Почему мы не помним будущее?

Итак, стрела времени описывает не только простые механические процессы;

это неотъемлемое свойство самой жизни . Кроме того, от стрелы времени за-

висит важнейшее качество сознания человека — тот факт, что мы помним

Часть I . Время, опыт и Вселенная

прошлое, но не будущее . Согласно фундаментальным законам физики, прошлое

и будущее абсолютно равнозначны, однако с точки зрения обычного человека,

смотрящего на жизнь обычным взглядом, более непохожих вещей не найти .

Образы прошлого хранятся у нас в голове в форме воспоминаний . Что же ка-

сается будущего, мы можем лишь что-то прогнозировать, однако никакие про-

гнозы не могут быть настолько же достоверными, как воспоминания о прошлом .

В конечном счете причина, почему у нас в голове формируется надежная

память о прошлом, заключается в том, что в прошлом энтропия была ниже .

В сложной системе, такой как Вселенная, базовые компоненты могут сло-

житься в несметное множество конфигураций вида «вы, с определенными

воспоминаниями о прошлом, плюс вся остальная Вселенная» . Если все, что

вам известно, — это то, что вы существуете прямо сейчас и что у вас есть

воспоминание о походе на пляж летом между шестым и седьмым классами,

то у вас просто-напросто недостаточно информации, чтобы сделать досто-

верное заключение о том, что тем летом вы действительно ходили на пляж .

Гораздо более вероятно, что ваше воспоминание об этом — всего лишь слу-

чайная флуктуация, как комната, в которой весь воздух скопился у одной

стены . Для того чтобы воспоминания имели смысл, необходимо предположить,

что Вселенная также была упорядочена определенным образом — что энтро-

пия была ниже в прошлом .

Представьте, что вы идете по улице и замечаете на тротуаре разбитое яйцо .

По виду растекшегося содержимого понятно, что яйцо лежит здесь совсем не-

долго . Предположение о том, что раньше энтропия была ниже, позволяет нам

с уверенностью заявить, что буквально несколько минут назад яйцо было целым,

но кто-то уронил его и разбил . Если говорить о будущем, то у нас нет никаких

причин предполагать, что энтропия будет уменьшаться, и, таким образом, мы

не можем предсказать судьбу этого яйца — слишком уж много вариантов раз-

вития событий . Возможно, оно останется на асфальте и покроется плесенью,

возможно, кто-то смоет его с тротуара, а может быть, пробежит собака и съест

его (маловероятно, что оно вдруг спонтанно пересоберется обратно в нераз-

битое яйцо, но, строго говоря, и такой исход тоже вероятен) . Яйцо на тротуа-

ре — как воспоминание в вашем мозге; это летопись события, случившегося

ранее, но лишь в предположении, что и энтропия тогда была ниже .

Успешно отделять прошлое от будущего нам также позволяет связь «при-

чина — следствие» . В частности, причины случаются первыми (раньше по

времени), а следствия происходят вслед за ними . Именно поэтому Белая Ко-

ролева кажется нам такой нелепой дамой: как она может кричать от боли еще

до того, как уколет палец? И снова виной всему энтропия . Представьте себе

Глава 2 . Тяжелая рука энтропии

ныряльщика, прыгающего в бассейн, — всплеск воды всегда следует за прыжком .

Согласно микроскопическим законам физики, можно перегруппировать мо-

лекулы воды (а также окружающего воздуха, в котором распространяется звук)

таким образом, чтобы произошел «антивсплеск» и вода вытолкнула бы ны-

ряльщика из бассейна . Точность выбора позиции и скорости каждого отдель-

ного атома при этом должна быть невообразимо высокой: если выбрать слу-

чайную конфигурацию всплеска, то вероятность того, что микроскопические

силы при этом объединятся правильным образом и вытолкнут ныряльщика,

будет близка к нулю .

Другими словами, одно из различий между «следствиями» и «причина-

ми» — то, что «следствия» обычно подразумевают увеличение энтропии .

Если два бильярдных шара столкнутся и раскатятся в разные стороны, энтропия

не изменится и мы не сможем указать ни на один из шаров как на явную при-

чину взаимодействия . Однако если в начале игры вы ударите кием по битку,

чтобы разбить пирамиду (и тем самым вызвать заметное увеличение энтропии),

то смело сможете сказать, что именно биток заставил шары раскатиться, не-

смотря на то что перед законами физики все шары равны .

Искусство возможного

В предыдущей главе мы сравнивали блочное представление о времени, в кото-

ром вся четырехмерная история мира, прошлое, настоящее и будущее одина-

ково реальны, с точкой зрения презентистов, что только текущий момент по-

настоящему реален . Однако существует еще одна концепция, которую иногда

называют поссибилизмом: текущий момент существует, и прошлое существует,

но будущее (еще) не существует .

Идея о том, что прошлое существует — в противоположность несуществу-

ющему будущему, великолепно согласуется с нашим неформальным понима-

нием того, что такое время и как оно работает . Прошлое уже произошло, в то

время как будущее нам еще предстоит испытать: мы можем прикинуть воз-

можные варианты будущих событий, но не знаем, какой в итоге окажется реаль-

ность . Конкретнее, когда мы говорим о прошлом, у нас есть возможность

обратиться к собственным воспоминаниям или записям, описывающим про-

шедшие события . Какие-то записи будут более надежными, какие-то менее, но

в целом они фиксируют реальность прошлого в форме, которая для будущего

попросту недоступна .

