Теория всего. От сингулярности до бесконечности: происхождение и судьба Вселенной
Стивен Хокинг, 2006
«Теория всего» – это история Вселенной, рассказанная Стивеном Хокингом в привычной – прозрачной и остроумной – манере и дополненная фантастическими снимками космического телескопа «Хаббл», от которых перехватывает дух. Иллюстрации и схемы, созданные специально для этой книги, помогут понять те самые теории и концепции, с которыми каждый день сражаются передовые ученые по всему миру. Книга объединяет семь лекций, охватывающих широкий диапазон тем: от Большого взрыва и черных дыр до теории струн. Автор описывает представления о Вселенной – от постулата о том, что Земля имеет форму шара, до теории о расширении Вселенной, основанной на недавних наблюдениях. Однако с особым азартом Стивен Хокинг рассуждает о непрекращающихся поисках теории всего, появление которой, по мнению автора, ознаменует триумф человеческого разума. Это книга для всех, кто когда-либо вглядывался в ночное небо и задавался вопросом о том, что скрывается в его чернильной синеве.
Оглавление
- Введение
- Лекция первая. Представления о Вселенной
- Лекция вторая. Расширяющаяся Вселенная
Из серии: Мир Стивена Хокинга
Приведённый ознакомительный фрагмент книги Теория всего. От сингулярности до бесконечности: происхождение и судьба Вселенной предоставлен нашим книжным партнёром — компанией ЛитРес.
Перевод оригинального издания:
The Theory of Everything
Печатается с разрешения Waterside Productions Inc и литературного агентства «Синопсис».
Оригинальное издание опубликовано Phoenix Books and Audio.
© Phoenix Books and Audio, 2006
© ООО «Издательство АСТ», 2017 (перевод на русский язык)
В этой серии лекций я постараюсь в общих чертах рассказать о наших представлениях об истории Вселенной от Большого взрыва до образования черных дыр. Первая лекция посвящена краткому обзору идей о строении Вселенной, которых придерживались в прошлом, и рассказу о том, как была построена современная картина мира. Эту часть можно назвать историей развития представлений об истории Вселенной.
Во второй лекции я опишу, как теории гравитации Ньютона и Эйнштейна привели к пониманию того, что Вселенная не может быть неизменной — она должна либо расширяться, либо сжиматься. Из этого, в свою очередь, следует вывод, что в какое-то время в интервале от 10 до 20 млрд лет назад плотность Вселенной была бесконечной. Эта точка на оси времени называется Большим взрывом. По-видимому, этот момент и был началом существования Вселенной.
В третьей лекции я расскажу о черных дырах. Они образуются, когда массивная звезда или более крупное космическое тело коллапсирует под действием собственной гравитации. Согласно общей теории относительности Эйнштейна, каждый, кто окажется достаточно глуп, чтобы угодить в черную дыру, останется там навсегда. Никто не сможет оттуда выбраться. В сингулярности истории существования любого объекта приходит конец. Однако общая теория относительности — это теория классическая, то есть в ней не учитывается квантовомеханический принцип неопределенности.
В четвертой лекции я объясню, как квантовая механика позволяет энергии ускользать из черной дыры. Черные дыры не так уж черны, «как их малюют».
В пятой лекции я расскажу о применении идей квантовой механики к решению вопросов, связанных с Большим взрывом и происхождением Вселенной. Это подведет нас к пониманию того, что пространство-время может быть конечным, но не иметь границы или края. Это напоминает поверхность Земли, но с добавлением еще двух измерений.
В шестой лекции я покажу, как на основе этого нового предположения о границе можно объяснить, почему прошлое так сильно отличается от будущего, хотя законы физики симметричны относительно времени.
Наконец, в седьмой лекции я расскажу о попытках сформулировать единую теорию, охватывающую квантовую механику, гравитацию и все остальные физические взаимодействия. Если нам это удастся, мы действительно сможем понять Вселенную и свое место в ней.
Источник
Последняя теория Стивена Хокинга о нашей Вселенной
Гениальный физик Стивен Хокинг перед смертью успел поделиться с миром еще одной своей идеей — в последней статье, написанной в соавторстве с Томасом Хертогом (Thomas Hertog) из Лёвенского католического университета (KU Leuven), он выдвинул теорию о зарождении Вселенной.
По их словам, Вселенная намного проще, чем предполагают современные теории о мультивселенной. Идея Хокинга и Хертога основывается на хаотической теории инфляции — сценарии развития Вселенной в инфляционной модели Вселенной, впервые предложенном в 1979 году и обоснованном в статье 1981 года .
После Большого взрыва Вселенная пережила период экспоненциальной инфляции. Затем расширение замедлилось, а энергия превратилась в материю и излучение.
