Приложение . Математика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ББК 22.68
УДК 524.8
К98
К98
Кэрролл Ш.
Вечность. В поисках окончательной теории времени / Пер. с англ.
Е. Шикаревой. — СПб.: Питер, 2016. — 512 с.: ил. — (Серия «New
Science»).
ISBN 978-5-496-01017-7
Что такое время в современном понимании и почему оно обладает именно такими
свойствами? Почему время всегда двигается в одном направлении? Почему существуют
необратимые процессы? Двадцать лет назад Стивен Хокинг пытался объяснить время
через теорию Большого Взрыва. Теперь Шон Кэрролл, один из ведущих физиков-тео-
ретиков современности, познакомит вас с восхитительной парадигмой теории стрелы
времени, которая охватывает предметы из энтропии квантовой механики к путешествию
во времени в теории информации и смысла жизни.
Книга «Вечность. В поисках окончательной теории времени» не просто следующий
шаг на пути к пониманию почему существует Вселенная — это прекрасное чтения для
широкого круга читателей, которые интересуются физикой и устройством нашего мира.
12+ (В соответствии с Федеральным законом от 29 декабря 2010 г. № 436-ФЗ.)
ББК 22.68
УДК 524.8
Права на издание получены по соглашению с A Plume book, a division of Penguin Books USA Inc.
Все права защищены. Никакая часть данной книги не может быть воспроизведена в какой бы то
ни было форме без письменного разрешения владельцев авторских прав.
ISBN 978-0452296541 англ.
ISBN 978-5-496-01017-7
© Plume; Reprint edition (October 26, 2010)
© Перевод на русский язык ООО Издательство
«Питер», 2016
© Издание на русском языке, оформление
ООО Издательство «Питер», 2016
© Серия «New Science», 2016
«
2002
»
«
,
.
».
—
,
,
-
,
.
.
|
Оглавление
Пролог . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12
Время после Большого взрыва . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13
Мы видим далеко не всё . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14
Всегда останутся скептики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16
Примечания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18
Часть I . Время, опыт и Вселенная . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19
Глава 1 . Прошлое — это воспоминания настоящего . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19
Что мы понимаем под временем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20
Примечания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38
Глава 2 . Тяжелая рука энтропии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41
В Зазеркалье . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41
Стрела времени . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43
Будущее и прошлое как верх и низ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .46
Самый надежный закон природы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .48
Возвышение атомов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .51
Энтропия и беспорядок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .53
Энтропия и жизнь . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55
Почему мы не помним будущее? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57
Искусство возможного . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .59
Примечания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .61
Глава 3 . Начало и конец времени . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .64
Видимая Вселенная . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .65
Большая и всё больше . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .67
Большой взрыв . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70
Горячее однородное начало . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .72
Подкрутим контраст во Вселенной . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74
Вселенная не стационарна . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .76
Она ускоряется . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .78
Загадка энергии вакуума . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .82
Глубочайшее будущее . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .84
Энтропия Вселенной . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .86
Примечания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .88 
Оглавление
7
Часть II . Время во Вселенной Эйнштейна . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .94
Глава 4 . Время — штука личная . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .94
Потерянные в пространстве . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .96
Ключ к относительности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
Пространство—время . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
Оставаясь в своем световом конусе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
Самое знаменитое уравнение Эйнштейна . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
Примечания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
Глава 5 . Время гибкое . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Искривляя прямые линии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Главное уравнение Эйнштейна . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Дыры в пространстве—времени . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Белые дыры: черные дыры наоборот . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Примечания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Глава 6 . Петляя во времени . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Жульничество с пространством—временем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Круги во времени . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Врата во вчера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Одно простое правило . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Энтропия и машины времени . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Предсказания и причуды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Флатландия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Изучение машин времени во Флатландии (и в Кембридже) . . . . . . . . . . . . . .
