Стивен хокинг уравнение стивена хокинга

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

Пять популярных теорий Стивена Хокинга

8 января 1942 года, через 300 лет после смерти Галилея, в британском Оксфорде родился Стивен Уильям Хокинг. Примерно 200 тысяч других детей также появились на свет в тот день, но только один стал величайшим физиком-теоретиком и космологом. В начале 1960-х у Хокинга стали проявляться признаки бокового амиотрофического склероза (болезнь Лу Герига), которые привели к параличу.

«Почти совершенное воплощение свободного духа, огромного интеллекта, человека, который мужественно преодолевает физическую немощь, отдавая все силы на расшифровку «божественного замысла», — таким описывает Хокинга в своей книге немецкий популяризатор науки Хуберт Мания.

Достижения Хокинга в науке неоспоримы. «РГ» расскажет о некоторых самых популярных теориях великого физика.

Излучение Хокинга

Излучение Хокинга — гипотетический процесс «испарения» черных дыр, то есть испускания разнообразных элементарных частиц (преимущественно фотонов).

Процесс был предсказан Хокингом в 1974 году. Его работе, кстати, предшествовал визит в Москву в 1973 году, где он встречался с советскими учеными: одним из создателей атомной и водородной бомб Яковом Зельдовичем и одним из основоположников теории ранней Вселенной Алексеем Старобинским.

«Когда огромная звезда сжимается, ее гравитация становится настолько сильной, что даже свет не может больше покидать ее пределы. Область, из которой ничто не может выйти, и называется «черная дыра». А ее границы называются «горизонт событий», — так поясняет Хокинг.

Отметим, 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 начал изучать поведение элементарных частиц вблизи черной дыры с точки зрения квантовой механики. Он выяснил, что частицы могут выходить за ее пределы и что черная дыра не может быть абсолютно черной, то есть — существует остаточная радиация. Коллеги-ученые рукоплескали: все теперь изменилось! Информация об открытии распространилась в научной среде как ураган. И эффект произвела аналогичный.

Позже Хокинг обнаружил и механизм, посредством которого черные дыры могут излучать радиацию. Он пояснил, что с точки зрения квантовой механики пространство наполнено виртуальными частицами. Они постоянно материализуются парами, «разлучаются», снова «встречаются» и аннигилируют. Вблизи черной дыры одна из пары частиц может упасть в нее, и тогда у второй не останется пары для аннигиляции. Такие «брошенные» частицы и образуют радиацию, которую излучает черная дыра.

Из этого 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», — считает Хокинг.

Излучение черных дыр — или излучение Хокинга — показало, что гравитационное сжатие не настолько окончательно, как было принято считать ранее: «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».

Вопрос существования Бога

В 1981 году Хокинг побывал на конференции по космологии в Ватикане. После конференции Папа Римский дал аудиенцию ее участникам и сказал им, что они могут изучать развитие Вселенной после большого взрыва, но не сам большой взрыв, поскольку это — момент творения, а стало быть — дело Божье.

Позже Хокинг признался, что был рад тому, что Папа не знал тему лекции, которую ученый прочел перед этим. Она как раз касалась теории, согласно которой у Вселенной не было начала, момента творения как такового.

Подобные теории были и в начале 1970-х годов, они говорили о фиксированном пространстве и времени, которые на протяжении вечности были пустыми. Затем, по какой-то неизвестной причине, образовывалась точка — вселенское ядро — и происходил взрыв.

Хокинг полагает, что «если мы движемся назад во времени, мы доходим до сингулярности большого взрыва, в которой законы физики не действуют. Но есть другое направление движения во времени, которое позволяет избежать сингулярности: оно называется воображаемым направлением времени. В нем можно обойтись без сингулярности, которая является началом или концом времени».

То есть появляется момент в настоящем, которому совсем не обязательно сопутствует цепочка моментов в прошлом.

«Если у Вселенной было начало, мы можем предполагать, что у нее был и создатель. Но если Вселенная является самодостаточной, не имеет границы или края, значит, она не была создана и не будет уничтожена. Она просто существует. Где же тогда место для ее создателя?» — вопрошает физик-теоретик.

«От большого взрыва до черных дыр»

С таким подзаголовком в апреле 1988 года в свет вышла книга Хокинга «Краткая история времени», моментально ставшая бестселлером.

Эксцентричный и в высшей степени умный Хокинг активно занимается популяризацией науки. В его книге хоть и рассказывается о появлении Вселенной, о природе пространства и времени, черных дырах, встречается одна единственная формула — E=mc² (энергия равна массе, умноженной на квадрат скорости света в свободном пространстве).

До 20 века считалось, что Вселенная — вечна и неизменна. Хокинг весьма доступным языком доказывал, 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», — говорит он.

