16. Жизнь и смерть Вселенной.

Теперь мы обратимся к самому важному и загадочному вопросу, который мы можем задать по поводу вселенной: Почему она благоприятна для жизни? Мы увидим, что значительная часть ответа в том, что время реально.

Если время в самом деле реально, тогда должны существовать особенности вселенной, которые объяснимы, только если мы предполагаем, что время фундаментально. Эти особенности должны казаться непостижимыми и случайными при противоположном допущении — что время эмерджентно. Такие особенности существуют на самом деле; они улавливаются из наблюдения, что наша вселенная имеет историю развития от простого к сложному. Это дает времени строгую направленность — мы говорим, что вселенная имеет стрелу времени. Направленность в высшей степени маловероятна в мире, в котором время несущественно и эмерджентно.

Посмотрим вокруг. Хоть невооруженным глазом, хоть через самый мощный телескоп мы видим вселенную, которая в высшей степени структурирована и сложна.

Сложность невероятна. Она требует объяснения. Ничто не может немедленно перепрыгнуть из простоты к очень сложной организации. Великая сложность требует серии малых шагов. Они происходят в последовательности, что предполагает строгую упорядоченность событий во времени.

Все научные объяснения сложности требуют истории, во время которой уровни сложности медленно и постепенно наращиваются. Это Невероятное Восхождение на Гору Ричарда Докинса[159]. Так что вселенная должна иметь историю, которая разыгрывается во времени. Имеется причинный порядок, требующийся для объяснения того, как вселенная пришла к ее нынешнему состоянию.

Согласно физикам 19-го столетия и некоторым из наших современных теоретических космологов, которые принимают вневременную картину, сложность, которую мы наблюдаем вокруг нас, является случайной и неизбежно преходящей. С их точки зрения вселенная обречена на конец в состоянии равновесия. Это состояние, названное тепловой смертью вселенной, в котором материя и энергия равномерно распределены по вселенной и ничего никогда не происходит за исключением редких хаотических флуктуаций[160]. Большую часть времени эти флуктуации рассеиваются как только возникают, ничего не создавая. Но, как я буду объяснять в этой и последующих главах, принципы, выписанные в Главе 10 для новой космологической теории, помогут нам понять, почему вселенная с растущей сложностью является естественной и необходимой.

Так что перед нами лежат две дороги, приводящие к сильно различающимся версиям будущего вселенной. В первой картине будущего нет, поскольку тут нет времени. Время есть иллюзия, которая в лучшем случае есть мера изменения, иллюзия, которая закончится, когда изменения прекратятся.

В ограниченной временем картине, которую я предлагаю, вселенная есть процесс размножения новых явлений и состояний организации, которые всегда будут обновляться по мере их эволюции к состояниям со всегда большей сложностью и организацией.

Записи наблюдений однозначно говорят нам, что вселенная становится все более интересной с течением времени. Ранее она была заполнена плазмой в равновесии; от этого простейшего из начал она эволюционировала к гигантской сложности по широкому диапазону масштабов, от кластеров галактик до биологических молекул[161].

Живучесть и рост всех этих структур и сложности озадачивают, поскольку исключает простейшее объяснение структуры, которую мы видим, — что это случайное упорядочение. Случайность не могла бы привести к структурам, сохраняющимся миллиарды лет, чья сложность непрерывно растет со временем. Как я кратко объясню, если сложность, которую мы видим вокруг нас, случайна, она почти определенно уменьшалась бы со временем, вместо того, чтобы увеличиваться.

Предсказание о том, что вселенная найдет свой конец в тепловой смерти, является еще одним шагом в изгнании времени из физики и космологии и родственно античной идее, что естественным состоянием вселенной является состояние без изменений. Старейшим прорывом в космологическом мышлении было то, что естественное состояние мира есть равновесие — то есть, состояние, в котором нет импульса в направлении организации, поскольку все находится в своем естественном месте. Это была сущность космологии Аристотеля, которая, как я описывал в Главе 2, базировалась на физике, в рамках которой каждая сущность имеет естественное движение: Например, земля ищет центр, тогда как естественным для воздуха является движение вверх.

Единственная причина того, что в земной сфере еще имеются изменения, по Аристотелю, заключается в наличии других причин для движения, определенных как вынужденные движения, которые могут вывести некоторую вещь из ее естественного состояния. Люди и животные являются источниками вынужденных движений, но есть и другие. Горячая вода допускает в себя воздух и таким образом частично приобретает естественное для воздуха движение вверх, отчего возгоняется, пока не охладится, и в этот момент исторгает из себя воздух и падает в виде дождя. Конечный источник этого вынужденного движения есть нагрев от Солнца, которое является частью небесной сферы. Тем или иным образом Солнце является источником всех вынужденных движений. Если земную сферу отсоединить от небес и оставить ее саму по себе, все пришло бы к равновесию в покое в своем естественном месте, и изменения прекратились бы.

Современная физика имеет собственное понятие о равновесии, которое характеризуется законами термодинамики. Они применимы к физике в ящике. Средой для законов термодинамики является изолированная система, которая не обменивается ни энергией, ни веществом со своим окружением.

