Стивен Хокинг

И вот некий гений местного масштаба однажды все-таки сумел сообразить не только то, что движение по поверхности шара происходит по дуге, но и то, как этот путь можно спрямить. Не берусь рассказать обо всем ходе и логике рассуждений «двухмерника», в нашем же трехмерно-четырехмерном мире это можно показать на простейшей аналогии.

На яблоке поселился червяк. Вместо того чтобы передвигаться из одной точки в другую по поверхности яблока, он просто прогрызает ходы-червоточины. Так путь по дуге превращается в более короткий путь по хорде.

Оказывается, подобные «червоточины» вполне могут существовать ив окружающей нас Вселенной. Чтобы понять, как это может быть, давайте несколько отступим по времени назад и расположим события в их логической последовательности.

Как известно, суть гравитации, открытой И. Ньютоном в 1687 году, заключается в том, что два тела, обладающих некой массой, испытывают взаимное притяжение. Сила притяжения зависит от расстояния между телами. А это, в свою очередь, позволяет выдвинуть следующее предположение: если одно из тел меняет свое положение, меняется и сила притяжения, которое оно оказывает на другое тело.

Причем гравитационные эффекты протекают со скоростью, значительно большей, чем скорость света. Это на сегодняшний День известно точной если солнечный луч движется к нам 8 мин, то стоит Солнцу чуть изменить свое положение, как Земля чувствует изменение гравитационного поля немедленно.

Как же тогда примирить эту особенность с теорией Эйнштейна, которая утверждает, что именно скорость света есть абсолютно непреодолимый предел скорости? Сам Эйнштейн попытался найти решение этой проблемы в рамках общей теории относительности.

Суть ее для данного случая заключается в том, что согласно предположению Эйнштейна пространство не «плоское», как полагали раньше, а «изогнутое», деформированное под воздействием распределенных в нем массы и энергии.

Говоря другими словами, это означает, что наше трехмерное пространство загибается в некое четвертое измерение, подобно тому как двухмерный лист бумаги, если его скрутить, загибается в третье измерение.

Последствия этой теории не до конца осознаны и в наши. дни. Пространство и время потеряли свой абсолютный характер и, как мы уже говорили, уступили место новому понятию «пространства-времени». Изменения, вносимые при этом в наши геометрические понятия, одновременно носят и количественный и качественный характер.

Количественный - потому, что отныне необходимо учитывать искривленность пространства и времени, а это предполагает, к примеру, что сумма углов треугольника не обязательно должна быть равна 180° (пространственная геометрия Лобачевского), а, прямые параллельные линии согласно той же геометрии в некоторых случаях могут и пересекаться.

Качественный - в основном потому, что становится возможным соединить две точки совершенно различными способами, не имеющими друг с другом пространственно-временной связи. Именно на этих неожиданных путях вселенские «червяки» и прогрызают, свои необыкновенные «дыры».

Чтобы яснее понять, что же знаменуют собой те «различные способы», которыми можно соединить две точки, обратимся к наглядному примеру, приводимому тем же Стивеном Хокингом в его новой книге «Короткая история времени».

Понаблюдаем за самолетом, летящим над пересечённой местностью, предлагает нам английский ученый. Его траектория в небе. - прямая линия в трехмерном пространстве. А вот тень его следует по изогнутой траектории - в зависимости от рельефа - в двухмерном пространстве.

Точно так же Земля движется вокруг Солнца по прямой траектории в четырехмерном пространстве (три классических пространственных измерения плюс четвертая координата - время). А вот в трехмерном пространстве, отображение нашей планеты перемещается по изогнутой траектории - эллипсу, примерно так же, как движется по какой-то кривой тень самолета.

Из всего этого следует, что при помощи «червячной дыры», проходящей через четвертое пространственное измерение, можно изрядно сократить себе путь как в пространстве, так и во времени.

Существование таких кратчайших путей было предсказано теоретиками еще в 1916 году, но только двадцать лет спустя, когда Эйнштейн совместно с Розеном взялся за анализ своих же-уравнений, была выдвинута достаточно проработанная гипотеза о неком «мосте», который может связывать две точки более коротким путем, чем общепринято. Эта гипотеза получила название «мост Эйнштейна-Розена».

