Человеческий мозг придумал, как создать атомные часы, разделить атомы на составляющие их элементы, путешествовать на Луну и обратно, пересаживать гены и органы от одного существа другому и даже начал постигать механизмы собственного функционирования. Эти впечатляющие достижения иногда заставляют нас забывать, что мы всего лишь необычно умные обезьяны.

Головной мозг — продукт достаточно случайных вариаций эволюционного процесса. На протяжении почти 70 млн лет мозг приматов формировался таким образом, чтобы они могли ловко орудовать большими пальцами, распознавать объекты, узнавать друг друга и создавать социальные связи, повышающие вероятность выживания и воспроизведения. Можно с полной уверенностью сказать, что в тот период не было значительного селективного давления, заставлявшего приматов учиться читать или выводить теорему Пифагора. Эти навыки — результат продолжающегося процесса развития вычислительных способностей нашего (человеческого) мозга. Но при этом мозг сохраняет множество странностей, ограничений и предубеждений. Вот наглядный пример того, как мозг слабовато справляется с некоторыми мыслительными операциями. Попробуйте в уме сложить такую последовательность чисел:

Очень часто вместо правильного ответа 4100 люди получают ответ 5000. Почему мозг так слаб в подобных простых расчетах, но при этом справляется с гораздо более сложными задачами, такими как распознавание лиц или чтение книг? Стандартный, но лишь частичный, ответ заключается в том, что не существует весомого селективного давления для развития способности осуществлять численные расчеты. Полный ответ несколько сложнее. Строительные кирпичики любого вычислительного устройства — головного мозга или компьютера — определяют, насколько хорошо (или плохо) это устройство может решать ту или иную задачу. Ни один человек никогда не превзойдет простейший компьютер по умению осуществлять деление столбиком, поскольку нейроны работают медленно и подвержены влиянию большого количества помех. У них нет той скорости и способности переключаться, как у транзисторов цифровых компьютеров.

Численные вычисления, запоминание случайных последовательностей слов или быстрое определение вероятности выпадения двух «орлов» при подбрасывании четырех монет относятся к числу проблем, для решения которых мозг слабо приспособлен. Учитывая это, можно задуматься над тем, не тормозят ли эти естественные ограничения работы мозга прогресс науки. Как структура мозга влияет на нашу способность отвечать на вопросы, для решения которых он не был приспособлен? В частности, мозг, совершенно очевидно, не эволюционировал для понимания собственного функционирования. Еще один такой вопрос — это природа времени.

Люди пытаются все точнее и точнее определять время. Как мы установили в предыдущей главе, в этом направлении достигнуты блестящие успехи, однако успешность точного определения времени не повлияла на решение вопроса, что именно мы определяем.

Что такое время? Я не имею в виду часовое или субъективное время, но время в самом глубоком смысле слова: какова природа времени? У философов и физиков на этот счет имеется несколько теорий. Некоторые теории являются взаимоисключающими, а некоторые — лишь легкие вариации одной и той же темы. Однако, как мы обсуждали в первой главе, два основных направления мысли отражаются в концепциях презентизма и этернализма.

Напомню, что в рамках презентизма реально только настоящее: все сущее есть только в бесконечном настоящем. Прошлое — это уже несуществующая конфигурация вселенной, а будущее — пока неизвестная конфигурация. В рамках этернализма время распространено по бесконечной шкале, так что прошлое, настоящее и будущее реальны в одинаковой степени. Вселенная в таком случае представляет собой четырехмерный «блок» с одним временны́м и тремя пространственными измерениями — так называемый «блок вселенной».

Пониманию концепций презентизма и этернализма мешает запутанная терминология. К примеру, такие термины, как «реальный» или «существовать» в рамках этих концепций могут иметь разный смысл. В контексте презентизма выражение «динозавры существуют» ложно. Но в контексте этернализма можно утверждать, что оно справедливо, поскольку динозавры действительно существуют в какой-то момент времени, который столь же реален, что и настоящий момент. Так что вместо того, чтобы определять суть концепций презентизма и этернализма в терминах типа «реальность» и «существование», лучше определим сами эти термины в рамках презентизма и этернализма.

