1. Новини по темі
2. Новини по темі

З відкритих джерел

Сьогодні, 14 березня, на 77-му році життя помер знаменитий англійський фізик-теоретик Стівен Хокінг. 112.ua публікує конспект його науково-популярної книги "Коротка історія часу: Від Великого вибуху до чорних дір" (1988), яка стала бестселером

Оригінал на сторінці Math Us

Книга видатного англійського фізика Стівена Хокінга "Коротка історія часу: від Великого вибуху до чорних дір" присвячена пошуку відповіді на питання Ейнштейна: "Який вибір був у Бога, коли він створював Всесвіт?" Будучи попередженим, що кожна включена в книгу формула вдвічі зменшить число покупців, Хокінг доступною мовою викладає ідеї квантової теорії гравітації - не завершеної поки галузі фізики, яка об'єднує в собі загальну теорію відносності і квантову механіку.

Починається книга з розповіді про еволюцію людських уявлень про Всесвіт: від небесних сфер геоцентричної системи Аристотеля і Птолемея до усвідомлення того факту, що Сонце є звичайною жовтої зіркою середньої величини в одному з рукавів спіральної галактики - серед сотень мільярдів інших галактик в спостерігається частини Всесвіту. Відкриття червоного зсуву спектрів зірок інших галактик означало, що Всесвіт розширюється, і це призвело до гіпотези великого вибуху: десять чи двадцять мільярдів років тому всі об'єкти Всесвіту могли перебувати в одному місці з нескінченно великою щільністю (точка сингулярності).

Новини по темі

Новини по темі

Великий вибух служить початком відліку часу. На питання про те, що було до Великого вибуху, відповіді не існує, так як в точці сингулярності перестають працювати наукові закони; можливість передбачати майбутнє втрачається, і тому якщо щось і відбувалося "до", то воно ніяк не вплине на нинішні події. Після Великого вибуху можливі два сценарії: або розширення Всесвіту триватиме вічно, або в певний момент припиниться і перейде в фазу стиснення, яка закінчиться поверненням в сингулярність - Великим бавовною. Який саме варіант здійсниться, неясно - це залежить від відстаней між галактиками і сумарної маси речовини Всесвіту, а ці величини точно не відомі.

Сингулярності можуть бути у Всесвіті і після Великого вибуху. Зірка, витративши ядерне паливо, починає стискатися, і при досить великій масі не може протистояти гравітаційному колапсу, перетворюючись в чорну діру. Так ось, англійський математик і фізик Роджер Пенроуз показав, що обсяг зірки при цьому прямує до нуля, а щільність її речовини і кривизна простору-часу - до нескінченності. Іншими словами, чорна діра є сингулярність в просторі-часі.

Звернувши напрямок часу, Пенроуз і Хокінг довели твердження, що якщо вірна загальна теорія відносності (ЗТВ), то точка Великого вибуху повинна існувати. Так гіпотеза великого вибуху стала математичної теореми, а сама ОТО виявилася неповною: її закони порушуються в точці сингулярності. Це не дивно - адже ОТО є класичною теорією, а в малої області простору поблизу сингулярності стають істотними квантові ефекти. Таким чином, для дослідження чорних дір і ранньому Всесвіті потрібне залучення квантової механіки і створення єдиної теорії - квантової теорії гравітації.

Займаючись явищами мікросвіту, квантова механіка розвивалася незалежно від ОТО. У квантовій фізиці накопичився певний досвід об'єднання різних типів взаємодій. Так, вдалося об'єднати в одну теорію електромагнітні і слабкі взаємодії. Саме, виявилося, що переносники електромагнітної взаємодії (віртуальні фотони) і переносники слабкої взаємодії (векторні бозони) є реалізаціями однієї частинки і стають не відрізняються один від одного при енергіях близько 100 ГеВ. Існують і теорії великого об'єднання, тобто об'єднання електрослабкої і сильної взаємодій (правда, для досягнення енергій великого об'єднання і перевірки цих теорій потрібен прискорювач розміром з Сонячну систему).

Всі ці теорії не включають гравітацію, оскільки вона дуже мала для елементарних частинок. Однак в точці сингулярності гравітаційні сили разом з кривизною простору-часу прагнуть до нескінченності, так що спільний облік квантовомеханических і гравітаційних ефектів стає неминучим. Це призводить до наступних дивних результатів.

По теоремі Пенроуза-Хокінга падіння в чорну діру є незворотнім. Але, як відомо, всякий необоротний процес супроводжується зростанням ентропії. Чи є ентропія у чорної діри?

Хокінг зауважує, що площа горизонту подій чорної діри не зменшується з часом (а при падінні речовини в чорну діру - збільшується), тобто має всі властивості ентропії. Його американський колега Бікенстін пропонує вважати площа горизонту подій чорної діри мірою її ентропії. Хокінг заперечує: володіючи ентропією, чорна діра повинна мати температуру і, отже, випромінювати - всупереч самому визначенню чорної діри! - але згодом сам же відкриває механізм цього випромінювання.