Попробуйте вообразить такую картинку: ваш супруг или супруга говорит:

«Давай поменяем планы на отпуск в следующем году? Вместо того чтобы лететь

Часть I . Время, опыт и Вселенная

в Канкун, давай бросим все и рванем в Рио!» Вы можете согласиться или не

согласиться с этим предложением, но если вы все же решите поменять планы,

то стратегия реализации этого решения будет очень простой: вы забронируе-

те новые авиабилеты, закажете номер в другом отеле и т . д . Но если вы услы-

шите: «Давай поменяем планы на отпуск в прошлом году! Как будто мы не

ездили в Париж, а бросили все и рванули в Стамбул»? В этом случае ваша

стратегия будет совершенно иной: вы подумаете о том, как аккуратно намекнуть

на необходимость похода к врачу, а не о том, как изменить уже реализованные

отпускные планы . Прошлое прошло, оно осталось в летописях, и не в наших

силах изменить его . Таким образом, совершенно логично относиться к про-

шлому и будущему по-разному . Философы говорят о различии между Бытием —

существованием в мире — и Становлением — динамическом процессе изме-

нения, привносящем реальность в существование .

Нигде в известных нам физических законах вы не найдете упоминаний о том,

что прошлое и будущее — разные вещи, что прошлое фиксировано, а будущее

пластично . Глубинные микроскопические правила природы абсолютно одина-

ково работают вперед и назад во времени, в какой бы ситуации мы их ни при-

менили . Если вам известно точное состояние Вселенной и все законы физики,

то будущее, так же как и прошлое, для вас предрешено строже, чем в самых

смелых снах Жана Кальвина о безусловном предопределении .

Попытки увязать между собой всевозможные убеждения, — что прошлое

фиксировано и неизменно, будущее может меняться, а фундаментальные за-

коны физики обратимы, — неизменно возвращают нас к понятию энтропии .

Если бы мы знали точное состояние каждой частицы во Вселенной, мы могли

бы с успехом как предсказывать будущее, так и узнавать прошлое . Однако это

нам недоступно; мы располагаем лишь знаниями о некоторых макроскопических

характеристиках Вселенной да крохами подробностей о частных состояниях .

Обладая такой информацией, мы в состоянии предсказать лишь определенные

широкомасштабные явления (солнце завтра взойдет), хотя наши знания также

совместимы с огромным диапазоном отдельно взятых будущих событий . Что

же касается прошлого, в нашем распоряжении имеется как знание о текущем

макроскопическом состоянии Вселенной, так и понимание того факта, что

в самом начале Вселенная находилась в состоянии с очень низкой энтропией .

Этот крошечный фрагмент информации, называемый просто гипотезой о про-

шлом, превращается в огромное подспорье в деле реконструкции событий

прошлого из настоящего .

Какой вывод мы должны сделать из всего этого? Наша свободная воля —

возможность менять будущее путем принятия тех или иных решений, не рас-

Глава 2 . Тяжелая рука энтропии

пространяющаяся на события прошлого, доступна нам только потому, что

у прошлого была низкая энтропия, а у будущего энтропия высокая . Будущее

выглядит для нас чистой страницей, тогда как прошлое зафиксировано, несмо-

тря на то что законы физики описывают их одинаково .

Поскольку мы живем во Вселенной с четко обозначенной стрелой времени,

мы смотрим на прошлое и будущее по-разному не только с практической, по-

вседневной точки зрения — в наших глазах эти вещи фундаментально отличают-

ся . Прошлое записано в книгах, а на будущее мы можем повлиять своими дей-

ствиями . Для космологии же наибольшее значение имеет то, что люди склонны

объединять два направления исследований — «объяснение истории Вселенной»

и «объяснение состояния Вселенной в начале времен», а будущее пусть само

с собой разбирается . Наше неравноценное отношение к прошлому и будущему

можно назвать временным шовинизмом; он крепко вжился в наш образ мыслей,

и его крайне непросто искоренить . Однако законы природы никоим образом не

поддерживают и не оправдывают ни временной, ни другие виды шовинизма .

Размышляя о важных свойствах Вселенной, выясняя, что «реально», а что нет

и почему в самом начале у Вселенной была низкая энтропия, нельзя ограничивать

широту суждений, помещая прошлое и будущее по разные стороны баррикад .

Объяснения, которые мы так стремимся найти, в конечном итоге никоим образом

не должны зависеть от направления времени .

Главный урок, который мы должны извлечь из этого краткого экскурса

в понятия энтропии и стрелы времени, прост: существование стрелы време-

ни — одновременно важнейшая характеристика физической Вселенной и все-

проникающая составляющая нашей повседневной жизни . Если честно, то даже

неловко, что, несмотря на огромнейший прогресс, достигнутый современной

физикой и космологией, мы все еще не получили окончательного ответа на

вопрос, почему же Вселенная демонстрирует такую принципиальную асимме-

трию времени . Лично я нахожусь в замешательстве, но, так или иначе, любые

трудности открывают новые возможности, и, размышляя об энтропии, мы

можем узнать что-то новое о нашей Вселенной .

Примечания

Эмис М . Стрела времени, или Природа преступления / Пер . с англ . М .: Астрель, 2011

(Amis, M . Time’s Arrow . New York: Vintage, 1991) .

Фицджеральд Ф . Загадочная история Бенджамина Баттона / Пер . с англ . М .: Эксмо-Пресс,

2010 (Fitzgerald, F.S . The Curious Case of Benjamin Button // Collier’s Weekly, May 1922, p . 27 .

