Некоторые теории Хокинга произвели революцию в нашем взгляде на Вселенную, но другие по-прежнему заставляют ученых ломать голову. «Хайтек» рассказывает о самых точных, причудливых и ошибочных предположениях великого ученого.
Читайте «Хайтек» в
Стивен Хокинг был одним из величайших физиков-теоретиков современности, чья карьера продлилась более 50 лет, несмотря на прогнозы врачей. Начиная с докторской диссертации в 1966 году, он продолжал делать удивительные открытия о Вселенной безостановочно вплоть до 2018 года. Физик опубликовал последнюю работу всего за несколько дней до смерти в возрасте 76 лет.
Хокинг работал на передовых интеллектуальных рубежах физики, и его теории часто казались причудливыми. Во всяком случае, в то время, когда он их впервые озвучивал. Тем не менее, они медленно, но верно принимаются в научном сообществе. От революционных взглядов на черные дыры до объяснения начала существования Вселенной, вот некоторые из его теорий, которые уже подтвердились и которые нет.
Большой взрыв победил
Хокинг начал писать свою докторскую диссертацию в тот момент, когда в научном сообществе шли жаркие споры о том, как зародилась Вселенная. Две соперничающие идеи по-своему объясняли начало всего — теория Большого взрыва и теория устойчивости. Обе признавали, что Вселенная расширяется, но в первой она расширяется из ультракомпактного, сверхплотного состояния, а вторая предполагает, что Вселенная расширяется вечно, при этом для поддержания постоянной плотности постоянно создается новая материя.
В своей диссертации Хокинг показал, что теория устойчивого состояния математически противоречива сама себе. Физик утверждал, что Вселенная началась как бесконечно малая, бесконечно плотная точка — с сингулярности. Сегодня описание Хокинга почти повсеместно принято среди ученых.
Черные дыры реальны
Имя Хокинга больше всего ассоциируется с черными дырами — еще одним видом сингулярности. Эти объекты образуются, когда звезда подвергается коллапсу под действием собственной гравитации. Проблема была в том, что существование черных дыр хоть и вписывалось в общую теорию относительности Эйнштейна, но противоречило квантовой физике. Хокинг обратил внимание на черные дыры в начале 1970-х годов.
Согласно статье в Nature, он объединил уравнения Эйнштейна с уравнениями квантовой механики, чтобы доказать возможность существование черных дыр. В итоге то, что раньше было теоретической абстракцией, превратилось в жизнеспособную теорию. Окончательное доказательство того, что Хокинг был прав, появилось в 2019 году, когда телескоп Event Horizon получил прямое изображение сверхмассивной черной дыры, скрывающейся в центре гигантской галактики Messier 87.
Черные дыры получили свое название из-за того, что их гравитация настолько сильна, что фотоны или частицы света не могут покинуть их. Но в своих ранних работах по этой теме Хокинг утверждал, что ситуация не так однозначна.
Излучение Хокинга
Черные дыры получили свое название из-за того, что их гравитация настолько сильна, что фотоны или частицы света не могут покинуть их. Но в своих ранних работах по этой теме Хокинг считал иначе.
Применяя квантовую теорию, а именно идею о том, что пары «виртуальных фотонов» могут спонтанно создаваться из ничего, он понял, что некоторые из этих частиц, по-видимому, излучаются черной дырой. Эту теорию, которую теперь называют излучением Хокинга, недавно подтвердили в лабораторном эксперименте в Израильском технологическом институте Техниона, Израиль. Вместо реальной черной дыры исследователи использовали акустический аналог — «звуковую черную дыру», из которой звуковые волны не могут выйти. Они обнаружили эквивалент излучения Хокинга в точности в соответствии с предсказаниями физиков.
