Шукаючи походження часу

Час – базова властивість природи, його можна виміряти з такою точністю, як жодну іншу величину. Та про його властивості, як він виникає і чому минає так, як минає, невідомо практично нічого. Протягом тисяч років наукових пошуків людина практично не просунулася вперед, шукаючи відповіді на ці запитання. Новий підхід запропонували троє науковців у журналі Physical Review Letters, він мав би пролити більше світла на таємницю походження часу. Флавіо Мекаті (Flavio Mercati) з канадійського Інституту теоретичної фізики «Perimeter», Джулія Барбор (Julian Barbour) з Оксфордського Університету і Тім Козловські (Tim Koslowski) з Ньюбрансвікського Університету (Канада) продемонстрували, як у фізичній моделі лише на основі базового рівняння – ньютонівського закону ґравітації – час отримує напрям.

Ньютонівське рівняння є «найпростішим нетривіальним часово-симетричним законом», який можна застосувати для моделювання Всесвіту. Воно не встановлює – як й інші базові закони фізики – напряму для часу. Зі звичайної системи, яка діє згідно з законом ґравітації, неможливо дізнатися, чи час тече вперед, чи назад.

Але чому сучасність здається такою інакшою порівняно з минулим? Чому розбивається горнятко, яке падає зі столу, а його друзки ніколи більше не зберуться в єдине?

Пояснити таку односторонню поведінку системи намагається другий закон термодинаміки. Згідно з ним, ентропія постійно зростає, в закритій системі вона ніколи не зменшується. Ентропія – це певна кількість можливих станів системи. Починаючи зі спеціального вихідного стану, кожен наступний, який від нього розвивається, має більшу кількість можливих станів. Є тільки одна можливість, що молекули горнятка зберуться назад докупи. Але є багато можливостей йому розбитися на шматки. Тобто в стані друзків ентропія – вища. Адже вона, згідно з другим законом, постійно росте й ніколи не зменшується, отже, в ній можна побачити часовий стимул. Вона надає часові певного напрямку. Великий вибух мав би бути станом найнижчої ентропії, який відтоді через розширення Всесвіту розвивається у стан вищої ентропії.

Детальніше побачити, як тече час у Всесвіті, – парадоксально. Згідно з теорією Великого вибуху, ми походимо з невпорядкованого гарячого стану, в якому все відбувалося хаотично, й подеколи натрапляємо на одиничні впорядковані планетарні системи й галактики. Здається, що ентропія видимого Всесвіту з часом зменшувалася, а не зростала.

Людвіг Больцманн помітив цю проблему ще 1895 року, коли роздумував над походженням часових осей. «Больцман вважав, що наш видимий Універс є лише рідкісною проміжною статистичною флуктуацією нижчої ентропії й діє тільки в маленькій частинці великої системи», – пише Стів Карліп (Steve Carlip), професор фізики в Каліфорнійському Університеті в Девісі в супровідному коментарі до методу Меркаті й Ко. Таке пояснення для фізиків – незадовільне. Меркаті та його колеґи могли б своїм підходом довести, що подібні «халтури» – непотрібні.

Щоб розкрити походження осей часу, розглянули систему великої кількості матеріальних точок, на яких діє тільки ґравітація. Науковці ввели міру просторового розподілу матеріальних точок і назвали її «комплексністю». Грубо кажучи, в більш складному стані матеріальні точки системи віддалені одна від одного сильніше, ніж за умов меншої комплексності.

За допомогою математичної вправності науковці можуть продемонструвати, що матеріальні точки спочатку, до стану вищої густини й меншої комплексності (складності), об'єднуються, коли їх залишити на самих себе й силу тяжіння. Цей стан можна порівняти з статистичною флуктуацією, яку потребував Больцманн для пояснення зав'язків у Всесвіті. В описі Меркаті та його партнерів такий стан присутній не як рідкісний випадок, він виникає цілком природно з ньютонівської ґравітації.

З цього стану система має тільки два шляхи розвитку. І не має значення, чи час тектиме вперед чи назад: комплексність зростає лінійно, й хоча симетрично, але в обох напрямках однаково. Можна знайти дві квазіосі часу, які мають чіткий напрям для спостерігача, що перебуває в одній з двох «рук часу».

Ідея про час, який розвивається зі стану мінімальної комплексності до двох майбутніх версій у двох напрямах, не нова, пише Карліп у своєму коментарі. Вона, наприклад, є в космологічних моделях «вічної інфляції». Але розвиток у такій простій системі, в якій описують його Меркаті та компанія, виглядає несподівано.

Інші експерти до цього ставляться інакше. Мартін Бойовалд (Martin Bojowald), що вивчає у Пенсільванському державному Університеті основні закони космології, зауважує: передбачуваним є те, що зростання сили тяжіння має тенденцію до утворення структури, з цієї причини  можна пояснити принаймні одну вісь часу. Все ж деякі з нових властивостей, які Мекарті з колеґами описали в своєму «детальному напрацюванні», є цілком несподіваними й цікавими.

Ганц-Дітер Цеі (Heinz-Dieter Zeh), свого часу професор фізики у Гайдельберзі й автор праці зі стандартним підходом до вивчення часових осей, не виявив жодного захоплення. Вже давно припускали існування взаємозв'язку термодинамічних осей часу та розширення Всесвіту, відповідно й зростання ентропії з його щораз більшим розширенням. У деяких моделях Усесвіт може «провалитися» через синґулярнітсь й знову розширюватися після неї. «Потім експерти сперечаються, чи при цьому вісь часу повертається, чи зберігається», – каже Цеі. В роботі, про яку йдеться, він критикує застосоване визначення «комплексності». Це все «кілька тривіальних формул» і «через це я взагалі не розумію, чому цю роботу опублікували. Ймовірно, для підтвердження росту лібертинізму в галузях сучасної фізики».

Чи наближає розвідка фізиків до розгадки таємниці походження часу, буде видно. «Застосована модель ньютонівської ґравітації є порівняно простою, універсальність результатів – важко оцінити, – пояснює Мартік Бойовальд. – З іншого боку, для конкретних обчислень ці записи – важливі, їх, принаймні частково, можна здійснити в межах теорії відносності».

На роботу покладають багато надій як на вихідний пункт для наступних досліджень. Чи колись таким способом можна буде експериментально зрозуміти суть часу, залишається під питанням. Хоча вісь часу й можна виміряти через ентропію чи через запропоноване визначення комплексності, але автори не пояснюють, як саме їхнє трактування часової осі відрізняється від інших.

Зреферувала Соломія КРИВЕНКО

Джерело: http://www.spektrum.de.