Обывателю наша планета Земля зачастую кажется спокойной и созерцательной. Иногда даже создается впечатление стабильности, неподвижности. Гораздо глубже смотрит на явления и объекты британский ученый Стивен Хокинг. «История времени» - два его бестселлера дружелюбно и просто (без формул) знакомят читателей с фундаментальными положениями астрофизики и
В начале книги прочитав о Земле, как о башне, установленной на черепахах (иронично), мы в ее конце видим уже другую картину: гигантский шар, вращающийся вокруг оси с головокружительной скоростью 1,5 тыс. км/час и несущийся по орбите вокруг Солнца со скоростью 100 000 км/час. И все это проистекает в нелинейном, изменчивом пространстве и времени!
Книга 1. «Краткая история времени»
В 1988 году выходит в свет «Краткая история времени». ее автор, знакомит самых разных читателей со взглядами современной астрофизики на Вселенную. Ему удалось пробудить воображение людей, заинтересовать их.
Реально ли время? Какие глобальные процессы движут Вселенную? Связаны ли прошлое и будущее? Постепенно, в трех смысловых частях книги он пишет: вначале - об астрофизических воззрениях до теории Эйнштейна, затем - обобщения в русле общей теории Эйнштейна, и наконец - следует микротеория, а именно -
Постепенно наращивает свой уровень абстракции книга «Кратчайшая история времени». Стивен Хокинг, впрочем, выдерживает популярный стиль, нужный для понимания читателем-непрофессионалом. Им дается внятное разъяснение необычным для нашего быта вещам: искривлению пространства, искривлению лучей света, расширяющейся Вселенной. Мысли ученого оригинальны, и в то же время - понятны. Он последовательно подводит нас к выводу, что Вселенная существует и эволюционирует согласно принципу стрелы времени (направлению развития, обеспечивающему постоянное возрастание энтропии).
Книга 2. «Кратчайшая история времени»
В 2005 году ученым написана новая работа - «Кратчайшая история времени». Стивен Хокинг в этой емкой и захватывающей книге также рассказывает о «механизме Вселенной».
Было ли ее написание банальным «сиквелом»? Нет! Ведь буквально накануне, в 2004 году, ее автор совершил переворот в астрофизике, изменив принципы базовой теории «черных дыр» (потухших звезд, сжатых до предельной степени - сингулярности). Поэтому изменилась и представляемая ученым модель мира. По-новому изложена, сравнительно с предыдущей книгой глава - о Большом Взрыве, черных дырах, а также Саму структуру черной дыры по-другому показывает «Кратчайшая история времени». (Стивен Хокинг математическими уравнениями доказал, что горизонт событий черной дыры - гораздо шире и он обладает энтропией, проявляющейся в радиации.) Изложение материала не только включило идеи предыдущей книги, но и существенно обогатило теорию взаимосвязи пространства и времени. Здесь можно встретить обобщение научных опытов с использованием спутника COBE и космического телескопа Хаббла. Вполне понятно раскрыта «теория струн», ценность которой полагает в предельно широком обобщении: характеризовать сразу все элементарные частицы. На понятном уровне показаны новейшие выводы математического моделирования (принцип корпускулярно-волнового дуализма).
Выводы
Кто же он такой - Стивен Хокинг? Профессор астрофизики, отец троих детей. Его теория стала прорывом в квантовой физике. Маститые ученые мужи считают его «номером один» в этой области. А еще Стивен Хокинг практически обездвижен уже более 20 лет. Причем амиотрофический склероз постоянно прогрессирует. Кроме того, вследствие перенесенного осложнения после воспаления легких у него удалена часть трахеи, что напрочь лишает ученого возможности говорить. Он ездит в Кембридж на инвалидном кресле с аккумуляторами. Его мозг мощно и системно работает. С помощью чувствительных датчиков пользуясь компьютером, профессор набирает фразы, которые потом озвучиваются встроенным в кресло Вся его жизнь, это - мысли, неосязаемые окружающими, а расшифрованные компьютером, и их яркое выражение - книга «Кратчайшая история времени». Стивен Хокинг является одним из наиболее уважаемых в Британии людей. Точнее, он - третий, после чемпиона мира по регби Уилкинсона и футболиста Бэкхэма. Мужество и интеллект этого человека действительно вызывают восхищение.
