что на практике доказал стивен хокинг
6 главных открытий Стивена Хокинга
14 марта 2018 года, утром, умер известный физик и популяризатор науки Стивен Хокинг. Ученый занимался космологией и квантовой гравитацией. Мы рассказываем простым языком об основных открытиях Хокинга, которые изменили науку.
Излучение Хокинга
Хокинг разработал теорию о том, что черные дыры «испаряются» за счет особого излучения, которое потом назвали его именем.
До этого открытия ученые считали, что черные ничего не излучают, а лишь поглощают. Он доказал, что черные дыры не совсем черные, так как излучают остаточную радиацию.
Также Хокинг делает вывод, что черные дыры существуют не вечно: они излучают все более сильный ветер и, в конце концов, исчезают в результате гигантского взрыва.
Эйнштейн так и не принял квантовую механику из-за связанного с ней элемента случайности и неопределенности. Он сказал: Бог не играет в кости. Похоже, что Эйнштейн ошибся дважды. Квантовый эффект черной дыры позволяет предположить, что Бог не только играет в кости, но и иногда бросает их туда, где их нельзя увидеть. Стивен Хокинг.
Вселенная создала себя сама
Эта теория Хокинга посвящена вопросу создания вселенной, у которой, по мнению ученого, не было начала и самого момента творения. Ученый предположил, что есть другое направление движения времени (не только вперед или назад), и выдвинул теорию о воображаемом времени, для которого вообще не существует понятий «начала» или «конец».
Хокинг был убежденным атеистом. Вот его цитата на эту тему:
Поскольку существует такая сила как гравитация, Вселенная могла и создала себя из ничего. Самопроизвольное создание — причина того, почему существует Вселенная, почему существуем мы. Нет никакой необходимости в Боге для того, чтобы «зажечь» огонь и заставить Вселенную работать. Стивен Хокинг.
Вселенная расширяется
До 20 века считалось, что Вселенная вечна и неизменна. Хокинг доступным языком доказал, что это не так.
В свете от далеких галактик происходит смещение в сторону красной части спектра. Это означает, что они удаляются от нас, что Вселенная расширяется. Стивен Хокинг.
Кварки не бывают одиноки
Кварки — элементарные частицы, из которых состоят протоны и нейтроны. Хокинг доказал, что существуют только группами и никогда — по одному. Сила, которая связывает кварки, увеличивается с увеличением расстояния между ними. Если попытаться оттянуть один кварк от другого, они только с большей силой притянутся.
Теория сжатия Вселенной
Хокинг думал о том, что произойдет, когда Вселенная перестанет расширяться и начнет сжиматься. Пойдет ли время в другую сторону?
Мне казалось, что когда начнется сжатие, Вселенная вернется в упорядоченное состояние. В таком случае, с началом сжатия время должно было повернуть вспять. Люди в этой стадии проживали бы жизнь задом наперед и молодели по мере сжатия Вселенной. Стивен Хокинг.
Этот процесс показан в фильме «Господин Никто» с Джаредом Лето в главной роли.
Попытки создать математическую модель этой теории провалились, но она остается популярной. У Вселенной только два варианта: или бесконечное расширение, или сжатие.
Существует огромное число Вселенных
Речь идет об М-теории, которую Хокинг дорабатывал с Леонардом Млодиновым. М-теория — это ответвление теории струн. Согласно этой теории, на самом мельчайшем уровне все частицы состоят из бран — многомерных мембран, свойства которых могут объяснить абсолютно все процессы, происходящие в нашей Вселенной.
Кстати, эта теория также предполагает существование огромного числа вселенных, в которых действуют физические законы, отличные от наших.
А этот факт в свою очередь предполагает наличие инопланетян. Хокинг в них верил.
Во Вселенной со 100 миллиардами галактик, каждая из которых содержит сотни миллионов звезд, маловероятно, что Земля является единственным местом, где развивается жизнь. Стивен Хокинг.