В рамках презентизма реальность — это то, что существует сейчас и только сейчас, поскольку настоящее время — единственное время, в котором что-то существует. Напротив, для сторонников этернализма реальность может означать нечто, что существует в какой-то момент времени в какой-то точке «блока вселенной», включая динозавров и ваших будущих потомков.

Человеческая речь отражает концепцию презентизма. Например, для изменения глаголов по временам отправной точкой является форма настоящего времени. Вообще говоря, философы связывают презентизм и этернализм с временны́м (tensed) и безвременны́м (untensed) подходом к описанию событий. Временно́й подход всегда основан на настоящем.

Так, предложение «Я ходил в спортзал сегодня утром и вчера утром» описывает события прошлого в контексте настоящего. Это предложение верно сегодня, но совсем не обязательно будет верно завтра (уж поверьте мне), и совершенно точно не было верно 100 лет назад.

Напротив, такое сухое отражение событий, как «8 утра 1 января 2016 г., я в спортзале; 8 утра 2 января 2016 г., я в спортзале», является примером безвременного подхода. Если это утверждение справедливо сегодня, оно будет справедливо и завтра, и в каком-то смысле было бы справедливо 100 лет назад. События рассматриваются в некоем континууме, как соседние клетки календаря. Время как бы «опространствливается».

Существуют такие теории относительно природы времени, которые не укладываются в строгие рамки презентизма или этернализма. Например, физик Джордж Эллис относится к разряду тех, кто предлагает компромисс: четырехмерный «блок вселенной», в котором есть только настоящее и прошлое, но нет будущего. В рамках этой теории эволюционирующего «блока вселенной» настоящее представляет собой кромку волны, которая постепенно внедряется в неопределенное будущее и превращает его в разрастающееся и неизменное прошлое.

Другие ученые считают, что время — всего лишь абстрактная и полезная концепция, позволяющая объяснять механизмы устройства вселенной. Но, в отличие от массы или энергии, время не относится к числу важнейших физических параметров. Чтобы понять эту точку зрения, вспомним, что на практике часовое время всегда определяют по изменению показаний. Вне зависимости от того, точны или неточны ваши часы, они всегда измеряют изменение какого-то физического параметра. Поэтому время всегда можно выразить через какие-то другие физическое величины.

Например, кварцевые часы часто отмеряют время на круглом циферблате, и когда минутная стрелка продвигается от 12 до 6, мы говорим, что прошло 30 минут. Но ведь вместо этого можно сказать, что стрелка отклонилась на 180°. А в случае часов с маятником, колеблющемся с частотой 1 Гц, можно сказать, что маятник совершил 1800 колебаний.

Вообще говоря, стандартная единица измерения времени (секунда) теперь по определению составляет 9192631770 периодов колебания, соответствующих резонансной частоте атома цезия 133, а это приблизительно равно времени поворота Земли вокруг своей оси на 1/240 градуса. На Зимних Олимпийских играх 2014 г. в соревнованиях по скоростному спуску для преодоления траектории лыжникам требовалось 126 этих единиц времени. Этим примером я хочу показать, что часовое время можно рассматривать в качестве условной единицы для стандартизации изменений.

Время очень удобно использовать для определения соотношений скоростей самых разных физических процессов (сторонников такого воззрения иногда называют реляционистами). Вот как выразился физик XIX в. Эрнст Мах: «Мы не можем измерять изменения вещей посредством времени. Напротив, время — это абстракция, к которой мы приходим через [наблюдение] за изменением вещей».

