Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности

Вид материала

Подобный материал:

1 ... 15 16 17 18 19 20 21 22 ... 66

В последней секции нам показалось, что был сделан прогресс через второй закон термодинамики, который явно выделяет будущее как направление, в котором энтропия возрастает. Но после дальнейших размышлений это оказывается не так просто. Отметим, что в нашем обсуждении энтропии и второго закона мы не преобразовывали никоим образом законы классической физики. Вместо этого, все, что мы сделали, это использовали законы в "крупномасштабных" статистических рамках: мы проигнорировали тонкие детали (точный порядок несоединенных страниц Войны и мира, точные положения и скорости составляющих яйца, точные положения и скорости молекул СО2 в бутылке колы), а, напротив, сконцентрировали наше внимание на макроскопических, всеобъемлющих свойствах (страницы упорядочены или нет, яйцо разбито или восстановлено, молекулы газа рассеяны или не рассеяны). Мы нашли, что когда физические системы существенно сложны (книги с большим числом страниц, хрупкие объекты, которые могут разбиться на много фрагментов, газ с большим числом молекул), имеется огромное отличие в энтропии между их упорядоченными и неупорядоченными конфигурациями. А это значит, что имеется огромная вероятность, что системы будут эволюционировать от более низкой к более высокой энтропи, что и является грубо утверждением второго закона термодинамики. Но ключевым фактом, на который надо обратить внимание, является то, что второй закон производен: он просто является следствием вероятностных рассуждений, примененных к ньютоновским законам движения.

Это приводит нас к простому, но поразительному выводу: поскольку ньютоновские законы физики не имеют встроенной темпоральной ориентации, все рассуждения, которые мы использовали для обоснования, что системы будут развиваться от более низкой к более высокой энтропии в направлении в будущее, работают одинаково хорошо, если их применить в направлении прошлого. Еще раз, так как лежащие в основе законы физики имеют симметрию по отношению к обращению времени, для них нет способа даже провести различие между тем, что мы называем прошлым, и тем, тем мы называем будущим. Точно так же, как нет указательного столба в глубокой темноте пустого пространства, который объявляет это направление вверх, а это направление вниз, нет ничего в законах классической физики, что называло бы это направление во времени будущим, а это направление во времени прошлым. Законы не предлагают темпоральной ориентации; это отличие, к которому они полностью нечувствительны. А поскольку законы движения несут ответственность за то, как изменяются вещи, – как в направлении, которое мы называем будущим, так и в направлении, которое мы называем прошлым, – статистические/вероятностные рассуждения, стоящие за вторым законом термодинамики, применимы в равной степени к обоим темпоральным направлениям. Следовательно, имеется не только подавляющая вероятность того, что энтропия физической системы будет больше в том направлении, что мы называем будущим, но имеется такая же подавляющая вероятность, что она будет больше в направлении, которое мы называем прошлым. Мы показали это на Рис. 6.2.

Это ключевой момент для всего, что последует дальше, но это также обманчиво просто. Общее противоречие в том, что если в соответствии со вторым законом термодинамики энтропия возрастает по направлению в будущее, тогда энтропия с необходимостью уменьшается по направлению в прошлое. Но тут и появляется тонкость. Второй закон действительно говорит, что если в любой данный момент, которым мы интересуемся, физическая система еще не достигла максимально возможной энтропии, экстраординарно вероятно, что физическая система будет впоследствии получать и раньше получала больше энтропии. Это содержание Рис. 6.2b. С законами, которые закрывают глаза на различие прошлого от будущего, такая симметрия времени неизбежна.

(а) (b)

Рис 6.2 (а) Как это обычно описывается, второй закон термодинамики подразумевает, что энтропия возрастает по направлению в будущее от любого заданного момента. (b) Поскольку известные законы природы рассматривают направления вперед и назад во времени идентично, второй закон в действительности подразумевает, что энтропия возрастает как в направлении будущего, так и в направлении прошлого от любого заданного момента. <Горизонтальные оси – время, вертикальные оси – энтропия; отмечен момент настоящего и направления налево (прошлое) и направо (будущее)>. Это существенный урок. Он говорит нам, что энтропийная стрела времени оказывается направленной в две стороны. От любого заданного момента стрела энтропии демонстрирует рост в направлении будущего и в направлении прошлого. А это делает явно затруднительным предлагать энтропию в качестве объяснения однонаправленной стрелы ощущаемого времени.