Поделитесь этим постом с друзьями
«Человек – как рыбка в аквариуме». Восемь открытий Стивена Хокинга, которые изменили мир
Ученый оставил после себя несколько трудов, важных для всего человечества. Среди них — новаторские работы о черных дырах и теории относительности. Его диссертация «Свойства расширяющихся вселенных» на сайте Кембриджской библиотеки пользовалась такой популярностью, что в октябре 2017 года Хокинг открыл к ней бесплатный доступ для всех желающих (ученый хотел, чтобы его исследования были доступны для всех без исключения). Мы собрали восемь самых важных открытий Стивена Хокинга, которые полностью изменили представление человека о Вселенной и себе самом.
1. Прошлое неоднозначно
По словам Хокинга, события, случившиеся в прошлом, не происходили каким-то определенным образом. Они произошли одновременно всеми возможными способами. Это связано с вероятностным характером вещества и энергии согласно квантовой механике: до тех пор, пока не найдется сторонний наблюдатель, все будет парить в неопределенности.
Далее цитата из книги «Высший замысел» (The Grand Design). Это научно-популярное произведение Стивена Хокинга и Леонарда Млодинова, которое была опубликовано в 2010 году. Основная идея книги заключается в том, что Вселенная могла возникнуть и без участия бога, основываясь на физических законах.
Из книги «Высший замысел»:
Кадр из фильма «Господин никто» (2009). Основная мысль фильма: пока выбор не сделан — возможно все. Герой-старик рассказывает о своей жизни, где переплетаются все возможные варианты его прошлого. Он считает, что все они реальны.
2. Теория всего
Стивен Хокинг пришел к выводу, что «М-теория» — единственная теория, способная описать всю Вселенную разом.
Теория была предложена Эдвардом Виттеном в 1990-х годах. Он вместе с другими физиками-теоретиками обнаружил доказательства того, что различные суперструнные теории — это предельные случаи одного целого — М-теории.
Эта же теория предполагает существование огромного числа вселенных, в которых действуют физические законы, отличные от наших.
3. Излучение Хокинга, или Излучение Черных дыр
Излучение Хокинга — гипотетический процесс «испарения» черных дыр, то есть испускания разнообразных элементарных частиц (преимущественно фотонов), пишет «Российская газета». Процесс был предсказан Хокингом в 1974 году.
Стивен Хокинг, физик-теоретик и популяризатор науки (цитата по «Российской газете»):
Понятие о черной дыре как объекте, который ничего не излучает, а может лишь поглощать материю, справедливо до тех пор, пока не учитываются квантовые эффекты.
Именно Хокинг первый изучил поведение элементарных частиц вблизи черной дыры с точки зрения квантовой механики. Он сделал открытие — частицы могут выходить за пределы черной дыры, и она не бывает абсолютно черной. Остается радиация.
Герой фильма «Интерстеллар» (2014) посетил планету рядом с черной дырой. Время на ней шло в 7 раз медленней. Позже он прошел через черную дыру.
Хокинг выяснил, что черные дыры существуют не вечно: они излучают все более сильный ветер и, в конце концов, исчезают в результате гигантского взрыва.
Стивен Хокинг (цитата по «Российской газете»):
Излучение черных дыр — или излучение Хокинга — показало, что гравитационное сжатие не настолько окончательно, как предполагалось в прошлом. Хотя перспектива все же не самая лучшая: «Если астронавт падает в черную дыру, он вернется затем во внешнюю часть Вселенной в виде радиации. Таким образом, в каком-то смысле астронавт будет переработан».
4. Как теория относительности влияет на GPS спутников
Хокинг нашел, как применить теорию относительности Альберта Эйнштейна в жизни людей. Ранее теорию Эйнштейна считали (по большей части) относящейся только к сверхбольшим объектам, таким как галактики и черные дыры.
На самом деле, деформирование пространства-времени влияет на то, что мы знаем и используем, отмечает Хокинг в «Высшем замысле».
Из книги «Высший замысел»:
Фильм «Вселенная Стивена Хокинга» (2014) рассказывает о жизни известного физика, столкнувшегося с тяжелой болезнью.
5. Встреча с инопланетянами — не к добру
Люди уже давно посылают сигналы в космос, пытаясь привлечь внимание инопланетных цивилизаций. Но Хокинг такого поведения решительно не одобрял и надеялся, что встреча так и не состоится, пишет «РГ».