Когда в предыдущих главах мы обсуждали, как мозг определяет время, мы в неявном виде уже использовали представление о том, что время — это мера изменения состояния физических систем. Как мы используем в качестве таймера расходящиеся по воде круги от упавшей капли дождя, так наш мозг использует динамические изменения сети нейронов для определения корреляций между состояниями сети и изменениями, происходящими во внешнем мире. Так что задача ежесекундно стучать по клавише пальцем сводится к согласованию изменений в головном мозге с изменениями показаний часов, изготовленных руками человека. В конечном итоге, говоря о том, что мозг определяет время, мы имеем в виду именно это.

Мешанина концепций и теорий относительно природы времени (презентизм, этернализм, временно́й и безвременно́й подход, эволюционирующий «блок вселенной», реляционизм и др.) говорит лишь о том, что у нас нет точного представления относительно природы времени. Но если все же попытаться выделить наиболее популярную теорию в физике и философии, то это, безусловно, этернализм.

Заметим, однако, что эта теория полностью противоречит интуиции: она ставит под сомнение одно из наиболее универсальных человеческих ощущений, заключающееся в том, что настоящее — это зона контакта между прошлым, которого уже нет, и неизвестным будущим, которое только должно наступить. Этернализм не соответствует нашему субъективному ощущению течения времени, поскольку в рамках этой концепции все моменты времени одинаково реальны, как все точки пространства. По этой причине у философов и физиков должны иметься достаточно веские причины для принятия концепции этернализма. Далее мы обсудим две такие причины. Я назову их: 1) в соответствии с законами физики сейчас — условно выбранный момент времени, как здесь — условно выбранная точка пространства; 2) из специальной теории относительности Эйнштейна вытекает, что все моменты времени встроены во временную ось «блока вселенной».

Наши успехи в постижении основополагающих законов мироздания, возможно, являются самым главным интеллектуальным достижением человечества. Законы физики обладают настолько невероятной силой, что смогли ответить на вопросы, с которыми древние люди когда-то обращались к богам. Что это за светящиеся точки на ночном небе? Почему Солнце восходит и заходит? Мы больше не связываем затмения, стихийные бедствия и капризы погоды с прихотями тысяч божеств, которым поклонялись на протяжении многих тысячелетий.

Первый шаг в этом направлении сделал Ньютон. Он описал законы, управляющие поведением предметов в нашей каждодневной реальности — от падения яблока до движения планет. Создав специальную и общую теорию относительности, Эйнштейн расширил (и исправил) законы Ньютона. Эйнштейн снабдил нас необходимыми инструментами для постижения космических событий, произошедших после Большого взрыва, и помог осознать, что время и пространство связаны между собой, а сила тяготения существует только в пространственно-временно́м измерении.

Однако, в отличие от планет и звезд, субатомные частицы, по-видимому, имеют свой собственный свод законов, пренебрегающий открытиями Эйнштейна. Эти законы были определены квантовой механикой в первые десятилетия XX в. В сверхъестественном квантовом мире частицы существуют в суперпозиционных состояниях (по-видимому, одновременно находясь в разных точках пространства) и постоянно влияют друг на друга, даже находясь на расстояниях в несколько световых лет.

Но законы физики, при всем невероятно сильном влиянии на нашу жизнь, не в состоянии объяснить одно из наиболее воспроизводимых наблюдений человека: настоящий момент времени отличается от всех остальных. Вот что пишет современный философ Крейг Каллендер: «Уравнения физики не объясняют, какие события происходят прямо сейчас — они похожи на карту, на которой нет кружочка с надписью «вы находитесь здесь». В них нет настоящего момента времени и, следовательно, нет течения времени».

Фундаментальные законы физики также ничего не говорят о том, почему нам кажется, что время движется вперед. Уравнения Ньютона и Эйнштейна, уравнения Максвелла (описывающие законы электричества и магнетизма) и квантовое уравнение Шредингера не зависят от того, развиваются ли события в «прямом» или «обратном» порядке. Такие уравнения называют симметричными относительно времени. Это означает, что как движение из Лос-Анджелеса в Сан-Франциско эквивалентно движению из Сан-Франциско в Лос-Анджелес, так и законы Ньютона одинаково точно описывают процессы, протекающие в прямом и обратном направлении.

