Коротка історія часу - Стівен Вільям Хокінг

Розділ 9   СТРІЛА ЧАСУ

У попередніх розділах ми з’ясували, як змінювалися погляди людства на природу часу. До початку цього століття люди вірили в абсолютний час. Тобто кожну подію єдиним чином можна було б позначити якимсь числом, так званим «часом», і всі точні годинники будуть показувати той самий інтервал часу між двома подіями. Проте відкриття, що швидкість світла виявилася однаковою для кожного спостерігача, незалежно від того, як він рухається, привело до теорії відносності й відмови від ідеї існування єдиного абсолютного часу. Замість цього кожен спостерігач має свою власну міру часу, яку показує його годинник: у різних спостерігачів вони не обов’язково збігаються. Отже, час став особистішим поняттям щодо спостерігача, який його вимірює.

Коли намагалися об’єднати гравітацію з квантовою механікою, довелося ввести поняття «уявного» часу. Уявний час подібний до напрямів у просторі. Якщо можна йти на північ, то можна розвернутися й піти на південь; однаковою мірою, якщо можна йти вперед в уявному часі, певно, можна повернутися й піти назад. Це означає, що не може бути ніякої важливої відмінності між прямим і зворотним напрямками уявного часу. З іншого боку, всі ми знаємо, якщо говорити про «реальний» час, то є дуже велика різниця, між прямим і зворотним напрямами. Звідки взялася ця різниця між минулим і майбутнім? Чому ми пам’ятаємо минуле, але не майбутнє?

Закони науки не розрізняють минуле та майбутнє. Точніше, як зазначено вище, закони науки не змінюються при комбінації операцій (або симетрій), відомих як C, Р і T. (C означає замінювання частинок античастинками, P — перетворювання дзеркального відображення, так що ліве та праве міняються місцями, і Т — обертання напрямку руху всіх частинок, по суті, зворотний рух.) Закони науки, які регулюють поведінку речовини при всіх нормальних ситуаціях, самі по собі не змінюються при комбінації двох операцій С і Р. Іншими словами, життя було б точно таке ж для мешканців іншої планети, якби вони були дзеркальним відображенням нас і якби вони були зроблені з антиречовини, а не речовини.

Якщо закони науки не змінюються при комбінації операцій С і Р, а також комбінації С, Р, Т, вони також повинні бути незмінні при одній лише операції T. Але є велика різниця між прямим і зворотним напрямами реального часу в звичайному житті. Уявіть собі чашку води, яка падає зі столу і розбивається на уламки об підлогу. Якщо зафільмувати цей процес, можна легко сказати, в якому напряму він прокручується. Якщо запустити його назад, то ви побачите, як шматочки раптом зберуться з підлоги, застрибують назад, щоб сформувати на столі цілу чашку. Ви можете сказати, що фільм був запущений назад, тому що така поведінка ніколи не спостерігається в звичайному житті. Якби таке відбувалося, виробники посуду закрили б свою справу.

Пояснення, яке зазвичай дають стосовно того, чому ми не бачимо розбиті чашки, які збирають себе докупи з підлоги і стрибають назад на стіл, — бо це заборонено другим законом термодинаміки. В ньому говориться про те, що в будь-якій замкнутій системі безлад, або ентропія, завжди з часом зростає. Іншими словами, це форма закону Мерфі: щось завжди йде не так! Ціла чашка на столі — це стан високого порядку, а розбита чашка на підлозі — стан безладу. Можна легко пройти шлях від цілої чашки на столі в минулому до розбитої чашки на підлозі в майбутньому, але не навпаки.

Зростання безладу чи ентропії з плином часу — один з прикладів того, що називається стрілою часу, того, що відрізняє минуле від майбутнього, даючи напрям часові. Є щонайменше три різних стріли часу. По-перше, існує термодинамічна стріла часу, напрям часу, в якому безлад, або ентропія, зростає. Крім того, є психологічна стріла часу. Це напрям, в якому ми відчуваємо плин часу, напрям, в якому ми пам’ятаємо минуле, але не майбутнє. Нарешті, є космологічна стріла часу. Це напрям часу, в якому Всесвіт розширюється, а не стискається.

У цьому розділі я доведу, що умова безмежовості для Всесвіту разом із слабким антропним принципом не може пояснити, чому всі три стріли вказують у тому ж напряму, і навіть більше, чому чітко визначена стріла часу має взагалі існувати. Я доведу, що психологічна стріла визначається термодинамічною, і що ці дві стріли обов’язково завжди вказують у тому ж напряму. Якщо припустити умову безмежовості для Всесвіту, ми побачимо, що повинні бути чітко визначені термодинамічна та космологічна стріли часу, але вони не будуть вказувати в тому ж напряму впродовж усієї історії Всесвіту. Проте я доведу, що лише тоді, коли вони вказують у тому ж напряму, умови сприятливі для розвитку розумних істот, які можуть поставити запитання: чому безлад зростає в тому ж напрямку часу, в якому розширюється Всесвіт?

Спочатку я хочу обговорити термодинамічну стрілу часу. Другий закон термодинаміки пов’язаний з тим, що завжди існує набагато більше невпорядкованих станів, аніж упорядкованих. Розглянемо, наприклад, частини мозаїки в коробці. Існує одна і тільки одна комбінація, за допомогою якої ці частини утворюють повну картинку. З іншого боку, існує велика кількість комбінацій, при яких частини невпорядковані та не утворюють картинки.

Припустимо, що система починається в одному з небагатьох упорядкованих станів. З часом система буде розвиватися відповідно до законів науки і її стан зміниться. Згодом ймовірнішим буде те, що система перейде в невпорядкований стан, бо невпорядкованих станів більше. Таким чином безлад з плином часу матиме тенденцію до зростання, якщо система задовольняє початкову умову високого порядку.

Припустимо, що частини мозаїки були в коробці в упорядкованій комбінації, в якій вони утворюють картинку. Якщо потрусити коробку, частини утворять іншу комбінацію. Це, певно, буде невпорядкована комбінація, в якій частини не утворюють правильної картинки лише тому, що існує дуже багато невпорядкованих комбінацій. Деякі групи частин можуть і далі утворювати частини картинки, але що більше ви трусите коробку, то ймовірніше, що ці групи будуть розбиватися, а частини будуть повністю перемішані та не утворюватимуть нічого схожого на картинку. Отже, безлад з часом напевне зростатиме, якщо частини спочатку перебували у стані високого порядку.

Однак припустимо, Бог вирішив, що Всесвіт повинен закінчитися в стані високого порядку, дарма з якого стану він почався. У ранні часи Всесвіт, ймовірно, був би у невпорядкованому стані. Це б означало, що безлад з часом зменшуватиметься. Тоді ви б бачили розбиті чашки, які збираються в одне ціле і стрибають на стіл. Проте будь-які людські істоти, що спостерігали