Вселенная, которую мы видим вокруг себя сегодня, особенная:
она очень высоко упорядочена.
Например, световые потоки, регулярно протекающие от миллиардов одних звёзд к миллиардам других звёзд по всей Вселенной, расходятся во вс стороны очень равномерно.
Эти звезды собираются вместе в галактиках, среди которых есть лишь несколько основных типов. Здесь, на Земле, мы находим очень сложные молекулы и очень сложные формы жизни, которые не могли бы существовать, если бы не устойчивый поток солнечного света, который постоянно присутствует на нашей планете.
Однако, подавляющее большинство возможных исходных условий, которые могли бы возникнуть во время Большого Взрыва, привело бы к тому, что вселенные стали бы гораздо менее интересными - действительно "скучными" по сравнению с нашими.
Только исключительное первоначальное условие могло привести к установлению настоящего порядка.
Это и есть головоломка.
Современная наука находится в замечательном положении обладания красивыми и очень хорошо проверенными законами, не имея реальной возможности объяснить вселенную.
Вот такой вот парадокс.
Во взаимосвязи законов и исходных условий, большое бремя объяснения того, почему Вселенная такая, какая она есть, выпадает на долю исходных условий. Наука пока еще не может дать объяснения, почему эти условия были такими, какими они должны были быть, чтобы объяснить наблюдаемую в настоящее время вселенную.
Вселенная выглядит как случайность.
Есть две замечательные вещи о порядке во Вселенной: его количество и то, как оно уменьшается.
Одним из величайших научных открытий, сделанных около 150 лет назад, стал второй закон термодинамики.
Изучение эффективности, с которой паровые двигатели превращают тепло в полезное механическое движение, привело к концепции энтропии.
Как было первоначально обнаружено, это показатель того, сколько полезной работы можно извлечь, например, из горячего газа. Именно здесь направление времени, которое мы знаем из непосредственного опыта, впервые появляется в физике
Почти все процессы, наблюдаемые во Вселенной, имеют направленность.
В изолированной системе разница температур всегда выравнивается.
Это означает, например, что вы не сможете извлечь энергию из более холодного газа, чтобы сделать горячий газ еще более горячим и быстрее перемешаться в паровом двигателе. Говоря более точно, если бы вы это сделали, вы бы разложили больше энергии, чем получили.
В конце XIX века было признано, что эта однонаправленность наблюдаемых процессов резко противоречит тому факту, что законы Ньютона должны одинаково хорошо работать в любом направлении во времени.
Почему природные процессы всегда протекают в одном направлении, в то время как законы физики гласят, что они могут протекать одинаково хорошо в любом из направлений?
В течение четырех десятилетий, с 1866 года до самоубийства 5 сентября 1906 года в живописном адриатическом курорте Дуйно, австрийский физик Людвиг Больцман пытался разрешить этот конфликт.
Он ввел теоретическое определение энтропии как вероятности состояния. Он твердо верил в то, что атомы, существование которых оставалось спорным до начала 20 века, задуманы как мельчайшие частицы, стремительно бегающие вокруг в соответствии с ньютоновскими законами. Предполагалось, что тепло является мерой скорости атомов:
Чем быстрее атомы, тем горячее вещество.
Ко второй половине XIX века физики хорошо представляли себе огромное количество атомов (предполагая, что они существуют) даже в песчинке песка, и Больцман, среди прочего, видел, что для описания поведения атомов необходимо использовать статистические аргументы.
Идея Больцмана была успешной, и без нее было бы немыслимо многое из современной химии, например. Однако его попытка объяснить более фундаментальные вопросы, связанные с однонаправленностью физических процессов, увенчалась успехом лишь частично.
Он хотел показать, что в соответствии с поведением макроскопической энтропии его микроскопическая энтропия обязательно возрастет исключительно в силу законов Ньютона. Это кажется правильным.
Если большое количество атомов находится в каком-то маловероятном состоянии, так что у них низкая энтропия, то очевидно, что они перейдут в более вероятное состояние с более высокой энтропией.
Однако вскоре было отмечено, что существует ровно столько динамически возможных движений атомов, которые переходят из состояния низкой вероятности в состояние высокой вероятности и наоборот.
Это прямое следствие того, что законы Ньютона имеют одинаковую форму для двух направлений времени.
