Для этого посмотрим, как наш мозг или упрощенная его модель-компьютер запоминает информацию. Компьютер несравненно проще, чем человеческий мозг, поэтому мы обратимся к работе его запоминающего устройства. Это устройство состоит из большого количества элементов, которые могут находиться в двух состояниях. Для наглядности можно представить себе подобие счетов с горизонтальными проволочками, и на каждой из них по бусинке. Бусинки могут находиться только в двух положениях: либо сдвинутыми влево до отказа, либо вправо. Как известно, любое сообщение, любую информацию можно записать последовательностью нулей и единиц. Условимся, что нуль соответствует бусинке, сдвинутой влево, а единица — бусинке, сдвинутой вправо. Теперь понятно, что любую информацию можно зафиксировать на наших достаточно длинных «счетах», сдвинув в нужные положения (влево или вправо) бусинки на последовательности проволочек. В таком виде информация может храниться, это и есть «запоминающее устройство». Конечно, в реальных компьютерах, а тем более в мозгу, «технически» все устроено иначе, но основной принцип тот же, а нам только это сейчас и важно.
Чтобы зафиксировать в «памяти» некоторую информацию, необходимо передвинуть нужным образом бусинки на проволочках и убедиться, что они поставлены в правильное положение. А для этого надо затратить энергию, которая в итоге выделится в виде тепла (в электронном компьютере оно выделяется и при работе, и при его охлаждении). Выделенное при «запоминании» тепло, нагревая окружающую среду, увеличивает «хаос» (энтропию) Вселенной. И он всегда больше того порядка, который вносится в запоминающее устройство при записи информации. С. Хоукинг приводит такой подсчет. Если вы запомнили каждое слово в книге, подобной этой, то ваша память записала около двух миллионов единиц информации. На столько единиц увеличится порядок в вашем мозгу. Но во время чтения книги вы переработали по крайней мере тысячу калорий упорядоченной энергии в виде пищи в неупорядоченную в виде тепла, которое выделяется в атмосферу. Это увеличит беспорядок Вселенной примерно на двадцать миллионов миллионов миллионов миллионов единиц информации. Это в десять миллионов миллионов миллионов раз превышает возрастание порядка в мозгу, да и то если вы запомнили все в этой книге…
Таким образом, в итоге получается, что при запоминании беспорядок во Вселенной всегда только возрастает, хотя в маленьком уголке Вселенной (в запоминающем устройстве, на «счетах», в компьютере или в человеческом мозгу) — при этом устанавливается порядок. Последовательность процесса, в котором происходит запоминание, совпадает с последовательностью, а котором возрастает хаос во Вселенной.
«Направление времени, — пишет С. Хоукинг, — в котором компьютер запоминает прошлое, совпадает с направлением, в котором возрастает беспорядок.
Наше субъективное восприятие направления времени определяется, следовательно, в нашем мозгу «термодинамической стрелой времени». Точно так же, как компьютер, мы должны запоминать вещи в той же последовательности, в которой возрастает энтропия. Это делает второй закон термодинамики совершенно тривиальным. Беспорядок возрастает со временем, потому что мы измеряем время в направлении, в котором возрастает беспорядок. Вы не можете иметь утверждение более беспроигрышное, чем это!»
Чтобы сделать свои рассуждения еще очевиднее, С. Хоукинг рисует следующую фантастическую картину.
«Предположим, однако, что Бог решил, что Вселенная должна закончить существование в состоянии высокого порядка, и совершенно безразлично, с какого состояния она начинала эволюционировать. Это означало бы, что беспорядок уменьшался бы со временем. Вы могли бы видеть разбитые чашки, собирающиеся из осколков и вспрыгивающие обратно на стол. Однако любые человеческие существа, которые наблюдали бы чашки, жили бы во Вселенной, в которой беспорядок уменьшается со временем… Такие существа имели бы «психологическую стрелу времени», направленную вспять. Это означает, что они помнили бы события будущего и не помнили бы события в их прошлом. В момент, когда чашка разбита, они помнили бы ее стоящей на столе, но в момент, когда она была на столе, они не помнили бы ее находящейся на полу».
Итак, «психологическая» и «термодинамическая» стрелы времени должны совпадать.
