Вселенная Стивена Хокинга: жизнь выдающегося ученого в фотографиях

Об открытиях

Первое значительное открытие Хокинг сделал в 1970 году вместе с физиком и математиком Роджером Пенроузом. Ученые смогли выяснить, что сингулярность находится в далекой точке прошлого Вселенной, а именно в момент Большого взрыва.

В 1974 году Хокинг выдвинул квантовую теорию о том, что черные дыры должны излучать тепло и со временем испаряться. Черные дыры нормально размера делают это медленно, но миниатюрные испускают тепло довольно быстро, из-за чего взрываются с мощностью миллиона водородных бомб.

Это предположение вызывало одни из самых горячих дебатов в современной космологии. Хокинг считал, что при испарении черная дыра навсегда уничтожает всю информацию, которая попадала в нее за все время. Его теория противоречила одному из базовых принципов квантовой механики, поэтому с ней не согласились многие физики. Позже Хокинг разрешил этот парадокс следующим образом: он сообщил, что информация хранится на горизонте событий черной дыры и зашифровывается обратно в излучение. Этот гипотетический процесс был назван излучением Хокинга.

Изображение: Elwood H. Smith

Благодаря своим открытиям в 1974 году, когда Хокингу было 32 года, его избрали в члены Королевского научного сообщества. Через пять лет он получил степень лукасовского профессора математики в Кембридже — пожалуй, самое престижное научное звание в Великобритании, которое раньше принадлежало Исааку Ньютону, Чарльзу Бэббиджу и Полу Дираку (последний является одним из основателей квантовой механики).

Хокинг продолжал делать значительный вклад в науку в 1980-х годах. В 1982 году он одним из первых показал, что квантовые флуктуации — небольшие колебания в распределении материи — могли появиться в результате расширения Вселенной.

Но именно благодаря книге «Краткая история времени» популярность Хокинга взлетела до небес. Первый тираж вышел в 1988 году, и работа Хокинга попала в Книгу рекордов Гиннеса — она продержалась в списке бестселлеров Sunday Times целых 237 недель. Всего было продано 10 миллионов копий, книга была переведена на 40 языков. Некоторые в шутку называют ее величайшей книгой из всех непрочитанных.

Космология Стивена Хокинга не нуждалась в понятии «Бог»

Стивен Хокинг в книге «Краткая история времени», которая увидела свет в 1988 году, о.

Место во времени

ХХ век принес человечеству существенные космологические открытия – прежде всего в изучении сингулярности, черных дыр, времени, квантовой теории и Большого взрыва. За 100 лет представление о месте, которое человеку отведено во Вселенной, изменилось до неузнаваемости. Появление человека в современной научной картине мира не закономерный процесс, но итог многих случайных совпадений. Они позволяет нам, развернув историю Вселенной вспять, проследить ее до начальных условий, вплоть до начала времени, до момента Большого взрыва. 2020 год поколебал нашу надежду на познание тайн мира, в котором мы живем, – 14 марта не стало великого британского физика Стивена Хокинга.

Часть современных физиков отказываются от понятия времени, заявляя, что время – фикция (в лучшем случае – функция материи). Часть же, напротив, подходит ко времени субстанциалистски, придавая ему реальное существование, такое же реальное, как, например, существование элементарных частиц или темной энергии. Но как все-таки устроено время? И совсем уж «детский» вопрос – а было ли время до Большого взрыва?

Согласно некоторым из научных теорий (этого взгляда придерживается и Стивен Хокинг), все, что когда-либо существовало или когда-либо будет существовать, действительно существует – не «здесь и сейчас», но на каком-то пространственно-временном расстоянии от «здесь и сейчас». Так, черные дыры – это не место в пространстве, а скорее место во времени, некое овеществленное будущее для всех вещей, которые в эти черные дыры затягиваются.

Реальность вещей прошлого и будущего ничуть не уступает и ничем не отличается от той реальности, которой мы обладаем в настоящий момент. Такое представление о времени называют этернализмом; это один из вариантов четырехмерности – теории, по которой реальность существует в виде четырехмерного пространства-времени.

Главным соперником этернализма является презентизм – представление о том, что существует только настоящее. Согласно презентизму, уже нет прошлых вещей и еще не случилось будущих и поэтому невозможно указать, в каком смысле они существуют теперь (или будут существовать).

Какая теория более логична, а главное, сочетается с данными наблюдений?

В поисках настоящего времени

Когда физики исследуют пространство-время с помощью экспериментов и расчетов, то приходят порой к парадоксальным выводам. Один из них заключается в том, что пространство и время во многом схожи.

