«Милосердя, що час біжить лише в одному напрямку. Що ми “бачимо” минуле, але темне, а майбутнє зовсім “не бачимо”»
— Олівія Лейн
Чому час рухається лише в одному напрямку? Чому ми не можемо згадати майбутнє? Якби час біг у зворотному напрямку, чи передувала б подія своїй причині? Чи могли б, наприклад, фрагменти розбитого яйця левітувати та з’єднуватися, щоб знову утворити бездоганну шкаралупу в нашій руці?
Непохитний характер часу змушує нас страждати від однієї з найважчих емоцій — жалю. І це почалося ще з тих пір, як древня людина вперше розмірковувала про невблаганну природу буття, коли її спис розминувся із жертвою. Найбільш ймовірним науковим поясненням того, чому час рухається тільки в одному напрямку, є другий закон термодинаміки, який стверджує, що в ізольованій системі ентропія може тільки зростати. Але давайте розберемося в усьому по порядку.
Початок часів та помилка Айнштайна
Альберт Айнштайн тривалий час вважав, що Всесвіт не має початку. Він вірив у статичний, незмінний космос, який просто існує. Однак реальність виявилася інакшою: наш Всесвіт не тільки має чіткий початок, але й не є статичним — він фактично розширюється з експоненціальною швидкістю. Через багато років Айнштайн назвав своє прагнення впровадити статичність у рівняння «найбільшою помилкою у житті».
Зараз доведено, що Всесвіт почався в результаті колосального спалаху, який ми називаємо Великим вибухом. З іншого боку, якби не розширення простору, нічне небо було б не темним, а скоріше освітленим нескінченною кількістю зір. Куди б ви не глянули, ваш погляд усюди зустрічав би світловий промінь, тобто світло панувало б завжди і всюди.
Проте Айнштайн мав абсолютну рацію щодо гнучкої природи часу. Він першим зрозумів, як час розтягується та стискається для різних об’єктів, що рухаються з різною швидкістю. Він виявив, що для об’єктів, які прискорюються швидше — незалежно від того, подорожують вони в космічному кораблі чи перебувають під дією гравітації масивної планети, — час іде повільніше порівняно з об’єктами, що перебувають у спокої або рухаються повільно. Час не є абсолютним, він відносний.
Оскільки для тих, хто подорожує зі швидкістю, близькою до швидкості світла, час тече надзвичайно повільно, теоретично можна здійснити швидку подорож у космос і повернутися на Землю вже у далеке майбутнє. Але навіть за таких умов час не втрачає своєї догматичної сутності. Він може сповільнюватися як равлик, але в будь-якому разі безупинно і невблаганно біжить вперед. Щоб зупинити час і повернутися в минуле, нам довелося б подорожувати не просто зі швидкістю світла, а значно швидше. Але це неможливо, оскільки суперечить фундаментальним законам фізики.
Чим же тоді пояснюється така впертість часу?
Другий закон термодинаміки та поняття ентропії
Відповідно до другого закону термодинаміки, в ізольованій системі ентропія може тільки зростати. Ентропія — це міра безладу, хаосу в системі. Напрямок, у якому біжить час (який ми називаємо «вперед»), є саме тим напрямком, у якому зростає загальний хаос.
У термодинаміці ізольована система означає замкнутий простір, повністю захищений від будь-яких зовнішніх сил чи енергетичного обміну. Якщо ви не помиєте брудний посуд у раковині й не розкладете його по поличках, він продовжуватиме накопичуватися, поглиблюючи безлад. Без зовнішнього втручання в такій системі хаос буде тільки посилюватися.
Витягти порядок із безладу можна лише за рахунок витрат енергії (наприклад, ваших зусиль на прибирання). Однак, згідно з першим законом термодинаміки, жоден процес не може виконувати роботу зі 100% ефективністю. Частина енергії безумовно розсіюється у вигляді тепла. Так само, як автомобільний двигун не спалює паливо на 100% — частина енергії нагріває сам метал двигуна й повітря навколо.
Висновок: Порядок у замкнутій системі завжди досягається ціною збільшення безладу в її оточенні. Оскільки найглобальнішим оточенням є сам Всесвіт (ізольована система, яка не може отримати допомоги ззовні), загальний хаос у ньому постійно зростає.
Але чому наша психологічна міра часу пов'язана з термодинамічною ентропією?
Чому людський мозок пам'ятає лише минуле?
Наша міра часу багато в чому є психологічним фактором, але вимірювання часу через хаос пояснює його об’єктивне походження. Людська пам’ять у певному наближенні працює подібно до комп’ютерної.
Мережа нейронів новонародженого спочатку чиста. Коли мозок фіксує якусь подію (сприймає зором, слухом чи на дотик), він реєструє цю інформацію в певній конфігурації нейронних зв'язків. Щоб зберегти ці дані, всередині мозку запускається послідовність складних біохімічних реакцій. Як ми вже знаємо, ці процеси не мають 100% ефективності — частина енергії виділяється у вигляді тепла і розсіюється в навколишній простір.
Це означає, що кожна наша пам’ятна подія, кожен записаний спогад фізично збільшує хаос у Всесвіті. У міру того, як ми накопичуємо життєвий досвід, розсіюється все більше тепла. Людина пам'ятає минуле лінійно, і паралельно з цим відбувається приріст загальної ентропії.
Справжнє питання полягає не в тому, чому ентропія зростає з часом, а в тому, що ми вимірюємо час у тому напрямку, у якому зростає ентропія. Це пояснює, чому термодинамічна та психологічна стріли часу рухаються синхронно.
Стріла часу, продиктована розширенням Всесвіту
Окрім термодинамічної та психологічної, існує космічна стріла часу, пов'язана з розширенням метагалактики. Хаос зростає разом із розширенням Всесвіту з простої причини: варіантів хаотичного розташування частинок набагато більше, ніж варіантів ідеального порядку. Різноманітних конфігурацій атомів, пов'язаних із безладом, незрівнянно більше за кількість упорядкованих конфігурацій.
Цей факт ґрунтується на космологічному припущенні, що на самому початку (у момент Великого вибуху) Всесвіт перебував у стані максимального порядку та однорідності, а потім почав поступово схилятися до неоднорідності й хаосу.
Але що станеться, якщо колись розширення припиниться і Всесвіт почне стискатися?
Якщо гравітація врешті-решт переможе силу розширення і космос почне колапсувати сам у себе (це не відбудеться ще тисячі мільйонів років, але теоретично можливо), чи розвернеться час назад? Чи почнуть істоти майбутнього пам’ятати свій завтрашній день замість учорашнього? Чи збиратимуться розбиті склянки з уламків у цілий посуд?
Свого часу видатний фізик Стівен Гокінг припускав саме такий розвиток подій, аж поки колеги та учні не вказали йому на серйозну помилку. Гокінг визнав неправоту: хаос продовжуватиме зростати навіть тоді, коли Всесвіт почне стискатися. Проте розлад і радіаційне тло під час фази стиснення стануть настільки потужними, що будь-яке складне органічне життя просто загине.
Ми спроможні видобувати корисну енергію та підтримувати життєдіяльність лише тому, що навколо нас є ресурс упорядкованості. Коли загальний порядок вичерпається до нуля (настане так звана «теплова смерть» Всесвіту), зникне будь-яка можливість для існування біологічних структур.
Антропний принцип та вічність
Нам неймовірно пощастило народитися в епоху, коли Всесвіт усе ще перебуває у фазі активного розширення. Дехто вбачає у дивовижній точності початкових умов Великого вибуху божественне втручання. Однак у науці діє інша логіка, відома як антропний принцип.
Якби умови під час посадки насіння в ґрунт були несприятливими — дув ураганний вітер чи земля виявилася кам'янистою, — квітка б не виросла. Так само, якби фізичні константи Всесвіту були бодай на декілька відсотків іншими, розумне життя, здатне запитати: «Чому час тече в одному напрямку?», просто не змогло б виникнути. Ми бачимо Всесвіт саме таким, тому що якби він був влаштований інакше, нас би тут не було, щоб його спостерігати.
Сучасна фізика сходиться на тому, що наш час народився разом із простором близько 13,8 мільярдів років тому під час Великого вибуху. Проте філософи та астрофізики продовжують шукати відповідь на глибше питання: чи існував час (або його аналог) до того, як незбагненні квантові коливання дали поштовх народженню нашого світу? Можливо, космос схожий на гігантську багатовимірну цибулину, де шари реальності виникають один з одного, а поняття часу є значно масштабнішим, ніж ми можемо уявити за допомогою наших органів чуття.