В документальном телесериале канала Discovery физик высказал мнение, что если технологии инопланетян будут превосходить земные, они образуют на Земле колонию и поработят человечество. Хокинг сравнил этот процесс с прибытием Колумба в Америку и последствиями, которые ожидали коренное население континента.
Стивен Хокинг (цитата по «Российской газете»):
6. Ущемленные аквариумные рыбки помогли физику
В 2004 году в итальянском городе Монца был принят закон в защиту прав золотых рыбок — их запретили держать в круглых аквариумах.
Джампьетро Моска, представитель городского совета Монца (цитата по РБК):
К 2010 году этот случай навел великого физика на мысль — человек не может познать природу реальности, потому что, он как рыбка в аквариуме, только он заточен в собственном теле.
Стивен Хокинг и Джейн Уайльд
7. Вселенная расширяется
До XX века считалось, что Вселенная — статична. Согласно существующим теориям, она должна была оставаться такой же молодой, как в момент возникновения. Однако Хокинг доказал, что это не так.
Стивен Хокинг (цитата по «Российской газете»):
8. Вселенная самодостаточна
Хокинг был атеистом. В частности, его книга «Высший замысел» во многом посвящена научному доказательству того, что для существования жизни и Вселенной бог не нужен.
Стивен Хокинг: топ-5 научных открытий в физике
Мы привыкли, что великие Ньютон, Максвелл, Тесла, Планк, Бор, Эйнштейн (тут может быть еще много имен) жили когда-то давно, очень далеко от нас. В этот ряд можно смело вносить имя Стивена Хокинга, нашего современника.
Рассмотрим знаменитые открытия физика и поймем, почему вместе с ним ушла эпоха.
Научные открытия Стивена Хокинга
Главные открытия и работы Хокинга связаны с изучением космоса и черных дыр. Но это далеко не все. Ученый прожил 76 лет и успел многое. А начал он рано, еще в 1960-х. Уже тогда у Стивена Хокинга обнаружились симптомы болезни моторного нейрона, которая приковала его к коляске.
Несмотря на прогнозы врачей, которые пророчили Стивену от силы несколько лет, он прожил долгую жизнь, совершил множество открытий в физике, астрономии и космологии, полетал в невесомости и стал отцом аж троих детей! Истинное торжество разума, воли и чувства юмора.
Стивен Уильям Хокинг (8 января 1942, Оксфорд – 14 марта 2018, Кембридж)
Итак, что сделал и до чего додумался, и какие открытия совершил Стивен Хокинг?
Черные дыры «испаряются»
Благодаря Стивену Хокингу мы узнали о черных дырах очень много. Раньше люди думали: все, что упало в черную дыру, исчезло бесследно. Но в рамках квантовой теории черные дыры должны излучать частицы, преимущественно фотоны. Это так называемое излучение Хокинга.
Пока что оно еще не было обнаружено экспериментально, но физики возлагают на него большие надежды. В частности, используя излучение Хокинга можно получить почти неисчерпаемый источник энергии.
Также в ходе споров со своими коллегами и исследований Хокинг признал, что ничто не исчезает бесследно. Другими словами, даже при падении в черную дыру, информация должна сохраняться. Это так называемый информационный парадокс, который представляет собой одну из основных проблем квантовой гравитации.
Излучение Хокинга
Вселенная возникла из сингулярности
Сингулярность – это что-то очень маленькое, но очень тяжелое. Например, в центре черной дыры находится сингулярность – бесконечно малая точка с бесконечно большой плотностью.
Все, что падает в черную дыру, сначала попадает за горизонт событий, а потом в сингулярность, где заканчивает свое существование в привычном для нас виде.
Поскольку существует такая сила как гравитация, Вселенная могла и создала себя из ничего. Самопроизвольное создание — причина того, почему существует Вселенная, почему существуем мы. Нет никакой необходимости в Боге для того, чтобы «зажечь» огонь и заставить Вселенную работать
Большой Взрыв
Вселенную можно описать одним уравнением
В квантовой механике состояние частицы описывается волновой функцией. Так как Вселенная возникла из сингулярности, ее тоже можно принять за частицу и описать одним уравнением.
