Читать стивен хокинг краткая история вселенной. Стивен ХокингКраткая история времени. От Большого Взрыва до черных дыр. Наше представление о Вселенной

О чем "Краткая история времени" Стивена Хокинга

Из открытых источников

Сегодня, 14 марта, на 77-м году жизни скончался знаменитый английский физик-теоретик Стивен Хокинг. сайт публикует конспект его научно-популярной книги "Краткая история времени: От Большого взрыва до черных дыр" (1988), которая стала бестселлером

Книга выдающегося английского физика Стивена Хокинга "Краткая история времени: от Большого взрыва до черных дыр" посвящена поиску ответа на вопрос Эйнштейна: "Какой выбор был у Бога, когда он создавал Вселенную?" Будучи предупрежденным, что каждая включенная в книгу формула вдвое уменьшит число покупателей, Хокинг доступным языком излагает идеи квантовой теории гравитации - не завершенной пока области физики, объединяющей в себе общую теорию относительности и квантовую механику.

Начинается книга с рассказа об эволюции человеческих представлений о Вселенной: от небесных сфер геоцентрической системы Аристотеля и Птолемея до осознания того факта, что Солнце является обычной желтой звездой средней величины в одном из рукавов спиральной галактики - среди сотен миллиардов других галактик в наблюдаемой части Вселенной. Открытие красного смещения спектров звезд других галактик означало, что Вселенная расширяется, и это привело к гипотезе большого взрыва: десять или двадцать миллиардов лет назад все объекты Вселенной могли находиться в одном месте с бесконечно большой плотностью (точка сингулярности).

Новости по теме

Большой взрыв служит началом отсчета времени. На вопрос о том, что было до Большого взрыва, ответа не существует, так как в точке сингулярности перестают работать научные законы; возможность предсказывать будущее теряется, и поэтому если что-то и происходило "до", то оно никак не повлияет на нынешние события. После Большого взрыва возможны два сценария: либо расширение Вселенной будет продолжаться вечно, либо в некоторый момент прекратится и перейдет в фазу сжатия, которая закончится возвратом в сингулярность - Большим хлопком. Какой именно вариант осуществится, неясно - это зависит от расстояний между галактиками и суммарной массы вещества Вселенной, а эти величины точно не известны.

Сингулярности могут быть во Вселенной и после Большого взрыва. Звезда, израсходовав ядерное топливо, начинает сжиматься, и при достаточно большой массе не может противостоять гравитационному коллапсу, превращаясь в черную дыру. Так вот, английский математик и физик Роджер Пенроуз показал, что объем звезды при этом стремится к нулю, а плотность ее вещества и кривизна пространства-времени - к бесконечности. Иными словами, черная дыра есть сингулярность в пространстве-времени.

Обратив направление времени, Пенроуз и Хокинг доказали утверждение, что если верна общая теория относительности (ОТО), то точка Большого взрыва должна существовать. Так гипотеза большого взрыва стала математической теоремой, а сама ОТО оказалась неполной: её законы нарушаются в точке сингулярности. Это не удивительно - ведь ОТО является классической теорией, а в малой области пространства вблизи сингулярности становятся существенными квантовые эффекты. Таким образом, для исследования черных дыр и ранней Вселенной требуется привлечение квантовой механики и создание единой теории - квантовой теории гравитации.

Занимаясь явлениями микромира, квантовая механика развивалась независимо от ОТО. В квантовой физике накопился некоторый опыт объединения различных типов взаимодействий. Так, удалось объединить в одну теорию электромагнитные и слабые взаимодействия. Именно, оказалось, что переносчики электромагнитного взаимодействия (виртуальные фотоны) и переносчики слабого взаимодействия (векторные бозоны) являются реализациями одной частицы и становятся неотличимы друг от друга при энергиях около 100 ГэВ. Существуют и теории великого объединения, то есть объединения электрослабого и сильного взаимодействий (правда, для достижения энергий великого объединения и проверки этих теорий нужен ускоритель размером с Солнечную систему).

Все эти теории не включают гравитацию, поскольку она очень мала для элементарных частиц. Однако в точке сингулярности гравитационные силы вместе с кривизной пространства-времени стремятся к бесконечности, так что совместный учёт квантовомеханических и гравитационных эффектов становится неизбежным. Это приводит к следующим удивительным результатам.

По теореме Пенроуза–Хокинга падение в черную дыру необратимо. Но, как известно, всякий необратимый процесс сопровождается ростом энтропии. Есть ли энтропия у черной дыры?