И вот в конце 50-х годов Джон Уилер впервые ясно обрисовал, где именно эти «мосты» в нашей Вселенной могут быть наведены. Ему же принадлежит и название «червячные дыры» по известной аналогии с ходами, проделываемыми плодовым червяком. Итак, согласно Уилеру, «червячные ходы», скорее всего, могут возникать в тех районах Вселенной, где пространство сильно изогнуто. То есть, говоря иначе, в районах, где существуют те самые «черные. дыры», о которых мы уже говорили.

При этом, Однако, Уилер и его последователи получили поначалу не слишком обнадеживающую картину. Во-первых, было неясно, как именно могла бы появиться «червоточина» - теория не находила механизмов для ее образования. Во-вторых, получалось, что два входа «червоточины» - теоретики назвали их «ртами» - могут сообщаться между собой весьма незначительное время. Не успеет «червоточина» появиться, как канал или «глотка», соединяющая оба «рта» тотчас должна мгновенно стянуться, давая в итоге две не сообщающиеся между собой «черные дыры».

Таким образом, сконструированные теоретиками «червоточины» показались им нежизнеспособными, и интерес к космическим туннелям вскоре угас.

«Как устроена машина времени?», Станислав Николаевич Зигуненко, 1991г

Описанные выше путешествия могли бы привести не только к перемещениям в пространстве, но и, что для нас в данном случае наиболее интересно, к перемещениям во времени. Так во всяком случае считают Стивен Хокинг и его последователи.

Но прежде чем мы углубимся в устройство подобных «туннелей времени», надо, наверное, сказать несколько слов и о самом Хокинге. Уж больно неординарная это фигура даже для нашего времени, которое, кажется, уже отучило нас удивляться.

…Недавно в Кембридже состоялось, не совсем обычное торжество. Профессора и студенты знаменитого Трйнити-колледжа - того самого, где профессором был когда-то сам сэр Исаак Ньютон, - пением и аплодисментами приветствовали человека, неподвижно сидевшего в инвалидной коляске.

Человек в коляске был нем и недвижим. Тем не менее именно он сегодня занимает ту кафедру, которую когда-то занимал Ньютон, читает лекции студентам, создает новые книги и научные гипотезы, в том числе наиболее «безумные», а значит, и чрезвычайно интересные.

Беда постигла Стивена Хокинга в юности, когда он учился на первом курсе колледжа. Неизлечимая болезнь практически обездвижила все тело, а неудачная операция привела вдобавок еще и к тому, что Хокинг онеменел. И тем не менее он не сдался.

В какой-то мере Хокингу помогает современная техника. Коляска с электроприводом позволяет ему передвигаться самостоятельно, а расположенный под сиденьем кресла компьютер с синтезатором речи дает ему возможность говорить.

Стивен Хокинг сумел не только закончить колледж, но и стать профессором, написать несколько книг. Одна из последних называется «От Большого взрыва до черных дыр». На ней мы и остановимся более подробно.

Она представляет собой относительно небольшую (200 страниц) научно-популярную работу, в которой описаны все космологические теории и гипотезы последнего времени.

- Издатель сказал мне, что каждая новая формула будет сокращать число читателей вдвое, - сказал Хокинг. Поэтому в книге всего одна формула - это знаменитое эйнштейновское уравнение. Все остальное я постарался изложить как можно более доступным языком…

И надо сказать, что попытка популяризации Хокингу вполне удалась. В своей книге он рассказывает о гипотезе Большого Взрыва, согласно которой вся наша Вселенная когда-то образовалась из одной-единственной сингулярной точки.

По неведомой пока нам причине в один прекрасный миг. эта точка взорвалась, и с той поры ее вещество все время расширяется, преобразуясь по дороге. Затем, как полагают многие ученые, большой маятник Вселенной качнется в обратную сторону - расширение может смениться сжатием до новой сингулярной точки. Таким образом, наша Вселенная должна иметь начало и конец.

