Файл: Краткая история времени. От большого взрыва до черных дыр.doc

Условие отсутствия границ – представление, согласно которому Вселенная конечна, но не имеет границ (в мнимом времени).

Фаза – для волны – положение точки в цикле в определенный момент времени: мера того, находится ли точка на гребне, во впадине или где‑нибудь в промежутке.

Фон микроволнового излучения – излучение, возникшее при свечении горячей ранней Вселенной (называется реликтовым). Оно сейчас испытывает такое сильное красное смещение, что регистрируется не в виде света, а в виде волн микроволнового диапазона (радиоволны с сантиметровыми длинами волн).

Фотон – квант света.

Частично‑волновой дуализм – лежащее в основе квантовой механики представление о том, что не существует различия между частицами и волнами, частицы могут иногда вести себя как волны, а волны – как частицы.

Частота – для волны это число полных циклов в секунду.

Черенковское излучение – излучение света заряженной частицей при ее движении в веществе с постоянной скоростью, превышающей скорость распространения света в этом веществе.

Черная дыра – область пространства‑времени, из которой ничто, даже свет, не может выбраться наружу, потому что в ней чрезвычайно сильно действие гравитации.

Электрический заряд – свойство частицы, благодаря которому она отталкивает (или притягивает) другие частицы, имеющие заряд того же (или противоположного) знака.

Электромагнитное взаимодействие – взаимодействие, которое возникает между частицами, обладающими электрическим зарядом. Второе по силе из четырех фундаментальных взаимодействий.

Электрон – частица, обладающая отрицательным электрическим зарядом и обращающаяся в атоме вокруг ядра.

Элементарная частица – частица, которая считается неделимой.

Энергия теории великого объединения – энергия, выше которой электромагнитные, слабые и сильные взаимодействия предположительно должны стать неразличимыми.

Энергия электрослабой теории – энергия (около 100 ГэВ), выше которой исчезают различия между электромагнитными и слабыми взаимодействиями.

Эффект Доплера – изменение частоты волн при движении их источника и наблюдателя относительно дpyг друга.

Ядерный синтез – процесс соударения двух ядер и последующего их слияния в одно более тяжелое ядро.

Ядро – центральная часть атома, которая состоит только из протонов и нейтронов, удерживаемых в ядре сильным взаимодействием.

Послесловие

Книга С. Хокинга вышла одновременно в Канаде и США в апреле 1988 г. В мае появился в продаже ее итальянский перевод. В Англии дата была объявлена заранее – 18 июня. К этому времени уже появились первые рецензии. Так, читатели американского еженедельника «Newsweek» 13 июня были оповещены, что «прикованный к инвалидному креслу, лишенный даже дара речи, физик Стивен Хокинг ищет теорию великого объединения, которая объяснит Вселенную…»

А в конце июня Хокинг приехал в Ленинград на конференцию, посвященную 100‑летию со дня рождения А. А. Фридмана, и привез свою новую книгу, один из экземпляров которой подарил мне.

В Ленинграде Хокинг проявлял необычайную активность – выступил с докладом, участвовал в дискуссии, прочел лекцию в Доме ученых, дал короткое интервью для журнала «Природа». При этом Хокинг не говорил: за него четким, но лишенным человеческой теплоты голосом говорил синтезатор речи. То, что он произносил, Хокинг набирал на дисплее маленького компьютера, прикрепленного к его инвалидной коляске. Активность Хокинга вне физики была столь же поразительна. Он совершал экскурсии по городу, ездил в своем кресле по Эрмитажу, общался с друзьями. И старался впитать в себя все, что его окружало.

Хокинг много путешествует, не раз он приезжал в нашу страну и обрел здесь друзей. Вся его жизнь – необычайный пример того, как много может сотворить мозг, даже тогда, когда каналы его связи с внешним миром сведены до минимума.

Книга Хокинга необыкновенная, ее тема – рассказ о выборе цели его жизни и о трудном пути ее достижения, рассказ о поисках решения самой большой загадки, которая стоит перед естествоиспытателем. «Моя цель – добиться полного понимания Вселенной, почему она такая, какая она есть, и почему она вообще существует», – пишет он о своих исканиях.

Такие вопросы человек задавал себе давно. Варианты ответов есть в мифах почти всех народов. Может быть, и рассуждения ученых нашего века также когда‑нибудь будут считать легендами. У новых мифов есть авторы, один из них Хокинг. Его жизнь уже сейчас представляется легендой. Это легенда о человеке, силой мысли побеждающем немощь.

Хокингу сейчас 48 лет. В начале 60‑х годов, когда он уже кончал университет в Оксфорде, появились первые признаки грозной болезни – бокового амиотрофического склероза. Настроение становилось мрачным, да и научные успехи были в это время не слишком впечатляющими. Д. Сиама, известный физик, руководитель его дипломной работы, заметил, что «вокруг оказалось не так уж много проблем, достойных человека с такими способностями». К счастью, проблема все же нашлась – это была теория черных дыр, которую Хокинг увидел в новом свете после появления работы Р. Пенроуза об особенностях уравнений тяготения.