Однако мы должны позаботиться, чтобы не спутать понятия равновесия Аристотеля или Ньютона с современным понятием термодинамического равновесия. Равновесие по Аристотелю и Ньютону возникает из баланса сил. Мост стоит потому, что силы, действующие на каждый брус и заклепку, скомпенсированы. Понятие равновесия в современной термодинамике полностью иное. Оно применимо к системам с очень большим числом частиц и существенным образом ссылается на понятие вероятностей.

Прежде, чем мы поговорим о тепловой смерти вселенной, убедимся получше, что мы понимаем нашу терминологию. Это означает, прежде всего, понимание смысла энтропии и второго закона термодинамики.

* * *

Ключом к пониманию современной термодинамики является то, что она содержит два уровня описания. Имеется микроскопический уровень, точно описывающий положения и движения всех атомов любой конкретной системы. Это называется микросостояние. Затем есть макроскопический уровень или макросостояние системы, который представляет собой неполное приблизительное описание в терминах нескольких переменных, таких как температура и давление газа. Изучение термодинамики системы содержит оценку взаимоотношения между этими двумя уровнями описания.

Простым примером является стандартное кирпичное здание. Макросостоянием в данном случае является архитектурный облик; микросостояние это где точно находится каждый кирпич. Архитектору нужно только указать, что должны быть построены кирпичные стены таких и таких размеров с проемами для окон и дверей. Ему не нужно говорить, куда какой кирпич пойдет. Большинство кирпичей идентичны, так что на структуру не повлияет, если два идентичных кирпича поменяются местами. Так что тут имеется гигантское количество различных микросостояний, которые дают одно и то же макросостояние.

Сравним это со зданиями Фрэнка Гэри[162] вроде Музея Гуггенхайма в Бильбао, чья внешняя поверхность выполнена из индивидуально созданных металлических ячеек. Чтобы сделать кривые поверхности, спроектированные Гэри, каждая ячейка должна отличаться, и имеет значение, где располагается каждая. Здание будет иметь форму, которую имел в виду архитектор, если любая и каждая металлическая ячейка будет уложена на свое точное место. В этом случае архитектурный проект опять определяет макросостояние, а куда идет каждая ячейка есть микросостояние. Но, в отличие от традиционного кирпичного здания, тут нет свободы вмешиваться в микросостояния. Тут имеется только одно микросостояние, которое дает задуманное макросостояние.

Концепция, дающая представление о том, сколько микросостояний могли бы дать одно и то же макросостояние, таким образом, дает нам способ объяснить, почему здания Гэри столь революционны. Эта концепция называется энтропией. Энтропия здания есть мера числа различных способов уложить части вместе, чтобы реализовать проект архитектора. Стандартное кирпичное здание имеет очень высокую энтропию. Здание Фрэнка Гэри может иметь нулевую энтропию[163], соответствующую его уникальному микросостоянию.

Из этого примера мы можем увидеть, что энтропия обратна по отношению к информации. Потребуется намного больше информации, чтобы описать дизайн здания Гэри, поскольку вам нужно точно сказать, как приготовить каждый кусочек, и точно сказать, куда должен поместиться каждый кусочек. Намного меньше информации потребуется, чтобы описать дизайн нормального кирпичного здания, так как все, что вам нужно знать, это размеры его стен.

Посмотрим, как указанный метод работает в более типичном случае из физики. Рассмотрим контейнер, заполненный газом, состоящим из очень большого числа молекул. Фундаментальное описание является микроскопическим: Оно говорит, где находится и как движется каждая молекула. Это огромное количество информации. Затем имеется макроскопическое описание, в котором газ описывается в терминах его плотности, температуры и давления.

Определение плотности и температуры требует намного меньше информации, чем ее требуется, чтобы сказать, где каждый атом. Следовательно, есть простой путь перехода от микроскопического описания к макроскопическому, но не наоборот. Если вы знаете, где находится каждая молекула, вы знаете плотность и температуру, которая суть средняя энергия движения. Но пройти обратным путем невозможно, поскольку имеется великое множество различных способов, как могут быть расположены индивидуальные атомы с микроскопической точки зрения, чтобы в результате была та же плотность и температура.

Чтобы перейти от микросостояния к макросостоянию полезно посчитать, сколько микросостояний содержится в данном макросостоянии. Как и в примере со зданиями, это число задается энтропией макроскопической конфигурации. Заметим, что определяемая таким образом энтропия является свойством только макроскопического описания. Энтропия, следовательно, есть эмерджентное свойство; не имеет смысла приписывать энтропию точному микросостоянию системы.

Следующий шаг заключается в установлении связи энтропии с вероятностью. Вы можете сделать это, предположив, что все микросостояния одинаково вероятны. Это физический постулат, оправданный тем фактом, что атомы в газе находятся в хаотическом движении, которое имеет тенденцию перетасовывать их и, следовательно, хаотизировать их движения. Чем больше имеется способов сделать макросостояние из микросостояний — то есть, чем выше энтропия макросостояния — тем более вероятно, что это макросостояние реализуется. Самое вероятное макросостояние, с учетом того, что микросостояния случайны, называется состоянием равновесия. Равновесие также является состоянием с наивысшей энтропией.

Разберем кота на составляющие его атомы и смешаем хаотически указанные атомы с атомами воздуха в помещении. Имеется намного больше микросостояний, в которых атомы кота случайно смешаны с воздухом, чем микросостояний, где кот воссоздан и сидит на кушетке, облизывая свой мех и мурлыкая. Кот есть в высшей степени маловероятный способ расположения атомов, следовательно, он имеет низкую энтропию и высокую информацию по сравнению с хаотической смесью тех же атомов с воздухом.

