У вас на обличчі яйце, в буквальному сенсі. Ви намагалися жонглювати парою яєць, але щось пішло не так, і тепер вам потрібно прийняти душ і відправити одяг в прання. Хіба не було б швидше просто розбити яйце навпаки? Увага! Тільки в тому випадку, якщо розбити його вдалося за пару секунд, чому б не зробити те ж саме, але навпаки? Просто зберіть шкаралупу, вкиньте туди жовток і білок. У вас буде чисте обличчя, одяг, ніби нічого й не сталося
Насправді, "Розбити Яйце Навпаки" зовсім не неможливо. Немає ніякого фундаментального закону природи, який забороняв би нам це зробити. Більш того, фізики говорять, що будь-яка подія в нашому повсякденному житті може статися навпаки, в будь-який момент. Чому тоді ми не збираємо яйця, що не зціляємо опіки, які не затягуємо щиколотки? Чому речі не відбуваються навпаки постійно? Чому майбутнє від минулого відрізняється?
Можливо, це питання здається настільки простим, що їм навіть і задаватися не варто. Але по факту, намагаючись знайти на нього відповідь, фізики звертаються до народження всесвіту, заглядають під капоти атомів, намагаються вийти за межі сучасної науки.
Як і безліч історій про фізику, ця починається з Ісаака Ньютона. У 1666 році спалах бубонної чуми змусила його покинути кембріджський університет і повернутися зі своєю матір'ю до села Лінкольншир. Нудьгуючи і знемагаючи від нудьги, ньютон почав багато часу приділяти фізики.
Він вивів три закони руху, а також знамениту Максиму: у кожної дії є рівна протидія. Він також розробив пояснення того, як працює гравітація.
Закони Ньютона виявилися напрочуд успішними в описі світу. Вони пояснюють, чому яблука падають з дерев і чому земля обертається навколо сонця. Але є у них дивна деталь: працюють вони однаково добре як вперед, так і назад. Тільки в тому випадку, якщо яйце може розбитися, закони Ньютона говорять, що воно може і зібратися.
Очевидно, це неправильно, але майже кожна теорія, яку відкривали фізики з часів Ньютона, володіє схожою проблемою. Закони фізики, схоже, просто не хвилюються про те, рухається час вперед або назад, так само як не хвилюються про те, правша ви чи лівша.
Але ми, звичайно, хвилюємося. Виходячи з наших відчуттів, час - це стріла, завжди спрямована в майбутнє. "Ви могли б переплутати Схід і Захід, але ви не переплутати вчора і завтра, - каже Шон Керролл, фізик каліфорнійського технологічного інституту в Пасадені. - але фундаментальні закони фізики не розрізняють минуле і майбутнє".
Першою людиною, який серйозно зайнявся цією проблемою, був австрійський фізик Людвіг Больцман, що жив в кінці 19 століття. На той момент багато ідей, які сьогодні виявилися вірними, тоді ще бурхливо обговорювалися. Зокрема, фізики не були переконані - як сьогодні - що все складається з крихітних часток, атомів. На думку багатьох фізиків, ідею атомів просто неможливо було перевірити.
Больцман був переконаний, що атоми існують. Тому він вирішив взяти цю ідею і пояснити все підряд: світіння вогню, роботу легенів, чому остигає чай, якщо на нього дути. Він думав, що зможе знайти пояснення всьому цьому, використовуючи концепцію атомів. Деякі фізики були вражені роботою Больцмана, але більшість не прийняли її. Незабаром його виключили із товариства фізиків за такі ідеї.
Особливо не злюбили його думки про природу тепла. Можливо, тепло має мало спільного з природою часу, але Больцман хотів показати, що дві ці речі тісно пов'язані. У той час фізики придумали теорію під назвою термодинаміка, яка описує поведінку тепла. Наприклад, термодинаміка описує, як холодильник може утримувати їжу холодної в жаркий день.
А чи мав рацію Больцман?
Противники Больцмана вважали, що тепло просто не може бути описано як-то еще. Тепло - це просто тепло. Однак Больцман вирішив довести їх неправоту. Він вважав, що тепло викликається випадковим рухом атомів і що всю термодинаміку можна пояснити в цьому контексті. І він був абсолютно прав, але провів решту свого життя, намагаючись переконати інших.