Информационный парадокс
Существование излучения Хокинга создает серьезную проблему для теоретиков. Согласно расчетам Хокинга, черные дыры должны излучать элементарные частицы и со временем испаряться. Кажется, это единственный физический процесс, который «удаляет» информацию из Вселенной. Это значит, что основные свойства материала, из которого образовалась черная дыра, утеряны навсегда; выходящее излучение ничего не говорит нам о них. Однако это противоречит общим принципам квантовой механики. Противоречие это получило название «информационный парадокс», и над его разрешением ученый работал последние 40 лет.
Хокинг считал, что на самом деле информация о составе черных дыр не утрачена. В 2016 году профессор заявил, что она хранится в облаке частиц с нулевой энергией, которое окружает черную дыру — ученый назвал его «легким пушком» в статье Black Hole Entropy and Soft Hair («Энтропия черной дыры и легкий пушок»).
Столь странное на первый взгляд название статьи является отсылкой к физической «теореме об отсутствии волос» у черной дыры, где «волосы» — это метафора информации о материи, которую черная дыра поглощает и не выпускает обратно. Она посвящена информационному парадоксу: ученый несколько десятилетий пытался понять, что происходит с информацией в черных дырах. Но теорема Хокинга о «волосатой» черной дыре — лишь одна из нескольких выдвинутых гипотез, и на сегодняшний день информационный парадокс остается нерешенным.
Мультивселенная
Одной из тем, с которой Хокинг работал в конце жизни, была теория мультивселенной — идея о том, что наша Вселенная, которая появилась в результате Большого взрыва, является лишь одной из бесконечного числа сосуществующих «пузырьковых Вселенных».
Однако Хокинга не устраивало предположение некоторых ученых о том, что любая нелепая ситуация, которую вы можете себе представить, прямо сейчас происходит где-то в этом бесконечном множестве параллельных Вселенных. Итак, в своей последней статье 2018 года, по его собственным словам, Хокинг «попытался 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 рассуждениями о параллельных вселенных, мы понятия не имеем, верны ли его идеи. И вряд ли в ближайшее время ученые смогут проверить его идею.
Гипотеза о защищенности хронологии
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 человеку вернуться в свое прошлое. Но, опять же, Хокинга это не устраивало — он был уверен, что путешествие во времени назад порождает логические парадоксы, которые просто невозможны.
Поэтому он предположил, что некий пока неизвестный в настоящее время закон физики предотвращает возникновение замкнутых временных кривых. Свое предположение он высказал в «гипотезе защиты хронологии». Но это просто догадка, и пока неизвестно, возможны ли путешествия во времени или нет.
Мрачные пророчества
В последние годы своей жизни Хокинг сделал серию мрачных пророчеств относительно будущего человечества.
Они варьируются от предположения о том, что неуловимый бозон Хиггса, или «частица Бога», может вызвать вакуумный пузырь, который поглотит Вселенную, до враждебных инопланетных вторжений и захвата власти на Земле искусственным интеллектом. Хотя Стивен Хокинг был прав во многих вещах, нам остается только надеяться, что он ошибался в этом.
Читать далее
В американской пустыне вылупились «живые ископаемые». Они спали десятки лет
Посмотрите на цифровое искусство, которое сделали на основе анализа книг Айзека Азимова
Брэнсон, Безос и Пересильд: зачем известные люди летят в космос и что они там делают
Это все сводится к известному нам парадоксу огненной стены черных дыр. Главной особенностью черной дыры является ее горизонт событий. Горизонт событий черной дыры – точка невозврата при приближении к ней. В общей теории относительности Эйнштейна, горизонт событий представляет собой пространство и время, которые настолько деформированы под воздействием силы тяжести, что их невозможно покинуть. Пересечете горизонт событий — и вы навсегда в ловушке.
Это односторонняя природа горизонта событий уже давняя проблема для понимания гравитационной физики. Например, горизонт событий черной дыры, казалось бы, нарушает законы термодинамики. Один из принципов термодинамики гласит о том, что ничто не должно иметь температуру абсолютного нуля. Даже очень холодные вещи излучают немного тепла, но если черная дыра поглощает свет, то она не выделяет никакого тепла. Таким образом, температура черной дыры равна нулю, что не возможно.
