Изложенное выше может привести вас в замешательство – и это будет справедливо. Безусловно, различие между прошлым и будущим – это больше, чем статистическое стремление произвольно сталкивающихся молекул к равновесию или различие между перемешанной и неперемешанной колодой карт. В конце концов, прошлое фиксировано – мы помним только одну последовательность событий, одну историю. И наоборот, в будущем для нас открыто бесчисленное количество возможностей[24].Большинство событий, которые произойдут завтра, окажутся для вас неожиданными, да и мой день может пойти самым различным образом, в зависимости от того, как сойдутся миллионы различных факторов. Так есть ли на самом деле разница между прошлым и будущим на более глубоком уровне, нежели просто статистический? Разница, которая бы отражала тот факт, что у нас одно прошлое, но много возможных будущих? Другими словами, предначертана ли нам определенная судьба, или наше будущее зависит от случая? Эти философские вопросы задаются многие сотни лет, поскольку они касаются природы свободной воли.
Когда физики говорят о «детерминированном» процессе, они обычно имеют в виду концепцию причинного детерминизма, предполагающего, что прошлые события предопределяют будущие. Но если это так, то не может быть ничего случайного; все, что происходит, имеет под собой веское основание – то, что произошло раньше; причина порождает следствие. Поэтому в принципе состояние Вселенной на настоящий момент можно отследить, шаг за шагом, до самого момента Большого взрыва. А если это правда, то события в настоящем предопределяют события в будущем таким образом, что в принципе мы должны быть способны прогнозировать будущее. При этом термин «событие» в данном случае включает в себя разряды нейронов нашего мозга, которые обусловливают мыслительный процесс и принятие нами определенных решений. В конечном счете мозг ведь тоже состоит из атомов. Нет никакого волшебного компонента, который выводил бы его из-под действия законов физики.
Во Вселенной, где все предопределено, у нас не было бы выбора в отношении наших действий и решений, поскольку у нас был бы только один вариант будущего, как и один вариант прошлого. (Помните, в главе 3 я уже говорил о блок-вселенной Эйнштейна.) Однако ход событий, при котором прошлое определяет будущее, а не наоборот, обусловлен вторым законом термодинамики, без действия которого события, которые мы называем «будущими», с тем же успехом могли бы предопределять «прошлые».
Но если это так, как же получилось, что мы не можем хоть с малой долей уверенности прогнозировать будущее? В конце концов, даже самые мощные суперкомпьютеры не способны точно сказать, будет ли на следующей неделе дождь. В случае с погодой причина очевидна. Если представить себе сложность того явления, которое мы хотим смоделировать, и количество переменных, которые нам необходимо знать для точного прогноза, – от колебаний температуры в атмосфере и океанах до атмосферного давления, направления и скорости ветра, солнечной активности и прочего, – вы поймете, что эта задача будет тем труднее, чем дальше в будущее вы захотите заглянуть. Таким образом, хотя метеорологи могут с уверенностью предсказать, будет ли завтра солнечно или облачно, невозможно спрогнозировать, будет ли в этот день через год идти дождь. Что интересно, это не значит, что данная информация недоступна в принципе, поскольку в детерминированной Вселенной будущее предопределено. На практике нам необходимо знать текущие условия на Земле с поразительной степенью точности и иметь фантастические компьютерные мощности, чтобы загрузить соответствующие данные и разработать точную модель, которую затем развить с помощью математического аппарата для получения надежного прогноза.
Именно эта хаотическая непредсказуемость лежит в основе знаменитого эффекта бабочки, когда мельчайшее, несущественное движение воздуха от взмаха крыльев бабочки на одном конце света может постепенно нарастать, пока не станет решающим на другом конце света – и вызовет разрушительный ураган. Это не значит, что существует определенная бабочка, которой мы можем приписать причину возникновения урагана. Скорее, любое незначительное изменение первоначальных условий при развитии данной системы во времени может привести к широкому ряду самых разных последствий.
Физические уравнения описывают детерминированно развивающийся мир. Если бы мы знали изначальные условия в системе (где находится каждая составная частица и как она движется в каждый момент времени, а также все силы, действующие между частицами), то мы могли бы рассчитать, как развивается эта система с точки зрения абсолютного детерминизма. Причина и следствие. Перед нами могло бы раскрыться все наше будущее.
Конечно, проблема в том, что нам никогда не осуществить этого на практике. Эта неспособность с абсолютной точностью знать или контролировать изначальные условия в системе, а также дальнейшие воздействия на эту систему наблюдается даже для гораздо более простых систем, чем погода. Нельзя подбросить монетку точно так же, как в предыдущий раз, чтобы снова и снова добиваться одного и того же результата. Если я подбросил монетку и выпала решка, мне будет чрезвычайно трудно повторить этот трюк и заставить монетку вращаться одно и то же количество раз, чтобы уж точно выпала решка. В нашей детерминированной Вселенной наша судьба совершенно предопределена, и все же мы не можем ее предсказать хоть с какой-то степенью уверенности.
Но как же насчет квантовой механики? Разве здесь на самом фундаментальном уровне не работает истинная случайность или неопределенность? Разве квантовая механика не освобождает нас от скучного детерминизма и предопределенного будущего, в котором, как нам кажется, уже нет места для свободного выбора, а мы просто колесики в упорядоченном часовом механизме? Правда в том, что четкого ответа на этот вопрос еще нет. Кроме того, следует различать понятия непредсказуемости и индетерминизма. Безусловно, вероятностная природа квантового мира означает, что события непредсказуемы, что мы заранее точно не знаем, где окажется электрон, или в каком направлении он движется, или когда точно распадется радиоактивный атом. Все, что можно сделать с помощью квантовой механики, – определить вероятность результатов различных измерений. Однако, хотя непредсказуемость может свестись к истинному индетерминизму, математика квантовой теории этого не предполагает. Индетерминизм – это интерпретация, которую мы накладываем на математику, чтобы описать то, что мы измеряем. Например, большинство космологов выступают за интерпретацию квантовой механики в виде множества вселенных, где все полностью детерминировано.