Кротовые норы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Машина времени без особых затрат . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Защита от машин времени . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Примечания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
116
118
121
123
127
128
130
131
133
136
139
141
143
146
147
152
155
156
159
Часть III . Энтропия и ось времени . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
Глава 7 . Время, назад! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Шахматный мир . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ставя время с ног на голову . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
В Зазеркалье . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Адрес состояния системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Запуск частиц в обратном направлении . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Три отражения природы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Сохранение информации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Примечания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
165
168
171
173
176
184
187
190
193 
8
Оглавление
Глава 8 . Энтропия и беспорядок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Огрубление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Энтропия по Больцману . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Контейнер с газом возвращается . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Полезная и бесполезная энергия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Не зацикливайтесь на деталях . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Прокрутка энтропии в обратную сторону . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Деконструкция Бенджамина Баттона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Энтропия как беспорядок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Принцип безразличия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Другие энтропии, другие стрелы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Доказательство второго начала термодинамики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Когда законов физики недостаточно . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Гипотеза о прошлом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Примечания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Глава 9 . Информация и жизнь . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Картинки и воспоминания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Когнитивная нестабильность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Причина и следствие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Демон Максвелла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Записываем и стираем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Информация — физическая величина . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Есть ли у жизни смысл? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Жизнь в движении . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Свободная энергия, а не свободный доступ к пивному крану . . . . . . . . . . . .
Сложность и время . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Примечания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Глава 10 . Повторяющиеся кошмары . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Хаос Пуанкаре . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Цермело против Больцмана . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Проблемы вечной Вселенной . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Флуктуации вокруг равновесия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Антропный принцип . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Отклонение в древние времена . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Собирая яйцо из осколков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Мозг Больцмана . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Кто мы такие в Мультиленной? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Финал . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Примечания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
199
202
205
208
211
214
219
221
224
226
230
233
236
238
241
246
247
250
252
254
256
258
260
264
267
271
273
276
277
281
283
287
289
293
295
298
302
304
305
Оглавление
Глава 11 . Квантовое время . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Квантовая кошка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Как работают волновые функции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Интерференция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Коллапс волновой функции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Необратимость . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Неопределенность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Волновая функция Вселенной . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Запутывание . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ЭПР-парадокс . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Много миров, много умов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Декогеренция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Коллапс волновой функции и стрела времени . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Примечания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
310
313
315
317
322
324
327
329
331
333
335
338
340
343
Часть IV . Из кухни в Мультиленную . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346
Глава 12 . Черные дыры: конец времени . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346
Черные дыры — это реальность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
У черных дыр нет волос . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
Законы механики черных дыр . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
Гипотеза Бекенштейна об энтропии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
Хокинговское излучение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
Испарение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
Потеря информации? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
Сколько состояний поместится в контейнер? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
Голографический принцип . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
Хокинг сдается . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372
Сюрприз из теории струн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
Примечания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
Глава 13 . Жизнь Вселенной . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Наши горячие, однородные первые дни . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Что мы подразумеваем под «нашей Вселенной» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Сохранение информации в расширяющемся пространстве—времени . . .
Комковатость . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Эволюция энтропии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Максимизация энтропии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Пустое пространство . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Реальный мир . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Энергия вакуума . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Почему мы живем не в пустом пространстве? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Примечания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
382
383
385
387
391
396
399
401
406
407
411
415
10
Оглавление
Глава 14 . Инфляция и Мультиленная . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Кривизна пространства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Магнитные монополи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Инфляция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Проблема горизонта . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Истинный и ложный вакуумы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Вечная инфляция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Мультиленная . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Чего хорошего в инфляции? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Возвращаясь к нашему сопутствующему объему . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Подготавливая почву . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Примечания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Глава 15 . Прошлое сквозь будущее . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Эволюция пространства состояний . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Необратимые движения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Особое начало . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Симметричная Вселенная . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
До Большого взрыва . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Стрела всего времени . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Гипотеза о середине . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Новорожденные Вселенные . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Неугомонная Мультиленная . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Собирая все вместе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Примечания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Глава 16 . Эпилог . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Каков ответ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Эмпирический круг . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Мультиленная — это не теория . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Поиск смысла в абсурдной Вселенной . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Следующие шаги . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Примечания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
419
420
423
424
427
430
434
437
440
443
445
447
451
452
454
458
460
463
466
468
470
475
481
483
488
489
492
493
496
498
499
Приложение . Математика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501
Возведение в степень . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501
Большие числа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504
Логарифмы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505
Примечания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508
Благодарности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 509
Дженни за все время
Пролог
Кто-нибудь на самом деле знает, сколько
времени?
