Ми досі не розуміємо, чому час йде тільки вперед

Кожен момент проходить переносить нас з минулого через теперішнє в майбутнє, і зворотного шляху немає: час завжди тече в одному напрямку. Воно не стоїть на місці і не йде назад; стріла часу завжди вказує вперед для нас. Але якщо ми подивимося на закони фізики — від Ньютона до Ейнштейна, від Максвелла до Бору, від Дірака до Фейнмана — вони здадуться нам симетричними відносно часу. Іншими словами, рівняння, які керують реальністю, не беруть до розгляду, в яку сторону йде час. Рішення, які описують поведінку будь-якої системи і підкоряються законам фізики, будуть однаково гарні для часу, що йде назад, і для часу, що йде вперед. Але ми, чомусь, знаємо тільки одне напрямок руху: вперед. Звідки ж береться ця стріла часу?

Багато людей вважають, що може бути зв'язок між стрілою часу і кількістю ентропії. Хоча більшість людей зазвичай мають на увазі під ентропією «безлад», це дуже ліниве опис, до того ж і не дуже точне. Ентропія — це міра того, скільки термальною (теплової) енергії може бути перетворена в корисну, механічну роботу. Якщо у вас багато такої енергії, потенційно здатною працювати, у вас система з низьким показником ентропії, а якщо ж енергії мало, ентропія системи буде великий. Другий закон термодинаміки стверджує, що ентропія замкненої системи може тільки зростати або залишатися на одному рівні з часом; вона ніколи не буде зменшуватися. Іншими словами, з часом ентропія Всесвітом повинна зростати. Це єдиний закон фізики, який воліє певний напрямок часу.

чи Означає це, що ми переживаємо час так, як є, тільки з-за другого закону термодинаміки? Що є принципова глибока зв'язок між стрілою часу і ентропією. Деякі фізики вважають, що так, і це, безумовно, може бути можливо. Можливо, напрям стріли часу прямим чином пов'язана ентропії.

У деяких випадках ентропія відмінно описує стрілу часу, наприклад, чому кава і молоко можуть змішатися, але не «размешаться» назад; чому лід тане в теплому напої, але не виникає в холодному; чому розбиті на сковороді яйця ніколи не збираються назад в неразбитые і сирі. У всіх цих випадках початковий стан низької ентропії (з великою кількістю доступної, здатної до роботи енергії) переходила у стан високої ентропії (і низькою доступної енергії) з плином часу. Є багато прикладів цієї природи, включаючи кімнату, наповнену молекулами: на одній стороні багато холодних і повільних молекул, на інший же багато гарячих і швидких. Дайте час — і кімната буде повністю наповнена перемішаними частинками, які уже неможливо буде розділити на два протиборчі табори. Ентропія зростає. Хаос править.

Втім, можливо, не все так необоротно. Є підводний камінь, якого не помічають багато людей, дізнаючись про другому законі термодинаміки і збільшення ентропії: це стосується тільки ентропії замкненої системи, або системи, на яку ніщо не впливає ззовні, а ентропія не убуває і не додається. Вперше цю ідею спробував розкрити фізик Джеймс Клерк Максвелл ще в 1870-х роках: достатньо мати зовнішню сутність, яка відкриває ворота між двома сторонами кімнати, дозволяючи "холодним" молекулам протікати в одну сторону, а "гарячим" — в іншу. Цей уявний парадокс став відомий як «демон Максвелла», і він насправді дозволяє зменшити ентропію системи.

Звичайно ж, ви не порушите другий закон термодинаміки таким чином. Хитрість у тому, що демон витратить величезна кількість енергії на свою роботу, щоб розділити частки. Ця система, яка перебуває під владою демона, буде відкритою; якщо ви включите ентропію самого демона в загальну систему частинок, ви виявите, що загальна ентропія збільшується. Але ось у чому трюк: навіть якщо б ви жили у коробці і не знали про існування демона — іншими словами, якщо б ви жили в цьому кишеньці Всесвіту, в якій зменшується ентропія — для вас час все одно йшла вперед. Термодинамічна стріла часу не визначає напрямок, в якому для нас йде час.

Отже, звідки ж береться зв'язок напрямки часу і нашого сприйняття? Ми не знаємо. Але зате ми знаємо, що ця термодинамічна стріла часу не є. Наші вимірювання ентропії Всесвіту знають тільки про одному величезному зменшення за всю історію космосу: кінець космічної інфляції і перехід до Великого Вибуху. (І навіть це може представляти величезне збільшення ентропії, перехід з інфляційного стану в стан, наповнене матерією і випромінюванням). Ми знаємо, що наш Всесвіт зустрінеться з холодною і порожній долею після того, як вигорять всі зірки, розпадуться всі чорні діри і темна енергія растолкает незв'язані галактики між собою. Термодинамічний стан максимальної ентропії відомо як «теплова смерть» Всесвіту. І що досить дивно, стан, з якого наш Всесвіт виникла, — космічна інфляція — володіє такими ж властивостями, тільки з набагато більшим темпом розширення, ніж зараз.

Як закінчилася інфляція? Як енергія вакууму Всесвіту, енергія, властива самому порожньому простору, перетворилася в гарячий суп часток, античастинок і випромінювання? І перейшла Всесвіт зі стану неймовірно високої ентропії під час космічної інфляції у стан з низькою ентропією під час Великого Вибуху, або ж ентропія під час інфляції була щенижче з-за можливої здатності Всесвіту виконувати механічну роботу? Поки у нас є тільки теорії; експериментальні або наглядові ознаки, які допомогли б нам відповісти на ці питання, поки не знайдені.

Ми розуміємо стрілу часу з термодинамічної точки зору, і це неймовірно цінна і цікава частина знань. Але якщо ви хочете знати, чому вчора — це незмінне минуле, завтра настане через день, а сьогодення — це мить, в якій ви живете зараз, термодинаміка не дасть вам відповіді. Ніхто не дасть.