Кэрролл Л . Алиса в Зазеркалье / Пер . с англ . М .: АСТ, 2010 (Carroll, L . Alice’s Adventures

in Wonderland and Through the Looking Glass . New York: Signet Classics, 2000) .

Часть I . Время, опыт и Вселенная

Очевидно .

Дидрик (Diedrick, J . Understanding Martin Amis . Charleston: University of South Carolina

Press, 1995) перечисляет еще несколько произведений, помимо упомянутых мной, в ко-

торых в той или иной форме используется прием обратного течения времени: «Сильвия

и Бруно» Льюиса Кэрролла, «Завещание Орфея» Жана Кокто, «Никогда в жизни»

Брайана Олдиса и «Время, назад» Филипа Дика . Для Мерлина, героя романа-эпопеи

Теренса Уайта «Король былого и грядущего», время течет задом наперед, хотя Уайт не

пытался использовать этот прием последовательно . Среди более свежих иллюстраций

использования данной техники — «Гиперион» Дэна Симмонса; кроме того, тема об-

ратного хода времени положена в основу «Исповеди Макса Тиволи» Эндрю Шона

Грира и рассказа «Дневник, посланный за сотню световых лет» Грега Игана . В «Бойне

номер пять» Воннегута приводится краткое описание «наоборот» бомбежки Дрездена

зажигательными бомбами — Эмис упоминает его в послесловии к «Стреле времени» .

Стоппард Т . Аркадия . М .: Иностранка, 2008 (Stoppard, T . Arcadia, in Plays: Five . London:

Faber and Faber, 1999) .

Помимо первого начала термодинамики («в любом физическом процессе полная энергия

сохраняется») и второго начала («энтропия замкнутой системы никогда не уменьшает-

ся»), есть также и третье начало: существует минимальное значение температуры (абсо-

лютный ноль), при котором энтропия также находится на минимальном уровне . Эти три

закона умещаются в простом высказывании: «Ты не можешь выиграть; не можешь

остаться при своих; не можешь даже выйти из игры» . Однако также есть нулевое начало:

если две системы находятся в термодинамическом равновесии с третьей системой, то они

находятся в термодинамическом равновесии друг с другом . Попробуйте здесь самосто-

ятельно придумать какую-нибудь забавную аналогию .

Eddington, A. S . The Nature of the Physical World (Gifford Lectures) . Brooklyn: AMS Press, 1927 .

Сноу Ч. П . Две культуры и научная революция . Цитата воспроизведена по изданию:

Сноу Ч. П . Портреты и размышления / Пер . с англ . М .: Прогресс, 1985 . (Snow, C. P . The

Two Cultures . Cambridge: Cambridge University Press, 1998) .

В действительности справедливо было бы признать, что зачатки понятия энтропии и вто-

рого начала термодинамики были впервые озвучены отцом Сади Карно — французским

математиком и офицером вооруженных сил Лазаром Карно . В 1784 году Лазар Карно

написал трактат о механике, в котором утверждал, что создание вечного двигателя невоз-

можно, так как в любой реальной машине полезная энергия будет рассеиваться вследствие

дребезжания и тряски ее составляющих частей . Позднее он стал успешным предводителем

армии революционной Французской Республики .

На самом деле это не совсем верно . Общая теория относительности Эйнштейна, объяс-

няющая гравитацию в терминах искривления пространства—времени, подразумевает,

что «энергия» в привычном понимании этого термина не остается постоянной, например,

в расширяющейся Вселенной . Мы подробнее поговорим об этом в главе 5 . При рассмо-

трении же большинства двигателей внутреннего сгорания расширением Вселенной

можно пренебречь, и для них энергия действительно остается постоянной .

Конкретнее, под формулировкой «мера количества расстановок отдельных частей» мы

подразумеваем «пропорциональность логарифму количества перестановок отдельных

Глава 2 . Тяжелая рука энтропии

частей» . Подробное обсуждение логарифмов вы найдете в приложении, а в девятой

главе детально рассматривается статистическое определение энтропии .

В англоязычной литературе универсальное обозначение «log» используется для обо-

значения любых логарифмов — как десятичных, так и натуральных . Это неудобно, поэто-

му десятичный логарифм иногда обозначают «lg», а натуральный — «ln» . — Примеч.

пер .

Температура поверхности Солнца составляет приблизительно 5800 кельвинов (один

кельвин равен одному градусу Цельсия, только нулевая отметка по шкале Кельвина соот-

ветствует отметке –273 градусов по шкале Цельсия и представляет собой абсолютный

ноль — минимальную возможную температуру) . Комнатная температура — около

300 кельвинов . Температура космического пространства — или, точнее, фонового кос-

мического излучения, заполняющего космос, — около трех кельвинов . Интересное об-

суждение роли Солнца как горячего пятна на холодном небе можно найти в книге: Пен-

роуз Р . Новый ум короля . О компьютерах, мышлении и законах физики . — Изд-во ЛКИ,

2008 (Penrose, R . The Emperor’s New Mind: Concerning Computers, Minds, and the Laws of

Physics . Oxford: Oxford University Press, 1989) .

Иногда вам могут встречаться заявления креационистов о том, что эволюция, как ее

описывал Дарвин в своей теории естественного отбора, несовместима с принципом

увеличения энтропии, поскольку история жизни на Земле — это история непрерывно

усложняющихся организмов, предположительно происходящих из намного более простых

форм . Эти бредовые заявления запросто разбиваются в пух и прах множеством доводов .

