С момента начала горячего Большого Взрыва время тикает вперед по мере расширения Вселенной. Но может ли время когда-нибудь повернуться вспять?
Ключевые выводы
- В нашей Вселенной время идет вперед для всех наблюдателей с момента начала горячего Большого Взрыва.
- Есть несколько «стрел времени», которые совпадают с этим, в том числе то, что Вселенная расширялась и термодинамически энтропия увеличивалась.
- Если вместо этого Вселенная сожмется и схлопнется, может ли это привести к тому, что время пойдет вспять? Этот вопрос озадачил даже Стивена Хокинга, но сегодня мы можем ответить на него.
С каждым мгновением во Вселенной мы постоянно шагаем вперед во времени. Каждое последующее мгновение уступает место следующему, и кажется, что время непрерывно течет в одном и том же направлении - вперед - без сбоев. И все же не совсем понятно, почему именно так. Тем не менее, если мы поищем, то обнаружим, что ряд вещей всегда движется в одном и том же направлении, от момента к моменту, точно так же, как и время. Объекты движутся во Вселенной пропорционально их скорости. Они изменяют свое движение из-за действия гравитации и других сил. В больших масштабах Вселенная расширяется. И куда бы мы ни посмотрели, энтропия Вселенной всегда возрастает.
По мере того, как история нашей космической эволюции продолжается, мы думаем, что все эти вещи будут продолжаться: законы физики будут по-прежнему применяться так же, как и сегодня, присутствие темной энергии гарантирует, что Вселенная будет продолжать расширяться., а энтропия будет продолжать расти, как того требуют законы термодинамики. Многие предполагают - хотя нет никаких доказательств - того, что стрела термодинамики и стрела времени могут быть связаны. Третьи предполагают, что темная энергия может развиваться с течением времени, а не оставаться постоянной, оставляя дверь открытой для возможности того, что она может когда-нибудь противодействовать и обратить вспять расширение нашей Вселенной. Что же произойдет, если мы объединим эти предположения?
Мы бы пришли к выводу, что, возможно, Вселенная перестанет расширяться, что вместо этого она начнет коллапсировать, и тогда нам придется задаться вопросом, означает ли это, что энтропия может уменьшиться и/или время может даже начать бежать назад? Это ошеломляющая возможность, и на нее должны ответить законы физики. Посмотрим, что они скажут обо всем этом!
Мяч в середине отскока имеет свою прошлую и будущую траектории, определяемые законами физики, но время для нас будет течь только в будущее. В то время как законы движения Ньютона одинаковы, независимо от того, движете вы часы вперед или назад во времени, не все законы физики ведут себя одинаково, если вы движете часы вперед или назад.
Одна из наиболее важных симметрий во всей физике известна как симметрия обращения времени. Проще говоря, в нем говорится, что законы физики подчиняются одним и тем же правилам, независимо от того, бежите вы часы вперед или назад. Есть много примеров, когда одно явление, если вы пустите часы вперед, соответствует столь же значимому явлению, если вы пустите часы назад. Например:
- Чисто упругое столкновение, подобное столкновению двух бильярдных шаров, будет вести себя точно так же, если вы проведете часы вперед и назад, вплоть до скорости и угла, с которыми шары разлетятся.
- Чисто неупругое столкновение, когда два объекта врезаются друг в друга и слипаются, точно такое же, как чисто неупругий взрыв наоборот, когда энергия, поглощаемая или выделяемая материалами, одинакова.
- Гравитационное взаимодействие работает одинаково в прямом и обратном направлении.
- Электромагнитные взаимодействия ведут себя одинаково в прямом и обратном направлении во времени.
- Даже сильная ядерная сила, которая связывает атомные ядра вместе, одинакова вперед и назад во времени.
Единственное исключение и единственный известный момент, когда эта симметрия нарушается, возникает при слабом ядерном взаимодействии: силе, ответственной за радиоактивный распад. Если мы проигнорируем этот выброс, законы физики действительно будут одинаковыми независимо от того, идет ли время вперед или назад.
Отдельные протоны и нейтроны могут быть бесцветными, но кварки внутри них окрашены. Глюоны могут обмениваться не только между отдельными глюонами внутри протона или нейтрона, но и в комбинациях между протонами и нейтронами, что приводит к ядерной связи. Тем не менее, каждый отдельный обмен должен подчиняться полному набору квантовых правил, и это сильное силовое взаимодействие симметрично обращению времени: вы не можете сказать, движется ли анимационный фильм здесь вперед или назад во времени.
