Стівен Вільям Хокінг - Коротка історія часу

б за такими чашками, повинні жити у Всесвіті, в якому безлад з часом зменшується. Я стверджую, що такі істоти матимуть психологічну стрілу часу в зворотному напрямку. Тобто вони пам’ятатимуть події в майбутньому, але не події у своєму минулому. Коли чашка розбита, вони пам’ятатимуть її перебування на столі, але коли вона на столі, вони не пам’ятатимуть її перебування на підлозі.

Досить важко говорити про людську пам’ять, тому що ми не знаємо детально, як працює мозок. Однак ми знаємо все про те, як працює комп’ютерна пам’ять. Тому я обговорюватиму психологічну стрілу часу для комп’ютерів. Думаю, було б розумно припустити, що стріла для комп’ютерів і для людей така ж сама. Інакше можна було б діставати великий прибуток на фондовій біржі, маючи комп’ютера, який пам’ятав би ціни завтрашнього дня! Пам’ять комп’ютера — це по суті пристрій, що містить елементи, які можуть існувати в одному з двох станів. Простий приклад — рахівниця. У своїй найпростішій формі вона складається з низки дротів; на кожному з них розташована низка кульок, які можуть бути розміщені в одному з двох положень. До того як елемент буде записаний у пам’ять комп’ютера, вона перебуває в невпорядкованому стані, з рівними ймовірностями для двох можливих станів (кульки довільно розкидані на дротах рахівниці). Після взаємодії пам’яті з системою потрібно пам’ятати, що вона, безперечно, буде в тому або тому стані, залежно від стану системи. (Кожна кулька рахівниці буде або на лівому, або на правому боці дроту). Таким чином пам’ять перейшла від невпорядкованого стану до впорядкованого. Однак для того, щоб переконатися, що пам’ять у потрібному стані, необхідно використати певну кількість енергії (наприклад, для переміщення кульки або для живлення комп’ютера). Ця енергія розсіюється у вигляді тепла і збільшує кількість безладу у Всесвіті. Можна показати, що це зростання безладу завжди більше, ніж зростання порядку самої пам’яті. Отже, тепло, видалене вентилятором охолодження комп’ютера, означає, що, коли комп’ютер записує елемент до пам’яті, загальна величина безладу у Всесвіті ще зростає. Напрям часу, в якому комп’ютер запам’ятовує минуле, такий же, як той, в якому зростає безлад.

Тому наше суб’єктивне відчуття напряму часу, психологічна стріла часу, визначена в нашому мозку термодинамічною стрілою часу. Так само як і комп’ютер, ми повинні пам’ятати речі в порядку, в якому зростає ентропія. Це робить другий закон термодинаміки майже тривіяльним. Безлад з часом зростає, тому що ми вимірюємо час у напрямі, в якому безлад зростає. Нема певнішої ставки за цю!

Але чому термодинамічна стріла часу взагалі повинна існувати? Або, іншими словами, чому Всесвіт повинен перебувати в стані високого порядку в одному кінці часу, кінці, який ми називаємо минулим? Чому він у всі часи не перебуває в стані повного безладу? Зрештою, це може здатися імовірнішим. І чому цей напрям часу, в якому безлад зростає, такий же, як і той, в якому Всесвіт розширюється?

Класична загальна теорія відносності не може передбачити, як виник Всесвіт, тому що всі відомі закони науки були б порушені сингулярністю Великого вибуху. Всесвіт міг виникнути в гладкому та дуже впорядкованому стані. Це привело б до чітко визначених термодинамічних і космологічних стріл часу, як ми і спостерігаємо. Але Всесвіт також міг би рівною мірою виникнути в дуже грудкуватому та невпорядкованому стані. У цьому разі Всесвіт уже був би в стані повного безладу, тому останній не міг би зростати з часом. Всесвіт або залишатиметься незмінним, і в цьому разі не було б чітко визначеної термодинамічної стріли часу, або він зменшуватиметься, і в цьому разі термодинамічна стріла часу вказуватиме в напряму, протилежному до напряму космологічної стріли. Жодна з цих можливостей не узгоджується з тим, що ми спостерігаємо. Однак, як ми вже бачили, класична загальна теорія відносності передбачає свою власну нечинність. Коли викривлення простору-часу стає великим, стануть важливими квантові гравітаційні ефекти і класична теорія перестане бути хорошим описом Всесвіту. Потрібно використовувати квантову теорію гравітації, щоб зрозуміти, як виник Всесвіт.

Для того щоб визначити стан Всесвіту у квантовій теорії гравітації, як ми бачили в попередньому розділі, необхідно було б ще згадати і про те, як можливі історії Всесвіту будуть поводитись на межі простору-часу в минулому. Можна було б обійти ці труднощі з описанням того, що ми не знаємо і не можемо знати, якщо тільки історії задовольняють умову безмежовості: вони скінчено протяжні, але не мають меж, країв чи сингулярностей. У цьому разі початок часу був би регулярною, гладкою точкою простору-часу і Всесвіт почав би своє розширення з дуже гладкого та впорядкованого стану. Всесвіт не міг бути повністю однорідним, тому що це б порушило принцип невизначеності квантової теорії. Мали б бути невеликі коливання в густині та швидкості частинок. Однак умова безмежовості означає, ці коливання були такі малі, які могли бути, щоб відповідати принципові невизначеності.

Всесвіт почався б з періоду експоненційного або «інфляційного» розширення, при цьому він збільшився б до дуже великого розміру. Під час цього розширення густина флюктуації залишалася б спочатку невеликою, але пізніше почала б зростати. В областях, в яких густина була б дещо вища, ніж середнє її значення, розширення мало б сповільнитися через гравітаційне притягання додаткової маси. Зрештою такі регіони перестануть розширюватися і стягнуться, утворюючи галактики, зорі та істоти на кшталт нас. Всесвіт виник би в гладкому та впорядкованому стані й з часом перейшов би в неоднорідний і невпорядкований. Це могло б пояснити існування термодинамічної стріли часу.

Але що ж станеться, якщо і коли Всесвіт перестав би розширюватися і почав стискатися? Чи повернеться назад термодинамічна стріла і чи почне зменшуватися безлад з плином часу? Для людей, які пережили б перехід від фази розширення до стиснення, відкриються різного роду науково-фантастичні можливості. Чи вони побачать розбиті чашки, які збираються в одне ціле з підлоги і застрибують знову на стіл? Чи зможуть вони згадати завтрашні ціни і розбагатіти на фондовому ринку? Видається трохи завчасним турбуватися про те, що станеться, коли Всесвіт знову почне колапсувати, бо він не почне стискатися ще принаймні десять мільярдів років. Але є і швидший спосіб дізнатися, що станеться: стрибнути в чорну діру.

Колапс зорі з утворенням чорної діри досить подібний до пізніших стадій колапсу всього Всесвіту. Отже, якщо безлад зменшуватиметься в фазі стискання Всесвіту, можна також очікувати, що він зменшиться й усередині чорної діри. Тому, можливо, астронавт, який впав у чорну діру, зможе заробити гроші на рулетці, пам’ятаючи, де опиниться кулька, перш ніж зробить свою ставку. (Однак, на жаль, він