Атомы в газе двигаются хаотично, часто сталкиваясь. Когда они сталкиваются, они посылают друг друга прочь, двигаясь в более-менее случайных направлениях. Так что со временем проявляется тенденция к перемешиванию микросостояний. Если микросостояние сначала не хаотично, оно довольно скоро станет таковым. Это наводит на мысль, что если мы стартуем от состояния с низкой энтропией, отличающегося от состояния равновесия, то самой вероятной вещью с течением времени будет то, что микросостояние станет более случайным, повышая энтропию. Это утверждение второго закона термодинамики.

Чтобы увидеть теперь, как это работает, рассмотрим простой эксперимент. Нам нужна колода карт и игрок. Предположим, что когда эксперимент начинается, карты разложены по порядку. После этого все, что происходит, это что один раз за каждую секунду карты перетасовываются игроком. Эксперимент заключатся в наблюдении, что происходит с порядком карт, когда они раз за разом перетасовываются.

Карты стартуют упорядоченными, но каждая перетасовка делает расположение карт все более и более случайным. Энтропия имеет тенденцию расти. После достаточного количества перетасовок невозможно назвать порядок кроме как чисто случайным порядком; следовательно, любая память о начальном упорядочении, по существу, теряется.

Эта тенденция к распаду порядка в направлении беспорядка фиксируется вторым законом термодинамики. В этом смысле закон говорит, что перетасовка колоды карт будет приводить к разрушению любого специального упорядочения карт, которое мы могли иметь изначально, с заменой его случайным упорядочением.

Энтропия не всегда возрастает. Каждый раз через какое-то время перетасовка будет снижать энтропию — например, путем возврата карт к оригинальному упорядочению. Просто намного более вероятно для перетасовки упорядоченной колоды повысить энтропию, чем понизить ее. Чем больше карт в колоде, тем менее вероятно, что перетасовка произведет полное переупорядочение. Следовательно, тем больше будут интервалы между перетасовками, которые полностью упорядочивают колоду. Тем не менее, пока число карт в колоде конечное, имеется время, после которого перетасовки, имеющие место раз в секунду, вероятно, произведут полное переупорядочение. Оно называется временем повторений Пуанкаре. Если вы наблюдаете за системой в течение более коротких времен, вы, вероятно, увидите только рост энтропии. Но посмотрите за системой дольше, чем время повторений Пуанкаре, и вы, вероятно, увидите, как энтропия с тем же успехом снижается.

История о роли хаотизации в упорядочении карт может быть перенесена на газ. Упорядоченные конфигурации атомов в газе существуют, например, такие конфигурации, в которых все атомы находятся на одной стороне ящика и все движутся в одном направлении. Эти конфигурации аналогичны тем, в которых карты упорядочены. Но, хотя эти упорядоченные конфигурации атомов существуют, они намного более редкие, чем конфигурации, в которых атомы случайно размещены по ящику и двигаются в случайных направлениях.

Если мы стартуем из положения, когда все атомы в одном углу ящика и все двигаются одним и тем же путем, мы увидим, что по мере их движения и рассеивания друг на друге они распределятся по ящику, заполнив его целиком. После некоторого времени положения атомов будут полностью перетасованы, так что плотность атомов в ящике станет равномерной.

Примерно с тем же темпом за счет столкновений атомов будут хаотизированы направления движения атомов и их энергии. В итоге большинство атомов придут к средней энергии, которая и есть температура.

Не имеет значения, насколько упорядочена и необычна конфигурация, с которой вы стартуете, через некоторое время плотность и температура атомов в ящике будет однородной и хаотизированой. Это и есть состояние равновесия. Раз уж газ достиг состояния равновесия, наиболее вероятно, что он и будет в этом состоянии находиться.

Второй закон термодинамики говорит в этом контексте, что через короткое время более вероятное изменение в энтропии будет положительным числом или, по меньшей мере, нулем. Если вы стартуете от конфигурации вне равновесия, вы стартуете от конфигурации с меньшей вероятностью и, отсюда, более низкой энтропией. Наиболее вероятно будет происходить то, что конфигурация продолжит хаотизироваться за счет столкновений атомов, следовательно, повысится вероятность конфигурации. Так что энтропия возрастает. Если вы стартуете от равновесия, где энтропия максимальна, поскольку конфигурация уже хаотизирована, наиболее вероятной вещью для конфигурации будет оставаться хаотизированной. Но если вы наблюдаете за атомами в течение очень длинного периода, то, как отмечалось, будут невероятные флуктуации, которые приведут газ в более упорядоченное состояние. Самые вероятные из этих флуктуаций неуловимы: только чуть больше плотности в одном месте и чуть меньше где-то в другом. Намного менее вероятными будут флуктуации, которые соберут все атомы назад в один из углов ящика. Но при наличии достаточного времени это произойдет. Пока число атомов конечно, будут существовать флуктуации, приводящие к любым конфигурациям, не имеет значения, насколько редко.

