Краткое содержание стивена хокинга краткая история времени. Стивен ХокингКраткая история времени. От Большого Взрыва до черных дыр. Наше представление о Вселенной

Шрифт: Меньше Аа Больше Аа

Leonard Mlodinow

A Briefer History of Time

* * *

Предисловие

Название этой книги отличается от названия первой, вышедшей в 1988 году, всего лишь одним словом. «Краткая история времени» оставалась в списке бестселлеров лондонской газеты The Sunday Times на протяжении 237 недель – было продано примерно по одному экземпляру на 750 жителей Земли, мужчин, женщин и детей. Это невероятный успех для книги, посвященной одному из самых трудных аспектов современной физики. Но ведь самое трудное – всегда самое интересное, поскольку речь идет о важных, фундаментальных вопросах: что нам, в сущности, известно о Вселенной? откуда мы это знаем? как возникла Вселенная и какая судьба ожидает ее? В этих вопросах суть «Краткой истории времени», и они же остаются в центре внимания этой книги. За годы, прошедшие с появления на полках «Краткой истории», я получил множество писем со всего мира от читателей всех возрастов и профессий. Одна из наиболее частых просьб – написать новую «Краткую историю», сохранив суть прежней, но изложив основные идеи более ясно и неторопливо. Конечно, можно было назвать эту книгу «Чуть менее краткая история времени», но, как я понял, едва ли кто-то захочет получить внушительных размеров том, походящий на университетский курс космологии.

Итак, несколько слов о характере этой книги. При написании «Кратчайшей истории времени» мы придерживались логики первого издания, но расширили его, держа в уме, что новая книга должна легко читаться и быть не слишком длинной. История получилась действительно сокращенной, поскольку я исключил некоторые чересчур сложные, технические моменты, но это удалось с лихвой компенсировать углубленным подходом к материалу, лежащему в основе книги.

Мы также воспользовались возможностью дополнить издание, включив новые наблюдательные и теоретические данные. В «Кратчайшей истории времени» описываются недавние достижения физиков-теоретиков, бьющихся над единой теорией всех физических сил. В частности, мы говорим о прогрессе теории струн, а также дуализме, или о взаимных соответствиях между на первый взгляд совершенно разными физическими теориями, которые можно рассматривать как свидетельство существования единой теории – фундамента всей физической науки. В книге также представлены важные новые наблюдения, сделанные спутником COBE (англ. Cosmic Background Explorer – «Исследователь реликтового излучения») и космическим телескопом «Хаббл».

Лет сорок тому назад Ричард Фейнман сказал: «Нам очень повезло жить в тот век, когда мы все еще делаем открытия. Это подобно открытию Америки – его совершаешь лишь однажды. Время, в которое мы живем, – эпоха открытий фундаментальных законов природы». Сегодня мы как никогда близко подошли к пониманию природы Вселенной, и на этих страницах мы хотим разделить с читателем восторг от знакомства с этими открытиями и новой картиной мира, которую они формируют на наших глазах.

Глава 1. Размышления о Вселенной

Мы живем в странной и удивительной Вселенной. Нужно недюжинное воображение, чтобы понять и оценить ее возраст, размеры, бурный нрав и красоту. И кажется, что мы занимаем совсем незначительное место в этом огромном космосе, и нам хочется понять его и осознать свою роль во Вселенной. Несколько десятилетий назад известный ученый (говорят, это был Бертран Рассел), читая публичную лекцию об астрономии, рассказывал, как Земля движется по орбите вокруг Солнца и как Солнце в свою очередь движется по орбите вокруг центра огромного сборища звезд под названием Галактика. Когда лекция закончилась, маленькая пожилая женщина в самом конце аудитории сказала: «Все, что тут говорили, – полная ерунда. Мир – это плоская тарелка на спине гигантской черепахи». Ученый снисходительно улыбнулся и спросил: «А на чем же стоит черепаха?» «Ну вы же очень умный молодой человек, – сказала пожилая женщина, – черепаха стоит на другой черепахе, та – на следующей, и так до конца!»

В наше время большинство сочтут картину Вселенной в виде бесконечной башни из черепах нелепой. А откуда мы знаем, что наше представление о мире лучше? Давайте на минутку забудем все, что мы знаем или думаем, что знаем о космосе, и просто взглянем на ночное небо. Ну что сказать об этих светящихся точках? Может, это маленькие огоньки? Нам на самом деле трудно представить себе их истинную сущность, потому что это далеко за пределами нашего повседневного опыта. Если вы любите смотреть на звездное небо, то, возможно, обратили внимание на расплывчатую светлую точку вблизи горизонта во время сумерек. Это планета Меркурий, но она совсем не похожа на нашу Землю. Сутки там длятся две трети местного года. Температура освещенной Солнцем части поверхности планеты достигает 400°С и выше, а на ночной, не освещенной стороне, падает до –200°С. Но несмотря на все его отличие от нашей собственной планеты, еще меньше общего у Меркурия с типичной звездой, представляющей собой исполинскую печь, где каждую секунду сгорают миллиарды килограмм вещества, а температура в ядре достигает десятков миллионов градусов.

А еще очень трудно вообразить, насколько далеки от нас планеты и звезды. В Древнем Китае строили каменные башни в надежде рассмотреть звезды поближе. Представлять себе звезды и планеты расположенными гораздо ближе, чем они находятся на самом деле, вполне естественно – в конце концов, в обычной жизни нам не приходится сталкиваться с колоссальными космическими расстояниями. Они столь велики, что нет смысла пытаться их измерить в метрах и сантиметрах, как в случае большинства расстояний и длин в нашей повседневной жизни. Космические расстояния принято измерять в световых годах. Световой год – это расстояние, которое свет проходит за один год. За одну секунду луч света проходит около 300 000 километров. Так что световой год – это очень большое расстояние. Ближайшая к нам после Солнца звезда – Проксима Центавра (она также известна под названием Альфа Центавра C) – находится на расстоянии около 4 световых лет. Это так далеко, что самому быстрому из реально проектируемых космических кораблей потребуется не менее 10 000 лет, чтобы преодолеть разделяющее нас пространство.

Люди в древности очень старались понять устройство Вселенной, но у них еще не было современной математики и вообще современной науки. Сейчас в нашем распоряжении очень мощные мыслительные инструменты, такие как математика и научный метод, а также технические средства вроде компьютеров и телескопов. Благодаря этому нам удалось многое узнать о космосе. Но что же на самом деле нам известно о Вселенной и откуда мы все это знаем? Как возникла Вселенная? Что ждет ее в будущем? Было ли у Вселенной начало, а если было, то что было до него? Какова природа времени? Закончится ли оно когда-нибудь? Можно ли двигаться по времени вспять? Ответы на некоторые из этих давних вопросов удается получить благодаря последним прорывам в физике, которым мы, в частности, обязаны появлению новых технологий. Когда-нибудь мы сочтем эти ответы такими же очевидными, как то, что Земля обращается вокруг Солнца. А может быть такими же нелепыми, как представление о башне из черепах. Только время (чем бы оно ни было) покажет.

Глава 2. Наша картина Вселенной вчера и сегодня

Хотя еще во времена Христофора Колумба многие считали Землю плоской (да и сегодня такие люди встречаются), основы современной астрономии были заложены еще в Древней Греции. Примерно 340 лет до нашей эры греческий философ Аристотель написал трактат «О небе». В нем он изложил множество доказательств того, Земля имеет форму шара, а не плоская как тарелка.

Одно из таких соображений основано на наблюдении лунных затмений. Аристотель понял, что причиной этих затмений является прохождение Земли между Солнцем и Луной. При этом Земля отбрасывает на Луну тень, и мы это видим как затмение. Аристотель обратил внимание, что тень Земли всегда имеет форму круглую форму, что естественно, если Земля имеет форму шара. Но, разумеется, это было бы не так, если бы Земля имела форму плоского диска. В таком случае тень была бы круглой, только если во время затмения Солнце расположено в точности под центром диска. При любом другом расположении тень оказалась бы вытянутой, в форме эллипса (вытянутого круга).

У древних греков были и другие аргументы в пользу шарообразности Земли. Если бы Земля была плоской, то идущий к берегу корабль должен был сначала выглядеть как маленькая едва заметная точка. Потом, по мере приближения корабля, на нем можно было бы различить отдельные детали – паруса и корпус. А на самом деле все совсем не так. Когда корабль возникает на горизонте, то сначала мы видим только его паруса. И только потом появляется корпус. То, что расположенные высоко над корпусом вершины мачт корабля первыми появляются из-за горизонта, свидетельствует о шарообразности формы Земли.

