Олег Фейгин - Квантовые миры Стивена Хокинга

Впервые Хокинг столкнулся с поведением квантового времени на уровне ячеистого пространства, будучи приглашенным на Берклеевский семинар по струнной физике. Для него стал неожиданностью математический образ дискретного квантового времени. Оказалось, что в ряде «струнных моделей» время не течет как река, а скорее тикает как часы. Интервал между «тиками» примерно равен особому «времени Планка». Это совершенно непредставимая по своей малости величина, описываемая дробью с несколькими десятками нулей. Точнее говоря, время в нашей Вселенной на субмикроскопическом уровне квантовых величин отмеряют мириады часов: там, где в спиновой пене происходит квантовый шаг, «струнные часы» делают один «тик».

Еще более заинтересовал Хокинга доклад, посвященный «квантовому эффекту Зенона» (КЭЗ).

Зенон — древнегреческий мыслитель, придумавший ряд временных парадоксов, построенных на противопоставлении части и целого. Впервые КЭЗ более-менее достоверно наблюдался в конце прошлого столетия для атомной системы с тремя энергетическими уровнями. Суть эксперимента состояла в том, что время жизни подуровня было выбрано очень малым, так что атом, возбужденный из основного состояния на подуровень, практически сразу же возвращается обратно, излучая при этом фотоны определенной энергии. Исследователи измеряли число фотонов с энергией обратного перехода, получая при этом число атомов, находящихся в основном состоянии. Затем лазерным облучением атомы переводились из начального состояния на еще один подуровень. Одновременно измерялось число фотонов с энергией обратного перехода, фиксируя число атомов основного состояния в определенные моменты времени.

Надо заметить, что как скептик и позитивист, Хокинг всегда прекрасно понимал, что обсуждение проблемы влияния наблюдений на течение квантовых процессов во многом зависит от философской позиции того или иного теоретика. Конечно же, с объективной точки зрения, на эти процессы оказывает воздействие не сам акт «отстраненного» наблюдения, иначе это было бы просто идеалистическими выдумками и проявлением солипсизма, а некоторые реальные микроскопические неупругие взаимодействия между исследуемой частицей и окружающей средой.

Вернувшись в Кембридж, Хокинг тут же стал делать наброски новой книги, которую он намеревался назвать «Квантовая физика времени». К сожалению, его планам так и не удалось сбыться, но один из фрагментов попал в сборник «Теория Всего». Там можно встретить рассуждения о том, что каждый момент, в котором мы находимся, несет нас из прошлого в настоящее, а затем — в будущее. Время всегда движется в одном направлении. Оно никогда не останавливается и не возвращается. Для нас стрела времени всегда направлена вперед. Однако, если мы взглянем на законы физики — от положений Ньютона до Эйнштейна, от Максвелла до Бора, от Дирака до Фейнмана, — то они выглядят симметричными времени.

Связано ли направление течения времени с движением большей части процессов во Вселенной и откуда возникло так часто встречающееся понятие «стрела времени»?

Видный английский астрофизик Артур Эддингтон, известный своими поисками доказательств релятивистской природы окружающей нас действительности, в свое время высказал замечательное предположение, что направление течения времени связано с расширением Вселенной, назвав это явление стрелой времени. Он предполагал, что если наша Вселенная эволюционирует циклически и в определенный момент ее расширение сменится сжатием, то тут же изменит направление полета и стрела времени.

Другими словами, у уравнений, которым подчиняется реальность, нет выраженного направления движения потока времени. Решения, описывающие поведение любой системы, подчиняющейся законам физики, какими мы их понимаем, одинаково действенны как для времени, движущегося в прошлое, так и для времени, направленного в будущее. Но опыт говорит нам, что время движется только в одном направлении — вперед.

И здесь теоретик задал вопрос, который мучил его всю оставшуюся жизнь: откуда берется стрела времени? В поисках решения этой фундаментальной проблемы естествознания Хокинг пришел к другому вопросу: могут ли существовать какие-нибудь объекты во Вселенной с иным ходом времени? После обсуждения с коллегами и друзьями теоретик посчитал, что на этот вопрос следует дать положительный ответ. Так возник образ антивселенной.

В этом мире должна соблюдаться очень странная симметрия. Если поменять на противоположные не только знак заряда и четность, но и направление хода времени, то «вселенная Хокинга» будет подчиняться всем законам физики.…

По Хокингу, обращение времени — весьма причудливый вид симметрии. В Т-симметричной вселенной яичница спрыгивает с тарелки, собирается воедино на сковороде, а затем разбегается обратно по яйцам и запечатывает за собой скорлупу. Мертвец поднимается из могилы, молодеет, становится младенцем и запрыгивает в чрево матери.

Здравый смысл, пишет теоретик, говорит нам, что такая вселенная невозможна. Но математические уравнения элементарных частиц утверждают обратное. Законы Ньютона прекрасно выполняются при любом направлении полета стрелы времени.

Представьте себе видеозапись бильярдной партии. Каждое столкновение шаров подчиняется законам движения классической механики. Если мы прокрутим запись в обратном направлении, игра будет выглядеть странно, однако законы Галилея, Гука и Ньютона допускают и такой порядок вещей…

Это всего лишь один пример физико-фантастических гипотез, которые разрабатывал Хокинг, чтобы согласовать теорию расширяющейся Вселенной с квантовой механикой.

Вернувшись к исследованию стрелы времени, Хокинг выдвинул рабочую гипотезу о том, что между направлением течения времени и энтропией Вселенной существует определенная связь. В элементарных курсах физики и термодинамики энтропию часто определяют как «меру беспорядка», но Хокинг в своих выступлениях всячески избегал этой неточной формулировки. Напротив, энтропию он считал мерой того, сколько тепловой энергии потенциально можно превратить в полезную механическую работу.

Если у вас много энергии, потенциально способной выполнить работу, то это система с низкой энтропией, тогда как если у вас ее мало, то ваша система имеет высокую энтропию. Второе начало термодинамики — важное соотношение в физике, утверждающее, что энтропия закрытой системы может либо не изменяться, либо возрастать с течением времени, то есть не может уменьшиться. Иначе говоря, со временем энтропия всей Вселенной должна возрастать. Это единственный закон физики, у которого есть предпочтительное направление времени.