Эта идея должна умереть. Научные теории, которые блокируют прогресс - Сборник

Тайна стрелы времени заставляла физиков искать причины в рамках наблюдаемых законов физики – но безуспешно. Эти законы не делают различия между прошлым и будущим. Физики, однако, поняли, что система всегда будет стремиться перейти из состояния с низкой энтропией в состояние с более высокой просто потому, что состояний с более высокой энтропией много больше. Таким образом, сегодня энтропия выше, чем была вчера, потому что вчера Вселенная была в состоянии с более низкой энтропией. А еще днем раньше энтропия была еще ниже. Традиционное понимание этой модели позволяет отследить изменения энтропии до момента рождения Вселенной, а происхождение стрелы времени связывают с немного таинственными начальными условиями Вселенной, которые должны соответствовать состоянию минимальной энтропии. Как писал Брайан Грин в The Fabric of the Cosmos[10],

исходным источником порядка, низкой энтропии должен быть сам Большой взрыв… Яйцо разбивается скорее, чем восстанавливается, поскольку это продолжение стремления вперед к более высокой энтропии, которое было инициировано состоянием с экстраординарно низкой энтропией, с которого началась Вселенная.

Если развить идею, выдвинутую в 2004 году Шоном Кэрроллом и Дженнифер Чен, то возможно новое решение вековой проблемы стрелы времени. Эта работа, которую я веду вместе с Шоном Кэрроллом и Цэнем Чэньяо, пока находится в стадии предположений и еще не проверена научным сообществом. Но, кажется, она предлагает привлекательную альтернативу стандартной картине.

Согласно стандартной картине, начальные условия в момент рождения Вселенной должны отвечать состоянию с минимальной энтропией, поскольку иначе не будет никакой стрелы времени. (Никакого похожего предположения нельзя сделать о конечном состоянии, а стрела времени определяется асимметричностью состояний во времени.) Мы, напротив, доказываем, что стрелу времени можно объяснить, и не делая каких-то специальных предположений о начальных условиях, поэтому исчезает необходимость в гипотезе о том, что Вселенная началась в состоянии исключительно низкой энтропии. Самая привлекательная черта нашей идеи состоит в том, что больше не надо делать никаких предположений, которые нарушают временнýю симметрию известных физических законов.

В основе своей идея проста: мы на самом деле не знаем, конечна или бесконечна максимально возможная энтропия Вселенной, поэтому предположим, что она бесконечна. Далее, независимо от того, с какой степени энтропии началась Вселенная, эта энтропия в любом случае была низкой по сравнению с этим максимумом. И это всё, что нужно, чтобы доказать, почему с тех пор энтропия постоянно нарастает!

Метафора газа в резервуаре замещается газом без резервуара. В контексте того, что физики называют «рассуждением на пальцах» – то есть упрощенной модели, призванной проиллюстрировать какой-нибудь главный принцип и не претендующей на то, чтобы быть реалистичной во всем остальном, – мы можем представить себе выбор (произвольным и симметричным по времени образом) изначального состояния газа, состоящего из некоего конечного количества невзаимодействующих частиц. Здесь важно, что любое правильно определенное состояние должно иметь конечную величину энтропии и конечное расстояние максимального удаления любой частицы от начала нашей системы координат. Если проследить развитие этой системы в будущее, частицы в течение какого-то конечного времени могут двигаться внутрь или наружу, но в конечном счете движущиеся внутрь частицы минуют центральную зону и начнут двигаться вовне. В конечном счете все частицы будут двигаться наружу, и газ продолжит бесконечно расширяться в бесконечное пространство с бесконечно растущей энтропией. Стрела времени – постоянный рост энтропии во времени – получена без помощи каких-либо асимметричных по времени допущений.

Интересная особенность получающейся в этом случае картины заключается в том, что у Вселенной не должно быть начала, и с того места, где мы начали, она может быть продолжена в обоих направлениях времени. Поскольку законы эволюции и изначальное состояние временно-симметричны, прошлое будет статистически эквивалентно будущему. Наблюдатели в глубоком прошлом будут видеть стрелу времени в противоположном направлении от нашего, но их опыт ничем не будет отличаться от нашего.

Энтропия

Брюс Паркер

Океанограф, приглашенный профессор Центра морских систем Технологического института Стивенса. Автор книги The Power of the Sea: Tsunamis, Storm Surges, Rogue Waves, and Our Quest to Predict Disasters («Сила моря: цунами, штормовые приливы, волны-убийцы и поиски способа предсказывать катастрофы»).

