Ли Смолин. Возрожденное время: От кризиса в физике к будущему вселенной - Юрий Артамонов

    На самом деле в нашей вселенной имеется несколько различных стрел времени.

    Вселенная расширяется, а не сжимается. Мы называем это космологической стрелой времени.

    Малые кусочки вселенной, предоставленные сами себе, проявляют тенденцию становиться со временем более разупорядоченными (разлитое молоко, успокоившийся воздух и так далее). Это называется термодинамической стрелой времени.

    Люди, животные и растения рождаются как младенцы, растут, стареют, а затем умирают. Это можно назвать биологической стрелой времени.

    Мы чувствуем течение времени от прошлого к будущему. Мы помним прошлое, но не будущее. Это эмпирическая стрела времени.

    Имеется другая стрела - менее очевидная, чем перечисленные стрелы, но, тем не менее, являющаяся основной подсказкой. Свет движется из прошлого в будущее. Следовательно, свет, который достигает наших глаз, дает нам картину мира в прошлом, а не в будущем. Это называется электромагнитной стрелой времени.

    Световые волны производятся движением электрических зарядов. Покачайте заряд, и свет распространится, всегда двигаясь наружу в направлении будущего,

к оглавлению и никогда в направлении прошлого. Это кажется применимым и к гравитационным волнам тоже. Так что имеется гравитационно-волновая стрела времени.

    Наша вселенная, видимо, имеет много черных дыр. Черная дыра в высшей степени асимметрична во времени. Что угодно может в нее упасть, но все, что выходит наружу, это тепловое излучение Хокинга. Черная дыра это прибор для превращения чего угодно в газ равновесных фотонов. Этот необратимый процесс производит гигантское количество энтропии.

    А как насчет белых дыр? Эти гипотетические объекты являются решениями ОТО, получаемыми обращением времени в черных дырах. Белые дыры ведут себя противоположным по отношению к черным дырам образом. Ничего не может упасть в белую дыру, но что угодно может выйти из нее. Белая дыра могла бы выглядеть как спонтанное появление звезды, которое суть то, что вы получили бы, если бы вы взяли фильм о коллапсе звезды в черную дыру и запустили бы его в обратном направлении. Астрономы не видели ничего, что можно было бы интерпретировать как белую дыру.

    Даже если вы рассматриваете только черные дыры, в нашей вселенной есть нечто странное. Согласно уравнениям ОТО она вполне могла бы начаться, будучи заполненной черными дырами. Но, как отмечалось в Главе 11, кажется, что их вообще не было в ранней вселенной. Все черные дыры, о которых нам известно, кажутся сформировавшимися намного позже этого, сформировавшимися из коллапса массивных звезд.

    Почему есть только черные дыры, но нет белых дыр? И почему вселенная не началась заполненной черными дырами? Это выглядит стрелой времени черных дыр, проявляющейся в отсутствии черных дыр в ранней истории вселенной.

    Может ли существовать галактика на другом конце вселенной, где некоторые из указанных стрел времени двигаются в обратном направлении? Подтверждений этому нет. Мы можем жить во вселенной, где некоторые стрелы времени меняют направление на обратное от места к месту, но, вероятно, не живем. Почему так?

    Эти различные стрелы времени являются фактами по поводу нашей вселенной, которые требуют объяснения. Любое объяснение, предложенное для них, базируется на предположениях о природе времени. Объяснение, предложенное некоторыми из тех, кто верит, что время возникает из вневременного мира, будет отличаться от объяснения, предложенного кем-то, кто верит, что время фундаментально и реально.

к оглавлению     Имеется связанный с изложенным вопрос, являются законы физики обратимыми или нет. Как отмечено в Главе 5, тот факт, что законы природы обратимы во времени, может быть принят как свидетельство преимущества точки зрения, что время не фундаментально. Как нам объяснить стрелы времени, если законы природы обратимы во времени? Каждая стрела времени представляет асимметрию времени; как они могли бы возникнуть из симметричных во времени законов?

    Ответ в том, что законы действуют на начальные условия. Законы могут быть симметричными относительно обращения направления времени, но начальные условия не должны. Начальные условия могут эволюционировать до конечных условий, которые легко отличаются от первых. На самом деле это так: Начальные условия нашей вселенной, кажется, были точно настроены, чтобы произвести вселенную, асимметричную во времени.