На простейшем уровне: второе начало термодинамики относится к замкнутым системам,

а организм (или вид, или биосфера) — это не замкнутая система . Мы чуть подробнее

поговорим об этом в главе 9, но, по сути, этого достаточно .

Thomson, W . On the Age of the Sun’s Heat // Macmillan’s, 1862, 5, p . 288–293 .

Пинчон Т . Энтропия / Пер . с англ . С . Кузнецова // Иностранная литература, 1996, № 3

(Pynchon, T. Slow Learner . Boston: Back Bay Books, 1984) .

Гл а в а 3

Начало и конец времени

Какое тебе дело до Вселенной? Ты в Бруклине!

Бруклин не расширяется!

Мама Элви Сингера. Энни Холл

Представьте себе, что вы бродите по книжному магазину ближайшего универ-

ситета и зашли в раздел учебной литературы . Подойдя к полке, на которой

выставлены книги по физике, вы решаете пролистать несколько томов по тер-

модинамике и статистической механике . Вам интересно: что же там говорится

об энтропии и стреле времени? К вашему безмерному удивлению (а вы ведь

уже ознакомились с первыми двумя главами этой книги и краткой аннотацией

на обложке), в учебниках нет ни слова о космологии . В них не упоминается

Большой взрыв и не рассказывается о том, что концепция стрелы времени объ-

ясняется граничным условием, существовавшим в начале обозримой Вселен-

ной, — ее крайне низкой энтропией .

На самом деле здесь нет никакого замалчивания важнейшей роли космоло-

гии, никаких тайных заговоров и никакого противоречия . Студентов, изучаю-

щих статистическую механику, в основном интересуют эксперименты, вос-

производимые в лабораториях или на кухнях здесь, на Земле . Проводя

эксперимент, мы сами контролируем его условия; в частности, мы можем по-

низить энтропию изучаемых систем и посмотреть, что произойдет . Для того

чтобы понять, как это работает, не нужно знать ничего о космологии и огром-

ной Вселенной вокруг нас .

Однако наши цели куда грандиознее . Стрела времени — это намного боль-

ше, чем просто один из элементов каких-то конкретных лабораторных опытов;

это неотъемлемая составляющая нашего мира . Традиционная статистическая

механика успешно объясняет, почему яйцо легко превратить в яичницу, но

яичницу превратить обратно в яйцо практически невозможно . Что она не в со-

стоянии объяснить, так это почему, открывая холодильник, мы, в принципе,

можем там обнаружить яйцо . Почему мы окружены идеально упорядоченными,

законченными объектами, такими как яйца, и пианино, и научные книги, а не

бесформенным хаосом?

Часть ответа на этот вопрос очевидна: объекты, окружающие нас в повсе-

дневной жизни, не относятся к замкнутым системам . Очевидно, что яйцо — это

Глава 3 . Начало и конец времени

не случайная конфигурация атомов, а тщательно сконструированная система,

для построения которой требуется определенный набор ресурсов и доступная

энергия, не говоря уж о курице . Однако мы могли бы задать аналогичный во-

прос относительно Солнечной системы или галактики Млечный Путь . В каж-

дом из этих случаев мы имеем дело с изолированными — с практической точки

зрения — системами, энтропия которых тем не менее очень низка — намного

ниже, чем могла бы быть .

Ответ, как известно, заключается в том, что Солнечная система не всегда

была замкнутой системой; она появилась из межзвездного облака с более низ-

кой, чем у нее, энтропией . А это облако сформировалось в существовавшей

ранее галактике, энтропия которой была еще ниже . А эта галактика сформи-

ровалась из изначальной плазмы с еще более низкой энтропией . А эта плазма

была порождена самой ранней Вселенной, у которой энтропия была самой

низкой .

Ранняя Вселенная появилась в результате Большого взрыва . В действитель-

ности нам не очень много известно о ранней Вселенной — почему у нее была

именно такая конфигурация, а не какая-то другая; это одна из загадок, с кото-

рыми мы пытаемся разобраться в этой книге . Однако именно чрезвычайно

низкая энтропия ранней Вселенной лежит в корне окончательного объяснения

стрелы времени в том виде, в каком она проявляет себя на наших кухнях, в ла-

бораториях и воспоминаниях .

В обычных учебниках по статистической механике вы не найдете обсуж-

дения этой увлекательной истории . Их авторы исходят из предположения,

что нас интересуют системы, у которых в исходном состоянии относительно

низкая энтропия, и начинают рассуждения с этой точки . Однако нам нужно

больше: мы хотим знать, почему на одном конце времени у нашей Вселенной

была такая низкая энтропия, породившая и задавшая направление стреле

времени . Полагаю, для начала имеет смысл вспомнить, что нам известно

о Вселенной в целом и как она развивалась от момента зарождения и до се-

годняшнего дня .

Видимая Вселенная

Наша Вселенная расширяется, и она наполнена галактиками, постепенно от-

даляющимися друг от друга . Мы напрямую взаимодействуем лишь с небольшой

частью Вселенной и в попытке осознать общую картину неизбежно прибегаем

к помощи аналогий . Мы сравниваем Вселенную с поверхностью воздушного

шарика, на которой нарисованы маленькие точки, представляющие отдельные

Часть I . Время, опыт и Вселенная

галактики . Или же мы говорим, что Вселенная похожа на поднимающийся

в духовке кекс с изюмом, в котором галактики — это изюминки .