Это означает, что если вы окажетесь в каком-либо конечном состоянии в любой момент времени, всегда есть способ вернуться в исходное состояние, если вы просто примените правильную серию взаимодействий всего за правильный порядок. Единственным исключением является то, что если ваша система достаточно сложна, вам нужно знать такие вещи, как точное положение и импульс вашей частицы, с большей точностью, чем это возможно с помощью квантовой механики. Если оставить в стороне слабые взаимодействия и это тонкое квантовое правило, законы природы действительно инвариантны к обращению времени.
Но, похоже, это не относится ко всему, что мы испытываем. Некоторые явления ясно показывают стрелу времени или предпочтение определенного одностороннего направления. Если вы возьмете яйцо, разобьете его, взболтаете и приготовите, это будет легко; вы никогда не сварите, не взболтаете и не разбьете яйцо, сколько бы раз вы ни пытались. Если вы столкнете стакан с полки и увидите, как он разобьется об пол, вы никогда не увидите, как эти кусочки стекла поднимутся и спонтанно соберутся снова. Для этих примеров явно существует предпочтительное направление вещей: стрела, по которой вещи текут.
Бокал для вина, если его вибрировать на правильной частоте, разобьется. Это процесс, который резко увеличивает энтропию системы и является термодинамически выгодным. Обратный процесс, когда осколки стекла снова собираются в целое стекло без трещин, настолько маловероятен, что на практике никогда не происходит спонтанно. Однако везде, где имеется достаточно свободной полезной энергии, неупорядоченные системы могут стать упорядоченными, но только за счет увеличения общей энтропии всей системы (систем), контактирующих друг с другом.
Следует признать, что это сложные макроскопические системы, испытывающие чрезвычайно сложный набор взаимодействий. Тем не менее, сочетание всех этих взаимодействий составляет нечто важное: то, что мы знаем как термодинамическую стрелу времени. Законы термодинамики в основном гласят, что существует конечное число способов, которыми частицы в вашей системе могут быть организованы, и тот (и), которые имеют максимальное количество возможных конфигураций - , находятся в том, что мы называем термодинамическим равновесием. - те, к которым будут стремиться все системы с течением времени.
Ваша энтропия, которая является мерой того, насколько статистически вероятна или маловероятна определенная конфигурация (наиболее вероятно=самая высокая энтропия; очень маловероятно=низкая энтропия), всегда возрастает с течением времени. Только если вы уже находитесь в наиболее вероятной конфигурации с наивысшей энтропией, ваша энтропия останется неизменной с течением времени; в любом другом состоянии ваша энтропия будет увеличиваться.
Мой любимый пример - представить комнату с перегородкой посередине: одна сторона заполнена частицами горячего газа, а другая заполнена частицами холодного газа. Если убрать перегородку, две стороны смешаются и везде будет одинаковая температура. Ситуация обращения времени, когда вы берете комнату с одинаковой температурой и втыкаете перегородку посередине, спонтанно получая горячую сторону и холодную сторону, настолько статистически маловероятна, что, учитывая конечный возраст Вселенной, она никогда не возникает.
Система, созданная в начальных условиях слева и позволенная развиваться, будет иметь меньшую энтропию, если дверь остается закрытой, чем если дверь открыта. Если позволить частицам смешиваться, существует больше способов расположить в два раза больше частиц при одной и той же равновесной температуре, чем разместить половину этих частиц, каждая, при двух разных температурах.
Но что могло бы произойти, если бы вы захотели достаточно сложно манипулировать этими частицами, так это то, что вы могли бы накачать в систему достаточно энергии, чтобы разделить частицы на горячие и холодные, низведя одну сторону до содержания всех горячих частиц. частицы, а другой - в содержащую все холодные. Эта идея была выдвинута около 150 лет назад и восходит к человеку, который объединил электричество и магнетизм в то, что мы теперь знаем как электромагнетизм: Джеймсу Клерку Максвеллу. В просторечии он известен как демон Максвелла.
