Текст книги "Саммари книги Стивена Хокинга «Краткая история времени. От Большого Взрыва до черных дыр»"

Елена Андреевна Лещенко
Саммари книги Стивена Хокинга «Краткая история времени. От Большого Взрыва до черных дыр»

Глава 1. Наше представление о Вселенной

На протяжении тысячелетий люди пытались понять суть мироздания и алгоритмы его существования. В разные периоды времени ученые выдвигали различные теории о движении Земли и других тел во Вселенной.

Одна из первых теорий описывала Землю как плоское тело на спине гигантской черепахи. С течением времени взгляды менялись, и выдвигались новые теории о том, что Земля все же круглая, а Солнце, Луна и другие тела вращаются вокруг нее. Следующим шагом было признание того, что Земля и другие планеты вращаются вокруг Солнца по сферическим орбитам. Далее ученые предположили, что орбиты небесных тел имеют форму эллипса. Эту теорию в свое время доказал Ньютон.

Когда вопрос с формой небесных тел и их орбитами был решен, перед научной общественностью встал вопрос о происхождении Вселенной: была ли она вечно или возникла в какой-то момент? Споры на этот счет не утихали, и у каждой теории были свои доводы. Однако открытие, сделанное Эдвином Хабблом в 1929 г., поставило точку в этом споре: все галактики движутся от нас. Вселенная расширяется. Это значит, что когда-то она была очень маленькой и очень плотной. Таким образом можно предположить, что существовало время (этот период получил название «Большой Взрыв»), в которое Вселенная была сосредоточена в одной «точке», она была как бы сконцентрирована. При таких условиях не действуют известные физические законы, поэтому все, что происходило до этого, никак не могло повлиять на то, что было потом. Следовательно, Большой Взрыв можно считать точкой отсчета времени.

Современная наука рассматривает Вселенную с двух точек зрения: общая теория относительности описывает взаимодействие крупных объектов в масштабе от нескольких километров до размеров видимой Вселенной; квантовая механика работает в бесконечно малых масштабах. Парадокс в том, что эти теории несовместимы. Задача же современной науки – объединить обе теории в квантовую теорию гравитации.

Глава 2. Пространство и время

Современные представления о времени и пространстве значительно отличаются от тех, что были во времена Аристотеля, который считал, что нормальным состоянием для любого тела является покой, и движение возникает лишь под действием каких-то сил. В свое время Ньютон опроверг это мнение, с помощью экспериментов доказав, что внешние силы только изменяют скорость движения и не являются его причинами. Без них любое тело двигалось бы прямолинейно с неизменной скоростью. Это первый закон Ньютона. Второй закон гласит, что скорость тела меняется пропорционально силе, действующей на него, и обратно пропорциональна его массе. Согласно закону тяготения, силы, притягивающие тела друг к другу, пропорциональны массам этих тел.

Своими законами Ньютон опроверг теорию Аристотеля об абсолютном покое. Если абсолютного покоя не существует, то не существует и абсолютного положения в пространстве.

Представьте, что вы едете в автомобиле. Относительно автомобиля вы неподвижны, относительно Земли вы движетесь вместе с автомобилем. А если вы, находясь в движущемся автомобиле, подбрасываете теннисный мячик вертикально вверх и ловите его через одну секунду (допустим, что ваша рука в момент броска и в момент падения мяча была в одном и том же положении), то для вас мячик окажется в той же точке пространства, что и был секунду назад. Но для стороннего наблюдателя на обочине дороги мячик преодолел расстояние примерно 30 метров, которое проехал автомобиль, пока мячик был в воздухе. И нет оснований считать чью-либо точку зрения более приемлемой. Дело в том, что вплоть до начала XX века время считалось абсолютной величиной, не привязанной к пространству. Такая точка зрения не противоречит движению медленных тел, но, когда речь заходит о скорости света, она становится неприемлемой.