Однако Хокинг с такой точкой зрения не согласен. Он полагает, что она чересчур пессимистична, поэтому ввел в науку новое понятие - воображаемое время. Используя это понятие, Хокинг, создал модель такой Вселенной, у которой нет ни начала ни конца.

«Представьте себе движение по воображаемому шару, - пишет Хокинг. - Вы начали движение по нему с северного полюса и постепенно движетесь к югу, все время меняя широту места…»

Говоря иначе, Хокинг своими словами пересказывает ту притчу о плоскостном мире, с которой мы уже познакомились. Но рассматривает он ее применительно к нашему трехмерному (или, если угодно, четырехмерному) миру и приходит в конце концов к неожиданному выводу.

«По мере движения, - продолжает он свой рассказ, - широта места, т. е. длина окружности, будет возрастать, а потом, когда вы перевалите экватор, начнет сокращаться, пока не превратится в нуль. Что это - точка сингулярности?.. Нет, ведь если вы продолжите движение, то широта снова станет возрастать…»

Конечно, все сказанное выглядит весьма схематично. На самом деле мир устроен, наверное, значительно сложнее. Однако в том и есть один из талантов Хокинга - говорить о сложных вещах или емкими, точными формулами, или просто наглядными образами.

Он ввел понятие воображаемого времени, которое не имеет никакой связи с настоящим физическим временем, однако оказалось весьма удобным для описания многих процессов космологии.

Теория воображаемого времени - продолжение работы Хокинга над теорией «черных дыр». Когда он впервые познакомился с феноменом «черных дыр», введенным в обиход профессором Роджером Пенроузом, то был весьма поражен, что «черная дыра» - это такое место во Вселенной, откуда из-за чрезвычайно сильного тяготения, а значит, и искривления пространства не вырывается ничто: ни элементарная частица, ни луч света… «Получается, что „черная дыра“ ничего не излучает в пространство, а посему может быть совершенно незаметна, - сказал сам себе Хокинг. - Но разве так бывает?..»

И он-таки нашел возможность доказать, что «черная дыра» может посылать в пространство некое излучение, радиацию, которую теперь так и называют - радиация Хокинга.

«Представьте себе, что поверхность шара, по которому мы только что двигались, вибрирует, - продолжает свои рассуждения Стивен Хокинг. - Эта вибрация едва заметна, ее величина 10-23 см, то есть в 10-20 меньше, чем диаметр протона. Но тем не менее этой величины вполне достаточно, чтобы поверхность шара претерпевала изменения, а значит, от него в пространстве распространялись некие волны излучения…»

Говоря иначе, Хокинг с другой стороны подошел к теории замкнутой или почти замкнутой Вселенной. Он попытался объединить два понятия, существовавших до того раздельно, - фридмоны и «черные дыры». Это объединение повлекло за собой далеко идущие последствия, к рассказу которых мы сейчас и перейдем.

«Как устроена машина времени?», Станислав Николаевич Зигуненко, 1991г

Теоретически черная дыра может создать портал в другие области космосаисточник: Фото: кадр из фильма «Интерстеллар»

Представьте лист бумаги, на которой нарисованы две точки — точка A и точка B. Эти точки находятся на разных концах листа, как объекты находятся на разных концах Вселенной. Чтобы соединить точки A и B, можно провести линию напрямую через всю бумагу от точки A до точки B. Но если начать складывать бумагу, она, как пространство-время под влиянием черной дыры, начнет искривляться. По мере «сжатия» бумаги, точки A и B могут соединиться, не перемещаясь самостоятельно. Эта связь между точками и будет червоточиной.

Если бы такая червоточина существовала, то ее можно было бы использовать для перемещения между различными местами в космосе вне зависимости от расстояния. Однако до сих пор не было найдено ни одного доказательства их существования.

Насколько большие черные дыры

Они могут быть большими и маленькими. Ученые считают, что самые маленькие имеют размер всего в один атом, но при этом массу большой горы. Масса — это количество материи или «вещества» в объекте.

Масса «звездных» черных дыр может быть до 20 раз больше массы Солнца. Самые большие называются «сверхмассивными». Их масса превышает массу 1 миллиона солнц.

