Представьте ящик стола: вилки аккуратно слева, ложки — справа. Идеальный порядок. Открываете его через неделю — столовые приборы перемешались. Этот хаос, знакомый каждому, скрывает ключ к величайшей загадке Вселенной — природе самого времени. Но что, если Большой взрыв не был уникальным событием, а наша стрела времени — лишь половина истории? Авторы нового исследования ставит под сомнение фундаментальные представления о начале всего.
Откуда берется время? Этот вопрос часто задают физику-журналисту Кармеле Падавич-Каллаган. Однозначного ответа нет, но понять суть времени помогает концепция "стрелы времени". Ее корни уходят в 1920-е годы, в законы физики, описывающие энергию, тепло и энтропию.
Энтропия — не просто беспорядок, как принято думать. Это способ измерить количество вариантов, с помощью которых можно собрать некую большую систему — макросостояние — из её элементарных частей, микросостояний. Чем больше таких комбинаций, тем выше энтропия. Например, ящик с приборами, где вилки и ложки хаотично перемешаны, обладает большей энтропией, чем тот же ящик, где всё аккуратно разложено по сторонам. Если вы однажды навели в нем порядок, а в следующий раз нашли хаос, это значит: энтропия выросла, и стрелка времени толкнула систему вперёд — из прошлого в будущее.
Однако перенос этой идеи с ящика стола на всю Вселенную создает огромную проблему. Почему вообще должно было существовать начальное состояние с идеальным "порядком" и низкой энтропией?
Физики называют это "гипотезой прошлого". Многим ученым она не нравится. Мысленно перематывая стрелу времени назад, они приходят к состоянию, где энтропия Вселенной была невероятно низкой. Такие состояния считают редкими. Непонятно, почему одно из них должно было существовать. Поскольку оно отмечает начало времени, возникают вопросы: должно ли это состояние совпадать с началом Вселенной, с Большим взрывом?
Есть и другая проблема. Законы физики на масштабах гораздо меньших, чем вся Вселенная — например, на квантовом уровне частицы — полностью обратимы. Они не заставляют стрелу времени лететь только в одном направлении. Пабло Арриги из Университета Париж-Сакле во Франции называет это одним из величайших парадоксов физики.
Арриги и его коллеги решили проверить: можно ли создать предельно простую "игрушечную вселенную" — упрощенную модель реального мира — где все обратимо, но стрела времени, как мы ее знаем, все равно существует.
Ученые сделали открытие. Стрела времени неизбежна, если их игрушечная вселенная ведет себя как наша настоящая — постоянно расширяется. Эта модель позволила исследователям устранить гипотезу прошлого. Она допускала Большой взрыв, но не требовала особого состояния, в котором время начинается, а стрела времени запускается вперед.
Более того, Арриги признает: эта работа заставила его пересмотреть прежнее скептическое отношение к возможным сценариям будущего. Например, к "Большому сжатию", где Вселенная в итоге прекращает расширяться и сжимается в крошечную точку. Или к "Большому отскоку", где космос попадает в бесконечный цикл: взрыв — расширение — сжатие — коллапс — взрыв.
Поразительный результат: в этой игрушечной вселенной, построенной только на обратимых законах физики, Большой взрыв не обязан быть единственным событием, когда вся известная нам физика рушится. Наоборот, по другую сторону может существовать расширение, движимое энтропией — по сути, другая вселенная.
Идея двух вселенных, расширяющихся в противоположных направлениях, каждая со своим ощущением времени, может казаться радикальной. Но физики рассматривали ее и раньше. Например, в 2014 году независимый физик Джулиан Барбур и его коллеги выступили в поддержку такого сценария. Их работа основывалась на изучении гравитации. Подход Арриги и его команды гораздо больше опирается на вычислительную модель аргументации. Игрушечную модель команды Арриги легко симулировать на компьютере.
Мысль отказаться от гипотезы прошлого также предлагали ранее другие исследователи. Например, Шон Кэрролл из Университета Джонса Хопкинса в Мэриленде.
Возвращаясь к первоначальному вопросу: может ли ответ заключаться в том, что время приходит из ниоткуда — или по крайней мере, не из особого места? Кармела Падавич-Каллаган задала этот вопрос Дэвиду Альберту, философу из Колумбийского университета в Нью-Йорке. Альберт призвал ее тщательнее подумать о слове "особое". Он не убежден, что состояние с низкой энтропией из гипотезы прошлого обязательно должно быть особенным.
"Люди представляют: каждое возможное физическое состояние должно быть столь же вероятным, как и любое другое. Если так думать, то состояния с низкой энтропией оказываются крайне маловероятными, — говорит Альберт. — Но мое отношение к этому таково: безумно полагать, что вероятности можно вывести только из априорных рассуждений".
Философ подчеркивает: реальную вероятность любого события нужно находить через наблюдения. Если мы находим доказательства, что событие — в данном случае существование Вселенной в состоянии с низкой энтропией — должно было случиться, тогда неважно, насколько маловероятным оно кажется по абстрактным аргументам.
Альберт полностью поддерживает удаление гипотезы прошлого из списка абсолютно необходимых физических постулатов. По его мнению, меньше законов — всегда лучше. Но он хочет, чтобы такое изменение основывалось прежде всего на наблюдениях.
Разрыв между масштабами систем, где мы можем управлять и тщательно изучать величины вроде энтропии — например, классический пример с частицами газа в коробке — и масштабом всей Вселенной огромен. Поэтому философ советует проявлять осторожность и тщательно проверять, где физики могут делать допущения, экстраполируя с малого на огромное.
"Но общий проект исследования — можно ли обойтись без постулирования гипотезы прошлого и просто вывести ее из других законов — я считаю интересным. Если это удастся сделать, замечательно", — заключает Альберт.
Post Scriptum
Откуда приходит время? Вероятно, не откуда. Или, по крайней мере, не из какого-то особого места. Оно просто проявляется — в росте энтропии, в расширении Вселенной, в нашем чувстве движения вперед. Возможно, оно течет и в другую сторону, в другой реальности, которую мы пока не в силах наблюдать.
Физики ищут не точку отсчета, а смысл самой стрелки. И чем глубже они исследуют, тем меньше становится нужных допущений. Мир, где время не требует особого старта, — не фантастика, а рабочая гипотеза, которую можно смоделировать. А разговор о времени, как призналась автор статьи, будет продолжаться еще долго. Стрелка времени ведь движется — и вместе с ней движемся мы.
-----
Смотрите нас на youtube. Еще больше интересных постов на научные темы в нашем Telegram.
Заходите на наш сайт, там мы публикуем новости и лонгриды на научные темы. Следите за новостями из мира науки и технологий на странице издания в Google Новости