Тогда в 1974 году Стивен Хокинг показал, что черные дыры излучают свет благодаря квантовой механике. В квантовой теории есть пределы тому, что может быть известно об объекте. Например, вы не можете знать точно энергию объекта. Из-за этой неопределенности, энергия системы может колебаться спонтанно, до тех пор, пока ее средняя величина остается постоянной. Хокинг продемонстрировал, что вблизи горизонта событий черной дыры пары частиц могут появиться, когда одна частица оказывается в ловушке внутри горизонта событий (немного снижая массу черной дыры), а другая может избежать этого, в виде излучения (унося немного энергии черной дыры).
В то время как излучение Хокинга решило одну проблему с черными дырами, оно создало еще одну, известную как парадокс огненной стены. Когда квантовые частицы появляются парами, они спутаны, то есть, они связаны в квантовом смысле. Если одна частица захватывается черной дырой, а другая вырывается, тогда спутанность пары нарушается. В квантовой механике можно было бы сказать, что пара частиц появляется в чистом, первоначальном, виде, и горизонт событий, казалось бы, сломал это состояние.
В прошлом году было показано, что если излучение Хокинга в чистом виде, тогда либо оно не может излучать в направлении, требуемом термодинамикой, или это создаст огненную стену частиц высокой энергии вблизи поверхности горизонта событий. Это часто называют парадокс огненной стены, потому что согласно общей теории относительности, если оказаться вблизи горизонта событий черной дыры, ничего необычного не удастся заметить. Основная идея общей теории относительности (принцип эквивалентности) требует, чтобы, если вы свободно падаете к горизонту событий, не должно быть сильной огненной стены частиц высокой энергии. В своей работе Хокинг предложил решение этого парадокса, предположив, что черные дыры не имеют горизонты событий. Вместо этого они имеют кажущиеся горизонты, которые не требуют соответствия огненной стены и термодинамики. Поэтому заявление «черных дыр нет» популярно в прессе.
Но парадокс огненной стены возникает только при излучении Хокинга в чистом виде, и исследование Сабины Хоссенфельдер (Sabine Hossenfelder) показывает, что излучение Хокинга не в чистом виде. В своей статье, Хоссенфельдер показывает, что вместо пары спутанных частиц, излучение Хокинга связано с двумя такими парами. Одна спутанная пара попадает в ловушку черной дыры, в то время как другая убегает. Процесс похож на первоначальное предложение Хокинга, но частицы Хокинга не в чистом виде.
Таким образом, нет никакого парадокса. Черные дыры могут излучать свет таким образом, который согласуется с термодинамикой, и область вблизи горизонта событий не имеет огненной стены, как требует общая теория относительности. В итоге, предложение Хокинга является решением проблемы, которой не существует.
Стивен Хокинг со своей второй женой Элайн. От любви до ненависти один шаг.
Фото Reuters
Стивен Хокинг склонился к экрану компьютера и отпечатал буква за буквой: «Не оставляйте меня с ней наедине┘». У сиделки, которая прочитала эти слова, не было сомнений, «она» – это Элайн, жена Хокинга. Похоже, что не зря бьют тревогу и дети Джейн, первой жены выдающегося английского астрофизика и космолога: по их убеждению, Элайн намеренно причиняет их отцу душевные и физические мучения.
Коллизия становится особенно интригующей, если учесть, что из своих 62-х лет жизни Стивен Хокинг около 40 лет буквально прикован к инвалидному креслу – боковой амиатрофический синдром. Ему более или менее подчиняются лишь два пальца на одной руке. Мало того, он даже говорить не может – последствия операции трахеотомии. Общается с внешним миром он через компьютерный синтезатор речи…
История стала достоянием общественности в 2000 году, когда Хокинг был частым посетителем травмопункта при местной больнице Кембриджа. Сначала это была сломанная рука, потом сломанное запястье, в третий раз он шокировал врачей глубокой раной на лице, позже его привозили с подбитым глазом и разорванной губой. Несмотря на настойчивые расспросы, профессор отказывался объяснить свои разнообразные травмы. Начатое тогда полицейское расследование заглохло.