Статичная Вселенная кажется привлекательнее: она существует и может продолжить существовать вечно. Она — нечто незыблемое: человек стареет, но Вселенная всегда так же молода, как в момент формирования.

Расширение Вселенной позволяет предположить, что у нее, в какой-то момент в прошлом, было начало. Этот момент, когда Вселенная начала свое существование, и получил название большого взрыва.

«Умирающая звезда, сжимаясь под действием собственной гравитации, в конце концов, превращается в сингулярность — в точку бесконечной плотности и нулевого размера. Если повернуть вспять ход времени так, чтобы сжатие превратилось в расширение, станет возможным доказать, что у Вселенной было начало. Однако доказательство, основанное на теории относительности Эйнштейна, показывало также, что невозможно понять, как произошла Вселенная: оно демонстрировало, что все теории не действуют в момент начала Вселенной», — отмечает ученый.

Человечество ждет гибель

Можно увидеть, как чашка падает со стола и разбивается. Но нельзя увидеть, как она собирается обратно из осколков. Увеличение беспорядка — энтропии — именно то, что отличает прошлое от будущего и придает направление времени.

Хокинг задался вопросом: что произойдет, когда Вселенная прекратит расширяться и начнет сжимать? Увидим ли мы, как разбитые чашки собираются из осколков?

«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», — говорил он.

Попытки создать математическую модель теории не увенчались успехом. Позже Хокинг признал свою ошибку. По его мнению, она заключалась в том, что он использовал слишком простую модель Вселенной. Время не повернет свой ход вспять, когда Вселенная начнет сжиматься.

«В реальном времени, в котором мы живем, у Вселенной есть две возможные судьбы. Она может продолжать расширяться вечно. Или она может начать сжиматься и прекратить свое существование в момент «большого сплющивания». Это будет похоже на большой взрыв, только — наоборот», — полагает физик.

Хокинг допускает, что Вселенную все-таки ожидает финал. Однако, оговаривается, что у него, как у пророка конца света, не будет возможности оказаться в то время — через много биллионов лет — и осознать свою ошибку.

Согласно теории Хокинга, спасти человечество при таком раскладе может только способность оторваться от Земли.

Инопланетяне существуют

Люди отправляют в космос беспилотные аппараты с изображениями человека и координатами, указывающими расположение нашей планеты. В космос посылают радиосигналы, в надежде, что их заметят инопланетные цивилизации.

Если верить Хокингу, то встречи с представителями других планет не сулят землянам ничего хорошего. Основываясь на своих знаниях, он не отрицает возможность существования внеземной цивилизации, но надеется, что встречи не произойдет.

В документальном телесериале канала Discovery он высказал мнение о том, что если технологии инопланетян будут превосходить земные, они обязательно образуют на Земле свою колонию и поработят человечество. Хокинг сравнил этот процесс с прибытием Колумба в Америку и последствиями, которые ожидали коренное население континента.

«Во Вселенной со 100 миллиардами галактик, каждая из которых содержит сотни миллионов звезд, маловероятно, что Земля является единственным местом, где развивается жизнь. С чисто математической точки зрения, одни лишь цифры позволяют принимать мысль о существовании инопланетной жизни как абсолютно разумную. Реальной проблемой является то, как могут выглядеть инопланетяне, понравятся ли они землянами своим видом. Ведь они могут быть микробами или одноклеточными животными, или червями, которые населяли Землю в течение миллионов лет», — считает Хокинг.

Даже близкие и друзья космолога отмечают, что нельзя верить каждому его слову. Он — искатель. А в таком деле допущений больше, чем фактов, и ошибки неизбежны. Но даже при этом его изыскания дают человеку пищу для ума, точку, от которой можно начать поиск ответа на вопрос о существовании человека и Вселенной.

«Ответ на этот вопрос будет величайшим триумфом человеческого разума, ибо тогда мы познаем ум Бога», — говорит Хокинг.

4 теории Стивена Хокинга, которые оказались верными и 6, в которых мы пока не уверены

Некоторые из теорий Хокинга произвели революцию в понимании Вселенной, однако, другие все еще заставляют ученых ломать голову.

Стивен Хокинг читает лекцию в музее науки Блумфилда в Иерусалиме. Декабрь 2006 года.

ФОТО: Getty Images

Стивен Хокинг был одним из величайших физиков-теоретиков современности. Наиболее известный своими выступлениями в популярных средствах массовой информации и своей пожизненной борьбой с изнурительными болезнями, он сделал огромный вклад в развитие астрономии своей блестящей пятидесятилетней научной карьерой. Начиная с докторской диссертации в 1966 году, его новаторская работа продолжалась безостановочно вплоть до последней работы в 2018 году, завершенной всего за несколько дней до его смерти в возрасте 76 лет.

