Вселенная от большого взрыва до черных дыр

«Краткая история времени: от Большого взрыва до черных дыр» — это книгаанглийского физика Стивена Хокинга по теоретической космологии . Впервые она была опубликована в 1988 году. Хокинг написал книгу для читателей, которые не имели предварительных знаний в области физики, и людей, которые хотят узнать что-то новое по интересным предметам.

В «Краткой истории времени» Хокинг пишет в нетехнических терминах о структуре, происхождении, развитии и возможной судьбе Вселенной , которая является объектом изучения астрономии и современной физики . Он говорит об основных понятиях, таких как пространство и время , основных строительных блоках, из которых состоит Вселенная (таких как кварки ), и фундаментальных силах, которые ею управляют (например, гравитации ). Он пишет о космологических явлениях, таких как Большой взрыв и черные дыры . Он обсуждает две основные теории, общую теорию относительности и квантовую механику , которые современные ученые используют для описания Вселенной. Наконец, он говорит о поисках объединяющей теории, которая последовательно описывает все во Вселенной.

Книга стала бестселлером и разошлась тиражом более 25 миллионов экземпляров.

СОДЕРЖАНИЕ

Публикация

В начале 1983 года Хокинг впервые обратился к Саймону Миттону , редактору книг по астрономии в Cambridge University Press , с его идеями для популярной книги по космологии. Миттон сомневался во всех уравнениях черновика рукописи, которые, по его мнению, оттолкнули бы покупателей в книжных магазинах аэропорта, до которых хотел добраться Хокинг. С некоторым трудом он убедил Хокинга отказаться от всех уравнений, кроме одного. Сам автор отмечает в подтверждениях книги о том , что он был предупрежден , что для каждого уравнения в книге, читательская будет вдвое, следовательно , она включает в себя только одно уравнение: . В книге действительно используется ряд сложных моделей, диаграмм и других иллюстраций, чтобы детализировать некоторые из исследуемых концепций. E знак равно м c 2 <\ displaystyle E = mc ^ <2>>

СОДЕРЖАНИЕ

В «Краткой истории времени» Стивен Хокинг пытается объяснить ряд вопросов космологии , включая Большой взрыв , черные дыры и световые конусы , для читателя-неспециалиста. Его основная цель — дать обзор предмета, но он также пытается объяснить некоторые сложные математические вопросы . В издании книги 1996 года и последующих изданиях Хокинг обсуждает возможность путешествий во времени и кротовых нор и исследует возможность существования Вселенной без квантовой сингулярности в начале времени.

Глава 1: Наша картина Вселенной

В первой главе Хокинг обсуждает историю астрономических исследований , включая идеи Аристотеля и Птолемея . Аристотель, в отличие от многих других людей своего времени, думал, что Земля круглая. Он пришел к такому выводу, наблюдая лунные затмения , которые по его мнению , были вызваны круглой тенью Земли, а также путем наблюдения увеличения высоты на Полярной звезде с точки зрения наблюдателей , расположенных дальше на север. Аристотель также думал, что Солнце и звезды вращаются вокруг Земли по идеальным кругам по «мистическим причинам». Греческий астроном II века Птолемей также задумался о положении Солнца и звезд во Вселенной и создал модель планеты, которая более подробно описала мышление Аристотеля.

Сегодня известно обратное: Земля вращается вокруг Солнца. Идеи Аристотеля и Птолемея о положении звезд и Солнца были опровергнуты рядом открытий в 16, 17 и 18 веках. Первым человеком , чтобы представить подробный аргумент , что вращается Земля вокруг Солнца был польский священник Николай Коперник , в 1514. Почти столетие спустя, Галилео Галилей , итальянский ученый, и Иоганн Кеплер , немецкий ученый, изучали , как спутники из некоторые планеты двигались по небу и использовали свои наблюдения, чтобы подтвердить мышление Коперника.

Чтобы соответствовать наблюдениям, Кеплер предложил модель эллиптической орбиты вместо круговой. В своей книге 1687 о гравитации, Principia Mathematica , Исаак Ньютон использовал сложную математику к идее дальнейшей поддержки Коперника. Модель Ньютона также означала, что звезды, такие как Солнце, не были неподвижными, а скорее были удаленными движущимися объектами. Тем не менее Ньютон считал, что Вселенная состоит из бесконечного числа звезд, которые более или менее статичны. Многие из его современников, включая немецкого философа Генриха Ольберса , не соглашались.