Сегодня, когда Хокинг находится в больнице с воспалением легких, персонал не спускает с него глаз ни на минуту. А полиция и газеты начали расследование странных событий, которые происходили в последние годы в доме всемирно известного кембриджского профессора-миллионера.
Сиделки, ухаживающие за ученым, подписывали договор, в котором обязывались молчать о подробностях, но некоторые из них анонимно нарушили обещание и описали печальные сцены из жизни Хокинга.
Вот Элайн сталкивает мужа в его оборудованном по последнему слову науки и техники инвалидном кресле вниз по ступенькам и кричит: «Ну ты, тупица!»
Купание почти в кипятке или в ледяной воде – жена нарочно опускала его в ванной так низко, что вода попадала в отверстие в его шее, оставшееся после трахеотомии.
Прошлым летом Хокинг был буквально забыт под палящим солнцем в саду своего кембриджского дома. Элайн отобрала его компьютерную мышь, и он не мог никого позвать на помощь. Ожоги и солнечный удар были результатом.
Еще одна из любимых выходок миссис Хокинг – срочно вызывать сиделок ночью в супружескую спальню только для того, чтобы они увидели ее и профессора в самых интимных позах. «Думаю, таким образом Элайн показывала всем, их сексуальная связь не фиктивная», – сказала одна из свидетельниц.
Почему же сам профессор отказывается делать официальные заявления о жестоком обращении? Люди, которые хорошо его знают, объясняют это его гордостью и упрямством. Недавно он получил премию Aventis как автор, пишущий на научные темы, за очередную книгу «Вселенная в ореховой скорлупе». Мировую известность ему принесла книга «Краткая история времени», опубликованная в 1988 году.
Тогда он еще жил со своей первой женой – Джейн. Они поженились очень молодыми, родили троих детей. Болезнь, приведшая к параличу, не помешала Хокингу стать автором нескольких бестселлеров и многочисленных научных трудов. Но их 26-летний брак не был безоблачным, потому что с молчаливого согласия Стивена Джейн встречалась с другим мужчиной.
Элайн вошла в их жизнь в образе сиделки и ангела-хранителя. Ее муж-инженер сконструировал тот самый компьютерный синтезатор речи, который «говорит» за Хокинга.
С самого начала Элайн начала отгораживать его от семьи. По словам одного из друзей Хокинга, «она всячески превозносила его и буквально целовала землю под его ногами, внушая ему, что она – единственная, кто может как следует заботиться о нем». Для Джейн этот период был особенно нелегким, она описала его в своей книге «Музыка, доходящая до звезд».
Именно в это время Элайн стала сопровождать ученого в его многочисленных заграничных поездках, предоставляя ему на глазах у публики такой самоотверженный уход, что Джейн чувствовала себя ничтожной и ненужной. Однажды, позвонив домой, она услышала гневную отповедь Элайн: «Что это вы звоните? Сейчас – мое личное время со Стивеном».
В 1990 году, после нескольких лет запутанности в семейных отношениях, профессор Хокинг предложил жене развод, сообщив, что он оставляет ее ради Элайн. Через пять лет он женился на своей бывшей сиделке. Джейн тоже создала новую семью со своим давним возлюбленным.
Вскоре начались подозрительные порезы, переломы, ушибы.
Наиболее известным был инцидент двухгодичной давности, когда Стивен Хокинг готовился торжественно, с многочисленными друзьями и коллегами, отпраздновать свое 60-летие. Для него эта дата была особо значительной еще и потому, что в свое время врачи, узнав о его заболевании, обещали ему, тогда двадцатилетнему, всего несколько лет жизни.
