Вселенная

В фундаментальных законах физики нет никакой отсылки к «причинам», равно как и нет стрелы времени. На уровне законов физики прошлое и будущее равноценны. Однако наш обыденный язык объяснений и причинно-следственных связей удобен именно потому, что жёстко завязан на стрелу времени. Без неё рассуждать о Вселенной в таких терминах было бы абсолютно бессмысленно.

В нескольких следующих разделах мы увидим, почему несомненные вещи: у всего есть причина, любое следствие чем-то обусловлено — суть не фундаментальные принципы, а локальные признаки развития материи в нашей локальной Вселенной. Существует тесная связь между космологией, с одной стороны, и знаниями, с другой. Поняв нашу Вселенную, мы разберёмся и в том, откуда взялось убеждение, что события происходят по какой-либо причине.

Иными словами, «причины» или «основания», по которым происходят события, не фундаментальны; они эмерджентны. Нужно внимательнее изучить историю Вселенной, чтобы понять, почему возникли эти феномены.

* * *

Поиск таких причин хочется начать с самого очевидного вопроса: почему различные свойства Вселенной получились такими, какие они есть? Почему в момент Большого взрыва энтропия была низкой? Почему в пространстве три измерения? Почему протон почти в 2000 раз тяжелее электрона? Почему Вселенная вообще существует?

Эти вопросы весьма отличаются от вопроса о том, «откуда взялся аккордеон у меня в ванне». Мы уже не спрашиваем о конкретных происшествиях, поэтому ответ «потому что таковы были законы физики и исходная конфигурация Вселенной» нас не устраивает. Теперь мы пытаемся выяснить, почему фундаментальная ткань реальности оказалась именно такой, а не иной.

В данном случае важно признать, что подобные вопросы могут иметь, а могут и не иметь ответов. Мы вольны их задавать, но не вправе требовать ответа, который бы нас удовлетворил. Мы должны быть готовы к тому, что существуют упрямые факты — просто такова реальность.

Подобные вопросы «Почему?» существуют не в вакууме. Они имеют смысл в определённых контекстах. Если мы спросим: «Почему у меня в ванной оказался аккордеон?», а нам ответят: «Потому что пространство трёхмерное», то такой ответ нас не удовлетворит (хотя, заметим, пожалуй, и верно, что если бы пространство было двухмерным, то аккордеона там бы не оказалось). Мы задаём вопрос в контексте такого мира, где существуют «аккордеоны», которые обычно встречаются в одних местах и отсутствуют в других; в этом мире также существуют «ванны», в которых регулярно попадаются определённые предметы, а другие предметы не попадаются никогда. Например, в этом контексте возможна такая ситуация. У вас есть сосед по комнате, который минувшим вечером пригласил друзей. Они напились, а одна приятельница пришла с аккордеоном, на котором играла не переставая. Всем это надоело, и аккордеон решили от неё спрятать. Лишь в подобном контексте мы можем надеяться получить ответ на заданный нами вопрос «Почему?».

Однако Вселенная и законы физики, насколько нам известно, не вписаны в более широкий контекст. Но это не исключено — мы должны допускать возможность того, что за пределами нашей Вселенной может что-то находиться, будь то нефизическая реальность или нечто более прозаическое, например совокупность вселенных, слагающих Мультивселенную. В таком контексте можно было бы попробовать задать вопрос о том, какие вселенные являются «нормальными» либо создаются легко, а может быть, найти объяснения для некоторых конкретных явлений, которые мы наблюдаем. В другом случае мы могли бы открыть причины, по которым сами законы физики диктуют строго определённые значения для некоторых величин, которые мы считали случайными (например, масса протона и масса электрона), и эти значения можно вывести из некоего более глубокого принципа. Тогда мы могли бы сами себя похвалить за то, что смогли что-то объяснить.

Мы не можем требовать от Вселенной, чтобы она удовлетворяла наш исследовательский азарт. Любознательность — благо, хорошо искать ответы на вопросы «почему?» там, где мы можем их найти, либо если мы полагаем, что, ставя такие вопросы, сможем лучше понять те или иные вещи. Однако мы должны спокойно относиться к тому, что на некоторые вопросы не сможем получить более вразумительного ответа, чем «потому что». Мы к этому не привыкли — интуиция нас заверяет, что любое явление может быть объяснено как следствие определённой причины. Чтобы понять, почему у нас сложилось такое впечатление, нужно подробнее разобраться с тем, как развивалась наша Вселенная.

