Гипотеза белых дыр. Об устройстве Вселенной, гравитации и теории относительности - Карло Ровелли

прошлым и будущим происходит не из-за того, что время асимметрично по своей сути. Оно происходит от того, что прошлое было особым. Представьте себе: в будущем излучение Хокинга заполнит небо энергией, рассеяв ее повсюду. А в прошлом, наоборот, эта энергия была сконцентрирована в коллапсировавшей звезде. Следовательно, прошлое было особым, потому что энергия была сконцентрирована, а не рассеяна, как это происходит в будущем. Особым является именно направление в прошлое, так же как в горной местности особым становится направление к вершине.

Нелегко принять эту фундаментальную эквивалентность прошлого и будущего. Она противоречит нашим интуитивным представлениям, укоренившимся крепче всего. Разве могут все различия между прошлым и будущим сводиться просто к обстоятельствам в прошлом? Интуиция говорит нам совершенно иное: прошлое коренным образом отличается от будущего, прошлое определено, а будущее – нет. Сама природа реальности, как мы интуитивно ощущаем, представляет собой поток в однозначно ориентированном времени. Разве может интуиция так обманывать нас? А если да, то почему?

Я часто задавался этим вопросом, когда на протяжении месяцев лихорадочной работы над белыми дырами и связанными с ними искажениями времени лавировал между обратимыми и необратимыми аспектами их горизонтов.

Есть два хорошо известных факта, коренным образом отличающие прошлое от будущего. Они выглядят настолько очевидными и банальными, что кажется невозможной даже тень мысли о том, что природе не присуще однозначное направление времени. Между прошлым и будущим есть две ярко выраженные асимметрии, кажущиеся неустранимыми.

Первая состоит в том, что мы знаем прошлое, но не будущее. Соответственно, прошлое выглядит твердо установленным и определенным. Вторая заключается в том, что мы можем принимать решения о будущем, но не о прошлом. Будущее таким образом представляется открытым, неопределенным. Разве могут настолько фундаментальные различия между прошлым и будущим оказаться результатом случайно сложившейся конфигурации мира?

Поразительно. Но мы можем распутать эту загадку.

5

Представьте себе два заполненных водой бассейна, соединенные коротким каналом с водонепроницаемой заслонкой, которую можно закрывать или открывать.

При открытой заслонке уровень воды в бассейнах одинаковый. Это состояние равновесия. Все статично, никаких различий между прошлым и будущим: видеозапись воды, прокрученная задом наперед, неотличима от исходной записи.

Закроем заслонку и добавим воду в один из бассейнов. Теперь уровень воды в одном из бассейнов выше, чем в другом. Каждый бассейн сам по себе находится в состоянии равновесия, но два бассейна относительно друг друга – нет. Это неравновесное состояние поддерживает заслонка, препятствующая перетеканию воды. В этом случае тоже все статично и ничто не отличает прошлое от будущего: съемка воды, прокрученная в обычном и обратном направлении, неразличимы.

А теперь давайте посмотрим, что будет, если ненадолго открыть заслонку. Вода войдет в канал, потечет в менее заполненный бассейн и образует волну, которая распространится по нему.

Потом волна отражается от стенок, рассеивается и вскоре затихает. Уровень воды в двух емкостях более или менее выравнивается.

Все это – часть нашего повседневного опыта. Энергия волны, высвобожденная в результате открытия заслонки, называется «свободной энергией». Она расходуется: когда волнение прекращается, этой энергии больше нет. Она рассеялась беспорядочным образом среди молекул воды, мы воспринимаем это как тепло. Итак, свободная энергия рассеивается в тепло.

Особый интерес представляет промежуточная фаза этого процесса – после открытия заслонки и до того, как вода снова успокоится. Происходящее в этот промежуток (и только в этот промежуток) ориентировано во времени. Если в это время заснять бассейны и прокрутить запись в обратном направлении, получится нечто нелепое – вода вдруг сама по себе приходит в движение, оформляется в большую волну, протискивается в канал, оставив позади себя плоскую спокойную поверхность, и собирается по другую сторону заслонки за мгновение до ее закрытия. Так в реальности не бывает.

Перетекание воды в менее полную емкость – явление необратимое. Это как разбитое яйцо, которое не соединится вновь. До открытия заслонки все симметрично и обратимо. После того как волнение успокоится, тоже все симметрично и обратимо. А в промежуточной фазе мы видим асимметрию и необратимость.

Три составляющих обеспечивают эту необратимость: (1) начальное отсутствие равновесия – разные уровни воды в двух бассейнах; (2) нечто, обеспечивающее длительное сохранение этого неравновесия, – заслонка; и (3) то, что для достижения нового равновесия требуется время.

Эти три условия – (1) начальное неравновесие, (2) скачкообразно взаимодействующие изолированные системы и (3) длительное время установления равновесия – существуют повсюду во Вселенной, в которой мы живем.

Посмотрим внимательно.

(1) В прошлом Вселенная была сильно сжата – это отсутствие равновесия. С тех пор она расширилась и продолжает расширяться, то есть не находится в равновесии.

(2) Во Вселенной полно удерживаемых «заслонками» «неравновесий». Например, водород и гелий, подобно нашим бассейнам с водой, находятся в таком состоянии. Их «заслонка» – то, что водород не может превращаться в гелий при низкой температуре. Но время от времени какое-нибудь большое облако водорода сжимается под действием собственного тяготения, разогревается, температура в нем повышается, и возникает возможность превращения водорода в гелий, то есть открывается «заслонка» между водородом и гелием. Рождается звезда. Звезды – это каналы с открытой заслонкой, вроде канала, по которому перетекает вода между двумя бассейнами: водород превращается в гелий, двигаясь к равновесию. Процесс необратим, так же как волна, хлынувшая в менее наполненный бассейн.

(3) Вода в бассейнах приходит в равновесие через несколько минут, но звезде вроде Солнца на выгорание нужен не один миллиард лет. Порождаемые в процессе волны необратимости, подобно волне, выходящей из бассейна с более высоким уровнем воды, ежедневно обрушиваются на Землю и запускают бесчисленные необратимые процессы, формирующие биосферу. Мы, живые существа, и есть вихри, порожденные такими волнами. Мы – необратимая пена свободной энергии, которая была заперта в неравновесии водорода и гелия, но после высвобождена Солнцем.

•

Мы дошли до ключевого момента. Приглядитесь к последнему рисунку: вода входит в канал. Этой информации достаточно, чтобы понять: незадолго до этого была открыта заслонка. Волна свидетельствует о том, что произошло раньше, – об открытии заслонки. Нечто в настоящем говорит нам о событии из прошлого.

Следы, воспоминания, записи – это все явления такого рода. Необратимые явления. Для того чтобы они произошли, достаточно соблюдения трех перечисленных условий: (1) неравновесные системы, (2) иногда вступающие во взаимодействие, и (3) система-хранитель следов, воспоминаний, записей, которая, в свою очередь, должна быть способна ненадолго оставаться категорически неравновесной.

В настоящем видны на себе следы прошлого, потому что все начинается с неравновесия. Только поэтому. И формирование любого