Происхождение Вселенной представляло собой еще одну важную тему изучения и споров на протяжении веков. Ранние философы, такие как Аристотель, думали, что Вселенная существует вечно, в то время как теологи, такие как Святой Августин, полагали, что она была создана в определенное время. Святой Августин также считал, что время — это понятие, родившееся с сотворением Вселенной. Более чем 1000 лет спустя немецкий философ Иммануил Кант утверждал, что у времени не было начала.

В 1929 году астроном Эдвин Хаббл обнаружил, что большинство галактик удаляются друг от друга, что можно было бы объяснить, только если бы сама Вселенная увеличивалась в размерах. Следовательно, было время, от десяти до двадцати миллиардов лет назад, когда все они были вместе в одном исключительном и чрезвычайно плотном месте. Это открытие внесло понятие о начале Вселенной в сферу науки. Сегодня ученые используют две теории, Альберт Эйнштейн «s общей теории относительности и квантовой механики , которые частично описывают выработок Вселенной. Ученые все еще ищут полную теорию Великого Объединения , которая описала бы все во Вселенной. Хокинг считает, что открытие полной единой теории может не способствовать выживанию нашего вида и может даже не повлиять на наш образ жизни, но что глубочайшее стремление человечества к знаниям является достаточным оправданием для наших продолжающихся поисков, и что наша цель — ничто. меньше, чем полное описание Вселенной, в которой мы живем.

Глава 2: Пространство и время

Стивен Хокинг описывает, как теория абсолютного пространства Аристотеля подошла к концу после введения ньютоновской механики . В этом описании, находится ли объект «в покое» или «в движении», зависит от инерциальной системы отсчета наблюдателя; объект может находиться «в покое», если смотреть наблюдателем, движущимся в том же направлении с той же скоростью, или «в движении», если смотреть на наблюдателя, движущегося в другом направлении и / или с другой скоростью. Абсолютного состояния «покоя» не существует. Более того, Галилео Галилей также опроверг теорию Аристотеля о том, что более тяжелые тела падают быстрее, чем более легкие. Он экспериментально доказал это, наблюдая за движением объектов разного веса, и пришел к выводу, что все объекты будут падать с одинаковой скоростью и одновременно достигнут дна, если на них не действует внешняя сила.

Аристотель и Ньютон верили в абсолютное время . Они считали, что если событие измеряется с помощью двух точных часов, находящихся в разных состояниях движения друг от друга, они согласятся, сколько времени прошло (сегодня это, как известно, неверно). Тот факт, что свет движется с конечной скоростью, впервые объяснил датский ученый Оле Рёмер , наблюдая за Юпитером и одним из его спутников Ио . Он заметил, что Ио появляется в разное время, когда он вращается вокруг Юпитера, потому что расстояние между Землей и Юпитером меняется со временем.

Фактическое распространение света было описано Джеймсом Клерком Максвеллом, который пришел к выводу, что свет распространяется волнами, движущимися с фиксированной скоростью. Максвелл и многие другие физики утверждали, что свет должен проходить через гипотетическую жидкость, называемую эфиром , что было опровергнуто экспериментом Майкельсона-Морли . Эйнштейн и Анри Пуанкаре позже утверждали, что эфир не нужен для объяснения движения света, предполагая, что не существует абсолютного времени . Специальная теория относительности основана на это, не утверждая , что свет распространяется с конечной скоростью , независимо от того , что скорость наблюдателя. Более того, скорость света — это самая высокая скорость, с которой может перемещаться любая информация.