Стивен Хокинг, Леонард Млодинов
Кратчайшая история времени
Предисловие
Всего четыре буквы отличают название этой книги от заголовка той, что была впервые опубликована в 1988 году. «Краткая история времени» 237 недель оставалась в списке бестселлеров лондонской «Санди таймс», каждый 750-й житель нашей планеты, взрослый или ребенок, приобрел ее. Замечательный успех для книги, посвященной самым сложным проблемам современной физики. Впрочем, это не только самые сложные, но и самые волнующие проблемы, потому что они адресуют нас к фундаментальным вопросам: что нам действительно известно о Вселенной, как мы обрели это знание, откуда произошла Вселенная и куда движется? Данные вопросы составляли главный предмет «Краткой истории времени» и стали фокусом настоящей книги. Спустя год после публикации «Краткой истории времени» начали поступать отклики от читателей всех возрастов и профессий со всего мира. Многие из них высказывали пожелание, чтобы увидела свет новая версия книги, которая, сохранив суть «Краткой истории времени», объясняла бы наиболее важные понятия более просто и занимательно. Хотя кое-кто, по-видимому, ожидал, что это будет «Пространная история времени», отзывы читателей недвусмысленно показывали: очень немногие из них жаждут познакомиться с объемистым трактатом, излагающим предмет на уровне университетского курса космологии. Поэтому, работая над «Кратчайшей историей времени», мы сохранили и даже расширили основополагающую суть первой книги, но постарались в то же время оставить неизменными ее объем и доступность изложения. Это и в самом деле кратчайшая история, поскольку некоторые сугубо технические аспекты нами опущены, однако, как нам представляется, данный пробел с лихвой восполнен более глубокой трактовкой материала, который поистине составляет сердцевину книги.
Мы также воспользовались возможностью обновить сведения и включить в книгу новейшие теоретические и экспериментальные данные. «Кратчайшая история времени» описывает прогресс, который был достигнут на пути создания полной объединенной теории за последнее время. В частности, она касается новейших положений теории струн, корпускулярно-волнового дуализма и выявляет связь между различными физическими теориями, свидетельствующую, что объединенная теория существует. Что же касается практических исследований, книга содержит важные результаты последних наблюдений, полученных, в частности, с помощью спутника СОВЕ (Cosmic Background Explorer - «Исследователь фонового космического излучения») и космического телескопа Хаббла.
Глава первая
РАЗМЫШЛЯЯ О ВСЕЛЕННОЙ
Мы живем в странной и замечательной Вселенной. Неординарное воображение требуется, чтобы оценить возраст ее, размеры, неистовство и даже красоту. Место, занимаемое людьми в этом безграничном космосе, может показаться ничтожным. И все же мы пытаемся понять, как устроен весь этот мир и как мы, люди, смотримся в нем.
Несколько десятилетий назад известный ученый (некоторые говорят, что это был Бертран Рассел) выступал с публичной лекцией по астрономии. Он рассказал, что Земля обращается вокруг Солнца, а оно, в свою очередь, - вокруг центра обширной звездной системы, называемой нашей Галактикой. В конце лекции маленькая пожилая леди, сидевшая в задних рядах, встала и заявила:
Вы рассказывали нам здесь полную ерунду. В действительности мир - это плоская плита, покоящаяся на спине гигантской черепахи.
Улыбнувшись с чувством превосходства, ученый спросил:
А на чем стоит черепаха?
Вы очень умный молодой человек, очень, - ответила старая леди. - Она стоит на другой черепахе, и так дальше, до бесконечности!
Сегодня большинство людей нашло бы довольно смешной такую картину Вселенной, эту нескончаемую башню из черепах. Но что заставляет нас думать, будто мы знаем больше?
Забудьте на минуту то, что вы знаете - или думаете, что знаете, - о космосе. Вглядитесь в ночное небо. Чем представляются вам все эти светящиеся точки? Может, это крошечные огоньки? Нам трудно догадаться, чем они в действительности являются, потому что эта действительность слишком далека от нашего повседневного опыта.
Если вы часто наблюдаете за ночным небом, то, вероятно, замечали в сумерках над самым горизонтом ускользающую искорку света. Это Меркурий, планета, разительно отличающаяся от нашей собственной. Сутки на Меркурии длятся две трети его года. На солнечной стороне температура зашкаливает за 400°С, а глубокой ночью падает почти до - 200°С.
Но как бы ни отличался Меркурий от нашей планеты, еще труднее вообразить обыкновенную звезду - колоссальное пекло, ежесекундно сжигающее миллионы тонн вещества и разогретое в центре до десятков миллионов градусов.
