Пол Халперн - Квантовый лабиринт. Как Ричард Фейнман и Джон Уилер изменили время и реальность [litres]

Учитывая ту власть, которую имеют над нами дневные и сезонные циклы, можно легко понять, почему древние культуры верили, что время фундаментально циклично. От календаря майя, высеченного на круглом камне, до китайского символа инь-ян и египетского Уробороса (змей, пожирающий собственный хвост) мы находим отсылки к цикличности в символике по всему миру. Самые почтенные цивилизации следовали календарям, включавшим не только дни, месяцы и годы, но и более долгие циклы гибели и возрождения космоса.

Например, по версии Пуран, священных текстов индуизма, написанных на санскрите в четвертом столетии нашей эры, мир покоится на циклах, включенных в другие циклы различной продолжительности. История движется через повторяющуюся серию эпох, именуемых югами, каждая длится сотни тысяч лет, юги, в свою очередь, встроены в интервалы большего размера, махаюги, а те включают уже миллионы лет. Махаюги являются составной частью еще больших периодов, кальп, и тут счет идет на миллиарды лет. Небесные события, такие как схождение планет, и катастрофы наподобие потопов и пожаров, отмечают границы эр.

Циклическое время неизбежно повторяемо, обратимо и детерминистично. Экклезиаст выразил это в стихах следующим образом: «Всему свое время, и время всякой вещи под небом» [5] Экклезиаст, 3:1, синодальный перевод. . Если подождать достаточно долго, то любая фаза цикла повторится.

Но циклическое время не может описать картину целиком, поскольку многие черты мира природы предполагают существование направленного в одну сторону линейного времени. Одна из таких стрел описывается в термодинамике, науке о тепле и энергии. Второй закон термодинамики, предложенный немцем Рудольфом Клаузиусом в середине девятнадцатого века, гласит, что для всякого отдельного процесса величина, именуемая «энтропией», может либо оставаться на том же уровне, либо расти, но не уменьшаться.

Энтропия отражает то, какая часть энергии системы недоступна для работы, и чем она выше, тем больше количество растраченной энергии. Еще энтропия является мерой уникальности системы: чем более уникальной является система, тем ниже энтропия, и наоборот. Обычно упорядоченные системы имеют более низкий уровень энтропии, чем лишенные порядка. «Упорядоченность» в данном контексте означает уникальность расположения частиц в системе.

Например, куда сложнее изготовить снежинку с определенным узором, чем лужу из набора молекул воды. Лучики снежинки уникальны, и расположение частиц в ней тоже, в то время как все лужи одинаковы. Следовательно, в первой куда меньше энтропии. По второму закону термодинамики снежинка, упав на землю, может растаять, превратиться в каплю жидкости, но вода на земле никогда не станет набором снежинок.

Лорд Кельвин (Уильям Томпсон) озвучил постулат, что энтропия вселенной будет только увеличиваться со временем, количество свободной энергии будет сокращаться, пока космос не достигнет полностью инертного состояния, именуемого «тепловой смертью». К этому времени все топки (как нам известно сегодня, работающие на ядерной энергии) в недрах звезд прекратят функционировать, внешние слои взорвутся или улетучатся, оставив остывшую сердцевину. Даже холодные останки (белые карлики, нейтронные звезды или черные дыры, в зависимости от звездной массы) постепенно потеряют энергию, и мир станет неподвижным и безжизненным. Указатель в сторону этого весьма тусклого будущего именуется «термодинамической стелой времени».

Эволюция нацелена совсем в другом направлении.

Биология говорит нам, что живые организмы развиваются в сторону увеличения, а не уменьшения сложности, по крайней мере, дело обстоит так на нашей крохотной планете. Жизнь эволюционирует миллиарды лет, и через механизмы вариации и естественного отбора одноклеточные существа стали многоклеточными, вроде дельфинов, шимпанзе, собак и их двуногих хозяев. Даже человеконенавистник согласится, что люди чуть посложнее амеб. Люди обладают удивительной способностью познавать себя, предвидеть возможности будущего, обустраивать окружающую среду, наносить на карты мироздание, и многими другими. Техника, продукт человеческого разума, становится все более и более сложной. Следовательно, эволюция – прогрессивная стрела времени.

Какая из стрел победит в конечном итоге, термодинамическая или эволюционная? Если положение вещей не изменится, то, скорее всего, первая, поскольку жизнь требует непрерывной подпитки упорядоченной энергией – от солнца или иного источника, а источники конечны. Постепенно все живые существа теряют способность поддерживать равновесие жизни и умирают. Учитывая то, насколько хрупка жизнь на Земле, она сгинет раньше, чем вселенная в целом.

Но в некоторых фантастических сценариях, например в рассказе Айзека Азимова «Последний вопрос», продвинутые цивилизации в конечном итоге учатся, как переворачивать второй закон, и в результате организованная сила жизни одерживает верх над тенденцией распада и угасания.

Расширение вселенной представляет еще одну стрелу космологического времени. Открытие Эдвином Хабблом и его коллегами того факта, что галактики удаляются от нас, стало очевидным доказательством того, что пространство увеличивается со временем. Невозможно спутать нынешнюю вселенную, с ее бесчисленным количеством звезд и галактик, раскиданным по миллиардам световых лет, с ее компактной древней предшественницей.

Все мы, даже те, кто ничего не знает о научных стрелах времени, имеем четкое ощущение того, что время движется вперед. Наше сознание несет нас с неослабевающей силой в одном направлении, от рождения к смерти, и в повседневном опыте причина всегда предшествует следствию.

Хотя время нельзя потрогать, мы не в силах избежать его удушающих объятий. Интересно, что производит этот очевидно неостановимый поток, является ли движение вперед лишь иллюзией вроде той, которая превращает серию статичных картинок в мультфильм? Или это присущий реальности феномен, связанный с какой-то из «стрел»? Может быть, с несколькими? Но вне зависимости от истока, иллюзорное или реальное, сознание можно назвать еще одной стрелой линейного времени.

Но линейного времени, как оказалось, недостаточно для описания природы на фундаментальном уровне. Как продемонстрировала совместная работа Уилера и Фейнмана, определенные процессы в квантовом мире отрицают обычную причинность. Уравнения Максвелла содержат признаки того, что можно двигаться назад во времени точно так же, как и вперед, теория поглощения Уилера – Фейнмана смешивает эти виды движения. Предположение Уилера, которое его ученик поддержал, о том, что позитроны – это те же электроны, движущиеся в противоположном временном направлении, еще сильнее отодвинуло физику частиц от концепций линейного времени.