Представьте, что у вас есть эта комната, полная горячих и холодных частиц, и есть центральная перегородка, но частицы равномерно распределены по обеим сторонам. Только есть демон, управляющий разделителем. Всякий раз, когда горячая частица собирается удариться о перегородку с «холодной» стороны, демон открывает ворота, пропуская горячую частицу. Точно так же демон пропускает и холодные частицы с «горячей» стороны. Демон должен вложить энергию в систему, чтобы это произошло, и если вы считаете демона частью системы ящик/разделитель, общая энтропия все равно возрастает. Однако если вы проигнорируете демона только для коробки/разделителя, вы увидите, что энтропия только этой системы коробки/разделителя падает.
Представление демона Максвелла, который может сортировать частицы в соответствии с их энергией по обе стороны коробки. Открывая и закрывая перегородку между двумя сторонами, поток частиц можно сложно контролировать, уменьшая энтропию системы внутри коробки. Однако демон должен приложить энергию, чтобы это произошло, и общая энтропия системы ящик+демон по-прежнему увеличивается.
Другими словами, манипулируя системой извне соответствующим образом, что всегда включает перекачку энергии извне в саму систему, вы можете вызвать искусственное уменьшение энтропии этой неизолированной системы.
Большой вопрос, еще до того, как мы доберемся до Вселенной, состоит в том, чтобы представить себе, что наряду с этими горячими и холодными частицами внутри системы есть еще и часы. Если бы вы были внутри системы, ничего не знали о демоне, но видели, как быстро открывались и закрывались врата в разных местах - «по-видимому, случайным образом» - и чувствовали, что одна сторона комнаты становится более горячей, а другая холоднее, какой бы вы сделали вывод?
Может показаться, что время пошло назад? Не начнут ли стрелки ваших часов тикать назад, а не вперед? Вам показалось, что течение времени обратилось вспять?
Мы никогда не проводили этот эксперимент, но, насколько мы можем судить, ответ должен быть «нет». Мы испытали условия, при которых энтропия:
- быстро увеличилось,
- медленно увеличивается,
- или остался прежним,
как в системах на Земле, так и во Вселенной в целом, и, насколько мы можем судить, время всегда продолжает идти вперед с той же скоростью, что и всегда: одна секунда в секунду.
Световые часы, образованные фотоном, отражающимся между двумя зеркалами, определят время для любого наблюдателя. Хотя два наблюдателя могут не согласиться друг с другом относительно того, сколько времени проходит, они согласятся с законами физики и константами Вселенной, такими как скорость света. При правильном применении теории относительности их измерения окажутся эквивалентными друг другу, поскольку правильное релятивистское преобразование позволит одному наблюдателю понять наблюдения другого.
Другими словами, существует воспринимаемая стрела времени и термодинамическая стрела времени, и обе они всегда указывают в прямом направлении. Это причинно-следственная связь? В то время как некоторые - особенно Шон Кэрролл - предполагают, что они каким-то образом связаны, мы должны помнить, что это чистое предположение, и что никакая связь никогда не была обнаружена или продемонстрирована. Насколько мы можем судить, термодинамическая стрела времени является следствием статистической механики и свойством, появившимся для систем многих тел. (Вам может понадобиться по крайней мере три.) Однако воспринимаемая стрела времени кажется в значительной степени независимой от чего-либо, что может сделать энтропия или термодинамика.
Что произойдет, если мы добавим расширяющуюся Вселенную в уравнение?
Это правда, что все время, начиная с (по крайней мере) горячего Большого Взрыва, Вселенная расширялась. Верно также и то, что, хотя время линейно и течет с постоянной воспринимаемой скоростью одна секунда в секунду, скорость, с которой Вселенная расширяется, не является таковой. Вселенная расширялась намного быстрее в прошлом, расширяется медленнее сегодня и будет асимптотой к конечному положительному значению. Это, насколько мы понимаем, означает, что далекие галактики, которые не связаны с нами гравитационно, будут продолжать удаляться с нашей точки зрения, все быстрее и быстрее, пока то, что останется от нашей Местной группы, не станет единственным, к чему мы сможем получить доступ.
Далекие судьбы Вселенной предлагают ряд возможностей, но если темная энергия действительно постоянна, как показывают данные, она будет продолжать следовать красной кривой, что приведет к долгосрочному сценарий, часто описываемый в «Начинается с взрыва»: возможная тепловая смерть Вселенной. Если темная энергия эволюционирует со временем, Большой Разрыв или Большое Сжатие все еще допустимы, но у нас нет никаких доказательств того, что эта эволюция является чем-то большим, чем пустые предположения.
