Про що "Коротка історія часу" Стівена Гокінга

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

Про що "Коротка історія часу" Стівена Гокінга
З відкритих джерел

112.ua

Редакційний блог

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

Оригінал на сторінці Math Us

Книга видатного англійського фізика Стівена Гокінга "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 кількість покупців, Гокінг доступною мовою викладає ідеї квантової теорії гравітації — не завершеної поки галузі фізики, яка поєднує загальну теорію відносності та 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 жовтою зіркою середньої величини в одному з рукавів спіральної галактики — серед сотень мільярдів інших галактик в спостережуваній частині Всесвіту. Відкриття червоного зсуву спектрів зірок інших галактик означало, що Всесвіт розширюється, і це призвело до гіпотези Великого вибуху: десять або двадцять мільярдів років тому всі об'єкти Всесвіту могли перебувати в одному місці з нескінченно великою щільністю (точка сингулярності).

Новини за темою

Великий вибух є початком відліку часу. На питання про те, що було до Великого вибуху, відповіді не існує, бо 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 деякий момент припиниться і перейде у фазу стиснення, яка закінчиться поверненням в сингулярність — Великим вибухом. Який саме варіант справдиться, неясно — це залежить від відстаней між галактиками і сумарної маси речовини Всесвіту, а ці величини точно не відомі.

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

Обернувши напрямок часу, Пенроуз і Гокінг довели твердження, що якщо загальна теорія відносності (ЗТВ) правильна, то точка Великого вибуху повинна бути. Так гіпотеза великого вибуху стала математичною теоремою, а сама ЗТВ виявилася неповною: її закони порушуються в точці сингулярності. Це не дивно — адже ЗТВ є класичною теорією, а в малій області простору поблизу сингулярності стають суттєвими квантові ефекти. Таким чином, для дослідження чорних дір і раннього Всесвіту потрібне залучення квантової механіки і створення єдиної теорії — квантової теорії гравітації.

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

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

За теоремою Пенроуза–Гокінга падіння в чорну діру необоротне. Але, як відомо, всякий необоротний процес супроводжується зростанням ентропії. Чи є ентропія у чорної діри?

Він 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 Бікенстин пропонує вважати площу горизонту подій чорної діри мірою її ентропії. Гокінг заперечує: маючи ентропію, чорна діра повинна мати температуру і, отже, випромінювати — всупереч самому визначенню чорної діри! — але згодом сам відкриває механізм цього випромінювання.

Джерелом випромінювання виявляється вакуум поблизу чорної діри, в якому через квантові флуктуації енергії народжуються пари частинка-античастинка. Один з членів пари має позитивну енергію, інший — негативну (так що сума дорівнює нулю); частка з негативною енергією може впасти в чорну діру, а частка з позитивною енергією покинути її околиці. Потік частинок позитивної енергії і є випромінюванням чорної діри; частинки ж з негативною енергією зменшують її масу — чорна діра "випаровується" і з часом зникає, несучи з собою сингулярність. У цьому Гокінг бачить перше вказівку на можливість усунення сингулярностей ЗТВ з допомогою квантової механіки і задається питанням: чи зробить квантова механіка аналогічний вплив на "великі" сингулярності, тобто чи усуне квантова механіка сингулярність Великого вибуху?

Новини за темою

Класична теорія відносності не залишає вибору: розширюваний Всесвіт народжується з сингулярності, причому початкові умови невідомі (ЗТВ не працює в момент творення). У початковий момент Всесвіт міг бути впорядкованим і однорідним, а міг бути і досить хаотичним. Подальший процес еволюції, однак, значно залежить від умов на цій межі простору-часу. Використовуючи метод Фейнмана, сумування по різних "траєкторіях" розвитку Всесвіту, Гокінг в рамках квантової теорії гравітації отримує альтернативу сингулярності: простір-час є кінцевим і не має особливостей у вигляді кордону або краю (це схоже на поверхню Землі, але тільки в чотирьох вимірах). А якщо немає межі, відпадає і необхідність у початкових умов на ній, тобто немає потреби вводити нові закони, які визначають поведінку раннього Всесвіту (або вдаватися до допомоги Бога). Тоді Всесвіт "...не було б створено, його можна було б знищити. Він просто існував би".

Тема Бога присутня протягом всієї книги; по суті, Гокінг веде дискусію з Богом. Наведемо цитату, що підбиває своєрідний підсумок цієї дискусії.

"З уявлення про те, що простір і час утворюють замкнуту поверхню, випливають також дуже важливі наслідки щодо ролі Бога в житті Всесвіту. У зв'язку з успіхами, досягнутими науковими теоріями в описі подій, більшість вчених дійшла переконання, що Бог дозволяє Всесвіту розвиватися у відповідності з певною системою законів і не втручається в його розвиток, не порушує ці закони. Але закони нічого не говорять нам про те, як виглядав Всесвіт, коли він виник, — завести годинник і вибрати початок все-таки могло бути справою Бога. Поки ми вважаємо, що у Всесвіту був початок, ми можемо думати, що у нього був Творець. Якщо ж Всесвіт дійсно повністю замкнутий і не має ні меж, ні краю, то тоді у нього не повинно бути ні початку, ні кінця: він 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 за фейнманівськими траєкторіями за умови відсутності кордонів простору-часу, Гокінг вважає, що Всесвіт у його нинішньому стані з високою ймовірністю має розширюватися однаково швидко по всіх напрямках — у згоді з спостереженнями ізотропного фону реліктового мікрохвильового випромінювання. Далі, якщо початок відліку часу – гладка, регулярна точка простору і часу, то Всесвіт почав еволюцію з однорідного, впорядкованого стану. Ця початкова впорядкованість пояснює наявність термодинамічної стріли часу, що вказує напрямок часу, в якому зростає безлад (ентропія) Всесвіту.

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

Чому так сталося? Він дає відповідь з позицій так званого антропного принципу: інакше не виникли б умови для розвитку розумних істот, здатних поставити подібне запитання. Справді, у разі меншої розмірності простору утруднена еволюція: так, будь-який наскрізний прохід в тілі двовимірної істоти ділить її 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 й інші всесвіти, з іншою кількістю розгорнених координат, "...але в подібних сферах не буде розумних істот, які могли б побачити цю різноманітність діючих вимірювань".

Гокінг 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. Не пов'язані необхідністю будувати нові теорії, вчені звернуться до його дослідження. "І якщо буде знайдено відповідь на таке питання, це буде повним тріумфом людського розуму, бо тоді нам стане зрозумілим задум Бога".

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

відео по темі

Новини за темою

Новини за темою

Новини партнерів

Загрузка...