Стрелец A — черная дыра в центре галактики Млечный Путьисточник: Фото: NASA/UMass/D.Wang et al., IR:NASA/STScI

В центре каждой крупной галактики есть сверхмассивная черная дыра. Такая дыра есть и в центре Млечного Пути — Стрелец А. Она имеет массу, равную примерно 4 миллионам солнц, и могла бы вместить несколько миллионов земных шаров.

Что внутри черной дыры

Никто точно не знает. Предположительно черная дыра состоит из двух основных частей. Есть горизонт событий — граница в пространстве-времени, через которую материя и свет могут проходить только внутрь. Ничто, даже свет, не может покинуть пределы горизонта событий и не может быть обнаружено.

Для удаленного наблюдателя часы рядом с черной дырой будут казаться более медленными, чем те, которые находятся дальше от нее. Это называется гравитационным замедлением времени. Из-за него кажется, что объект, падающий в дыру, замедляется по мере приближения к горизонту событий. Любой свет, излучаемый объектом, кажется более красным и тусклым. В конце концов, падающий объект исчезает полностью. Вот как это выглядит.

Приближаясь к горизонту событий, объект тускнеет для наблюдателяисточник: Фото: YouTube-канала Vsauce

В центре, как описано в общей теории относительности, находится гравитационная сингулярность — область, где кривизна пространства-времени становится бесконечной. Для невращающейся черной дыры эта область принимает форму одной точки; для вращающейся она размывается, образуя кольцевую форму. Сингулярная область имеет бесконечную плотность. Расстояние от центра до горизонта событий называется радиусом Шварцшильда.

Наблюдатели, падающие в дыру, неизбежно попадут в сингулярность. Прежде чем это произойдет, они будут разорваны на части растущими приливными силами в процессе, который иногда называют спагеттификацией или «эффектом лапши». Дело в том, что гравитационная сила, создаваемая сингулярностью, будет намного сильнее на одном конце тела, чем на другом. Если бы кто-то упал в черную дыру ногами вперед, гравитация у его ног была бы намного сильнее, чем у головы, в результате чего человек вытянулся бы вертикально.

Как образуются черные дыры

Гигантские звезды могут взрываться в результате своей собственной тяжести. Когда звезда истощает свои ресурсы и не может больше противостоять гравитации, ее ядро рушится настолько, что формируется черная дыра с невероятно сильным гравитационным полем. Еще большие дыры могут образоваться в результате звездных столкновений.

Теоретически микроскопическая черная дыра может быть создана в результате столкновения частиц в ускорителе частиц, например, на Большом адронном коллайдере. Но многие специалисты считают это маловероятным.

Как черные дыры испускают излучение

Ученый-астрофизик Стивен Хокинг в 1970-х годах задался вопросом, может ли черная дыра излучать тепло. Чтобы измерить эту температуру, он объединил идеи из теории относительности Эйнштейна (описывающей, как работает гравитация в больших масштабах) и квантовой механики (описывающей, как работают мельчайшие компоненты Вселенной). Эти две основные теории о том, как устроена Вселенная, ученые десятилетиями пытались совместить друг с другом. Обе они «вступают в игру» на горизонте событий.

Согласно квантово-механической теории, по всей Вселенной частицы и их аналоги, античастицы, постоянно появляются и исчезают. Обычно, когда они появляются, они не существуют долго, потому что частица и ее аналог быстро аннигилируют друг друга. Но жизнь на краю черной дыры работает по-другому. Гравитационное поле в ней воздействует на вакуум, что дает возможность парному производству частиц и античастиц. Одни из них поглощается дырой, а другие улетают в пространство.

Вылетающая частица образует излучение Хокинга, а падающая частица имеет отрицательную энергию, то есть эта энергия забирается у черной дыры. Проще говоря, Хокинг доказал, что черная дыра теряет свою массу и энергию, а значит, через миллиарды лет исчезнет. Но это излучение никогда не наблюдалось учеными напрямую.

Откуда мы знаем, что черные дыры существуют

Концепцию массивного тела, гравитационное притяжение которого настолько велико, что скорость, необходимая для преодоления этого притяжения равна или превышает скорость света, впервые высказал Джон Мичелл еще в 1784 году. В XX веке Альберт Эйнштейн предсказал существование гравитационных волн — искажений в пространстве-времени, вызванных чрезвычайно сильными космическими катаклизмами в ранней Вселенной. Эйнштейн предположил, что такие колебания будут «исчезающе малы» и их почти невозможно обнаружить.