Но почему вообще существует «термодинамическая стрела времени»? Иными словами, почему в прошлом был порядок и в будущее наша Вселенная развивается к большему беспорядку? Если бы с самого начала во Вселенной был полный беспорядок, то это и было бы состояние «тепловой смерти», и Вселенная вечно пребывала бы в таком состоянии, нарушаемом лишь случайными флуктуациями. При всеобщем беспорядке не было бы никакой «термодинамической стрелы времени».
Наша Вселенная явно не такова. Что можно сказать о степени упорядоченности Вселенной в момент ее рождения? В сингулярном состоянии должны в полном объеме проявляться квантовые свойства материи и пространства-времени. Значит, состояние это целиком определяется квантовыми свойствами. Каково же квантовое состояние нашей Вселенной в момент рождения?
Многие специалисты с разных точек зрения высказывали гипотезу о том, что это состояние должно быть максимально упорядочено. Об этом говорили Я. Зельдович и Л. Грищук, такую гипотезу выдвинул С. Хоукинг, в пользу этого предположения приведены соображения в нашей совместной работе с Д. Компанейцем и В. Лукашем.
Очень интересен и оригинален подход С. Хоукинга к изучению этой проблемы. Формулы теории очень удобно записать, используя не обычное время, а так называемое «мнимое время». Мнимое время получается из обычного умножением на мнимую единицу — корень квадратный из минус единицы. Во все уравнения, записанные с мнимым временем, это мнимое время входит точно так же, как пространственные координаты. Временное направление в пространстве-времени теперь не отличается от пространственных направлений по своим свойствам. Начертим мысленно линии — направления мнимого времени в четырехмерном пространстве-времени вблизи сингулярности, то есть вблизи начала существования нашей Вселенной. Эти направления выглядят подобно меридианам на земном глобусе, сходящимся к Южному полюсу. Пространственные направления изображаются дугами параллелей. Только параллели на земном глобусе имеют одно измерение, а пространственные направления во Вселенной трехмерны. Но это отличие сейчас не столь важно для наглядного изображения.
Если Вселенная имеет замкнутое пространство и начинает расширяться от сингулярности, то на нашей картинке это выглядит следующим образом. Сингулярность соответствует Южному полюсу. Длины кругов-параллелей изображают размер замкнутой Вселенной. Расстояние по меридианам от Южного полюса соответствует мнимому времени, протекшему с начала расширения. В Южном полюсе — в сингулярности — Вселенная начиналась с нулевого размера; затем она все больше расширялась — длина параллелей увеличивалась с удалением от Южного полюса, наконец достигла экватора, что соответствует максимуму расширения, а потом начала сжиматься. Но нас сейчас интересует область вблизи Южного полюса.
В этой точке, вообще говоря, может быть какая-то особенность на поверхности, например, острый пик — горка, но поверхность может быть и совершенно ровная, ничем не отличаться от других точек на глобусе. С. Хоукинг предположил, что в случае нашей Вселенной именно такая гладкость и имеет место. Иными словами он предположил, что Южный полюс — сингулярность нашей Вселенной, изображенный с использованием мнимого времени, ничем в пространстве-времени не выделяется от соседних мест.
Тогда начальное состояние Вселенной должно быть максимально гладким — упорядоченным. Хотя в этом состоянии пространственные размеры Вселенной (длины параллелей) равны нулю, но тем не менее эта точка ничуть не более особенна, чем Южный полюс на нашей планете. Мы эту сингулярность можем мысленно «проходить» на картинке с мнимым временам, никак не отличая ее от других точек, точно так же, как можем пересекать в путешествии Южный полюс Земли, ничего особенного не испытывая.
Но теперь давайте обратим внимание на следующее. Если мы находимся в нашей картинке в стороне от Южного полюса, то легко различаем, в каком направлении лежит сингулярность — полюс. Это направление к югу. В этом направлении «на юг» находится прошлое — начало расширения Вселенной. В направлении «на север» находится будущее — дальнейшее увеличение размеров Вселенной. Но давайте теперь станем на самый Южный полюс — сингулярность. Эта точка ничем не выделяется, здесь такая же гладкая поверхность, как и рядом, но отсюда расходятся меридианы. Из Южного полюса нельзя двигаться «на юг» — в прошлое. Все пути ведут только на север — в будущее.
Вопрос о том, что было раньше сингулярности в этой картинке, становится бессмысленным. Ибо