Появление над горизонтом. Земля имеет форму шара. Поэтому, когда корабль приближается к нам, сначала мы видим над горизонтом его мачты и паруса, а уже потом появляется его корпус

Греки не обошли также своим вниманием и звездное небо. Ко времени Аристотеля они уже на протяжении многих сотен лет изучали движения огоньков ночном небе. Они заметили, что хотя тысячи огоньков перемещаются по небосводу как одно целое, пять светил, не считая Луны, движутся не так, как остальные. Они иногда сворачивают с проторенного пути с востока на запад и даже временами даже движутся вспять. Эти светила были названы планетами от греческого слова, означающего «странники». Греки видели только пять планет, потому что только они доступны невооруженному глазу: Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн. Сейчас-то мы знаем, почему планеты движутся по небу столь необычным образом: движение звезд относительно нашей Солнечной системы почти незаметно, а вот планеты обращаются по орбитам вокруг Солнца и поэтому выписывают гораздо более сложные траектории на фоне далеких звезд.

Аристотель считал Землю неподвижной, а также полагал, что Солнце, Луна, планеты и звезды обращаются по круговым орбитам вокруг Земли. Он так считал исходя из мистических соображений, полагая, что Земля является центром Вселенной и движение по кругу наиболее совершенно. Во II веке нашей эры греческий ученый Птолемей построил на основе этой идеи полную модель неба. Птолемей был страстным исследователем, недаром ему принадлежат слова: «Что я смертен, я знаю, и что дни мои сочтены, но когда я в мыслях неустанно и жадно выслеживаю орбиты созвездий, тогда я больше не касаюсь ногами Земли: за столом Зевса наслаждаюсь амброзией, пищей богов».

В модели мира Птолемея нас окружают восемь вложенных друг в друга вращающихся сфер наподобие матрешки, а в центре всех этих сфер находится Земля. Представления о том, что находилось вне самой большой сферы, были самые туманные, но в любом случае это было за пределами наблюдаемой человеком Вселенной. Таким образом, самая внешняя сфера представляла собой своего рода границу Вселенной. На этой сфере были закреплены звезды, и поэтому при ее вращении взаимные положения звезд оставались неизменными – именно так, как мы это наблюдаем в действительности. На внутренних сферах располагались планеты. В отличие от звезд они не были прикреплены к своим сферам, а каждая планета двигалась относительно своей сферы по малому кругу, называемому эпициклом. Весьма сложные некруговые видимые траектории планет не небе удавалось объяснить сочетанием движения по эпициклу и вращения сферы.

Модель Птолемея. В модели Птолемея Земля находилась в центре Вселенной, окруженная восемью сферами, несущими на себе все известные в то время небесные тела

Модель Птолемея позволяла довольно точно предсказывать положение светил на небе. Но для того, чтобы добиться согласия предсказаний с наблюдениями, Птолемею пришлось предположить, что расстояние от Земли до Луны может меняться в два раза! А это означало, что видимый размер Луны должен иногда быть в два раза больше, чем в другое время! Птолемей сознавал этот недостаток своей системы, что, тем не менее, не помешало (почти) всеобщему признанию его картины мира. Христианская церковь приняла Птолемееву систему, поскольку сочла ее не противоречащей Священному Писанию: за пределами сферы неподвижных звезд оставалось достаточно места для рая и ада.

Но в 1514 году польский священник Николай Коперник предложил другую модель. (Правда, вначале, опасаясь быть обвиненным Церковью в ереси, Коперник распространял свои идеи анонимно.) Революционность идеи Коперника состояла в предположении, что все небесные тела обращаются вокруг Земли. Коперник полагал, что Солнце неподвижно и расположено в центре Солнечной системы, а Земля и планеты движутся вокруг него по круговым орбитам. Модель Коперника оказалась не хуже модели Птолемея, но она все же не совсем точно предсказывала наблюдения. Она была гораздо проще модели Птолемея, поэтому можно было ожидать, что люди примут ее. Однако понадобилось почти столетие, чтобы эту идею восприняли всерьез. Одними из первых в пользу теории Коперника стали публично высказываться двое ученых – немецкий астроном Иоганн Кеплер и итальянский астроном Галилео Галилей.

В 1609 году Галилей начал наблюдать ночное небо в телескоп, который только что изобрел . Взглянув на планету Юпитер, Галилей обнаружил несколько обращающихся вокруг него небольших спутников. Отсюда следовало, что не все небесные тела обращаются вокруг Земли, как считали Аристотель и Птолемей. Примерно в то же время Кеплер уточнил теорию Коперника, предположив, что планеты двигаются не по круговым орбитам, а по эллипсам, благодаря чему удалось добиться согласия предсказания теории с наблюдениями. Все это окончательно добило систему мира Птолемея.

Хотя предположение об эллиптических орбитах сделало модель Коперника более точной, Кеплер рассматривал это лишь как математический трюк, поскольку его представления об устройстве природы не основывались на наблюдениях. Подобно Аристотелю, Кеплер считал эллипсы менее совершенными фигурами, чем окружности. Сама мысль о том, что планеты могут двигаться по таким несовершенным траекториям, казалась ему слишком безобразной, чтобы быть правдой. К тому же Кеплеру не нравилось, что предположение об эллиптических орбитах не согласовывались с его идеей о магнитных силах как причине движения планет вокруг Солнца. Насчет магнетизма он, конечно, ошибался, но мы должны отдать ему должное за саму мысль о том, что движение планет должно быть вызвано некой силой. Правильное объяснение причины движения планет вокруг Солнца было дано гораздо позже в 1687 году сэром Исааком Ньютоном в трактате «Математические начала натуральной философии» – пожалуй, важнейшей из когда-либо опубликованных работ по физике.

В этом труде Ньютон сформулировал закон, согласно которому тело, находящееся в покое, остается в состоянии покоя, если только на него не действует какая-либо сила, а также описал, как движение тела меняется под действием силы. Так почему же планеты движутся вокруг Солнца по эллиптическим орбитам? Согласно Ньютону за это отвечает совершенно определенная сила – та самая, которая заставляет отпущенное (уроненное) тело падать на землю, а не оставаться в состоянии покоя. Он назвал эту силу тяготением и разработал математический аппарат, позволяющий вычислять, каким образом тела реагируют на приложенную к ним силу, например силу тяготения, а также решил соответствующие уравнения. Таким образом, Ньютону удалось показать, что под действием тяготения Солнца Земля и другие планеты должны двигаться по эллиптическим орбитам в точности как предсказал Кеплер! Ньютон предположил, что его законы справедливы для всего, что есть во Вселенной, от падающего яблока до звезд и планет. Движения планет и движения тел на Земле впервые в истории удалось объяснить как следствие одних и тех же законов, и это стало рождением современной физики и современной астрономии.

В отсутствие птолемеевых сфер отпала необходимость и в предположении о наличии у Вселенной некой внешней границы. Более того, поскольку у звезд не обнаруживалось никакого движения, кроме общего суточного движения небосвода, вызванного вращением Земли, то было естественно предположить, что это такие же тела, как наше Солнце, только расположенные гораздо дальше. Таким образом, ученые не только отказались от представления о центральном положении Земли во Вселенной, но также и от идеи об уникальности нашего Солнца да и всей Солнечной системы. Новый взгляд на мир ознаменовал фундаментальные изменения в человеческом мышлении, начало нового современного научного понимания нашей Вселенной.

Глава 3. Природа научной теории

Прежде чем рассуждать о природе Вселенной и отвечать на вопросы о том, было ли у нее начало и есть ли конец, следует сформировать четкое представление, что такое научные теории. Будем придерживаться простого взгляда на теорию – как на модель Вселенной или какой-либо ее части в совокупности с набором правил, связывающих параметры этой модели с нашими наблюдениями. Она существует только в нашем сознании и никак иначе реально не существует (что бы это ни значило). Теория считается хорошей, если она удовлетворяет двум требованиям. Во-первых, она должна правильно описывать большой класс наблюдений на основе модели с небольшим числом произвольных элементов, и во-вторых, она должна позволять с достаточной определенностью предсказывать результаты будущих наблюдений. Например, Аристотель верил в теорию Эмпедокла, согласно которой все в мире состоит из четырех стихий: земли, воздуха, огня и воды. Это была довольно простая теория, но она не позволяла делать какие-либо точные предсказания. С другой стороны, теория тяготения Ньютона была основана на еще более простой модели, в которой тела притягиваются друг другу с силой, пропорциональной величине, которые он назвал массой, и обратно пропорциональной квадрату расстояния между телами. И при этом теория Ньютона позволяет с очень высокой точностью предсказывать движение Солнца, Луны и планет.

Любая физическая теория по природе своей временная в том смысле, что это всего лишь гипотеза, которую невозможно доказать. Сколько бы экспериментов ни подтверждали эту теорию, никогда нельзя быть уверенным, что очередной результат не будет ей противоречить. С другой стороны, для опровержения теории достаточно единственного наблюдения, результаты которого противоречат ее предсказаниям. Как отметил философ науки Карл Поппер, хорошая теория та, что позволяет делать множество предсказаний, которые в принципе могут быть опровергнуты или, как это называет Поппер, фальсифицированы наблюдением. С каждым новым экспериментом, результаты которого согласуются с предсказаниями теории, степень нашего доверия к ней повышается, а сама теория укрепляется. Однако первое же противоречащее теории наблюдение является основанием отвергнуть или существенным образом изменить ее.

Во всяком случае, так должно быть в идеале, хотя, конечно, всегда можно поставить под сомнение квалификацию наблюдателя или экспериментатора.

На практике новая теория часто представляет собой расширение предыдущей. Например, очень точные наблюдения планеты Меркурий выявили небольшие расхождения между наблюдаемым движением и предсказаниями ньютоновской теории тяготения. Движение планеты, рассчитанное согласно эйнштейновской общей теории относительности, слегка отличалось от того, что предсказывала ньютоновская теория. Согласие предсказанного теорией Эйнштейна движения Меркурия с наблюдениями при отсутствии такого согласия для ньютоновской теории стало одним из ключевых подтверждений новой теории. Тем не менее мы до сих пор продолжаем пользоваться ньютоновской теорией для большинства практических задач, потому что в ситуациях, с которыми нам обычно приходится сталкиваться, ее предсказания отличаются от предсказаний общей теории относительности очень незначительно. (К тому же ньютоновская теория гораздо проще теории Эйнштейна!)

Конечная цель науки состоит в создании единой теории для описания всей Вселенной. Но в реальности подход большинства ученых сводится к разделению проблемы на две части. Во-первых, есть законы, управляющие тем, как Вселенная меняется со временем. (Если мы знаем состояние Вселенной в определенный момент времени, то такие физические законы позволяют нам определить, как она будет выглядеть в любой другой момент.) Второй вопрос – это начальное состояние Вселенной. Некоторые считают, что наука должна заниматься только первой проблемой, а вопрос о начальном состоянии скорее относится к компетенции метафизики или религии. Они считают, что Бог, будучи всемогущим, мог создать Вселенную любым желаемым образом. Может быть это и так, но тогда Бог мог также заставить Вселенную развиваться совершенно произвольным образом. Однако похоже, что Богу было угодно, чтобы Вселенная развивалась в соответствии с четко определенными законами. И поэтому представляется вполне разумно предположить, что начальное состояние Вселенной тоже подчинялось четко определенным законам.

Создать теорию, сразу описывающую всю Вселенную, оказалось очень трудным делом. Вместо этого ученые разделили проблему на множество частей и построили множество частных теорий. Каждая из этих частных теорий описывает и предсказывает определенный ограниченный класс наблюдений, пренебрегая влиянием других факторов, или представляя их в виде простых наборов чисел. Вполне возможно, что этот подход в корне неверен. Если во Вселенной все фундаментальным образом взаимозависимо, то получить полное решение, исследуя проблему по частям в отрыве от целого, конечно же, невозможно. Тем не менее до сих пор этот подход обеспечивал прогресс науки. Опять классическим примером может служить теория тяготения Ньютона, согласно которой сила взаимного притяжения тел зависит только от присущей каждому из тел числовой характеристики – его массы – и совершенно не зависит от того, из чего же состоят эти тела. Таким образом, орбиты планет можно рассчитывать, не вдаваясь в подробности их структуры и внутреннего строения .

Сейчас для описания Вселенной используют две фундаментальные частные теории – общую теорию относительности и квантовую механику. Это два великих интеллектуальных достижения первой половины XX века. Общая теория относительности описывает силу тяжести и крупномасштабную структуру Вселенной, то есть ее строение на масштабах от нескольких километров до миллиона миллиона миллиона миллионов (единица с двадцатью четырьмя нулями) километров – размера наблюдаемой Вселенной. С другой стороны, квантовая механика имеет дело с явлениями на чрезвычайно малых масштабах, такими как миллионная часть миллионной доли сантиметра. Но, к сожалению, эти две теории, как известно, несовместимы друг с другом и поэтому не могут обе быть правильными. Одним из главных направлений исследований в физике сегодня и главной темой этой книги является разработка новой теории, которая бы объединила в себе оба частных случая – квантовую теорию гравитации. Такой теории пока еще нет, и быть может, мы все еще далеки от ее создания, но нам уже известны многие из свойств, которыми она должна обладать. И как будет видно в последующих главах, мы уже знаем довольно много неизбежных предсказаний квантовой теории гравитации.

От атомов до галактик. В первой половине XX века физики, строя предположения об устройстве мира, попытались охватить не только привычный мир Исаака Ньютона: появились теории, описывающие предельно большие и предельно малые объекты

Так что если считать, что Вселенная устроена не произвольным образом, а подчиняется определенным законам, необходимо будет в конце концов объединить частные теории в одну всеобъемлющую теорию, которая сможет описать все во Вселенной. Но поиск такой полной единой теории связан с фундаментальным парадоксом. Описанное выше представление о научных теориях предполагает, что мы являемся разумными существами, которые свободны наблюдать Вселенную желаемым образом и делать логические выводы из увиденного. В такой схеме есть основания полагать, что мы можем продвигаться все ближе к законам, которым подчиняется наша Вселенная. Но если бы полная объединенная теория действительно существовала, то она, скорее всего, также определяла бы и сами наши действия, то есть в том числе и результат нашего поиска! И почему же из нее должно следовать, что мы на основании полученных данных придем к правильным выводам? А не будет ли из теории следовать, что мы придем к ошибочным выводам? Или вообще не получим никаких выводов?

Единственный способ решить эту проблему основан на дарвиновском принципе естественного отбора. Идея заключается в том, что особи в любой популяции самовоспроизводящихся организмов будут неизбежно различаться по своему генетическому материалу и воспитанию. А это значит, что некоторые особи смогут лучше, чем другие, делать правильные выводы об окружающем их мире и действовать соответствующим образом. Они будут с большей вероятностью выживать и воспроизводиться, поэтому их образ поведения и мысли станут преобладающими. Конечно, в прошлом интеллект и научные открытия не один раз становились преимуществом для выживания. Не совсем ясно, так ли это до сих пор: ведь наши научные открытия вполне могут полностью уничтожить всех нас, и даже если этого не произойдет, всеобъемлющая единая теория может и не играть особо важной роли для наших шансов на выживание. Однако если Вселенная эволюционирует закономерным образом, то можно ожидать, что данные нам естественным отбором разумные способности также проявятся в нашем поиске всеобъемлющей единой теории и поэтому не приведут нас к неправильным выводам.

Поскольку уже имеющихся частных теорий достаточно для точных предсказаний во всех ситуациях, кроме самых экстремальных, поиск окончательной теории Вселенной трудно обосновать чисто практическими соображениями. (Заметим, однако, что аналогичные доводы можно было высказать и в отношении теории относительности и квантовой механики, а ведь благодаря этим теориям мы овладели ядерной энергией и совершили революцию в микроэлектронике.) Так что от построения полной единой теории особого проку для выживания нас как вида может и не быть, да и на нашем образе жизни это может никак не сказаться. Но уже на заре цивилизации люди не хотели довольствоваться восприятием мира как набора несвязанных и необъяснимых событий и явлений. Мы стремились к пониманию лежащего в основе мироздания порядка. И сегодня нам хочется понять, почему мы здесь и откуда мы родом. Глубокое стремление человечества к знаниям – достаточное оправдание для наших продолжающихся поисков, и наша цель – это не больше и не меньше, чем полное описание Вселенной, в которой мы живем.

Телескоп как зрительную трубу первым изобрел голландский очковый мастер Иоганн Липперсгей в 1608 году, но Галилей первым направил телескоп на небо в 1609 году и использовал его для астрономических наблюдений.

Это не совсем так. Внутренним строением гравитирующих тел можно пренебречь, только если распределение плотности в них сферически симметрично (то есть зависит только от расстояния до центра тела). В случае планет и Солнца это строго говоря не так – эти тела как минимум слегка сплюснуты у полюсов. Например, сплюснутость Солнца – одна из причин прецессии перигелия Меркурия. У планет земной группы бывают и другие неоднородности распределения плотности. Исследования гравитационного поля Земли и других небесных тел составляют предмет отдельной области науки – гравиметрии.

Купить и скачать за 349 ₽ (€ 4,89 )

Благодарности

Книга посвящается Джейн

Я решил попробовать написать популярную книгу о пространстве и времени после того, как прочитал в 1982 г. курс Лёбовских лекций в Гарварде. Тогда уже было немало книг, посвященных ранней Вселенной и черным дырам, как очень хороших, например книга Стивена Вайнберга «Первые три минуты», так и очень плохих, которые здесь незачем называть. Но мне казалось, что ни в одной из них фактически не затрагиваются 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? Эти вопросы интересуют всех нас. Но современная наука очень насыщена математикой, и лишь немногочисленные специалисты достаточно владеют последней, чтобы разобраться в этом. Однако основные представления о рождении и дальнейшей судьбе Вселенной можно изложить и без помощи математики так, что они станут понятны даже людям, не получившим научного образования. Это я и пытался сделать в моей книге. Читателю судить о том, насколько я преуспел.