За две недели до празднования, однако, его коляска загадочным образом врезалась в стену. Ему пришлось перенести операцию по поводу сломанного бедра, но тем не менее он присутствовал на вечере, посвященном юбилею, и даже пошутил, что «имел дискуссию со стеной и стена победила». Он даже нашел в себе силы совершить полет на воздушном шаре, специально сконструированном, чтобы принять на борт инвалидную коляску – это был подарок ко дню рождения от жены. Сейчас воздушный шар продается на аукционе┘
Незадолго до последнего Рождества дочь Хокинга Люси решила проведать отца. Войдя в дом, она обнаружила шумную, совершенно пьяную компанию во главе с хозяйкой дома. Единственным, кто не мог принять участия в этом веселье, был сам профессор Хокинг, сидевший в инвалидной коляске в углу комнаты. Было очевидно, что о нем совершенно забыли.
Несмотря на все опровержения ученого, его первая жена и дети уверены, что он стал жертвой жестокого обращения. Джейн говорит: «Ситуация даже хуже, чем можно представить. Стивен абсолютно беззащитен. Я не думаю, что он контролирует события». Она настолько переживает за его безопасность, что полагает – он не должен быть выписан из больницы до тех пор, пока ситуация не прояснится.
Еще одна из бывших сиделок готовится прилететь из-за границы, чтобы сделать заявление в полиции. После сбора фактов миссис Хокинг будет вызвана на допрос. Следователи планируют поговорить с самим профессором, когда он выйдет из больницы.
Лондон
Комментарии для элемента не найдены.
14 марта исполнится год, как наш мир покинул великий физик, писатель, космолог и научный популяризатор Стивен Хокинг. Ему удалось сделать значительный вклад в науку и заинтересовать широкий круг людей своими книгами. Но он не всегда оказывался прав, что подтверждают два известных проигранных спора.
Черная дыра или…
Можно сказать, что Стивен Хокинг посвятил жизнь изучению не только Вселенной, но и любимых черных дыр. Поэтому некоторых удивляет, что он не смог распознать одну из них. В 1974 году между Хокингом и физиком/астрономом Кипом Торном развернулась дискуссия касательно необычного объекта Лебедь Х-1.
Небесное тело высвобождало необычные лучи и, хотя его стали воспринимать кандидатом в черные дыры, никто точно не мог подтвердить природу. Торн считал, что это черная дыра, а вот Хокинг спорил и опровергал это утверждение.
Тогда два друга решили устроить пари. Если Хокинг выиграет, то Торн должен оплатить 4-летнюю подписку на сатирический журнал Private Eye. Если же на оборот, Торн получит годовую оплату мужского журнала Penthouse (хотя его жена сильно протестовала против выбора издания).
Еще в 1988 году Хокинг начал догадываться, что оказался неправ и в 1990-м согласился с поражением, выполнив условия сделки. Важно понимать, что это был скорее шуточный спор и ученые остались друзьями. Стивен не расстроился, ведь обнаружение этой черной дыры играло в пользу его теории. Интересно, что официально Торн подтвердил свою победу только в 2011 году.
И снова черные дыры
Во второй раз Хокинг действовал уже на стороне Торна. У них завязался спор с физиком-теоретиком Джоном Прескиллом. Что послужило темой? Мы знаем, что материя несет в себе определенную информацию. Черные дыры питаются информацией, поглощая ее в себя.
Одна из ранних теорий Хокинга гласила, что впитанную информацию (в материи) не получится отыскать, потому что она как бы оказывается в другом месте, вроде параллельной Вселенной, куда у нас нет возможности проникнуть. Его поддержал Торн. А вот Прескилл считал, что черные дыры высвобождают информацию в своих лучах. И хоть у нас нет возможности ее опознать (провести расшифровку), однако она никуда не исчезает.
Дискуссия развернулась в 1997 году. Победивший должен был получить все серии Британской энциклопедии (первое издание вышло в 1768 году). В 2004 году Хокинг решил уступить и признал правоту Прескилла, подарив ему огромную энциклопедию по бейсболу. Он сказал, что горизонты черных дыр должны колебаться и создавать утечку информации. Однако такая информация оказывается бесполезной, поэтому он и подарил бейсбольную энциклопедию (намекая на бесполезность знаний).
