Почему время идет только вперед по-прежнему остается загадкой

Каждый проходящий момент переносит нас из прошлого через настоящее в будущее, и обратного пути нет: время всегда течет в одном направлении. Оно не стоит на месте и не идет вспять; стрела времени всегда указывает вперед для нас. Но если мы посмотрим на законы физики — от Ньютона до Эйнштейна, от Максвелла до Бора, от Дирака до Фейнмана — они покажутся нам симметричными относительно времени.  Другими словами, уравнения, которые управляют реальностью, не берут в рассмотрение, в какую сторону идет время. Решения, которые описывают поведение любой системы и подчиняются законам физики, будут одинаково хороши для времени, идущего назад, и для времени, идущего вперед. Но мы, почему-то, знаем только одно направление движения времени: вперед. Откуда же берется эта стрела времени?

Многие люди считают, что может быть связь между стрелой времени и количеством энтропии. Хотя большинство людей обычно подразумевают под энтропией «беспорядок», это весьма ленивое описание, к тому же и не очень точное. Энтропия — это мера того, сколько термальной (тепловой) энергии может быть преобразовано в полезную, механическую работу. Если у вас много такой энергии, способной потенциально работать, у вас система с низким показателем энтропии, а если же энергии мало, энтропия системы будет большой. Второй закон термодинамики утверждает, что энтропия закрытой системы может только увеличиваться или оставаться на одном уровне со временем; она никогда не будет уменьшаться. Другими словами, со временем энтропия всей Вселенной должна расти. Это единственный закон физики, который предпочитает определенное направление времени.

Означает ли это, что мы переживаем время так, как есть, только из-за второго закона термодинамики? Что есть принципиальная глубокая связь между стрелой времени и энтропией. Некоторые физики считают, что да, и это определенно может быть возможно. Возможно, направление стрелы времени прямым образом завязано на энтропии.

В некоторых случаях энтропия отлично описывает стрелу времени, например, почему кофе и молоко могут смешаться, но не «размешаться» обратно; почему лед тает в теплом напитке, но не возникает в холодном; почему разбитые на сковороде яйца никогда не собираются обратно в неразбитые и сырые. Во всех этих случаях изначальное состояние низкой энтропии (с большим количеством доступной, способной к работе энергии) переходило в состояние высокой энтропии (и низкой доступной энергии) с течением времени. Есть много примеров этой природы, включая комнату, наполненную молекулами: на одной стороне много холодных и медленных молекул, на другой же много горячих и быстрых. Дайте время — и комната будет полностью наполнена перемешанными частицами, которые уже невозможно будет разделить на два противоборствующих лагеря. Энтропия растет. Хаос правит.

Впрочем, возможно, не все так необратимо. Есть подводный камень, которого не замечают многие люди, узнавая о втором законе термодинамики и увеличении энтропии: это касается только энтропии закрытой системы, или системы, на которую ничто не воздействует извне, а энтропия не убывает и не добавляется. Впервые эту идею попробовал раскрыть физик Джеймс Клерк Максвелл еще в 1870-х годах: достаточно иметь внешнюю сущность, которая открывает ворота между двумя сторонами комнаты, позволяя “холодным” молекулам протекать в одну сторону, а “горячим” — в другую. Этот мысленный парадокс стал известен как «демон Максвелла», и он на самом деле позволяет уменьшить энтропию системы.
 

Конечно же, вы не нарушите второй закон термодинамики таким образом. Уловка в том, что демон потратит огромное количество энергии на свою работу, чтобы разделить частицы. Эта система, которая находится во власти демона, будет открытой; если вы включите энтропию самого демона в общую систему частиц, вы обнаружите, что общая энтропия увеличивается. Но вот в чем трюк: даже если бы вы жили в коробке и не знали о существовании демона — другими словами, если бы вы жили в этом кармашке Вселенной, в которой уменьшается энтропия — для вас время все равно шло бы вперед. Термодинамическая стрела времени не определяет направление, в котором для нас уходит время.

Итак, откуда же берется связь направления времени и нашего восприятия? Мы не знаем. Но зато мы знаем, чем эта термодинамическая стрела времени не является. Наши измерения энтропии Вселенной знают только об одном огромном уменьшении за всю историю космоса: конец космической инфляции и переход к Большому Взрыву. (И даже это может представлять огромное увеличение энтропии, переход из инфляционного состояния в состояние, наполненное материей и излучением). Мы знаем, что наша Вселенная встретится с холодной и пустой судьбой после того, как выгорят все звезды, распадутся все черные дыры и темная энергия растолкает несвязанные галактики между собой. Термодинамическое состояние максимальной энтропии известно как «тепловая смерть» Вселенной. И что достаточно странно, состояние, из которого наша Вселенная возникла, — космическая инфляция — обладает точно такими же свойствами, только с гораздо большим темпом расширения, чем сейчас.

Как закончилась инфляция? Как энергия вакуума Вселенной, энергия, присущая самому пустому пространству, превратилась в горячий суп частиц, античастиц и излучения? И перешла ли Вселенная из состояния невероятно высокой энтропии во время космической инфляции в состояние с низкой энтропией во время Большого Взрыва, либо же энтропия во время инфляции была еще ниже из-за возможной способности Вселенной выполнять механическую работу? Пока у нас есть только теории; экспериментальные или наблюдательные признаки, которые помогли бы нам ответить на эти вопросы, пока не найдены.

Мы понимаем стрелу времени с термодинамической точки зрения, и это невероятно ценная и интересная часть знаний. Но если вы хотите знать, почему вчера — это неизменное прошлое, завтра наступит через день, а настоящее — это миг, в который вы живете сейчас, термодинамика не даст вам ответа. Никто не даст.