Представьте себе фильм, в котором показывают вращение Луны вокруг Земли, которая, в свою очередь, вращается вокруг Солнца. Этот сложный танец можно описать математическим образом с помощью законов Ньютона. Иными словами, используя серию уравнений, можно смоделировать движение этих трех небесных тел. Но представьте себе, что после того, как мы проделали эту работу, выяснилось, что фильм прокручивали в обратном направлении. Нам придется выбросить все наши результаты? Нет. Все уравнения будут верны, и нужно лишь изменить знак перед переменной t, чтобы указать на «прямое» направление движения тел по орбитам. Аналогичным образом, если мы обнаружим, что составляли уравнения для фильма, отснятого тысячу лет назад, наши уравнения по-прежнему не потеряют силу. Законы Ньютона нечувствительны к направлению времени: они верны в прошлом, в настоящем и в будущем. И то же самое можно сказать об уравнениях теории относительности и квантовой механики. Законы физики не придают особого значения направлению времени и не выделяют какой-то особый момент. Для них прошлое, настоящее и будущее эквивалентны между собой.

Наверное, вы думаете: Ну, хорошо, я допускаю, что законы физики, управляющие движением планет, могут быть справедливы в обоих направлениях — вообще говоря, движение планет по орбитам кажется в одинаковой степени вероятным в прямом и в обратном направлении. Однако законы физики должны запрещать невозможные вещи, о которых я знаю из собственного опыта. Лопнувший шарик не надувается вновь, разбитое стекло не восстанавливается, а кубики льда в чае в конечном итоге всегда расплавляются. Кажется, законы физики постулируют невозможность обратных процессов! Вы удивитесь, но это не так.

Ответ на загадку о направленности времени был предложен австрийским физиком XIX в. Людвигом Больцманом. Из его статистической интерпретации второго начала термодинамики следует, что энтропия любой изолированной системы со временем увеличивается. Энтропию можно воспринимать как степень беспорядка. Например, если бросить в коробку 10 игральных костей и потрясти, кости рассыплются в беспорядке («случайным образом»), и можно сказать, что такая система характеризуется высоким значением энтропии. Но если аккуратно построить из этих костей башню, система принимает упорядоченную конфигурацию с низким значением энтропии.

Чтобы понять связь между энтропией и направлением времени, давайте представим себе, что в левой части коробки у нас содержатся два атома водорода (позднее мы вернемся к вопросу о наиболее вероятном расположении двух атомов в левой или в правой части коробки). На следующем этапе возможны три состояния (конфигурации) системы: оба атома оказываются слева (ЛЛ), оба справа (ПП) или один слева, а другой справа (поскольку атомы идентичны, состояния ЛП и ПЛ неразличимы). Вероятность каждого состояния следующая: ¼ для ЛЛ, ¼ для ПП и ½ для ЛП или ПЛ. Таким образом, наиболее вероятен случай, когда атомы распределены в коробке равномерно, поскольку есть два пути достижения этого состояния. Если мы, обнаружив это равномерное распределение, заглянем в коробку снова, с довольно высокой вероятностью мы увидим, что система вернулась к исходному состоянию, когда оба атома находятся в левой части коробки: вероятность такого события составляет ¼. Если бы коробка имитировала всю вселенную, мы бы сказали, что вселенная вернулась в прошлое: ее теперешнее состояние неотличимо от исходного состояния (в нашем грубом приближении, когда мы не пытаемся определить точную локализацию атомов).