Масса и энергия связаны знаменитым уравнением , которое объясняет, что любому объекту с массой требуется бесконечное количество энергии, чтобы двигаться со скоростью света. Был разработан новый способ определения метра по скорости света. «События» также могут быть описаны с помощью световых конусов , графического представления пространства-времени, которое ограничивает, какие события разрешены, а какие не основаны на световых конусах прошлого и будущего. Также описывается четырехмерное пространство — время , в котором «пространство» и «время» неразрывно связаны. Движение объекта в пространстве неизбежно влияет на то, как он воспринимает время. E знак равно м c 2 <\ displaystyle E = mc ^ <2>>

Эйнштейна общей теории относительности объясняет , как путь луча света зависит от « тяжести », который , согласно Эйнштейну является иллюзией , вызванной искривлением пространства — времени, в отличие от точки зрения Ньютона, в котором описывается гравитацию как сила , которой материя оказывает на другое дело. При искривлении пространства-времени свет всегда движется по прямому пути в 4-мерном «пространстве-времени», но может казаться искривленным в 3-мерном пространстве из-за гравитационных эффектов. Эти прямые пути являются геодезическими . Парадокс близнецов , мысленный эксперимент в специальной теории относительности с участием идентичных близнецов, считает , что близнецы могут стареют по- разному , если они двигаются с разной скоростью по отношению друг к другу, или даже если они жили в разных местах с неравной кривизной пространства — времени. Специальная теория относительности основана на аренах пространства и времени, где происходят события, тогда как общая теория относительности является динамической, где сила может изменять кривизну пространства-времени и которая дает начало расширяющейся Вселенной. Хокинг и Роджер Пенроуз работали над этим и позже с помощью общей теории относительности доказали, что если у Вселенной было начало, то у нее также должен быть конец.

Глава 3: Расширяющаяся Вселенная

В этой главе Хокинг сначала описывает, как физики и астрономы вычисляли относительное расстояние звезд от Земли. В 18 веке сэр Уильям Гершель подтвердил положение и расстояние до многих звезд в ночном небе. В 1924 году Эдвин Хаббл открыл метод измерения расстояния , используя яркость в цефеид переменных звезд , если смотреть с Земли. Светимость , яркость и расстояние этих звезд связаны простой математической формулой. Используя все это, он рассчитал расстояния до девяти различных галактик. Мы живем в довольно типичной спиральной галактике, содержащей огромное количество звезд.

Звезды очень далеки от нас, поэтому мы можем наблюдать только их одну характерную особенность — их свет. Когда этот свет проходит через призму, он дает спектр . Каждая звезда имеет свой собственный спектр, и поскольку каждый элемент имеет свои уникальные спектры, мы можем измерить световые спектры звезды, чтобы узнать ее химический состав. Мы используем тепловые спектры звезд, чтобы узнать их температуру. В 1920 году, когда ученые изучали спектры различных галактик, они обнаружили, что некоторые характерные линии звездного спектра были смещены в сторону красного конца спектра. Последствия этого явления были даны эффектом Доплера , и было ясно, что многие галактики удаляются от нас.

Предполагалось, что, поскольку некоторые галактики смещены в красную область, некоторые галактики также будут смещены в синий цвет. Однако галактик с красным смещением намного больше, чем галактик с синим смещением. Хаббл обнаружил, что величина красного смещения прямо пропорциональна относительному расстоянию. Исходя из этого, он определил, что Вселенная расширяется и имела начало. Несмотря на это, концепция статической Вселенной сохранялась до 20 века. Эйнштейн был настолько уверен в статичности Вселенной, что разработал « космологическую постоянную » и ввел силы «антигравитации», чтобы позволить Вселенной бесконечного возраста существовать. Более того, многие астрономы также пытались избежать последствий общей теории относительности и придерживались своей статической Вселенной, за одним особенно примечательным исключением — российским физиком Александром Фридманом .

Фридман сделал два очень простых предположения: Вселенная идентична, где бы мы ни находились, т.е. однородность , и что она идентична во всех направлениях, в которые мы смотрим, т.е. изотропия . Его результаты показали, что Вселенная нестатична. Его предположения были позже подтверждены, когда два физика из Bell Labs , Арно Пензиас и Роберт Уилсон , обнаружили неожиданное микроволновое излучение не только от одной конкретной части неба, но и отовсюду, причем почти в одинаковом количестве. Таким образом, первое предположение Фридмана подтвердилось.