Согласно хаотической теории инфляции, некоторые пузыри пространства вообще прекратили расширяться или замедлились почти до полной остановки, создав маленькие фрактальные островки статического пространства.
Тем временем в других пузырях пространства инфляция никогда не останавливается из-за квантовых эффектов, что ведет к образованию бесконечного количества мультивселенных.
Согласно этой теории, всё, что мы видим в видимой части Вселенной, находится в одном из таких пузырей, где инфляция остановилась, дав дорогу формированию звезд и галактик.
Обычная хаотическая теория инфляции предсказывает, что наша вселенная похожа на бесконечный фрактал с мозаикой разных карманных вселенных, разделенных расширяющимся океаном, — объясняет Хокинг.
Местные законы физики и химии могут различаться в разных кармашках вселенных, из которых состоит множественная Вселенная. Но мне никогда не нравилась идея множественной Вселенной. Если количество различных вселенных в мультивселенной велико или бесконечно, эту теорию нельзя будет протестировать .
Даже один из авторов хаотической теории инфляции не так давно отказался от этой модели. Пол Стейнхардт , физик из Принстонского университета, официально заявил, что эта теория взяла проблему, которую должна была решить,— теоретизировать Вселенную, которая бы совпадала с нашими наблюдениями ,— и просто перенесла ее в новую модель.
Хокинг и Хертог утверждают, что хаотическая теория инфляции неверна , потому что общая теория относительности Эйнштейна не выполняется на квантовом уровне.
Проблема в том, — объясняет Хертог, —что хаотическая теория инфляции предполагает существование вселенной, которая развивается согласно общей теории относительности, а квантовые эффекты по этой модели являются лишь небольшими отклонениями.
Динамика хаотической теории инфляции размывает разделение между классической и квантовой физикой. И в итоге, теория Эйнштейна целиком распадается в хаотической теории инфляции.
Последняя теория Хокинга основывается на теории струн — модели, которая пытается связать общую теорию относительности с квантовой теорией путем замены частиц-точек на маленькие, вибрирующие одномерные струны.
В теории струн голографический принцип предполагает, что пространство может быть описано на границе этого пространства, то есть вся информация, содержащаяся в некой области пространства, может быть представлена как «голограмма» — теория, которая «живёт» на границе этой области. Вселенная — это голограмма, в которой физическая реальность трехмерного формата может быть математически сжата в двумерные проекции на ее поверхности.
Ученые разработали вариант голографического принципа, который преобразует измерение времени в хаотической теории инфляции, что позволило им описать модель, не полагаясь на общую теорию относительности.
Это позволило математически сжать хаотическую теорию инфляции до безвременного состояния на пространственной поверхности в начале вселенной — создать голограмму хаотической инфляции .
Если отследить эволюцию нашей Вселенной обратно во времени, в какой-то момент мы окажемся на границе хаотической инфляции, где знакомое нам понятие времени теряет весь смысл, — объясняет Хертог.
В 1993 году Хокинг совместно с физиком Джеймсом Хартлом предложили идею “ безграничной теории ” или “ состояния Хокинга-Хартла ”. Они предположили, что до Большого взрыва с уществовало пространство, но не было времени . То есть Вселенная расширилась из одной точки, но у нее нет границ.
Согласно этой новой теории у ранней Вселенной все же была граница , именно это и позволило Хокингу и Хертогу вынести более надежные предсказания о структуре Вселенной.
Мы предсказываем, что наша вселенная, в самом большом масштабе, относительно равномерна и в общем-то конечна. Поэтому она не является фрактальной структурой,
Такой результат не опровергает теорию множественной Вселенной, но сокращает ее до более мелкого масштаба. А это означает, что теорию о мультивселенной будет проще протестировать в будущем, если выкладки Хокинга и Хертога будут подтверждены другими физиками.
Хертог планирует протестировать теорию, изучая гравитационные волны, которые могли быть созданы хаотической инфляцией.
Эти волны теоретически слишком велики, чтобы их мог зафиксировать LIGO, но их смогут уловить будущие интерферометры гравитационных волн, вроде космического LISA , и дальнейшие исследования реликтового излучения.
Подписывайтесь наш VK , там мы кстати не только публикуем статьи, но и проводим опросы наших подписчиков. Обнаружили что этот интсрумент реализован там очень удобно. Сейчас идет опрос на какую тему снять следующий ролик для нашего YouTube канала .
Источник
Пять популярных теорий Стивена Хокинга
8 января 1942 года, через 300 лет после смерти Галилея, в британском Оксфорде родился Стивен Уильям Хокинг. Примерно 200 тысяч других детей также появились на свет в тот день, но только один стал величайшим физиком-теоретиком и космологом. В начале 1960-х у Хокинга стали проявляться признаки бокового амиотрофического склероза (болезнь Лу Герига), которые привели к параличу.