Другая вещь, которая с трудом укладывается в голове, это расстояния до планет и звезд. Древние китайцы строили каменные башни, чтобы увидеть их поближе. Вполне естественно считать, что звезды и планеты находятся намного ближе, чем в действительности, - ведь в повседневной жизни мы никогда не соприкасаемся с громадными космическими расстояниями.
Расстояния эти настолько велики, что нет смысла выражать их в привычных единицах - метрах или километрах. Вместо них используются световые годы (световой год - путь, который свет проходит за год). За одну секунду луч света преодолевает 300 000 километров, так что световой год - это очень большое расстояние. Ближайшая к нам (после Солнца) звезда - Проксима Центавра - удалена примерно на четыре световых года. Это так далеко, что самый быстрый из проектируемых ныне космических кораблей летел бы к ней около десяти тысяч лет. Еще в древности люди пытались постичь природу Вселенной, но они не обладали возможностями, которые открывает современная наука, в частности математика. Сегодня мы располагаем мощными инструментами: мыслительными, такими как математика и научный метод познания, и технологическими, вроде компьютеров и телескопов. С их помощью ученые собрали воедино огромное количество сведений о космосе. Но что мы действительно знаем о Вселенной и как мы это узнали? Откуда она появилась? В каком направлении развивается? Имела ли начало, а если имела, что было до него? Какова природа времени? Придет ли ему конец? Можно ли вернуться назад во времени? Недавние крупные физические открытия, сделанные отчасти благодаря новым технологиям, предлагают ответы на некоторые из этих давних вопросов. Возможно, когда-нибудь эти ответы станут столь же очевидными, как обращение Земли вокруг Солнца, - или, быть может, столь же курьезными, как башня из черепах. Только время (чем бы оно ни было) это покажет.
Глава вторая
РАЗВИТИЕ КАРТИНЫ МИРА
Хотя даже в эпоху Христофора Колумба многие полагали, что Земля плоская (и сегодня кое-кто все еще придерживается этого мнения), современная астрономия уходит корнями во времена древних греков. Около 340 г. до н. э. древнегреческий философ Аристотель написал сочинение «О небе», где привел веские аргументы в пользу того, что Земля скорее является сферой, а не плоской плитой.
Одним из аргументов стали затмения Луны. Аристотель понял, что их вызывает Земля, которая, проходя между Солнцем и Луной, отбрасывает тень на Луну. Аристотель заметил, что тень Земли всегда круглая. Так и должно быть, если Земля - сфера, а не плоский диск. Имей Земля форму диска, ее тень была бы круглой не всегда, но только в те моменты, когда Солнце оказывается точно над центром диска. В остальных случаях тень удлинялась бы, принимая форму эллипса (эллипс - это вытянутая окружность).
Свое убеждение в том, что Земля круглая, древние греки подкрепляли и другим доводом. Будь она плоской, идущее к нам судно сначала казалось бы крошечной, невыразительной точкой на горизонте. По мере его приближения проступали бы детали - паруса, корпус. Однако все происходит иначе. Когда судно появляется на горизонте, первое, что вы видите, - это паруса. Только потом вашему взгляду открывается корпус. То обстоятельство, что мачты, возвышающиеся над корпусом, первыми появляются из-за горизонта, свидетельствует о том, что Земля имеет форму шара (рис. 1).
Древние греки много внимания уделяли наблюдениям за ночным небом. Ко времени Аристотеля вот уже несколько столетий велись записи, отмечающие перемещение небесных светил.
О чем "Краткая история времени" Стивена Хокинга
Из открытых источников
Сегодня, 14 марта, на 77-м году жизни скончался знаменитый английский физик-теоретик Стивен Хокинг. сайт публикует конспект его научно-популярной книги "Краткая история времени: От Большого взрыва до черных дыр" (1988), которая стала бестселлером
Книга выдающегося английского физика Стивена Хокинга "Краткая история времени: от Большого взрыва до черных дыр" посвящена поиску ответа на вопрос Эйнштейна: "Какой выбор был у Бога, когда он создавал Вселенную?" Будучи предупрежденным, что каждая включенная в книгу формула вдвое уменьшит число покупателей, Хокинг доступным языком излагает идеи квантовой теории гравитации - не завершенной пока области физики, объединяющей в себе общую теорию относительности и квантовую механику.
Начинается книга с рассказа об эволюции человеческих представлений о Вселенной: от небесных сфер геоцентрической системы Аристотеля и Птолемея до осознания того факта, что Солнце является обычной желтой звездой средней величины в одном из рукавов спиральной галактики - среди сотен миллиардов других галактик в наблюдаемой части Вселенной. Открытие красного смещения спектров звезд других галактик означало, что Вселенная расширяется, и это привело к гипотезе большого взрыва: десять или двадцать миллиардов лет назад все объекты Вселенной могли находиться в одном месте с бесконечно большой плотностью (точка сингулярности).