Подумаем о том, что двунаправленная энтропийная стрела подразумевает в конкретных случаях. Если сегодня теплый день и вы видите частично растаявший кубик льда в стакане воды, вы полностью уверены, что на полчаса позже кубик будет еще более растаявшим, поскольку чем больше он растаял, тем большей энтропией он обладает.[11] Но вы будете иметь точно такую же уверенность, что на полчаса раньше он был также более растаявший, поскольку точно такие же статистические рассуждения подразумевают, что энтропия должна возрастать по направлению в прошлое. И такое же заключение применимо к бесчисленному множеству других примеров, с которыми мы сталкиваемся каждый день. Ваше убеждение, что энтропия возрастает по направлению в будущее – от того, что частично рассеявшийся газ молекул рассеивается дальше, к тому, что частично перепутанный порядок страниц будет перепутываться еще больше, – должно соответствовать точно такой же уверенности, что энтропия была также выше и в прошлом.

Неприятная мысль в том, что половина из этих заключений кажется абсолютно ложной. Энтропийные рассуждения дают точные и осмысленные заключения, когда они применены в одном направлении времени, а именно в направлении того, что мы называем будущим, но дают очевидно ошибочные и кажущиеся нелепыми заключения, когда они применены в направлении того, что мы называем прошлым. Стаканы воды с частично растаявшими кубиками льда обычно не начинают изменяться как стаканы воды без кубиков льда, в которых молекулы воды собираются и смерзаются в кусочки льда, чтобы еще раз начать таять. Несвязанные страницы Войны и мира обычно не начинают перегруппировываться от полного числового беспорядка, чтобы через последовательность подбрасываний стать менее перепутанными и лишь затем начать снова перепутываться больше. И, возвращаясь на кухню, яйца, как правило, не начинают изменяться из разбитого состояния, затем собираясь в неповрежденное целое яйцо, чтобы разбиться несколько позже.

Или они это делают?

Вслед за математикой

Сотни лет научных исследований показали, что математика обеспечивает мощный и острый язык для анализа вселенной. В самом деле, история современной науки насыщена примерами, в которых математика делала предсказания, которые казались противоречащими как интуиции, так и ощущениям (что вселенная содержит черные дыры, что вселенная имеет антиматерию, что удаленные частицы могут быть запутанными и так далее), но которые в конце концов эксперименты и наблюдения смогли подтвердить. Такие разработки сами по себе оставили глубокий след в культуре теоретической физики. Физики пришли к осознанию, что математика, когда она используется обоснованным образом, является проверенной дорогой к истине.

Итак, когда математический анализ законов природы показал, что энтропия должна возрастать как по направлению в будущее, так и по направлению в прошлое от любого данного момента, физики не выбросили ее из головы. Вместо этого нечто, похожее на физическую клятву Гиппократа, побудило исследователей сохранить глубокий и здоровый скептицизм относительно обманчивой истинности человеческого опыта и с тем же скептическим отношением старательно проследовать за математикой и посмотреть, куда она приведет. Только тогда мы можем правильно оценить и интерпретировать любое остающееся рассогласование между физическими законами и здравым смыслом.

С этой целью представим, что сейчас 10:30 вечера и последние полчаса вы уставились на стакан воды со льдом (в баре тихая ночь), наблюдая, как кубики медленно тают, превращаясь в маленькие бесформенные комки. Вы абсолютно не сомневаетесь, что полчаса назад бармен положил в стакан полностью правильные кубики льда; вы не сомневаетесь, потому что вы доверяете своей памяти. И если в силу каких-то обстоятельств ваше убеждение относительно того, что произошло за последние полчаса будет поколеблено, вы можете спросить парня напротив, который также наблюдал, как тают кубики льда (в баре на самом деле тихая ночь), или вообще исследовать запись, взятую из обзорной видеокамеры бара, оба эти источника подтвердят, что ваша память в порядке. Если вы тогда спросите себя, что, как вы ожидаете, произойдет с кубиками льда в течение следующей половины часа, вы, вероятно, придете к заключению, что они будут продолжать таять. А если вы достигли достаточно хорошего знакомства с концепцией энтропии, вы объясните ваше предсказание, обратившись к подавляющей вероятности того, что энтропия будет возрастать от того, что вы видите прямо сейчас, в 10:30 вечера, по направлению в будущее. Все это вполне осмысленно и совпадает с нашей интуицией и ощущениями.