Простой пример: куда бы мы ни смотрели, мы смотрим в прошлое, поскольку свету нужно время, чтобы дойти до наших глаз или до чувствительных элементов оптических приборов. Наблюдая квазар, находящийся в миллиарде световых лет от нас, мы видим, каким он был миллиард лет назад, когда лучи света, пришедшие в наш телескоп, только начали путь по Вселенной. Такое смешение пространства и времени может показаться сложным для понимания, но оно лежит в основе природы нашей Вселенной.

Теория относительности Эйнштейна–Пуанкаре установила: только те события, которые можно мгновенно связать информационно, являются одновременными. Единое «настоящее», то есть часы, синхронно идущие в различных точках пространства, можно ввести только в рамках конкретной инерциальной системы отсчета. Однако этого нельзя сделать одновременно для двух различных систем отсчета.

В течение долгих лет физики пытались объединить две противостоящие друг другу теории (этернализм и презентизм) путем составления Великого Объединяющего Уравнения, полагая, что все во Вселенной должно быть связано между собой – от частиц до галактик. Такое уравнение было создано: его разработали физики Джон Уилер и Брайс Девитт.

Их открытие сразу показалось спорным, потому что если уравнение правильное, то на самом фундаментальном уровне материи такого понятия, как время, вообще не существует. Сказать, что времени не существует, – то же самое, что заявить, что оно является отдельной субстанцией, отдельным четвертым измерением пространственно-временного континуума, а значит, отвесить мощный реверанс в сторону теории этернализма.

Как время стало четвертой координатой

Проблемы с физическим временем начались еще во времена Исаака Ньютона. Время в мире Исаака Ньютона течет над вещами – есть объективная арена пространства, а есть объективная арена времени. Ньютон установил: движение звезд и планет обусловлено тем, что все тела притягиваются друг к другу. И притягиваются тем сильнее, чем больше их массы и чем меньше расстояние между ними. Эти выводы он оформил в так называемый закон всемирного тяготения.

Теория Ньютона никак не объясняет природу данного явления. Этим и занялся Альберт Эйнштейн. Он пришел к выводу, что чем больше масса тела, тем сильнее оно искажает само пространство-время. Строгость классической физики отныне рушится. Движение понимается как движение относительно наблюдателя: оба наблюдателя – в вагоне поезда и на перроне – одинаково правы в оценках.

В 1887 году, за 18 лет до создания Эйнштейном общей теории относительности (ОТО), опыт Майкельсона–Морли показал, что скорость света с точки зрения наблюдателя на Земле остается постоянной вне зависимости от того, приближается ли Земля к источнику света или движется перпендикулярно к нему. Эту проблему решает в 1905 году Эйнштейн, формулируя специальную теорию относительности (СТО): законы физики одинаковы для всех свободно движущихся наблюдателей независимо от их скорости. Скорость света постоянна для движущегося наблюдателя.

Но возникает парадокс времени: если скорость одинакова, а расстояние, которое проходит тело, с точки зрения двух наблюдателей (в поезде и на платформе) различно, значит, они по-разному оценивают и время. Так время тоже стало относительным – четвертой координатой. Теперь время под влиянием ОТО понимается как четвертое измерение, главное отличие которого от первых трех (пространства) заключается в том, что время необратимо (анизотропно).

Так что, все-таки нельзя вернуться в прошлое и убить собственного дедушку, как это предлагается в знаменитом парадоксе?

Ненаблюдаемое прошлое

В классической физике, располагая полными данными о настоящем, можно восстановить картину прошлого. Это соответствует интуитивному убеждению в существовании определенного прошлого. Но квантовая физика, которую разрабатывал Стивен Хокинг в книге «Высший замысел» (русское издание 2012 года) утверждает, что при самом детальном наблюдении настоящего ненаблюдаемое прошлое неопределенно и представляет собой сумму предысторий.

Это коренное отличие квантовой механики от ньютоновской сформулировал Ричард Фейнман еще в середине 1940-х годов: в механике Ньютона движущиеся предметы проходят через фильтр с двумя отверстиями строго определенным путем. Но если на фильтр направить пучок частиц (или даже одну частицу), они пройдут через эти отверстия всеми мыслимыми путями – и прямым, и через Альфу Центавра, и через соседний гастроном с Макдональдсом, пройдут в одно отверстие, выйдут через другое и снова войдут.

Фейнман вводит понятие «суммы предысторий» – все возможные пути частиц, по итогам которых мы наблюдаем результаты эксперимента. Мы не можем предсказывать не только будущее, но даже прошлое – мы не знаем, как именно частица попала в данную конкретную точку, но мы можем рассматривать совокупность всех ее возможных путей.

Поскольку ненаблюдаемое прошлое неопределенно, а наблюдение меняет поведение системы, то выводимое из наблюдений прошлое еще и изменено по сравнению с ненаблюдаемым: наблюдая за системой, мы меняем не только ее настоящее, но и прошлое.