Глава 6

Наша Вселенная

Ничто так не помогает рассмотреть человеческое существование в контексте, как размышления о космосе. Вы, с удобством расположившись в комнате с бокалом вина и хорошей книгой, можете даже не догадываться о том, что прямо у вас под боком происходит нечто, непосредственно связанное с эволюцией целой Вселенной. Многие важнейшие аспекты нашей жизни на Земле — представления о ходе времени, существовании причин и следствий, наши воспоминания о прошлом и свобода выбирать себе будущее — в конечном итоге являются следствиями тех условий, что сложились к моменту Большого взрыва. Чтобы увидеть эту общую картину, мы должны взглянуть на себя в космологическом контексте.

Сложно без трепета глядеть в ночное небо. В подлинной темноте, далеко от вездесущих огней человеческой цивилизации, иссиня-чёрный фон оживает: на нём сияют тысячи звёзд, несколько планет и величаво раскинувшийся от горизонта до горизонта Млечный Путь — наша Галактика. Кроме того, сложно представить себе истинные масштабы Вселенной, часть которой мы видим, глядя в ночное небо, — нет вех, которые позволяли бы оценить размер и размах Вселенной. Звёзды очень напоминают планеты, хотя мы и знаем, что они совсем другие; звёзды совсем не похожи на Солнце, хотя мы и знаем, что Солнце — одна из звёзд.

Неудивительно, что древние космологи, теоретизируя о Вселенной, считали её центром феномен, который понимали лучше всего: самих себя. В различных культурах, разбросанных по всему миру, было придумано несколько космологических сюжетов, однако всем им свойственно общее убеждение, что наш дом, Земля, — особенное место. Иногда Земля представляется центром мироздания, в других случаях — основой мира; очень часто она имеет особое значение для той силы или Бога, которые сотворяют мир. Так или иначе, есть общее мнение, что мы важны во вселенском масштабе.

Древнееврейская космология

Только в XVI веке Джордано Бруно, итальянский философ и мистик, впервые предположил, что Солнце — лишь одна из многих звёзд, а Земля — лишь одна из многих планет, вращающихся вокруг звёзд. В 1600 году Бруно сожгли в Риме на костре как еретика, заперев рот железным кляпом, шипы которого пронзили ему язык. Вероятно, космологические рассуждения Бруно не относились к той ереси, которую Церковь сочла наиболее возмутительной, но что толку.

Сегодня мы хорошо представляем себе масштабы Вселенной. Бруно был на верном пути — с космологической точки зрения нет никаких признаков того, чтобы мы имели хоть какое-то значение.

Современная космология; модель Вселенной в очень большом масштабе, где показаны миллиарды галактик, в каждой из которых насчитываются миллиарды звёзд, и у многих звёзд есть системы планет, похожие на Солнечную

* * *

Мы долго и упорно складывали современную космологическую картину на основании данных, собранных астрономами, причём полученные результаты зачастую опровергали общепринятые теоретические взгляды своего времени. Век тому назад, в 1915 году, Альберт Эйнштейн добавил последние штрихи к своей общей теории относительности. Согласно этой теории, само пространство–время представлялось динамическим объектом, кривизна которого служит источником известной нам силы тяготения. Можно смело утверждать, что до этого мы не имели ни малейшего понятия о том, что представляет собой Вселенная в большом масштабе. Пространство–время считалось абсолютным и вечным (согласно ньютоновской механике), а астрономы спорили о том, является ли Млечный Путь единственной галактикой во Вселенной либо одной из бесчисленного множества.

Сегодня эти основы изучены очень хорошо. Млечный Путь — хорошо различимая полоса, пролегающая через ночное небо, — это галактика, совокупность звёзд, вращающихся под действием взаимного гравитационного притяжения. Сложно подсчитать, сколько звёзд в галактике Млечный Путь, но их никак не меньше 100 миллиардов. Галактика Млечный Путь — не единственная; известно, что в наблюдаемой части Вселенной рассеяно как минимум 100 миллиардов галактик, большинство из них сравнимо по размеру с нашей. (По случайному совпадению, именно около 100 миллиардов нейронов насчитывается в человеческом мозге.) Недавние исследования близлежащих звёзд показали, что у большинства из них есть планеты того или иного рода, а примерно каждая шестая звезда имеет планету, похожую на Землю.

