Если показать видеозапись качающегося маятника задом наперёд, никто не заметит подвоха. Если показать так же запись падающей и разбивающейся чашки, обман очевиден сразу. Откуда мы это знаем? Вопрос кажется детским, но физики всерьёз занимаются им уже полтора столетия и называют его проблемой стрелы времени.
Законы, которым всё равно
Основные уравнения механики устроены симметрично. Если в какой-то момент развернуть скорости всех частиц, система пройдёт свой путь в обратном порядке, и это движение будет столь же законным, как исходное. Столкновение двух бильярдных шаров в обратной записи выглядит совершенно правдоподобно. На уровне отдельных частиц нет ничего, что указывало бы, где прошлое, а где будущее.
Но в повседневном мире направление есть. Горячий чай остывает, а не нагревается сам. Капля чернил расплывается в воде и не собирается обратно. Люди стареют. Мы помним вчерашний день, но не завтрашний. Где-то между отдельными частицами и чашкой чая появляется необратимость.
Энтропия: счёт способов
Ключ к ответу нашли в XIX веке, когда изучали тепловые машины. Выяснилось, что в замкнутой системе некая величина — энтропия — не убывает. Позже австрийский физик Людвиг Больцман объяснил её смысл через подсчёт вариантов.
Одно и то же внешнее состояние — скажем, «газ равномерно заполняет комнату» — можно получить колоссальным числом расстановок отдельных молекул. А состояние «весь газ собрался в углу» реализуется несравнимо меньшим числом расстановок. Энтропия — это мера того, сколькими способами можно устроить данное состояние изнутри. Молекулы движутся хаотически и перебирают варианты без всякого предпочтения. Просто «равномерных» вариантов настолько больше, что система почти наверняка окажется в одном из них.
Поэтому чашка не собирается из осколков. Это не запрещено законами движения. Это лишь невообразимо маловероятно: нужно, чтобы триллионы триллионов частиц случайно получили точно согласованные скорости.
Откуда взялся порядок
Здесь возникает более глубокий вопрос. Если системы стремятся к наиболее вероятному состоянию, почему мир вообще не находится в нём? Почему есть звёзды, планеты, чашки и люди, а не однородная тёплая каша?
Ответ современной космологии состоит в том, что Вселенная начала своё развитие в состоянии с очень низкой энтропией. С тех пор энтропия растёт, и всё, что мы называем течением времени — горение звёзд, жизнь, память, — происходит на этом пути от упорядоченного начала к более беспорядочному будущему. Почему начальное состояние было именно таким, наука пока объяснить не может; это один из открытых вопросов.
Порядок, который растёт
Иногда говорят, что жизнь противоречит росту энтропии: организм ведь становится сложнее. Противоречия нет. Закон говорит о замкнутых системах, а Земля не замкнута. Она получает от Солнца свет — энергию в упорядоченной, «концентрированной» форме — и отдаёт в космос тепловое излучение, более рассеянное. Суммарная энтропия при этом растёт, а на её потоке, как водяное колесо на реке, работают погода, океанские течения и всё живое.
Холодильник охлаждает продукты, но греет кухню. Снежинка приобретает правильную форму, отдавая тепло воздуху. Локальный порядок всегда оплачен беспорядком где-то рядом.
Память и причинность
С ростом энтропии связывают и то, что у нас есть воспоминания только о прошлом. Любая запись — след на песке, строка в книге, изменение в нейронных связях — возникает в процессе, который энтропию увеличивает. Надёжные следы оставляет то состояние мира, которое было более упорядоченным, то есть прошлое.
Получается, что стрела времени не прописана в законах движения, а возникает из сочетания двух вещей: статистики огромного числа частиц и особого начала Вселенной. Разбитая чашка, остывший чай и наше ощущение, что время идёт вперёд, — проявления одного и того же обстоятельства.