Хокинг работал на ведущем интеллектуальном рубеже физики, и его теории часто казались причудливо далекими. Тем не менее, они постепенно принимаются научным сообществом находя подтверждающие факты. Умопомрачительные взгляды на черные дыры и объяснение происхождения Вселенной — вот некоторые из его теорий, которые были подтверждены … некоторые же из них все еще рождают только вопросы.

Большой взрыв

Иллюстрация обширности Вселенной — начиная с Большого взрыва около 13,8 миллиардов лет назад.

Изображение: Getty Images

Докторская диссертация Хокинга была написана в критический момент, когда между двумя конкурирующими космологическими теориями — теорией «Большого взрыва» и теорией «Стационарного состояния» разгорелись жаркие споры. Обе теории допускали, что Вселенная расширяется, но в первой теории она расширяется из ультракомпактного, сверхплотного состояния в конечное время в прошлом, в то время как вторая предполагает, что Вселенная расширялась вечно, и для поддержания постоянной плотности постоянно создавалась новая материя.

В своей диссертации Хокинг показал, что теория «Стационарного состояния» математически самопротиворечива. Он утверждал, что Вселенная возникла из бесконечно малой, бесконечно плотной точки, называемой сингулярностью. На данный момент теория Хокинга почти повсеместно принята среди ученых.

Черные дыры существуют!

Первое изображение черной дыры в центре галактики Мессье 87, сделанное телескопом Event Horizon Telescope — опубликовано Национальным научным фондом в 2019 году.

Фото: Getty Images

Больше всего имя Хокинга ассоциируется с черными дырами — еще одним видом сингулярности, образующейся, когда звезда подвергается полному коллапсу под действием собственной гравитации. Эти математические курьезы возникли из общей теории относительности Эйнштейна, и они обсуждались в течение десятилетий, когда Хокинг обратил на них свое внимание в начале 1970-х годов.

Согласно статье в журнале Nature, его гениальный ход состоял в том, чтобы объединить уравнения Эйнштейна с уравнениями квантовой механики, превратив то, что раньше было теоретической абстракцией, во что-то, что выглядело так, как будто оно действительно могло существовать во Вселенной. Окончательное доказательство правоты Хокинга пришло в 2019 году, когда телескоп Event Horizon получил прямое изображение сверхмассивной черной дыры, скрывающейся в центре гигантской галактики Мессье 87.

Излучение Хокинга

Излучение Хокинга в представлении художника.

Изображение: Getty Images

Черная дыра получила свое название из-за того, что ее гравитационное притяжение настолько сильно, что фотоны или частицы света не могут покинуть ее. Граница этой области называется горизонтом событий. Но в своих ранних работах по этой теме Хокинг утверждал, что правда более тонкая.

Применяя квантовую теорию, а именно идею о том, что пары «абстрактных фотонов» могут спонтанно создаваться из ничего, он понял, что некоторые из этих фотонов, по-видимому, излучаются черной дырой. Эта теория, которую теперь называют излучением Хокинга, была подтверждена в лабораторном эксперименте в Израильском технологическом. Вместо реальной черной дыры исследователи использовали акустический аналог — «звуковую черную дыру», из которой звуковые волны не могут выйти. Они обнаружили эквивалент излучения Хокинга в точном соответствии с предсказанием физика.

Теорема о площадях черных дыр

Иллюстрация гравитационных волн, испускаемых двумя черными дырами, вращающимися друг вокруг друга.

Изображение: Getty Images

В классической физике энтропия или беспорядок системы, который может только увеличиваться со временем, никогда не уменьшается. Вместе с Якобом Бекенштейном Хокинг предположил, что энтропия черной дыры измеряется площадью поверхности окружающего ее горизонта событий.

Недавнее открытие гравитационных волн, излучаемых сливающимися парами черных дыр, показывает, что Хокинг снова был прав. Как Хокинг сказал BBC после первого такого события в 2016 году, «наблюдаемые свойства системы согласуются с предсказаниями о черных дырах, которые я сделал в 1970 году… площадь образовавшейся черной дыры стала больше, чем сумма площадей первоначальных черных дыр до слияния». Более поздние наблюдения предоставили дальнейшее подтверждение теоремы о площадях черных дыр Хокинга.

Итак, мир постепенно постигает удивительные предсказания Стивена Хокинга. Но есть еще немало теорий, которые только предстоит доказать:

Информационный парадокс

Иллюстрация объектов, попадающих в черную дыру.

Изображение: Getty Images

Существование излучения Хокинга создает серьезную проблему для теоретиков. Видимо, это единственный физический процесс, который удаляет информацию из Вселенной.