Возможно, самая примечательная особенность распределения галактик в космосе заключается в том, что чем дальше мы заглядываем, тем большее единообразие наблюдаем. В очень больших масштабах Вселенная удивительно ровная и безликая. У нее нет ни центра, ни верха, ни низа, ни краёв, ни каких-либо особенных мест.

Общая теория относительности подсказывает, что, если рассеять всю эту материю в пространстве, она не будет оставаться на месте. Галактики будут притягивать друг друга, поэтому Вселенная станет либо расширяться из более плотного состояния в более разреженное, либо сжиматься из разреженного в более плотное. В 1920-е годы Эдвин Хаббл открыл, что наша Вселенная действительно расширяется. Исходя из этого открытия мы теоретически можем экстраполировать данный процесс в прошлое. Согласно общей теории относительности, если перемотать плёнку с историей Вселенной до самого начала, то получится сингулярность, где плотность и скорость расширения стремятся к бесконечности.

Этот сценарий был разработан бельгийским священником Жоржем Леметром под названием «Первичный атом», но позже стал именоваться «моделью Большого взрыва», согласно которой ранняя Вселенная была не только плотнее, но и горячее современной. Она была настолько густой и жаркой, что должна была сиять как недра звезды, причём всё это излучение должно по-прежнему наполнять весь космос, то есть его можно обнаружить при помощи телескопов. Это и произошло судьбоносной весной 1964 года, когда астрономы Арно Пензиас и Роберт Уилсон, работавшие в Лаборатории имени Белла, обнаружили космический микроволновый фон — реликтовое излучение, сохранившееся с первых мгновений существования Вселенной, которая постоянно расширялась, при этом остывая. Сегодня его температура составляет чуть более трёх градусов выше абсолютного нуля — в нашей Вселенной холодно.

* * *

Говоря о «модели Большого взрыва», нужно быть внимательными и не путать её с самим «Большим взрывом». В первом случае имеется в виду крайне успешная теория, описывающая эволюцию наблюдаемой части Вселенной; во втором — гипотетический момент, о котором мы почти ничего не знаем.

Модель Большого взрыва — это просто идея о том, что около 14 миллиардов лет тому назад вся материя во Вселенной была исключительно горячей, плотной и практически равномерно распределённой в пространстве; при этом она стремительно расширялась. По мере расширения пространства материя разрежалась и остывала, звёзды и галактики конденсировались из однородной плазмы под неумолимым действием гравитации. К сожалению, на заре существования Вселенной плазма оставалась настолько густой и горячей что, в сущности, была непрозрачной. Фоновое космическое микроволновое излучение демонстрирует, как выглядела Вселенная, когда приобрела прозрачность, но мы не можем непосредственно увидеть, что было ранее.

Сам Большой взрыв, спрогнозированный общей теорией относительности, — это момент времени, а не место в пространстве. При Большом взрыве материя должна была выплеснуться в пустое первичное пространство; это было начало целой Вселенной, когда вся материя в один миг равномерно распределилась в космосе. Это был момент, до которого не было ничего: ни пространства, ни времени.

Кроме того, наиболее вероятно, что такого момента не было. Большой взрыв был предсказан общей теорией относительности, но считается, что именно в сингулярности — состоянии с бесконечно большой плотностью вещества — общая теория относительности перестаёт работать; сингулярность выходит за пределы применения этой теории. В крайнем случае в таких условиях исключительно важную роль должна сыграть квантовая механика, а общая теория относительности остаётся не более чем классической теорией.

Итак, Большой взрыв в действительности не отмечает начало нашей Вселенной — это момент, ранее которого не работают наши теории. На основе наблюдаемых данных мы довольно хорошо представляем себе, что происходило вскоре после Большого взрыва. Фоновое микроволновое излучение с очень высокой точностью сообщает нам, какая ситуация сложилась сотни тысяч лет спустя, а изобилие лёгких элементов позволяет понять, что происходило во Вселенной, когда вся она была реактором ядерного синтеза — всего через несколько минут после Большого взрыва. Однако сам Большой взрыв — тайна. Его не следует считать «сингулярностью в начале времён»; лучше понимать его как «не поддающийся описанию древнейший момент, в который Вселенная была невероятно горячей и плотной».