В это время изменилась и личная жизнь Хокинга. В 1965 г. он женился на студентке‑филологе Джейн Уайлд (ей он посвятил эту книгу). У них есть дочь и два сына.

1985 год принес новое несчастье. После операции на горле Хокинг потерял способность говорить. На помощь приходят друзья, и одна калифорнийская фирма преподносит ему коммуникационную систему компьютер + синтезатор. Об этом Хокинг сам рассказывает во введении к книге, желая выразить благодарность тем, кто помогает ему жить. «Эта система изменила все: мне даже стало легче общаться, чем до того, как я потерял голос», – пишет он.

Существование в таких условиях требует не только воли к жизни, но и чувства юмора. Хокинг рассказывает много истории. Так, занимаясь черными дырами, но не имея пока наблюдательного доказательства их существования, Хокинг заключает пари с Торном. Условия пари подчинялись изысканной логике. Хокинг, веря, что во Вселенной должно быть много черных дыр, делает ставку против их существования. Если дыр не окажется, то в качестве компенсации за потерю смысла главной своей работы он получает четырехлетнюю подписку на английский юмористический журнал «Private Eye». Если же черные дыры есть, Торн получает годовую подписку на «Penthouse», а Хокинг (вполне вероятно) Нобелевскую премию.

Сейчас Хокинг – профессор Кембриджского университета. Он занимает кафедру, которую когда‑то занимал Ньютон, а в наше время – Дирак. С 1974 г. Хокинг член Лондонского Королевского общества.

Чтобы начать, наконец, разговор о книге, полезно привести слова астронома К. Сагана, написавшего предисловие: «Книга о Боге… а может быть, об отсутствии Бога». Слово Бог повторяется часто. Хокинг отправляется на поиски ответа на знаменитый вопрос Эйнштейна, был ли у Бога какой‑нибудь выбор, когда он создавал Вселенную. Хокинг стремится – он говорит об этом прямо – понять замысел Бога. Поиски приводят к неожиданному заключению, может быть, не окончательному: «…Вселенная без края в пространстве, без начала и конца во времени, без каких‑либо дел для Создателя». Рассуждения о Боге, конечно, не новы. Вспомним Лапласа, который будто бы ответил Наполеону, что не нуждается в этой гипотезе.

Постепенно раскрывающаяся история Вселенной всегда изумляла естествоиспытателей. Эйнштейн выразил это в своей обычной парадоксальной форме: «Когда я рассуждаю о физической теории, я спрашиваю себя, создавал ли бы я Вселенную таким же путем, если бы Богом был я?» Его вечный оппонент Нильс Бор ответил так: «Это совсем не наше дело предписывать Богу, каким образом он должен управлять миром».

Вопрос так и остается без ответа: случайно ли история Вселенной оказалась такой, какой она постепенно раскрывается перед человеком? Возможно ли, чтобы история была другой, или история определяется однозначно из принципов, которых мы еще не знаем? И наконец, «еще не знаем» или мы и не можем их узнать, ибо ответ может лежать за пределами познания человека. И все же чем глубже в прошлое и чем дальше в будущее проникает наука, тем меньше дела остается для мифических сил.

После того как гипотеза о рождении Вселенной в большом взрыве превратилась в почти общепринятую, вопрос о том, что было до рождения Вселенной, стал как бы незаконным. В этом смысле наука приблизилась ко многим мифам, в том числе и к библейскому варианту создания Вселенной. Поразительным было воображение древних, создававших мифы.

Прочитаем в первой главе Библии: «И назвал Бог свет днем, а тьму ночью. И был вечер, и было утро: день один». Иногда переводят: «день первый». Это неверно. Комментаторы канонического текста считают, что не могло быть сказано «день первый», так как не было последующего. По‑видимому, идея, что время также должно было быть создано, занимала авторов Библии. Не только создание времени, но и конец времени представлялся в осмысленном понятии. В заключительной книге Библии, откровении Иоанна (10:6), ангел, объявляя о грядущем конце мира, говорит: «…и времени уже не будет».

Проблема времени привлекала внимание и христианских философов раннего Средневековья. В «Исповеди» Блаженного Августина мы читаем: «Если же раньше неба и земли не было времени, зачем спрашивать, что Ты делал тогда. Когда не было времени, не было и тогда».

Наш век требует, чтобы мифы обрели математическое обличие. Это свершилось в Ленинграде, когда появилась работа А. А. Фридмана. Вселенная Фридмана начинается с «особенности» – мировой точки, в которой обращается в бесконечность кривизна, а с нею и плотность вещества. В этой точке теряют свою силу физические законы, и, оставаясь в рамках обычной модели Вселенной Фридмана, нельзя понять, что происходило в самом начале времени, как возник большой взрыв.

