Почему у времени есть направление?

Вопрос

Яйцо падает и разбивается; мы никогда не видим, чтобы разбитое яйцо снова стало целым. Кофе остывает, молоко в нём смешивается и никогда не разделяется обратно. Мы помним прошлое, но не будущее. Наша жизнь идёт в одну сторону.

Однако основным законам физики это почти безразлично. Уравнения Ньютона, электромагнетизм Максвелла, теория относительности Эйнштейна и квантовая механика работают одинаково хорошо, если пустить время вспять. Снимите столкновение двух бильярдных шаров и прокрутите запись назад: ничего странного не видно. Так откуда берётся разница между прошлым и будущим, если не из самих законов?

Что известно

Самый ясный необратимый закон — второе начало термодинамики: в изолированной системе энтропия — грубо говоря, мера беспорядка, или число способов, которыми можно расположить её части, — не уменьшается. Разбитые яйца и смешанный кофе — состояния с высокой энтропией.
В 1872 году Людвиг Больцман попытался вывести этот необратимый закон из обратимого движения молекул. Несколько лет спустя его критики, прежде всего Йозеф Лошмидт в 1876 году, указали на проблему: если каждое движение молекул можно обратить, необратимость не может следовать из одних лишь законов движения. Ответ Больцмана был статистическим: беспорядочных состояний неизмеримо больше, чем упорядоченных, поэтому система почти всегда движется к беспорядку.
Но одна статистика работает в обе стороны одинаково. Она предсказывает, что энтропия должна расти к будущему, и точно так же — что она должна расти к прошлому. Чтобы получить ту стрелу, которую мы видим, нужно что-то ещё: прошлое должно было находиться в состоянии с очень низкой энтропией.
Ранняя Вселенная действительно была в таком состоянии. Вскоре после Большого взрыва вещество было распределено почти идеально равномерно. Для гравитации, которая стремится собирать вещество в сгустки, это необычайно упорядоченное состояние с низкой энтропией. С тех пор энтропия растёт, а вместе с ней, по-видимому, и все остальные стрелы: память, причинность, жизнь звёзд и живых существ.
В самих законах есть одно маленькое исключение. Некоторые распады частиц слегка нарушают симметрию времени, что было прямо подтверждено в 1998 и 2012 годах. Эффект крошечный и, судя по всему, не связан с необратимостью в повседневной жизни.

Основные гипотезы

Гипотеза прошлого

Стрела времени целиком возникает из особого начального состояния Вселенной. Философ Дэвид Альберт назвал это допущение «гипотезой прошлого». Оно объясняет стрелу, но переносит вопрос: почему Вселенная началась в таком невероятном состоянии?

Инфляция или новая космология

Некоторые космологи надеются, что теория начала Вселенной, например космической инфляции, объяснит, почему энтропия вначале была низкой. Критики, в том числе Роджер Пенроуз, утверждают, что инфляция сама требует особых начальных условий и лишь отодвигает вопрос дальше.

Большая симметричная Вселенная

Шон Кэрролл и Дженнифер Чен предположили, что у Вселенной в целом может не быть предпочтительного направления: от точки с низкой энтропией стрелы времени могут расходиться в обе стороны, и наш Большой взрыв — одна из таких точек.

Время само по себе направлено

Некоторые физики и философы считают, что стрела времени связана не только с энтропией: время может действительно течь, или будущее может быть по-настоящему открытым, в отличие от прошлого. Это трудно сформулировать в рамках известной нам физики.

Где заканчивается понимание

Мы понимаем, почему при низкоэнтропийном начале всё становится более беспорядочным. Мы не знаем, почему начало было низкоэнтропийным. Этот вопрос лежит на краю космологии, где у нас нет принятой теории самых первых мгновений и нет способа увидеть, что было до них.

Мы также до конца не понимаем, как связаны между собой разные стрелы. Почему мы помним прошлое, а не будущее, почему причины предшествуют следствиям, почему мы чувствуем течение времени — принято считать, что всё это следует из роста энтропии, но подробно показать это, особенно для памяти и переживаний, ещё предстоит. А является ли переживаемое нами «течение» времени чем-то физическим или это особенность того, как наш мозг упорядочивает информацию, остаётся вопросом и для физики, и для философии.

Что могло бы дать ответ

Теория происхождения Вселенной, которая объясняет её низкую начальную энтропию, а не принимает её как данность.
Подробный вывод психологической и причинной стрел из термодинамики, показывающий, что ничего больше не требуется.
Наблюдение, позволяющее различить космологические модели, например признаки того, что было до Большого взрыва, или признаки симметричной Вселенной.