В начале было ничто. Про время, пространство, скорость и другие константы физики

А может, и нет. За всем, что я здесь сказал о законах природы, скрывается тайна, о которой неправильно было бы умалчивать. Все фундаментальные законы природы оказываются симметричными по отношению к направлению хода времени. То есть в самой глубине своей Природа, по-видимому, ничего не знает о направлении хода времени, – хотя на поверхности, в рамках нашего опыта, она полностью о нем осведомлена. Законы природы либо вообще не содержат параметра времени, либо не включают в себя никаких указаний на его направление. Таким образом, либо результаты их действия полностью независимы от времени (как, например, у закона сохранения энергии), либо решения связанных с ними уравнений ведут себя одинаково при любом направлении времени. Примером может служить решение уравнений Ньютона для движения планеты: вы можете проследить ее орбиту в будущее, либо, просто изменив знак параметра времени, в прошлое. В самих уравнениях нет ничего, что требовало бы от вас двигаться во времени именно вперед. Так как же тот факт, что мы обречены двигаться только в будущее, согласуется с видимым безразличием Природы в отношении направления хода времени?

Больцман, суицидальный герой главы 4, имеет к этому вопросу некоторое отношение, но в несколько ином контексте, – хотя его вклад далеко не так неоспорим, как ему когда-то казалось. Больцман думал, что он доказал следующее: если имеется произвольная совокупность молекул, носящихся вокруг, подчиняясь законам, симметричным относительно времени, то, какие бы ни были их начальные положения и скорости, они в конце концов образуют наиболее случайное распределение. Он был уверен, таким образом, что показал: асимметрия времени вытекает из его симметрии просто как статистический результат действия законов, а не как следствие решения для индивидуальной молекулы. Он приписал направленность стрелы времени поведению толпы, а не индивида.

Чтобы понять смысл этого доказательства, представим себе шарик в одной из половин ящика. Шарик движется, отскакивая от стенок. Вероятность того, что движение приведет его назад в начальную точку, по крайней мере на долю секунды, очень велика. Рассмотрим теперь два таких шарика. Усложнение ситуации в том, что они могут столкнуться и отскочить друг от друга. Вполне правдоподобно, однако, что вы по-прежнему можете рассчитывать на мимолетное возвращение шариков в их исходное положение, хотя ждать этого, возможно, придется довольно долго и результат ожидания будет еще, к тому же, зависеть от точности, с которой вы определили «исходное положение». Вероятно и то, что вы сможете увидеть, как вернутся в исходное положение три шарика, даже четыре – правда, теперь пришлось бы ждать много лет, пока это произойдет. Но пусть теперь у вас сто шариков или даже тысяча – а может, триллионы? В принципе, и тогда могло бы случиться, что они все вернулись бы в исходное положение, но даже всего с сотней шариков вам, возможно, пришлось бы дожидаться этого в течение всего времени существования Вселенной. Таким образом, мы получаем практическую необратимость положений частиц, хотя она никак не присутствует в законах, определяющих траекторию каждой частицы.

Более фундаментальное решение может лежать еще глубже, в самой основе реальности. То, что мы воспринимаем как единую стрелу времени, может в действительности быть результатом сочетания двух стрел – статистической (больцмановской) и космологической. Космологическая стрела может оказаться несовместимой с идеей обратимости даже в принципе. Пока вы целую вечность слоняетесь вокруг вашей сотни шариков, вполглаза наблюдая за их перемещениями, Вселенная изменяется: она становится больше. Теперь не может быть и речи о возвращении в исходное состояние: в раздувающейся Вселенной пространство-время, в котором началось движение шариков и которое вы использовали для определения начального состояния системы, уже стало историей. Теперь даже в принципе вы не можете рассчитывать обнаружить шарики в их исходном состоянии, и чем дольше вы будете этого дожидаться, тем менее вероятным это будет становиться.

Итак, хотя законы природы, может быть, и обратимы во времени, их проявления в реальном мире сложных взаимодействий и выход на изменяющуюся космическую арену сделали их практически необратимыми. Пути назад нет.

* * *

Я рассмотрел три закона или начала термодинамики: нулевое (связанное с температурой), первое (с энергией) и второе (с энтропией). Есть и четвертый закон, который из-за поздно оформившегося нулевого известен как «третье начало термодинамики». Некоторые сомневаются, что оно действительно может считаться законом, – в отличие от остальных трех, оно не вводит в рассмотрение никаких новых физических свойств. Возможно, это показывает, что третье начало всего лишь дополняет и завершает остальные три, раз и навсегда подводя итог термодинамики.