Новости по теме
Большой взрыв служит началом отсчета времени. На вопрос о том, что было до Большого взрыва, ответа не существует, так как в точке сингулярности перестают работать научные законы; возможность предсказывать будущее теряется, и поэтому если что-то и происходило "до", то оно никак не повлияет на нынешние события. После Большого взрыва возможны два сценария: либо расширение Вселенной будет продолжаться вечно, либо в некоторый момент прекратится и перейдет в фазу сжатия, которая закончится возвратом в сингулярность - Большим хлопком. Какой именно вариант осуществится, неясно - это зависит от расстояний между галактиками и суммарной массы вещества Вселенной, а эти величины точно не известны.
Сингулярности могут быть во Вселенной и после Большого взрыва. Звезда, израсходовав ядерное топливо, начинает сжиматься, и при достаточно большой массе не может противостоять гравитационному коллапсу, превращаясь в черную дыру. Так вот, английский математик и физик Роджер Пенроуз показал, что объем звезды при этом стремится к нулю, а плотность ее вещества и кривизна пространства-времени - к бесконечности. Иными словами, черная дыра есть сингулярность в пространстве-времени.
Обратив направление времени, Пенроуз и Хокинг доказали утверждение, что если верна общая теория относительности (ОТО), то точка Большого взрыва должна существовать. Так гипотеза большого взрыва стала математической теоремой, а сама ОТО оказалась неполной: её законы нарушаются в точке сингулярности. Это не удивительно - ведь ОТО является классической теорией, а в малой области пространства вблизи сингулярности становятся существенными квантовые эффекты. Таким образом, для исследования черных дыр и ранней Вселенной требуется привлечение квантовой механики и создание единой теории - квантовой теории гравитации.
Занимаясь явлениями микромира, квантовая механика развивалась независимо от ОТО. В квантовой физике накопился некоторый опыт объединения различных типов взаимодействий. Так, удалось объединить в одну теорию электромагнитные и слабые взаимодействия. Именно, оказалось, что переносчики электромагнитного взаимодействия (виртуальные фотоны) и переносчики слабого взаимодействия (векторные бозоны) являются реализациями одной частицы и становятся неотличимы друг от друга при энергиях около 100 ГэВ. Существуют и теории великого объединения, то есть объединения электрослабого и сильного взаимодействий (правда, для достижения энергий великого объединения и проверки этих теорий нужен ускоритель размером с Солнечную систему).
Все эти теории не включают гравитацию, поскольку она очень мала для элементарных частиц. Однако в точке сингулярности гравитационные силы вместе с кривизной пространства-времени стремятся к бесконечности, так что совместный учёт квантовомеханических и гравитационных эффектов становится неизбежным. Это приводит к следующим удивительным результатам.
По теореме Пенроуза–Хокинга падение в черную дыру необратимо. Но, как известно, всякий необратимый процесс сопровождается ростом энтропии. Есть ли энтропия у черной дыры?
Хокинг замечает, что площадь горизонта событий черной дыры не уменьшается со временем (а при падении вещества в черную дыру - увеличивается), то есть обладает всеми свойствами энтропии. Его американский коллега Бикенстин предлагает считать площадь горизонта событий черной дыры мерой ее энтропии. Хокинг возражает: обладая энтропией, черная дыра должна иметь температуру и, следовательно, излучать - вопреки самому определению черной дыры! - но впоследствии сам же открывает механизм этого излучения.
Источником излучения оказывается вакуум вблизи черной дыры, в котором из-за квантовых флуктуаций энергии рождаются пары частица-античастица. Один из членов пары обладает положительной энергией, другой - отрицательной (так что сумма равна нулю); частица с отрицательной энергией может упасть в черную дыру, а частица с положительной энергией - покинуть ее окрестность. Поток частиц положительной энергии и есть излучение черной дыры; частицы же с отрицательной энергией уменьшают ее массу - черная дыра "испаряется" и со временем исчезает, унося с собой сингулярность. В этом Хокинг видит первое указание на возможность устранения сингулярностей ОТО с помощью квантовой механики и задается вопросом: окажет ли квантовая механика аналогичное воздействие на "большие" сингулярности, то есть устранит ли квантовая механика сингулярности Большого взрыва и Большого хлопка?