Примерно в то же время Роберт Х. Дике и Джим Пиблз также работали над микроволновым излучением . Они утверждали, что должны иметь возможность видеть свечение ранней Вселенной как фоновое микроволновое излучение. Уилсон и Пензиас уже сделали это, поэтому в 1978 году они были удостоены Нобелевской премии . Кроме того, наше место во Вселенной не является исключительным , поэтому мы должны видеть Вселенную примерно такой же из любой другой части пространства, которая поддерживает Второе предположение Фридмана. Его работы оставались в значительной степени неизвестными, пока аналогичные модели не были созданы Говардом Робертсоном и Артуром Уокером .

Модель Фридмана дала начало трем различным типам моделей эволюции Вселенной. Во-первых, Вселенная будет расширяться в течение определенного времени, и если скорость расширения будет меньше плотности Вселенной (что приведет к гравитационному притяжению), это в конечном итоге приведет к коллапсу Вселенной на более поздней стадии. Во-вторых, Вселенная будет расширяться, и в какой-то момент, если скорость расширения и плотность Вселенной сравняются, она будет медленно расширяться и остановится, что приведет к несколько статичной Вселенной. В-третьих, Вселенная будет продолжать расширяться вечно, если плотность Вселенной будет меньше критического количества, необходимого для уравновешивания скорости расширения Вселенной.

Первая модель изображает искривленное внутрь пространство Вселенной . Во второй модели пространство приводит к плоской структуре , а третья модель дает отрицательную «седловидную» кривизну . Даже если посчитать, текущая скорость расширения превышает критическую плотность Вселенной, включая темную материю и все звездные массы. Первая модель включала начало Вселенной в виде Большого взрыва из пространства бесконечной плотности и нулевого объема, известного как « сингулярность », точки, в которой общая теория относительности (на ней основаны решения Фридмана) также не работает.

Эта концепция начала времени (предложенная бельгийским католическим священником Жоржем Лемэтром ) изначально, казалось, была мотивирована религиозными верованиями из-за ее поддержки библейского утверждения о том, что вселенная имеет начало во времени, а не вечна. Так была представлена ​​новая теория, «теория устойчивого состояния» Германом Бонди , Томасом Голдом и Фредом Хойлом , чтобы конкурировать с теорией Большого взрыва. Его предсказания также совпадали с нынешней структурой Вселенной. Но тот факт, что источников радиоволн рядом с нами намного меньше, чем из далекой Вселенной, и было намного больше радиоисточников, чем в настоящее время, привел к провалу этой теории и всеобщему признанию теории Большого взрыва. Евгений Лифшиц и Исаак Маркович Халатников также пытались найти альтернативу теории Большого взрыва, но безуспешно.

Роджер Пенроуз использовал световые конусы и общую теорию относительности, чтобы доказать, что коллапсирующая звезда может привести к образованию области нулевого размера, бесконечной плотности и кривизны, называемой черной дырой . Хокинг и Пенроуз вместе доказали, что Вселенная должна возникать из сингулярности, которую сам Хокинг опроверг, если принять во внимание квантовые эффекты.

Глава 4: Принцип неопределенности

Принцип неопределенности гласит, что нельзя точно знать скорость и положение частицы . Чтобы определить местонахождение частицы, ученые направляют на нее свет. Если используется высокочастотный свет, свет может определить положение более точно, но скорость частицы будет менее определена (потому что свет изменит скорость частицы). Если используется более низкая частота, свет может определять скорость более точно, но положение частицы будет менее определенным. Принцип неопределенности опроверг идею детерминированной теории или чего-то, что предсказывало бы все в будущем.

В этой главе также обсуждается дуальное поведение света волна-частица . Свет (и все другие частицы) проявляют свойства как частиц, так и волн.

Световые волны имеют гребни и впадины . Самая высокая точка волны — гребень, а самая низкая часть волны — впадина. Иногда несколько таких волн могут мешать друг другу. Когда световые волны интерферируют друг с другом, они ведут себя как единая волна со свойствами, отличными от свойств отдельных световых волн.

Глава 5: Элементарные частицы и силы природы

Кварки — это элементарные частицы, которые составляют большую часть материи во Вселенной. Есть шесть различных «ароматов» кварков: вверх , вниз , странный , очарование , нижней и верхней . Кварки также имеют три « цвета »: красный, зеленый и синий. Существуют также антикварки , которые некоторыми свойствами отличаются от кварков.

