Что такое время и всегда ли оно движется вперед?

Представьте себе время, бегущее вспять. Люди будут молодеть, а не стареть, и после долгой жизни постепенного омоложения — забывая все, что они знают — они закончатся как искорка в глазах своих родителей. Это время, представленное в романе писателя-фантаста Филипа К. Дика, но, как ни странно, направление времени также является проблемой, с которой борются космологи.

В то время как мы принимаем как должное, что время имеет заданное направление, физики так не считают: большинство законов природы являются «обратимыми во времени», что означает, что они работали бы так же хорошо, если бы время определялось как идущее вспять. Так почему же время всегда движется вперед? И всегда ли оно будет так делать?

Имеет ли время начало?

Любая универсальная концепция времени в конечном итоге должна основываться на эволюции самого космоса. Когда вы смотрите на вселенную, вы видите события, которые произошли в прошлом — свету требуется время, чтобы достичь нас. Фактически, даже самое простое наблюдение может помочь нам понять космологическое время: например, тот факт, что ночное небо темное. Если бы у вселенной было бесконечное прошлое и она была бы бесконечной по протяженности, ночное небо было бы совершенно ярким — заполненным светом бесконечного числа звезд в космосе, который существовал всегда.

Долгое время ученые, включая Альберта Эйнштейна, считали, что Вселенная статична и бесконечна. С тех пор наблюдения показали, что она на самом деле расширяется, причем с ускорением. Это означает, что она должна была возникнуть из более компактного состояния, которое мы называем Большим взрывом, подразумевая, что у времени действительно есть начало. Фактически, если мы будем искать достаточно старый свет, мы даже сможем увидеть реликтовое излучение Большого взрыва — космический микроволновый фон. Осознание этого было первым шагом в определении возраста Вселенной (см. ниже).

Но есть загвоздка, специальная теория относительности Эйнштейна показывает, что время... относительно: чем быстрее вы движетесь относительно меня, тем медленнее время будет течь для вас относительно моего восприятия времени. Так что в нашей вселенной расширяющихся галактик, вращающихся звезд и закручивающихся планет восприятие времени различается: все прошлое, настоящее и будущее относительно.

Так существует ли универсальное время, с которым мы все могли бы согласиться?

Временная шкала вселенной. Дизайн Алекс Миттельманн, Coldcreation/wikimedia, CC BY-SA

Оказывается, поскольку вселенная в среднем везде одинакова и в среднем выглядит одинаково во всех направлениях, существует «космическое время». Чтобы измерить его, нам нужно всего лишь измерить свойства космического микроволнового фона. Космологи использовали это, чтобы определить возраст вселенной; ее космический возраст. Оказывается, вселенной 13,799 миллиарда лет.

Стрела времени

Итак, мы знаем, что время, скорее всего, началось во время Большого взрыва. Но остается один неприятный вопрос: что такое время?

Чтобы разобраться в этом вопросе, нам нужно рассмотреть основные свойства пространства и времени. В измерении пространства вы можете двигаться вперед и назад; пассажиры сталкиваются с этим каждый день. Но время отличается, у него есть направление, вы всегда движетесь вперед, никогда в обратном направлении. Так почему же измерение времени необратимо? Это одна из главных нерешенных проблем в физике.

Чтобы объяснить, почему само время необратимо, нам нужно найти процессы в природе, которые также необратимы. Одной из немногих таких концепций в физике (и жизни!) является то, что вещи имеют тенденцию становиться менее «аккуратными» с течением времени. Мы описываем это с помощью физического свойства, называемого энтропией, которое кодирует, насколько упорядочено что-то.

Представьте себе коробку с газом, в которой все частицы изначально были помещены в один угол (упорядоченное состояние). Со временем они естественным образом будут стремиться заполнить всю коробку (неупорядоченное состояние) – и чтобы вернуть частицы в упорядоченное состояние, потребуется энергия. Это необратимо. Это как разбить яйцо, чтобы сделать омлет – как только оно растечется и заполнит сковороду, оно никогда не вернется к форме яйца. То же самое и со Вселенной: по мере ее эволюции общая энтропия увеличивается.

К сожалению, само собой это не очистится. Алекс Диновицер/wikimedia , CC BY-SA

Оказывается, энтропия — довольно хороший способ объяснить стрелу времени. И хотя может показаться, что вселенная становится более упорядоченной, а не менее — переходя от бурного моря относительно равномерно распределенного горячего газа на ранних стадиях к звездам, планетам, людям и статьям о времени — тем не менее, возможно, что она увеличивается в беспорядке. Это потому, что гравитация, связанная с большими массами, может втягивать материю в кажущиеся упорядоченными состояния — с увеличением беспорядка, которое, как мы думаем, должно было иметь место, каким-то образом скрываясь в гравитационных полях. Таким образом, беспорядок может увеличиваться, даже если мы его не видим.

Но учитывая тенденцию природы предпочитать беспорядок, почему вселенная изначально возникла в таком упорядоченном состоянии? Это до сих пор считается загадкой. Некоторые исследователи утверждают, что Большой взрыв, возможно, даже не был началом, на самом деле могут существовать «параллельные вселенные», где время течет в разных направлениях.

Придет ли конец времени?

У времени было начало, но будет ли у него конец, зависит от природы темной энергии, которая заставляет его расширяться с ускорением. Скорость этого расширения может в конечном итоге разорвать вселенную на части, заставив ее закончиться Большим Разрывом; в качестве альтернативы темная энергия может распасться, обратив Большой Взрыв вспять и положив конец Вселенной Большим Сжатием; или Вселенная может просто расширяться вечно.

Но приведет ли какой-либо из этих будущих сценариев к концу времени? Что ж, согласно странным правилам квантовой механики, крошечные случайные частицы могут на мгновение выскочить из вакуума — нечто, постоянно наблюдаемое в экспериментах по физике частиц. Некоторые утверждают, что темная энергия может вызвать такие «квантовые флуктуации», порождая новый Большой взрыв, заканчивая нашу временную линию и начиная новую. Хотя это крайне спекулятивно и крайне маловероятно, мы знаем, что только когда мы поймем темную энергию, мы узнаем судьбу Вселенной.

Так каков же наиболее вероятный исход? Только время покажет.