Это уравнение – волновая функция Вселенной, которая описывает ее развитие от Большого Взрыва и далее. Составить такое уравнение – это одно, а составить без ошибок – совсем другое.
Вообще Хокинг сделал многое для объединения квантовой механики и общей теории относительности Эйнштейна.
Черные дыры могут обеспечить нас энергией
Стивен Хокинг предсказал образование микроскопических черных дыр во время Большого Взрыва. Такие черные дыры, испаряясь, выделяют энергию, а заканчивают свое существование взрывом. Причем, чем меньше становится масса дыры, тем сильнее излучение Хокинга.
Хокинг полагал, что можно создать микроскопическую черную дыру искусственным путем и использовать ее излучение для получения энергии.
Черная дыра размером с гору будет вырабатывать рентгеновское и гамма-излучение с общей мощностью примерно в 10 миллионов мегаватт, чего хватит на питание электрических приборов всей Земли
Правда, черная дыра величиной с гору, окажись она вдруг на Земле, может устроить здесь настоящую катастрофу и расстроить все планы на выходные. Так что такой источник энергии придется держать на безопасном расстоянии. Например, на орбите, или вообще в другом измерении.
Черная дыра и аккреция вокруг нее
Физика может быть понятной
Это не научное открытие в чистом виде, но огромная заслуга ученого. Стивен Хокинг мог описать свои открытия простым языком. Он популяризировал науку и пробудил к ней интерес широких масс. Согласитесь, довольна сложная задача в эпоху сериалов и расцвета развлекательных медиа.
Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы
Книги Хокинга «Краткая история времени», «Кратчайшая история времени», «Мир в ореховой скорлупке», «Высший замысел» и многие другие написаны практически без формул и громоздких математических выкладок.
Сам Хокинг не получал профильного математического образования. В первый год преподавания в Оксфорде он читал учебник, всего на две недели опережая своих студентов в пройденном материале.
Стивен Хокинг, как любой нормальный человек и исследователь, ошибался. Он, видимо, понимал, что в спорах рождается истина, и охотно заключал пари.
Например, в 1974 году Стивен Хокинг поспорил со своим другом Кипом Торном – тем самым физиком, который был консультантом и продюсером фильма «Интерстеллар». Спорили они о том, является ли объект Лебедь Х-1 черной дырой.
Хокинг утверждал, что нет. Торн настаивал на противоположном. К слову, Лебедь Х-1 – один из мощнейших в нашей галактике источников рентгеновского излучения.
Ждать пришлось долго, и только в 1990 году Хокинг на основе новых наблюдений за объектом спора признал, что проиграл. Лебедь Х-1 оказался черной дырой, так как в нем была обнаружена гравитационная сингулярность. А Кип Торн тогда выиграл годовую подписку на журнал «Пентхаус».
Стивен Хокинг: советы человечеству
Не нужно слушать абы кого. Иногда не нужно слушать даже маму. А вот таких людей, как Стивен Хокинг, послушать очень даже стоит.
Стивен Хокинг видел опасность в развитии искусственного интеллекта. По его мнению, машины очень скоро могут превзойти людей интеллектуально. А когда это произойдет, у машин появятся собственные желания, подобные человеческим. Для самих людей это не сулит ничего хорошего.
Также Хокинг был убежденным атеистом и верил в то, что инопланетяне существуют. При этом он не торопился познакомиться с ними, считая, что контакт с другой цивилизацией не пошел бы человечеству на пользу.
Скорее всего, внеземная цивилизация окажется более развитой, а мы будем на месте индейцев, когда те столкнулись с конкистадорами.
Стивен Хокинг считал, что нам лучше не встречаться с пришельцами
По мнению Стивена Хокинга, для выживания людям нужно будет покинуть землю. Из-за роста потребления энергии во второй половине 3-го тысячелетия с нашей старушки-Земли нужно будет «валить». А вот как – это уже другой вопрос. Переезд на новую планету – это вам не квартиру снять. Но, как говорится, захочешь жить, и не такое сделаешь.