Альберт Эйнштейн предложил отказаться от абсолютного времени. Его теория относительности гласит, что все законы науки должны распространяться на всех движущихся наблюдателей независимо от скорости их движения. Отсюда вытекает несколько законов, один из которых E=mc², т. е. чем больше энергия, тем сложнее увеличить скорость. А значит ни одно тело не может двигаться со скоростью света, т. к. для ее достижения потребовалось бы бесконечно большое количество энергии.

Следующий вывод из теории относительности – новый взгляд на пространство и время. Скорость света имеет конечное значение (на данный момент – примерно 300000 км/ч), пространство не абсолютно. Это значит, что при измерении времени, пройденного световым импульсом, разные наблюдатели получат разные результаты. Ведь время – это расстояние, деленое на скорость, т. е. нечто неопределенное делится на нечто конкретное. Одинаковых результатов в таком случае получить просто невозможно. Следовательно, каждый наблюдатель имеет свой масштаб времени, что полностью развенчивает понятие абсолютного времени.

Теория относительности нашла свое применение в измерении времени и положения в пространстве какого-либо события методом радиолокации. Наблюдатель посылает импульс радиоизлучения к объекту и получает обратно отраженный сигнал. Расстояние при этом будет равно половине времени прохождения сигнала туда и обратно умноженной на скорость света. В связи с тем, что только скорость света является конечной величиной, расстояния, измеряемые через время и скорость света, окажутся одинаковыми для разных наблюдателей. Для этого даже ввели такую единицу измерения как световая секунда – это расстояние, которое проходит свет за одну секунду.

Теория относительности предсказала несколько революционных открытий, которые были подтверждены последующими исследованиями:

• Пространство-время искривлено распределенными в нем массой и энергией; Свет не распространяется по прямой, а искривляется в гравитационных полях; Вблизи массивного тела время течет медленнее.

Таким образом пространство и время – динамичные величины, которые влияют на все процессы во Вселенной, при этом сами подвергаются влиянию всего происходящего.

Глава 3. Расширяющаяся Вселенная

Представления о Вселенной претерпели значительные изменения в 20-х гг. ХХ века, когда Эдвин Хаббл установил, что наша Галактика не единственная на просторах космоса.

Оказалось, что существует несчетное количество звезд (многие миллионы), объединенных в галактики, разделенных пустым пространством. Наша Галактика имеет спиралевидную форму и медленно вращается вокруг центра, а Солнце – это всего лишь одна звезда средней величины.

Путем изучения спектров света, излучаемого другими галактиками, Хаббл определил, что практически все галактики отдаляются от нас. При чем более далекие из них движутся быстрее. Это значит, что Вселенная не статична, она постоянно расширяется, а интервалы между галактиками непрерывно растут.

Чуть раньше открытия Хаббла ученый А.А. Фридман предложил три возможные модели поведения Вселенной:

• Расширение Вселенной происходит настолько медленно, что силы притяжения между галактиками сначала замедляют расширение, а затем и вовсе его останавливают, галактики начинают сближаться, и Вселенная сжимается. В этой модели пространство искривляется и принимает форму сферы, следовательно, размеры его конечны.

• Вселенная увеличивается так быстро, что сил притяжения не хватает для того, чтобы остановить расширение, и галактики удаляются друг от друга с постоянной скоростью. В этой модели пространство бесконечно, т. к. Вселенная расширяется бесконечно.

• Вселенная растягивается со скоростью достаточной, чтобы избежать сжатия до нуля, галактики удаляются со все меньшей скоростью, которая тем не менее никогда не приближается к нулю. В этой модели пространство также бесконечно.

Общий элемент всех трех моделей: момент, когда расстояние между галактиками было равно нулю (примерно 10–20 тысяч миллионов лет назад) – тот самый Большой Взрыв.

Измерения расстояний до различных галактик, а также изучение влияния других факторов позволило установить, что Вселенная, скорее всего, будет растягиваться и увеличиваться всегда. А ее сжатие возможно никак не раньше, чем через десять тысяч миллионов лет.

Однако человечеству не доведется принять участие в коллапсе (сжатии до нуля), т. к. к тому моменту жизнь на Земле угаснет вместе с Солнцем.