Все эти аналогии просто ужасны . И не только потому, что как-то унизитель-

но сравнивать нечто настолько величественное, как галактика, с крошечной

сморщенной изюминкой . Настоящая проблема заключается в том, что любая

подобная аналогия вызывает ассоциации, не применимые к реальной Вселенной .

У воздушного шарика, например, есть внутренняя и внешняя поверхности, а так-

же большое пространство снаружи, в которое он, собственно, и расширяется;

у Вселенной ничего этого нет . У кекса есть края, а сам он находится внутри ду-

ховки и вкусно пахнет; для Вселенной вы не найдете аналогичных понятий .

Поэтому давайте попробуем зайти с другой стороны . Для того чтобы по-

нять Вселенную вокруг нас, представим себе реальную ситуацию . Вообразите,

что вы находитесь на природе в ясную безоблачную ночь и городских огней не

заметно даже на горизонте . Что вы увидите, если взглянете на небо? В целях

этого мысленного эксперимента давайте наградим себя идеальным зрением,

бесконечно чувствительным ко всем разнообразным формам электромагнит-

ного излучения .

Разумеется, вы увидите звезды . Для невооруженного глаза звезды — всего

лишь точечные источники света, однако человечество уже давно выяснило, что

каждая звезда — это огромный шар плазмы, сияющий за счет энергии внутрен-

них ядерных реакций, и что Солнце — тоже самая настоящая звезда . Наша

единственная проблема заключается в отсутствии ощущения глубины: невоз-

можно сказать, насколько далеко от нас находится каждая из видимых звезд .

Тем не менее астрономы изобрели хитрые способы измерения расстояния до

близлежащих звезд, и оказалось, что нас разделяют просто невообразимые

дистанции . Расстояние до ближайшей звезды, Проксима Центавра, составляет

около 40 триллионов километров; даже путешествуя со скоростью света, мы

добрались бы до нее примерно через четыре года .

Звезды распределены по небу неравномерно . Находясь на улице в нашу

гипотетическую ясную ночь, мы обязательно заметили бы Млечный Путь —

размытую белую полосу, протянувшуюся от горизонта до горизонта . В дей-

ствительности то, что мы видим, — это не сплошная полоса, а множество

близко расположенных звезд . Еще древние греки подозревали о таком устрой-

стве Млечного Пути, а Галилео подтвердил их догадку, когда направил на не-

беса свой телескоп . Сегодня нам известно, что Млечный Путь — это гигантская

спиральная галактика, сотни миллиардов звезд, формирующие диск с утолще-

нием в центре . Наша Солнечная система находится в далекой провинции на

самом краю диска .

Глава 3 . Начало и конец времени

Долгое время астрономы полагали, что «галактика» и «вселенная» — это

одно и то же . Бытовало мнение, что Млечный Путь представляет собой изо-

лированную группу звезд, парящую в пространстве, где кроме нее ничего

больше нет . Однако сегодня мы знаем, что, помимо точечных звезд, на ночном

небе также есть расплывчатые пятна, называемые туманностями; кто-то считал

их отдельными гигантскими собраниями звезд . В начале XX века между астро-

номами разгорелись нешуточные споры на эту тему,1 однако в конце концов

Эдвин Хаббл сумел измерить расстояние до туманности М33 (тридцать третий

объект в каталоге расплывчатых небесных объектов Шарля Мессье, предна-

значенном в помощь искателям комет) и обнаружил, что она гораздо дальше

от нас, чем любая звезда . Оказалось, что М33, Галактика Треугольника — это

группа звезд, по размеру сопоставимая с галактикой Млечный Путь .

Дальнейшие исследования показали, что Вселенная буквально кишит га-

лактиками . Как сотни миллиардов звезд составляют Млечный Путь, так и обо-

зримую Вселенную составляют сотни миллиардов галактик . Некоторые галак-

тики (включая нашу) входят в скопления, или кластеры, которые в свою очередь

образуют пласты и нити еще более крупномасштабной структуры . В среднем,

однако, галактики распределены по пространству достаточно равномерно .

В каком бы направлении мы ни смотрели, на любом расстоянии от Земли чис-

ло галактик будет примерно одинаковым . В обозримой Вселенной везде все

достаточно однообразно .

Большая и всё больше

Несомненно, Хаббл был одним из величайших астрономов в истории, но так

получилось, потому что он оказался в правильном месте в правильное время .

После окончания колледжа он некоторое время искал себя: был стипендиатом

Родса, работал преподавателем, юристом, побывал в качестве солдата на Первой

мировой войне и даже тренировал бейсбольную команду . Однако в конечном

итоге он стал астрономом, получил в 1917 году степень доктора наук в Универ-

ситете Чикаго и переехал в Калифорнию, чтобы занять должность в обсерва-

тории Маунт-Вилсон недалеко от Лос-Анджелеса . По прибытии он обнаружил

там новенький телескоп Хукера со 100-дюймовым зеркалом, самым большим

в мире на тот момент . Именно благодаря этому 100-дюймовому рефлектору

Хаббл получил возможность наблюдать разнообразные звезды в других галак-

тиках и узнал, какие огромные расстояния отделяют их от Млечного Пути .

