Как гравитация может объяснить, почему время идет только вперед?

Мы не можем остановить время. Даже в пробке, когда время, кажется, замирает и останавливается. Экономия света в дневное время тоже не помогает, время неизбежно стремится вперед. Почему не назад? Почему мы помним прошлое, а не будущее? Физики считают, что ответ на этот глубокий и сложный вопрос может скрываться в хорошо знакомой нам всем гравитации.

Основные законы физики совершенно не волнует, в каком направлении движется время. К примеру, правила, которые регулируют орбиты планет, работают вне зависимости от того, движетесь вы во времени вперед или назад. Вы можете просмотреть движения в Солнечной системе в обратном порядке и они будут выглядеть совершенно нормально, не нарушая ни один из законов физики. Что же отличает будущее от прошлого?

«Проблема стрелы времени всегда волновала людей», — говорит Флавио Меркати из Периметрического института теоретической физики в Ватерлоо, Канада.

Большинство людей, которые задумываются о стреле времени, говорят, что она определяется энтропией, количеством беспорядка (хаоса) в системе, будь то миска с кашей или вселенная. Согласно второму закону термодинамики, общая энтропия замкнутой системы всегда растет. Пока энтропия растет, время движется в том же направлении.

Когда кубик льда в вашем стакане тает и разбавляет ваш виски с колой, например, энтропия растет. Когда вы разбиваете яйцо, энтропия растет. Оба примера необратимы: вы не можете заморозить кубик льда в стакане с теплой колой или собрать яйцо заново. Последовательность событий — а значит и время — движется только в одном направлении.

Если стрела времени следует за ростом энтропии, и если энтропия во Вселенной всегда возрастает, значит, в какой-то момент в прошлом энтропия должна была быть низкой. Здесь и рождается загадка: почему энтропия Вселенной в начале была низкой?

По мнению Меркати и его коллег, не было никакого особенного начального состояния вообще. Вместо этого, состояние, которое указало времени двигаться вперед, появилось естественным путем во вселенной под диктовку гравитации. Этот аргумент ученые раскрыли в недавно опубликованной работе в Physical Review Letters.

Для проверки своей идеи ученые смоделировали Вселенную в виде собрания тысячи частиц, которые взаимодействуют друг с другом только посредством гравитации и представляют собой галактики и звезды, плавающие в космосе.

Ученые обнаружили, что независимо от стартовых позиций и скоростей в какой-то момент частицы неизбежно оказываются сгруппированными вместе в шар, прежде чем снова рассыпаться. Этот момент можно назвать эквивалентным Большому Взрыву, когда вся вселенная сжимается в бесконечно малую точку.

Вместо того чтобы использовать энтропию, ученые описывают свою систему с использованием величины, которую сами называют «запутанностью» (complexity), определяемую как грубое отношение расстояния между двумя частицами, которые находятся дальше друг от друга, чем от остальных, к расстоянию между двумя ближайшими частицами. Когда все частицы слипаются воедино, запутанность находится в наименьшем значении.

Ключевая идея во всем этом, как объясняет Меркати, такова: этот момент наименьшей запутанности возникает естественным путем из группы гравитационно взаимодействующих частиц — никаких особых условий не требуется. Запутанность увеличивается по мере того, как частицы расходятся, представляя одновременно и расширение Вселенной, и движение времени вперед.

Если этого недостаточно, события, которые имели место до того, как сгруппировались частицы — то есть до Большого Взрыва — двигались во втором направлении времени. Если вы проиграете события с этого момента назад, частицы постепенно разлетятся из скопления. Поскольку в этом обратном направлении запутанность возрастает, эта вторая стрела времени тоже будет указывать в прошлое. Которое, исходя из второго направления времени, будет на самом деле «будущим» другой вселенной, которая существует по ту сторону Большого Взрыва. Весьма запутанно, согласитесь.

Эта идея похожа на ту, что 10 лет назад предложили физики Шон Кэрролл и Дженнифер Чен из Калифорнийского технологического института. Они связали стрелу времени с идеями, описывающими инфляцию, резкое и быстрое расширение Вселенной, которое произошло сразу после Большого Взрыва.

«Что интересно в этой идее, это то, что она вполне логично связана с нами, — говорил Кэрролл, описывая свою работу применимо к стреле времени. — Возможно, причина того, что мы помним вчерашний день и не помним завтрашний, заключается в условиях, связанных с Большим Взрывом».

Связь направления времени с простой системой из классической физики относительно нова, говорит физик Стив Карлип из Калифорнийского университета в Дэвисе. Новое в этом — отказаться от энтропии в пользу идеи запутанности. Проблема энтропии в том, что она определяется в терминах энергии и температуры, которые измеряются посредством внешнего механизма вроде термометра. В случае со вселенной нет никакого внешнего механизма, поэтому вам нужна величина, которая не опирается ни на одну из единиц измерения. Запутанность, в отличие от этого, является безразмерным отношением и отвечает всем требованиям.

Это не означает, что от энтропии нужно отказаться совсем. Наш повседневный опыт — вроде вашего прохладного лимонада — полагается на энтропию. Но при рассмотрении вопроса времени в космических масштабах нужно оперировать термином запутанности, а не энтропии.

Одним из основных ограничений этой модели является то, что она исключительно сделана на базе классической физики, полностью игнорируя квантовую механику. Также она не включает в себя общую теорию относительности Эйнштейна. В ней нет темной энергии или чего-то еще, что нужно для создания точной модели Вселенной. Но исследователи думают о том, как включить более реалистичную физику в модель, что впоследствии могло бы дать возможность сделать проверяемые прогнозы.

«Для меня большой проблемой является то, что существует великое множество разных физических стрел времени», — говорит Карлип. Прямое направление времени чаще всего проявляет себя, совершенно не подключая гравитацию. К примеру, свет всегда излучается от лампы — и никогда по направлению к ней. Радиоактивные изотопы распадаются на более легкие атомы, никогда наоборот. Почему тогда стрела времени, появившаяся из гравитации, подталкивает другие стрелы времени в том же направлении?

«Это большой вопрос, который остается открытым. Думаю, пока ни у кого нет хорошего ответа на этот вопрос».