Это утверждение правильно, и физики не ошиблись, считая, что не имеет смысла сам вопрос о продолжении координаты времени за «особенность». Действительно, проблему нельзя даже сформулировать аккуратно на языке математики, если оставаться в рамках классической теории тяготения Эйнштейна. Доказано, что в этих рамках не существует решений уравнений общей теории относительности – уравнений Эйнштейна – Гильберта, которые бы не имели «особенностей».

«Особенности» появляются не только для всей Вселенной, но и для звезд, масса которых столь велика, что вещество не может преодолеть собственного гравитационного поля и падает к ее центру так, что поверхность звезды стягивается в конце концов в математическую точку – сингулярность. Происходит коллапс звезды, ее «схлопывание». Такая звезда и есть черная дыра, привлекшая внимание Хокинга.

Проблемой сингулярности занимался Р. Пенроуз, который показал, что начавшийся коллапс звезды не может прекратиться. Хокинг пишет, что он очень обрадовался новым идеям, считая их достойными развития. Его подстегивали и личные обстоятельства. Прогнозы врачей были мрачными.

Работа над докторской степенью казалась бессмысленной. Но прошло два года, и ухудшения не наступило. «Напротив, – говорит Хокинг, – дела мои пошли замечательно. Я стал женихом очаровательной девушки Джейн Уайлд. Но чтобы жениться, нужна была работа, для получения работы нужна была докторская степень. А тут подвернулась хорошая тема».

Хокинг увидел, что между задачей о черной дыре и задачей о большом взрыве есть большое сходство. Если черная дыра кончает свое существование в сингулярности, то, повернув в ее истории время, мы получим модель Вселенной, которая в сингулярности рождается. Это подтвердило старые предположения, и в 1970 г. Хокинг с Пенроузом опубликовали работу с доказательством того, что расширяющаяся Вселенная должна начать свою историю в сингулярности.

Между черной дырой и Вселенной есть принципиальная разница. Точнее, есть различие между положением наблюдателя в одном и другом случае. Коллапс черной дыры мы наблюдаем снаружи, и теория говорит, что для наблюдателя, покоящегося на бесконечности, т. е. в области, где гравитационное поле черной дыры сколь угодно мало, время полного коллапса, время достижения сингулярности, бесконечно велико. Строго говоря, наблюдатель никогда не увидит конца эволюции черной дыры. Во Вселенной наблюдатели находятся внутри, они разбегаются вместе с галактиками, и их возраст (считая от большого взрыва) конечен.

Но у обоих объектов есть общая черта: процесс коллапса и расширения Вселенной необратимы. Если необратимость расширения Вселенной представляется естественной (диссипативные процессы сопровождают эволюцию), то необратимость коллапса – теорема Пекроуза‑Хокинга – не столь понятна. Диссипативные процессы приводят к необратимости, к росту энтропии системы. Но можно ли приписать энтропию черной дыре? Как в детективной истории, Хокинг находит улику, она лежала почти на виду.

Когда вещество или излучение падает на черную дыру, площадь ее поверхности может только увеличиваться. Радиус черной дыры пропорционален ее массе, а поверхность – квадрату массы. Когда масса растет, растет и поверхность. Далее Хокинг замечает, что если две черные дыры сливаются в одну, то поверхность новой дыры становится больше, чем суммарная поверхность двух исходных. Можно отметить и очевидный факт. Если при коллапсе на черную дыру ничего не падает, т. е. поверхность (ее называют горизонтом) остается постоянной – поверхность определяется только массой.

Следующий шаг делает американец Дж. Бикенстин. Он высказывает смелое предположение, что для черной дыры можно ввести понятие энтропии и что энтропия черной дыры пропорциональна ее поверхности. Поверхность растет (или остается постоянной) со временем, хорошо имитируя поведение энтропии. Гипотеза, которая выглядела довольно сомнительной, в работе Хокинга превратилась в строгую теорему. Как выяснилось, она следовала из законов квантовой механики и общей теории относительности.

Открытие Хокинга повлекло за собой цепочку новых утверждений. Если у черной дыры есть энтропия, то должна быть и температура. Термодинамика позволяет вычислить, что если энтропия определяется квадратом энергии и не зависит, например, еще и от объема, то температура должна быть обратно пропорциональна энергии (или массе) черной дыры.

Немного подумав, можно понять, что такое заключение не очень согласуется с исходным представлением о черной дыре. Тело, падающее на черную дыру, описывается уравнениями механики (конечно, механики ОТО), и для энтропии в таком описании нет места. Но уравнения механики обратимы во времени, а звезда коллапсирует необратимо. В теории должны были появиться энтропия и температура. Но дальше предъявляет свои обязательные требования термодинамика. Всякое тело, имеющее температуру, должно излучать по закону Стефана‑Больцмана (со спектром Планка). Значит, вопреки всему сказанному о безвозвратности коллапса и невозможности ничему вырваться из гравитационного поля, черная дыра излучает, и интенсивность излучения растет, как четвертая степень ее температуры. «Черные дыры не так уж черны» – так названа седьмая глава книги.