Беспорядок будет возрастать с течением времени, если система удовлетворяет начальному условию, требующему, чтобы ее исходное состояние было высокоупорядоченным.
Предположим, что изначально фрагменты пазла были упорядочены, то есть составлены таким образом, что получалась картинка. Если встряхнуть коробку, комбинация фрагментов окажется другой. Вероятно, это будет неупорядоченное сочетание, в котором фрагменты не образуют целостную картинку, так случится просто потому, что неупорядоченных сочетаний гораздо больше. Некоторые группы фрагментов могут по-прежнему образовывать части картинки, но чем больше трясти коробку, тем более вероятно, что эти группы распадутся. Фрагменты совсем перепутаются и не будут составлять никакой картинки. Таким образом, с течением времени неупорядоченность фрагментов, вероятно, будет возрастать, если изначально они находились в упорядоченном состоянии.
Однако предположим, что Бог решил, что Вселенная должна закончить свое существование в состоянии высокой упорядоченности независимо от того, в каком состоянии она пребывала изначально. В этом случае в более ранние времена Вселенная, скорее всего, находилась в неупорядоченном состоянии, и беспорядок с течением времени становился меньше. Осколки разбитых чашек собирались, образуя целые чашки, которые снова оказывались на столе. Однако любой человек, наблюдающий за этими чашками, жил бы во Вселенной, в которой беспорядок убывает с течением времени. Я покажу, что психологическая стрела времени у таких людей указывала бы в обратном направлении. То есть они бы помнили события, происходящие позднее, и не помнили события, происходившие ранее.
Психологическая стрела
Рассуждать о человеческой памяти весьма непросто, поскольку нам неизвестны все подробности работы нашего мозга. Однако мы знаем все о том, как работает память компьютера. Поэтому я буду рассуждать о психологической стреле времени для компьютеров. Думаю, что разумным будет предположить, что стрела времени одинакова для компьютеров и для людей. В противном случае кто-нибудь мог бы получать колоссальные прибыли на фондовой бирже с помощью компьютера, который помнит завтрашние цены.
Память компьютера — это по существу некое устройство, которое может находиться в одном из двух состояний. Примером может служить сверхпроводящая петля из проволоки. Если в ней есть электрический ток, он будет продолжать течь, поскольку сопротивление отсутствует. С другой стороны, если тока нет, петля будет существовать без него. Можно обозначить эти два состояния памяти как «единица» и «ноль».
Прежде чем элемент записан в память, она имеет неупорядоченное состояние с равной вероятностью принять значение 1 или 0. После взаимодействия с системой, которую необходимо запомнить, память окажется в одном из этих двух состояний в зависимости от состояния системы. Таким образом, память переходит из неупорядоченного состояния в упорядоченное. Однако чтобы убедиться, что память находится в правильном состоянии, необходимо использовать определенное количество энергии. Эта энергия рассеивается в виде тепла и увеличивает степень неупорядоченности во Вселенной. Можно показать, что этот рост неупорядоченности превышает рост упорядоченности памяти. Таким образом, когда компьютер записывает элемент в память, общее количество неупорядоченности во Вселенной возрастает.
Прежде чем элемент записан в память, она имеет неупорядоченное состояние с равной вероятностью принять значение 1 или 0.
Направление времени, в котором компьютер помнит прошлое, совпадает с направлением времени, в котором растет беспорядок. Это означает, что наше субъективное ощущение направления времени (психологическая стрела времени) определяется термодинамической стрелой времени. Это делает второй закон термодинамики почти тривиальным. Беспорядок растет с течением времени, поскольку мы отсчитываем время в направлении, в котором нарастает беспорядок. Это — беспроигрышное пари.
Наше субъективное ощущение направления времени (психологическая стрела времени) определяется термодинамической стрелой времени.
Граничные условия для Вселенной
Но почему Вселенная должна была находиться в состоянии высокой упорядоченности на одном конце времени — том, который мы называем пошлым? Почему она не пребывала в состоянии полного беспорядка все время? Ведь это кажется более вероятным. И почему направление времени, в котором нарастает беспорядок, совпадает с направлением времени, в котором Вселенная расширяется? Один из возможных ответов заключается в том, что Бог просто пожелал, чтобы в начале фазы расширения Вселенная находилась в однородном и упорядоченном состоянии. Мы не должны стремиться понять причину или Его мотивы, поскольку рождение Вселенной — это дело Божие. Но тогда можно сказать, что и вся история Вселенной — Божьих рук дело.
Судя по всему, Вселенная развивается по определенным законам. Эти законы могут быть установлены Богом, а могут действовать и без Его участия, но, по-видимому, мы способны открывать и постигать их. Тогда разве нет у нас оснований надеяться, что те же или подобные законы могли также действовать и в момент зарождения Вселенной? В классической общей теории относительности Вселенная начинается с сингулярности, характеризующейся бесконечной плотностью и бесконечной кривизной пространства-времени. При таких условиях должны нарушаться все законы физики. Так что их нельзя использовать для предсказания того, как начиналась Вселенная.
Изначально Вселенная могла находиться в очень однородном и упорядоченном состоянии. Это привело к существованию четко определенных термодинамической и космологической стрел времени, как мы и наблюдаем. Но с такой же вероятностью начальное состояние Вселенной могло быть очень неоднородным и неупорядоченным. В этом случае Вселенная уже была бы в состоянии полного хаоса, так что беспорядок не мог возрастать со временем. Он оставался бы неизменным (тогда не существовало бы четко определенной термодинамической стрелы времени) либо уменьшался бы (тогда термодинамическая и космологическая стрелы времени были бы направлены в противоположные стороны). Ни одна из этих возможностей не согласуется с наблюдениями.
Как я уже говорил, классическая общая теория относительности предсказывает, что развитие Вселенной должно начаться с сингулярности, в которой кривизна пространства-времени бесконечна. В сущности это означает, что классическая общая теория относительности предсказывает собственный крах. При большой кривизне пространства-времени эффекты квантовой гравитации становятся значительными, и классическая теория уже не дает адекватного описания Вселенной. Чтобы понять, как зародилась Вселенная, необходимо использовать квантовую теорию гравитации.
В квантовой теории гравитации рассматриваются все возможные истории развития Вселенной. С каждой историей связана пара чисел. Одно описывает размер волны, а другое — ее фазу, то есть гребень это или впадина. Вероятность того, что Вселенная обладает конкретным свойством, определяется сложением волн, соответствующих всем историям, которые обладают этим свойством. Истории представляют собой искривленные пространства, описывающие эволюцию Вселенной с течением времени. По-прежнему необходимо указать, как возможные истории Вселенной должны вести себя на границе пространства-времени в прошлом. Мы не знаем и не можем знать граничные условия для Вселенной в прошлом. Однако этой трудности можно избежать, если граничное условие для Вселенной заключается в том, что она не имеет границ.