Основные свойства материала, из которого образовалась черная дыра, кажутся утерянными навсегда, а выходящее излучение ничего не говорит нам о них. Это так называемый информационный парадокс, который ученые пытались решить десятилетиями. Собственный взгляд Хокинга на загадку, опубликованный в 2016 году, заключается в том, что информация на самом деле не потеряна. Он хранится в облаке частиц с нулевой энергией, окружающем черную дыру, которую он назвал «мягкими волосами». Но теорема Хокинга о волосатой черной дыре — лишь одна из нескольких выдвинутых гипотез, и на сегодняшний день никто не знает истинного ответа .

Первичные черные дыры

Цифровая иллюстрация черной дыры.

Изображение: Getty Images

Черные дыры создаются в результате гравитационного коллапса уже существующей материи, такой как звезды. Но также возможно, что некоторые из них были созданы спонтанно в очень ранней Вселенной, вскоре после Большого взрыва.

Хокинг был первым, кто глубоко исследовал теорию, лежащую в основе таких первичных черных дыр. Он предположил, что они могут иметь практически любую массу, от очень легкой до очень тяжелой. Однако, согласно его теории излучения, самые крошечные из них к настоящему времени бы «испарились».

Одна интригующая возможность, рассмотренная Хокингом, заключается в том, что первичные черные дыры могут составлять загадочную темную материю, которая, по мнению астрономов, пронизывает Вселенную. Однако, текущие данные наблюдений указывают на то, что это маловероятно. В любом случае, в настоящее время у нас нет инструментов наблюдения, чтобы обнаружить первичные черные дыры.

Мультивселенная

Концептуальная иллюстрация теории мультивселенной.

Изображение: Getty Images

Одной из тем, над которой Хокинг работал к концу своей жизни, была теория мультивселенной — идея о том, что наша Вселенная, возникшая в результате Большого взрыва, является лишь одной из бесконечного числа сосуществующих пузырьковых вселенных.

В своей последней статье 2018 года Хокинг, по его собственным словам, «попытаться приручить мультивселенную». Он предложил новую математическую основу, которая, не отказываясь от мультивселенной в целом, сделала ее конечной, а не бесконечной. Но, как и в случае с любыми спекуляциями о параллельных вселенных, мы не знаем, верны ли его идеи. И вряд ли в ближайшее время ученые смогут проверить его идею.

Гипотеза о защите хронологии

Кадр из фильма «Назад в будущее»

Как ни удивительно это звучит, законы физики — в том смысле, в каком мы их понимаем сегодня — не запрещают путешествия во времени. Решения уравнений общей теории относительности Эйнштейна включают «замкнутые временные кривые», которые позволят вам вернуться в свое прошлое. Хокинга это беспокоило, потому что он чувствовал, что путешествие во времени назад порождает логические парадоксы, которые просто невозможны.

Поэтому он предположил, что некий неизвестный в настоящее время закон физики предотвращает возникновение замкнутых временных кривых — его так называемая «гипотеза защиты хронологии». Но «догадка» — это просто «догадка» на научном языке, и мы действительно не знаем, возможно ли путешествие во времени или нет.

Создатель

Адам, касающийся пальцев Бога. Изображение представляет собой адаптированную версию работы Микеланджело над Сикстинской капеллой, написанной между 1508-1512 годами.

Изображение: Getty Images

Один из вопросов, который чаще всего задают космологам, — «что было до Большого взрыва?» По мнению Хокинга, вопрос бессмысленен. Фактически само время, а также Вселенная и все, что в ней, началось с Большого взрыва. Вселенная появилась из ничего, и Большой взрыв был вызван… ничем!

Впрочем, уже в следующую секунду после этого события произошло нечто удивительное: началось время. Именно поэтому вернуться назад во времени до Большого взрыва невозможно – его просто не существовало. А значит, не было и причины появления Вселенной, ведь для наличия причинно-следственной связи тоже требуется время. У Бога просто не было времени создать причину появления Вселенной. Для самого Стивена Хокинга все это означает невозможность создания и самого создателя, потому что для этого тоже не было времени.

«Пока мы полагали, что Вселенная имеет начало, роль создателя казалась ясной, – пишет Хокинг в книге «Кратчайшая история времени». – Но если Вселенная действительно полностью автономна, не имеет ни границ, ни краев, ни начала, ни конца, то ответ на вопрос о роли создателя перестает быть очевидным».

У Бога просто не было времени создать причину появления Вселенной. Для самого Стивена Хокинга все это означает невозможность создания и самого создателя, потому что для этого тоже не было времени.

Многие люди не согласятся с этим мнением, но Хокинг выражал его неоднократно на протяжении всей своей жизни. Ответ на его теорию мы, скорее всего, так никогда и не узнаем.