«Почти совершенное воплощение свободного духа, огромного интеллекта, человека, который мужественно преодолевает физическую немощь, отдавая все силы на расшифровку «божественного замысла», — таким описывает Хокинга в своей книге немецкий популяризатор науки Хуберт Мания.
Достижения Хокинга в науке неоспоримы. «РГ» расскажет о некоторых самых популярных теориях великого физика.
Излучение Хокинга
Излучение Хокинга — гипотетический процесс «испарения» черных дыр, то есть испускания разнообразных элементарных частиц (преимущественно фотонов).
Процесс был предсказан Хокингом в 1974 году. Его работе, кстати, предшествовал визит в Москву в 1973 году, где он встречался с советскими учеными: одним из создателей атомной и водородной бомб Яковом Зельдовичем и одним из основоположников теории ранней Вселенной Алексеем Старобинским.
«Когда огромная звезда сжимается, ее гравитация становится настолько сильной, что даже свет не может больше покидать ее пределы. Область, из которой ничто не может выйти, и называется «черная дыра». А ее границы называются «горизонт событий», — так поясняет Хокинг.
Отметим, понятие о черной дыре как объекте, который ничего не излучает, а может лишь поглощать материю, справедливо до тех пор, пока не учитываются квантовые эффекты.
Именно Хокинг начал изучать поведение элементарных частиц вблизи черной дыры с точки зрения квантовой механики. Он выяснил, что частицы могут выходить за ее пределы и что черная дыра не может быть абсолютно черной, то есть — существует остаточная радиация. Коллеги-ученые рукоплескали: все теперь изменилось! Информация об открытии распространилась в научной среде как ураган. И эффект произвела аналогичный.
Позже Хокинг обнаружил и механизм, посредством которого черные дыры могут излучать радиацию. Он пояснил, что с точки зрения квантовой механики пространство наполнено виртуальными частицами. Они постоянно материализуются парами, «разлучаются», снова «встречаются» и аннигилируют. Вблизи черной дыры одна из пары частиц может упасть в нее, и тогда у второй не останется пары для аннигиляции. Такие «брошенные» частицы и образуют радиацию, которую излучает черная дыра.
Из этого Хокинг делает вывод, что черные дыры существуют не вечно: они излучают все более сильный ветер и, в конце концов, исчезают в результате гигантского взрыва.
«Эйнштейн так и не принял квантовую механику из-за связанного с ней элемента случайности и неопределенности. Он сказал: Бог не играет в кости. Похоже, что Эйнштейн ошибся дважды. Квантовый эффект черной дыры позволяет предположить, что Бог не только играет в кости, но и иногда бросает их туда, где их нельзя увидеть», — считает Хокинг.
Излучение черных дыр — или излучение Хокинга — показало, что гравитационное сжатие не настолько окончательно, как было принято считать ранее: «Если астронавт падает в черную дыру, он вернется затем во внешнюю часть Вселенной в виде радиации. Таким образом, в каком-то смысле астронавт будет переработан».
Вопрос существования Бога
В 1981 году Хокинг побывал на конференции по космологии в Ватикане. После конференции Папа Римский дал аудиенцию ее участникам и сказал им, что они могут изучать развитие Вселенной после большого взрыва, но не сам большой взрыв, поскольку это — момент творения, а стало быть — дело Божье.
Позже Хокинг признался, что был рад тому, что Папа не знал тему лекции, которую ученый прочел перед этим. Она как раз касалась теории, согласно которой у Вселенной не было начала, момента творения как такового.
Подобные теории были и в начале 1970-х годов, они говорили о фиксированном пространстве и времени, которые на протяжении вечности были пустыми. Затем, по какой-то неизвестной причине, образовывалась точка — вселенское ядро — и происходил взрыв.
Хокинг полагает, что «если мы движемся назад во времени, мы доходим до сингулярности большого взрыва, в которой законы физики не действуют. Но есть другое направление движения во времени, которое позволяет избежать сингулярности: оно называется воображаемым направлением времени. В нем можно обойтись без сингулярности, которая является началом или концом времени».
То есть появляется момент в настоящем, которому совсем не обязательно сопутствует цепочка моментов в прошлом.
«Если у Вселенной было начало, мы можем предполагать, что у нее был и создатель. Но если Вселенная является самодостаточной, не имеет границы или края, значит, она не была создана и не будет уничтожена. Она просто существует. Где же тогда место для ее создателя?» — вопрошает физик-теоретик.
«От большого взрыва до черных дыр»
С таким подзаголовком в апреле 1988 года в свет вышла книга Хокинга «Краткая история времени», моментально ставшая бестселлером.