Хокинг замечает, что площадь горизонта событий черной дыры не уменьшается со временем (а при падении вещества в черную дыру - увеличивается), то есть обладает всеми свойствами энтропии. Его американский коллега Бикенстин предлагает считать площадь горизонта событий черной дыры мерой ее энтропии. Хокинг возражает: обладая энтропией, черная дыра должна иметь температуру и, следовательно, излучать - вопреки самому определению черной дыры! - но впоследствии сам же открывает механизм этого излучения.

Источником излучения оказывается вакуум вблизи черной дыры, в котором из-за квантовых флуктуаций энергии рождаются пары частица-античастица. Один из членов пары обладает положительной энергией, другой - отрицательной (так что сумма равна нулю); частица с отрицательной энергией может упасть в черную дыру, а частица с положительной энергией - покинуть ее окрестность. Поток частиц положительной энергии и есть излучение черной дыры; частицы же с отрицательной энергией уменьшают ее массу - черная дыра "испаряется" и со временем исчезает, унося с собой сингулярность. В этом Хокинг видит первое указание на возможность устранения сингулярностей ОТО с помощью квантовой механики и задается вопросом: окажет ли квантовая механика аналогичное воздействие на "большие" сингулярности, то есть устранит ли квантовая механика сингулярности Большого взрыва и Большого хлопка?

Новости по теме

Классическая общая теория относительности не оставляет выбора: расширяющаяся Вселенная рождается из сингулярности, причем начальные условия неизвестны (ОТО не работает в "момент творения"). В начальный момент Вселенная могла быть упорядоченной и однородной, а могла быть и весьма хаотичной. Дальнейший процесс эволюции, однако, существенно зависит от условий на этой границе пространства-времени. Используя метод Фейнмана, суммирование по различным "траекториям" развития Вселенной, Хокинг в рамках квантовой теории гравитации получает альтернативу сингулярности: пространство-время является конечным и не имеет сингулярности в виде границы или края (это похоже на поверхность Земли, но только в четырех измерениях). А раз нет границы, отпадает и необходимость в начальных условиях на ней, то есть нет нужды вводить новые законы, задающие поведение ранней Вселенной (или прибегать к помощи Бога). Тогда Вселенная "...не была бы сотворена, ее нельзя было бы уничтожить. Она просто существовала бы".

Тема Бога присутствует на протяжении всей книги; по сути, Хокинг ведет дискуссию с Богом. Приведем цитату, подводящую своего рода итог этой дискуссии.

"Из представления о том, что пространство и время образуют замкнутую поверхность, вытекают также очень важные следствия относительно роли Бога в жизни Вселенной. В связи с успехами, достигнутыми научными теориями в описании событий, большинство ученых пришло к убеждению, что Бог позволяет Вселенной развиваться в соответствии с определенной системой законов и не вмешивается в ее развитие, не нарушает эти законы. Но законы ничего не говорят нам о том, как выглядела Вселенная, когда она только возникла, - завести часы и выбрать начало все-таки могло быть делом Бога. Пока мы считаем, что у Вселенной было начало, мы можем думать, что у нее был Создатель. Если же Вселенная действительно полностью замкнута и не имеет ни границ, ни краев, то тогда у нее не должно быть ни начала, ни конца: она просто есть, и все! Остается ли тогда место для Создателя?"

Вот и ответ на вопрос Эйнштейна: никакой свободы выбора начальных условий у Бога не было.

Выполняя суммирование по фейнмановским траекториям при условии отсутствия границ пространства-времени, Хокинг находит, что Вселенная в ее нынешнем состоянии с высокой вероятностью должна расширяться одинаково быстро по всем направлениям - в согласии с наблюдениями изотропного фона реликтового микроволнового излучения. Далее, раз начало отсчета времени есть гладкая, регулярная точка пространства и времени, то Вселенная начала эволюцию из однородного, упорядоченного состояния. Эта начальная упорядоченность объясняет наличие термодинамической стрелы времени, указывающей то направление времени, в котором возрастает беспорядок (энтропия) Вселенной.

В заключительной части книги Хокинг описывает теорию струн, претендующую на объединение всей физики. Эта теория имеет дело не с частицами, а с объектами наподобие одномерных струн. Частицы трактуются как колебания струн, испускание и поглощение частиц - как разрыв и соединение струн. Струнная теория, однако, не ведет к противоречиям лишь в 10-мерном или 26-мерном пространствах. Возможно, в ходе развития Вселенной "развернулись" только четыре координаты нашего пространства-времени, остальные же оказались свернутыми в пространство ничтожно малых размеров.