Глава 4. Принцип неопределенности

В начале XIX века ученый Пьер Лаплас предложил теорию, согласно которой Вселенная является детерминированным объектом. Он предположил, что существует определенный комплект законов, которые могут предсказать состояние Вселенной в будущем, если известны параметры ее состояния в конкретный момент времени. Это значит, что, зная положение Солнца и планет в какой-то момент времени, мы могли бы предсказать состояние Солнечной системы в любой другой момент.

Эта теория подвергалась сомнениям со стороны разных ученых, однако только Макс Планк в 1900 г. смог предложить теорию, способную окончательно опровергнуть теорию детерминизма. Планк предположил, что волны (свет, рентген и т. д.) не могут генерироваться источником с произвольной интенсивностью, а должны испускаться только дозами, которые получили название «кванты». По мнению Планка, кванты несут какое-то количество энергии, возрастающее с частотой волн.

Дальнейшие эксперименты подтвердили теорию Планка, а ученый Вернер Гейзенберг на ее основе вывел принцип неопределенности: попытки более точного измерения положения частицы в пространстве с помощью квантов света ведут к снижению точности измерения ее скорости, и наоборот. Дело в том, что для более точного измерения расстояния нужны кванты с большей энергией. Чем больше энергия кванта, тем большее влияние он оказывает на скорость частицы, непредсказуемо изменяя ее. Таким образом, стала очевидной невозможность точно предсказывать положение частиц в пространстве, ведь мы даже не имеем возможности точно измерить ее состояние в данный момент времени.

Принцип неопределенности был положен в основу новой теории – квантовой механики, в которой частицы характеризуются квантовым состоянием вместо привычных характеристик: положением в пространстве и скоростью. Квантовая механика не предсказывает единственный возможный результат, а прогнозирует ряд результатов и вероятность каждого из них.

Принципы квантовой механики лежат в основе работы различных электронных устройств, современная химия и биология невозможны без квантовой механики. Единственная область, в которой она не нашла применения – теория гравитации и теория крупномасштабной структуры Вселенной.

Согласно теории Планка, свет в определенных ситуациях ведет себя так, будто он образован частицами (излучение и поглощение света возможно только порциями). А принцип неопределенности Гейзенберга гласит, что частицы ведут себя как волны (не имеют определенного положения в пространстве). Отсюда возникла теория частично-волнового дуализма.

Новая теория совершенно изменила представление о строении атома. Ранее считалось, что атом состоит из положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него отрицательно заряженных электронов, которые двигаются по строго определенным орбитам. Законы механики и электричества прогнозировали потерю электронами энергии, что неминуемо вело бы к приближению электрона к ядру и коллапсированию атома и всей материи. И только квантовая механика разрешила эту проблему: вращающийся электрон можно представить в виде волны, длина которой зависит от скорости.

Крупномасштабная структура Вселенной подчиняется теории относительности, которая без учета квантово-механического принципа не согласуется с другими теориями. Поэтому так остро стоит необходимость создания новой объединяющей теории.

Глава 5. Элементарные частицы и силы в природе

Еще Аристотель считал, что вещество можно дробить бесконечно, так и не дойдя до такого мизерного кусочка, который разделить уже не получится. Однако такой взгляд долгое время не был популярен. Вплоть до второй половины XX века протоны и нейтроны считались элементарными частицами – основой вещества. И только эксперименты ученого Мюррея Гелл-Манна в 1969 г. показали, что, на самом деле, протоны состоят из еще более маленьких частиц – кварков.

К сожалению, увидеть бесконечно малые частицы привычным способом нам не под силу, т. к. их размер значительно меньше длин световых волн. С учетом того, что частицы ведут себя как волны, мы можем обнаружить элементарные частицы путем определения их энергии, ведь известно, что чем выше энергия частицы, тем меньше длина ее волны. Ученые научились разгонять частицы до невероятных значений энергии, тем самым доказав, что, считавшиеся долгое время элементарными частицы состоят из еще меньших составляющих.