Тем временем другие астрономы во главе с Весто Слайфером занимались

определением скорости спиральных туманностей, используя эффект Доплера .2

Часть I . Время, опыт и Вселенная

Если объект по отношению к нам находится

в движении, то когда он приближается, любая

излучаемая им волна (например, световая или

звуковая) сжимается, а если он движется

прочь, то растягивается . Когда объект при-

ближается к нам, вследствие эффекта Допле-

ра тон издаваемых им звуков кажется выше,

а когда он отдаляется, тон понижается . Ана-

логичным образом свет от движущихся к нам

объектов оказывается синее (длина волны

меньше), чем можно было бы ожидать, а свет

от удаляющихся объектов — краснее (длина

волны больше) . Таким образом, для прибли-

Рис . 3 .1 . Эдвин Хаббл, исследова-

тель Вселенной, курящий трубку

Слайфер обнаружил, что для абсолютного большинства туманностей на-

блюдается красное смещение . Такое открытие стало неожиданностью, ведь

если бы эти объекты случайным образом двигались во Вселенной, то логично

было бы ожидать равного количества туманностей с синим и красным смеще-

нием . Если бы туманности были небольшими облаками газа и пыли, мы бы

сделали вывод о том, что какой-то неизвестный механизм выталкивает их из

нашей галактики . Однако полученный Хабблом результат, о котором стало из-

вестно в 1925 году, исключил такую возможность . То, что мы наблюдаем, — это

группа галактик, по размеру сравнимых с нашей, и все они убегают от нас,

словно их что-то напугало .

Следующее открытие Хаббла расставило все по своим местам . В 1929 году

он совместно со своим коллегой Милтоном Хьюмасоном сравнил красные

смещения галактик с измеренным расстоянием до них и обнаружил поразитель-

ную закономерность: чем дальше находились галактики, тем быстрее они

удалялись . Сегодня этот факт известен под названием закона Хаббла: кажуща-

яся скорость удаления галактики прямо пропорциональна расстоянию до нее,

а коэффициент пропорциональности носит название постоянной Хаббла .3

Казалось бы, такой простой факт: чем дальше друг от друга вещи находят-

ся, тем быстрее они разбегаются, но он скрывает важнейшее последствие: у нас

нет никаких оснований считать себя центром исполинской космической ми-

грации . У вас может возникнуть впечатление, что мы особенные и что все эти

галактики убегают именно от нас . Однако попробуйте поставить себя на место

инопланетного астронома, живущего в одной из других галактик . Если он

жающихся объектов наблюдается синее сме-

щение, а для удаляющихся — красное .

Глава 3 . Начало и конец времени

посмотрит на нас, то, разумеется, увидит, что Млечный Путь убегает прочь от

его галактики . А если он посмотрит на небо в противоположном направлении,

то увидит другие галактики, и они тоже будут удаляться, потому что с нашей

точки зрения эти более далекие галактики движутся еще быстрее . Это потря-

сающее свойство Вселенной, в которой мы живем . Не существует никакого

специального места или центральной точки, от которой всё разбегается в сто-

роны . Каждая галактика отдаляется от всех остальных галактик, и относитель-

но каждой из них поведение остальных объектов Вселенной одинаково . Слов-

но галактики вообще не двигаются, а расширяется лишь пространство,

разделяющее прикованные к своим местам галактики .

Это, собственно, и происходит с современной точки зрения . В полном со-

ответствии с общей теорией относительности Эйнштейна мы говорим, что

пространство — это не абсолютно фиксированная сцена, на которой развер-

тывается действие — происходит движение материи, а что это еще одна дина-

мическая сущность, живущая собственной и весьма насыщенной жизнью .

Утверждая, что пространство расширяется, мы имеем в виду, что между галак-

тиками возникает все больше и больше нового пространства . Сами галактики

не расширяются, и вы не расширяетесь, и отдельные атомы тоже не расширя-

ются; все, что сохраняет форму благодаря неким локальным силам, остается

одного и того же размера даже в расширяющейся Вселенной (хотя, возможно,

вы как раз расширяетесь, но Вселенную в этом винить нельзя) . Световая волна,

которую не удерживают в неизменной жесткой форме никакие силы, будет

растягиваться, испытывая космологическое красное смещение . И разумеется,

галактики, находящиеся друг от друга достаточно далеко, чтобы на них не

действовало взаимное гравитационное притяжение, также будут отдаляться .

Это — величественная и интригующая картина Вселенной . Последующие

наблюдения подтвердили идею о том, что на очень больших масштабах Вселен-

ная однородна: куда ни посмотри, везде более или менее одно и то же . Очевид-

но, что в более мелком масштабе она все же «комковатая» (вот галактика, а вот

тут рядом с ней пустое пространство), но если рассматривать достаточно

большие объемы пространства, то число галактик и количество вещества всегда

будут примерно одинаковыми, и неважно, в каком месте Вселенной вы будете

производить замеры . При этом она постепенно становится все больше, и при-

мерно через 14 миллиардов лет любая отдаленная галактика из тех, что мы

наблюдаем сейчас, окажется вдвое дальше .

Мы обнаруживаем себя посреди довольно гладкого распределения галактик,

пространство между которыми расширяется, заставляя галактики отдаляться

друг от друга .4 Но если Вселенная расширяется, то куда она расширяется?

Часть I . Время, опыт и Вселенная

Никуда . Мы говорим о Вселенной, поэтому нет нужды придумывать новые

понятия в попытке осознать, куда именно она расширяется . Это Вселенная!

Она не должна быть ни во что вложена, возможно, кроме нее вообще ничего

не существует . Мы не привыкли мыслить подобным образом, потому что все

объекты, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни, находятся в про-

странстве . Однако Вселенная — это и есть пространство, так что нет никакой

причины полагать, что «снаружи» может быть еще что-то .

