Джеймс Глик - Путешествия во времени. История

«Уравнения Ньютона могут идти вперед, а могут и назад, им все равно, в какую сторону двигаться, — объясняет Томасина, гениальный подросток и героиня пьесы Тома Стоппарда „Аркадия“. — Но тепловому уравнению это далеко не все равно, оно может двигаться только в одну сторону».

Вселенная неумолимо движется к беспорядку. Энергия неуничтожима, но она рассеивается, и это не микроскопический закон. Может быть, это фундаментальный закон, как второй закон Ньютона ( F = ma )? Некоторые утверждают, что это не так. Существует точка зрения, согласно которой законы, управляющие единичными составляющими мира — отдельными или очень немногими частицами, — первичны, а законы о множестве составляющих должны из них выводиться. Иными словами, законы макромира выводятся из законов микромира. Но для Эддингтона этот второй закон термодинамики был самым фундаментальным законом: тем, что занимает «верховенствующее положение среди законов природы», тем, что дает нам время.

В мире Минковского прошлое и будущее раскрыты перед нами как восток и запад. Там нет знаков одностороннего движения. Поэтому Эддингтон счел нужным ввести такой знак: «Я буду использовать выражение „стрела времени“, чтобы выразить это свойство времени — однонаправленность, — не имеющее аналогов в пространстве». Он отмечает три значительных с философской точки зрения момента:

1) это свойство живо распознается сознанием;

2) на нем настаивает и наша рациональная часть, разум;

3) оно не фигурирует в физической науке нигде, за исключением…

За исключением тех случаев, когда мы начинаем рассматривать порядок и хаос, организованность и случайность. Второй закон термодинамики относится не к отдельным сущностям, но к их большим совокупностям. Молекулы в емкости с газом составляют такую совокупность. Энтропия — мера их беспорядка [90] Если точнее, мера количества макроскопических состояний, которыми может быть описана система. Прим. науч. ред. . Если поместить миллиард атомов гелия возле одной из стенок сосуда и миллиард атомов аргона — возле другой и позволить им некоторое время свободно летать по сосуду и сталкиваться, то атомы разных веществ не останутся аккуратно разделенными в разных частях сосуда, но постепенно образуют однородную — случайную — смесь. Вероятность того, что следующий атом, обнаруженный вами вблизи заданной точки, окажется атомом гелия, а не аргона, составит 50 %. Процесс диффузии протекает не мгновенно — и только в одном направлении. Наблюдая распределение двух элементов в сосуде, очень легко отличить прошлое от будущего. «Элемент случайности, — говорил Эддингтон, — привносит в мир необратимость». Без случайности часы вполне могли бы идти назад [91] Итак, согласно Эддингтону, рост энтропии обусловливает течение времени вперед. Однако его концепция стрелы времени ничего не говорит о локальной энтропии: информацию можно рассматривать как порядок, определенную структуру, то есть отрицательный вклад в энтропию. Человек, например, — существо, живущее по сложным биохимическим, физическим и физиологическим законам, в нем заложен большой объем информации, а следовательно, энтропия человека низка. В таком случае, по Эддингтону, время вокруг человека как низкоэнтропийного существа должно замедляться. Вообще, любая упорядоченная структура должна, по сути, изменять ход времени. Однако в реальности такого не происходит. Более того, теория Эддингтона не произвела каких-либо предсказаний, которые были подтверждены экспериментально. Прим. науч. ред. .

«Случайности жизни», любил говорить Фейнман. «Ну, вы понимаете, суть в том, что необратимость вызвана общими случайностями жизни». Если выплеснуть воду из чашки в море и подождать какое-то время, а затем вновь погрузить чашку в воду, то можно ли зачерпнуть в нее ту же самую воду? В принципе можно — вероятность не равна нулю. Она просто чертовски мала. Пятнадцать бильярдных шаров могли бы поноситься по столу, сталкиваясь со стенками и между собой, и в конце концов выстроиться идеальным правильным треугольником. Но когда вы видите этот процесс на экране, то понимаете, что пленку пустили в обратную сторону. Второй закон термодинамики — вероятностный закон в том смысле, что, например, есть вероятность того, что алюминиевый порошок соберется и организуется в ложку, хотя, возможно, для этого вам придется подождать время, большее возраста Вселенной.

Смешивание — один из процессов, протекающих строго по стреле времени. Разделение требует усилий, и немалых. «Невозможно размешать смесь на составляющие», — говорит Томасина у Стоппарда. По существу, это объяснение энтропии пятью словами. (Ее наставник Септимус отвечает: «Так же и время — вспять его не повернуть. А коли так — надо двигаться вперед и вперед, смешивать и смешиваться, превращая старый хаос в новый, снова и снова, и так без конца».) Максвелл писал:

Мораль. Второй закон термодинамики имеет ту же степень истинности, что и утверждение, будто, если выплеснуть стакан воды в море, извлечь тот же стакан обратно уже не получится.

Но Максвелл был раньше Эйнштейна. Для него время не требовало особых оправданий. Он заранее «знал», что прошлое — это прошлое, а будущее еще только будет. Теперь же все обстояло не так просто. В 1949 г. в очерке, озаглавленном «Жизнь, термодинамика и кибернетика» (Life, Thermodynamics, and Cybernetics), Леон Бриллюэн [92] Леон Николя Бриллюэн (Léon Nicolas Brillouin, 1889–1969) — французский и американский физик, основатель современной физики твердого тела. Прим. ред. написал:

Время течет вперед и никогда не возвращается. Физик, столкнувшись с этим фактом, испытывает настоящий шок.

Физику кажется, что между микроскопическими законами, где время не имеет предпочтительного направления, поскольку сами законы вполне обратимы, и макроскопическим миром, где стрела времени упрямо указывает из прошлого в будущее, существует очень неприятный разрыв. Некоторым достаточно отметить, что фундаментальные процессы обратимы, а на макроуровне процессы носят исключительно статистический характер. Разрыв — это потеря контакта, нарушение всякой логики. Как попасть из одного мира в другой? Этот разрыв даже имеет название: дилемма стрелы времени, или парадокс Лошмидта.

Эйнштейн признавал, что эта проблема беспокоила его в момент величайшего проникновения в суть вещей, при создании общей теории относительности: «И я не смог ее прояснить». На диаграмме четырехмерного пространственно-временного континуума пусть P — это «мировая точка», лежащая между двумя другими мировыми точками A и B . «Мы провели через P „временеподобную“ мировую линию, — предположил Эйнштейн. — Имеет ли смысл снабжать эту мировую линию стрелкой и утверждать, что B имеет место до P , а A — после P ?» Только если в картину входит термодинамика, сделал он вывод. Но он говорил также, что в любой передаче информации задействована термодинамика. Связь и память — энтропийные процессы. «Если можно передать (по телеграфу) сигнал из B в A , но не из A в B , то односторонний (асимметричный) характер времени установлен, то есть не существует свободного выбора направления для стрелки. Принципиально важен тот факт, что отправка сигнала представляет собой в смысле термодинамики энтропийный процесс — процесс, связанный с ростом энтропии».