Мне сказали, что каждая включенная в книгу формула вдвое уменьшит число покупателей. Тогда я решил вообще обходиться без формул. Правда, в конце я все‑таки написал одно уравнение - знаменитое уравнение Эйнштейна Е=mc^2. Надеюсь, оно не отпугнет половину моих потенциальных читателей.

Если не считать того, что я заболел боковым амиотрофическим склерозом, то почти во всем остальном мне сопутствовала удача. Помощь и поддержка, которые мне оказывали моя жена Джейн и дети Роберт, Люси и Тимоти, обеспечили мне возможность вести довольно‑таки нормальный образ жизни и добиться успехов в работе. Мне повезло и в том, что я выбрал теоретическую физику, ибо она вся вмещается в голове. Поэтому моя физическая немощь не стала серьезным минусом. Мои научные коллеги, все без исключения, оказывали мне всегда максимальное содействие.

На первом, «классическом» этапе моей работы моими ближайшими помощниками и сотрудниками были Роджер Пенроуз, Роберт Герок, Брендон Картер и Джордж Эллис. Я благодарен им за помощь и за совместную работу. Этот этап завершился изданием книги «Крупномасштабная структура пространства‑времени», которую мы с Эллисом написали в 1973 г. (Хокинг С., Эллис Дж. Крупномасштабная структура пpoстранства‑времени. M.: Мир, 1976).

На втором, «квантовом» этапе моей работы, начавшемся в 1974 г., я в основном работал с Гари Гиббонсом, Доном Пэйджем и Джимом Хартлом. Я очень многим им обязан, как и своим аспирантам, которые оказывали мне огромную помощь и в «физическом», и в «теоретическом» смысле этого слова. Необходимость не отставать от аспирантов была чрезвычайно важным стимулом и, как мне кажется, не позволяла мне застрять в болоте.

В работе над книгой мне очень много помогал Брайен Уитт, один из моих студентов. В 1985 г., набросав первый, примерный план книги, я заболел воспалением легких. Пришлось лечь на операцию, и после трахеотомии я перестал говорить, а тем самым почти лишился возможности общаться. Я думал, что не смогу закончить книгу. Но Брайен нс только помог мне ее переработать, но и научил пользоваться компьютерной программой общения Living Center, которую мне подарил Уолт Уолтош, сотрудник фирмы Words Plus, Inc., Саннивейл (шт. Калифорния). С ее помощью я могу писать книги и статьи, а также разговаривать с людьми посредством синтезатора речи, подаренного мне другой саннивейлской фирмой Speech Plus. Дэвид Мэйсон установил на моем кресле‑коляске этот синтезатор и небольшой персональный компьютер. Такая система все изменила: мне стало даже легче общаться, чем до того как я потерял голос.

Вчера, 14 марта 2018 года, скончался Стивен Хокинг. Один из самых известных ученых на протяжении полувека оставался в центре внимания по множеству причин: борьба с болезнью, книга «Краткая история времени», заявления об опасности искусственного интеллекта, исследования в области черных дыр. Пусть большинство его достижений в полной мере могут понять и оценить лишь ученые с мировым именем, Хокинг сделал главное - он заинтересовал наукой обычных людей.

Неверно считать, что Хокинг стал знаменитым только из-за своей болезни. Боковой амиотрофический склероз (БАС) начал развиваться у ученого еще во время учебы. Спустя год после окончания Оксфордского университета (1962 год) врачи заявили, что Стивену осталось жить меньше трех лет. Наплевав на услышанное, он продолжил заниматься наукой. БАС страшен тем, что развивается медленно, постепенно уничтожая один нейрон за другим. В конечном итоге это приводит к отказу конечностей и параличу. Лечения до сих пор не существует.

Хокингу в некотором смысле повезло: болезнь прогрессировала медленнее, чем встречается в большинстве случаев. В инвалидной коляске он оказался только к концу шестидесятых. Но в 1985 году случается новая напасть: ученый подцепил воспаление легких. Для сохранения жизни ему сделали трахеостомию. Так Хокинг потерял еще и голос. Разговаривал ученый через синтезатор речи. Для управления компьютером он использовал указательный палец правой руки - единственный, сохранивший подвижность.

Находясь взаперти своего тела, один из величайших умов как минимум XX века (если не вообще в истории человечества) сформулировал несколько важнейших гипотез и предположений, которые могут оказаться пророческими.
Черные дыры

Страстью Хокинга было исследование вселенной. Особенно его увлекали черные дыры. Если максимально упростить, так называют области с мощнейшим гравитационным притяжением, которое не может пересилить ни один объект.