Постскриптум
В последнем споре Стивен Хокинг выразился весьма туманно, так что никто из участников его толком не смог понять. Все же Пресквилл принял «приз», а вот Торн не признал себя побежденным. Но они с Хокингом остались друзьями.
После похорон Торн писал:
«Стив был не только одним из величайших ученых нашей эпохи, но и прекрасным другом и вдохновителем. Он брал от жизни все и постоянно шутил. Представьте, ему удалось затащить меня в Антарктиду в средине антарктической зимы! Его видение Вселенной вдохновило многие поколения физиков. Я уже сильно по нему скучаю».
Хокинг утверждал, что в черных дырах информация уничтожается, что противоречит квантовой физике. Но новое исследование говорит, что его знаменитый парадокс ошибочен.
В новом научном исследовании заявлено, что найдено решение одной из величайших загадок современной физики: парадокса черных дыр Стивена Хокинга. Если исследование верно, оно докажет, что выдающийся ученый ошибался и проложит новый путь с далеко идущими последствиями для науки и квантовой физики.
Исследование под названием “Квантовые гравитационные поправки к созданию частиц в черных дырах” объясняет, как работают черные дыры и каков механизм, который может позволить якобы уничтоженной информации сохраниться, что, по словам Хокинга, невозможно, даже если это противоречит законам квантовой физики.
Что же обнаружили ученые? Черные дыры – это объекты настолько плотные и массивные, что их гравитация превращает их в гигантские пылесосы, которые всасывают вокруг себя всё, включая свет и информацию. Когда что-то приближается к черной дыре слишком близко, гравитация захватывает его, оно затягивается внутрь и теоретически исчезает навсегда. Из ловушки выходит только излучение Хокинга, но это тепловое излучение, не содержащее никакой информации.
В 1970-х годах Хокинг применил правила квантовой механики к черным дырам и предположил, что объект, попавший в одну из них, исчезает навсегда вместе с любой информацией, закодированной в нем. Его вопрос был прост: “Если вещи засасываются в черную дыру и исчезают, то куда девается вся эта информация?”. В конце концов, утверждал он, черной дыре суждено исчезнуть совсем. Но, согласно правилам квантовой физики, информация всегда выживает и никогда не может быть уничтожена. Этот парадокс будет преследовать его всю жизнь.
Если расчеты ученых верны, то их исследование устраняет этот парадокс. Как отмечает ведущий автор исследования – Ксавье Кальмет, профессор физики в Университете Сассекса, это “последний гвоздь в гроб парадокса, потому что теперь мы понимаем точное физическое явление, с помощью которого информация уходит из распадающейся черной дыры”. Согласно работе Кальмета и его коллег, информация содержится в “квантовых волосках”, остатках материи, которые разрушаются, когда материю засасывает в черную дыру. Этот квантовый волосок, по их словам, представляет собой небольшой отпечаток в ее гравитационном поле.
Это как отпечаток пальца, который говорит нам, из чего состоит черная дыра. Исследование помогает понять, как этот отпечаток влияет на то, как создаются частицы и как они выходят из черной дыры. Это важно, потому что помогает нам понять, как информация может выходить из черной дыры, чего мы не знали раньше, и это даст нам информацию для восстановления ее истории до первоначальной звезды, которая породила дыру.
Новое исследование описывает механизм утечки информации, показывая, как амплитуды теплового излучения, которое, как мы знаем, уходит из дыры, зависят от квантовых поправок, вызываемых волосками. Таким образом, исследование позволит решить головоломку, возникающую при объединении предсказаний квантовой механики и общей теории относительности, и может привести к новым идеям в других областях физики, таких как теория струн и квантовая гравитация, помогая достичь святого Грааля физики, который объединит две модели, объясняющие Вселенную, но живущие сейчас в явном противоречии.
Читайте также: Вселенная – это голограмма: Последняя теория Стивена Хокинга, объясненная его ближайшим соратником