Но вы не должны ждать, чтобы увидеть физические эффекты от таких флуктуаций. Эйнштейн превосходно использовал изучение флуктуаций молекул в жидкости, чтобы продемонстрировать существование атомов. Он предположил, что жидкость, такая как вода, состоит из молекул в хаотическом движении, и обдумал влияние этих движений на маленькие частицы вроде зерен пыльцы, взвешенных в воде. Молекулы воды слишком малы, чтобы их увидеть, но их влияние может быть заметно в движении зернышек, которые уже достаточно велики, чтобы быть увиденными в микроскоп. Зернышко со всех сторон получает удары от столкновений с молекулами, что заставляет его двигаться в хаотическом танце.

Через измерения того, насколько энергично танцуют зернышки пыльцы, вы можете вывести, сколько молекул ударяют по зернышку в секунду и с какой силой. В одной из своих статей 1905 года Эйнштейн сделал проверяемые предсказания, позже подтвердившиеся, по поводу свойств атомов, включая число атомов в одном грамме воды[164]. Из этого и многих аналогичных экспериментов мы знаем, что такие флуктуации реальны и являются частью истории термодинамики.

Флуктуации решают главный парадокс, который мучил ранние исследования по термодинамике. Первоначально законы термодинамики вводились без использования понятий атомов или вероятностей. Газы и жидкости трактовались как непрерывные субстанции, а энтропия и температура определялись вне понятия вероятности, как если бы они имели фундаментальный смысл. В этой исходной формулировке второй закон просто говорил, что в любых процессах энтропия или возрастает или остается той же самой. Другой закон говорил, что когда энтропия максимизирована, система имеет везде одинаковую температуру.

В середине 19-го столетия Джеймс Клерк Максвелл и Людвиг Больцман разработали гипотезу, что материя сделана из хаотически движущихся атомов, и попытались вывести законы термодинамики из применения статистики к движению больших количеств атомов. Например, они предположили, что температура является просто средней энергией хаотического движения атомов. Они ввели энтропию и второй закон, почти как я это сделал здесь.

Но большинство физиков тогда не верили в атомы. Следовательно, они отвергали эти попытки обосновать законы термодинамики из атомного движения и изобретали мощные аргументы, чтобы показать, что законы термодинамики не могли бы быть выведены из этого движения. Один из таких аргументов сводился к следующему: Законы движения, которым должны подчиняться атомы (если они существуют) обратимы во времени (как я обсуждал в Главе 5). Если вы берете фильм о куче атомов, движущихся согласно законам Ньютона, и прокручиваете его в обратном направлении, вы тоже получаете возможную историю, согласующуюся с законами Ньютона. Но второй закон термодинамики не обратим, поскольку он говорит, что энтропия всегда возрастает или остается той же, но никогда не уменьшается. Это невозможно, утверждали скептики, что закон, который необратим во времени, мог бы быть выведен из законов, которые обратимы — то есть законов, управляющих движениями предполагаемых атомов.

Правильный ответ на это был дан Паулем и Татьяной Эренфест, молодой парой, которые были протеже Больцмана и позже стали друзьями Эйнштейна[165]. Они показали, что второй закон, как он формулировался в доатомной физике, был ошибочен. Энтропия на самом деле иногда уменьшается, это просто маловероятно, но это будет. Если вы подождете достаточно долго, флуктуации время от времени будут уменьшать энтропию системы. Так что флуктуации являются необходимой частью истории того, как термодинамика согласовывалась с существованием атомов, подчиняющихся фундаментальным обратимым во времени законам.

Однако, даже правильная картина кажется лишенной надежды на будущее, поскольку любая изолированная система в соответствии с указанными принципами в конце концов придет к равновесию — после чего не имеет смысла совокупное изменение, нет роста структуры или сложности, а только бесконечное равновесие, в котором ничего не происходит, кроме хаотических флуктуаций.

Вселенная в равновесии не может быть сложной, так как хаотические процессы, которые привели ее в равновесие, разрушают организацию. Но это не означает, что сама сложность может быть измерена отсутствием энтропии. Чтобы полностью охарактеризовать сложность, нам нужны понятия за пределами термодинамики систем в равновесии; они являются предметом следующей главы.

* * *

Когда мы рассматриваем космологию с точки зрения термодинамики, вопрос, почему вселенная так интересна, становится еще более загадочным. С точки зрения Ньютоновской парадигмы вселенная управляется решениями уравнений некоторого закона. Этот закон может быть аппроксимирован некоторой комбинацией ОТО и Стандартной Модели Физики Частиц, но детали не важны. Решение, которое управляет вселенной, выбирается из бесконечного набора возможных решений и может быть определено выбором начальных условий во время Большого Взрыва или около него.

Чему нас учит термодинамика, так это тому, что почти каждое решение законов физики описывает вселенную в равновесии, поскольку определение равновесия в том, что оно состоит из самых вероятных конфигураций. Кроме того, равновесие подразумевает, что типичное решение законов симметрично во времени — в нем локальные флуктуации к более упорядоченному состоянию столь же вероятны, как и флуктуации к менее упорядоченному состоянию. Прокручивание фильма в обратном направлении приводит к равновероятной истории и, в среднем, равно симметричной во времени. Мы можем сказать, что тут нет всеобъемлющей глобальной стрелы времени.

Наша вселенная выглядит совсем не похожей на типичные решения законов. Даже сейчас, более чем через 13 миллиардов лет после Большого Взрыва, наша вселенная не находится в равновесии. И решение, которое описывает нашу вселенную, асимметрично во времени. Такие свойства экстраординарно маловероятны, когда решение, описывающее нашу вселенную, выбирается случайно.