    Приведем пример. Начальный темп расширения вселенной, который выбирается начальными условиями, кажется таким, что максимизирует производство галактик и звезд. Будь он намного быстрее, вселенная стала бы разреженной слишком быстро, чтобы сформировались звезды и галактики. Будь он слишком медленным, вселенная могла бы сколлапсировать прямо к финальной сингулярности до того, как звезды получили бы шанс сформироваться. Темп расширения был идеальным для производства гигантского количества звезд, и это звезды, которые, миллиарды лет разливая горячие фотоны в холодное пространство, удерживают вселенную от равновесия, и, таким образом, объясняется термодинамическая стрела времени.

    Электромагнитная стрела времени также может быть объяснена асимметрией начальных условий во времени [8]. В начале вселенной не было электромагнитных волн. Свет был произведен только позже за счет движения материи. Это объясняет, почему, когда мы смотрим вокруг, изображения, которые несет свет, дают нам информацию о материи во вселенной. Если бы мы просто следовали законам электромагнетизма, это могло бы быть иначе. Уравнения электромагнетизма позволяют вселенной начаться в условиях свободного переноса света. Это означает, что свет мог бы сформироваться непосредственно в Большом Взрыве, а не эмитироваться материей позже. В такой вселенной все изображения объектов, которые свет унес от материи, были бы подавлены светом, пришедшим непосредственно от Большого Взрыва.

    В таком мире мы не видели бы звезд и галактик, когда мы заглядывали бы в прошлое через наши телескопы. Мы могли бы видеть только хаотическое марево. Или, уж

к оглавлению если на то пошло, сформированный в Большом Взрыве свет мог бы переносить изображения вещей, которые никогда там не были, вроде изображений сада со слонами, жующими гигантскую спаржу.

    Это означает, что вселенная выглядела бы, как если бы мы взяли фильм о ней в момент времени в далеком будущем и запустили его в обратном направлении. В далеком будущем будет огромное количество путешествующих вокруг изображений - изображений вещей, которые когда-то существовали. Но если мы запускаем фильм в обратном направлении времени, мы видим вселенную, заполненную изображениями вещей, которые еще не произошли. В самом деле, свет, несущий изображение, будет втекать в событие, которое представляет изображение, и заканчиваться там. Свет, который мы увидели бы, сказал бы нам только о вещах, которые пока не произошли.

    Мы не живем в такой вселенной, но могли бы жить, если возможные вселенные соответствуют решениям законов физики. Чтобы объяснить, почему мы видим только вещи, которые происходят или произошли, и никогда не видим чего-либо, что еще не произошло или никогда не произойдет, мы должны наложить строгие начальные условия. Эти условия запрещают вселенной стартовать с какими бы то ни было переносимыми светом свободно летающими изображениями. Это сильно асимметричное налагаемое условие, но оно необходимо, чтобы объяснить электромагнитную стрелу времени.

    Аналогичная история справедлива и в отношении гравитационно-волновой стрелы времени и стрелы времени черных дыр. Если фундаментальные законы симметричны во времени, то все бремя объяснения, почему наша вселенная асимметрична во времени, падает на выбор начальных условий. Так что вы должны наложить условие, что изначально во вселенной нет свободно двигающихся гравитационных волн, нет начальных или ранних черных дыр и нет белых дыр.

    Этот момент был подчеркнут Роджером Пенроузом, и он предложил принцип для его объяснения, который назвал гипотезой кривизны Вейля [9]. Кривизна Вейля есть математическая величина, которая не равна нулю всякий раз, когда имеется гравитационное излучение или черные или белые дыры. Принцип Пенроуза заключается в том, что в начальной сингулярности эта величина исчезает. Он отметил, что это согласуется с тем, что мы знаем о ранней вселенной. Это асимметричное во времени условие, поскольку оно определенно не выполняется во вселенной в более поздние времена. В более позднее время вселенная имеет огромное количество гравитационных волн и огромное количество черных дыр. Следовательно, утверждает Пенроуз, чтобы объяснить вселенную, которую мы видим, это асимметричное во времени условие должно