Аналогично, у Вселенной вовсе не обязательно где-то должен быть край —

она может простираться в космос на бесконечное расстояние . Или, если уж на

то пошло, она может быть конечной и замыкаться на саму себя, как поверхность

сферы . Есть все основания полагать, что непосредственные наблюдения нико-

гда не позволят нам узнать истину . Скорость света конечна (один световой год

в год, или 300 000 километров в секунду), и с момента Большого взрыва прошло

конечное время . Глядя в космос, мы всматриваемся в прошлое . Так как Большой

взрыв случился около 14 миллиардов лет тому назад, существует абсолютный

предел того, насколько далеко назад нам удастся взглянуть .5 И что же мы видим?

Относительно однородный набор галактик (в общей сложности около 100 мил-

лиардов штук), неуклонно расширяющийся, в котором галактики стабильно

отдаляются друг от друга . Однако за пределами нашей зоны видимости дела

могут обстоять совсем по-другому .

Большой взрыв

Вы заметили, что я несколько раз небрежно упомянул некий Большой взрыв .

Этот термин из профессионального жаргона физиков уже давно вошел в обы-

денную речь . Но из всех сложных и запутанных аспектов современной космо-

логии именно с Большим взрывом связано наибольшее число вводящих

в заблуждение или попросту недостоверных утверждений, в том числе выска-

зываемых серьезными специалистами по космологии, которые, казалось бы,

должны разбираться в этом вопросе лучше всех . Давайте остановимся на

мгновение и посмотрим, что же нам в действительности известно, а что нет .

На больших масштабах Вселенная однородна, и она расширяется; про-

странство, разделяющее галактики, растет . Если предполагать, что число атомов

во Вселенной остается неизменным,6 то с течением времени вещество должно

становиться все более разреженным . Тем временем фотоны испытывают крас-

ное смещение, увеличивающее их длину волны и понижающее энергию, что

означает постепенное понижение температуры Вселенной . Нашу Вселенную

ожидает разреженное, холодное и одинокое будущее .

Глава 3 . Начало и конец времени

Однако давайте прокрутим пленку назад . Если сейчас Вселенная расши-

ряется и охлаждается, значит, в прошлом она была плотнее и горячее . Во-

обще говоря (если не учитывать некоторые тонкости, связанные с темной

энергией, о которой мы поговорим чуть позже), гравитационная сила за-

ставляет объекты притягиваться друг к другу . Таким образом, ожидается, что

мы сможем проэкстраполировать Вселенную назад во времени до более

плотного состояния, и эта экстраполяция будет надежной . Другими словами,

нет оснований ожидать какого-либо вида «отскока» . Вселенная в «обратной

перемотке» будет становиться только плотнее . Тогда логично предположить,

что через какой-то конечный промежуток времени мы доберемся до момен-

та, когда Вселенная была бесконечно плотной, то есть пребывала в состоянии

сингулярности . Именно эту гипотетическую сингулярность мы и называем

Большим взрывом .7

Обратите внимание на то, что Большой взрыв — это именно момент в исто-

рии Вселенной, а не место в пространстве . Точно так же, как в современной

Вселенной не существует какой-то особой точки, определяющей центр рас-

ширения, вы не найдете и специально обозначенного места «здесь был Большой

взрыв» . Общая теория относительности утверждает, что размер Вселенной

в момент сингулярности мог быть нулевым, а в любой момент после сингуляр-

ности — бесконечно большим .

Так что происходило до Большого взрыва? Многие обсуждения современ-

ной космологии на этом вопросе начинают буксовать . Вам будут часто встре-

чаться заявления вроде: «До Большого взрыва время и пространство не суще-

ствовали . Нельзя говорить, что Вселенная появилась в какой-то момент

времени, потому что самого времени до тех пор не существовало . Задаваться

вопросом, что происходило до Большого взрыва, — то же самое, что спраши-

вать, что находится к северу от Северного полюса» .

Это все звучит весьма основательно и может даже быть правдой . Но может

и не быть . Истина в том, что мы этого не знаем . Правила общей теории от-

носительности позволяют сделать однозначный вывод: если во Вселенной

существуют начинка определенного типа, значит, в прошлом точно случилась

сингулярность . Однако в данном утверждении скрыто внутреннее проти-

воречие . Сингулярность сама по себе должна быть моментом, когда искрив-

ление пространства—времени и плотность вещества бесконечны; следо-

вательно, правила общей теории относительности к ней неприменимы .

Корректнее было бы говорить, что общая теория относительности предпо-

лагает не существование сингулярности, а то, что Вселенная в своем развитии

стремится к конфигурации, в которой сама теория относительности теряет

Часть I . Время, опыт и Вселенная

смысл . Это представление далеко от идеала; что-то происходит там, где общая

теория относительности предполагает сингулярности, но мы не знаем что .

Возможно, общая теория относительности неправильно описывает гра-

витационные взаимодействия, по крайней мере в контексте самого начала

Вселенной . Многие физики предполагают, что окончательно объяснить про-

исходившее при зарождении Вселенной сможет только квантовая теория

гравитации, примиряющая положения квантовой механики с идеями Эйнштей-

на об искривлении пространства—времени . Получается, что единственным

честным ответом на вопрос, что же в действительности происходило в момент

предполагаемого Большого взрыва, будет «не знаю» . Мы сумеем найти ответ,

когда у нас появится надежная теоретическая основа, позволяющая описывать

экстремальные условия существования ранней Вселенной, однако пока что мы

такой теорией не располагаем .