Современной науке известно значительное количество элементарных частиц и их разновидностей. Одни из них носят название частиц-переносчиков. Их задача заключается в переносе взаимодействия другим частицам. Например, электрон испускает такую частицу (при этом скорость электрона меняется), она сталкивается с другой частицей вещества и изменяет ее скорость так, как если бы между этими частицами действовала какая-то сила.

Силы, возникающие между частицами-переносчиками условно можно разделить на четыре вида по величине переносимого ими взаимодействия, а также в зависимости от вида частиц, с которыми они взаимодействовали:

• Гравитационная сила. Эта сила очень слаба, ее действие не заметно в масштабах стандартного понимания, она обнаруживается только на больших расстояниях космического масштаба. Очень слабые гравитационные силы в частицах очень больших тел (звезд и планет) в сумме дают очень большую силу. Частица-переносчик – гравитон. Электромагнитная сила. Эта сила действует между заряженными частицами (электронами и кварками). Сумма положительных и отрицательных зарядов практически равна нулю, поэтому в космическом масштабе большие тела обладают незначительной электромагнитной силой. В масштабах же атомов эти силы преобладают. Частица-переносчик – фотон.

• Слабое взаимодействие. Оно отвечает за радиоактивность. Частицы-переносчики – бозоны – обладают значительно большей, по сравнению с другими, массой и силами малого радиуса действия.

• Сильное ядерное взаимодействие. Эта сила удерживает кварки внутри протона, а протоны и нейтроны внутри ядра атома. Частица-переносчик – глюон.

Гравитационным взаимодействием можно пренебречь в случае с элементарными частицами и атомами, т. к. они очень малы. Но в масштабах космических объектов эта сила может превысить три другие силы и привести к коллапсу, например, звезды. В результате такого взаимодействия могут образовываться черные дыры.

Глава 6. Черные дыры

Когда стало известно, что свет распространяется с конечной скоростью, ученые поняли, что гравитация может оказывать на него значительное влияние. Они предположили, что некоторые небольшие и массивные звезды могут иметь настолько мощное гравитационное поле, что свет, испускаемый ими, не может преодолеть гравитационное притяжение и будет втянут обратно. Увидеть такие объекты невозможно (их свет не доходит до нас), но можно увидеть их гравитационное воздействие на другие объекты.

Процесс возникновения черной дыры берет свое начало с возникновения непосредственно самой звезды. Под действием гравитационных сил большие объемы водорода начинают сжиматься, а значит двигаться быстрее и чаще сталкиваться друг с другом. В результате газ разогревается до такой степени, что атомы водорода начинают сливаться (образуется гелий). Со временем давление газа уравновешивает гравитационное притяжение, и звезда на какой-то период становится стабильной. Однако запас ядерного топлива звезды ограничен, и, когда топливо заканчивается, звезда остывает и начинает сжиматься.

То, что происходит после этого, описал индийский ученый Субраманьян Чандрасекар, высчитав размер звезды, которая, израсходовав все свое топливо, сможет не сколлапсировать до черной дыры. Это значение массы носит название предела Чандрасекара (примерно в полтора раза больше Солнца). Т. е. звезда, превышающая эту массу, не может противостоять воздействию гравитационных сил и коллапсирует в точку, образуя черную дыру. Звезды меньшей массы становятся белыми карликами или нейтронными звездами.

Граница черной дыры называется горизонтом событий. Это некая полупроницаемая мембрана вокруг черной дыры. Она пропускает объекты только в одну сторону – внутрь черной дыры, в обратном же направлении ни что не может преодолеть горизонт событий и выбраться «наружу».

Ученые считали, что процесс коллапсирования абсолютно лишает звезду энергии, что в конечном итоге приводит ее в стационарное состояние. И это состояние легко описать: черная дыра имеет правильную сферическую форму, а ее размер зависит только от ее массы. Никакие свойства начального объекта не оказывают влияния на характеристики образовавшейся черной дыры.