Но, как мы видели, такие энтропийные рассуждения – рассуждения, что, проще говоря, вещи более вероятно будут разупорядочиваться, поскольку имеется больше способов для разупорядочивания, рассуждения, которые проверяемо сильны для объяснений, как вещи разворачиваются по направлению к будущему, – объявляют, что энтропия точно так же вероятно будет больше и в прошлом. Это должно означать, что частично растаявшие кубики льда, которые вы видите в 10:30 вечера, были на самом деле еще более растаявшими в более ранние времена; это должно означать, что в 10:00 вечера они не начали с твердых кубиков льда, а, напротив, медленно собрались из воды с комнатной температурой на пути к 10:30 вечера, и так же верно они медленно растают до воды комнатной температуры на их пути к 11:00 вечера.

Нет сомнений, это заявление таинственно – или вообще вы назовете его сумасшедшим. Чтобы оно было правильным, не только молекулы Н2О в стакане воды при комнатной температуре должны спонтанно собраться в частично сформированные кубики льда, но и цифровым сигналам в камере наблюдения, а также нейронам в вашем мозге и в мозге парня напротив, всем им надо будет спонтанно выстроиться к 10:30, чтобы подтвердить, что имелось собрание полностью сформированных кубиков льда, которые растаяли, даже если этого никогда не было. И еще, это причудливо звучащее заключение появилось там, где добросовестное применение энтропийных рассуждений – тех же рассуждений, которые вы принимали без колебаний для объяснения, почему частично растаявший лед, который вы видели в 10:30 вечера продолжит таять до 11:00 вечера, – проведено симметричным во времени образом, требуемым законами физики. Эта неприятность с имеющимися фундаментальными законами движения, которые не имеют встроенного различия между прошлым и будущим, с законами, чья математика трактует будущее и прошлое от любого данного момента в точности одним и тем же способом.[12]

Остается надеяться, что мы скоро найдем выход из того странного положения, в которое нас завело равноправное использовение энтропийных рассуждений; я не пытаюсь убедить вас, что ваша память и записи содержат прошлое, которого никогда не было (оправдание для фанатов "Матрицы"). Но мы найдем его очень успешным для высокоточного разделения интуиции и математических законов. Итак, не отстаем от поезда.

Затруднительное положение

Ваша интуиция отказывает прошлому в высокой энтропии, поскольку, когда видно разворачивание событий в обычном прямом направлении во времени, может потребоваться спонтанное возрастание порядка: молекулы воды спонтанно замерзают до 0 градусов Цельсия и переходят в лед, рассудок спонтанно обзаводится воспоминаниями о вещах, которые не происходили, видеокамеры спонтанно производят образы вещей, которых никогда не было, и так далее, все это кажется экстраординарно маловероятным – предполагаемое объяснение прошлого, в котором даже Оливер Стоун* будет осмеян. На этом этапе физические законы и математика энтропии полностью согласуются с вашей интуицией. Такая последовательность событий, которая была бы видна в прямом направлении времени с 10:00 вечера до 10:30 вечера, шла бы против сути второго закона термодинамики, – что привело бы к уменьшению энтропии, – а это, хотя и не невозможно, но очень маловероятно.

(*)"Оливер Стоун (р. 1946) – известный американский режиссер, сценарист и продюсер. Использует средства жанрового голливудского кинематографа для выражения авторской, личностной оценки современной истории ("Взвод", "Уолл-Стрит", "Убить президента", "Прирожденные убийцы"). Один из немногих кинодеятелей современности, который свои политические взгляды ставит во главу творчества. Результат получается одновременно очень политичный, откровенный и всегда скандальный. – (прим. перев.)"