Почему так произошло? Хокинг дает ответ с позиций так называемого антропного принципа: иначе не возникли бы условия для развития разумных существ, способных задать подобный вопрос. В самом деле, в случае меньшей размерности пространства затруднена эволюция: так, всякий сквозной проход в теле двумерного существа делит его на две части. В пространствах же большей размерности иным будет закон гравитационного притяжения, и орбиты планет станут неустойчивыми ("мы бы тогда либо замерзли, либо сгорели"). Конечно, допустимы и другие вселенные, с другим количеством развернувшихся координат, "...но в подобных областях не будет разумных существ, которые могли бы увидеть это разнообразие действующих измерений".

Хокинг с оптимизмом смотрит на перспективы создания единой теории, описывающей Вселенную. Отняв у Бога акт творения, он отводит Богу роль творца ее законов. Когда будет построена математическая модель, останется вопрос, почему Вселенная, подчиняющаяся этой модели, вообще существует. Не связанные необходимостью строить новые теории, ученые обратятся к его исследованию. "И если будет найден ответ на такой вопрос, это будет полным триумфом человеческого разума, ибо тогда нам станет понятен замысел Бога".

Конспект книги Стивена Хокинга "Краткая история времени" подготовил Игорь Яковлев

Стивен Хокинг, Леонард Млодинов

Кратчайшая история времени

Предисловие

Всего четыре буквы отличают название этой книги от заголовка той, что была впервые опубликована в 1988 году. «Краткая история времени» 237 недель оставалась в списке бестселлеров лондонской «Санди таймс», каждый 750-й житель нашей планеты, взрослый или ребенок, приобрел ее. Замечательный успех для книги, посвященной самым сложным проблемам современной физики. Впрочем, это не только самые сложные, но и самые волнующие проблемы, потому что они адресуют нас к фундаментальным вопросам: что нам действительно известно о Вселенной, как мы обрели это знание, откуда произошла Вселенная и куда движется? Данные вопросы составляли главный предмет «Краткой истории времени» и стали фокусом настоящей книги. Спустя год после публикации «Краткой истории времени» начали поступать отклики от читателей всех возрастов и профессий со всего мира. Многие из них высказывали пожелание, чтобы увидела свет новая версия книги, которая, сохранив суть «Краткой истории времени», объясняла бы наиболее важные понятия более просто и занимательно. Хотя кое-кто, по-видимому, ожидал, что это будет «Пространная история времени», отзывы читателей недвусмысленно показывали: очень немногие из них жаждут познакомиться с объемистым трактатом, излагающим предмет на уровне университетского курса космологии. Поэтому, работая над «Кратчайшей историей времени», мы сохранили и даже расширили основополагающую суть первой книги, но постарались в то же время оставить неизменными ее объем и доступность изложения. Это и в самом деле кратчайшая история, поскольку некоторые сугубо технические аспекты нами опущены, однако, как нам представляется, данный пробел с лихвой восполнен более глубокой трактовкой материала, который поистине составляет сердцевину книги.

Мы также воспользовались возможностью обновить сведения и включить в книгу новейшие теоретические и экспериментальные данные. «Кратчайшая история времени» описывает прогресс, который был достигнут на пути создания полной объединенной теории за последнее время. В частности, она касается новейших положений теории струн, корпускулярно-волнового дуализма и выявляет связь между различными физическими теориями, свидетельствующую, что объединенная теория существует. Что же касается практических исследований, книга содержит важные результаты последних наблюдений, полученных, в частности, с помощью спутника СОВЕ (Cosmic Background Explorer - «Исследователь фонового космического излучения») и космического телескопа Хаббла.

Глава первая

РАЗМЫШЛЯЯ О ВСЕЛЕННОЙ

Мы живем в странной и замечательной Вселенной. Неординарное воображение требуется, чтобы оценить возраст ее, размеры, неистовство и даже красоту. Место, занимаемое людьми в этом безграничном космосе, может показаться ничтожным. И все же мы пытаемся понять, как устроен весь этот мир и как мы, люди, смотримся в нем.

Несколько десятилетий назад известный ученый (некоторые говорят, что это был Бертран Рассел) выступал с публичной лекцией по астрономии. Он рассказал, что Земля обращается вокруг Солнца, а оно, в свою очередь, - вокруг центра обширной звездной системы, называемой нашей Галактикой. В конце лекции маленькая пожилая леди, сидевшая в задних рядах, встала и заявила:

Вы рассказывали нам здесь полную ерунду. В действительности мир - это плоская плита, покоящаяся на спине гигантской черепахи.

Улыбнувшись с чувством превосходства, ученый спросил:

А на чем стоит черепаха?

