Теория возникновения вселенной стивена хокинга. Стивен Хокинг - Теория всего. От сингулярности до бесконечности: происхождение и судьба Вселенной. Существует огромное число Вселенных
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 — 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.
Мирная жизнь маленького кавказского городка оборвалась внезапно: с гор спустилась банда головорезов. Жители оказались беззащитны перед жесточайшим беспределом: убийства, грабежи, насилие. Кто остановит боевиков? В городе всего три милиционера, но и те погрязли во взятках, воровстве и рэкете. Вызвать помощь невозможно – телефонная связь "обрублена"… И все же нашелся человек, который преградил путь головорезам и принялся планомерно истреблять банду. Единственный, кто остался человеком в этом городе заблудших душ…
Чингиз Акифович Абдуллаев
Город заблудших душ
Честь – это мужская стыдливость.
Али Эфенди
Не всегда в самых славных деяниях бывает видна добродетель или порочность человека, но часто какой-нибудь ничтожный поступок, даже слово или шутка лучше обнаруживают характер человека, чем даже битвы, в которых гибнут десятки тысяч людей.
О, плакать, плакать, плакать!
Пьяна рыданий грудь.
Загубленное счастье
Слезами не вернуть…
Такое море боли
Чья выдержит душа?
Ах, боли столь глубокой
И жгучей, и жестокой
Не видел белый свет!
Но почему же слезы из глаз сухих не льются?
Но почему же сердце в груди не разорвется?
И облегченья нет…Ференц Кёльчеи
Пролог
Этот город построили в большом ущелье, между высокими скалами, на окраине области. В течение многих лет он был довольно крупным поселком городского типа. В конце шестидесятых сюда даже провели газ. В семидесятые поселок разросся до размеров небольшого города и получил городской статус уже в семьдесят четвертом году. Тогда это было оживленное место – здесь проходила шоссейная дорога, ведущая в южные кавказские республики. Именно тогда сюда впервые приехала болгарская делегация, чтобы запустить сразу две линии на строящемся консервном заводе. Местная электростанция, расположенная в восьми километрах отсюда, давала достаточно энергии, чтобы спроектировать и построить здесь такое большое производство. Городской отдел милиции насчитывал двадцать два сотрудника. Город постоянно рос за счет прибывающих сюда молодых специалистов и просто людей, переезжавших в эти горные места из-за прекрасного чистого воздуха, который был так полезен астматикам и людям с заболеваниями дыхательных органов.
Все начало меняться с конца восьмидесятых. В ноябре восемьдесят девятого года начались перебои с поставками сырья на консервный завод. Сюда с юга завозили помидоры и огурцы, которые потом мариновались по болгарским рецептам. В девяностом поставки почти прекратились. На консервном заводе начали сокращать работников. В городе был не только большой завод, работающий на поставках южной продукции, но и обувной комбинат, а также небольшая фабрика по переработке шерсти. Тогда город находился далеко от границы, и никто не мог подумать, что вскоре граница окажется совсем недалеко от этого места.
Консервный завод закрылся в девяносто первом, как только полностью прекратилась поставка помидоров и огурцов из южных республик. Затем закрылась фабрика, куда перестала поступать шерсть. Дольше всех продержался обувной комбинат, примерно до середины девяносто третьего года. Но в марте этого года на окраине города произошла вооруженная стычка между местными жителями и приезжими из западных областей. Погибших было человек сорок с обеих сторон, но незваные гости отступили и, уходя, подожгли комбинат. Было непонятно, зачем они это сделали, ведь там производили легкую пляжную обувь, которая никому не мешала. Комбинат горел два дня, распространяя вокруг удушливое зловоние.
А затем в городе стало очень тихо. Как будто люди, прятавшиеся по своим домам, решили взять паузу и обдумать свое положение, пытаясь понять, как они будут жить дальше. И на следующий день из города начали выезжать машины. Сначала грузовые, которые вывозили имущество местных жителей, а затем и легковые, которые везли самих жителей.
Все понимали, что "гости" с запада могут нагрянуть еще раз, а город, вдруг ставший прифронтовым, не смог бы защитить своих жителей. На восемь оставшихся милиционеров приходилось больше тридцати тысяч человек. Через несколько лет здесь осталось четверо милиционеров и только шесть тысяч человек. Все три работающих предприятия были закрыты, и город стремительно пустел.