Напротив, ваша интуиция и ощущения говорят вам, что намного более вероятна такая последовательность событий, в которой кубики льда, которые были полностью сформированы в 10:00 вечера, частично растаяли в то, что вы видите в своем стакане прямо сейчас в 10:30 вечера. Но на этом этапе физические законы и математика энтропии только отчасти согласуются с вашими ожиданиями. Математика и интуиция сходятся в том, что если на самом деле в 10:00 вечера полностью сформировались кубики льда, тогда наиболее вероятная последовательность событий будет для них растаять до частей кубиков, которые вы видите в 10:30 вечера: результирующий рост энтропии лежит в русле как второго закона термодинамики, так и ощущений. Но где математика и интуиция расходятся, так это в том, что наша интуиция, в отличие от математики, не может дать или дает недостаточную оценку вероятности действительного полного формирования кубиков льда в 10:00 вечера, задаваемого одним наблюдением, которое мы принимаем как неоспоримое, как полностью надежное: что прямо сейчас в 10:30 вечера вы видите частично растаявшие кубики.

Это основной момент, так что позвольте мне объяснить. Главный урок второго закона термодинамики в том, что физические системы имеют подавляющую тенденцию находится в конфигурациях с высокой энтропией, поскольку имеется так много способов, которыми такие состояния могут реализоваться. И раз попав в такие высокоэнтропийные состояния, физические системы имеют подавляющую тенденцию оставаться в них. Высокая энтропия является естественным состоянием для пребывания в нем системы. Вы никогда не будете удивляться или чувствовать необходимость объяснения, почему любая физическая система находится в высокоэнтропийном состоянии. Такие состояния являются нормой. Наоборот, что нуждается в объяснении, так это почему любая данная физическая система находится в состоянии порядка, состоянии с низкой энтропией.

Такие состояния ненормальны. Но они определенно могут случаться. Но с точки зрения энтропии такие упорядоченные состояния являются редкими отклонениями, которые взывают к объяснению. Так что один факт в нашем эпизоде, который мы принимаем как неоспоримо правильный, – ваше наблюдение в 10:30 вечера низкоэнтропийных частично сформированных кубиков льда, – фактически нуждается в объяснении.

С точки зрения вероятности абсурдно объяснять это низкоэнтропийное состояние призывая еще менее энтропийное состояние, еще менее вероятное состояние, при котором в 10:00 вечера все было еще более упорядочено, более полно сформированы кубики льда, что наблюдалось в более раннем, более упорядоченном окружении. Вместо этого подавляюще более вероятно, что вещи начинаются с обыкновенного, полностью нормального высокоэнтропийного состояния: стакан однородной жидкой воды абсолютно без какого бы то ни было льда. Тогда через маловероятную, но всегда-так-часто-ожидаемую статистическую флуктуацию стакан воды движется вопреки требованиям второго закона термодинамики и эволюционирует в состояние низкой энтропии, в котором появляются частично сформированные кубики льда. Эта эволюция, хотя и требует редких и необычных процессов, полностью избегает еще меньшей энтропии, еще менее вероятного, еще более редкого состояния, в котором кубики льда полностью сформированы. В любой момент между 10:00 вечера и 10:30 вечера эта странно выглядящая эволюция имеет более высокую энтропию, чем нормальный сценарий таяния льда, как вы можете видеть на Рис. 6.3, так что она реализует признанное наблюдение в 10:30 вечера способом, который более вероятен – намного более вероятен – чем сценарий, в котором тают полностью сформированные кубики льда.[13] В этом заключается затруднение.*

(*)"Вспомним, что двенадцатью страницами ранее мы показали гигантское различие между числом упорядоченных и разупорядоченных конфигураций для всего лишь 693 двусторонних листков бумаги. Теперь мы обсуждаем поведение грубо около 1024 молекул Н2О, так что различие между числом упорядоченных и разупорядоченных конфигураций будет настолько грандиозным, что захватывает дух. Более того, те же самые рассуждения остаются для всех других атомов и молекул внутри вас и внутри окружения (мозги, оханные камеры, молекулы воздуха и так далее). То есть в стандартном объяснении, в котором вы можете верить своей памяти, не только частично растаявшие кубики льда были в 10:00 вечера в более упорядоченном – менее вероятном – состоянии, но и все остальное: когда видеокамера записывает последовательность событий, это проявляется в общем росте энтропии (из-за нагревания и сопутствующих процессу записи помех); аналогично, когда мозг записывает память, хотя мы и слабо понимаем микроскопческие детали этого процесса, имеется итоговый рост энтропии (мозг может увеличивать порядок, но, как и с любыми производящими порядок процессами, если мы примем во внимание выделение тепла, будет итоговый рост энтропии). Так что если мы сравниваем полную энтропию бара между 10:00 вечера и 10:30 вечера в двух сценариях – один, в котором вы верите своей памяти, а другой, в котором вещи спонтанно упорядочиваются из начального неупорядоченного состояния, достигая соответствия с тем, что вы видите сейчас, в 10:30 вечера, – то получим чудовищную разницу энтропий. Последний сценарий на каждом его этапе имеет подавляющее большую энтропию, чем первый сценарий, так что с точки зрения вероятности последний сценарий в гигантской степени более вероятен."