Теория в экстремальных обстоятельствах

Как же возможно сочетание классической физики с неопределенностью и непредсказуемостью квантовой механики? Вероятно, происходит примерно то же, что и в специальной теории относительности: теория начинает действовать в «экстремальных обстоятельствах». Для движущегося объекта влияние скорости на массу становится заметным при приближении к скорости света, а время постепенно замедляется, останавливается.

В каких экстремальных условиях квантовые законы и, как следствие, исчезновение измерения времени могут проявиться на уровне Вселенной, задает вопрос Стивен Хокинг. Очевидно, когда Вселенная сравнима размерами с атомным ядром. Именно это подразумевает теория Большого взрыва. Все начинается с сингулярности – точки, в которой температура, плотность и искривление Вселенной бесконечны. Из этой точки Вселенная начинает расширяться, и ее расширение продолжается до сих пор.

Обратив вспять расширение, мы увидим, как содержимое Вселенной сближается, все более сжимаясь. В конце концов, в самом начале космической истории весь мир находится в состоянии бесконечного сжатия и стянут в точку – в сингулярность. Общая теория относительности Эйнштейна утверждает, что форма пространства-времени определяется распределением энергии и материи. И когда энергия и материя бесконечно сжаты, то пространство-время тоже сжато – оно просто исчезает.

Предположение, что Вселенная расширяется – вопреки прежней статичной модели, – было подтверждено в 1929 году астрономом Эдвином Хабблом на основании наблюдений за спектром звезд. Если проследить историю расширяющейся Вселенной вспять, Вселенная будет уменьшаться, пока в момент Большого взрыва не обратится в сингулярность. В этой точке действуют законы квантовой механики: частицы движутся всеми возможными путями, и Вселенная может иметь бесконечное множество предысторий. Что же происходит со временем?

Общая теория относительности объединяется с квантовой теорией: искривление времени-пространства настолько велико, что все четыре измерения ведут себя одинаково. Иными словами, времени как особого параметра нет. А если времени нет, то нет и возможности говорить о начале Вселенной во времени, что устраняет проблему творения из ничего или Бога. Стивен Хокинг пишет: «Бог не мог сотворить мир за семь дней, потому что до самого творения не было времени».

Таким образом, сингулярность в начале Вселенной является не событием во времени, а скорее временной границей или краем. До момента t = 0 никакого времени не было. Поэтому не было и времени, когда преобладала пустота или Ничто. И не было никакого «возникновения» – по крайней мере во времени. Вселенная имеет конечный возраст, хоть и существовала всегда, если под «всегда» подразумевать все моменты времени. Вековой парадокс разрешается!

Мир без начала

По поводу конечности мира во времени давно идут горячие споры. Отец протонауки Аристотель считал, что космос вечен и не имеет начала во времени. В XIII веке Католическая церковь объявила возникновение мира догматом веры. Хотя Фома Аквинский, проявляя приверженность к учению Аристотеля, настаивал, что с философской точки зрения это недоказуемо. Иммануил Кант утверждал, что мир без начала приводит к парадоксу: как может наступить сегодня, если сначала должно пройти бесконечное число дней?

Парадокс бесконечного прошлого в том, что в таком случае к настоящему моменту должен был быть совершен бесконечный ряд действий. Хотя нет ничего невозможного в совершении бесконечного ряда действий, если вы располагаете бесконечным временем для их совершения. Да и математически возможно совершить бесконечный ряд действий за конечное время при условии, что вы совершаете их все быстрее и быстрее.

Допустим, вы можете завершить первое действие за час, тогда второе займет у вас половину часа, третье – четверть часа, четвертое – одну восьмую часа и так далее. В этом темпе вы завершите бесконечный ряд действий всего лишь за два часа. На самом деле каждый раз, прочитывая предложение этой статьи, вы совершаете невозможное – поскольку, как заметил античный философ Зенон, пройденное расстояние можно разделить на бесконечное число все более крохотных интервалов.

Вот и нет ничего абсурдного в бесконечном прошлом. Теоретически вполне могла быть бесконечная последовательность дней до сегодняшнего утра – при условии, что у нас был бесконечный промежуток времени, в течение которого они могли пройти.

Стивен Хокинг разрабатывает еще одну интересную идею. М-теория (развитие космологической теории струн) дает ответ на вопрос о появлении мира. Она содержит предсказание, что из ничего было создано огромное множество Вселенных. Все они составляют одну большую Мультивселенную (Мультиверсум). Эти многочисленные вселенные возникают естественным путем по законам физики без участия Бога. Но как из ничего возникает все, какие естественные законы здесь вступают в действие?