* * *

С тех пор как было открыто расширение Вселенной, космологи ломают голову над тем, какая судьба её ждёт. Будет ли Вселенная расширяться вечно, либо в какой-то момент этот процесс обратится вспять и закончится Большим сжатием?

Важная деталь выяснилась в самом конце XX века, когда две группы астрономов объявили, что Вселенная не просто расширяется, а расширяется с ускорением. Если наблюдать определённую далёкую галактику и измерять её скорость, а затем повторить такой замер несколько миллионов или миллиардов лет спустя, то окажется, что теперь эта галактика удаляется от вас ещё быстрее. Разумеется, астрономы поступили иначе: они просто сравнили скорости галактик, удалённых от нас на разное расстояние. Если такая закономерность будет сохраняться всегда — что представляется весьма вероятным, то расширение и разрежение Вселенной продлятся вечно.

В принципе, следовало бы ожидать, что расширение Вселенной должно замедляться под действием взаимного гравитационного притяжения галактик. Наблюдаемое ускорение должно быть вызвано чем-то иным, нежели известной нам материей. Существует очевидный, наиболее вероятный кандидат на роль такого «ускорителя» — это энергия вакуума, которую открыл Эйнштейн и назвал «космологической постоянной». Энергия вакуума — это разновидность энергии, присущая пространству как таковому; она имеет постоянную плотность (количество энергии на кубический сантиметр) даже в условиях расширения пространства. Поскольку в рамках общей теории относительности энергия взаимодействует с пространством–временем, энергия вакуума никуда не исчезает и не расходуется; она может раздвигать пространство вечно.

Разумеется, мы не знаем, будет ли этот процесс вечным; мы можем лишь экстраполировать наши теоретические представления в будущее. Но возможно, и в некотором смысле было бы наиболее просто, если бы ускоряющееся расширение так и продолжалось до бесконечности.

Таким образом, нашу Вселенную ждёт довольно унылое будущее. Сейчас ночное небо искрится сияющими звёздами и галактиками. Но так будет не всегда: звёзды израсходуют топливо и погаснут. По оценке астрономов, последняя тусклая звезда потухнет примерно через квадриллион (1015) лет. К тому времени другие галактики уже будут далеко, а наша, местная группа галактик будет заполнена планетами, мёртвыми звёздами и чёрными дырами. Все эти планеты и звёзды одна за другой упадут в чёрные дыры, которые, в свою очередь, сольются в одну сверхмассивную чёрную дыру. В конечном итоге, как считает Стивен Хокинг, даже эти чёрные дыры испарятся. Примерно через один гугол (10100) лет все чёрные дыры в наблюдаемой части Вселенной рассеются и превратятся в тонкую дымку частиц, которая, в свою очередь, будет становиться всё более разреженной по мере расширения космоса. Окончательным исходом этого наиболее реального сценария, описывающего будущее нашей Вселенной, станет пустое и холодное пространство, которое будет существовать практически вечно.

* * *

Мы маленькие, Вселенная большая. Задумавшись о масштабах космоса, сложно поверить, что наше существование здесь, на Земле, играет важную роль и вообще имеет какое-либо предназначение.

Разумеется, это лишь то, что мы наблюдаем. Насколько нам известно, Вселенная может быть бесконечно велика либо быть только слегка больше, чем мы видим. Однородность, характерная для наблюдаемой нами области пространства, может продолжаться неопределённо далеко, либо другие регионы Вселенной могут быть исключительно непохожи на наш. Заявляя что-либо о свойствах Вселенной, находящейся за пределами досягаемости наших измерений, следует проявлять сдержанность.

Одно из наиболее поразительных свойств Вселенной — это контраст между её однородностью в пространстве и драматической эволюцией во времени. По-видимому, мы живём во Вселенной с ярко выраженным временным дисбалансом: с момента Большого взрыва до сегодняшнего дня минуло 14 миллиардов лет, а между нашим временем и концом Вселенной может пройти бесконечно долгий срок. Насколько мы знаем, оправданно считать, что мы живём в очень ранний и бурный период истории Вселенной — тогда как на протяжении большей части этой истории Вселенная будет тёмной, холодной и пустой.

Почему так? Может быть, у всего этого есть более глубокое объяснение, а может быть, это просто факт. Максимум, что может сделать современный космолог, — попытаться определить по этим наблюдаемым признакам Вселенной её истинную природу и попробовать сложить из них более полную картинку. Важнейший вопрос, встающий при этом перед нами: почему материя во Вселенной миллиарды лет развивалась так, что в ней появились мы?

Глава 7

Стрела времени

Все люди в течение жизни взрослеют, превращаясь из младенцев в стариков. Вселенная также меняется с возрастом — после Большого взрыва она была горячей и плотной, а в будущем станет холодной и пустой. Это два разных проявления хода времени — вектора, отличающего прошлое от будущего. Далеко не очевидно, что два этих процесса тесно связаны — однако это так. Причина, по которой мы рождаемся юными, а умираем старыми; причина, по которой мы можем выбирать, что сделать в будущем, но не можем изменить прошлое; причина, по которой мы помним прошлое, а не будущее, — все эти свойства прослеживаются вплоть до эволюции большой Вселенной и, в частности, до тех условий, в которых она зародилась 14 миллиардов лет тому назад в момент Большого взрыва.

Традиционно люди представляли всё наоборот. Было принято считать, что мир является телеологическим — ориентированным на какую-то грядущую цель. Однако лучше считать его этнологическим — от греческого слова «εκκίνηση», означающего «начало» или «отправление». Всё интересное и сложное, что есть в нашей Вселенной, можно проследить вплоть до её начала, а последствия этих изначальных событий мы испытываем каждый день.

Этот факт о Вселенной исключительно важен для понимания общей картины. Мы наблюдаем повседневный мир и описываем его в контексте причин и следствий, оснований, предназначений и целей. Ни одна из этих концепций не существует на базовом, глубинном уровне реальности. Они возникают, когда мы поднимаемся от основ мира к повседневности. Чтобы уяснить, почему мы, казалось бы, живём в мире причин и целей, а глубинная природа реальности состоит из безликих лапласовских закономерностей, требуется понять стрелу времени.

* * *

Для того чтобы понять время, удобно начать с пространства. Здесь, на поверхности Земли, простительно полагать, что существует принципиальная разница между «вверху» и «внизу», глубоко укоренившаяся в структуре реальности. В действительности же, на уровне законов физики, все направления в пространстве равны. Если бы вы были космонавтом, вышли в скафандре в открытый космос и занялись бы там какой-то работой, то не заметили бы никакой разницы между любыми пространственными направлениями. Явные различия между «верхом» и «низом» заметны не потому, что такова природа пространства, а потому, что мы живём вблизи от очень значительного объекта: Земли.

Со временем всё точно так же. В нашем обыденном мире ход времени ни с чем не спутаешь, и простительно полагать, что существует принципиальная разница между прошлым и будущим. На самом деле оба направления времени равноценны. Явные различия между «прошлым» и «будущим» заметны не потому, что такова природа времени, а потому, что мы существуем вскоре после очень значительного события: Большого взрыва.

Вспомните Галилея и закон сохранения импульса: физика упрощается, если игнорировать трение и другие обременительные эффекты, а рассматривать изолированные системы. Итак, давайте представим себе, что маятник качается вперёд и назад, а для удобства предположим, что наш маятник находится в герметичной вакуумной камере и не испытывает сопротивления воздуха. При этом кто-то записывает на плёнку движение маятника и потом показывает вам этот ролик. Вы не слишком впечатлены — ведь вы видели маятники и раньше. Тогда вам открывают тайну: на самом деле ролик воспроизводился в обратном направлении. Вы этого не заметили, так как маятник, отмеряющий время назад, выглядит точно так же, как и отмеряющий время вперёд.

Это простой пример, иллюстрирующий очень общий принцип. Если система в соответствии с законами физики может каким-либо образом изменяться «вперёд», то возможна и её эволюция в обратном направлении, «назад». Законы физики никоим образом не регламентируют, что явления могут происходить только в одном направлении времени, но не в другом. Физические движения, насколько нам известно, обратимы. Оба направления времени равноценны.

Всё это кажется достаточно разумным в случае простых систем: маятников, планет, вращающихся вокруг Солнца, хоккейной шайбы, скользящей почти без трения. Но если задуматься о сложных макроскопических системах, то весь наш опыт свидетельствует о том, что определённые процессы развиваются во времени именно от прошлого к будущему, но не наоборот. Яйца разбиваются и зажариваются, но их нельзя разжарить и залить обратно в скорлупу; духи рассеиваются по комнате, но никогда не возвращаются во флакончик; сливки смешиваются с кофе, но спонтанно разделить их нельзя. Если существует гипотетическая симметрия между прошлым и будущим, почему столь многие повседневные процессы происходят лишь от прошлого к будущему, но не наоборот?