Рис 6.3 Сравнение двух планов того, как кубики льда приходят к их частично растаявшему состоянию прямо сейчас в 10:30 вечера.

План 1 (нижняя кривая) следует вашей памяти о тающем льде, но требует относительно низкой энтропии в начальной точке в 10:00 вечера. План 2 (верхняя кривая) бросает вызов вашей памяти, описывая частично растаявший лед, который вы видите в 10:30 вечера, как собравшийся из стакана воды, но стартует из состояния высокой энтропии, из высоко вероятной конфигурации разупорядочения в 10:00 вечера. Каждый этап пути по направлению к 10:30 вечера согласно плану 2 включает состояния, которые более вероятны, чем аналогичные состояния плана 1, – поскольку, как вы можете видеть на графике, они имеют более высокую энтропию, – так что план 2 статистически более предпочтителен. Для Больцмана оставался маленький шаг, чтобы осознать, что целая вселенная может быть подвергнута такому же анализу. Когда вы прямо сейчас обозреваете вселенную, то, что вы видите, отражает великое дело биологической организации, химической структуры и физического упорядочения. Хотя вселенная должна быть полностью неупорядоченной смесью, этого нет. Почему так? Откуда происходит порядок? Ну, точно как с кубиком льда, с точки зрения вероятности экстремально маловероятно, что вселенная, которую мы видим, эволюционирует из еще более упорядоченного – еще менее вероятного – состояния в далеком прошлом, которое медленно развернулось до его текущей формы. Скорее, поскольку космос имеет так много составляющих, масштабы упорядоченного против неупорядоченного интенсивно увеличиваются. Итак, что правильно в баре, с лихвой правильно и для целой вселенной: намного более вероятно – настолько более, что захватывает дух, – что целая вселенная, которую мы видим, появилась как статистически редкая флуктуация из нормальной, обыкновенной, высокоэнтропийной, полностью неупорядоченной конфигурации.

Подумаем об этом таким образом: если вы подбрасываете горсть монет еще и еще раз, рано или поздно они все лягут орлом. Если вы обладаете почти бесконечным терпением, необходимым для подбрасывания снова и снова перепутанных страниц Войны и мира в воздух, рано или поздно они лягут в точном числовом порядке. Если вы ждете с вашей открытой бутылкой колы, рано или поздно хаотические столкновения молекул углекислого газа заставят их залезть назад в бутылку. И, для удовольствия Больцмана, если вселенная ожидает достаточно долго – вообще, близко к бесконечности, – ее обычное, высокоэнтропийное, высоковероятное, полностью разупорядоченное состояние будет через ее собственные столкновения, соударения и хаотические течения частиц и радиации рано или поздно просто собираться в конфигурацию, которую мы наблюдаем прямо сейчас. Наши тела и мозги должны были появиться полностью сформированными из хаоса – с запасом памяти, знаний и умений – даже если прошлое, которое все это отражает, никогда в действительности не наступало. Все, что мы знаем, все, что мы ценим, будет итогом ничего более, как редкой, но всегда-так-часто-ожидаемой статистической флуктуации, на мгновение возмутившей почти бесконечный беспорядок. Это схематически показано на Рис. 6.4.

Рис 6.4 Схематический график полной энтропии вселенной от времени.

График показывает вселенную, проводящую большую часть своего времени в состоянии полного разупорядочения – состоянии высокой энтропии, – и еще так редко ощущаемые флуктуации до состояний с различной степенью порядка, различных состояний с низкой энтропией. Чем больше энтропийный провал, тем менее вероятна флуктуация. Существенные провалы в энтропии, вроде той упорядоченности, которую мы видим в сегодняшней вселенной, экстремально маловероятны и будут случаться крайне редко.

Blog

Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности