Олег Фейгин - Квантовые миры Стивена Хокинга

По Хокингу, обращение времени — весьма причудливый вид симметрии. В Т-симметричной вселенной яичница спрыгивает с тарелки, собирается воедино на сковороде, а затем разбегается обратно по яйцам и запечатывает за собой скорлупу. Мертвец поднимается из могилы, молодеет, становится младенцем и запрыгивает в чрево матери.

Здравый смысл, пишет теоретик, говорит нам, что такая вселенная невозможна. Но математические уравнения элементарных частиц утверждают обратное. Законы Ньютона прекрасно выполняются при любом направлении полета стрелы времени.

Представьте себе видеозапись бильярдной партии. Каждое столкновение шаров подчиняется законам движения классической механики. Если мы прокрутим запись в обратном направлении, игра будет выглядеть странно, однако законы Галилея, Гука и Ньютона допускают и такой порядок вещей…

Это всего лишь один пример физико-фантастических гипотез, которые разрабатывал Хокинг, чтобы согласовать теорию расширяющейся Вселенной с квантовой механикой.

Вернувшись к исследованию стрелы времени, Хокинг выдвинул рабочую гипотезу о том, что между направлением течения времени и энтропией Вселенной существует определенная связь. В элементарных курсах физики и термодинамики энтропию часто определяют как «меру беспорядка», но Хокинг в своих выступлениях всячески избегал этой неточной формулировки. Напротив, энтропию он считал мерой того, сколько тепловой энергии потенциально можно превратить в полезную механическую работу.

Если у вас много энергии, потенциально способной выполнить работу, то это система с низкой энтропией, тогда как если у вас ее мало, то ваша система имеет высокую энтропию. Второе начало термодинамики — важное соотношение в физике, утверждающее, что энтропия закрытой системы может либо не изменяться, либо возрастать с течением времени, то есть не может уменьшиться. Иначе говоря, со временем энтропия всей Вселенной должна возрастать. Это единственный закон физики, у которого есть предпочтительное направление времени.

Обосновывая свою версию «термодинамической стрелы времени», Хокинг снова ставил вопросы: воспринимаем ли мы одностороннее течение времени из прошлого в будущее из-за второго начала термодинамики? связано ли это с фундаментальной связью стрелы времени и энтропии?

С некоторого момента Хокинг присоединился к мнению, что дело обстоит именно так. Последним, с кем он обсуждал проблему «термодинамического направления времени», был известный физик и научный популяризатор, профессор Шон Кэрролл. В ходе долгой беседы была предпринята попытка ответить на вопрос, почему время не движется назад. В итоге физики пришли к выводу, что это связано именно с энтропией.

Энтропия действительно объясняет стрелу времени, доказывал Хокинг на очередном заседании Лондонского королевского общества. В бесчисленных случаях из повседневной реальности, например, кофе с молоком никогда не разделяется на исходные компоненты, а разбитое яйцо никогда не собирается обратно в скорлупу. Во всех этих и аналогичных случаях изначальное состояние низкой энтропии (с большей энергией, пригодной для работы) двигалось к состоянию с более высокой энтропией (и меньшей доступной энергией) с течением времени вперед. В природе много примеров этого процесса, пояснял Хокинг, включая комнату, наполненную молекулами: одна часть полна холодных, движущихся медленно молекулами, а другая — горячих и быстродвижущихся. Надо лишь подождать, и комната заполнится перемешанными частицами средней энергии, что представляет собой большой рост энтропии и необратимую реакцию.

Но нельзя сказать, что она абсолютно необратима. Когда дело касается второго начала термодинамики и увеличения энтропии, это относится исключительно к закрытой системе или системе, в которую не добавляется энергия извне и не вносятся никакие изменения по увеличению или уменьшению энтропии. В 1870 году физик Максвелл предложил способ обращения этой реакции: нужна внешняя сущность, которая будет открывать разделение между двумя сторонами комнаты, позволяя «холодным» молекулам переходить на одну сторону, а «горячим» — на другую (уже упоминавшаяся идея «демон Максвелла», она позволяет понизить энтропию системы).

Разумеется, «обхитрить» природу и нарушить второе начало термодинамики с помощью подобных «демонических сил» все равно никогда не удастся. Дело в том, что демону необходимо затратить огромные объемы энергии, чтобы разделить частицы таким способом. Система под влиянием демона — открытая. Если добавить к ней энтропию и самого демона к общей системе частиц, окажется, что общая энтропия в итоге все-таки возрастает. Но и тут есть важная деталь: даже если бы вы жили в коробке и не заметили существование «демона» — другими словами, если бы вы жили в «карманной вселенной» с возрастающей энтропией, — для вас время все равно бы шло вперед. Термодинамическая стрела времени не определяет направление, в котором воспринимается ход времени.