Еще через несколько лет в полупустом городке, уже снова превратившемся в прежний поселок городского типа, оставалось не больше четырех тысяч жителей, в основном стариков и женщин с детьми. Некоторые уехали в соседний город на химический комбинат, в ста двадцати километрах отсюда. Уезжавшие туда немногочисленные мужчины, из тех, кому некуда было больше податься, обычно оставались там на пять дней и возвращались только в выходные, чтобы в понедельник в шесть часов утра отправиться обратно на двух битых, старых автобусах, которые зимой обычно ломались в пути, и тогда до комбината приходилось добираться на попутных машинах, не так часто появлявшихся в этих местах. Выручали военные, чьи машины иногда проходили по этой дороге.
В этом городе никогда не работали мобильные телефоны. Зажатый между двумя высокими горными склонами, он не мог завести собственную ретрансляционную станцию, и даже общедоступные телевизионные каналы часто демонстрировались здесь с некоторыми искажениями. Городские телефонные линии работали благодаря единственному кабелю, протянутому еще в шестидесятые годы. К началу XXI века в городе оставалось только три милиционера. Четвертый вышел на пенсию и уехал в Астрахань к своим детям. Вот так все и жили, пока не пришла большая беда.
Глава 1
Начальник городской милиции сидел в своем небольшом кабинете, глядя в окно. Это был грузный, широкоплечий мужчина с крупными чертами лица: немного выпученные глаза, большой нос, пухлые губы и прижатые к голове большие, словно расплющенные, уши. Он расстегнул верхнюю пуговицу рубашки, ослабил узел галстука.
Двухэтажное здание милиции когда-то было гордостью местных блюстителей порядка. Его специально построили к приезду болгарских друзей, еще в семьдесят четвертом, чтобы не показывать иностранцам бывшее здание городской милиции, находившееся в обычном бараке. Здание было построено с учетом того, что город будет расти и, по прогнозам, через двадцать пять лет его население должно было превысить пятьдесят тысяч человек. Но все получилось иначе. Через двадцать пять лет население города составляло чуть больше четырех тысяч человек. Здесь не было даже своего суда и прокуратуры, а городской отдел милиции давно превратился в обычное провинциальное отделение, в котором работали только три сотрудника.
Левую часть здания переоборудовали под почту, а второй этаж отдали под отдел социального обеспечения, оставив милиционерам только два небольших кабинета, коридор и большой изолятор временного содержания, находившийся в подвале; в нем могли разместиться сразу сорок человек. Разумеется, изолятор городского отдела милиции строился в расчете на перспективу. Но такого количества преступников здесь просто никогда не было, и камеры почти всегда пустовали.
Начальником городской милиции, как он обычно любил себя называть, был майор Ильдус Сангеев, который работал здесь всю свою жизнь. Ему было уже под пятьдесят, и он понимал, что его карьера закончится именно в этом кабинете. За четверть века он получил три звания, каждое из которых ему давали с опозданием на несколько лет. Может, поэтому он стал майором только в сорок лет и с тех пор уже не получал никаких званий, так как это было высшее звание, на которое мог рассчитывать начальник городской милиции в таком забытом месте.
У Сангеева было две дочери, каждая из которых уже успела выйти замуж, родить детей и уехать в другой город. Старшая дочь переехала в Махачкалу, где ее супруг работал в городском суде, а младшая уехала в Литву, куда перебрался ее муж, сумевший получить даже литовское гражданство и устроиться на работу в таможню. Сангеевы остались втроем в большом отцовском доме, в котором раньше жило не меньше десяти человек, – майор, его супруга и теща, которой было уже под восемьдесят. Как невесело шутил сам Ильдус Сангеев, он все время ждал, когда половину его большого дома отдадут под какие-нибудь административные нужды, разместив там поликлинику, или переведут туда его отделение. В его доме было гораздо больше свободного места и целых шесть комнат. Правда, там не было тюрьмы, но изолятор и так пустовал почти все время. Зато был погреб, в котором хранились соленья и вино.
Стивен Хокинг
Теория всего
Введение
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.
Лекция первая
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.