Если у вас есть вопросы по учебе, вдохновитесь примерами Стивена Хокинга и Николы Теслы! Нерешабельных задач просто не существует, когда рядом есть такие примеры и профессиональный студенческий сервис.
Иван Колобков, известный также как Джони. Маркетолог, аналитик и копирайтер компании Zaochnik. Подающий надежды молодой писатель. Питает любовь к физике, раритетным вещам и творчеству Ч. Буковски.
6 главных открытий Стивена Хокинга
Сегодня утром умер известный физик и популяризатор науки Стивен Хокинг. Ученый занимался космологией и квантовой гравитацией.
Мы рассказываем простым языком об основных открытиях Хокинга, которые изменили науку.
Излучение Хокинга
Хокинг разработал теорию о том, что черные дыры «испаряются» за счет особого излучения, которое потом назвали его именем.
До этого открытия ученые считали, что черные ничего не излучают, а лишь поглощают. Он доказал, что черные дыры не совсем черные, так как излучают остаточную радиацию.
Также Хокинг делает вывод, что черные дыры существуют не вечно: они излучают все более сильный ветер и, в конце концов, исчезают в результате гигантского взрыва.
Эйнштейн так и не принял квантовую механику из-за связанного с ней элемента случайности и неопределенности. Он сказал: Бог не играет в кости. Похоже, что Эйнштейн ошибся дважды. Квантовый эффект черной дыры позволяет предположить, что Бог не только играет в кости, но и иногда бросает их туда, где их нельзя увидеть. Стивен Хокинг.
Вселенная создала себя сама
Эта теория Хокинга посвящена вопросу создания вселенной, у которой, по мнению ученого, не было начала и самого момента творения. Ученый предположил, что есть другое направление движения времени (не только вперед или назад), и выдвинул теорию о воображаемом времени, для которого вообще не существует понятий «начала» или «конец».
Хокинг был убежденным атеистом. Вот его цитата на эту тему:
Поскольку существует такая сила как гравитация, Вселенная могла и создала себя из ничего. Самопроизвольное создание — причина того, почему существует Вселенная, почему существуем мы. Нет никакой необходимости в Боге для того, чтобы «зажечь» огонь и заставить Вселенную работать. Стивен Хокинг.
Вселенная расширяется
До 20 века считалось, что Вселенная вечна и неизменна. Хокинг доступным языком доказал, что это не так.
В свете от далеких галактик происходит смещение в сторону красной части спектра. Это означает, что они удаляются от нас, что Вселенная расширяется. Стивен Хокинг.
Кварки не бывают одиноки
Кварки — элементарные частицы, из которых состоят протоны и нейтроны. Хокинг доказал, что существуют только группами и никогда — по одному. Сила, которая связывает кварки, увеличивается с увеличением расстояния между ними. Если попытаться оттянуть один кварк от другого, они только с большей силой притянутся.
Теория сжатия Вселенной
Хокинг думал о том, что произойдет, когда Вселенная перестанет расширяться и начнет сжиматься. Пойдет ли время в другую сторону?
Мне казалось, что когда начнется сжатие, Вселенная вернется в упорядоченное состояние. В таком случае, с началом сжатия время должно было повернуть вспять. Люди в этой стадии проживали бы жизнь задом наперед и молодели по мере сжатия Вселенной. Стивен Хокинг.
Этот процесс показан в фильме «Господин Никто» с Джаредом Лето в главной роли.
Попытки создать математическую модель этой теории провалились, но она остается популярной. У Вселенной только два варианта: или бесконечное расширение, или сжатие.
Существует огромное число Вселенных
Речь идет об М-теории, которую Хокинг дорабатывал с Леонардом Млодиновым. М-теория — это ответвление теории струн. Согласно этой теории, на самом мельчайшем уровне все частицы состоят из бран — многомерных мембран, свойства которых могут объяснить абсолютно все процессы, происходящие в нашей Вселенной.
Кстати, эта теория также предполагает существование огромного числа вселенных, в которых действуют физические законы, отличные от наших.
А этот факт в свою очередь предполагает наличие инопланетян. Хокинг в них верил.
