На лужайке Эйнштейна. Что такое ничто, и где начинается всё - Аманда Гефтер (2014)

Отсеивая различные идеи, я все время возвращалась к теме стрелы времени. Мы много обсуждали загадку стрелы времени на занятиях по философии статистической механики. В теории Эйнштейна время и пространство присутствуют на равных условиях, сшитые вместе в одну большую модель блочной Вселенной. Почему же тогда мы можем двигаться назад в пространстве, но не можем во времени? Теория относительности не дает ответа на этот вопрос, и физика элементарных частиц также здесь беспомощна. Законы физики, которые описывают взаимодействие частиц, работают одинаково вперед и назад во времени. Если частицы не видят стрелу времени, почему мы должны ее видеть?

Необходимо иметь какую-то глобальную асимметрию, на которую можно было бы прикрепить стрелу времени. К счастью, такая имеется: энтропия никогда не уменьшается. Как энтропия, так и стрела времени существует только на макро-уровне в нашем мире, а не в микромире элементарных частиц. Часто говорят, что энтропия описывает меру беспорядка, но в принципе, как я узнала, это мера скрытой информации. Если вы хотите описать физическую систему, скажем газ в объеме, то у вас есть два варианта. Вы можете проследить постоянно изменяющееся положение и импульс каждой из отдельных молекул газа, или же вы можете просто взять средние значения. Среднюю скорость перемещения молекул газа называют его температурой, среднюю скорость изменения импульса – давлением. Температура и давление – эти два числа, как значок на посылке, указывающий на ее содержание, кодируют информацию о постоянно меняющемся микросостоянии системы.

Существует огромное число различных возможных микроскопических состояний, которые, усредняясь, дают одни и те же макроскопические величины. Чем больше количество микроскопических возможностей, тем труднее нам угадать, какая из них была реализована, а значит, менее точны наши знания о микросостоянии и выше энтропия системы. В этом месте в игру вступает беспорядок – существует гораздо больше микроскопических конфигураций, совместимых с «неупорядоченным» состоянием, чем с «упорядоченным». Бесчисленные конфигурации молекул H2O соответствуют луже воды; гораздо меньшее их количество соответствуют сложно устроенным кристаллам льда. Лужа – это что-то более беспорядочное: мы имеем меньше информации о ее скрытом внутреннем устройстве, поэтому в ней больше энтропия. А энтропия подразумевает тепло.

На первый взгляд это кажется странным. Почему недостаток информации проявляет себя как нечто физическое, как тепло? «Может ли собственное невежество сжечь нас в буквальном смысле слова?» – записала я в своем блокноте. Такое вполне возможно – не будем забывать, о каких масштабах идет речь! Температура не относится к краеугольным характеристикам реальности – она возникает как коллективное свойство большого количества частиц на макроскопическом уровне. У отдельной молекулы нет температуры. Так что если вы выберете для исследования системы, состоящие из отдельных молекул, о температуре можно не думать. Усредните микроскопическую информацию, полученную в результате наблюдения за кишащим роем молекул, и вы получите тепло. Все дело в размерах – выберете побольше, и сможете выменивать информацию на температуру.

Когда я наливаю молоко в кофе, оно за короткий промежуток времени растворяется, придавая напитку однотонный оттенок мокко. Почему? Почему бы ему спонтанно не сложиться в слово «Hello»? Потому что в чашке кофе имеется около 1024 молекул и число их конфигураций, соответствующих равномерному цвету мокко, значительно превышает количество конфигураций, соответствующих слову «Hello». Сказать «значительно» – это не сказать почти ничего. Я могла бы сидеть здесь и ждать миллиарды лет, и все равно это было бы недостаточно долго, чтобы мой кофе послал мне горячее приветствие. «Какова вероятность, что молекулы воздуха в моей квартире соберутся в конфигурацию убегающей крысы?» – задалась я вопросом. А как насчет просто хвоста?