Считается, что сам Большой взрыв лучше всего объясняет теория, названная «новой инфляционной космологией». Согласно этой теории, взрывы, создающие вселенные, подобно Большому взрыву, случаются довольно часто. Инфляционная космология полагает, что наша Вселенная, которая возникла 14,5 млрд лет назад, появилась из пространства-времени уже существовавшей Вселенной и не является единственной физической реальностью, а представляет собой лишь невообразимо крохотную часть Мультивселенной.

Хотя каждый из миров внутри Мультиверсума имеет определенное начало во времени, вся самовоспроизводящаяся структура в целом может быть вечной. Мы вновь возвращаемся к этернализму Хокинга, к концепции статичной Вселенной, которая казалась навсегда отброшенной с открытием Большого взрыва.

В «Краткой истории времени» Стивен Хокинг признает, что вопрос о возникновении Вселенной в рамках современной физики остается нерешенным. Соблазнительная надежда, что через несколько лет или десятилетий ответы будут получены, не оправдала возложенных на нее ожиданий – траектория науки последнего времени убеждает, что поиск едва ли когда-нибудь остановится. Да и сами представления о Теории Всего успели несколько измениться: если Эйнштейн надеялся на несколько изящных уравнений, увязывающих все силы природы (а лучше бы – одно, как у него), то современная космология предполагает комплект законов, которые будут перекрываться и дополнять друг друга, как проекции Земли на плоской карте.

Применив квантовую механику, то есть теорию «бесконечно малого мира», к огромным пространствам Вселенной, физики – и среди них Стивен Хокинг – приходят к выводу, что Вселенная имеет не одну историю прошлого, как в классической картине мира, но все возможные истории существуют одновременно. Однако мы находимся в той конкретной Вселенной, где возможно присутствие человека – а значит, все законы этой Вселенной подстроены под возможность существования планет, жизни, разума. И из всех предысторий выбираются те, которые приводят к появлению человека.

Стивен Хокинг утверждает, что будь протоны на 0,2% тяжелее, они распались бы на нейтроны, дестабилизируя атомы. «Наша Вселенная и ее законы выглядят так, словно они сделаны на заказ по проекту, разработанному специально для нас, а раз уж нам дано существовать, то они (законы) оставляют мало места для каких-либо изменений. Это нелегко объяснить, и возникает естественный вопрос: почему же это так?» – пишет он.

И продолжает: «Хотя «привилегия», дарованная человеку в этой Вселенной, не должна, как это было в древности, подводить нас к мысли об уникальности нашего мира – или его единственности».

О болезни

В 1963 году, когда Хокингу был 21 год, ему поставили диагноз — боковой амиотрофический склероз. Врачи сказали, что ему осталось жить два года, но болезнь развивалась медленнее обычного, и Хокинг прожил более полувека. «Хоть мое будущее было туманным, к своему удивлению, я понял, что наслаждаюсь сейчас жизнью больше, чем когда-либо, — позднее сказал он. — Я начал продвигаться в своих исследованиях. Моя цель проста: полностью понять устройство Вселенной и то, зачем она существует».

Сначала Хокинг использовал костыли и долго отказывался от инвалидного кресла. Когда он, наконец, поддался уговорам, то прославился лихой ездой по улицам Кембриджа. Он наезжал на ноги другим учащимся и крутился на танцполе на студенческих дискотеках.

Фото: Time

В 1985 году во время поездки в ЦЕРН, Хокинг сильно заболел. Ему было так плохо, что доктора спросили его жену Джейн Уайлд, можно ли им отключить аппарат жизнеобеспечения. Та запретила это делать, и Хокинга отправили в больницу Адденсбрук в Кембридже, где ему сделали трахеотомию. Жизнь Хокинга удалось спасти, но он утратил возможность говорить. Ему подключили синтезатор речи, и он смог общаться с окружающими посредством этого устройства.

Фильмы Стивена Хокинга

У Стивена Хокинга был ряд собственных фильмов о Вселенной, которые так и называются «Вселенная Стивена Хокинга», в которых ученый и исследователь рассказывает о своих гипотезах касательно инопланетян, космоса, путешествий во времени. Он говорил, что давно одержим желанием попутешествовать в прошлое и, будь у него машина времени, он бы посмотрел на живую Мэрилин Монро в самый разгар ее цветения, или на опыты Галилея, или поехал бы на край света увидеть, чем кончается космическая история. Стивен говорил, чтобы узнать, насколько возможны путешествия в прошлое или будущее, нужно принять время как четвертую единицу измерения. Так, у всего есть длина, ширина и высота, но ведь есть еще и другая длина, например во времени.

А Вы смотрели: Кристаллы