Во Вселенной со 100 миллиардами галактик, каждая из которых содержит сотни миллионов звезд, маловероятно, что Земля является единственным местом, где развивается жизнь. Стивен Хокинг.
Научное наследие Стивена Хокинга
Стивен Хокинг ушёл от нас в середине марта 2018 в возрасте 76 лет. О нём написано уже множество статей, не исключая и мои недавние работы:
Научное наследие Стивена Хокинга
Стивен Хокинг – редкий пример учёного, одновременно являющегося знаменитостью и культурным феноменом. Однако он ещё и редкий пример культурного феномена с заслуженной славой. Его вклады можно охарактеризовать очень просто: Хокинг сделал больше вкладов в наше понимание гравитации, чем любой физик со времён Альберта Эйнштейна.
И слово «гравитация» тут очень важно. Большую часть карьеры Хокинга физики-теоретики в целом больше интересовались физикой частиц и другими силами природы – электромагнетизмом и сильным и слабым ядерными взаимодействиями. «Классическая» гравитация, игнорировавшая сложности квантовой механики, была полностью описана Эйнштейном в его общей теории относительности, а «квантовая» гравитация (квантовая версия общей теории относительности) казалась слишком сложной. Применив свой поразительный интеллект к наиболее хорошо известной силе природы, Хокинг смог выдать несколько результатов, очень удививших всё сообщество.
Без сомнения, самым главным результатом работы Хокинга стало понимание того, что чёрные дыры черны не полностью – они излучают, как и обычные объекты. До этой работы он доказал важные теоремы по поводу ЧД и сингулярностей, а после – изучал Вселенную в целом. В каждой фазе карьеры он делал те или иные ключевые вклады в науку.
Классический период
Работая над докторской диссертацией в Кембридже в середине 1960-х, Хокинг стал интересоваться вопросами происхождения и итоговой судьбы Вселенной. Подходящим инструментом для исследований этой проблемы была ОТО, теория Эйнштейна, описывающая пространство, время и гравитацию. Согласно ОТО, то, что мы ощущаем, как гравитацию, является отражением кривизны пространства-времени. Понимая, как кривизна создаётся материей и энергией, мы можем предсказать эволюцию Вселенной. Об этом можно говорить, как о «классическом» периоде Хокинга, чтобы противопоставить классическую ОТО и его более поздние исследования в области квантовой теории поля и квантовой гравитации.
Примерно в то же время Роджер Пенроуз из Оксфорда провёл примечательное доказательство: согласно ОТО, при очень широком спектре условий, пространство и время обрушатся внутрь себя и сформируют сингулярность. Если гравитация – это кривизна пространства-времени, то сингулярность – это такой момент времени, в который эта кривизна становится бесконечно большой. Теорема показала, что сингулярности не были просто какими-то диковинками; они являются важным свойством ОТО.
Результат Пенроуза применили к чёрным дырам – участкам пространства-времени, в которых гравитационное поле оказывается настолько сильным, что оттуда не может убежать даже свет. Внутри чёрной дыры в будущем таится сингулярность. Хокинг взял идею Пенроуза и вывернул её наизнанку, направив в прошлое Вселенной. Он показал, что при таких же общих условиях пространство должно было появиться из сингулярности: Большого взрыва. Современные космологи говорят (и запутывают всех) как о модели Большого взрыва, которая является очень успешной теорией, описывающей эволюцию расширяющейся Вселенной за миллиарды лет, так и о сингулярности Большого взрыва, пониманием которой мы пока не можем похвастаться.
Затем Хокинг обратил своё внимание на чёрные дыры. Ещё одним интересным результатом расчётов Пенроуза стало то, что из вращающейся чёрной дыры можно извлечь энергию, по сути, добывая энергию из её вращения, пока она не остановится. Хокинг сумел показать, что, хотя и возможно извлечь энергию, область горизонта событий, окружающего ЧД, в любых физических процессах будет увеличиваться. Эта «теорема площади» была важной как сама по себе, так и в отношении совершенно другой области физики: термодинамики, изучающей передачу тепла.