Даже в случае таких сложных процессов оказывается, что возможны обратные процессы, полностью согласующиеся с законами физики. Яйца могут собраться в скорлупу, духи — вернуться во флакончик, сливки — отделиться от кофе. Нам всего лишь потребуется вообразить, как траектория каждой частицы в нашей системе (а также в телах, с которыми она взаимодействует) изменяется на противоположную. Ни один из этих процессов не нарушает законов физики — дело только в том, что они крайне маловероятны. В сущности, вопрос не в том, почему мы никогда не видели желтка, вернувшегося в скорлупу, а в том, почему в прошлом мы видели яйца целыми.

* * *

Наше базовое представление об этих проблемах было впервые сформулировано во второй половине XIX века группой учёных, основавших новую научную дисциплину под названием «статистическая механика». Одним из их лидеров был австрийский физик Людвиг Больцман. Именно он обратил внимание на феномен энтропии, считавшийся основной идеей в изучении термодинамики и необратимости, и соотнёс энтропию с микроскопическим миром атомов.

Людвиг Больцман, гений энтропии и вероятности (1844–1906)

До Больцмана энтропию рассматривали в контексте неэффективности механизмов, например паровых двигателей, которые в те годы были ультрасовременной техникой. Всякий раз, сжигая топливо для выполнения полезной работы, например движения поезда, мы теряем часть энергии, выделяющейся в виде тепла. Энтропию можно понимать как способ измерения такой неэффективности; чем больше такой лишней теплоты, тем больше порождается энтропии. При этом, что бы вы ни делали, общая энтропия всегда будет положительной. Можно заморозить продукты в холодильнике, но при этом решётка у него сзади обязательно нагреется. Эта истина была сформулирована в виде второго закона термодинамики: общая энтропия закрытой системы никогда не уменьшается: с течением времени она либо остаётся постоянной, либо возрастает.

Больцман и его коллеги утверждали, что энтропию можно трактовать как способ упорядочения атомов в тех или иных системах. Можно считать теплоту и энтропию не разными явлениями, подчиняющимися различным законам физики, а свойствами систем, состоящих из атомов. Эти законы можно вывести из ньютоновской механики, которой подчиняется всё во Вселенной. Иными словами, теплота и энтропия — это просто разные способы рассуждения об атомах.

Главное озарение Больцмана заключалось в том, что, когда мы берём яйцо или чашку кофе со сливками, мы не видим отдельных атомов, из которых они состоят. Мы видим лишь наблюдаемые макроскопические черты. Существует множество вариантов расположения атомов, которые в макроскопическом масштабе выглядели бы совершенно одинаково. Наблюдаемые свойства предмета — это грубая картина истинного состояния системы.

С учётом этого Больцман предположил, что энтропию системы можно определить как число различных состояний, которые на макроуровне будут неотличимы от того состояния, в котором она сейчас находится. (На самом деле речь идёт о логарифме числа неотличимых состояний, но мы не будем вдаваться в эти математические детали.) При низкой энтропии таких состояний будет относительно немного, а при высокой — много. Существует множество способов упорядочить молекулы кофе и сливок так, чтобы две жидкости выглядели перемешанными, но найдётся гораздо меньше вариантов, в которых все сливки окажутся сверху, а весь кофе — снизу.

Благодаря определению Больцмана становится совершенно понятно, что энтропии свойственно расти с течением времени. Причина проста: состояний с высокой энтропией гораздо больше, чем состояний с низкой энтропией. Если начать с конфигурации с низкой энтропией и просто позволить ей развиваться в любом направлении, то с огромной вероятностью энтропия будет увеличиваться. Если энтропия системы достигла максимума, то говорят, что система находится в равновесии. В такой ситуации стрела времени исчезает.

* * *

Больцману удалось объяснить, почему завтра энтропия системы с большой вероятностью окажется выше, чем сегодня. Проблема в том, что, поскольку на уровне базовых законов ньютоновской механики прошлое и будущее не различаются, именно этот анализ также должен показывать, что энтропия была выше вчера. Никто не думает, что в прошлом энтропия действительно была выше, а значит, в нашей картинке чего-то не хватает.