Вопрос, почему вселенная так интересна и, по-видимому, становится все более интересной, сродни вопросу, почему второй закон термодинамики еще действует в направлении хаотизации вселенной к тепловому равновесию, несмотря на то, что у него, очевидно, были миллиарды лет на возможность сделать именно это.

* * *

Простейший признак того, что наша вселенная не находится в тепловом равновесии, заключается в наличии стрелы времени. Поток времени отмечен сильной асимметрией: Мы чувствуем и наблюдаем себя движущимися от прошлого к будущему.

Бесчисленные явления подтверждают направленность времени. Многие вещи необратимы (автокатастрофа, плохо выбранная фраза, высказанная ненадежному другу, разлитый стакан молока). Горячая чашка кофе остывает, а не наоборот; сахар растворяется в ней, а не выделяется из нее; а упавшая чашка разбивается на куски, которые, предоставленные сами себе, никогда не соберутся заново. Мы все стареем в одном и том же направлении; книги и фильмы, в которых кто-нибудь двигается от предсмертного возраста к младенчеству, являются фантазиями, которые никогда не будут реализованы в жизни[166].

В равновесии нет такой стрелы времени. В равновесии порядок может возрастать только временно через хаотические флуктуации. Эти отклонения от равновесия выглядят в среднем одинаковыми, когда действуют вперед или назад. Если вы взяли фильм о движениях атомов в равновесном газе и прокрутили его назад, вы не сможете сказать, какая из версий является оригинальной, а какая обратной. Наша вселенная не похожа на это.

Сильная стрела времени, которую мы видим в нашей вселенной, требует объяснения, поскольку фундаментальные законы физики симметричны во времени. Любое решение их уравнений имеет призрачное решение-спутник, которое ведет себя в точности так, как первое, но с фильмом, прокрученным назад (с тонким добавлением, что право и лево меняются местами, а частицы заменяются античастицами). Так что фундаментальные законы не могли бы быть нарушены, если бы некоторые люди старились в обратном направлении, или некоторые чашки кофе на прилавке становились горячее или разбитые чашки спонтанно собирались заново.

Почему эти вещи никогда не происходят? И почему все эти различные асимметрии во времени указывают в одну и ту же сторону — в направлении возрастания беспорядка? Это иногда называется проблемой стрелы времени.

На самом деле в нашей вселенной имеется несколько различных стрел времени.

Вселенная расширяется, а не сжимается. Мы называем это космологической стрелой времени.

Малые кусочки вселенной, предоставленные сами себе, проявляют тенденцию становиться со временем более разупорядоченными (разлитое молоко, успокоившийся воздух и так далее). Это называется термодинамической стрелой времени.

Люди, животные и растения рождаются как младенцы, растут, стареют, а затем умирают. Это можно назвать биологической стрелой времени.

Мы чувствуем течение времени от прошлого к будущему. Мы помним прошлое, но не будущее. Это эмпирическая стрела времени.

Имеется другая стрела — менее очевидная, чем перечисленные стрелы, но, тем не менее, являющаяся основной подсказкой. Свет движется из прошлого в будущее. Следовательно, свет, который достигает наших глаз, дает нам картину мира в прошлом, а не в будущем. Это называется электромагнитной стрелой времени.

Световые волны производятся движением электрических зарядов. Покачайте заряд, и свет распространится, всегда двигаясь наружу в направлении будущего, и никогда в направлении прошлого. Это кажется применимым и к гравитационным волнам тоже. Так что имеется гравитационно-волновая стрела времени.

Наша вселенная, видимо, имеет много черных дыр. Черная дыра в высшей степени асимметрична во времени. Что угодно может в нее упасть, но все, что выходит наружу, это тепловое излучение Хокинга. Черная дыра это прибор для превращения чего угодно в газ равновесных фотонов. Этот необратимый процесс производит гигантское количество энтропии.

А как насчет белых дыр? Эти гипотетические объекты являются решениями ОТО, получаемыми обращением времени в черных дырах. Белые дыры ведут себя противоположным по отношению к черным дырам образом. Ничего не может упасть в белую дыру, но что угодно может выйти из нее. Белая дыра могла бы выглядеть как спонтанное появление звезды, которое суть то, что вы получили бы, если бы вы взяли фильм о коллапсе звезды в черную дыру и запустили бы его в обратном направлении. Астрономы не видели ничего, что можно было бы интерпретировать как белую дыру.

Даже если вы рассматриваете только черные дыры, в нашей вселенной есть нечто странное. Согласно уравнениям ОТО она вполне могла бы начаться, будучи заполненной черными дырами. Но, как отмечалось в Главе 11, кажется, что их вообще не было в ранней вселенной. Все черные дыры, о которых нам известно, кажутся сформировавшимися намного позже этого, сформировавшимися из коллапса массивных звезд.

Почему есть только черные дыры, но нет белых дыр? И почему вселенная не началась заполненной черными дырами? Это выглядит стрелой времени черных дыр, проявляющейся в отсутствии черных дыр в ранней истории вселенной.

Может ли существовать галактика на другом конце вселенной, где некоторые из указанных стрел времени двигаются в обратном направлении? Подтверждений этому нет. Мы можем жить во вселенной, где некоторые стрелы времени меняют направление на обратное от места к месту, но, вероятно, не живем. Почему так?