Термодинамика подчиняется набору знаменитых законов. К примеру, первый закон говорит о том, что энергия сохраняется, а второй, что энтропия – мера беспорядка Вселенной – у замкнутой системы никогда не уменьшается. Работая с Джеймсом Бардином и Брэндоном Картером, Хокинг предложил набор законов «механики чёрных дыр», аналогичных термодинамике. Как и в термодинамике, первый закон механики ЧД гарантирует сохранение энергии. Второй закон – теорема площади Хокинга, говорит о том, что площадь горизонта событий никогда не уменьшается. Иначе говоря, площадь горизонта событий ЧД очень похожа на энтропию термодинамической системы – со временем они увеличиваются.
Испарение чёрных дыр
Хокинг и его коллеги по праву гордились законами механики ЧД, но они считали их просто формальной аналогией, а не буквальной связью гравитации и термодинамики. В 1972 году выпускник Принстонского университета, Яаков Бекенштейн, предположил, что здесь кроется нечто большее. На базе гениальных мысленных экспериментов он предположил, что поведение ЧД не просто похоже на термодинамику, это термодинамика и есть. В частности, у ЧД есть энтропия.
Как многие смелые идеи, эта идея встретила сопротивление экспертов – а в тот момент мировым экспертом по ЧД был Стивен Хокинг. Хокинг скептически отнёсся к ней, и не зря. Если бы механика ЧД оказалась формой термодинамики, это означало бы, что у ЧД есть температура. А объекты, обладающие температурой, излучают – знаменитое «излучение чёрного тела», игравшее центральную роль в разработке квантовой механики. Так что, если Бекенштейн был прав, это означало бы, что ЧД на самом деле не чёрные (хотя сам Бекенштейн так далеко в своих утверждениях не заходил).
Чтобы серьёзно подойти к этой проблеме, необходимо расширить внимание за пределы самой ОТО, поскольку теория Эйнштейна чисто «классическая» – она не включает в себя идеи квантовой механики. Хокинг знал, что русские физики Алексей Старобинский и Яков Зельдович занимались изучением квантовых эффектов вблизи чёрных дыр и предсказали такой эффект, как «суперизлучение». Точно так же, как Пенроуз показал, что из вращающейся чёрной дыры можно извлечь энергию, Старобинский и Зельдович показали, что вращающиеся чёрные дыры могут спонтанно испускать излучение благодаря эффектам квантовой механики. Хокинг не был экспертом по техникам квантовой теории поля, поскольку в то время в этой области разбирались специалисты по физике частиц, а не по ОТО. Но он быстро учился, и набросился на сложную задачу понимания квантовых аспектов ЧД, чтобы найти ошибку у Бекенштейна.
Вместо этого он удивил сам себя и в процессе перевернул теоретическую физику с ног на голову. Он обнаружил, что Бекенштейн был прав – у ЧД имеется энтропия – и что невероятные следствия этой идеи также были верны – чёрные дыры не полностью чёрные. Сегодня мы называем это свойство ЧД «энтропией Бекенштейна-Хокинга», и они испускают «излучение Хокинга» при их «температуре Хокинга».
«На пальцах» можно понять излучение Хокинга следующим образом. Квантовая механика говорит (кроме прочего), что систему нельзя насильно привести к определённому классическому состоянию; всегда существует внутренняя неопределённость в том, что вы увидите, взглянув на неё. Это верно даже для пустого пространства – если смотреть достаточно пристально, то, что казалось пустым пространством, окажется наполненным «виртуальными частицами», постоянно возникающими и исчезающими. Хокинг показал, что вблизи ЧД пара виртуальных частиц может разлучиться, и одна из них упадёт в ЧД, а другая убежит в качестве излучения. Удивительно, что с точки зрения внешнего наблюдателя падающая внутрь частица будет обладать отрицательной энергией. В результате излучение постепенно забирает массу у ЧД – и та испаряется.
Результат Хокинга оказал очевидное и выдающееся влияние на наше понимание ЧД. Вместо того, чтобы стать космическим тупиком, в котором материя и энергия навсегда исчезают, они оказались динамическими объектами, которые рано или поздно полностью исчезнут. Что более важно для теоретической физики, это открытие подняло вопрос, на который у нас до сих пор нет ответа: когда материя падает в ЧД, а затем ЧД полностью исчезает, куда девается информация?