Возможно, Вселенная до Большого взрыва действительно не существовала,

как и предполагает традиционная общая теория относительности . Но также

вполне вероятно (и мне эта точка зрения близка по причинам, о которых мы

поговорим чуть дальше), что пространство и время существовали до Большо-

го взрыва; просто то, что мы называем «взрывом», в действительности было

своеобразным переходом от одной фазы к другой . В своих изысканиях с целью

понять стрелу времени, завязанных на низкую энтропию ранней Вселенной,

мы неизменно будем возвращаться к этому вопросу . В этой книге я продолжу

использовать термин «Большой взрыв» в смысле «момента в истории ранней

Вселенной, случившегося прямо перед тем, как начали действовать правила

традиционной космологии», вне зависимости от того, как этот момент опи-

сывался бы в более полной теории, и без учета наличия или отсутствия у Все-

ленной каких-либо границ или сингулярностей .

Горячее однородное начало

Хоть нам и неизвестно, что происходило со Вселенной в самом начале ее жиз-

ни, мы обладаем чрезвычайно обширными познаниями о том, что происходи-

ло потом . В момент зарождения Вселенная находилась в невероятно горячем

и плотном состоянии . Затем пространство расширилось, а вещество рассредо-

точилось и охладилось, пройдя целую череду превращений . Данные, полученные

в ходе множества наблюдений, подтверждают, что от момента Большого взры-

ва нас отделяет около 14 миллиардов лет . Даже если мы не знаем в деталях, как

происходило образование Вселенной, нам известно, что это случилось за очень

короткий промежуток времени: практически всю историю Вселенной образу-

Глава 3 . Начало и конец времени

ют события, произошедшие уже после мистического зарождения . Следователь-

но, вполне допустимо говорить, что с момента Большого взрыва прошло

столько-то лет . Такое глобальное представление о Вселенной носит название

модели Большого взрыва; она хорошо изучена с теоретической точки зрения

и поддерживается горами эмпирических данных в противоположность гипо-

тетической сингулярности Большого взрыва, которая для нас пока что остает-

ся загадкой .

Наше представление о ранней Вселенной базируется не только на теорети-

ческой экстраполяции; мы можем применять существующие теории для фор-

мулировки предсказаний, поддающихся реальной проверке . Например, когда

Вселенной было всего около 1 минуты, она представляла собой ядерный реак-

тор, синтезирующий из протонов и нейтронов гелий и другие легкие элементы;

это был процесс, называемый первичным нуклеосинтезом . Сегодня мы наблю-

даем распространенность подобных элементов, и это превосходно согласуется

с предсказаниями модели Большого взрыва .

Мы также наблюдаем космический микроволновый фон — реликтовое

излучение . Ранняя Вселенная была не только плотной, но и очень горячей,

а горячие объекты — источники излучения . Благодаря излучению мы можем

видеть в темноте: люди (а также другие теплые объекты) испускают инфра-

красные лучи, которые можно обнаружить, если воспользоваться подходящим

датчиком; в этом заключается принцип работы очков ночного видения .

Чем теплее объект, тем более энергичным является его излучение (длина

волны короче, а частота выше) . Поскольку ранняя Вселенная была чрезвы-

чайно горячей, она испускала огромное количество высокоэнергичного из-

лучения .

Более того, ранняя Вселенная была еще и непрозрачной . Она была настоль-

ко горячей, что связи между электронами и атомными ядрами не могли сфор-

мироваться; электроны свободно летали в пространстве . Фотоны часто стал-

кивались с ними и отскакивали от свободных электронов, поэтому окажись вы

там, вы не смогли бы разглядеть пальцы на своей руке . Однако в конечном

итоге температура понизилась настолько, что электроны сумели привязаться

к ядрам, да так там и остались, — этот процесс называется рекомбинацией,

и он произошел примерно через 400 000 лет после Большого взрыва . Когда это

случилось, Вселенная стала прозрачной, и свет получил возможность распро-

страняться практически беспрепятственно, чем он до сих пор и занимается .

Разумеется, на него распространяется эффект красного смещения, порождае-

мый космологическим расширением, поэтому горячее излучение периода ре-

комбинации в результате оказалось растянутым до микроволн (с длиной волны

Часть I . Время, опыт и Вселенная

около одного сантиметра), а температура Вселенной понизилась до 2,7 кель-

винов (–270,4 градуса Цельсия) .

Таким образом, история эволюции Вселенной согласно модели Большого

взрыва (которую, как вы помните, не следует путать с самим загадочным мо-

ментом Большого взрыва) позволяет сделать надежное предсказание: наша

Вселенная должна быть заполнена микроволновым излучением, распростра-

няющимся во всех направлениях, — наследием тех времен, когда Вселенная

была горячей и плотной . И действительно, реликтовое излучение было обна-

ружено Арно Пензиасом и Робертом Уилсоном в 1965 году в лаборатории

Белла в Холмделе, штат Нью-Джерси . Самое интересное, что они его даже не

искали — оба были радиоастрономами, которых раздражало это непонятное

фоновое излучение, от которого никак не удавалось избавиться . Раздражение,

надо сказать, несколько поутихло, когда в 1978 году им присудили Нобелевскую

премию .8 Именно открытие микроволнового фона заставило последних при-

верженцев теории стационарной Вселенной (которая утверждает, что темпе-

ратура Вселенной не меняется со временем, но постоянно появляется новая

материя) сменить точку зрения и окончательно принять модель Большого

взрыва .