«…Те вопросы, которые побудили меня заняться изучением космологии и квантовой теории: откуда взялась Вселенная? как и почему она возникла? придет ли ей конец, а если придет, то как?». (Ст. Хокинг. «Краткая история времени»)
«Краткая история времени. От большого взрыва до черных дыр» - это научно-популярная книга одного из самых знаменитых современных ученых с мировым именем - Стивена Хокинга (р. 1942), английского физика-теоретика, создателя и руководителя Центра теоретической космологии в Кембриджском университете.
Ученый-уникум
Сама история жизни знаменитого ученого поистине удивительна.
Стивен Хокинг родился в Оксфорде. Его родители Фрэнк и Изабель Хокинг работали в медицинском центре в Хэмпстеде.
Еще в школе Стивен выделялся среди сверстников своими дарованиями в области физики и математики. Никто не сомневался, что мальчику предстоит научная карьера. Так оно и произошло. Хокинг поступил в Оксфорд, где продолжал поражать преподавателей своей эрудицией и способностями. Он мог за двадцать минут решить сложнейшую задачу, над которой другие студенты корпели сутками. В остальном юноша вел обычную студенческую жизнь, не чуждался развлечений.
В 1962 г., когда Стивену Хокингу исполнился 21 год, у него появились первые симптомы страшной болезни – амиотрофического латерального склероза, которая постепенно ведет к прогрессирующему параличу.
Хокингу становилось все труднее и труднее двигаться и наконец он оказался прикованным к инвалидной коляске. Заболевание также сопровождалось частыми вспышками пневмонии. Чтобы спасти пациенту жизнь, врачи сделали ему трахеотомию – вживили в основание шеи специальное устройство для поддержания дыхания. После этого Хокинг утратил способность говорить. Правда, тут ему помог технический прогресс – ученый обзавелся компьютером с синтезатором речи. Три пальца на его левой руке оставались подвижными, это позволяло набирать на дисплее тексты, которые озвучивал компьютер. Физик продолжал заниматься научными исследованиями в области теоретической космологии. На лекциях и конференциях он появлялся в инвалидном кресле и доносил до слушателей свои идеи с помощью монотонного компьютерного голоса. Электроника давала возможность и отвечать на вопросы публики со скоростью примерно 10 слов в минуту.
Уже будучи инвалидом, Стивен Хокинг обзавелся семьей. В 1965 г. он сочетался браком с Джейн Уайлд. Преданная жена родила ему нескольких детей. Однако после 25 лет супружеской жизни они развелись – супруга была верующей, а астрофизик отрицал существование Бога в библейском смысле… Не выдержав разногласий, в 1991 г. он решил оставить семью и в 1995 г. женился на своей сиделке, Элайн Мэйсон. Однако после 11 лет брака вновь последовал развод…
Тяжелейшее заболевание не мешает Хокингу вести по возможности активный образ жизни. Так, в апреле 2007 г. он совершил полет на специальном самолете в условиях невесомости, а в 2009 г. собирался даже полететь в космос.
На Западе этого ученого с мировым именем сравнивают с Альбертом Эйнштейном. Многие полагают, что у Хокинга самый высокий в мире интеллект. Сегодня он является членом Лондонского королевского общества (1974), Папской
Академии наук (1986) и Национальной академии наук США (1992), имеет массу научных наград самого высокого уровня…
От Большого взрыва до человека-компьютера
Работая в Кембридже, Хокинг занимался проблемами «большого взрыва» и черных дыр, теорией относительности, единой теорией поля и др., совершив в этих областях немало открытий. Так, он применил термодинамику к описанию черных дыр. В 1975 г. им была разработана теория о том, что черные дыры «испаряются» за счет явления, которое позднее получило название «излучение Хокинга». В 2004 г. ученый представил концепцию, разрешающую парадокс исчезновения информации в черной дыре.
В 1988 г. он опубликовал книгу под названием «Краткая история времени», где в популярной форме изложил свои взгляды на эволюцию Вселенной и устройство мироздания. В 1993 г. вышла книга «Черные дыры и молодые вселенные», а в 2001 г. - «Мир в ореховой скорлупке». В 2005 г. было опубликовано новое издание «Краткой истории времени», которое называлось «Кратчайшая история времени» и было написано в соавторстве с Леонардом Млодиновым. В 2010 г. вышла книга «Высший замысел», соавтором которой также был Леонард Млодинов.