Больцман почав зі спроби пояснити щось дивне: ентропію. Згідно термодинаміки, кожен об'єкт в світі має певну кількість зв'язаної з ним ентропії, і всякий раз, коли з ним щось відбувається, кількість ентропії зростає. Наприклад, якщо ви покладете кубики льоду в склянку з водою і дасте їм розтанути, ентропія в склянці виросте.
Зростання ентропії не схожий ні на що інше в фізиці: цей процес йде лише в одному напрямку. Але ніхто не знав, чому ентропія завжди зростає.
Колеги Больцмана стверджували, що неможливо пояснити, чому ентропія завжди зростає. Просто зростає і все. Але Больцмана це не влаштовувало, і він шукав прихований сенс у всьому цьому. В результаті з'явилося радикально нове розуміння ентропії. І це відкриття виявилося настільки важливим, що його навіть вигравіювали на могильній плиті вченого.
Больцман виявив, що ентропія вимірюється числом способів, якими атоми, а також переноситься ними енергія, можуть бути організовані. Коли ентропія зростає, це означає, що атоми стають більш перемішані.
На думку Больцмана, тому лід тане у воді. Коли вода знаходиться в рідкому стані, існує набагато більше способів, якими молекули води можуть вишикуватися, і набагато більше способів розділити енергію тепла між цими молекулами, ніж коли вода знаходиться в твердому стані. У льоду просто є так багато способів розтанути і так мало способів залишитися в твердому стані, що в переважній більшості випадків лід в кінцевому підсумку розтане.
Точно так же, якщо ви капне крем в свою каву, крем розтечеться по чашці, оскільки такий стан вищої ентропії. У крему є більше способів поширити шматочки по каву, ніж коли вони перебували в одній невеликій області.
Ентропія, на думку Больцмана, полягає в ймовірності. Об'єкти з низькою ентропією акуратно організовані, тому навряд чи існують. Об'єкти з високою ентропією розпливчастими, а значить, ймовірність їх існування висока. Ентропія завжди зростає, тому що речам набагато простіше бути безладними.
Можливо, це звучить гнітюче, особливо якщо ви любите порядок в домі. Але дайте ідеям Больцмана шанс: вони, схоже, можуть пояснити стрілу часу.
Підхід Больцмана до ентропії пояснює, чому вона завжди збільшується. Це, в свою чергу, передбачає, чому ми завжди відчуваємо тимчасові переміщення вперед. У тому випадку, якщо всесвіт в цілому рухається від низької ентропії до високої ентропії, ми ніколи не побачимо, як щось йде назад.
Ми не побачимо, як збирається яйце, тому що є багато способів організувати частини яйця, і майже всі вони призводять швидше до розбитого яйця, ніж до цілого. Точно так же назад не розплавиться лід, опіки не був вилікуваний, а кісточки не стягнуться назад після розтягування.
Визначення ентропії по Больцману навіть пояснює, чому ми пам'ятаємо минуле, але не майбутнє. Уявіть зворотне: у вас є спогад про подію, потім воно відбувається і спогад зникає. Шанси на те, що це станеться з цим мозком, надзвичайно малі. На думку Больцмана, майбутнє відрізняється від минулого просто тому, що збільшується ентропія. Але його настирливі опоненти на помилку в його міркуваннях вказали.
Больцман сказав, що ентропія збільшується в міру вашого руху в майбутньому, завдяки можливостям, які керують поведінкою малих об'єктів на кшталт атомів. Але ці дрібні об'єкти самі по собі коряться фундаментальним законам фізики, які не проводять межу між минулим і майбутнім. Тому аргумент Больцмана можна перевернути з ніг на голову. У разі якщо ви стверджуєте, що ентропія зростає в міру вашого руху в майбутнє, ви можете стверджувати, що ентропія буде зростати в міру руху в минуле.
