Теория возникновения вселенной хокинга

Перевод оригинального издания:

The Theory of Everything

Печатается с разрешения Waterside Productions Inc и литературного агентства «Синопсис».

Оригинальное издание опубликовано Phoenix Books and Audio.

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.

Представления о Вселенной

Еще в 340 г. до н. э. Аристотель в своем трактате «О небе» сформулировал два веских довода в пользу того, что Земля имеет форму шара, а не является плоской, как тарелка. Во-первых, он понял, что лунные затмения вызваны прохождением Земли между Солнцем и Луной. Тень Земли на Луне – всегда круглая, а это возможно, только если Земля имеет сферическую форму. Если бы Земля представляла собой плоский диск, тень была бы вытянутой и имела бы форму эллипса, за исключением тех случаев, когда в момент затмения Солнце находится точно над центром диска.

Во-вторых, из опыта своих путешествий греки знали, что в южных районах Полярная звезда находится ниже над горизонтом, чем в более северных. Опираясь на разницу видимых положений Полярной звезды в Египте и Греции, Аристотель даже приводит оценку длины окружности Земли – 400 тыс. стадиев. Чему равен один стадий – точно не известно (возможно, около 180 метров). Тогда оценка Аристотеля почти в два раза превосходит значение, принятое в настоящее время.

У древних греков был еще и третий аргумент в пользу того, что Земля должна иметь форму шара: иначе почему на горизонте сначала появляются паруса приближающегося корабля и только потом становится виден его корпус? Аристотель думал, что Земля неподвижна, а Солнце, Луна, планеты и звезды движутся по круговым орбитам вокруг нее. Он так считал, поскольку в силу мистических соображений был убежден, что Земля – центр Вселенной, а круговое движение – самое совершенное.

Аристотель считал, что Земля неподвижна, а Солнце, Луна, планеты и звезды движутся по круговым орбитам вокруг нее.

В I веке н. э. эта идея была развита Птолемеем в целостную космологическую модель. Земля располагается в центре, ее окружают восемь сфер, несущих на себе Луну, Солнце, звезды и пять планет, известных в то время: Меркурий, Венеру, Марс, Юпитер и Сатурн. Планеты движутся по окружностям меньших радиусов, которые связаны с соответствующими сферами. Это требовалось, чтобы объяснить их достаточно сложные наблюдаемые траектории движения по небу. На внешней сфере расположены так называемые неподвижные звезды, которые сохраняют свои положения относительно друг друга, но все вместе совершают круговое движение по небу. Что находится за пределами внешней сферы – оставалось неясным, но эта часть Вселенной, несомненно, была недоступна для наблюдений.

Модель Птолемея давала возможность достаточно точно предсказывать положения небесных тел на небе. Но для этого Птолемею пришлось допустить, что иногда Луна подходит вдвое ближе к Земле, чем в другие моменты своего движения по предсказанной траектории. Это означало, что периодически Луна должна казаться вдвое больше обычного. Птолемей знал об этом недостатке, но, несмотря на это, его модель была принята большинством, хотя и не всеми. Она получила одобрение христианской церкви, как картина мира, согласующаяся со Священным писанием. Ведь эта модель обладала огромным преимуществом, поскольку оставляла за сферой неподвижных звезд достаточно места для рая и ада.

Старинный рисунок, на котором изображены разные космологические модели, объяснявшие движение планет. На центральной схеме представлена гелиоцентрическая (в центре находится Солнце) модель движения шести известных в то время планет, их спутников и других небесных тел, обращающихся вокруг Солнца. Со второго века доминирующей моделью стала геоцентрическая (в центре находится Земля) система Птолемея (вверху слева). На смену ей пришла гелиоцентрическая система Коперника, опубликованная в 1543 г. (внизу справа). В египетской модели (внизу слева) и модели Тихо Браге (вверху справа) предпринимались попытки сохранить представление о неподвижной Земле как центре Вселенной. Подробные сведения об орбитах планет приведены слева и справа.

Из «Иллюстрированного атласа» Иоганна Георга Хека, 1860 г.

Однако в 1514 г. польский священник Николай Коперник предложил гораздо более простую модель. Сначала, опасаясь обвинений в ереси, он опубликовал свою модель анонимно. Он считал, что в центре находится неподвижное Солнце, а Земля и планеты движутся вокруг него по круговым орбитам. К несчастью для Коперника, прошло почти сто лет, прежде чем его идеи были приняты всерьез. Тогда два астронома – немец Иоганн Кеплер и итальянец Галилео Галилей – публично выступили в поддержку теории Коперника несмотря на то, что орбиты, предсказанные на основе этой теории, несколько отличались от наблюдаемых. Конец господству теории Аристотеля-Птолемея был положен в 1609 г., когда Галилео Галилей начал изучать ночное небо с помощью недавно изобретенного телескопа.

В 1609 г. Галилео Галилей начал изучать ночное небо с помощью недавно изобретенного телескопа.

Наблюдая Юпитер, Галилей заметил, что планету сопровождают несколько небольших спутников (лун), которые обращаются вокруг нее. Это означало, что не все небесные тела должны обращаться вокруг Земли, как думали Аристотель и Птолемей. Конечно, по-прежнему можно было считать, что Земля неподвижна и находится в центре Вселенной, а спутники Юпитера движутся по крайне сложным траекториям вокруг Земли, так что создается видимость их обращения вокруг Юпитера. Однако теория Коперника была гораздо проще.

Источник

Его вселенная: пять главных теорий Стивена Хокинга

Стивен Хокинг родился в Оксфорде в 1942 году. В 20 лет он окончил Оксфордский университет, затем получил докторскую степень Кембриджского университета. Теоретик изучал возникновение мира в результате Большого взрыва, теорию черных дыр, написал «Краткую историю времени», «Черные дыры и молодые вселенные», «Мир в ореховой скорлупке».

Физику поставили в диагноз боковой амиотрофический склероз, через некоторое время его парализовало, но Хокинг не оставлял занятия наукой, когда он перестал говорить, то общался через компьютерный синтезатор речи.

В апреле 1988 года вышла книга Хокинга «Краткая история времени», которая сразу же стала бестселлером, в ней ученый занимается популяризацией науки, детально рассказывает о появлении Вселенной, природе пространства и времени, черных дырах (кстати, одна из них встречается в знаменитой формуле E=mc²

Теория Хокинга предполагает, что у Вселенной в какой-то момент было начало, которое получило название «большой взрыв»: «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», — отмечал ученый.

Хокинг говорил, что одной из следствий квантовой механики, которая изучает состояния микрочастиц и их систем (элементарных частиц, атомов, молекул, кристаллов, атомных ядер), является то, что прошлые события не происходили по определенному сценарию. Они случались всеми возможными способами. «Независимо от того, какие воспоминания вы храните о прошлом в настоящее время, прошлое, как и будущее, неопределённо и существует в виде спектра возможностей», — писал Стивен Хокинг.

Излучение Хокинга. Это процесс «испарения» черных дыр, который был предсказен Хокингом в 1974 году: «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».

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.

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.

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.

«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