Хокинг прославился также своими футурологическими предвидениями. По его словам, всего через несколько десятков лет человеческая цивилизация исчезнет – вернее превратится в нечто совсем иное… Это будет связано с изменением привычной картины мира. Будут открыты новые источники энергии. Развитие кибернетики и микроэлектроники приведет к созданию коллективного машинного разума, наподобие «мыслящего океана» Лема. Этот прогноз ученый дал в 1988 г., когда компьютерные сети еще не получили столь широкого распространения. Кроме того, он говорил об открытиях в сфере генной инженерии, которые приведут к созданию совершенно новых существ, являющих собой помесь человека с компьютером, что приведет к вырождению Homo sapiensкак биологического вида.
История исследований
«Краткая история времени» - это книга о том, как и почему возникла Вселенная, о ее прошлом и будущем. Книга рассчитана на массового читателя, поэтому написана доступным языком. В ней почти нет формул и уравнений, характерных для книг научного жанра. Тем не менее, в ней затрагиваются вопросы достаточно серьезные, и не только научные.
В первой главе Хокинг рассматривает, как менялось на протяжении веков представление людей о Вселенной, в частности, приводя в пример воззрения Аристотеля, Птолемея, Кеплера, Галилея, Коперника, Ньютона.
«Когда большинство людей верило в статическую и неизменную Вселенную, вопрос о том, имела она начало или нет, относился, в сущности, к области метафизики и теологии, - пишет ученый. -Все наблюдаемые явления можно было объяснить как с помощью теории, в которой Вселенная существует вечно, так и с помощью теории, согласно которой Вселенную сотворили в какой-то определенный момент времени таким образом, чтобы все выглядело, как если бы она существовала вечно.
Но в 1929 г. Эдвин Хаббл сделал эпохальное открытие: оказалось, что в какой бы части неба ни вести наблюдения, все далекие галактики быстро удаляются от нас. Иными словами, Вселенная расширяется. Это означает, что в более ранние времена все объекты были ближе друг к другу, чем сейчас. Значит, было, по-видимому, время, около десяти или двадцати тысяч миллионов лет назад, когда они все находились в одном месте, так что плотность Вселенной была бесконечно большой».
Это заставляет пересмотреть все более ранние концепции: «Начало времени в неизменяющейся Вселенной есть нечто, что должно определяться чем-то, существующим вне Вселенной; для начала Вселенной нет физической необходимости. Сотворение Богом Вселенной можно в своем представлении относить к любому моменту времени в прошлом. Если же Вселенная расширяется, то могут существовать физические причины для того, чтобы она имела начало».
Пространство и время
Во второй главе описываются понятия пространства и времени. «И Аристотель, и Ньютон верили в абсолютное время, - констатирует Хокинг. - Иными словами, они считали, что временной интервал между двумя событиями можно однозначно измерить и что результат будет одинаков независимо от того, кто производит измерения, лишь бы у измеряющего были правильные часы. Время было полностью отделено от пространства и считалось не зависящим от него. Такова была точка зрения большинства, точка зрения здравого смысла. Но нам пришлось изменить свои представления о пространстве и времени. Представления, основанные на “здравом смысле”, относятся к сравнительно медленным объектам (яблоко, планета), но они оказываются совершенно неуместными, когда скорости становятся близкими к скорости света».
Так физика приходит к теории относительности: «Эйнштейн высказал предположение революционного характера: гравитация – это не обычная сила, а следствие того, что пространство-время не является плоским, как считалось раньше; оно искривлено распределенными в нем массой и энергией». А это, по Хокингу, означает, что Вселенная имеет начало и, может быть, конец.
Расширение Вселенной
Третья глава посвящена процессу расширения Вселенной. Хокинг подробно рассматривает модель, построенную русским ученым А.А. Фридманом (1888-1925), в которой описываются закономерности этого расширения. «Все варианты модели Фридмана имеют то общее, - пишет он, - что в какой-то момент времени в прошлом… расстояние между соседними галактиками должно было равняться нулю. В этот момент, который называется большим взрывом, плотность Вселенной и кривизна пространства-времени должны были быть бесконечными». А это, по мнению Хокинга, означает, что во Вселенной должна быть точка, в которой неприменима теория относительности.