Эксцентричный и в высшей степени умный Хокинг активно занимается популяризацией науки. В его книге хоть и рассказывается о появлении Вселенной, о природе пространства и времени, черных дырах, встречается одна единственная формула — E=mc² (энергия равна массе, умноженной на квадрат скорости света в свободном пространстве).
До 20 века считалось, что Вселенная — вечна и неизменна. Хокинг весьма доступным языком доказывал, что это не так.
«В свете от далеких галактик происходит смещение в сторону красной части спектра. Это означает, что они удаляются от нас, что Вселенная расширяется», — говорит он.
Статичная Вселенная кажется привлекательнее: она существует и может продолжить существовать вечно. Она — нечто незыблемое: человек стареет, но Вселенная всегда так же молода, как в момент формирования.
Расширение Вселенной позволяет предположить, что у нее, в какой-то момент в прошлом, было начало. Этот момент, когда Вселенная начала свое существование, и получил название большого взрыва.
«Умирающая звезда, сжимаясь под действием собственной гравитации, в конце концов, превращается в сингулярность — в точку бесконечной плотности и нулевого размера. Если повернуть вспять ход времени так, чтобы сжатие превратилось в расширение, станет возможным доказать, что у Вселенной было начало. Однако доказательство, основанное на теории относительности Эйнштейна, показывало также, что невозможно понять, как произошла Вселенная: оно демонстрировало, что все теории не действуют в момент начала Вселенной», — отмечает ученый.
Человечество ждет гибель
Можно увидеть, как чашка падает со стола и разбивается. Но нельзя увидеть, как она собирается обратно из осколков. Увеличение беспорядка — энтропии — именно то, что отличает прошлое от будущего и придает направление времени.
Хокинг задался вопросом: что произойдет, когда Вселенная прекратит расширяться и начнет сжимать? Увидим ли мы, как разбитые чашки собираются из осколков?
«Мне казалось, что когда начнется сжатие, Вселенная вернется в упорядоченное состояние. В таком случае, с началом сжатия время должно было повернуть вспять. Люди в этой стадии проживали бы жизнь задом наперед и молодели по мере сжатия Вселенной», — говорил он.
Попытки создать математическую модель теории не увенчались успехом. Позже Хокинг признал свою ошибку. По его мнению, она заключалась в том, что он использовал слишком простую модель Вселенной. Время не повернет свой ход вспять, когда Вселенная начнет сжиматься.
«В реальном времени, в котором мы живем, у Вселенной есть две возможные судьбы. Она может продолжать расширяться вечно. Или она может начать сжиматься и прекратить свое существование в момент «большого сплющивания». Это будет похоже на большой взрыв, только — наоборот», — полагает физик.
Хокинг допускает, что Вселенную все-таки ожидает финал. Однако, оговаривается, что у него, как у пророка конца света, не будет возможности оказаться в то время — через много биллионов лет — и осознать свою ошибку.
Согласно теории Хокинга, спасти человечество при таком раскладе может только способность оторваться от Земли.
Инопланетяне существуют
Люди отправляют в космос беспилотные аппараты с изображениями человека и координатами, указывающими расположение нашей планеты. В космос посылают радиосигналы, в надежде, что их заметят инопланетные цивилизации.
Если верить Хокингу, то встречи с представителями других планет не сулят землянам ничего хорошего. Основываясь на своих знаниях, он не отрицает возможность существования внеземной цивилизации, но надеется, что встречи не произойдет.
В документальном телесериале канала Discovery он высказал мнение о том, что если технологии инопланетян будут превосходить земные, они обязательно образуют на Земле свою колонию и поработят человечество. Хокинг сравнил этот процесс с прибытием Колумба в Америку и последствиями, которые ожидали коренное население континента.
«Во Вселенной со 100 миллиардами галактик, каждая из которых содержит сотни миллионов звезд, маловероятно, что Земля является единственным местом, где развивается жизнь. С чисто математической точки зрения, одни лишь цифры позволяют принимать мысль о существовании инопланетной жизни как абсолютно разумную. Реальной проблемой является то, как могут выглядеть инопланетяне, понравятся ли они землянами своим видом. Ведь они могут быть микробами или одноклеточными животными, или червями, которые населяли Землю в течение миллионов лет», — считает Хокинг.
Даже близкие и друзья космолога отмечают, что нельзя верить каждому его слову. Он — искатель. А в таком деле допущений больше, чем фактов, и ошибки неизбежны. Но даже при этом его изыскания дают человеку пищу для ума, точку, от которой можно начать поиск ответа на вопрос о существовании человека и Вселенной.
«Ответ на этот вопрос будет величайшим триумфом человеческого разума, ибо тогда мы познаем ум Бога», — говорит Хокинг.
Источник