Все частицы (например, кварки) обладают свойством, называемым спином . Спина из частиц А показывает нам , что частица выглядит с разных направлений. Например, частица со спином 0 выглядит одинаково со всех сторон. Частица со спином 1 выглядит по-разному во всех направлениях, если только частица не вращается полностью (на 360 градусов). Пример Хокинга частицы со спином 1 — это стрелка. Частицу со спином два нужно повернуть наполовину (или на 180 градусов), чтобы она выглядела так же.

В книге приведен пример двунаправленной стрелки. Во Вселенной есть две группы частиц: частицы со спином 1/2 ( фермионы ) и частицы со спином 0, 1 или 2 ( бозоны ). Только фермионы следуют принципу исключения Паули . Принцип исключения Паули (сформулированный австрийским физиком Вольфгангом Паули в 1925 году) гласит, что фермионы не могут находиться в одном квантовом состоянии (например, два протона со спином вверх не могут занимать одно и то же место в пространстве). Если бы фермионы не следовали этому правилу, то сложных структур существовать не могло бы.

Бозоны со спином 0, 1 или 2 не подчиняются принципу исключения. Некоторые примеры этих частиц — виртуальные гравитоны и виртуальные фотоны . Виртуальные гравитоны имеют спин 2, и нести силу из тяжести . Это означает, что когда гравитация влияет на две вещи, между ними происходит обмен виртуальными гравитонами. Виртуальные фотоны имеют спин, равный единице, и несут в себе электромагнитную силу, которая удерживает атомы вместе.

Помимо силы тяжести и электромагнитных сил, существуют слабые и сильные ядерные силы. Слабая ядерная сила отвечает за радиоактивность . Слабое ядерное взаимодействие влияет в основном на фермионы . В сильных ядерных силах связывают кварки вместе в адроны , обычно нейтроны и протоны , а также связывают нейтроны и протоны вместе в атомные ядра . Частица, несущая сильное ядерное взаимодействие, — это глюон . Из-за явления, называемого ограничением цвета , кварки и глюоны никогда не обнаруживаются сами по себе (за исключением чрезвычайно высоких температур) и всегда «заключены» в адронах .

При чрезвычайно высокой температуре электромагнитная сила и слабая ядерная сила ведут себя как единая электрослабая сила . Ожидается, что при еще более высокой температуре электрослабое взаимодействие и сильное ядерное взаимодействие также будут вести себя как единая сила. Теории, которые пытаются описать поведение этой «объединенной» силы, называются Теориями Великого Объединения , которые могут помочь нам объяснить многие загадки физики, которые ученым еще предстоит разгадать.

Глава 6: Черные дыры

Черные дыры — это области пространства-времени, где гравитация настолько сильна, что ничто не может выйти изнутри. Большинство черных дыр образуются в результате гравитационного коллапса очень массивных звезд. Черные дыры затем коллапсируют в конце своей жизни. Чтобы образовалась черная дыра, звезда должна быть как минимум в 25 раз тяжелее Солнца . Граница вокруг черной дыры, из которой ни одна частица не может уйти в остальное пространство-время, называется горизонтом событий .

Черные дыры, которые не вращаются, обладают сферической симметрией . Другие, обладающие угловым моментом вращения, обладают только осесимметрией .

Астрономам трудно найти черные дыры, потому что они не излучают света. Его можно найти, когда он поглотит звезду. Когда это происходит, падающее вещество испускает мощные рентгеновские лучи , которые можно увидеть в телескопы .

В этой главе Хокинг рассказывает о своей знаменитой ставке с другим ученым, Кипом Торном , которую он сделал в 1974 году. Хокинг утверждал, что черных дыр не существует, а Торн утверждал, что они существуют. Хокинг проиграл пари, поскольку новые доказательства доказали, что Cygnus X-1 действительно был черной дырой.

Глава 7: Излучение Ястребов

В этой главе обсуждается аспект поведения черной дыры, открытый Стивеном Хокингом.