«Все наши научные теории основаны на предположении, что пространство-время гладкое и почти плоское, а потому все эти теории неверны в сингулярной точке большого взрыва, в которой кривизна пространства-времени бесконечна. Следовательно, даже если бы перед большим взрывом происходили какие-нибудь события, по ним нельзя было бы спрогнозировать будущее, так как в точке большого взрыва возможности предсказания свелись бы к нулю. Точно так же, зная только то, что произошло после большого взрыва (а мы знаем только это), мы не сможем узнать, что происходило до него.
События, которые произошли до большого взрыва, не могут иметь никаких последствий, касающихся нас, и поэтому не должны фигурировать в научной модели Вселенной. Следовательно, нужно исключить их из модели и считать началом отсчета времени момент большого взрыва».
Научный детерминизм
В четвертой главе Хокинг рассматривает доктрину научного детерминизма, разработанную в начале XIX в. французским ученым Пьером Лапласом (1749-1827), квантовую теорию Макса Планка (1857-1947), а также принцип неопределенности, сформулированный Вернером Гейзенбергом (1901-1976). «Гейзенберг показал, что неопределенность в положении частицы, умноженная на неопределенность в ее скорости и на ее массу, не может быть меньше некоторого числа, которое называется сейчас постоянной Планка, - пишет автор книги. - Это число не зависит ни от способа, которым измеряется положение или скорость частицы, ни от типа этой частицы, т. е. принцип неопределенности Гейзенберга является фундаментальным, обязательным свойством нашего мира».
Это означает, что мы ограничены в возможности предсказывать какие-то события во Вселенной, так как нельзя точно зафиксировать ее состояние в данный момент. «Конечно, мы можем себе представлять, что существует некий набор законов, полностью определяющий события для какого-то сверхъестественного существа, которое способно наблюдать современное состояние Вселенной, никак не возмущая ее, - добавляет Хокинг. - Однако такие модели Вселенной не представляют интереса для нас – простых смертных».
Взаимодействие частиц
В пятой главе рассматривается взаимодействие элементарных частиц и сил в природе.
«Еще лет двадцать назад протоны и нейтроны считались “элементарными” частицами, но эксперименты по взаимодействию протонов и электронов, движущихся с большими скоростями, с протонами показали, что на самом деле протоны состоят из еще более мелких частиц», - констатирует Хокинг. Физик-теоретик из Калифорнийского технологического института Мюррей Гелл-Манн назвал эти мини-частицы кварками, по стихотворной строке Джеймса Джойса (1882-1941) «Три кварка для мастера Марка!»
«Мы уже знаем, что ни атомы, ни находящиеся внутри атома протоны с нейтронами не являются неделимыми, а потому возникает вопрос: что же такое настоящие элементарные частицы – те исходные кирпичи, из которых все состоит?»- таким вопросом задается Хокинг. Это возможно, если удастся измерить энергию частиц: чем выше ее уровень, тем меньше частица.
Также Хокинг упоминает о понятии антиматерии: «Сейчас мы знаем, что каждой частице соответствует античастица, с которой она может аннигилировать… Могли бы существовать целые антислова и антилюди, состоящие из античастиц. Но встретив антисебя, не вздумайте поздороваться с ним за руку! Возникнет ослепительная вспышка света, и вы оба исчезнете».
Все действующие в природе силы ученый делит на четыре разновидности. Это гравитационные, электромагнитные, слабые и сильные ядерные взаимодействия, затрагивающие разные виды частиц и обладающие различными свойствами. Хокинг рассуждает о том, из каких именно видов частиц и при помощи каких взаимодействий была образована Вселенная. «Несмотря на трудности наблюдения распада протона, не исключено, что само наше существование есть следствие обратного процесса, - пишет он, – образования протонов или, еще проще, кварков на самой начальной стадии, когда кварков было не больше, чем антикварков. Такая картина начала Вселенной представляется наиболее естественной». Эволюция же Вселенной, по мнению физика, определяется гравитацией.