Чикаго, Does Anybody Really
Know What Time It Is?
Эта книга — о природе времени, о зарождении Вселенной и о фундаментальной
структуре физической реальности . Мы здесь не мыслим какими-то мелкими,
незначительными категориями . Мы рассматриваем вековые, основательные
проблемы . Откуда взялись время и пространство? Действительно ли все огра-
ничивается той Вселенной, которую мы видим, или же существуют другие
«Вселенные» за пределами доступного нашему взору? Чем будущее отличает-
ся от прошлого?
Согласно авторам Оксфордского словаря, время — наиболее часто исполь-
зуемое существительное в английском языке . На протяжении своей жизни мы
движемся сквозь время, с одержимостью следим за ним и ежедневно пытаемся
перегнать, — и все же, как ни удивительно, мало найдется людей, которые
смогут простыми словами объяснить, что же такое время.
Мы живем в эпоху Интернета, поэтому логично будет обратиться за по-
мощью к свободной энциклопедии Wikipedia . На момент написания этой
книги статья Time начинается следующими словами:
Время — это компонент измерительной системы, используемый для опреде-
ления порядка следования событий, для сравнения продолжительности со-
бытий и интервалов между ними, а также для количественного описания
движения объектов. Время — одна из главных тем религиозных, философских
и научных изысканий, но даже величайшим ученым не удается дать определе-
ние времени в непротиворечивой форме, применимой ко всем областям иссле-
дований.1
Ну, поехали . К концу книги мы сможем сформулировать очень точное
определение времени, которое будет применимо ко всем областям . К сожалению,
намного менее очевидно, почему время обладает теми свойствами, которыми
обладает, — хотя несколько интригующих идей мы с вами все же изучим . 
Пролог
13
Космология, учение обо всей Вселенной, за последнюю сотню лет здорово
продвинулась вперед . Четырнадцать миллиардов лет назад наша Вселенная
(или, по крайней мере, та ее часть, которую мы в состоянии наблюдать) нахо-
дилась в невообразимо горячем, плотном состоянии, которое мы называем
Большим взрывом . С той поры Вселенная расширяется и охлаждается, и, судя
по всему, она продолжит делать это во всем обозримом будущем, а может быть,
на протяжении вечности .
Сто лет назад ничто из этого нам не было известно — ученые практически
не имели никакого представления о структуре Вселенной за пределами галак-
тики Млечный Путь . Сегодня, когда мы сумели снять мерки с наблюдаемой
Вселенной, мы в силах детально описать не только ее размер и форму, но также
составные части и приблизительный ход истории . Однако на многие важные
вопросы, в частности связанные с первыми моментами Большого взрыва, мы
ответить пока не можем . Как мы узнаем, эти вопросы играют критически важ-
ную роль в нашем понимании времени — не только на бескрайних просторах
космоса, но и в наших лабораториях на Земле и даже в нашей повседневной
жизни .