Эти различные стрелы времени являются фактами по поводу нашей вселенной, которые требуют объяснения. Любое объяснение, предложенное для них, базируется на предположениях о природе времени. Объяснение, предложенное некоторыми из тех, кто верит, что время возникает из вневременного мира, будет отличаться от объяснения, предложенного кем-то, кто верит, что время фундаментально и реально.

Имеется связанный с изложенным вопрос, являются законы физики обратимыми или нет. Как отмечено в Главе 5, тот факт, что законы природы обратимы во времени, может быть принят как свидетельство преимущества точки зрения, что время не фундаментально. Как нам объяснить стрелы времени, если законы природы обратимы во времени? Каждая стрела времени представляет асимметрию времени; как они могли бы возникнуть из симметричных во времени законов?

Ответ в том, что законы действуют на начальные условия. Законы могут быть симметричными относительно обращения направления времени, но начальные условия не должны. Начальные условия могут эволюционировать до конечных условий, которые легко отличаются от первых. На самом деле это так: Начальные условия нашей вселенной, кажется, были точно настроены, чтобы произвести вселенную, асимметричную во времени.

Приведем пример. Начальный темп расширения вселенной, который выбирается начальными условиями, кажется таким, что максимизирует производство галактик и звезд. Будь он намного быстрее, вселенная стала бы разреженной слишком быстро, чтобы сформировались звезды и галактики. Будь он слишком медленным, вселенная могла бы сколлапсировать прямо к финальной сингулярности до того, как звезды получили бы шанс сформироваться. Темп расширения был идеальным для производства гигантского количества звезд, и это звезды, которые, миллиарды лет разливая горячие фотоны в холодное пространство, удерживают вселенную от равновесия, и, таким образом, объясняется термодинамическая стрела времени.

Электромагнитная стрела времени также может быть объяснена асимметрией начальных условий во времени[167]. В начале вселенной не было электромагнитных волн. Свет был произведен только позже за счет движения материи. Это объясняет, почему, когда мы смотрим вокруг, изображения, которые несет свет, дают нам информацию о материи во вселенной. Если бы мы просто следовали законам электромагнетизма, это могло бы быть иначе. Уравнения электромагнетизма позволяют вселенной начаться в условиях свободного переноса света. Это означает, что свет мог бы сформироваться непосредственно в Большом Взрыве, а не эмитироваться материей позже. В такой вселенной все изображения объектов, которые свет унес от материи, были бы подавлены светом, пришедшим непосредственно от Большого Взрыва.

В таком мире мы не видели бы звезд и галактик, когда мы заглядывали бы в прошлое через наши телескопы. Мы могли бы видеть только хаотическое марево. Или, уж если на то пошло, сформированный в Большом Взрыве свет мог бы переносить изображения вещей, которые никогда там не были, вроде изображений сада со слонами, жующими гигантскую спаржу.

Это означает, что вселенная выглядела бы, как если бы мы взяли фильм о ней в момент времени в далеком будущем и запустили его в обратном направлении. В далеком будущем будет огромное количество путешествующих вокруг изображений — изображений вещей, которые когда-то существовали. Но если мы запускаем фильм в обратном направлении времени, мы видим вселенную, заполненную изображениями вещей, которые еще не произошли. В самом деле, свет, несущий изображение, будет втекать в событие, которое представляет изображение, и заканчиваться там. Свет, который мы увидели бы, сказал бы нам только о вещах, которые пока не произошли.

Мы не живем в такой вселенной, но могли бы жить, если возможные вселенные соответствуют решениям законов физики. Чтобы объяснить, почему мы видим только вещи, которые происходят или произошли, и никогда не видим чего-либо, что еще не произошло или никогда не произойдет, мы должны наложить строгие начальные условия. Эти условия запрещают вселенной стартовать с какими бы то ни было переносимыми светом свободно летающими изображениями. Это сильно асимметричное налагаемое условие, но оно необходимо, чтобы объяснить электромагнитную стрелу времени.

Аналогичная история справедлива и в отношении гравитационно-волновой стрелы времени и стрелы времени черных дыр. Если фундаментальные законы симметричны во времени, то все бремя объяснения, почему наша вселенная асимметрична во времени, падает на выбор начальных условий. Так что вы должны наложить условие, что изначально во вселенной нет свободно двигающихся гравитационных волн, нет начальных или ранних черных дыр и нет белых дыр.

Этот момент был подчеркнут Роджером Пенроузом, и он предложил принцип для его объяснения, который назвал гипотезой кривизны Вейля[168]. Кривизна Вейля есть математическая величина, которая не равна нулю всякий раз, когда имеется гравитационное излучение или черные или белые дыры. Принцип Пенроуза заключается в том, что в начальной сингулярности эта величина исчезает. Он отметил, что это согласуется с тем, что мы знаем о ранней вселенной. Это асимметричное во времени условие, поскольку оно определенно не выполняется во вселенной в более поздние времена. В более позднее время вселенная имеет огромное количество гравитационных волн и огромное количество черных дыр. Следовательно, утверждает Пенроуз, чтобы объяснить вселенную, которую мы видим, это асимметричное во времени условие должно быть наложено на выбор решения (симметричных во времени) законов ОТО.