В честь Хокинга назвали процесс излучения черной дырой элементарных частиц, то есть ее «испарение». Процесс, разумеется, сугубо гипотетический. Как и большинство предположений ученого, проверить его теории в обозримом будущем просто невозможно.

Зачем тогда оно все надо? Достаточно вспомнить историю Питера Хиггса. Еще в 1964 году он выдвинул теорию о существовании элементарной частицы, которая определяет инертную массу бозонов. Найти это удалось только спустя почти 50 лет во время исследований на Большом адронном коллайдере. Хиггс, полвека пытавшийся доказать свою правоту, в 2013 году все-таки получил Нобелевскую премию. Интересно, что Хокинг тогда проспорил $100: он был уверен, что бозон Хиггса не смогут открыть.

Можно предположить, что гипотезы Хокинга ждет та же судьба: они будут доказаны спустя многие годы либо лягут в основу других научных открытий. Парадоксально, что Нобелевскую премию Хокинг так и не получил, хотя его авторитет в научной среде и важность работ никогда не оспаривались.

Хокинг вместе с профессором Джимом Хартлом выдвинули модель вселенной без границ в пространстве и времени. Ученые сравнивали вселенную с Землей, только намного больше - как невозможно дойти до края Земли (хотя плоскоземцы и пытаются), так и у Вселенной не существует стенок.

В 2015 году Хокинг выдвинул новую теорию. Он считал, что черные дыры - своеобразные порталы в параллельную вселенную. По мнению ученого, объекты и данные при попадании в черную дыру не исчезают, а перемещаются в иное измерение.
Будущее человечества

Наряду с гипотезами вокруг черных дыр Хокинга занимали более приземленные вещи вроде спасения человечества. Ученый неоднократно заявлял, что единственный способ продолжить существование нашего вида - переселение на другую планету. В сравнении с другими тезисами Стивена этот еще можно считать наиболее понятным и реалистичным.

Хокинг полагал, что люди слишком активно принялись потреблять ресурсы планеты, что приведет к их истощению и всем сопутствующим проблемам.

«Мы не стали менее жадными или глупыми. С момента нашего последнего интервью население Земли увеличилось на полмиллиарда, и нет этому конца. К 2100 году на планете нас будет уже 11 миллиардов», - говорил Хокинг в интервью Ларри Кингу.

Проблемы ученый видел практически везде: загрязнение воздуха, изменение климата. Единственный вариант спасения - переселяться на другие планеты.

Но также он признавал, что при нынешнем этапе развития подобные миссии невозможны: «На Земле заканчивается место, нам нужно прорваться через технические барьеры, которые мешают нам жить где-то еще во Вселенной».

Путешествия во времени

Известно, что во время учебы в университете Хокинг был классическим ботаником: не ходил на вечеринки, не был замешан в сомнительных делах, свободное время занимал книгами и классической музыкой. Тем не менее, чувство юмора у него определенно было.

Так, Хокинг решил положить конец гипотезам о путешествиях во времени и шуточным способом доказал, что они невозможны. Ученый устроил вечеринку, на которую «пригласил» путешественников во времени:

«Я не отправлял приглашения до тех пор, пока вечеринка не закончилась. Я долго ждал, но никто не пришел», - рассказал Хокинг.

Искусственный интеллект

Хокинг наряду с Илоном Маском много раз твердил об опасности искусственного интеллекта. По его мнению, создание ИИ станет одним из главных открытий в истории, но при этом поставит людей под угрозу. Например, что будет, если искусственный разум станет новой формой жизни и посчитает человека угрозой для своего существования? Или поставит свои цели выше потребностей и указаний людей? Получится эдакий сценарий «Терминатора» в реальности.

Ученый заявил, что проблема в краткосрочной перспективе - тот, кто контролирует ИИ, а в долгосрочном варианте - возможно ли вообще держать искусственный разум в узде.

Хокинг прожил на полвека дольше, чем ему предсказывали. Осмыслить всю значимость его теорий пока не представляется возможным. Он наживил крючки и забросил удочки, а улов придется доставать его преемникам - доказывать теории, исследовать предположения и гипотезы.

Джереми Кларксон заинтересовал автомобилями миллионы людей, у которых и водительских прав нет. Хокинг сделал то же самое: увлек наукой тех, для кого познания в химии закончились на определении валентности, а в физике - на формуле E = mс². За это ему и спасибо.

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.

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