Вы очень умный молодой человек, очень, - ответила старая леди. - Она стоит на другой черепахе, и так дальше, до бесконечности!

Сегодня большинство людей нашло бы довольно смешной такую картину Вселенной, эту нескончаемую башню из черепах. Но что заставляет нас думать, будто мы знаем больше?

Забудьте на минуту то, что вы знаете - или думаете, что знаете, - о космосе. Вглядитесь в ночное небо. Чем представляются вам все эти светящиеся точки? Может, это крошечные огоньки? Нам трудно догадаться, чем они в действительности являются, потому что эта действительность слишком далека от нашего повседневного опыта.

Если вы часто наблюдаете за ночным небом, то, вероятно, замечали в сумерках над самым горизонтом ускользающую искорку света. Это Меркурий, планета, разительно отличающаяся от нашей собственной. Сутки на Меркурии длятся две трети его года. На солнечной стороне температура зашкаливает за 400°С, а глубокой ночью падает почти до - 200°С.

Но как бы ни отличался Меркурий от нашей планеты, еще труднее вообразить обыкновенную звезду - колоссальное пекло, ежесекундно сжигающее миллионы тонн вещества и разогретое в центре до десятков миллионов градусов.

Другая вещь, которая с трудом укладывается в голове, это расстояния до планет и звезд. Древние китайцы строили каменные башни, чтобы увидеть их поближе. Вполне естественно считать, что звезды и планеты находятся намного ближе, чем в действительности, - ведь в повседневной жизни мы никогда не соприкасаемся с громадными космическими расстояниями.

Расстояния эти настолько велики, что нет смысла выражать их в привычных единицах - метрах или километрах. Вместо них используются световые годы (световой год - путь, который свет проходит за год). За одну секунду луч света преодолевает 300 000 километров, так что световой год - это очень большое расстояние. Ближайшая к нам (после Солнца) звезда - Проксима Центавра - удалена примерно на четыре световых года. Это так далеко, что самый быстрый из проектируемых ныне космических кораблей летел бы к ней около десяти тысяч лет. Еще в древности люди пытались постичь природу Вселенной, но они не обладали возможностями, которые открывает современная наука, в частности математика. Сегодня мы располагаем мощными инструментами: мыслительными, такими как математика и научный метод познания, и технологическими, вроде компьютеров и телескопов. С их помощью ученые собрали воедино огромное количество сведений о космосе. Но что мы действительно знаем о Вселенной и как мы это узнали? Откуда она появилась? В каком направлении развивается? Имела ли начало, а если имела, что было до него? Какова природа времени? Придет ли ему конец? Можно ли вернуться назад во времени? Недавние крупные физические открытия, сделанные отчасти благодаря новым технологиям, предлагают ответы на некоторые из этих давних вопросов. Возможно, когда-нибудь эти ответы станут столь же очевидными, как обращение Земли вокруг Солнца, - или, быть может, столь же курьезными, как башня из черепах. Только время (чем бы оно ни было) это покажет.

Глава вторая

РАЗВИТИЕ КАРТИНЫ МИРА

Хотя даже в эпоху Христофора Колумба многие полагали, что Земля плоская (и сегодня кое-кто все еще придерживается этого мнения), современная астрономия уходит корнями во времена древних греков. Около 340 г. до н. э. древнегреческий философ Аристотель написал сочинение «О небе», где привел веские аргументы в пользу того, что Земля скорее является сферой, а не плоской плитой.

Одним из аргументов стали затмения Луны. Аристотель понял, что их вызывает Земля, которая, проходя между Солнцем и Луной, отбрасывает тень на Луну. Аристотель заметил, что тень Земли всегда круглая. Так и должно быть, если Земля - сфера, а не плоский диск. Имей Земля форму диска, ее тень была бы круглой не всегда, но только в те моменты, когда Солнце оказывается точно над центром диска. В остальных случаях тень удлинялась бы, принимая форму эллипса (эллипс - это вытянутая окружность).

Свое убеждение в том, что Земля круглая, древние греки подкрепляли и другим доводом. Будь она плоской, идущее к нам судно сначала казалось бы крошечной, невыразительной точкой на горизонте. По мере его приближения проступали бы детали - паруса, корпус. Однако все происходит иначе. Когда судно появляется на горизонте, первое, что вы видите, - это паруса. Только потом вашему взгляду открывается корпус. То обстоятельство, что мачты, возвышающиеся над корпусом, первыми появляются из-за горизонта, свидетельствует о том, что Земля имеет форму шара (рис. 1).