Больцман думав, що яйце швидше розіб'ється, ніж залишиться цілим, було б розумно очікувати, що цілі яйця будуть розбиватися. Але є й інша інтерпретація. Інтактні яйця настільки рідкісні і неймовірні, що яйця повинні проводити більшу частину свого часу розбитими, вкрай рідко збираючись разом, щоб на мить стати цілими і після знову розбитися. Коротше кажучи, можна використовувати ідеї Больцмана про ентропію, стверджуючи, що майбутнє і минуле повинні бути схожими. Але ми цього не спостерігаємо, тому повертаємося на вихідну позицію. Чому, врешті-решт, існує стріла часу?
Больцман кілька рішень цієї проблеми запропонував. Одне з кращих стало відомо як гіпотеза минулого. Вона дуже проста: в певний момент в далекому минулому всесвіт перебувала в стані низької ентропії. Таким чином, якщо це так, пролом в міркуваннях Больцмана затягується. Майбутнє і минуле виглядають по-різному, тому що минуле мало ентропію вище, ніж майбутнє. Тому яйця б'ються, але не збираються.
Начебто логічно, але виникає нове запитання: чому гіпотеза минулого повинна бути вірною? Стан низькою ентропії малоймовірно, чому тоді ентропія всесвіту в минулому повинна бути низькою? Больцману так і не вдалося вирішити це питання. Перебуваючи в стані майже постійної депресії, відкинутий фізичним співтовариством, він був упевнений, що праця його життя буде забутий. На сімейному святі поблизу Трієста в 1906 році Людвіг Больцман повісився.
Його самогубство було особливо трагічним, оскільки вже через десять років фізики взяли ідеї Больцмана про атомах. Більш того, в наступні десятиліття нові відкриття показали, що гіпотезі минулого цілком можуть бути знайдені пояснення.
У 20 столітті наша картина всесвіту кардинально змінилася. Ми виявили, що у неї є початок.
За часів Больцмана більшість фізиків вважали, що всесвіт вічна - існувала завжди. Але в 1920-х роках астрономи виявили, що галактики розлітаються. Всесвіт розширюється, здогадалися вони. А значить, колись все було куди ближче і тісніше.
Протягом наступних кількох десятиліть фізики прийшли до угоди, що всесвіт почалася з неймовірно гарячої та щільної точки. Вона швидко розширилася і охолола, утворивши все існуюче нині. Це швидке розширення з крихітної гарячої всесвіту назвали великим вибухом.
Все говорило на користь гіпотези минулого. "Люди сказали: добре, очевидно, що у юної всесвіту ентропія була низькою, - каже Керролл. - але чому ентропія була спочатку низькою, 14 мільярдів років тому за часів великого вибуху, ніхто не знає".
Справедливості заради варто відзначити, що величезний космічний вибух явно не звучить як щось з низькою ентропією. Вибухи зазвичай представлені чим завгодно, тільки не порядком. Було багато способів організації матерії та енергії в юної всесвіту, тому вона була гарячою, крихітної і розширювалася. Однак, як виявилося, ентропія трохи інша, коли навколо так багато енергії.
Уявіть величезний порожній регіон космосу, в центрі якого знаходиться хмара газу з масою сонця. Гравітація стягує газ воєдино, тому газ стає щільно збитим і в кінцевому підсумку коллапсирует в зірку. Як це можливо, якщо ентропія постійно зростає? У газу є більше способів організації, коли він розсіюється і розосереджується.
Привілей маси.
Відповідь в тому, що гравітація впливає на ентропію, але як саме, фізики досі не розуміють. У випадку з масивними об'єктами набрати масу означатиме більш високу ентропію, ніж бути щільним і однорідним. Тому всесвіт з галактиками, зірками і планетами володіє вищою ентропією, ніж всесвіт, заповнена гарячим і щільним газом.
У нас з'являється нова проблема. Той сорт всесвіту, який з'явився відразу після великого вибуху, гарячий і щільний, володіє низькою ентропією, а значить, малоймовірний. "Навряд чи ви очікували б Витягти Таке з Мішка з Всесвітами", - говорить Керролл.
Яким чином наша всесвіт почала з такого сумнівного стану? Навіть неясно, яку відповідь нам хотілося б знайти. "Що буде вважатися науковим поясненням початкового стану всесвіту?", - запитує Тім Модлін, філософ фізики нью-йоркського університету.