Согласно более старым теориям, черные дыры могут только становиться больше и никогда не могут становиться меньше, потому что ничего, что входит в черную дыру, не может выйти наружу. Однако в 1974 году Хокинг опубликовал новую теорию, в которой утверждалось, что черные дыры могут «пропускать» излучение . Он представил, что может случиться, если пара виртуальных частиц появится у края черной дыры. Виртуальные частицы ненадолго «заимствуют» энергию у самого пространства-времени , затем аннигилируют друг с другом, возвращая заимствованную энергию и прекращая свое существование. Однако на краю черной дыры одна виртуальная частица может быть захвачена черной дырой, а другая ускользнет. Согласно второму закону термодинамики , частицам «запрещено» забирать энергию из вакуума. Таким образом, частица берет энергию из черной дыры, а не из вакуума, и выходит из черной дыры в виде излучения Хокинга .

Согласно теории Хокинга, черные дыры должны очень медленно сокращаться с течением времени из-за этого излучения, а не продолжать жить вечно, как ранее считали ученые. Хотя его теория первоначально рассматривалась с большим скептицизмом, вскоре она была признана научным прорывом, что принесло Хокингу значительное признание в научном сообществе.

Глава 8: Происхождение и судьба Вселенной

В этой главе обсуждаются начало и конец вселенной.

Большинство ученых сходятся во мнении, что Вселенная началась с расширения, называемого « Большим взрывом ». В начале Большого взрыва Вселенная имела чрезвычайно высокую температуру, что препятствовало образованию сложных структур, таких как звезды, или даже очень простых, таких как атомы. Во время Большого взрыва произошло явление, называемое « инфляцией », при котором Вселенная ненадолго расширилась («надулась») до гораздо большего размера. Инфляция объясняет некоторые характеристики Вселенной, которые ранее сильно сбивали с толку исследователей. После инфляции Вселенная продолжала расширяться более медленными темпами. Стало намного холоднее, что в конечном итоге позволило сформировать такие структуры.

Хокинг также обсуждает, как Вселенная могла бы выглядеть иначе, если бы она увеличивалась в размерах медленнее или быстрее, чем на самом деле. Например, если Вселенная расширяется слишком медленно, она схлопывается , и для формирования жизни не будет достаточно времени . Если бы Вселенная расширилась слишком быстро, она стала бы почти пустой. Хокинг выступает в пользу спорной « гипотезы вечной инфляции », предполагая, что наша Вселенная — лишь одна из бесчисленных вселенных с различными законами физики, большинство из которых были бы непригодны для жизни.

В этой главе также обсуждается концепция квантовой гравитации .

Глава 9: Стрела времени

В этой главе Хокинг говорит о том, почему «реальное время», как Хокинг называет время, наблюдаемое и переживаемое людьми (в отличие от « воображаемого времени », которое, как утверждает Хокинг, является неотъемлемой частью законов науки), кажется, имеет определенное направление, в частности из прошлого в будущее. Затем Хокинг обсуждает три « стрелы времени », которые, по его мнению, придают времени это свойство.

Первая стрела времени Хокинга — это термодинамическая стрела времени . Это определяется направлением увеличения энтропии (которое Хокинг называет беспорядком). По словам Хокинга, именно поэтому мы никогда не видим, чтобы осколки чашки собирались вместе, чтобы образовать целую чашу.

Вторая стрелка — психологическая стрела времени . Кажется, что наше субъективное ощущение времени течет в одном направлении, поэтому мы помним прошлое, а не будущее. Хокинг утверждает, что наш мозг измеряет время таким образом, чтобы беспорядок усиливался по направлению времени — мы никогда не наблюдаем, как он работает в противоположном направлении. Другими словами, Хокинг утверждает, что психологическая стрела времени переплетается с термодинамической стрелой времени.

Третья и последняя стрела времени Хокинга — космологическая стрела времени. Это направление времени, в котором Вселенная расширяется, а не сжимается. Обратите внимание, что во время фазы сжатия Вселенной термодинамическая и космологическая стрелки времени не согласятся.

Хокинг утверждает, что « предложение об отсутствии границ » для Вселенной подразумевает, что Вселенная будет расширяться в течение некоторого времени, прежде чем снова сузиться. Далее он утверждает, что предложение об отсутствии границ — это то, что движет энтропией, и что оно предсказывает существование четко определенной термодинамической стрелы времени тогда и только тогда, когда Вселенная расширяется, поскольку это подразумевает, что Вселенная должна была начаться гладко. и упорядоченное состояние, которое со временем должно перерасти в беспорядок.