Это объяснение нашей вселенной требует асимметричных во времени начальных условий и очень сильно ослабляет аргумент в пользу нереальности времени, основанный на том, что законы природы симметричны во времени. Вы не можете проигнорировать роль начальных условий и заявить, что прошлое подобно будущему, когда, чтобы добиться хотя бы грубого согласия с нашей вселенной, начальные условия должны быть выбраны очень непохожими на те же условия, которые эволюционировали[169].

Бремя объяснения тогда падает на вопрос о том, как были выбраны начальные условия. Однако мы не имеем рационального объяснения тому, как они выбирались, так что мы достигли тупика, оставив критический вопрос о нашей вселенной без ответа.

Имеется другой и более простой вариант. Мы уверены, что наши законы являются приближениями к более глубокому закону. Что если этот более глубокий закон асимметричен во времени?

Если фундаментальный закон асимметричен во времени, тогда такими являются и большинство его решений[170]. Тогда не должно быть проблемы в объяснении, почему мы никогда не наблюдаем сумасшедших вещей, которые могли бы появляться из запуска естественных процессов в обратном направлении, поскольку обращенные во времени решения законов больше не будут решениями. Загадка, почему мы видим только изображения из прошлого, но не из будущего, решена. Тот факт, что вселенная в высшей степени асимметрична во времени, непосредственно объяснялся бы асимметрией во времени фундаментального закона. Асимметричная во времени вселенная больше не была бы невероятной, она была бы необходимой.

Как я понимаю, именно это имел в виду Пенроуз, когда предложил гипотезу кривизны Вейля. Разница между физикой вблизи начальной сингулярности и физикой более поздней вселенной навела бы нас на квантовую теорию гравитации, которая, с точки зрения Пенроуза, должна быть сильно несимметричной во времени теорией. Но несимметричная во времени теория неестественна, если время эмерджентно. Если фундаментальная теория не содержит понятия времени, у нас нет способа отличить прошлое от будущего. Экстремальная невероятность нашей вселенной все еще будет требовать объяснения.

Асимметричная во времени теория намного более естественна, если время фундаментально. Действительно, ничто не может быть более естественным, чем иметь фундаментальную теорию, которая отличает прошлое от будущего, поскольку прошлое и будущее весьма различны. В рамках метафизической системы взглядов, в которой время и течение моментов от прошлого к будущему реальны, совершенно естественно иметь асимметричные во времени законы, управляющие асимметричной во времени вселенной. Так что реальность времени за счет этого рассмотрения получает доверие, поскольку она позволяет нам избежать необходимости оставить огромную невероятность — сильную асимметрию нашей вселенной во времени — без объяснения. Будем считать это еще одним шагом в открытии времени.

* * *

Можем ли мы говорить о вселенной как о чем-то невероятном?

Несколько раз в этой главе я ссылался на нашу вселенную или на ее начальные условия как на невероятные — например, когда я утверждал, что невероятно вселенной, управляемой симметричными во времени законами, иметь стрелу времени. Но только что означает утверждение, что вселенная невероятна? Вселенная уникальна и имеет место только раз. Это единственная вещь из ее вида. Ее любое свойство не должно иметь вероятность?

Чтобы устранить указанную путаницу, нам надо знать, что мы имеем в виду, когда говорим, что некоторая система имеет невероятную конфигурацию. В рамках Ньютоновской парадигмы это имеет смысл, поскольку описание ссылается на подсистему вселенной, которая может быть одной из многих подсистем ее вида. Но это, очевидно, неприменимо ко всей вселенной.

Вы можете попытаться определить вероятность того, что наша вселенная имеет некоторое свойство, предположив, что начальные условия были выбраны хаотически из конфигурационного пространства. Но мы знаем, что это предположение ошибочно: Мы знаем, что наша вселенная не была произведена за счет случайного выбора, поскольку для многих ее свойств экстраординарно маловероятно, что они возникли в результате такого выбора.

Вы можете избежать этой проблемы, представив, что имеется большое число вселенных. Однако, как мы говорили в Главе 11, есть два вида теорий мультивселенной: те, в которых наша вселенная нетипична и, следовательно, невероятна подобно другим, сгенерированным вечной инфляцией; и те, которые иллюстрируются космологическим естественным отбором, который генерирует ансамбль вселенных, где вселенные, подобные нашей, вероятны. Как я объяснял в Главе 11, только в последнем виде теорий возможны фальсифицируемые предсказания для осуществимых наблюдений; в первом классе теорий должен быть использован антропный принцип, чтобы выделить нашу вселенную из вида невероятных вселенных, и невозможны предсказания, на основе которых могли бы быть независимо проверены гипотезы, лежащие в основе сценария. Мы должны заключить, что есть ли много вселенных или есть только одна, не существует эмпирического содержания для утверждения, что наша вселенная невероятна.

Но вся наука термодинамика базируется на применении понятий вероятности к микросостоянию системы. Из чего следует, что мы совершаем космологическую ошибку, как только мы применяем термодинамику для обсуждения свойств вселенной как целого[171]. Единственный способ избежать ошибки и парадокса невероятной вселенной это основывать наше объяснение того, почему вселенная сложна и интересна, на асимметричной во времени физике — физике, которая делает вселенную, подобную нашей, неизбежной, а не невероятной.