В это же время Кеплер развил теорию Коперника, предположив, что планеты движутся не по круговым орбитам, а по эллиптическим. Теперь предсказания теории окончательно совпали с наблюдениями. Что касается Кеплера, эллиптические орбиты были лишь искусственной гипотезой, причем весьма досадной, поскольку эллипс считался менее совершенной фигурой, чем круг. Обнаружив (почти случайно), что эллиптические орбиты хорошо соответствуют наблюдениям, он не мог согласовать это со своей идеей о том, что планеты обращаются вокруг Солнца под действием магнитных сил.
Объяснение было найдено гораздо позднее, в 1687 г., когда Ньютон опубликовал свой труд «Математические начала натуральной философии» . Это, возможно, самый важный из когда-либо опубликованных трудов по физике. В нем Ньютон не только предложил теорию движения тел в пространстве и времени, но также разработал математический аппарат для анализа этого движения. Кроме того, он сформулировал закон всемирного тяготения. Этот закон гласит, что все тела во Вселенной притягиваются друг к другу с силой, которая тем больше, чем больше массы тел и чем ближе друг к другу они расположены. Это та же сила, которая заставляет объекты падать на землю. История с упавшим на Ньютона яблоком почти наверняка является вымышленной. Сам Ньютон упоминал лишь о том, что идея гравитации пришла ему в голову, когда он пребывал в созерцательном настроении и заметил падение яблока.
14 марта 2018 года, утром, умер известный физик и популяризатор науки Стивен Хокинг. Ученый занимался космологией и квантовой гравитацией. Мы рассказываем простым языком об основных открытиях Хокинга, которые изменили науку.
Вконтакте
Однокласники
Излучение Хокинга
Хокинг разработал теорию о том, что черные дыры «испаряются» за счет особого излучения, которое потом назвали его именем.
До этого открытия ученые считали, что черные ничего не излучают, а лишь поглощают. Он доказал, что черные дыры не совсем черные, так как излучают остаточную радиацию.
Также 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. Стивен Хокинг.
Вселенная создала себя сама
Эта теория Хокинга посвящена вопросу создания вселенной, у которой, по мнению ученого, не было начала и самого момента творения. Ученый предположил, что есть другое направление движения времени (не только вперед или назад), и выдвинул теорию о воображаемом времени, для которого вообще не существует понятий «начала» или «конец».
Хокинг был убежденным атеистом. Вот его цитата на эту тему:
Поскольку существует такая сила как гравитация, Вселенная могла и создала себя из ничего. Самопроизвольное создание — причина того, почему существует Вселенная, почему существуем мы. Нет никакой необходимости в Боге для того, чтобы "зажечь" огонь и заставить Вселенную работать. Стивен Хокинг.
Вселенная расширяется
До 20 века считалось, что Вселенная вечна и неизменна. Хокинг доступным языком доказал, 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. Стивен Хокинг.
Кварки не бывают одиноки
Кварки — элементарные частицы, из которых состоят протоны и нейтроны. Хокинг доказал, что существуют только группами и никогда — по одному. Сила, которая связывает кварки, увеличивается с увеличением расстояния между ними. Если попытаться оттянуть один кварк от другого, они только с большей силой притянутся.
Теория сжатия Вселенной
Хокинг думал о том, что произойдет, когда Вселенная перестанет расширяться и начнет сжиматься. Пойдет ли время в другую сторону?
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. Стивен Хокинг.
Этот процесс показан в фильме «Господин Никто» с Джаредом Лето в главной роли.
Попытки создать математическую модель этой теории провалились, но она остается популярной. У Вселенной только два варианта: или бесконечное расширение, или сжатие.
Существует огромное число Вселенных
Речь идет об М-теории, которую Хокинг дорабатывал с Леонардом Млодиновым. М-теория — это ответвление теории струн. Согласно этой теории, на самом мельчайшем уровне все частицы состоят из бран — многомерных мембран, свойства которых могут объяснить абсолютно все процессы, происходящие в нашей Вселенной.
Перевод оригинального издания:
The Theory of Everything
Печатается с разрешения Waterside Productions Inc и литературного агентства «Синопсис».
© Phoenix Books and Audio, 2006
© ООО «Издательство АСТ», 2017 (перевод на русский язык)
Введение
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.
Лекция первая
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.