Хокинг утверждает, что из-за предложения об отсутствии границ сжимающаяся Вселенная не будет иметь четко определенной термодинамической стрелки, и поэтому только Вселенная, которая находится в фазе расширения, может поддерживать разумную жизнь. Используя слабый антропный принцип , Хокинг утверждает, что термодинамическая стрела должна совпадать с космологической стрелой, чтобы разумная жизнь могла наблюдать любую из них. По мнению Хокинга, именно поэтому люди испытывают эти три стрелы времени, идущие в одном направлении.

Глава 10: Червоточины и путешествия во времени

Многие физики пытались разработать возможные методы, с помощью которых люди с передовыми технологиями могут путешествовать быстрее скорости света или перемещаться назад во времени , и эти концепции стали основой научной фантастики .

Мосты Эйнштейна – Розена были предложены в начале истории исследований общей теории относительности . Эти «кротовые норы» снаружи выглядели бы идентичными черным дырам, но вошедшая в них материя перемещалась бы в другое место в пространстве-времени, потенциально в отдаленную область пространства или даже назад во времени.

Однако более поздние исследования показали, что такая кротовая нора, даже если она вообще могла образоваться, не пропускала бы какой-либо материал, прежде чем снова превратилась бы в обычную черную дыру. Единственный способ, при котором червоточина теоретически может оставаться открытой и, таким образом, позволять путешествовать быстрее скорости света или путешествовать во времени, потребует существования экзотической материи с отрицательной плотностью энергии , что нарушает энергетические условия общей теории относительности. Таким образом, почти все физики согласны с тем, что путешествия быстрее скорости света и путешествия назад во времени невозможны.

Хокинг также описывает свою собственную « гипотезу защиты хронологии », которая дает более формальное объяснение того, почему путешествия во времени быстрее скорости света и назад почти наверняка невозможны.

Глава 11: Объединение физики

Квантовая теория поля (КТП) и общая теория относительности (ОТО) описывают физику Вселенной с поразительной точностью в пределах их собственных областей применимости. Однако эти две теории противоречат друг другу. Например, принцип неопределенности QFT несовместим с GR. Это противоречие и тот факт, что КТП и ОТО не полностью объясняют наблюдаемые явления , побудили физиков искать теорию « квантовой гравитации », которая была бы внутренне непротиворечивой и объясняла наблюдаемые явления так же хорошо или лучше, чем это делают существующие теории.

Хокинг выражает осторожный оптимизм в отношении того, что такая единая теория Вселенной может быть вскоре найдена, несмотря на серьезные проблемы. На момент написания книги « теория суперструн » стала самой популярной теорией квантовой гравитации, но эта теория и связанные с ней теории струн были еще неполными и, несмотря на значительные усилия, еще не были доказаны (так и остается). 2020 г.). Теория струн предполагает, что частицы ведут себя как одномерные «струны», а не как безразмерные частицы, как в КТП. Эти струны «вибрируют» во многих измерениях. Вместо трех измерений, как в QFT, или четырех измерений, как в ОТО, теория суперструн требует всего 10 измерений. Природу шести «гиперпространственных» измерений, требуемых теорией суперструн, трудно, если не невозможно, изучить, оставляя бесчисленные теоретические ландшафты теории струн, каждый из которых описывает вселенную с разными свойствами. Без средств для сужения диапазона возможностей найти практическое применение теории струн, вероятно, будет невозможно.

Альтернативные теории квантовой гравитации, такие как петлевая квантовая гравитация , также страдают от недостатка доказательств и трудностей для изучения.

Таким образом, Хокинг предлагает три возможности: 1) существует полная единая теория, которую мы в конечном итоге найдем; 2) совпадающие характеристики различных ландшафтов позволят нам постепенно объяснять физику более точно с течением времени и 3) нет окончательной теории. Третью возможность обошли, признав пределы, установленные принципом неопределенности. Вторая возможность описывает то, что происходило в физических науках до сих пор, с помощью все более точных частных теорий.

Хокинг считает, что такое уточнение имеет предел и что, изучая самые ранние стадии Вселенной в лабораторных условиях, в 21 веке будет найдена полная теория квантовой гравитации, которая позволит физикам решить многие из нерешенных в настоящее время проблем физики.