Есть еще одна точка соприкосновения между непредсказуемостью, кажущейся произвольностью и физикой – феномен хаотичного поведения. В природе хаос наступает там, где в системе существует нестабильность, так что крохотные изменения в процессе ее развития во времени могут нарастать как снежный ком. И вот опять перед нами эффект бабочки. Иногда даже простые системы, развивающиеся по простым, детерминированным законам физики, ведут себя крайне непредсказуемо и сложно, что кажется абсолютно произвольным. Однако, в отличие от квантовой области, где мы не знаем, связана ли эта непредсказуемость с истинным индетерминизмом[25], непредсказуемость хаотичной системы, несмотря на все внешние признаки, не связана с истинной произвольностью.
У теории хаоса есть еще интересная оборотная сторона: простые правила, если их применять неоднократно, могут привести к внешне произвольному поведению, а потом вдруг образуют великолепные структуры и модели поведения, которые выглядят в высшей степени упорядоченными. Там, где не было никакой сложности, она неожиданно возникает во всей своей красе, при этом совершенно не нарушая второй закон термодинамики. Область науки, занимающаяся такого рода непредсказуемым поведением, известна как область комплексных систем, и она начинает играть основную скрипку во многих сферах, таких как биология, экономика и искусственный интеллект.
Таким образом, вполне может быть, что наша Вселенная является совершенно детерминированной системой, а всякая непредсказуемость относительно ее будущего связана только с нашей собственной неспособностью точно узнать, что же будет дальше.
Это, в свою очередь, может объясняться либо тем, что на квантовом уровне мы не способны наблюдать за состоянием системы, не вторгаясь в нее и не воздействуя тем самым на результат, либо тем, что на практике нам недоступны абсолютные знания о системе, а накопление неточностей означает, что мы не можем с уверенностью предсказать будущее.
Что такое время
Теперь, когда мы бегло познакомились с детерминизмом и произвольностью в физике, давайте снова вернемся к основной теме этой главы, а именно – к направленности времени с точки зрения законов термодинамики. Обратите внимание, ранее я уже знакомил вас с тремя различными взглядами на то, что есть время, причем каждый из них основан на одном из столпов физики.
Во-первых, согласно специальной теории относительности время не абсолютно; оно не бежит вперед независимо от событий, происходящих в трехмерном пространстве, – напротив, его следует свести с пространством в единый четырехмерный пространственно-временной комплекс. И это не просто математический фокус. Такой подход логически следует из свойств реального мира, он вновь и вновь подвергается экспериментальной проверке и каждый раз не противоречит устройству Вселенной. Теория всемирного тяготения Эйнштейна (общая теория относительности) декларирует, что пространство-время и есть гравитационное поле – чем сильнее поле, тем большему искривлению подвергается пространство-время. Таким образом, из теории относительности следует: время является составной частью физической ткани Вселенной, измерением, которое может быть растянуто или сжато силой тяготения.
Этот подход совершенно отличен от несколько заурядной роли, которая отводится времени в квантовой механике, где оно не более чем один из параметров – число, которое подставляется в уравнение. Если мы знаем, каково было состояние системы в некий момент времени
В термодинамике у времени появляется еще один смысл. Здесь оно не является ни параметром, ни измерением – оно становится необратимой стрелой, направленной из прошлого в будущее, в сторону увеличения энтропии.
Многие физики считают, что в один прекрасный день нам удастся свести воедино все три понимания времени. Ведь мы еще не услышали последнего слова в области квантовой механики, поскольку до сих пор полностью не понимаем, каким образом детерминированные уравнения, которые описывают динамику квантового состояния (притом что время может течь в обоих направлениях), соотносятся с необратимым, однонаправленным процессом измерения. Стремительно развивающаяся квантовая информационная теория подсказывает нам, что то, каким образом развивается и взаимодействует с окружением квантовая система, очень похоже на то, как нагретый предмет передает свое тепло в более прохладную окружающую среду. Это, возможно, сблизит квантовую механику и термодинамику.
Один эксперимент, проведенный в 2018 году в Австралии, в Университете Квинсленда, ярко продемонстрировал, насколько загадочно все это выглядит на квантовом уровне, – ведь события там происходят не в причинно-следственном порядке. По сути, в физике причинно-следственные отношения означают, что если событие А происходит до события В (в определенных временных рамках), то А, возможно, повлияло или даже вызвало событие В. Однако событие В никак не могло повлиять или вызвать событие А. На квантовом же уровне, как было показано, эта логическая цепочка оказывается нарушенной. Это привело некоторых физиков к выводу, что на квантовом уровне стрела времени на самом деле не существует; она представляет собой подвижную характеристику, которая проявляется, только когда мы уменьшаем масштаб до макроуровня.
Однако именно поиск решения, как же согласовать два первых основных закона физики, целый век занимал умы многих ученых. Некоторые посвящали всю жизнь тому, чтобы попытаться свести квантовую механику и общую теорию относительности к одной всеобъемлющей теории квантового притяжения. Этому единению двух важнейших идей в физике ХХ века и посвящена следующая глава.