Если взять энциклопедию и бросить её в огонь, вы можете посчитать, что содержащаяся в ней информация исчезла навсегда. Но по законам квантовой механики она никуда не пропадала; если бы вы смогли уловить все частички света и пепла, появившиеся из огня, в принципе можно было бы в точности воссоздать всё, что попало в огонь – даже страницы книги. Но ЧД, если принять результат Хокинга, как есть, полностью уничтожают информацию – по крайней мере, с точки зрения внешнего мира. Эта загадка называется «информационным парадоксом», и она мучает физиков уже несколько десятилетий.
В последние годы прогресс в понимании квантовой гравитации (на уровне мысленных экспериментов) убеждает всё большее количество людей, что информация сохраняется. В 1997 году Хокинг поспорил с американскими физиками Кипом Торном и Джоном Прескилом; Хокинг и Торн говорили, что информация уничтожается, Прескил говорил, что информация сохраняется. В 2007 Хокинг уступил, и признал, что ЧД на самом деле не уничтожают информацию. Однако Торн не сдался, да и сам Прескил считает, что этот вывод был преждевременным. Излучение и энтропия ЧД остаются центральными направлениями поисков на пути улучшения понимания квантовой гравитации.
Квантовая космология
Работа Хокинга над излучением ЧД основывалась на смеси квантовых и классических идей. В его модели ЧД оценивается с классической точки зрения, по правилам ОТО. При этом виртуальные частицы вблизи ЧД оцениваются по правилам квантовой механики. Конечная цель многих физиков-теоретиков – построить истинную теорию квантовой гравитации, в которой само пространство-время было бы частью квантовой системы.
И если есть место, в котором квантовая механика и гравитация играют важнейшую роль, так это начало Вселенной. И именно этому вопросу, что неудивительно, Хокинг посветил последнюю часть своей карьеры. И этим он утвердил план работ по амбициозному физическому проекту понимания истоков возникновения Вселенной.
В квантовой механике у системы нет местоположения или скорости; её состояние описывается «волновой функцией», которая сообщает нам вероятность того, при измерении системы мы получим определённое местоположение или скорость. В 1983 году Хокинг и Джеймс Хартл опубликовали работу под простым названием: «Волновая функция Вселенной». Они предложили простую процедуру, исходя из которой – в принципе! – можно было бы подсчитать состояние всей Вселенной. Нам неизвестно, является ли волновая функция Хартла-Хокинга на самом деле правильным описанием Вселенной. Поскольку у нас нет полной теории квантовой гравитации, мы даже не знаем, осмыслена ли такая процедура. Но их работа показала, что можно говорить о самом начале существования Вселенной в научных терминах.
Изучение истоков Вселенной предлагает возможности объединения квантовой гравитации с наблюдаемыми особенностями Вселенной. Космологи считают, крохотные изменения плотности материи с самых ранних времён постепенно выросли в распределение звёзд и галактик, наблюдаемых нами сегодня. Полная теория происхождения Вселенной могла бы предсказать эти изменения, и выполнение этой программы является одним из основных занятий современных физиков. Хокинг сделал несколько вкладов в эту программу, как со стороны своей волновой функции Вселенной, так и в контексте модели «инфляционной Вселенной», предложенной Аланом Гутом.
Просто рассуждать о происхождении Вселенной – действие провокационное. Из него вытекает надежда на то, что наука сможет предоставить полное и самодостаточное описание реальности – а такая надежда выходит за рамки науки и оказывается в области философии и теологии. Хокинг, всегда любивший провокации, никогда не стеснялся таких последствий. Ему нравилось вспоминать конференцию по космологии, проходившую в Ватикане, на которой папа Иоанн Павел II якобы попросил собравшихся учёных не углубляться в происхождение Вселенной, «поскольку это был момент творения, и, следовательно, дело рук Бога». Но подобные предупреждения никогда не останавливали Хокинга; он жил свою жизнь в неустанном поиске ответов на самые фундаментальные из научных вопросов.