хотя мы узнаем об этом только тогда, когда наступит будущее. И это может быть возможно благодаря эмерджентному свойству квантовой механики.
Во всех смыслах нам кажется, что время имеет направление.
Наш повседневный опыт утверждает, что все происходит только в одном направлении. Чашки кофе всегда становятся холоднее, а не теплее, когда их оставляют в комнате. Если ее сбросить на пол, то она разобьется на осколки и кофе разольется по полу, но осколки и брызги никогда спонтанно не соберутся в чашку кофе обратно.
Тем не менее, ни один из этих односторонних потоков времени не является очевидным, когда вы смотрите на фундаментальные законы физики, которые описывают, как атомы отскакивают друг от друга.
Эти законы движения не делают никакого различия относительно направления времени. Если бы вы посмотрели видео с двумя бильярдными шарами, сталкивающимися и отскакивающими, вы не смогли бы сказать, катится он вперед или же назад.
В то же самое временная симметрия обнаруживается в уравнениях квантовой механики, которые управляют поведением крошечных вещей, таких как атомы. Так где же стрела времени входит в картину нашего мира?
На это есть давний ответ, который гласит, что Стрелка входит только тогда, когда вы начинаете думать о множестве частиц.
Процесс столкновения двух атомов выглядит совершенно обратимым. Но когда атомов много, их взаимодействие неизбежно приводит к увеличению случайности – просто потому, что это наиболее вероятно.
Скажем, у вас есть газовые молекулы азота в одной половине коробки и молекулы кислорода в другой, разделенные перегородкой. Если вы уберете перегородку, случайные движения молекул быстро смешают два газа полностью.
В законах физики нет ничего, что могло бы предотвратить обратное. Смесь этих двух газов могла самопроизвольно разделиться на кислород в одной половине ящика и азот в другой, просто случайно.
Но это никогда не произойдет на практике, потому что вероятность того, что все эти миллиарды молекул просто случайно переместятся в этом направлении, очень мала. Вам придется ждать дольше, чем возраст Вселенной, чтобы произошло спонтанное разделение.
Этот неумолимый рост случайности закреплен во втором законе термодинамики. Количество случайности измеряется величиной, называемой энтропией, и второй закон гласит, что в любом процессе общая энтропия Вселенной всегда увеличивается.
Конечно, мы можем уменьшить энтропию группы молекул, скажем, путем сортировки их друг от друга. Но выполнение этой работы неизбежно высвобождает тепло, которое создает больше беспорядка – больше энтропии где-то еще. От этого никуда не деться.
Однако энтропийная стрела времени становится менее четко определенной на меньших масштабах. Например, шансы трех молекул кислорода и двух молекул азота на короткое время "не смешаться" довольно велики.
Исследователи, изучающие отдельные молекулы, обнаружили доказательства того, что рост энтропии является хорошим показателем того, насколько далеко система была от обращения во времени.
Этот аргумент об энтропии, который был разработан в конце XIX века австрийским ученым Людвигом Больцманом, часто рассматривается как полный и удовлетворительный ответ на загадку стрелы времени.
Но оказывается, что Вселенная хранит и более глубокие тайны. Когда вы начинаете смотреть на очень маленькие вещи, аккуратная история Больцмана становится все более запутанной.
На картине Больцмана требуется некоторое время, чтобы стрелка времени нашла свое направление. За те крохотные доли секунды, которые прошли после удаления перегородки между двумя газами, прежде чем какая-либо из молекул действительно сдвинулась с места, ничто не показывает, в каком направлении движется время вперед.
Энтропия возрастает, когда столкновения между атомами выравнивают их энергии, например, когда тепло горячего кофе распространяется в окружающий воздух. Этот процесс, который смывает накопленные запасы энергии, называется диссипацией.
До тех пор, пока диссипация не начнет происходить, процесс выглядит почти одинаково назад или вперед во времени. На самом деле у него нет термодинамической стрелки.
Но в квантовой механике существует односторонний процесс, который происходит гораздо быстрее. Это называется декогеренцией.