Время после Большого взрыва
Очевидно, что с течением времени Вселенная эволюционирует: ранняя Все-
ленная была горячей и плотной, современная Вселенная холодная и разрежен-
ная . Но я собираюсь обрисовать намного более глубокие связи . Самая загадоч-
ная характеристика времени — наличие у него направленности: прошлое
отличается от будущего . Это стрела времени. В отличие от направлений в про-
странстве, которые между собой равноправны, у Вселенной, несомненно, есть
предпочтительная ориентация во времени . Основная тема этой книги — то,
что стрела времени существует, потому что Вселенная эволюционирует опре-
деленным образом .
Причина, почему у времени есть направление, кроется в том, что Вселенная
полна необратимых процессов — событий, которые происходят в одном на-
правлении времени, но никогда в другом . Можно превратить яйцо в омлет, как
в классическом примере, но невозможно сделать из омлета целое яйцо . Моло-
ко смешивается с кофе; топливо сгорает и превращается в выхлопные газы;
люди рождаются, взрослеют и умирают . В Природе мы повсеместно обнару-
живаем последовательности событий, в которых один тип событий всегда
предшествует другому, а другой — всегда следует после . Все вместе они опре-
деляют стрелу времени .
14
Пролог
Примечательно, что в основе всего нашего понимания необратимых про-
цессов лежит одно-единственное понятие — то, что называется энтропией
и измеряет «неупорядоченность» объекта или скопления объектов . С те-
чением времени энтропия упрямо увеличивается или, по крайней мере,
остается постоянной — это знаменитое второе начало термодинамики .2
А причина, почему энтропия стремится возрастать, обманчиво проста: су-
ществует намного больше способов устроить беспорядок, чем организовать
порядок; следовательно (при прочих равных условиях), упорядоченные кон-
фигурации будут естественным образом перетекать во все более беспорядоч-
ные . Совсем несложно перемешать молекулы яйца, для того чтобы получить
омлет, но аккуратно собрать их обратно, сформировав целое яйцо, нам не под
силу .
На этом традиционная история, которую физики обычно рассказывают
о себе, заканчивается . Но существует еще один ингредиент, обладающий не-
вероятной важностью, который пока что не получает должного внимания: если
все во Вселенной эволюционирует в направлении увеличения беспорядка, то
оно должно было стартовать с невероятно упорядоченной конфигурации . Вся
эта логическая цепочка, объясняющая, почему невозможно превратить омлет
в яйцо, очевидно, базируется на фундаментальном предположении, касающем-
ся ранней Вселенной: она пребывала в состоянии очень низкой энтропии
и очень высокой упорядоченности .
Стрела времени соединяет раннюю Вселенную с тем, что мы в буквальном
смысле испытываем в каждый момент нашей жизни . Это не только разбивание
яиц и другие необратимые процессы, такие как добавление молока в кофе или
захламление комнаты, в которой никто не убирается . Стрела времени — это
причина, почему нам кажется, что время течет мимо нас или (если угодно) по-
чему мы плывем сквозь время . Это причина, почему мы помним прошлое, но
не будущее . Почему мы растем и изменяемся, почему у нас происходит процесс
обмена веществ и почему мы в конце концов умираем . Почему мы верим в при-
чинно-следственную связь . Это принципиальный компонент нашего пред-
ставления о свободе воли .
И все это благодаря Большому взрыву .
Мы видим далеко не всё
Загадка стрелы времени, по сути, сводится к следующему: почему условия
в ранней Вселенной были именно такими, какими они были; почему существо-
вала конфигурация с низкой энтропией, позволившая произойти всем этим
Пролог
15
интересным и необратимым процессам? Исследованиям этого вопроса и по-
священа данная книга . К сожалению, правильного ответа на него никто пока
что не знает . Но в развитии современной науки мы достигли этапа, на котором
у нас уже есть необходимые инструменты для того, чтобы всерьез взяться за
эту загадку .