Не хватает же допущения о том, в каких условиях возникла наблюдаемая Вселенная — а именно, что это было состояние с очень низкой энтропией. Философ Дэвид Альберт назвал это допущение «гипотеза прошлого». Если учесть это допущение, а также другое (значительно более слабое) о том, что исходные условия не были достаточно тонко настроены, чтобы со временем энтропия продолжала снижаться, то всё становится на свои места. Причина, по которой энтропия вчера была ниже, чем сегодня, проста: позавчера она была ещё ниже. Также верно, что позапозавчера она была ещё ниже. Такая логика продолжается на 14 миллиардов лет в прошлое, прямо до Большого взрыва. Он мог быть абсолютным началом пространства и времени, а мог и не быть, но он определённо положил начало той Вселенной, которую мы можем наблюдать. Следовательно, истоки стрелы времени экинологические: она возникла и особых условиях в далеком прошлом.

Никто в точности не знает, почему в ранней Вселенной была такая низкая энтропия. Это одно из явлений, которые могут иметь более глубокие объяснения, пока нами не найденные, либо, возможно, это просто факт, который мы должны принять как данность.

Тем не менее мы знаем, что эта исходная низкая энтропия породила «термодинамическую» стрелу времени — такую, в соответствии с которой энтропия в прошлом ниже, чем в будущем. Живительно, но представляется, что это свойство энтропии и вызывает все известные нам различия между прошлым и будущим. Память, старение, причинно-следственные связи — всё можно объяснить вторым законом термодинамики и, в частности, тем фактом, что в прошлом энтропия была низкой.

Глава 8

Память и причины

Жизнь каждого человека подчинена неумолимому времени. Мы рождаемся юными, стареем и умираем. Мы переживаем моменты удивления и наслаждения, а также периоды глубокой грусти. Наша память — драгоценная хроника прошлого, а наши устремления помогают нам планировать будущее. Если мы хотим понять, какое место занимает повседневная жизнь человеческого существа в естественном мире физических законов, то одна из наших приоритетных целей — уяснить, как ход времени связан с жизнью отдельного человека.

Возможно, вы готовы поверить в то, что нечто простое и механистичное, например возрастание энтропии, может обусловливать не менее простые и механистичные процессы, такие как смешивание сливок и кофе. На первый взгляд, сложнее доказать, что энтропия также целиком и полностью определяет наше восприятие хода времени. Прошлое и будущее кажутся не просто разными направлениями времени, но и совершенно разными феноменами. Интуиция заверяет нас, что прошлое незыблемо — оно уже свершилось, тогда как будущее пока не сформировано и ждёт нас впереди. Реально только настоящее, конкретный миг.

Однако тут вмешивается Лаплас, рассказывающий нам что-то иное. Информация о точном состоянии Вселенной сохраняется во времени; фундаментальных различий между прошлым и будущим не существует. Нигде в законах физики не упоминаются какие-либо временные отметки: этот момент «уже свершился», а этот «ещё нет». Законы физики в равной мере относятся к любому моменту, они связывают все эти мгновения в уникальном порядке.

Можно отметить три аспекта, в которых прошлое и будущее кажутся нам принципиально несхожими:

   • мы помним прошлое, но не будущее;

   • причина предшествует следствию;

   • совершая выбор, мы можем влиять на будущее, но не на прошлое.

Все эти характерные признаки времени в конечном итоге согласуются с тем фактом, что Вселенная функционирует по законам, симметричным во времени, причём согласуются вот почему: в прошлом энтропия была ниже, чем в будущем. Давайте сперва рассмотрим два этих факта, отложив на время более противоречивые проблемы выбора и свободной воли. Мы доберёмся и до них (предсказываю).

* * *

Кроме феномена памяти существует ещё несколько важных проявлений стрелы времени. У нас остаются впечатления — не всегда точные, но зачастую вполне качественные — о событиях, происходивших в прошлом. Будущее можно спрогнозировать, но нельзя вспомнить. Этот дисбаланс вполне согласуется с нашим интуитивным ощущением, что онтологический статус прошлого и будущего сильно различается; первое уже свершилось, а второе — нет.

С лапласовской точки зрения, согласно которой информация о каждом моменте сохраняется во времени, память — это не какой-либо прямой доступ к событиям прошлого. Это свойство настоящего, поскольку настоящее — всё, что у нас есть. Тем не менее всё-таки существует эпистемологическая асимметрия между прошлым и будущим. Эта асимметрия — следствие низкой энтропии в ранней Вселенной.