Но если мы поместим в левую часть коробки 10 000 атомов водорода (что по-прежнему немного) и подождем, пока атомы распределятся более или менее равномерно, вероятность того, что в какой-то момент они окажутся в исходном состоянии, ничтожно мала — намного меньше 1/гугол (гугол = 10¹⁰⁰, что больше общего числа частиц во вселенной). Так что, когда мы говорим о низкой вероятности возвращения всех атомов в исходное состояние, это не то же самое, что низкая вероятность выигрыша в лотерею или даже еще более низкая вероятность еженедельного выигрыша в лотерею на протяжении месяца. Вероятность возвращения атомов в коробке к исходному состоянию можно сравнить с вероятностью того, что раз в неделю на протяжении месяца ветер будет забрасывать к вам в окно выигрышный билет (понятное дело, я не знаю, как рассчитать вероятность такого события, я лишь хочу сказать, что этого не произойдет). Ничтожно малая вероятность возвращения атомов в исходное состояние имеет очень большое значение, поскольку указывает на то, что атомы не могут «вернуться в прошлое» и, следовательно, время приобретает направленность.

Второе начало термодинамики — закон другого рода, нежели закон сохранения энергии. Скорее, это статистическая основа утверждения, что, хотя возвращение изолированной системы к исходному состоянию крайне маловероятно, физика этого не запрещает. Так что, если у вас на глазах разбитый стакан собирается из осколков и сам впрыгивает на стол, это не является нарушением законов физики, и Ньютону или Эйнштейну не придется ворочаться в гробу. Кто сказал, что это невозможно? Когда стакан упал на пол и разлетелся на куски, его потенциальная энергия превратилась в кинетическую энергию, ускорившую движение молекул воздуха (отсюда звук бьющегося стекла). В соответствии с законом сохранения энергии общее количество энергии в системе сохранилось (у этого закона нет исключений), и теоретически ничто не мешает всем этим молекулам воздуха возвратиться к исходной конфигурации и передать то же количество энергии осколкам, которые соберутся в единое целое и вернутся на стол в виде стакана.

Поэтому второе начало термодинамики не запрещает надуваться лопнувшим шарикам, восстанавливаться разбитым стаканам или не плавиться кусочкам льда, но оно делает другое: этот закон фактически обеспечивает невозможность этих процессов. Эта концепция так называемого энтропийного времени достаточно хорошо объясняет, почему все события в мире имеют временную направленность. Однако, к сожалению, сама по себе стрелка энтропийного времени вовсе даже и не стрелка, как казалось вначале.

Теперь представьте себе, что в нашей коробке содержится 10 атомов водорода, и в какой-то момент времени (время t) четыре атома водорода находятся слева, а шесть справа; обозначим это состояние [4, 6]. Нам известно, что система обладает максимальной энтропией, когда с каждой стороны находится по пять атомов ([5, 5]), поскольку существует больше способов распределить атомы в две группы по пять, чем каким-то иным образом. Так что в следующий момент времени (время t₊₁) мы с большей вероятностью будем наблюдать состояние [5, 5] (с повышением энтропии), чем состояние [3, 7].

Но давайте заглянем не в будущее, а в прошлое, и зададим вопрос, каким было наиболее вероятное состояние системы в предыдущий момент времени (время t_-1). Исходя из тех же логических соображений, ответ будет таким же: наиболее вероятным было состояние [5, 5]. Таким образом, если у нас нет никакой другой информации об этой системе, и наиболее вероятным состоянием после состояния [4, 6] является состояние [5, 5], то наиболее вероятным предыдущим состоянием тоже является состояние [5, 5]. Заметьте, что в данном случае я не утверждал, что в исходном состоянии все атомы находились в одной и той же части коробки; вполне возможно, что все началось с состояния [5, 5], а состояние [4, 6] было лишь флуктуацией.

Вот так так! Если мы используем второе начало термодинамики для определения направленности времени, довольно неприятно осознавать, что оно предсказывает рост энтропии не только в будущем, но и в прошлом. Кажется, что энтропийное время имеет два направления. Термодинамическое обоснование одно-направленности времени имело смысл лишь по той причине, что в нем было одно скрытое допущение. В первом примере мы начали рассуждения с такого состояния системы, когда все атомы находились в одной и той же части коробки, т. е. с состояния с очень низким значением энтропии. Если начинать с состояния с самой низкой энтропией, она, естественно, может только возрастать. Так что второе начало термодинамики определяет направление движения времени при условии, что система (вселенная) начинается с состояния с низким значением энтропии.