Джерелом випромінювання виявляється вакуум поблизу чорної діри, в якому через квантових флуктуацій енергії народжуються пари частинка-античастинка. Один з членів пари має позитивну енергію, інший - негативною (так що сума дорівнює нулю); частка з негативною енергією може впасти в чорну діру, а частка з позитивною енергією - покинути її околиця. Потік частинок позитивної енергії і є випромінювання чорної діри; частинки ж з негативною енергією зменшують її масу - чорна діра "випаровується" і з часом зникає, несучи з собою сингулярність. У цьому Хокінг бачить перша вказівка ​​на можливість усунення сингулярностей ОТО за допомогою квантової механіки і задається питанням: чи надасть квантова механіка аналогічний вплив на "великі" сингулярності, тобто усуне квантова механіка сингулярності Великого вибуху і Великого бавовни?

Новини по темі

Новини по темі

Класична загальна теорія відносності не залишає вибору: розширюється Всесвіт народжується з сингулярності, причому початкові умови невідомі (ОТО не працює в "момент творіння"). У початковий момент Всесвіт міг бути упорядкованою і однорідною, а могла бути і вельми хаотичною. Подальший процес еволюції, проте, істотно залежить від умов на цьому кордоні простору-часу. Використовуючи метод Фейнмана, підсумовування по різним "траєкторіях" розвитку Всесвіту, Хокінг в рамках квантової теорії гравітації отримує альтернативу сингулярності: простір-час є кінцевим і не має сингулярності у вигляді кордону або краю (це схоже на поверхню Землі, але тільки в чотирьох вимірах) . А раз немає межі, відпадає і необхідність в початкових умовах на ній, тобто немає потреби вводити нові закони, які визначають поведінку ранньому Всесвіті (або вдаватися до допомоги Бога). Тоді Всесвіт "... не була б створена, її не можна було б знищити. Вона просто існувала б".

Тема Бога присутній на протязі всієї книги; по суті, Хокінг веде дискусію з Богом. Наведемо цитату, що підводить свого роду підсумок цієї дискусії.

"З уявлення про те, що простір і час утворюють замкнену поверхню, випливають також дуже важливі слідства щодо ролі Бога в житті Всесвіту. У зв'язку з успіхами, досягнутими науковими теоріями в описі подій, більшість вчених прийшло до переконання, що Бог дозволяє Всесвіту розвиватися в відповідно до визначеної системою законів і не втручається в її розвиток, не порушує ці закони. Але закони нічого не говорять нам про те, як виглядав Всесвіт, коли вона тільки виникла, - завести годинник і вибрати початок все-так могло бути справою Бога. Поки ми вважаємо, що у Всесвіті був початок, ми можемо думати, що у неї був Творець. Якщо ж Всесвіт дійсно повністю замкнута і не має ні кордонів, ні країв, то тоді у неї не повинно бути ні початку, ні кінця: вона просто є, і все! чи залишається тоді місце для Творця? "

Ось і відповідь на питання Ейнштейна: ніякої свободи вибору початкових умов у Бога не було.

Виконуючи підсумовування по Фейнмановские траєкторіях за умови відсутності кордонів простору-часу, Хокінг вважає, що Всесвіт в її нинішньому стані з високою ймовірністю повинна розширюватися однаково швидко в усіх напрямках - в злагоді зі спостереженнями изотропного фону реліктового мікрохвильового випромінювання. Далі, раз початок відліку часу є гладка, регулярна точка простору і часу, то Всесвіт початку еволюцію з однорідного, упорядкованого стану. Ця початкова впорядкованість пояснює наявність термодинамічної стріли часу, що вказує той напрямок часу, в якому зростає безлад (ентропія) Всесвіту.

У заключній частині книги Хокінг описує теорію струн, яка претендує на об'єднання всієї фізики. Ця теорія має справу не з частинками, а з об'єктами на зразок одновимірних струн. Частинки трактуються як коливання струн, випускання і поглинання часток - як розрив і з'єднання струн. Струнна теорія, однак, не веде до суперечностей лише в 10-вимірному або 26-вимірному просторах. Можливо, в ході розвитку Всесвіту "розгорнулися" тільки чотири координати нашого простору-часу, інші ж виявилися згорнутими в простір мізерно малих розмірів.

Чому так сталося? Хокінг дає відповідь з позицій так званого антропного принципу: інакше не виникли б умови для розвитку розумних істот, здатних задати таке запитання. Справді, в разі меншої розмірності простору утруднена еволюція: так, про всяк наскрізний прохід в тілі двовимірного істоти ділить його на дві частини. У просторах ж більшої розмірності іншим буде закон гравітаційного тяжіння, і орбіти планет стануть нестійкими ( "ми б тоді або замерзли, або згоріли"). Звичайно, допустимі і інші всесвіти, з іншою кількістю розгорнулися координат, "... але в подібних областях не буде розумних істот, які могли б побачити це різноманітність діючих вимірювань".

Хокінг з оптимізмом дивиться на перспективи створення єдиної теорії, що описує Всесвіт. Віднявши у Бога акт творіння, він відводить Богові роль творця її законів. Коли буде побудована математична модель, залишиться питання, чому Всесвіт, що підкоряється цій моделі, взагалі існує. Чи не пов'язані необхідністю будувати нові теорії, вчені звернуться до його дослідженню. "І якщо буде знайдено відповідь на таке питання, це буде повним тріумфом людського розуму, бо тоді нам стане зрозумілий задум Бога".

Конспект книги Стівена Хокінга "Коротка історія часу" підготував Ігор Яковлєв