Глава 7. Черные дыры не так уж черны

В 1970-х годах ученые математически просчитали, что черные дыры должны испускать излучение. Но сама природа черных дыр отрицает такую возможность, ведь ни что не может преодолеть горизонт событий в направлении от центра. Однако со временем было установлено, что источником излучения является вещество, находящееся максимально близко к горизонту событий с внешней стороны. Это обусловлено тем, что часть пар частица-античастица распадается, и античастицы попадают в черную дыру, а частицы излучаются в космос, образуя гамма-излучение.

Таким образом было установлено, что черные дыры должны вести себя как горячие тела, т. е. испускать излучение. А их температура зависит только от массы черной дыры: чем меньше масса, тем выше температура. Это значит, что обнаружить маленькую черную дыру легче, чем большую.

В настоящий момент наука не имеет экспериментального подтверждения теории о гамма-излучении от черных дыр, человечеству пока не хватает технических средств для регистрации такого слабого излучения. Однако такое предсказание является первым признаком существования искомой теории, объединяющей общую теорию относительности и квантовую механику.

Глава 8. Рождение и гибель Вселенной

Согласно теории относительности Эйнштейна, Вселенная возникла в момент Большого Взрыва, а исчезнуть она должна в момент «большого хлопка», т. е. в момент коллапсирования в одну точку. Исходя из этого, пространство-время имеет точку отсчета и возможную точку конца.

Стандартная модель развития Вселенной предполагает, что с момента Большого Взрыва Вселенная остывает и расширяется, под действием различных сил в ней образуются новые элементы, которые притягиваются и формируют объекты (звезды, планеты и др.).

Современной науке известны все законы, позволяющие прогнозировать вероятное поведение Вселенной в будущем, если известны ее параметры в какой-то конкретный момент времени. Однако по-прежнему остаются неизвестными параметры, характеризующие начальное состояние Вселенной.

Классическая теория гравитации допускает два варианта: Вселенная существует бесконечное время или имеет начальную сингулярную точку. Квантовая же теория гравитации увеличивает число возможностей. Согласно этой теории, Вселенная не имеет границ, пространство-время можно представить в виде сферы: ее поверхность конечна, но не имеет точек сингулярности, в которых не работают научные законы.

Стоит заметить, что эта теория пока не имеет реальных подтверждений, т. к., во-первых, она еще не сформулирована, пока известны только ее основные параметры, во-вторых, такая теория была бы слишком сложна в вычислениях для прогнозирования. Однако она наиболее полно описывает состояние Вселенной в данный момент времени: она расширяется во всех направлениях с одинаковой скоростью.

Глава 9. Стрела времени

Стрела времени – это направление времени от прошлого к будущему. На данном этапе можно выделить три различные стрелы времени: термодинамическая задает направление времени от порядка к беспорядку (энтропии); психологическая отражает наши ощущения времени, когда мы помним прошлое и не помним будущее; космологическая показывает направление времени, в котором Вселенная расширяется.

Существование термодинамической стрелы времени вытекает из второго закона термодинамики: состояний хаоса гораздо больше, чем состояний абсолютного порядка. Это значит, что, если бы Вселенная стремилась к состоянию порядка, то с течением времени беспорядок должен был бы уменьшаться, и мы бы видели, как разбитый о стену стакан отскакивал от стены и собирался из осколков в целый предмет. Это противоречит той картине, которую мы наблюдаем вокруг, следовательно, начальным состоянием Вселенной был порядок, который с течением времени меняется на беспорядок.

Психологическая стрела напрямую связана с термодинамической. Человек, который наблюдал бы за возрождением стакана, должен был бы помнить будущее, а не прошлое. Такое утверждение тоже противоречит привычной нам картине мира. Отсюда вывод, что термодинамическая и психологическая стрелы направлены в одну сторону.

Космологическая стрела имеет то же направление, что и две другие. Возникновение сложных и разумных форм жизни возможно только при наличии сильной термодинамической стрелы, т. к. существование человечества обусловлено переработкой пищи (упорядоченная энергия) в тепло (беспорядочная энергия). Это условие выполнимо только в расширяющейся Вселенной, следовательно, направление термодинамической и космологической стрелы совпадают.