Неужели у кого-то в самом деле хватит смелости отправить в отставку идею энтропии? Я не верю, что мы отбрасываем старые идеи до того, как появляются новые. Старые идеи уходят или модифицируются только после того, как разработаны новые, лучшие; они никогда не уходят на покой сами по себе. Так что нет, мы не должны отправлять идею энтропии в отставку, но, возможно, нам следует придавать этой идее чуть меньше значения и признать парадокс, который она создает.

Энтропия, мера беспорядка системы, занимает величественное место в физике – это часть закона, а не просто какая-нибудь теория. Второй закон термодинамики гласит, что в любой замкнутой системе энтропия со временем всегда возрастает. Если не будет проделана какая-то работа для предотвращения этого, то замкнутая система в конечном счете достигнет максимума энтропии и выравнивания температуры. Макс Планк считал, что энтропия (вместе с энергией) является важнейшим свойством физических систем. В книге The Nature of the Physical World («Природа физического мира», 1927) сэр Артур Эддингтон писал:

Я думаю, что закон, согласно которому энтропия всегда увеличивается – второй закон термодинамики, – верховенствует среди законов природы.

Должен признать, что, будучи молодым студентом-физиком в колледже, я не разделял этого энтузиазма (и я был не единственным студентом, которого эта фраза не впечатляла). Второй закон казался гораздо менее важным по сравнению с первым законом термодинамики, законом сохранения энергии: энергия может менять формы, но она всегда сохраняется. У первого закона были прекрасные дифференциальные уравнения в частных производных (как у всех уравнений сохранения в физике), чьи решения точно описывали и предсказывали так много в мироздании и в буквальном смысле изменили нашу жизнь. Второй закон не был уравнением сохранения, и у него не было прекрасных дифференциальных уравнений в частных производных. Он даже не был равенством. Разве идея энтропии и второй закон оказали большое воздействие на науку и технику или изменили мир?

Второй закон был статистическим законом, изначально он представлял собой обобщение заключений, сделанных при наблюдении за движением молекул или частиц. Будучи студентами, мы могли легко понять классический пример того, как горячие (быстро движущиеся) молекулы в одном конце закрытого сосуда смешивались с холодными (медленно движущимися) молекулами в другом конце и почему они не могли снова разделиться, когда уже были вместе и имели одну температуру. Мы понимали, почему это необратимо. И мы понимали концепцию стрелы времени. Конечно, математика первого закона (и другие уравнения сохранения в физике) работали в обоих направлениях времени, но, имея изначальные условия и граничные условия, мы всегда знали, в каком направлении идет движение. Нам не казалось, что тут нужен еще один закон. На самом деле второй закон (применяемый сейчас к любым ситуациям) казался скорее предположением, чем законом. Особенно когда он применялся ко всей Вселенной, которую мы так мало понимаем.

Что касается Вселенной (а она может быть и больше той Вселенной, которую мы сейчас можем наблюдать), то первый закон говорит нам, что вся энергия в ней будет сохранена, хотя, возможно, и преобразована в разные формы. Но второй закон гласит, что в какое-то время в будущем трансформации энергии станут невозможны. Вселенная достигнет некоего состояния максимальной энтропии и равенства температуры повсюду. Второй закон, по сути дела, утверждает, что у Вселенной должны быть начало и конец. Это очень трудно принять. Вселенная должна быть вечной, потому что если у нее было начало, то что было до этого начала? Что-то не может возникнуть из ничего (под «ничего» я имею в виду полное отсутствие чего бы то ни было – даже таких вещей, о которых мы еще не знаем).

Нынешняя теория Большого взрыва предполагает, что у Вселенной так или иначе было начало и что вселенная в своем нынешнем виде расширяется из сингулярности. Но мы не знаем, что было прежде этого, и поэтому, чтобы объяснить вечную Вселенную, выдвигаются ее циклические модели. Если принять такую модель – энтропия очень высока в конце нашей Вселенной и была очень низкой в ее начале, – то какой процесс мог бы перезапускать энтропию, снова возвращая ее низкое значение? Если брать цикличную Вселенную, то не должна ли энтропия каким-то образом сохраняться? Не может ли существовать какой-то тип сохранения энергии, который не требует работы (в классическом смысле)? Не может ли Вселенная быть единственным и единственно возможным вечным двигателем (то есть явлением, которое запрещено вторым законом)? Если бытие бесконечно во времени, то, пожалуй, да.