Як гравітація може пояснити, чому час йде тільки вперед?

Ми не можемо зупинити час. Навіть в пробці, коли час, здається, завмирає і зупиняється. Економія світла в денний час теж не допомагає, час неминуче прагне вперед. Чому не назад? Чому ми пам'ятаємо минуле, а не майбутнє? Фізики вважають, що відповідь на цей глибокий і складний питання може ховатися в добре знайомої нам всім гравітації.

Основні закони фізики абсолютно не хвилює, в якому напрямку рухається час. Наприклад, правила, які регулюють орбіти планет, працюють незалежно від того, рухаєтеся ви в часі вперед або назад. Ви можете переглянути руху в Сонячній системі в зворотному порядку і вони будуть виглядати зовсім нормально, не порушуючи ні один із законів фізики. Що ж відрізняє майбутнє від минулого?

"Проблема стріли часу завжди хвилювала людей", - каже Флавіо Меркато з периметричного інституту теоретичної фізики в Ватерлоо, Канада.

Більшість людей, які замислюються про стрілі часу, кажуть, що вона визначається ентропією, кількістю безладу (хаосу) в системі, будь то миска з кашею або виселення. Згідно з другим законом термодинаміки, загальна ентропія замкнутої системи завжди зростає. Поки ентропія зростає, час рухається в тому ж напрямку.

Коли кубик льоду в вашому склянці тане і розбавляє ваш віскі з колою, наприклад, ентропія зростає. Коли ви розбиваєте яйце, ентропія зростає. Обидва приклади незворотні: ви не можете заморозити кубик льоду в склянці з теплою колою або зібрати яйце заново. Послідовність подій - а значить і час - рухається тільки в одному напрямку.

Якщо стріла часу слід за зростанням ентропії, і якщо ентропія у Всесвіті завжди зростає, значить, в якийсь момент в минулому ентропія повинна була бути низькою. Тут і народжується загадка: чому ентропія Всесвіту на початку була низькою?

На думку Меркато і його колег, не було ніякого особливого початкового стану взагалі. Замість цього, стан, яке вказало часу рухатися вперед, з'явилося природним шляхом у всесвіті під диктовку гравітації. Цей аргумент вчені розкрили в недавно опублікованій роботі в Physical Review Letters.

Для перевірки своєї ідеї вчені змоделювали Всесвіт у вигляді зборів тисячі частинок, які взаємодіють один з одним тільки за допомогою гравітації і являють собою галактики і зірки, плаваючі в космосі.

Вчені виявили, що незалежно від стартових позицій і швидкостей в якийсь момент частинки неминуче опиняються згрупованими разом в кулю, перш ніж знову розсипатися. Цей момент можна назвати еквівалентним Великого Вибуху, коли весь всесвіт стискається в нескінченно малу точку.

Замість того щоб використовувати ентропію, вчені описують свою систему з використанням величини, яку самі називають "заплутаністю" (complexity), яка визначається як грубе ставлення відстані між двома частками, які знаходяться далі один від одного, ніж від інших, до відстані між двома найближчими частинками . Коли всі частинки злипаються воєдино, заплутаність знаходиться в найменшому значенні.

Ключова ідея в усьому цьому, як пояснює Меркато, така: цей момент найменшої заплутаності виникає природним шляхом з групи гравітаційно взаємодіючих частинок - ніяких особливих умов не потрібно. Заплутаність збільшується в міру того, як частинки розходяться, представляючи одночасно і розширення Всесвіту, і рух часу вперед.

Якщо цього недостатньо, події, які мали місце до того, як згрупувалися частки - тобто до Великого Вибуху - рухалися в другому напрямку часу. Якщо ви програєте події з цього моменту назад, частинки поступово розлетяться зі скупчення. Оскільки в цьому зворотному напрямку заплутаність зростає, ця друга стріла часу теж буде вказувати в минуле. Яке, виходячи з другого напрямку часу, буде насправді "майбутнім" інший всесвіту, яка існує по той бік Великого Вибуху. Вельми заплутано, погодьтеся.

Ця ідея схожа на ту, що 10 років тому запропонували фізики Шон Керролл і Дженніфер Чен з Каліфорнійського технологічного інституту. Вони зв'язали стрілу часу з ідеями, що описують інфляцію, різке і швидке розширення Всесвіту, яке відбулося відразу після Великого Вибуху.

"Що цікаво в цій ідеї, це те, що вона цілком логічно пов'язана з нами, - говорив Керролл, описуючи свою роботу може бути застосовано до стріли часу. - Можливо, причина того, що ми пам'ятаємо вчорашній день і не пам'ятаємо завтрашній, полягає в умовах, пов'язаних з Великим Вибухом ".

Зв'язок напрямки часу з простою системою з класичної фізики відносно нова, каже фізик Стів Карліп з Каліфорнійського університету в Девісі. Нове в цьому - відмовитися від ентропії на користь ідеї заплутаності. Проблема ентропії в тому, що вона визначається в термінах енергії і температури, які вимірюються за допомогою зовнішнього механізму на кшталт термометра. У випадку зі всесвіту немає ніякого зовнішнього механізму, тому вам потрібна величина, яка не спирається на одну з одиниць виміру. Заплутаність, на відміну від цього, є безрозмірним відношенням і відповідає всім вимогам.

Це не означає, що від ентропії потрібно відмовитися зовсім. Наш повсякденний досвід - на зразок вашого прохолодного лимонаду - покладається на ентропію. Але при розгляді питання часу в космічних масштабах потрібно оперувати терміном заплутаності, а не ентропії.

Одним з основних обмежень цієї моделі є те, що вона виключно зроблена на базі класичної фізики, повністю ігноруючи квантову механіку. Також вона не включає в себе загальну теорію відносності Ейнштейна. У ній немає темної енергії або чогось ще, що потрібно для створення точної моделі Всесвіту. Але дослідники думають про те, як включити більш реалістичну фізику в модель, що згодом могло б дати можливість зробити перевіряються прогнози.

"Для мене великою проблемою є те, що існує безліч різних фізичних стріл часу", - говорить Карліп. Пряме напрямок часу найчастіше проявляє себе, абсолютно не підключаючи гравітацію. Наприклад, світло завжди випромінюється від лампи - і ніколи у напрямку до них. Радіоактивні ізотопи розпадаються на більш легкі атоми, ніколи навпаки. Чому тоді стріла часу, що з'явилася з гравітації, підштовхує інші стріли часу в тому ж напрямку?

"Це велике питання, яке залишається відкритим. Думаю, поки що ні в кого немає доброї відповіді на це питання".