И ученые, и древние мыслители всегда старались понять время . В Древней
Греции философы досократовских времен Гераклит и Парменид занимали
разные позиции по вопросу природы времени: Гераклит подчеркивал первич-
ность изменения, в то время как Парменид отрицал реальность изменения
вообще . Девятнадцатый век был героической эпохой статистической механи-
ки: люди научились устанавливать поведение макроскопических объектов
исходя из их микроскопических составляющих, — когда такие фигуры, как
Людвиг Больцман, Джеймс Клерк Максвелл и Джозайя Уиллард Гиббс, сумели
дать определение энтропии и описать ее роль в необратимых процессах . Од-
нако им ничего не было известно об общей теории относительности Эйнштей-
на или о квантовой механике и уж, конечно, о современной космологии . Впер-
вые в истории науки у нас по крайней мере есть шанс собрать обоснованную
теорию времени и эволюции Вселенной .
Я собираюсь предложить следующую версию: Большой взрыв не был на-
чалом Вселенной . Космологи иногда говорят, что Большой взрыв представляет
истинную границу пространства и времени, до которой ничего не существо-
вало, — на самом деле даже само время не существовало, поэтому понятие
«до», строго говоря, в этом случае применять нельзя . Однако мы слишком
мало знаем об окончательных законах физики, чтобы с уверенностью делать
подобные заявления . Ученые все чаще начинают апеллировать к возможности
того, что Большой взрыв в действительности не был началом всего, — это
всего лишь фаза, через которую проходит Вселенная или как минимум наша
часть Вселенной . Если это правда, то вопрос о нашем низкоэнтропийном на-
чале принимает другую форму: не «Почему Вселенная зародилась в таком
низкоэнтропийном состоянии?», а «Почему наша часть Вселенной прошла
через период такой низкой энтропии?»
Хотя этот вопрос и не кажется более простым, это — другой вопрос, и он
открывает нам новый диапазон возможных ответов . Не исключено, что Все-
ленная, которую мы видим, — всего лишь часть намного более крупной Муль-
тиленной, которая не зарождается в низкоэнтропийной конфигурации . Я при-
веду доводы, что самая разумная модель Мультиленной — такая, где энтропия
увеличивается просто потому, что энтропия способна увеличиваться всегда:
не существует состояния максимальной энтропии . В качестве дополнительно-
16
Пролог
го бонуса Мультиленная может быть абсолютно симметричной во времени:
начиная с какого-то момента в середине, когда энтропия имеет высокое значе-
ние, она эволюционирует по направлению к прошлому и будущему в состояния,
в которых энтропия еще выше . Вселенная, доступная нашему взору, — это
всего лишь крошечный отросток невероятно массивного ансамбля, и наше
конкретное путешествие из плотного Большого взрыва к извечной пустоте —
это часть более глобального стремления всей Мультиленной к увеличению ее
собственной энтропии .
В любом случае это всего лишь одна из возможностей . Считайте это при-
мером одного из сценариев, которые космологам следует рассматривать, если
они решают всерьез взяться за проблемы, порождаемые стрелой времени .
И независимо от того, ведет ли нас данная конкретная идея в правильном на-
правлении, сами по себе эти проблемы уже невероятно увлекательны и реаль-
ны . На протяжении этой книги мы будем изучать проблемы времени с самых
разных точек зрения: путешествия во времени, информация, квантовая меха-
ника, природа вечности . Когда уверенности относительно того, как должен
звучать финальный ответ, еще нет, вопрос следует пробовать задавать всеми
способами, какие только возможны .
Всегда останутся скептики
Не все согласны с тем, что космология должна играть значительную роль в на-
шем понимании стрелы времени . Однажды мне довелось провести семинар на
эту тему в большой аудитории на физическом факультете одного крупного
учебного заведения . Один из пожилых профессоров этого факультета посчитал
мое выступление недостаточно убедительным и приложил усилия для того,
чтобы все присутствующие узнали о его неудовольствии . На следующий день
он разослал электронное сообщение другим сотрудникам факультета и при
этом был достаточно любезен для того, чтобы включить в список адресатов
и меня: