Литературно-публицистический журнал «Млечный Путь»

Литературно-публицистический журнал «Млечный Путь»


       Главная    Повести    Рассказы    Переводы    Эссе    Наука    Поэзия    Авторы    Поиск  

  Авторизация    Регистрация    Подписка    Друзья    Вопросы    Контакт      

       1    2    3    4  
  14    15    16    17    18    19    20    21    22    23    24      



Павел  АМНУЭЛЬ

  ВСЕЛЕННАЯ СТИВЕНА ХОКИНГА 

12 марта 2018 года в Кембридже скончался выдающийся британский ученый, физик-теоретик Стивен Хокинг. Вряд ли можно найти человека, сколько-нибудь интересующегося наукой, да даже и не интересующегося, но смотрящего телевизор и читающего газеты, который не слышал бы о Хокинге. О том, что именно Хокинг сделал для физики, знает на самом деле довольно узкий круг ученых, а о том, каким был Хокинг в жизни, известно каждому.

В Интернете, конечно, все СМИ писали о Хокинге – в основном, о его удивительной и героической биографии.

Родился Стивен Хокинг 8 января 1942 года в Оксфорде. Родители работали в Медицинском центре в Хампстеде. Отец – исследователем, мать – секретарем. В Википедии (https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A5%D0%BE%D0%BA%D0%B8%D0%BD%D0%B3,_%D0%A1%D1%82%D0%B8%D0%B2%D0%B5%D0%BD)

сказано: «В 1962 году Стивен окончил Оксфордский университет (степень B. A.), а в 1966 году в колледже Тринити-холл Кембриджского университета получил степень Ph. D., защитив диссертацию «Свойства расширяющихся вселенных».

На сайте «Интерфакса» http://www.interfax.ru/world/603477 можно прочитать более подробно:

«Исследовательскую деятельность Хокинг начал еще в годы учебы в Кембридже, преподавал теорию гравитации, гравитационную физику, работал в Институте астрономии, на кафедре прикладной математики и теоретической физики Кембриджа. В Калифорнийском технологическом институте, куда его пригласили в 1974 году, он занимался, в частности, вопросами общей теории относительности. В 1979 физик получил должность Лукасовского профессора Кембриджского университета и занимал ее до 2009 года.

 

 

Более 20 лет Хокинг руководил группой, занимающейся проблемами вокруг теории относительности и вопросами гравитации. В 2007 году он основал при Кембриджском университете Центр теоретической космологии».

Одно из наиболее популярных произведений Хокинга – «Краткая история времени». Вышедшая в 1988 году с подзаголовком «От большого взрыва до черных дыр» книга сразу стала бестселлером. Ее тираж составил 10 млн копий, переведена на 40 языков. Позже Хокинг написал еще две книги: «Черные дыры и молодые вселенные» (1993 год) и «Мир в ореховой скорлупке» (2001 год). В 2005 году опубликована «Кратчайшая история времени» – новое издание бестселлера 1988 года.

Хокинг верил в существование внеземной жизни. «Во Вселенной со ста 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 числа позволяют принимать мысль о существовании инопланетной жизни как абсолютно разумную. Реальной проблемой является то, как могут выглядеть инопланетяне, понравятся ли они землянам своим видом. Ведь они могут быть микробами или одноклеточными животными, или червями, которые населяли Землю в течение миллионов лет», – считает Хокинг.

Немецкий популяризатор науки Хуберт Мания в своей книге «Стивен Хокинг» так описывает британского физика: «Почти совершенное воплощение свободного духа, огромного интеллекта, человека, который мужественно преодолевает физическую немощь, отдавая все силы на расшифровку "божественного замысла"».

Сайт газеты «Московский комсомолец» http://www.mk.ru/science/2018/03/14/stiven-khoking-pered-smertyu-predskazal-scenarii-konca-sveta.html сообщает:

«Последние полвека я прожил с перспективой ранней смерти. Я не боюсь смерти, но не тороплюсь умирать, – признавался Хокинг. – Сначала мне надо так много сделать».

Признаки бокового амиотрофического склероза, которые впоследствии привели к параличу, стали проявляться у Стивена Хокинга в начале 1960-х. Когда врачи поставили ему неутешительный диагноз, прогнозы медиков обещали молодому человеку года два с половиной жизни. Но они ошиблись.

Судьба, тем не менее, продолжала наносить удары по Хокингу: в 1985 году он тяжело заболел воспалением легких. После проведенной трахеотомии Хокинг утратил способность говорить – тогда друзья подарили ему синтезатор речи, который был установлен на его инвалидном кресле.

У парализованного ученого подвижность сохранялась лишь в мимической мышце щеки, напротив которой закреплен датчик. С его помощью Хокинг управлял компьютером, позволяющим ему общаться с окружающими.

«Мои ожидания от жизни были сведены к нулю, когда мне был 21 год. Все, что было с тех пор – это бонус», – говорил Стивен Хокинг.

Тяжелая болезнь не мешала парализованному ученому вести активную жизнь. Он не только продолжил научную работу, но дважды женился и стал отцом троих детей! В 2007 году он совершил полет в невесомости над Атлантикой на специально сконструированном самолете. Хокинг мечтал слетать в космос – и такой полет планировался на 2009 год, но ему не суждено было состояться.

Хокинг несколько раз приезжал в СССР по научным делам. Например, в 1973 году он обсуждал проблемы черных дыр с советскими учеными Яковом Зельдовичем и Алексеем Старобинским. В 1981 году Хокинг снова побывал в Москве на международном семинаре по квантовой теории гравитации.

Уже после того, как у Хокинга было диагностировано тяжелое заболевание, Стивен женился в 1965 году на подруге своей сестры Джейн Уайлд. С ней он познакомился, будучи студентом Кембриджа. По словам Хокинга, помолвка с Джейн дала ему тогда «нечто, ради чего стоило жить». У них родились два сына (Роберт и Тимоти) и дочь Люси. Но в отношениях супругов возникла трещина – Джейн полюбила другого.

 

 

С 1990 года Стивен и Джейн стали жить раздельно, а потом и развелись официально. В 1995 году Хокинг сочетался браком со своей сиделкой, Элайн Мэйсон: «Это чудесно – я женился на женщине, которую люблю». Правда, в октябре 2006 года они также развелись.

 

 

Ученый относился к религии скептически (впрочем, он был скорее агностиком, чем атеистом). Правда, в своей «Краткой истории времени» Хокинг допускал место Всевышнего в создании всего сущего. Но позже ученый пришел к выводу, что Вселенная возникла по объективным физическим законам, и ее появление нельзя связывать с деятельностью высшего разума: «Для того, чтобы поджечь запал и запустить Вселенную, не обязательно нужен Бог».

Рассуждая о рождении Вселенной, Стивен Хокинг не мог не задумываться и о конце света для человечества. Он прогнозировал четыре возможных его сценария: ядерная война, искусственный интеллект (развиваясь, он превзойдет человеческий род), созданные генной инженерией вирусы (случайно или умышленно созданный опасный вирус может оказаться смертельно опасным для всего человечества), глобальное потепление».

 

***

Что же сделал Хокинг для науки? Он опубликовал много интересных работ – один и в соавторстве с другими выдающимися физиками современности. Исследовал физику черных дыр, ранние стадии эволюции Вселенной, занимался различными проблемами квантовой физики и общей теории относительности, пытался, как до него Альберт Эйнштейн, объединить все физические поля и создать единую теорию поля или, как сейчас говорят: Теорию Всего. Самыми важными работами Хокинга физики считают две: об испарении черных дыр (процесс получил название «излучение Хокинга») и о том, что происходит с информацией, заключенной в телах, падающих в черную дыру.

В шестидесятых годах прошлого века теоретические исследования так называемых коллапсирующих звезд (Джон Уилер назвал их «черными дырами», и это название прижилось) только начинались. Общее мнение физиков было: черные дыры не излучают ничего (ведь скорость убегания для них равна скорости света!), обнаружить эти странные объекты можно только по косвенным признакам – например, по излучению падающего на черную дыру межзвездного газа. Уилер тогда образно заметил: «Черные дыры не имеют волос».

Несколько лет спустя молодой тогда физик Стивен Хокинг сделал замечательное открытие: «волосы» у черных дыр все-таки есть! Черные дыры излучают.

 

***

О том, что представляет собой излучение Хокинга, интересно рассказывает другой выдающийся физик и популяризатор науки Брайан Грин в книге «Скрытая реальность, параллельные миры и глубинные законы космоса». В Интернете с этим текстом можно ознакомиться на сайте https://www.e-reading.club/chapter.php/1040302/101/Grin_-_Skrytaya_realnost._Parallelnye_miry_i_glubinnye_zakony_kosmosa.html:

 

«Поскольку квантовая механика не играет никакой роли в общей теории относительности Эйнштейна, решение Шварцшильда для черных дыр основывается исключительно на классической физике. Однако надлежащее рассмотрение вещества и излучения – таких частиц, как фотоны, нейтрино и электроны, которые могут переносить массу, энергию и энтропию из одного места в другое – требует  привлечения квантовой механики. Чтобы в полной мере оценить природу черных дыр и разобраться, как они взаимодействуют с веществом и излучением, необходимо продлить решение Шварцшильда в квантовую область. Это нелегко. Несмотря на достижения теории струн (а также других подходов, которых мы не коснулись, таких как петлевая квантовая гравитация, твисторы, теория топосов), мы по-прежнему находимся на начальном уровне в наших попытках совместить квантовую физику и теорию гравитации. А в далеких 1970-х было еще меньше теоретических оснований для понимания того, как квантовая механика может влиять на гравитацию.

Однако были физики, которые работали в этом направлении и которым удалось добиться частичного объединения квантовой механики и общей теории относительности, рассмотрев распространение квантовых полей (квантовая часть) в фиксированной, но искривленной пространственно-временной среде (гравитационная часть). Полное объединение должно, как минимум, содержать рассмотрение не только квантовых флуктуаций полей на пространстве-времени, но также квантовых флуктуаций самого пространства-времени. Простоты ради это усложнение не учитывалось в первых работах. Хокинг воспользовался частичным объединением и рассмотрел, как квантовые поля будут вести себя в очень особой области пространства-времени – в окрестности черной дыры. То, что он обнаружил, поразило физиков до глубины души.

Хорошо известное свойство квантовых полей в обычном, пустом, неискривленном пространстве-времени состоит в том, что из-за квантовых флуктуаций парам частиц, например, электрону и его античастице, позитрону, позволяется мгновенно возникнуть из ничего, немножко пожить, после чего столкнуться друг с другом, и в результате взаимно аннигилировать. Этот процесс, квантовое рождение пары, интенсивно изучался как теоретически, так и экспериментально, и был разобран со всех сторон.

Новой характеристикой квантового рождения пары является то, что если один партнер имеет положительную энергию, то из закона сохранения энергии следует, что другой партнер должен обладать тем же количеством отрицательной энергии – понятие, которое не имеет смысла в классической вселенной. Однако, благодаря принципу неопределенности имеется своеобразная лазейка, позволяющая частицам иметь отрицательную энергию, при условии, что, возникнув, они не сильно долго будут злоупотреблять гостеприимством. Если частица существует лишь мимолетно, то квантовая неопределенность говорит, что никакому эксперименту не хватит времени, даже в принципе, определить знак ее энергии. Именно такова основная причина, почему пара частиц обречена квантовыми законами на быструю аннигиляцию. Поэтому при квантовых флуктуациях пары частиц беспрестанно рождаются и аннигилируют, рождаются и аннигилируют, на фоне неизбежной непрекращающейся игры квантовой неопределенности в пространстве, которое иначе оставалось бы пустым.

Хокинг заново рассмотрел вездесущие квантовые флуктуации, но не в пустом пространстве, а вблизи горизонта событий черной дыры. Он обнаружил, что часто все выглядит как обычно. Пары частиц образуются случайным образом; быстро находят друг друга; после чего аннигилируют. Но время от времени происходит нечто новое. Если частицы образуются достаточно близко к краю черной дыры, то одну из них может затянуть внутрь, а другая улетит в пространство. В отсутствии черной дыры такого никогда не происходит, потому что, если частицы не аннигилируют друг с другом, то частица с отрицательной энергией сможет пробиться сквозь защитную рябь квантовой неопределенности. Хокинг осознал, что столь радикальное закручивание пространства и времени черной дырой может привести к тому, что частицы, обладающие отрицательной энергией с точки зрения наблюдателя снаружи черной дыры, окажутся частицами с положительной энергией для несчастного наблюдателя внутри нее. Таким образом, черная дыра предоставляет частицам с отрицательной энергией надежное убежище, поэтому нужда в квантовой маскировке отпадает. Возникшие частицы могут избежать взаимной аннигиляции и заявить о своей независимой жизни.

Частицы с положительной энергией летят наружу от горизонта событий, поэтому издалека они выглядят как некое излучение, получившее название излучение Хокинга. Частицы с отрицательной энергией поглощаются черной дырой, поэтому их нельзя непосредственно наблюдать, однако их можно обнаружить косвенным способом. Подобно тому как масса черной дыры растет при поглощении всего, что обладает положительной энергией, она также уменьшается при поглощении всего, что имеет отрицательную энергию. Эти два процесса в совокупности делают черную дыру похожей на кусок горящего угля: черная дыра беспрестанно излучает направленный наружу поток излучения по мере того как ее масса уменьшается. То есть, если добавить квантовую механику, то черные дыры перестают быть абсолютно черными. Открытие Хокинга было как гром среди ясного неба.

 


 

Однако это вовсе не означает, что типичная черная дыра нагрета до красного свечения. По мере того как поток частицы летит от черной дыры, он должен преодолевать невероятное сопротивление со стороны ее гравитационного притяжения. На это частицы тратят свою энергию и поэтому значительно остывают. Хокинг вычислил, что наблюдатель, находящийся достаточно далеко от черной дыры, обнаружит, что температура остаточного «утомленного» излучения обратно пропорциональна массе черной дыры. Огромная черная дыра, подобная находящейся в центре нашей Галактики, имеет температуру менее триллионной доли градуса выше абсолютного нуля. Черная дыра с массой Солнца будет иметь температуру меньше чем миллионная доля градуса, даже меньше, чем температура в 2,7 градуса реликтового излучения, оставшегося после Большого взрыва. Чтобы температура черной дыры была достаточно высока, чтобы приготовить барбекю для всей семьи, ее масса должна быть примерно в десять тысяч раз больше массы Земли, а это экстраординарно малая величина в космических масштабах.

Однако само значение температуры черной дыры не столь важно. Хотя излучение, идущее от удаленных астрофизических черных дыр, не сможет осветить ночное небо, тот факт, что они действительно имеют температуру, что они действительно излучают, означает, что эксперты поспешили отбросить гипотезу Бекенштейна о том, что черные дыры действительно обладают энтропией. Хокинг великолепно справился с этой задачей. Его теоретические вычисления, определяющие температуру данной черной дыры и испускаемого ею излучения, дали все необходимые данные для определения количества энтропии, которую, согласно стандартным законам термодинамики, должна иметь черная дыра. Полученный ответ оказался пропорционален площади поверхности черной дыры, как и предполагал Бекенштейн.

Итак, к концу 1974 года Второй закон вновь стал законом. Открытия Бекенштейна и Хокинга выявили, что в любой ситуации полная энтропия возрастает, если при этом учитывать не только энтропию обычного вещества и излучения, но также и находящуюся внутри черных дыр и определяемую площадью их полной поверхности. Вместо того чтобы быть стоком для энтропии и приводить к нарушению Второго закона, черные дыры играют активную роль в исполнении этого закона во вселенной с постоянно увеличивающимся беспорядком.

Это заключение вызвало долгожданное облегчение. Для многих физиков Второй закон, основанный на, казалось бы, неоспоримых статистических рассуждениях, стал священным как практически никакой другой в науке. Его воскрешение означало, что с этим миром опять все в порядке. Но со временем появилась небольшая, но первостепенно важная запись в бухгалтерской книге энтропии, которая показала, что вопрос о справедливости Второго закона не является самым приоритетным. Эта честь досталась задаче о месте хранения энтропии, задаче, важность которой станет очевидной, когда мы выявим глубокую связь между энтропией и центральной темой этой главы – информацией».

 

***

О другом интересном и пока не разгаданном явлении, открытом Хокингом и связанным с черными дырами, пишет на сайте «Элементы» научный журналист Игорь Иванов http://elementy.ru/novosti_nauki/430149/Informatsionnyy_paradoks_chernykh_dyr_slegka_rasputan:

«Квантовая информация обладает поразительным свойством: она может физически присутствовать в нашем мире, но быть совершенно недоступной для “считывания”. Это свойство отчасти разрешает информационный парадокс черных дыр.

Многие “парадоксы”, с которыми иногда приходится сталкиваться в жизни, являются на самом деле не настоящими логическими противоречиями, а лишь результатом неправильного использования терминов и понятий там, где их применять нельзя. Преподаватели знают, что очень полезно ставить перед студентом такого рода “парадоксы” для углубления понимания дисциплины.

На удочку, похоже, попались сами ученые. Как утверждают Ли Смолин и Дж. Оппенгейм, знаменитый клубок парадоксов, связанных с (не)исчезновением информации в черной дыре, возникает, по крайней мере, отчасти из-за неправильного использования понятия информации в квантовой теории.

Напомним вкратце суть проблемы.

Квантовая механика прекрасно описывает мир микрочастиц, в котором гравитация столь слаба, что ею обычно пренебрегают. Общая теория относительности, наоборот, описывает гравитационные явления в астрономических масштабах, там, где квантовые эффекты не важны. Обе эти теории безупречно выполняются в своих областях применимости и не мешают друг другу.

По-настоящему столкнулись эти две теории в 1975 году, когда Стивен Хокинг открыл, что черные дыры обязаны “испаряться”: фотон за фотоном излучать свою энергию в окружающее пространство, сами при этом постепенно уменьшаясь. Тут-то и оказалось, что свойства этого процесса, вычисленные по теории относительности, противоречат основным постулатам квантовой теории. Получается, либо общая теория относительности, либо квантовая механика в этом конкретном процессе перестанут работать, но кто именно – пока неизвестно (впрочем, сам Стивен Хокинг уже пришел к определенной точке зрения).

Физики эту дилемму обычно формулируют в виде информационного парадокса. При теоретическом описании любого тела физики оперируют характеризующей его информацией: количеством молекул, их движением, их взаимным расположением и т.п. И при падении тела в черную дыру эта информация поглощается вместе с телом.

Если приближение, использованное Хокингом в вычислениях, справедливо, то черная дыра будет служить универсальным уничтожителем информации. Не важно, что и в каком состоянии в нее упадет: в результате испарения будет всегда один и тот же беспорядочный набор фотонов. Первоначальная информация, заключенная в теле, исчезает из нашего мира напрочь, и это противоречит одному из главных постулатов квантовой механики.

Если же вычисления Хокинга неточны, а квантовая механика, наоборот, применима и в этом случае, то вылетающие фотоны будут содержать в себе информацию об упавшем в черную дыру теле, и ее, теоретически, можно восстановить, полностью или частично (хоть с практической точки зрения это нереально). Остается, однако, непонятным, почему в этом случае не срабатывает теория относительности.