Первое в истории изображение черной дырыисточник: Фото: Event Horizon Telescope collaboration

Оказалось, возможно. В 2016 году ученые впервые зафиксировали гравитационные волны. Они возникли в результате столкновения двух черных дыр массами в 30 раз больше Солнца. Явление произошло в 1,3 млрд световых лет от Земли. А в 2019 году было опубликовано первое прямое изображение черной дыры в галактическом центре Мессье 87, сделанное Телескопом горизонта событий (EHT). По состоянию на 2021 год, расстояние до ближайшего известного тела, считающегося черной дырой, составляет около 1500 световых лет.

Что Стивен Хокинг думал о черных дырах

Почему Хокинг сказал, что черные дыры не существуют

Хокинг не отрицал существования массивных гравитационных сингулярностей, скрывающихся в центре многих галактик, включая Млечный Путь. Но классический взгляд на черную дыру как на вечную ловушку для всего, что находится внутри, даже для света, неверен. С его точки зрения, черные дыры всегда «слегка серые», с хаотичным и изменчивым краем, а не с четко очерченным горизонтом событий.

Стивен Хокинг всю жизнь посвятил астрофизикеисточник: Фото: YouTube-канал Dr.Stephen Hawking

Хокинг выдвигал гипотезы о том, что в окрестностях черной дыры квантовые эффекты вызывают искажение пространства-времени, не позволяя существовать четкой границе горизонта событий. Он считал, что существует «кажущийся горизонт» — поверхность, где излучение, выходящее из центра черной дыры, лишь задерживается. В отличие от классического горизонта событий, «кажущийся» может исчезнуть, и то, что было внутри, выйдет наружу.

Что такое информационный парадокс

В статье 1976 года Хокинг указал, что исходящие частицы, известные как излучение Хокинга, будут иметь совершенно случайные свойства. В результате, как только черная дыра исчезнет, информация, которую несет все, что ранее упало в нее, будет потеряна для Вселенной. Но это противоречит законам физики, утверждающим, что информация, как и энергия, сохраняется. Эта научная проблема возникает при попытке объединить две основные теории физики: общую теорию относительности и квантовую механику.

Согласно общей теории относительности, черная дыра обладает сильным гравитационным полем, которое притягивает все, что находится в ее радиусе действия, в том числе и свет. Это означает, что если объект попадает в такую дыру, то он навсегда исчезает из Вселенной и не может вернуться обратно. Исчезает и информация о нем — температура, масса, форма и другие физические параметры.

Квантовая механика же утверждает, что информация не может пропасть без следа, а должна сохраняться во времени. Любой объект, содержащий информацию, продолжает существовать и после того, как он попал в черную дыру.

Таким образом, возникает парадокс: если объект, содержащий информацию, попадает в черную дыру и исчезает в ней, информация, которую он содержал, должна быть уничтожена вместе с ним. А это противоречит основным принципам сохранения информации в квантовой механике. Куда же девается информация при поглощении объекта? Ученые бьются над этим вопросом до сих пор, выдвигая разные теории — от «теории брандмауэра» до теории «квантовых волос».

Что предлагал Хокинг для решения информационного парадокса черной дыры

В 2016 году Хокинг вместе с учеными Эндрю Строминджером и Малкольмомом Перри написали статью, в которой говорилось, что черные дыры содержат мягкие частицы. Это низкоэнергетические версии фотонов, гипотетические частицы, известные как гравитоны и другие частицы. До недавнего времени они в основном использовались для расчетов в физике элементарных частиц.

По словам авторов, вакуум, в котором находится черная дыра, не обязательно лишен частиц — только энергии, — следовательно, мягкие частицы присутствуют там в состоянии нулевой энергии. Все, что попадет туда, оставит отпечаток на этих частицах. Вакуум вокруг нее может меняться, но информация останется. Многие ученые не считают теорию достаточно убедительной, а значит, эту и многие другие тайны только предстоит разгадать.