Древние греки много внимания уделяли наблюдениям за ночным небом. Ко времени Аристотеля вот уже несколько столетий велись записи, отмечающие перемещение небесных светил.

Шрифт: Меньше Аа Больше Аа

Leonard Mlodinow

A Briefer History of Time

* * *

Предисловие

Название этой книги отличается от названия первой, вышедшей в 1988 году, всего лишь одним словом. «Краткая история времени» оставалась в списке бестселлеров лондонской газеты The Sunday Times на протяжении 237 недель – было продано примерно по одному экземпляру на 750 жителей Земли, мужчин, женщин и детей. Это невероятный успех для книги, посвященной одному из самых трудных аспектов современной физики. Но ведь самое трудное – всегда самое интересное, поскольку речь идет о важных, фундаментальных вопросах: что нам, в сущности, известно о Вселенной? откуда мы это знаем? как возникла Вселенная и какая судьба ожидает ее? В этих вопросах суть «Краткой истории времени», и они же остаются в центре внимания этой книги. За годы, прошедшие с появления на полках «Краткой истории», я получил множество писем со всего мира от читателей всех возрастов и профессий. Одна из наиболее частых просьб – написать новую «Краткую историю», сохранив суть прежней, но изложив основные идеи более ясно и неторопливо. Конечно, можно было назвать эту книгу «Чуть менее краткая история времени», но, как я понял, едва ли кто-то захочет получить внушительных размеров том, походящий на университетский курс космологии.

Итак, несколько слов о характере этой книги. При написании «Кратчайшей истории времени» мы придерживались логики первого издания, но расширили его, держа в уме, что новая книга должна легко читаться и быть не слишком длинной. История получилась действительно сокращенной, поскольку я исключил некоторые чересчур сложные, технические моменты, но это удалось с лихвой компенсировать углубленным подходом к материалу, лежащему в основе книги.

Мы также воспользовались возможностью дополнить издание, включив новые наблюдательные и теоретические данные. В «Кратчайшей истории времени» описываются недавние достижения физиков-теоретиков, бьющихся над единой теорией всех физических сил. В частности, мы говорим о прогрессе теории струн, а также дуализме, или о взаимных соответствиях между на первый взгляд совершенно разными физическими теориями, которые можно рассматривать как свидетельство существования единой теории – фундамента всей физической науки. В книге также представлены важные новые наблюдения, сделанные спутником COBE (англ. Cosmic Background Explorer – «Исследователь реликтового излучения») и космическим телескопом «Хаббл».

Лет сорок тому назад Ричард Фейнман сказал: «Нам очень повезло жить в тот век, когда мы все еще делаем открытия. Это подобно открытию Америки – его совершаешь лишь однажды. Время, в которое мы живем, – эпоха открытий фундаментальных законов природы». Сегодня мы как никогда близко подошли к пониманию природы Вселенной, и на этих страницах мы хотим разделить с читателем восторг от знакомства с этими открытиями и новой картиной мира, которую они формируют на наших глазах.

Глава 1. Размышления о Вселенной

Мы живем в странной и удивительной Вселенной. Нужно недюжинное воображение, чтобы понять и оценить ее возраст, размеры, бурный нрав и красоту. И кажется, что мы занимаем совсем незначительное место в этом огромном космосе, и нам хочется понять его и осознать свою роль во Вселенной. Несколько десятилетий назад известный ученый (говорят, это был Бертран Рассел), читая публичную лекцию об астрономии, рассказывал, как Земля движется по орбите вокруг Солнца и как Солнце в свою очередь движется по орбите вокруг центра огромного сборища звезд под названием Галактика. Когда лекция закончилась, маленькая пожилая женщина в самом конце аудитории сказала: «Все, что тут говорили, – полная ерунда. Мир – это плоская тарелка на спине гигантской черепахи». Ученый снисходительно улыбнулся и спросил: «А на чем же стоит черепаха?» «Ну вы же очень умный молодой человек, – сказала пожилая женщина, – черепаха стоит на другой черепахе, та – на следующей, и так до конца!»