Глава 12: Заключение

Хокинг утверждает, что люди всегда хотели понять Вселенную и свое место в ней. Сначала события считались случайными и контролировались эмоциональными духами, подобными человеческим. Но в астрономии и в некоторых других ситуациях были обнаружены закономерности в работе Вселенной. Благодаря научному прогрессу последних столетий, внутреннее устройство Вселенной стало понятнее. В начале девятнадцатого века Лаплас предположил, что структура и эволюция Вселенной в конечном итоге могут быть точно объяснены набором законов, но что происхождение этих законов было оставлено во владении Бога. В двадцатом веке квантовая теория ввела принцип неопределенности, который установил пределы точности предсказания будущих законов, которые должны быть открыты.

Исторически сложилось так, что изучение космологии (изучение происхождения, эволюции и конца Земли и Вселенной в целом) было в первую очередь мотивировано поиском философских и религиозных идей, например, чтобы лучше понять природу Бога , или даже существует ли Бог вообще . Однако большинство современных ученых, которые работают над этими теориями, подходят к ним с помощью математических расчетов и эмпирических наблюдений, а не задают такие философские вопросы. Все более технический характер этих теорий привел к тому, что современная космология все больше отдаляется от философских дискуссий. Хокинг выражает надежду, что однажды все заговорят об этих теориях, чтобы понять истинное происхождение и природу Вселенной и добиться «окончательного триумфа человеческого разума».

Редакции

• 1988: Первое издание включало введение Карла Сагана, в котором рассказывается следующая история: Саган был в Лондоне на научной конференции в 1974 году, и между сессиями он забрел в другую комнату, где происходило более крупное собрание. «Я понял, что смотрю древнюю церемонию: посвящение новых членов в Королевское общество , одну из самых древних научных организаций на планете. В первом ряду молодой человек в инвалидном кресле очень медленно подписывал свои имя в книге, на первых страницах которой стояла подпись Исаака Ньютона . Стивен Хокинг уже тогда был легендой ». Во введении Саган продолжает добавлять, что Хокинг является «достойным преемником» Ньютона и Поля Дирака , бывших люкасовских профессоров математики .

Введение было удалено после первого издания, поскольку авторское право на него принадлежало Сагану, а не Хокингу или издателю, и издатель не имел права переиздавать его на неопределенный срок. Хокинг написал собственное введение для более поздних изданий.

• 1994, Краткая история времени — Интерактивное приключение. Компакт-диск с интерактивным видеоматериалом, созданный С. В. Хокингом, Джимом Мервисом и Робитом Хэрманом (доступен для Windows 95, Windows 98, Windows ME и Windows XP).
• 1996 г., иллюстрированное, обновленное и расширенное издание: это издание в твердом переплете содержало полноцветные иллюстрации и фотографии, помогающие дополнительно пояснить текст, а также добавляли темы, которые не были включены в исходную книгу.
• 1998, издание к десятой годовщине: в нем тот же текст, что и в 1996 году, но он также был выпущен в мягкой обложке и содержит лишь несколько диаграмм. ISBN0553109537
• 2005, Более короткая история времени : сотрудничество с Леонардом Млодиновым над сокращенной версией оригинальной книги. Он был обновлен снова, чтобы решить новые проблемы, возникшие в результате дальнейшего научного развития. ISBN0-553-80436-7

Фильм

В 1991 году Эррол Моррис снял документальный фильм о Хокинге, но, хотя они имеют одно название, фильм представляет собой биографическое исследование Хокинга, а не снятую версию книги.

Программы

«Карманная вселенная Стивена Хокинга: Краткая история времени, пересмотренная» основана на книге. Приложение было разработано Preloaded для издателей Transworld, подразделения группы Penguin Random House .

Приложение было создано в 2016 году. Оно было разработано Беном Кортни (ныне из Lego ), спродюсировано ветераном производства видеоигр Джеммой Харрис (ныне Sony ) и доступно только для iOS .

Опера

Метрополитен-опера в Нью-Йорке заказала премьеру оперы по книге Хокинга в 2015–2016 годах. Ее должен был написать Освальдо Голиджов на либретто Альберто Мангеля в постановке Роберта Лепажа . Запланированная опера была изменена на другую тему и в конечном итоге полностью отменена.

Источник