Автор: Екатерина Садкова

8 января 1942 года в Оксфорде родился Стивен Хокинг, человек, трансформировавший свои знания в духовную силу, победившую его физическую немощь.

С первых лет жизни хрупкий от природы мальчишка любил разбирать и собирать самые сложные игрушки и мастерить из деталей конструктора корабли, самолеты и летающие тарелки.

Позже его убеленные сединами друзья вспоминали как в подростковом возрасте, он сварганил из бэушных деталей купленных в радиомагазинах машину похожую на персональный компьютер, которая обрабатывала простейшие бинарные операции.

Поступив в Оксфордский университет, Хокинг успевал классно учиться, заниматься споротом и бухать. Многие студенты замечали, что чем больше он принимал на грудь, тем интересней становились его рассказы и суждения, высказанные в процессе ведения научных споров.

В 21 год врачи диагностировали у Стивена редкое неврологическое заболевание «Боковой амиотрофический склероз». Ему не составило труда понять, насколько опасна болезнь моторных нейронов - нервных клеток растянувшихся от головного к спинному мозгу и отвечающих за качественную работу всей мышечной системы.

Врачи сказали, что больной сможет жить обычной жизнью не больше трех лет, после чего превратится в «овощ». Молодой парень решил быть честен с родными и однажды вечером все им рассказал. Говорят, что после страшного признания у его младшей сестры Филиппы в модной прическе появилась седая прядь волос.

От полного отчаянья перспективного ученого спасла интенсивная научная работа и любовь к очаровательной девушке Джейн. В 1965 году влюбленные поженились, в браке у них родилось трое детей, младший Тимоти появился в 1979 году, к этому моменту его отец уже 9 лет был прикован к инвалидному креслу.

С детских лет Хокинг пытался ответить на основной вопрос, не дававший ему спокойно спать по ночам: «Что есть начало Вселенной, и может ли она стать отправной точкой для другого начала».

Забавно, что свой медовый месяц физик вместе с супругой провел на научной конференции организованной «Корнельским университетом», в это сладкое для всех молодоженов время Джейн активно помогала мужу работать над диссертацией.

В 1970 году болезнь приковала ученого к инвалидному креслу, но этот крепкий духом человек, обладавший великим по силе разумом, продолжая, занимался изучением «Черных дыр» предположил, что они способны передавать элементарные частицы. Сегодня данный процесс называется «Излучением Хокинга».

Став научным светилом Стивен перебрался с семьей в Калифорнию. В этот период у него отнялись руки, и мистическим образом существенно увеличился «подвижный» интеллект. В уме ученый решал глобальные научные задачи и с феноменальной точностью фиксировал полученные результаты.

В это же время он решил реализовать научно-популярный проект, позволивший широкому кругу читателей познать сокровенные научные тайны. В 1988 году в издательстве «Bantam Books» вышла его книга «Краткая история времени», в ней Стивен без «заумствований» рассказал читателям о вселенной, пространстве, времени и черных дырах.

В малочитающих США книга стала бестселлером. Сегодня «Краткая история времени» по-прежнему входит в международные рейтинги самых продаваемых книг, ее совокупные продажи составляют 17 млн. экземпляров.

В 1985 году после тяжелого воспаления легких, и ряда критических хирургических операций ученый утратил возможность говорить.

В этот раз гениального физика, выручили его не менее талантливые друзья технари-электронщики, создавшие для Стивена компьютер с синтезатором речи, управлявшимся с помощью мимической мышцы щеки.

Ученый не раз выступал с протестами против преступлений американской и израильской военщины. Помимо этого он активно боролся с преподаванием в американских школах идей креационизма - теории, согласно которой вселенная, земля, жизнь и человек появились благодаря божественной воле Создателя.

По произведениям физика и с его участием выходили научно-популярные фильмы «Вселенная Стивена Хокинга», «Великий замысел», «Во Вселенную со Стивеном Хокингом» и «Наука будущего».

Ученый был два раза женат и развелся со второй супругой за 12 лет до смерти.

77-летний Стивен Хокинг скончался 14 марта 2018 года.