На лужайке Эйнштейна

Существует огромное число различных возможных микроскопических состояний, которые, усредняясь, дают одни и те же макроскопические величины. Чем больше количество микроскопических возможностей, тем труднее нам угадать, какая из них была реализована, а значит, менее точны наши знания о микросостоянии и выше энтропия системы. В этом месте в игру вступает беспорядок – существует гораздо больше микроскопических конфигураций, совместимых с «неупорядоченным» состоянием, чем с «упорядоченным». Бесчисленные конфигурации молекул H₂O соответствуют луже воды; гораздо меньшее их количество соответствуют сложно устроенным кристаллам льда. Лужа – это что-то более беспорядочное: мы имеем меньше информации о ее скрытом внутреннем устройстве, поэтому в ней больше энтропия. А энтропия подразумевает тепло.

На первый взгляд это кажется странным. Почему недостаток информации проявляет себя как нечто физическое, как тепло? «Может ли собственное невежество сжечь нас в буквальном смысле слова?» – записала я в своем блокноте. Такое вполне возможно – не будем забывать, о каких масштабах идет речь! Температура не относится к краеугольным характеристикам реальности – она возникает как коллективное свойство большого количества частиц на макроскопическом уровне. У отдельной молекулы нет температуры. Так что если вы выберете для исследования системы, состоящие из отдельных молекул, о температуре можно не думать. Усредните микроскопическую информацию, полученную в результате наблюдения за кишащим роем молекул, и вы получите тепло. Все дело в размерах – выберете побольше, и сможете выменивать информацию на температуру.

Когда я наливаю молоко в кофе, оно за короткий промежуток времени растворяется, придавая напитку однотонный оттенок мокко. Почему? Почему бы ему спонтанно не сложиться в слово «Hello»? Потому что в чашке кофе имеется около 10²⁴ молекул и число их конфигураций, соответствующих равномерному цвету мокко, значительно превышает количество конфигураций, соответствующих слову «Hello». Сказать «значительно» – это не сказать почти ничего. Я могла бы сидеть здесь и ждать миллиарды лет, и все равно это было бы недостаточно долго, чтобы мой кофе послал мне горячее приветствие. «Какова вероятность, что молекулы воздуха в моей квартире соберутся в конфигурацию убегающей крысы?» – задалась я вопросом. А как насчет просто хвоста?

Второй закон термодинамики гласит: энтропия никогда не убывает. Это чисто статистическое утверждение, но этого достаточно, чтобы физики считали его законом природы. Он задает нам стрелу времени. Энтропия всегда увеличивается, потому что у состояний с высокой энтропией гораздо большая вероятность, чем у состояний с низкой энтропией. Если энтропия уменьшается – порция молока выделяется из кофе, дым из выхлопной трубы моего автомобиля засасывается обратно в трубу, расколотая чашка собирается по кусочкам обратно, – все это выглядит так, будто кто-то прокручивает время назад.

Но сказать только, что высокое значение энтропии более вероятно, чем низкое, еще не достаточно, чтобы определить стрелу времени. В конце концов, состояние с более высокой энтропией было более вероятным и в прошлом. Статистически энтропия должна быть всегда высокой, а когда она становится достаточно высокой и достигается состояние равновесия цвета кофе с молоком, дальше ей расти уже некуда. В равновесной Вселенной ничего не может произойти, лишь редкие статистические флуктуации, раз в несколько миллиардов лет. Но мы не живем в равновесии. Мы живем в мире, в котором постоянно что-то происходит. В мире, где энтропии по-прежнему есть куда расти. Чтобы получить стрелу времени, необходимо допустить, что по некоторым неизвестным нам причинам Вселенная образовалась в чрезвычайно маловероятном состоянии с низким значением энтропии. Молоко растворяется в утреннем кофе потому, что 13,7 млрд лет назад Вселенная образовалась в очень маловероятной конфигурации. Завтрак имеет космическое значение. Больше нет загадки, связанной со стрелой времени; зато появилась загадка, откуда столь невероятное состояние у Вселенной в момент запуска?