В наше время большинство сочтут картину Вселенной в виде бесконечной башни из черепах нелепой. А откуда мы знаем, что наше представление о мире лучше? Давайте на минутку забудем все, что мы знаем или думаем, что знаем о космосе, и просто взглянем на ночное небо. Ну что сказать об этих светящихся точках? Может, это маленькие огоньки? Нам на самом деле трудно представить себе их истинную сущность, потому что это далеко за пределами нашего повседневного опыта. Если вы любите смотреть на звездное небо, то, возможно, обратили внимание на расплывчатую светлую точку вблизи горизонта во время сумерек. Это планета Меркурий, но она совсем не похожа на нашу Землю. Сутки там длятся две трети местного года. Температура освещенной Солнцем части поверхности планеты достигает 400°С и выше, а на ночной, не освещенной стороне, падает до –200°С. Но несмотря на все его отличие от нашей собственной планеты, еще меньше общего у Меркурия с типичной звездой, представляющей собой исполинскую печь, где каждую секунду сгорают миллиарды килограмм вещества, а температура в ядре достигает десятков миллионов градусов.

А еще очень трудно вообразить, насколько далеки от нас планеты и звезды. В Древнем Китае строили каменные башни в надежде рассмотреть звезды поближе. Представлять себе звезды и планеты расположенными гораздо ближе, чем они находятся на самом деле, вполне естественно – в конце концов, в обычной жизни нам не приходится сталкиваться с колоссальными космическими расстояниями. Они столь велики, что нет смысла пытаться их измерить в метрах и сантиметрах, как в случае большинства расстояний и длин в нашей повседневной жизни. Космические расстояния принято измерять в световых годах. Световой год – это расстояние, которое свет проходит за один год. За одну секунду луч света проходит около 300 000 километров. Так что световой год – это очень большое расстояние. Ближайшая к нам после Солнца звезда – Проксима Центавра (она также известна под названием Альфа Центавра C) – находится на расстоянии около 4 световых лет. Это так далеко, что самому быстрому из реально проектируемых космических кораблей потребуется не менее 10 000 лет, чтобы преодолеть разделяющее нас пространство.

Люди в древности очень старались понять устройство Вселенной, но у них еще не было современной математики и вообще современной науки. Сейчас в нашем распоряжении очень мощные мыслительные инструменты, такие как математика и научный метод, а также технические средства вроде компьютеров и телескопов. Благодаря этому нам удалось многое узнать о космосе. Но что же на самом деле нам известно о Вселенной и откуда мы все это знаем? Как возникла Вселенная? Что ждет ее в будущем? Было ли у Вселенной начало, а если было, то что было до него? Какова природа времени? Закончится ли оно когда-нибудь? Можно ли двигаться по времени вспять? Ответы на некоторые из этих давних вопросов удается получить благодаря последним прорывам в физике, которым мы, в частности, обязаны появлению новых технологий. Когда-нибудь мы сочтем эти ответы такими же очевидными, как то, что Земля обращается вокруг Солнца. А может быть такими же нелепыми, как представление о башне из черепах. Только время (чем бы оно ни было) покажет.

Глава 2. Наша картина Вселенной вчера и сегодня

Хотя еще во времена Христофора Колумба многие считали Землю плоской (да и сегодня такие люди встречаются), основы современной астрономии были заложены еще в Древней Греции. Примерно 340 лет до нашей эры греческий философ Аристотель написал трактат «О небе». В нем он изложил множество доказательств того, Земля имеет форму шара, а не плоская как тарелка.

Одно из таких соображений основано на наблюдении лунных затмений. Аристотель понял, что причиной этих затмений является прохождение Земли между Солнцем и Луной. При этом Земля отбрасывает на Луну тень, и мы это видим как затмение. Аристотель обратил внимание, что тень Земли всегда имеет форму круглую форму, что естественно, если Земля имеет форму шара. Но, разумеется, это было бы не так, если бы Земля имела форму плоского диска. В таком случае тень была бы круглой, только если во время затмения Солнце расположено в точности под центром диска. При любом другом расположении тень оказалась бы вытянутой, в форме эллипса (вытянутого круга).

У древних греков были и другие аргументы в пользу шарообразности Земли. Если бы Земля была плоской, то идущий к берегу корабль должен был сначала выглядеть как маленькая едва заметная точка. Потом, по мере приближения корабля, на нем можно было бы различить отдельные детали – паруса и корпус. А на самом деле все совсем не так. Когда корабль возникает на горизонте, то сначала мы видим только его паруса. И только потом появляется корпус. То, что расположенные высоко над корпусом вершины мачт корабля первыми появляются из-за горизонта, свидетельствует о шарообразности формы Земли.