Были, конечно, и попытки примирить эти две теории. Например, можно предположить, что информация не исчезает, а лишь накапливается внутри черной дыры, оставаясь недоступной внешнему миру. И лишь в последний момент, когда испарятся последние остатки микроскопической черной дыры (для которой расчеты Хокинга заведомо неприменимы), вся информация и выйдет наружу. Впрочем, скептики сразу же возразили: микроскопическая черная дыра слишком мала, чтобы удержать столько информации, а значит, это предложение не проходит.

И вот тут-то интуиция и подвела физиков. На самом деле, как подчеркивается в статье, из того факта, что информация пока что не вышла из черной дыры, вовсе не следует, что она все еще внутри!

Авторы напоминают, что свойства квантовой информации отличаются от свойств обычной, классической информации. Квантовая информация не обязана быть локализована где-то в пространстве и, как недавно было обнаружено, ее часто нельзя разделить на части. Иными словами, если взять “квантовую книгу” и разделить ее на две части, то может оказаться, что ни одна из половинок не даст нам вообще никакой информации.

В случае черных дыр возможна даже такая ситуация: материальные носители, фотоны, в процессе утечки информации наружу нам доступны, мы знаем, что они как-то кодируют в себе эту информацию, но расшифровать ее нельзя даже в принципе. Грубо говоря, невозможно определить, что именно у фотонов надо измерить, чтобы извлечь эту информацию.

Получается, что весь огромный объем информации вовсе не обязан прятаться внутри черной дыры; он может присутствовать во внешнем мире, но быть столь «намертво» зашифрованным, что окажется недоступным ни для какого наблюдения. Для того, чтоб получить доступ к этой “летописи”, надо дождаться самых последних битов этого потока информации (а их микроскопическая черная дыра удержать вполне может), которые и послужат ключом к полной расшифровке.

Авторы подчеркивают, что они вовсе не предъявляют полное решение информационного парадокса черных дыр: оно будет получено лишь после создания более или менее цельной теории квантовой гравитации. Однако они доказывают, что, по крайней мере, некоторые грани этой проблемы есть лишь следствие неправильных аналогий и к исходному вопросу имеют мало отношения».

 

***

Стивен Хокинг известен не только своими открытиями в физике и научно-популярными книгами. Он размышлял о многом, и многие его высказывания многократно цитируются в Интернете, например, на сайтах:

http://www.scientific.ru/journal/hawking_penrose/hp.html

http://www.bbc.com/russian/features-43397907

Читайте – так говорил Хокинг:

О черных дырах: «Эйнштейн был неправ, когда сказал: “Бог не играет в кости”. Изучение черных дыр показывает, что Бог не только играет в кости, но и иногда обманывает нас, бросая их туда, где мы не можем их видеть».

О Вселенной: «Мы всего лишь развитые потомки обезьян на маленькой планете с ничем не примечательной звездой. Но у нас есть шансы постичь Вселенную. Это и делает нас особенными».

О причинах существования Вселенной: «Если будет найден ответ на этот вопрос, это будет полным триумфом человеческого разума, ибо тогда нам станет понятен замысел Бога».

О несовершенном мире: «Одним из основных правил Вселенной является то, что нет ничего совершенного. Совершенства просто не существует... Без несовершенства ни вы, ни я не существовали бы».

О судьбе: «Я заметил, что даже те люди, которые говорят, что все предопределено и ничего нельзя изменить, смотрят по сторонам, когда переходят дорогу».

О людях: «Тихие люди обладают самыми громкими умами».

О смерти: «Я живу с прогнозом ранней смерти последние 49 лет. Я не боюсь смерти, но и не тороплюсь умирать: я еще хочу многого добиться».

О своем вкладе в науку: «Жить, занимаясь исследованиями по теоретической физике, – это было чудесно. Я счастлив, если мне удалось что-то добавить к нашему пониманию Вселенной».

 



Комментарии

  Павел  АМНУЭЛЬ   НОВОСТИ «НАУКИ И ЖИЗНИ»


 
Copyright © 2015-2016, Леонид Шифман