Но что, если это не так? Что, если, как в некоторых теоретических вариантах эволюции темной энергии, расширение будет продолжать замедляться, а в конце концов полностью остановится, и тогда гравитация заставит Вселенную сжаться? Это по-прежнему правдоподобный сценарий, хотя доказательства не указывают на него, и если он подтвердится, Вселенная все еще может закончиться Большим Схлопыванием в далеком будущем.
Теперь, если вы возьмете расширяющуюся Вселенную и примените к ней эту более раннюю симметрию - «симметрию обращения времени», - вы получите из нее сжимающуюся Вселенную. Обратной стороной расширения является сжатие; если вы повернете расширяющуюся Вселенную во времени, вы получите сжимающуюся Вселенную. Но в этой Вселенной мы должны смотреть на вещи, которые все еще происходят.
Гравитация по-прежнему является силой притяжения, и частицы, попадающие в связанную структуру (или формирующие ее), по-прежнему обмениваются энергией и импульсом посредством упругих и неупругих столкновений. Частицы нормальной материи все равно будут терять угловой момент и коллапсировать. Они по-прежнему будут подвергаться атомным и молекулярным переходам и излучать свет и другие формы энергии. Грубо говоря, все, что вызывает увеличение энтропии сегодня, по-прежнему будет вызывать увеличение энтропии в сжимающейся Вселенной.
Существует множество научных доказательств, подтверждающих картину расширяющейся Вселенной и Большого Взрыва, но это не требует противоречия между научными выводами и религиозными верованиями.
Итак, если Вселенная сжимается, энтропия все равно будет расти. Фактически, самым большим фактором энтропии в нашей Вселенной является существование и образование сверхмассивных черных дыр. За всю историю Вселенной наша энтропия увеличилась примерно на 30 порядков; одна только сверхмассивная черная дыра в центре Млечного Пути имеет больше энтропии, чем вся Вселенная всего через 1 секунду после горячего Большого Взрыва!
Мало того, что время продолжало бы идти вперед, насколько нам известно, но и момент, который предшествовал Большому сжатию, имел бы намного большую энтропию, чем Вселенная в начале горячего Большого Взрыва. Вся материя и энергия в этих экстремальных условиях начнут сливаться вместе, поскольку горизонты событий всех сверхмассивных черных дыр начнут перекрываться. Если бы когда-либо существовал сценарий, в котором гравитационные волны и квантовые гравитационные эффекты могли бы проявляться в макроскопических масштабах, то это был бы он. Со всей материей и энергией, сжатыми в такой крошечный объем, наша Вселенная образовала бы сверхмассивную черную дыру, чей горизонт событий простирался бы на миллиарды световых лет в поперечнике.
Так же, как черная дыра постоянно производит низкоэнергетическое тепловое излучение в форме излучения Хокинга за пределами горизонта событий, ускоряющаяся Вселенная с темной энергией (в виде космологической постоянной) будет постоянно производить излучение в совершенно аналогичной форме: излучение Унру, обусловленное космологическим горизонтом.
Что интересно в этом сценарии, так это то, что часы идут по-другому, когда вы находитесь в сильном гравитационном поле: когда вы находитесь на достаточно малых расстояниях от достаточно большой массы. Если Вселенная снова сожмется и приблизится к Большому Сжатию, мы неизбежно обнаружим, что приближаемся к краю горизонта событий черной дыры, и когда мы это делаем, время для нас начинает расширяться: растягивая наш последний момент до бесконечности. Будет какая-то гонка, когда мы попадем в центральную сингулярность черной дыры, и когда все сингулярности сольются, что приведет к окончательной гибели нашей Вселенной в Большом Сжатии.
Что будет после этого? Не исчезнет ли Вселенная, как сложный узел, которым внезапно манипулировали таким образом, что он развязался? Приведет ли это к рождению новой Вселенной, где это Большое Сжатие приведет к еще одному Большому Взрыву? Может ли быть какая-то точка отсечки, когда мы только зайдем так далеко в сценарий кризиса, прежде чем Вселенная восстановится, что приведет к какому-то возрождению, не достигнув сингулярности?
Это одни из передовых вопросов теоретической физики, и хотя мы не знаем ответа, во всех сценариях верно одно: энтропия всей Вселенной по-прежнему увеличивается, а время всегда бежит вперед. Если это окажется неверным, то это потому, что есть что-то глубокое, что остается для нас неуловимым и все еще ждет своего открытия.