Черные дыры
Шестая глава книги посвящена черным дырам, которые являются результатом гравитационного коллапса. «В черной дыре должна быть сингулярность, в которой плотность и кривизна пространства-времени бесконечны, - считает Хокинг. - Ситуация напоминает большой взрыв в момент начала отсчета времени… В этой сингулярной точке нарушались бы законы науки, а мы потеряли бы способность предсказывать будущее. Но эта потеря не коснулась бы ни одного наблюдателя, находящегося вне черной дыры, потому что до него не дошел бы ни световой, ни какой-нибудь другой сигнал, вышедший из сингулярности». Ученый затрагивает также тему «кротовых нор», которые теоретически могут позволить нам «телепортироваться» в другие области Вселенной, а также в прошлое и будущее.
В седьмой же главе Хокинг выдвигает предположение, что «черные дыры не так уж черны», основанное на законах квантовой механики. Он приходит к выводу, что эти объекты гипотетически подвержены энтропии и могут испускать некоторое количество излучения. Кроме того, это постепенно заставляет дыру терять массу и, наконец, приводит к полному ее исчезновению: «Наиболее логичным представляется, что черная дыра полностью исчезает в гигантской последней вспышке излучения, эквивалентной взрыву миллионов водородных бомб…»
Начало и конец Вселенной
Восьмая глава посвящена процессам рождения и гибели Вселенной. Вот как выглядело, с точки зрения стандартных научных концепций, «сотворение» Вселенной:
«Считается, что в момент большого взрыва размеры Вселенной были равны нулю, а сама она была бесконечно горячей. Но по мере расширения температура излучения понижалась. Через секунду после большого взрыва температура упала примерно до десяти тысяч миллионов градусов; это примерно в тысячу раз больше температуры в центре Солнца, но такие температуры достигаются при взрывах водородной бомбы. В это время Вселенная состояла из фотонов, электронов, нейтрино (нейтрино – легчайшие частицы, участвующие только в слабом и гравитационном взаимодействиях) и их античастиц, а также из некоторого количества протонов
и нейтронов. По мере того как Вселенная продолжала расширяться, а температура падать, скорость рождения электрон-антиэлектронных пар в соударениях стала меньше скорости их уничтожения за счет аннигиляции. Поэтому почти все электроны и антиэлектроны должны были аннигилировать друг с другом, образовав новые фотоны, так что осталось лишь чуть-чуть избыточных электронов. Но нейтрино и антинейтрино не аннигилировали друг с другом, потому что эти частицы очень слабо взаимодействуют между собой и с другими частицами. Поэтому они до сих нор должны встречаться вокруг нас. Если бы их можно было наблюдать, то у нас появился бы хороший способ проверки модели очень горячей ранней Вселенной. К сожалению, их энергии сейчас слишком малы, чтобы их можно было непосредственно наблюдать».
«Однако если нейтрино не является безмассовой частицей, - продолжает автор, - а обладает небольшой собственной массой, обнаруженной в неподтвержденном эксперименте советских ученых 1981 г., то мы смогли бы обнаружить их косвенно: они могли бы оказаться одной из форм темной материи, упоминавшейся ранее, гравитационное притяжение которой достаточно для того, чтобы прекратить расширение
Вселенной и заставить ее опять сжиматься».
Что же касается жизни на Земле, то «в первые одну или две тысячи миллионов лет существования Земли на ней было слишком жарко для развития каких бы то ни было сложных организмов. Остальные примерно три тысячи миллионов лет происходит медленный процесс биологического развития, в результате которого простейшие организмы прошли путь до разумных существ, умеющих измерять время, прошедшее с момента большого взрыва».
В то же время, ряд концепций полагает, что «современное состояние Вселенной могло возникнуть из большого числа разных начальных конфигураций». «Для предсказания того, каким должно было быть начало Вселенной, необходимы законы, справедливые в начале отсчета времени», - считает Хокинг.
