О чем "Краткая история времени" Стивена Хокинга

Сегодня, 14 марта, на 77-м году жизни скончался знаменитый английский физик-теоретик Стивен Хокинг. 112.ua публикует конспект его научно-популярной книги "Краткая история времени: От Большого взрыва до черных дыр" (1988), которая стала бестселлером

О чем "Краткая история времени" Стивена Хокинга
Из открытых источников

112.ua

Редакционный блог

Сегодня, 14 марта, на 77-м году жизни скончался знаменитый английский физик-теоретик Стивен Хокинг. 112.ua публикует конспект его научно-популярной книги "Краткая история времени: От Большого взрыва до черных дыр" (1988), которая стала бестселлером

Оригинал на странице Math Us

Книга выдающегося английского физика Стивена Хокинга "Краткая история времени: от Большого взрыва до черных дыр" посвящена поиску ответа на вопрос Эйнштейна: "Какой выбор был у Бога, когда он создавал Вселенную?" Будучи предупрежденным, что каждая включенная в книгу формула вдвое уменьшит число покупателей, Хокинг доступным языком излагает идеи квантовой теории гравитации — не завершенной пока области физики, объединяющей в себе общую теорию относительности и квантовую механику.

Начинается книга с рассказа об эволюции человеческих представлений о Вселенной: от небесных сфер геоцентрической системы Аристотеля и Птолемея до осознания того факта, что Солнце является обычной желтой звездой средней величины в одном из рукавов спиральной галактики — среди сотен миллиардов других галактик в наблюдаемой части Вселенной. Открытие красного смещения спектров звезд других галактик означало, что Вселенная расширяется, и это привело к гипотезе большого взрыва: десять или двадцать миллиардов лет назад все объекты Вселенной могли находиться в одном месте с бесконечно большой плотностью (точка сингулярности).

Новости по теме

Большой взрыв служит началом отсчета времени. На вопрос о том, что было до Большого взрыва, ответа не существует, так как в точке сингулярности перестают работать научные законы; возможность предсказывать будущее теряется, и поэтому если что-то и происходило "до", то оно никак не повлияет на нынешние события. После Большого взрыва возможны два сценария: либо расширение Вселенной будет продолжаться вечно, либо в некоторый момент прекратится и перейдет в фазу сжатия, которая закончится возвратом в сингулярность — Большим хлопком. Какой именно вариант осуществится, неясно — это зависит от расстояний между галактиками и суммарной массы вещества Вселенной, а эти величины точно не известны.

Сингулярности могут быть во Вселенной и после Большого взрыва. Звезда, израсходовав ядерное топливо, начинает сжиматься, и при достаточно большой массе не может противостоять гравитационному коллапсу, превращаясь в черную дыру. Так вот, английский математик и физик Роджер Пенроуз показал, что объем звезды при этом стремится к нулю, а плотность ее вещества и кривизна пространства-времени — к бесконечности. Иными словами, черная дыра есть сингулярность в пространстве-времени.

Обратив направление времени, Пенроуз и Хокинг доказали утверждение, что если верна общая теория относительности (ОТО), то точка Большого взрыва должна существовать. Так гипотеза большого взрыва стала математической теоремой, а сама ОТО оказалась неполной: её законы нарушаются в точке сингулярности. Это не удивительно — ведь ОТО является классической теорией, а в малой области пространства вблизи сингулярности становятся существенными квантовые эффекты. Таким образом, для исследования черных дыр и ранней Вселенной требуется привлечение квантовой механики и создание единой теории — квантовой теории гравитации.

Занимаясь явлениями микромира, квантовая механика развивалась независимо от ОТО. В квантовой физике накопился некоторый опыт объединения различных типов взаимодействий. Так, удалось объединить в одну теорию электромагнитные и слабые взаимодействия. Именно, оказалось, что переносчики электромагнитного взаимодействия (виртуальные фотоны) и переносчики слабого взаимодействия (векторные бозоны) являются реализациями одной частицы и становятся неотличимы друг от друга при энергиях около 100 ГэВ. Существуют и теории великого объединения, то есть объединения электрослабого и сильного взаимодействий (правда, для достижения энергий великого объединения и проверки этих теорий нужен ускоритель размером с Солнечную систему).

Все эти теории не включают гравитацию, поскольку она очень мала для элементарных частиц. Однако в точке сингулярности гравитационные силы вместе с кривизной пространства-времени стремятся к бесконечности, так что совместный учёт квантовомеханических и гравитационных эффектов становится неизбежным. Это приводит к следующим удивительным результатам.

По теореме Пенроуза–Хокинга падение в черную дыру необратимо. Но, как известно, всякий необратимый процесс сопровождается ростом энтропии. Есть ли энтропия у черной дыры?

Хокинг замечает, что площадь горизонта событий черной дыры не уменьшается со временем (а при падении вещества в черную дыру — увеличивается), то есть обладает всеми свойствами энтропии. Его американский коллега Бикенстин предлагает считать площадь горизонта событий черной дыры мерой ее энтропии. Хокинг возражает: обладая энтропией, черная дыра должна иметь температуру и, следовательно, излучать — вопреки самому определению черной дыры! — но впоследствии сам же открывает механизм этого излучения.