Это не единственный пример, когда физики приходят к парадоксальным заключениям, совершая ошибку через применение термодинамики к вселенной как целому. Людвиг Больцман, который изобрел статистическое объяснение энтропии и второй закон термодинамики, по-видимому, был первым, кто предложил ответ на вопрос, почему вселенная не находится в равновесии. Он не знал ничего о расширении вселенной или о Большом Взрыве; его концепция космологии заключалась в том, что вселенная вечна и статична. Вечность вселенной была для него большой загадкой, поскольку это означает, что она уже должна была достичь равновесия, так как у нее было бесконечное количество времени, чтобы сделать это.

Он мог бы думать, что единственной причиной для вселенной не быть в равновесии является то, что наша солнечная система и окружающий ее регион относительно недавно были местом очень большой флуктуации, в которой из равновесного газа спонтанно сформировались Солнце, планеты и окружающие звезды. Энтропия в нашем регионе теперь возрастает, поскольку ищет свой путь обратно к равновесию. Это был, вероятно, лучший ответ, согласующийся с картиной космологии, которую имел Больцман в конце 19-го столетия. Но это ошибочно. Сейчас мы это знаем, поскольку мы можем заглянуть назад к Большому Взрыву и за пределы соответствующих 13 миллиардов световых лет, и мы не видим никаких свидетельств в пользу того, что наш регион вселенной является низкоэнтропийной флуктуацией в статическом находящемся в равновесии мире. Вместо этого мы видим вселенную, эволюционирующую во времени, имеющую структуру на каждом масштабе, развивающуюся по мере расширения вселенной.

Больцман не мог этого знать, но имеется аргумент, который он или его современники могли бы использовать, чтобы подвергнуть свои объяснения сомнению — происходящий из наблюдения, что чем меньше флуктуация, тем более часто она происходит в равновесии. Следовательно, чем меньше область пространства, покинувшая равновесие, тем это более вероятно.

Астрономы во времена Больцмана знали, что вселенная распространяется, по меньшей мере, на десятки тысяч световых лет и содержит многие миллионы звезд. Так что если наш регион пространства был результатом флуктуации, последняя должна была бы быть экстремально редкой — намного реже, чем другие, более мелкие флуктуации, которые могли содержать нас. Рассмотрим флуктуацию, которая состоит только из нашей солнечной системы. Мы знаем, что мы в такой не находимся, поскольку мы ночью не видели бы ничего кроме инфракрасной радиации, испускаемой окружающим нас равновесным газом. Но согласно предположениям Больцмана подобные флуктуации должны возникать в равновесной вселенной намного чаще, чем то, что мы видим — миллиарды звезд, каждая из которых столь же далека от равновесия, как и наша собственная солнечная система. Намного более вероятно, что мы нашли бы себя внутри флуктуации размером с солнечную систему, чем внутри флуктуации размером с галактику[172].

Мы можем пойти еще дальше. Большая часть солнечной системы совсем не имеет отношения к нашему существованию, так что еще более вероятно, что мы нашли бы себя на Земле с горячим пятном в небе, чем в солнечной системе с Солнцем, семью другими планетами, кометами и прочим парадом. Но это только начало. Все, что мы на самом деле знаем, это что мы мыслящие существа, воспринимающие себя существующими в мире. Но чтобы произвести мозг с памятью и образами потребовалась бы намного меньшая флуктуация, чем флуктуация, производящая целую планету с живыми созданиями, вращающуюся вокруг гигантской звезды. Мы можем назвать флуктуацию, которая производит только один мозг, заполненный памятью и ощущениями воображаемого мира, мозгом Больцмана.

Итак, имеется вереница возможностей для объяснения нашего невероятного существования как флуктуации в вечной равновесной вселенной Больцмана. Мы могли бы быть одними из триллионов живущих на планете созданий внутри флуктуации размером с солнечную систему или с галактику или мы могли бы быть только флуктуацией размером с мозг, заполненный образами и памятью. Последнее требует намного меньше информации — то есть, меньше отрицательной энтропии — так что флуктуации размером с отдельные мозги возникают в вечной вселенной намного чаще, чем флуктуации размером с солнечную систему или с галактику, которые содержат целую популяцию мозгов.

Это называется парадоксом мозга Больцмана: Это означает, что через очень долгое время во вселенной имелось бы в гигантской степени большее количество мозгов, сформированных из малых флуктуаций, чем мозгов, возникших в медленном процессе эволюции, требующей флуктуации, которая длится миллиарды лет. Так что, будучи сознательными существами, мы должны признать, что чрезвычайно вероятно, что мы являемся мозгами Больцмана. Но мы знаем, что мы не являемся такими спонтанно возникшими мозгами — поскольку если бы мы были такими, намного более вероятно, что наши ощущения и память были бы несогласованными, чем согласованными. И это невероятно, что наш мозг содержал бы образы гигантской вселенной из звезд и галактик вокруг нас. Так что сценарий Больцмана оказывается классическим сведением к абсурду.

Мы не должны удивляться тому, что мы совершили космологическую ошибку и она привела нас к парадоксальному заключению. Вневременной взгляд на физику в Ньютоновской парадигме показал свое бессилие перед самыми основными вопросами о вселенной: Почему она интересна и, более того, почему она настолько интересна, что создания вроде нас могут быть здесь, чтобы восхищаться ею?

Но если мы принимаем реальность времени, мы делаем возможной асимметричную во времени физику, в рамках которой вселенная может естественным образом развивать сложность и структуру. Таким образом, мы избегаем парадокса невероятной вселенной.