«Если евклидово пространство-время простирается назад по мнимому времени до бесконечности или начинается в сингулярной точке мнимого времени, то, как и в классической теории относительности, возникает вопрос об определении начального состояния Вселенной – Богу, может быть, и известно, каким было начало Вселенной, но у нас нет никаких оснований мыслить это начало таким, а не иным, - делает вывод ученый. - Квантовая же теория гравитации открыла одну новую возможность: пространство-время не имеет границы, и поэтому нет необходимости определять поведение на границе. Тогда нет и сингулярностей, в которых нарушались бы законы науки, а пространство-время не имеет края, на котором пришлось бы прибегать к помощи Бога или какого-нибудь нового закона, чтобы наложить на пространство-время граничные условия. Можно было бы сказать, что граничное условие для Вселенной – отсутствие границ. Тогда Вселенная была бы совершенно самостоятельна и никак не зависела бы от того, что происходит снаружи. Она не была бы сотворена, ее нельзя было бы уничтожить. Она просто существовала бы».
Другие измерения
В девятой главе Хокинг возвращается к понятию времени. Хотя теория относительности уже доказала, что абсолютного времени не бывает, необходимо еще объяснить, почему время не течет в обратном направлении.
«Увеличение беспорядка, или энтропии, с течением времени – это одно из определений так называемой стрелы времени, т. е. возможности отличить прошлое от будущего, определить направление времени, - пишет ученый. - Можно говорить по крайней мере о трех различных стрелах времени. Во-первых, стрела термодинамическая, указывающая направление времени, в котором возрастает беспорядок, или энтропия. Во-вторых, стрела психологическая. Это направление, в котором мы ощущаем ход времени, направление, при котором мы помним прошлое, но не будущее. И в-третьих, стрела космологическая. Это направление времени, в котором Вселенная расширяется, а не сжимается».
При этом сжатие Вселенной не происходит в порядке, обратном ее расширению, поэтому о течении времени вспять, которое так любят описывать фантасты, говорить не приходится: «Из условия отсутствия границ следует, что во время сжатия беспорядок должен продолжать увеличиваться. Термодинамическая и психологическая стрелы времени не изменят своего направления на противоположное ни в черной дыре, ни во Вселенной, начавшей сокращаться вновь».
Наконец, в десятой главе Стивен Хокинг говорит о необходимости объединения существующих физических теорий: «Можно надеяться на то, что в конце концов будет найдена полная, непротиворечивая единая теория, в которую все частные теории будут входить в качестве приближений и которую не нужно будет подгонять под эксперимент подбором значений входящих в нее произвольных величин».
Также Хокинг затрагивает теорию струн и множественных измерений. Но, в отличие от научных фантастов, он подходит к этому куда более рационально: «Почему мы видим только три пространственных и одно временное измерение? Возможно, причина кроется в том, что другие измерения свернуты в очень малое пространство размером порядка одной миллион миллион миллион миллион миллионной доли сантиметра. Оно так мало, что мы его просто не замечаем…»
Теория всего
Объединенная физическая теория могла бы разрешить все эти вопросы. Но не все так просто. Вот какие соображения высказывает Хокинг по поводу этой «всеобъемлющей» теории:
«1. Полная единая теория действительно существует, и мы ее когда-нибудь откроем, если постараемся.
2. Окончательной теории Вселенной нет, а есть просто бесконечная последовательность теорий, которые дают все более и более точное описание Вселенной.
3. Теории Вселенной не существует: события не могут быть предсказаны далее некоторого предела и происходят произвольным образом и беспорядочно».
«Таким образом, если мы и найдем полную систему основных законов, перед нами на много лет вперед будет стоять вызовом нашему интеллекту задача разработки новых приближенных методов, с помощью которых мы могли бы успешно предсказывать возможные результаты в реальных сложных ситуациях, - считает автор “Краткой истории времени”. - Полная, непротиворечивая единая теория – это лишь первый шаг: наша цель – полное понимание всего происходящего вокруг нас и нашего собственного существования».
Уникальность «Краткой истории времени» прежде всего в том, что автор популярно и в доступной форме излагает сложнейшие физические вопросы, касающиеся устройства Вселенной, сущности пространства и времени, и вообще научной картины мира… При этом он описывает и собственные теории, которые выглядят порой оригинальными и даже «революционными». Бесспорно, это шаг к тому, чтобы объединить современную науку и философию, и заставить большинство людей взглянуть на прошлое и будущее мироздания с позиции новейших научных исследований.
Из книги Ирины Шлионской
"50 Великих книг, содержащих послания человечеству. Мифы и реальность"
Публикуется с разрешения автора
