Мы помним вчера, но не помним завтра. Разбитая чашка может рассыпаться на осколки, но осколки сами не собираются обратно. Горячий чай остывает, а холодный чай не нагревается без внешнего источника энергии.

Для нас направление времени кажется очевидным. Есть прошлое, настоящее и будущее. Двигаться можно только вперед.

Но в физических уравнениях картина выглядит страннее.

Многие фундаментальные законы почти не различают движение вперед и назад во времени. Однако окружающий мир ведет себя так, будто у времени есть четкая стрелка.

2. Что значит симметрия времени?

Представим видеозапись двух бильярдных шаров, которые сталкиваются и разлетаются. Если прокрутить ролик назад, движение не будет выглядеть невозможным. Шары просто сблизятся, столкнутся и изменят направление.

Уравнения классической механики допускают оба варианта. Если точно изменить скорости всех частиц на противоположные, система теоретически может пройти прежний путь в обратном направлении.

Похожая обратимость встречается в электромагнетизме и в базовых уравнениях квантовой механики. Правда, есть важное исключение: в некоторых процессах слабого взаимодействия обнаружено нарушение симметрии обращения времени. Но этот эффект очень мал и сам по себе не объясняет, почему чашки разбиваются, люди стареют, а звезды расходуют топливо.

И вот тут начинается самое интересное.

Если законы в основном допускают движение в обе стороны, почему реальный мир выбирает только одну?

3. Главный ответ связан с энтропией

В термодинамике есть величина, которую называютэнтропией. Упрощенно ее можно представить как меру того, насколько энергия и частицы распределены среди множества возможных состояний.

Представим коробку, в которой все молекулы газа случайно собрались в одном углу. Физика не запрещает такого состояния, но оно чрезвычайно маловероятно. Гораздо вероятнее, что молекулы быстро разлетятся и заполнят весь объем.

Обратный процесс тоже не запрещен уравнениями. Молекулы могут случайно собраться в углу. Но для реального количества частиц вероятность этого настолько мала, что ждать пришлось бы несравнимо дольше возраста Вселенной.

Стрела времени возникает не потому, что обратный процесс абсолютно запрещен, а потому, что он практически невероятен.

Разбитая чашка представляет множество беспорядочных положений осколков. Целая чашка — одно очень особое состояние. Перейти от особого состояния к множеству более вероятных легко. Случайно вернуться обратно почти невозможно.

4. Почему порядок превращается в беспорядок?

Здесь слово “беспорядок” может сбивать с толку. Энтропия не означает, что комната обязательно становится грязнее или вещи портятся по мистическому закону.

Речь идет о статистике огромного количества частиц.

Есть очень мало способов сложить осколки в целую чашку. Зато способов разбросать их по полу — огромное множество. Есть мало состояний, при которых тепло сосредоточено в одной части предмета, и гораздо больше состояний, при которых оно распределено равномерно.

Поэтому замкнутые системы обычно переходят от менее вероятных состояний к более вероятным.

Это и называетсятермодинамической стрелой времени.

5. Но почему энтропия была ниже в прошлом?

Самый неудобный вопрос начинается именно здесь.

Чтобы энтропия сегодня могла расти, Вселенная в прошлом должна была находиться в особом состоянии с очень низкой энтропией. Но почему ранняя Вселенная была настолько упорядоченной в нужном физическом смысле, окончательно не известно.

На первый взгляд ранняя Вселенная кажется хаотичной: высокая температура, плотная плазма, мощное излучение. Но вещество было распределено удивительно равномерно. Для Вселенной, где действует гравитация, такая однородность соответствует очень особому состоянию.

Со временем гравитация собрала вещество в звезды, галактики и черные дыры. Эти процессы увеличивали общую энтропию.

Поэтому многие исследователи связывают стрелу времени не только с локальной физикой, но и с начальными условиями всей Вселенной. Гипотеза о необычно низкой энтропии в прошлом остается одним из основных объяснений, хотя существуют и альтернативные модели.

6. Почему мы помним прошлое, но не будущее?

Память тоже связана с необратимыми процессами.

Чтобы сохранить воспоминание, мозг должен физически измениться. Меняются связи между нейронами, расходуется энергия, выделяется тепло. Фотография, запись на диске и след на песке тоже появляются только после взаимодействия с событием.

Прошлое оставляет следы в настоящем.

Будущее следов еще не оставило.

Мы можем строить прогнозы, но это не воспоминания. Прогноз основан на нынешних данных и вероятностях. Память основана на физических изменениях, которые уже произошли.

Мы помним прошлое не потому, что сознание умеет смотреть только назад. Прошлое физически оставило следы, а будущее еще не успело этого сделать.

7. Почему нельзя просто обратить все частицы?

Теоретически можно представить систему, где скорости каждой частицы точно изменили на противоположные. Тогда она начала бы возвращаться к прежнему состоянию.

Но для обычного предмета нужно знать положение и движение колоссального количества частиц с невероятной точностью. Малейшая ошибка быстро разрушит обратный процесс.

Кроме того, система постоянно взаимодействует с окружающим миром: испускает свет, обменивается теплом, сталкивается с молекулами воздуха. Чтобы действительно повернуть процесс назад, пришлось бы обратить состояние не только предмета, но и всей среды, которая успела с ним взаимодействовать.

На практике это невозможно.

Именно поэтому восстановить разбитую чашку руками можно, а заставить ее самопроизвольно собраться в точности прежним путем — нет.

8. Значит ли это, что путешествие назад во времени невозможно?

Стрела времени и путешествия во времени — не совсем один вопрос.

Общая теория относительности допускает необычные геометрические решения, в которых могут существовать замкнутые временные пути. Но неизвестно, могут ли такие условия появиться в реальной Вселенной и сохранить устойчивость.

Рост энтропии не является простой табличкой “проход запрещен”. Он показывает, почему макроскопические процессы идут в одном направлении и почему повернуть их назад практически невозможно.

Даже если когда-нибудь физика допустит необычный путь через пространство-время, это не означает, что разбитые предметы вокруг путешественника начнут сами собираться, а люди молодеть.

9. Прошлое и будущее различаются не только законами

Вот к какому выводу постепенно приходит физика.

Возможно, фундаментальные уравнения сами по себе почти не выбирают направление времени. Направление появляется благодаря состоянию Вселенной, статистике частиц и росту энтропии.

Прошлое отличалось более низкой энтропией. Будущее, вероятнее всего, будет иметь более высокую. Между ними находится настоящее — момент, в котором следы прошлого уже существуют, а следы будущего еще не появились.

Стрела времени может быть не отдельным законом природы, а следствием того, с какого состояния началась Вселенная.

Мне кажется, именно это делает вопрос особенно сильным.

Мы привыкли считать время большой рекой, которая сама несет нас вперед. Но физика намекает на другую картину. Возможно, река течет не потому, что в уравнения встроено слово “вперед”, а потому, что Вселенная начала путь из чрезвычайно особого состояния.

Законы допускают разные направления. Статистика выбирает наиболее вероятное. А начальные условия превращают этот выбор в историю мира.

И пока остается главный вопрос:почему начало Вселенной было настолько особенным, что время получило направление?

Как вам кажется, стрела времени является фундаментальным свойством реальности или лишь следствием необычного состояния ранней Вселенной?