Источником излучения оказывается вакуум вблизи черной дыры, в котором из-за квантовых флуктуаций энергии рождаются пары частица-античастица. Один из членов пары обладает положительной энергией, другой — отрицательной (так что сумма равна нулю); частица с отрицательной энергией может упасть в черную дыру, а частица с положительной энергией — покинуть ее окрестность. Поток частиц положительной энергии и есть излучение черной дыры; частицы же с отрицательной энергией уменьшают ее массу — черная дыра "испаряется" и со временем исчезает, унося с собой сингулярность. В этом Хокинг видит первое указание на возможность устранения сингулярностей ОТО с помощью квантовой механики и задается вопросом: окажет ли квантовая механика аналогичное воздействие на "большие" сингулярности, то есть устранит ли квантовая механика сингулярности Большого взрыва и Большого хлопка?

Новости по теме

Классическая общая теория относительности не оставляет выбора: расширяющаяся Вселенная рождается из сингулярности, причем начальные условия неизвестны (ОТО не работает в "момент творения"). В начальный момент Вселенная могла быть упорядоченной и однородной, а могла быть и весьма хаотичной. Дальнейший процесс эволюции, однако, существенно зависит от условий на этой границе пространства-времени. Используя метод Фейнмана, суммирование по различным "траекториям" развития Вселенной, Хокинг в рамках квантовой теории гравитации получает альтернативу сингулярности: пространство-время является конечным и не имеет сингулярности в виде границы или края (это похоже на поверхность Земли, но только в четырех измерениях). А раз нет границы, отпадает и необходимость в начальных условиях на ней, то есть нет нужды вводить новые законы, задающие поведение ранней Вселенной (или прибегать к помощи Бога). Тогда Вселенная "...не была бы сотворена, ее нельзя было бы уничтожить. Она просто существовала бы".

Тема Бога присутствует на протяжении всей книги; по сути, Хокинг ведет дискуссию с Богом. Приведем цитату, подводящую своего рода итог этой дискуссии.

"Из представления о том, что пространство и время образуют замкнутую поверхность, вытекают также очень важные следствия относительно роли Бога в жизни Вселенной. В связи с успехами, достигнутыми научными теориями в описании событий, большинство ученых пришло к убеждению, что Бог позволяет Вселенной развиваться в соответствии с определенной системой законов и не вмешивается в ее развитие, не нарушает эти законы. Но законы ничего не говорят нам о том, как выглядела Вселенная, когда она только возникла, — завести часы и выбрать начало все-таки могло быть делом Бога. Пока мы считаем, что у Вселенной было начало, мы можем думать, что у нее был Создатель. Если же Вселенная действительно полностью замкнута и не имеет ни границ, ни краев, то тогда у нее не должно быть ни начала, ни конца: она просто есть, и все! Остается ли тогда место для Создателя?"

Вот и ответ на вопрос Эйнштейна: никакой свободы выбора начальных условий у Бога не было.

Выполняя суммирование по фейнмановским траекториям при условии отсутствия границ пространства-времени, Хокинг находит, что Вселенная в ее нынешнем состоянии с высокой вероятностью должна расширяться одинаково быстро по всем направлениям — в согласии с наблюдениями изотропного фона реликтового микроволнового излучения. Далее, раз начало отсчета времени есть гладкая, регулярная точка пространства и времени, то Вселенная начала эволюцию из однородного, упорядоченного состояния. Эта начальная упорядоченность объясняет наличие термодинамической стрелы времени, указывающей то направление времени, в котором возрастает беспорядок (энтропия) Вселенной.

В заключительной части книги Хокинг описывает теорию струн, претендующую на объединение всей физики. Эта теория имеет дело не с частицами, а с объектами наподобие одномерных струн. Частицы трактуются как колебания струн, испускание и поглощение частиц — как разрыв и соединение струн. Струнная теория, однако, не ведет к противоречиям лишь в 10-мерном или 26-мерном пространствах. Возможно, в ходе развития Вселенной "развернулись" только четыре координаты нашего пространства-времени, остальные же оказались свернутыми в пространство ничтожно малых размеров.

Почему так произошло? Хокинг дает ответ с позиций так называемого антропного принципа: иначе не возникли бы условия для развития разумных существ, способных задать подобный вопрос. В самом деле, в случае меньшей размерности пространства затруднена эволюция: так, всякий сквозной проход в теле двумерного существа делит его на две части. В пространствах же большей размерности иным будет закон гравитационного притяжения, и орбиты планет станут неустойчивыми ("мы бы тогда либо замерзли, либо сгорели"). Конечно, допустимы и другие вселенные, с другим количеством развернувшихся координат, "...но в подобных областях не будет разумных существ, которые могли бы увидеть это разнообразие действующих измерений".

Хокинг с оптимизмом смотрит на перспективы создания единой теории, описывающей Вселенную. Отняв у Бога акт творения, он отводит Богу роль творца ее законов. Когда будет построена математическая модель, останется вопрос, почему Вселенная, подчиняющаяся этой модели, вообще существует. Не связанные необходимостью строить новые теории, ученые обратятся к его исследованию. "И если будет найден ответ на такой вопрос, это будет полным триумфом человеческого разума, ибо тогда нам станет понятен замысел Бога".

Конспект книги Стивена Хокинга "Краткая история времени" подготовил Игорь Яковлев

видео по теме

Новости партнеров

Загрузка...

Виджет партнеров