Допустим, вы идёте по улице и видите: лежит на тротуаре разбитое яйцо. Задумайтесь, что могло бы случиться с этим яйцом в будущем, и сравните это с его недавним прошлым. В будущем яйцо могло смыть ливнем, мимо могла пробегать собака и вылакать желток, либо яйцо могло просто тухнуть здесь ещё несколько дней. Итак, существует много возможностей. Однако в прошлом общая картина гораздо беднее: можно не сомневаться, что яйцо было целым, а затем его кто-то бросил или уронил в этом месте.

Мы не можем напрямую заглянуть в прошлое яйца, точно так же, как не можем заглянуть в будущее. Но мы лучше представляем себе, что с ним было, чем то, что с ним будет. В конечном итоге, даже если мы не осознаём этого, причина нашей уверенности такова: в прошлом энтропия была ниже. Мы очень привыкли к тому, что целые яйца разбиваются: это естественный ход вещей. В принципе число событий, которые могут произойти с яйцом в будущем, в точности равно множеству возможностей, которые могли привести его в актуальное состояние; это следствие сохранения информации. Однако при помощи Гипотезы прошлого мы исключаем большинство из этих возможностей.

Гипотеза прошлого, предполагающая исходное состояние с низкой энтропией, нарушает симметрию между прошлым (слева) и будущим (справа)

История с яйцом — модель для любых «воспоминаний», которые могут у нас быть. Речь не только о воспоминаниях как таковых, хранящихся в нашей памяти; любые записи о событиях прошлого — от фотографий до исторических книг — подчиняются тому же принципу. Все эти свидетельства, включая состояние определённых нейронных связей в нашем мозге, которые мы считаем «памятью», относятся к текущему состоянию Вселенной. Настоящий момент как таковой в равной степени ограничивает как прошлое, так и будущее. Но текущее состояние вкупе с гипотезой о том, что в прошлом энтропия была ниже, даёт нам мощный инструмент для понимания фактической истории Вселенной. Именно этот инструмент позволяет нам считать (зачастую верно), что в нашей памяти хранится достоверная информация о минувших событиях.

* * *

Выше, в четвёртом разделе, мы обратили внимание на то, как лапласовское сохранение информации заставляет усомниться в аристотелевской точке зрения о центральной роли причинности. Такие феномены, как «причина», отсутствуют в ньютоновских уравнениях, а также в современных формулировках законов природы. Тем не менее мы не можем отрицать, что идея «одно событие обусловлено другим» очень логична и, казалось бы, хорошо согласуется с нашим восприятием мира. Проследив, откуда берётся это несоответствие, возвращаемся к энтропии и стреле времени.

Может показаться странным, что сначала мы описываем мир как систему, подчиняющуюся нерушимым физическим законам, а затем заходим с другой стороны и не признаём центральную роль причинности. В конце концов, если законы физики позволяют спрогнозировать на основании текущего момента, что произойдёт в следующий, не это ли «причина и следствие»? А если мы отказываемся признавать, что каждое следствие имеет причину, не обрушиваем ли мы наш мир в хаос и не утверждаем ли, что произойти может в принципе что угодно?

Всё встанет на свои места, как только мы поймём существенное различие взаимосвязей между прошлым и будущим, свойственных, с одной стороны, законам физики и, с другой — причинам и следствиям. Законы физики — это жёсткие закономерности. Если шар находится в определённом положении и имеет определённую скорость в определённый момент времени, то законы физики позволяют определить, какие положение и скорость у него будут через секунду и какие были секундой ранее.

Напротив, говоря о причинах и следствиях, мы вычленяем определённые события как ответственные за события, происходящие в будущем, «провоцирующие» их. Законы физики работают иначе: события просто следуют в определённом порядке, ни одно событие никак не «отвечает» за иные события. Мы не можем выбрать определённый момент или какой-либо аспект момента и обозначить его как «причину». Различные моменты времени в истории Вселенной следуют один за другим согласно определённой закономерности, но ни один момент не обусловливает другой.

* * *

Осознавая эту черту мироустройства, некоторые философы выступали за полный отказ от причин и следствий. Как однажды заметил Бертран Рассел:

Мне представляется, что закон причинности, как и многое другое, что имеет хождение среди философов, является пережитком прошлого, живущим, подобно монархии, только потому, что, по ошибочному мнению, он якобы не приносит вреда.