Механика машины времени

Для объяснения этого факта необходимо произвести изыскания в предыстории Вселенной, в эпохе до Большого взрыва. Наша Вселенная может оказаться крохотной частью гораздо более обширной области пространства-времени, так называемого Мультиверса, который, по идее, должен быть симметричен во времени. Другими словами, в разных частях множественной Вселенной время может течь как вперед, так и вспять.

Среди таких необычных черт одна выделяется особенно ярко – это асимметрия времени во Вселенной. Физические законы микромира, во многом определяющие поведение Вселенной, одинаковы и в прошлом, и в будущем, но ранняя – горячая, плотная, однородная – сильно отличается от окружающего нас холодного, разреженного и разномастного пространства.

Вселенная начала свое развитие с обладающего большой упорядоченностью состояния и с тех пор становилась все более хаотичной. Необратимость этого процесса во времени (или просто асимметрию времени) символизирует стрела, всегда направленная из прошлого в будущее. «Стрела времени» играет важнейшую роль в нашей повседневной жизни, объясняя, почему мы, например, можем сделать из яйца омлет, но не наоборот, или почему в стакане воды никогда самопроизвольно не образуются кубики льда, или почему мы помним о событиях в прошлом, а не в будущем.

Происхождение «стрелы времени» может быть последовательно прослежено вспять – вплоть до времен очень ранней Вселенной, момента Большого взрыва. Можно сказать, что каждый раз, разбивая яйцо для омлета, мы проводим настоящий космологический эксперимент, подтверждая существование «стрелы времени». Подтверждая, но, как и вся современная космология, не объясняя причины ее наличия. Эта основная загадка той Вселенной, которую мы наблюдаем, намекает на существование гораздо большего пространства-времени, не доступного наблюдениям. Она добавляет веса гипотезе о том, что мы видим лишь малую часть мультимира, чья динамика поможет нам объяснить необычные свойства нашей локальной области.

Физики запрятали концепцию асимметрии времени в знаменитый второй закон термодинамики, гласящий, что энтропия замкнутой системы никогда не убывает. Грубо говоря, энтропия есть мера беспорядка системы.

В XIX веке австрийский физик Людвиг Больцман объяснил энтропию в терминах различия макро– и микросостояния объекта.

Сырое яйцо своим примером демонстрирует асимметрию времени: оно легко разбивается, но, однажды разбитое, уже не может снова стать целым – по той простой причине, что способов разбиться гораздо больше, чем собраться в целую конфигурацию. Если говорить языком физиков, разбитое яйцо обладает большей энтропией.

Энтропия характеризуется числом различных микросостояний, которые соответствуют одному и тому же макросостоянию (математически энтропия есть произведение числа микросостояний на логарифм этого числа). Существует гораздо больше способов упорядочить некий набор атомов в обладающую большой энтропией конфигурацию, чем способов упорядочить атомы в конфигурацию с низкой энтропией. Поясним на примере двух несмешивающихся жидкостей. Представьте, что вы добавили в кофе сливки. Существует огромное количество способов взаимного распределения молекул, при котором сливки и кофе окажутся полностью перемешанными, и сравнительно небольшое количество способов распределить их так, чтобы молекулы сливок сгруппировались, оказавшись, например, окруженными молекулами кофе. Более вероятно получить именно равномерную смесь – она обладает большей энтропией.

Таким образом, неудивительно, что в подавляющем большинстве процессов энтропия обладает тенденцией возрастать со временем. Количество состояний с высокой энтропией значительно превышает количество состояний с низкой энтропией; почти любое изменение системы ведет ее в состояние с более высокой энтропией на основе простых вероятностных принципов. Именно по этой причине сливки всегда смешиваются с кофе. Физически, конечно, возможно, что все молекулы сливок «сговорятся» расположиться одна за другой, но статистически это очень маловероятно: если бы вы ждали, пока молекулы сливок, случайно перегруппировавшись, без постороннего вмешательства образовали бы такую конфигурацию, вам пришлось бы ждать гораздо дольше, чем составляет современный возраст Вселенной. «Стрела времени» – это просто тенденция системы эволюционировать в направлении более вероятного состояния с более высокой энтропией.

Низкая и высокая энтропия зависят от ситуации. Физики судят о количестве энтропии в некоторой системе, основываясь на анализе эволюции этой системы во времени. Например, если разреженный и достаточно холодный газ «чувствует» гравитацию, то он эволюционирует как сгусток. Энтропия такой системы растет – так, у облака энтропия высока, даже если на первый взгляд оно кажется упорядоченным (т. е. визуально проявляет признаки системы с низкой энтропией).