Є ідея, що до великого вибуху щось було. Можна вважати це низькою ентропією юної всесвіту? Керролл і один з його колишніх студентів запропонували модель, в якій "Немовлятські" всесвіти постійно приходять до існування, відділяючись від батьківської всесвіту і розширюючись, подібно до нашої власної. Ці крихти - всесвіти починають з низькою ентропією, але ентропія "Множинної Всесвіту" в цілому завжди буде вище.
Тільки в тому випадку, якщо це правда, юні всесвіти тільки на вигляд здаються з низькою ентропією, оскільки ми не бачимо загальну картину. Те ж саме може бути справедливо для стріли часу. "Такого Рода Ідея Припускає, що Далеке Минуле Нашої Загальною Картини Всесвіту Абсолютно Схоже на Далеке Майбутнє", - говорить Керролл.
Широкого угоди по поясненню Керролла немає. Тільки пропозиції, але нічого багатообіцяючого. Частина проблеми полягає в тому, що наші кращі теорії фізики не можуть пояснити великий вибух. Без пояснення того, що сталося під час народження всесвіту, ми не можемо пояснити, чому вона має низьку ентропією.
Сучасна фізика на дві великі теорії годиться. Квантова механіка пояснює поведінку невеликих речей на зразок атомів, а загальна теорія відносності пояснює великі речі на зразок зірок. Але поєднати їх поки не вдається.
Тому, якщо щось буде дуже малим і дуже важким, начебто всесвіту під час великого вибуху, фізики виявляться в глухому куті. Щоб пояснити юну всесвіт, їм необхідно поєднати дві теорії в "Теорію Всього". Загальна теорія, швидше за все, пояснить стрілу часу. Також ця теорія пояснить, як природа вибудовує простір і час. Але за десятки років ніхто навіть близько не підібрався до теорії всього. Хоча кандидати, безумовно, є.
Найперспективнішою теорією всього може виявитися теорія струн, яка стверджує, що все субатомні частинки насправді складаються з крихітних струн. Струнна теорія також говорить, що у простору є додаткові виміри, крім відомих трьох, які згорнуті до мікроскопічних розмірів, а ми живемо в свого роду множинної всесвіту.
Все це звучить досить дивно. Проте більшість фізиків частинок бачать в теорії струн нашого кращого кандидата на теорію всього. Втім, це не допомагає нам пояснити, чому час рухається вперед. Як і майже будь-яка інша фундаментальна фізична теорія, рівняння теорії струн не проводять сувору межу між минулим і майбутнім. Навіть якщо теорія струн виявиться вірною, вона може і не пояснити стрілу часу.
Працюючи з чи Смоліним в інституті периметра в Ватерлоо, Канада, Марина Кортес трудиться над альтернативами струнної теорії, які включають стрілу часу на фундаментальному рівні.
Кортес і Смолін припускають, що всесвіт складається з ряду абсолютно унікальних подій, які ніколи не повторюються. Кожен набір подій може впливати тільки на події в наступному наборі, вибудовуючи таким чином стрілу часу. "Ми Сподіваємося, що Якщо зможемо Застосувати ці Типи Рівнянь до космології, то Прийдемо до Проблемі Початкових Умов Всесвіту і Виявимо, що в них немає Нічого Особливого", - говорить Кортес.
Це пояснення повністю розходиться з больцманівського, коли стріла часу випливає з законів ймовірності. "Час не ілюзія, - вважає Кортес. - воно існує і воно дійсно рухається вперед".
Більшість фізиків не бачать проблему в поясненнях Больцмана. "Больцман вказав правильний напрямок для пошуку рішення, і дуже давно, - каже Девід Альберт, філософ фізики колумбійського університету в Нью-йорку. - є реальна надія, що якщо копнути досить глибоко, то все виявиться так, як і говорив Больцман". Керролл погоджується. "Якщо великий вибух буде з низькою ентропією, на цьому все. Ми зможемо пояснити всі відмінності між минулим і майбутнім".
Як би там не було, щоб пояснити стрілу часу, нам потрібно пояснити стан низької ентропії на старті нашого всесвіту. Для цього може знадобитися будь-яка теорія, теорія всього, теорія струн, теорія причинних рядів Кортес і Смоліна. Люди шукають теорію всього вже 90 років. Як нам її знайти? Як ми дізнаємося, що знайшли.