Новости по теме
Классическая общая теория относительности не оставляет выбора: расширяющаяся Вселенная рождается из сингулярности, причем начальные условия неизвестны (ОТО не работает в "момент творения"). В начальный момент Вселенная могла быть упорядоченной и однородной, а могла быть и весьма хаотичной. Дальнейший процесс эволюции, однако, существенно зависит от условий на этой границе пространства-времени. Используя метод Фейнмана, суммирование по различным "траекториям" развития Вселенной, Хокинг в рамках квантовой теории гравитации получает альтернативу сингулярности: пространство-время является конечным и не имеет сингулярности в виде границы или края (это похоже на поверхность Земли, но только в четырех измерениях). А раз нет границы, отпадает и необходимость в начальных условиях на ней, то есть нет нужды вводить новые законы, задающие поведение ранней Вселенной (или прибегать к помощи Бога). Тогда Вселенная "...не была бы сотворена, ее нельзя было бы уничтожить. Она просто существовала бы".
Тема Бога присутствует на протяжении всей книги; по сути, Хокинг ведет дискуссию с Богом. Приведем цитату, подводящую своего рода итог этой дискуссии.
"Из представления о том, что пространство и время образуют замкнутую поверхность, вытекают также очень важные следствия относительно роли Бога в жизни Вселенной. В связи с успехами, достигнутыми научными теориями в описании событий, большинство ученых пришло к убеждению, что Бог позволяет Вселенной развиваться в соответствии с определенной системой законов и не вмешивается в ее развитие, не нарушает эти законы. Но законы ничего не говорят нам о том, как выглядела Вселенная, когда она только возникла, - завести часы и выбрать начало все-таки могло быть делом Бога. Пока мы считаем, что у Вселенной было начало, мы можем думать, что у нее был Создатель. Если же Вселенная действительно полностью замкнута и не имеет ни границ, ни краев, то тогда у нее не должно быть ни начала, ни конца: она просто есть, и все! Остается ли тогда место для Создателя?"
Вот и ответ на вопрос Эйнштейна: никакой свободы выбора начальных условий у Бога не было.
Выполняя суммирование по фейнмановским траекториям при условии отсутствия границ пространства-времени, Хокинг находит, что Вселенная в ее нынешнем состоянии с высокой вероятностью должна расширяться одинаково быстро по всем направлениям - в согласии с наблюдениями изотропного фона реликтового микроволнового излучения. Далее, раз начало отсчета времени есть гладкая, регулярная точка пространства и времени, то Вселенная начала эволюцию из однородного, упорядоченного состояния. Эта начальная упорядоченность объясняет наличие термодинамической стрелы времени, указывающей то направление времени, в котором возрастает беспорядок (энтропия) Вселенной.
В заключительной части книги Хокинг описывает теорию струн, претендующую на объединение всей физики. Эта теория имеет дело не с частицами, а с объектами наподобие одномерных струн. Частицы трактуются как колебания струн, испускание и поглощение частиц - как разрыв и соединение струн. Струнная теория, однако, не ведет к противоречиям лишь в 10-мерном или 26-мерном пространствах. Возможно, в ходе развития Вселенной "развернулись" только четыре координаты нашего пространства-времени, остальные же оказались свернутыми в пространство ничтожно малых размеров.
Почему так произошло? Хокинг дает ответ с позиций так называемого антропного принципа: иначе не возникли бы условия для развития разумных существ, способных задать подобный вопрос. В самом деле, в случае меньшей размерности пространства затруднена эволюция: так, всякий сквозной проход в теле двумерного существа делит его на две части. В пространствах же большей размерности иным будет закон гравитационного притяжения, и орбиты планет станут неустойчивыми ("мы бы тогда либо замерзли, либо сгорели"). Конечно, допустимы и другие вселенные, с другим количеством развернувшихся координат, "...но в подобных областях не будет разумных существ, которые могли бы увидеть это разнообразие действующих измерений".
Хокинг с оптимизмом смотрит на перспективы создания единой теории, описывающей Вселенную. Отняв у Бога акт творения, он отводит Богу роль творца ее законов. Когда будет построена математическая модель, останется вопрос, почему Вселенная, подчиняющаяся этой модели, вообще существует. Не связанные необходимостью строить новые теории, ученые обратятся к его исследованию. "И если будет найден ответ на такой вопрос, это будет полным триумфом человеческого разума, ибо тогда нам станет понятен замысел Бога".
Конспект книги Стивена Хокинга "Краткая история времени" подготовил Игорь Яковлев