Иногда говорят, что время, как и все остальное, началось с момента Большого взрыва примерно 14 млрд лет назад, и что сразу после Большого взрыва вселенная действительно находилась в состоянии с очень низким значением энтропии. Тогда возникает вопрос: как вселенная пришла к этому исходному состоянию с низким значением энтропии?

Людвиг Больцман понимал всю серьезность этого вопроса и выдвинул разумную гипотезу, заключающуюся в том, что состояние вселенной с низким значением энтропии было лишь временной флуктуацией. Если вам кажется, что эта гипотеза идет вразрез с им же установленным законом, то дело заключается в неверном прочтении закона. Как мы уже говорили, второе начало термодинамики — статистический закон: снижение энтропии маловероятно, но не невозможно, а при наличии достаточного количества времени маловероятное может стать вероятным.

Более современная гипотеза, объясняющая загадку низкой энтропии, сводится к идее мультивселенной, в соответствии с которой наша вселенная началась как некий участок пространства с низким уровнем энтропии в гораздо более объемной множественной вселенной. Пока не существует единой общепринятой теории, объясняющей происхождение вселенной, начиная с состояния с низким значением энтропии, и маловероятно, что в ближайшее время мы поймем механизмы происхождения вселенной и, следовательно, происхождения времени.

Второе начало термодинамики предлагает ответ на вопрос о причине направленности времени или как минимум объясняет постоянное нарастание энтропии вселенной, начиная от состояния с низким уровнем энтропии в момент Большого взрыва. Но существуют и другие гипотезы, пытающиеся объяснить причины направленности времени. Одна из них заключается в том, что необратимость процессов во времени (наличие «стрелки времени») вытекает из законов квантовой механики.

Я уже упомянул, что все законы физики, включая законы квантовой механики (уравнение Шредингера), симметричны по отношению ко времени, и это действительно так. Однако в квантовой механике существует проблема, которая выходит за рамки уравнения Шредингера и мучает ученых уже около сотни лет.

Если мы направляем на фотопластинку отдельный электрон, в соответствии с уравнением Шредингера мы можем рассчитать вероятность нахождения электрона в момент времени t. Но для точного определения положения электрона нужно произвести измерения, а уравнение Шредингера ничего не говорит о том, что происходит в момент осуществления этих измерений. Пока измерения не сделаны (например, не определена точка соприкосновения электрона с фотопластинкой), говорят, что электрон может одновременно находиться во всех разрешенных позициях. И только сам акт измерения положения электрона заставляет его принять какое-то определенное положение: физики говорят, что акт измерения вызывает коллапс волновой функции электрона. Однако ученые пока не пришли к единому мнению относительного того, что именно в акте измерения приводит к коллапсу (если вообще приводит). Некоторые физики полагают, что этап измерения квантово-механического процесса накладывает на вселенную вектор времени. При такой интерпретации квантовой механики, как только положение электрона определено, пути назад не существует. После осуществления измерения нельзя использовать уравнение Шредингера, чтобы показать, откуда взялся электрон.

Но даже если квантовая механика подразумевает наличие у вселенной вектора времени (хотя многие считают, что это не так), факт остается фактом: ни квантовая механика, ни какие-либо другие законы физики не придают специфического значения настоящему моменту времени. Из основополагающих законов физики следует, что сейчас на шкале времени — то же, что здесь в области пространства. Именно по этой причине многие физики и философы считают, что мы живем в «блоке вселенной» этернализма. Однако для большинства людей, к которым отношусь и я, не это является наиболее серьезным аргументом в пользу этернализма. Я бы сказал, что наиболее веской причиной принять концепцию этернализма является теория относительности Эйнштейна.