Появление над горизонтом. Земля имеет форму шара. Поэтому, когда корабль приближается к нам, сначала мы видим над горизонтом его мачты и паруса, а уже потом появляется его корпус

Греки не обошли также своим вниманием и звездное небо. Ко времени Аристотеля они уже на протяжении многих сотен лет изучали движения огоньков ночном небе. Они заметили, что хотя тысячи огоньков перемещаются по небосводу как одно целое, пять светил, не считая Луны, движутся не так, как остальные. Они иногда сворачивают с проторенного пути с востока на запад и даже временами даже движутся вспять. Эти светила были названы планетами от греческого слова, означающего «странники». Греки видели только пять планет, потому что только они доступны невооруженному глазу: Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн. Сейчас-то мы знаем, почему планеты движутся по небу столь необычным образом: движение звезд относительно нашей Солнечной системы почти незаметно, а вот планеты обращаются по орбитам вокруг Солнца и поэтому выписывают гораздо более сложные траектории на фоне далеких звезд.

Аристотель считал Землю неподвижной, а также полагал, что Солнце, Луна, планеты и звезды обращаются по круговым орбитам вокруг Земли. Он так считал исходя из мистических соображений, полагая, что Земля является центром Вселенной и движение по кругу наиболее совершенно. Во II веке нашей эры греческий ученый Птолемей построил на основе этой идеи полную модель неба. Птолемей был страстным исследователем, недаром ему принадлежат слова: «Что я смертен, я знаю, и что дни мои сочтены, но когда я в мыслях неустанно и жадно выслеживаю орбиты созвездий, тогда я больше не касаюсь ногами Земли: за столом Зевса наслаждаюсь амброзией, пищей богов».

В модели мира Птолемея нас окружают восемь вложенных друг в друга вращающихся сфер наподобие матрешки, а в центре всех этих сфер находится Земля. Представления о том, что находилось вне самой большой сферы, были самые туманные, но в любом случае это было за пределами наблюдаемой человеком Вселенной. Таким образом, самая внешняя сфера представляла собой своего рода границу Вселенной. На этой сфере были закреплены звезды, и поэтому при ее вращении взаимные положения звезд оставались неизменными – именно так, как мы это наблюдаем в действительности. На внутренних сферах располагались планеты. В отличие от звезд они не были прикреплены к своим сферам, а каждая планета двигалась относительно своей сферы по малому кругу, называемому эпициклом. Весьма сложные некруговые видимые траектории планет не небе удавалось объяснить сочетанием движения по эпициклу и вращения сферы.

Модель Птолемея. В модели Птолемея Земля находилась в центре Вселенной, окруженная восемью сферами, несущими на себе все известные в то время небесные тела

Модель Птолемея позволяла довольно точно предсказывать положение светил на небе. Но для того, чтобы добиться согласия предсказаний с наблюдениями, Птолемею пришлось предположить, что расстояние от Земли до Луны может меняться в два раза! А это означало, что видимый размер Луны должен иногда быть в два раза больше, чем в другое время! Птолемей сознавал этот недостаток своей системы, что, тем не менее, не помешало (почти) всеобщему признанию его картины мира. Христианская церковь приняла Птолемееву систему, поскольку сочла ее не противоречащей Священному Писанию: за пределами сферы неподвижных звезд оставалось достаточно места для рая и ада.

Но в 1514 году польский священник Николай Коперник предложил другую модель. (Правда, вначале, опасаясь быть обвиненным Церковью в ереси, Коперник распространял свои идеи анонимно.) Революционность идеи Коперника состояла в предположении, что все небесные тела обращаются вокруг Земли. Коперник полагал, что Солнце неподвижно и расположено в центре Солнечной системы, а Земля и планеты движутся вокруг него по круговым орбитам. Модель Коперника оказалась не хуже модели Птолемея, но она все же не совсем точно предсказывала наблюдения. Она была гораздо проще модели Птолемея, поэтому можно было ожидать, что люди примут ее. Однако понадобилось почти столетие, чтобы эту идею восприняли всерьез. Одними из первых в пользу теории Коперника стали публично высказываться двое ученых – немецкий астроном Иоганн Кеплер и итальянский астроном Галилео Галилей.

В 1609 году Галилей начал наблюдать ночное небо в телескоп, который только что изобрел . Взглянув на планету Юпитер, Галилей обнаружил несколько обращающихся вокруг него небольших спутников. Отсюда следовало, что не все небесные тела обращаются вокруг Земли, как считали Аристотель и Птолемей. Примерно в то же время Кеплер уточнил теорию Коперника, предположив, что планеты двигаются не по круговым орбитам, а по эллипсам, благодаря чему удалось добиться согласия предсказания теории с наблюдениями. Все это окончательно добило систему мира Птолемея.

Хотя предположение об эллиптических орбитах сделало модель Коперника более точной, Кеплер рассматривал это лишь как математический трюк, поскольку его представления об устройстве природы не основывались на наблюдениях. Подобно Аристотелю, Кеплер считал эллипсы менее совершенными фигурами, чем окружности. Сама мысль о том, что планеты могут двигаться по таким несовершенным траекториям, казалась ему слишком безобразной, чтобы быть правдой. К тому же Кеплеру не нравилось, что предположение об эллиптических орбитах не согласовывались с его идеей о магнитных силах как причине движения планет вокруг Солнца. Насчет магнетизма он, конечно, ошибался, но мы должны отдать ему должное за саму мысль о том, что движение планет должно быть вызвано некой силой. Правильное объяснение причины движения планет вокруг Солнца было дано гораздо позже в 1687 году сэром Исааком Ньютоном в трактате «Математические начала натуральной философии» – пожалуй, важнейшей из когда-либо опубликованных работ по физике.

В этом труде Ньютон сформулировал закон, согласно которому тело, находящееся в покое, остается в состоянии покоя, если только на него не действует какая-либо сила, а также описал, как движение тела меняется под действием силы. Так почему же планеты движутся вокруг Солнца по эллиптическим орбитам? Согласно Ньютону за это отвечает совершенно определенная сила – та самая, которая заставляет отпущенное (уроненное) тело падать на землю, а не оставаться в состоянии покоя. Он назвал эту силу тяготением и разработал математический аппарат, позволяющий вычислять, каким образом тела реагируют на приложенную к ним силу, например силу тяготения, а также решил соответствующие уравнения. Таким образом, Ньютону удалось показать, что под действием тяготения Солнца Земля и другие планеты должны двигаться по эллиптическим орбитам в точности как предсказал Кеплер! Ньютон предположил, что его законы справедливы для всего, что есть во Вселенной, от падающего яблока до звезд и планет. Движения планет и движения тел на Земле впервые в истории удалось объяснить как следствие одних и тех же законов, и это стало рождением современной физики и современной астрономии.

В отсутствие птолемеевых сфер отпала необходимость и в предположении о наличии у Вселенной некой внешней границы. Более того, поскольку у звезд не обнаруживалось никакого движения, кроме общего суточного движения небосвода, вызванного вращением Земли, то было естественно предположить, что это такие же тела, как наше Солнце, только расположенные гораздо дальше. Таким образом, ученые не только отказались от представления о центральном положении Земли во Вселенной, но также и от идеи об уникальности нашего Солнца да и всей Солнечной системы. Новый взгляд на мир ознаменовал фундаментальные изменения в человеческом мышлении, начало нового современного научного понимания нашей Вселенной.

Глава 3. Природа научной теории

Прежде чем рассуждать о природе Вселенной и отвечать на вопросы о том, было ли у нее начало и есть ли конец, следует сформировать четкое представление, что такое научные теории. Будем придерживаться простого взгляда на теорию – как на модель Вселенной или какой-либо ее части в совокупности с набором правил, связывающих параметры этой модели с нашими наблюдениями. Она существует только в нашем сознании и никак иначе реально не существует (что бы это ни значило). Теория считается хорошей, если она удовлетворяет двум требованиям. Во-первых, она должна правильно описывать большой класс наблюдений на основе модели с небольшим числом произвольных элементов, и во-вторых, она должна позволять с достаточной определенностью предсказывать результаты будущих наблюдений. Например, Аристотель верил в теорию Эмпедокла, согласно которой все в мире состоит из четырех стихий: земли, воздуха, огня и воды. Это была довольно простая теория, но она не позволяла делать какие-либо точные предсказания. С другой стороны, теория тяготения Ньютона была основана на еще более простой модели, в которой тела притягиваются друг другу с силой, пропорциональной величине, которые он назвал массой, и обратно пропорциональной квадрату расстояния между телами. И при этом теория Ньютона позволяет с очень высокой точностью предсказывать движение Солнца, Луны и планет.

Любая физическая теория по природе своей временная в том смысле, что это всего лишь гипотеза, которую невозможно доказать. Сколько бы экспериментов ни подтверждали эту теорию, никогда нельзя быть уверенным, что очередной результат не будет ей противоречить. С другой стороны, для опровержения теории достаточно единственного наблюдения, результаты которого противоречат ее предсказаниям. Как отметил философ науки Карл Поппер, хорошая теория та, что позволяет делать множество предсказаний, которые в принципе могут быть опровергнуты или, как это называет Поппер, фальсифицированы наблюдением. С каждым новым экспериментом, результаты которого согласуются с предсказаниями теории, степень нашего доверия к ней повышается, а сама теория укрепляется. Однако первое же противоречащее теории наблюдение является основанием отвергнуть или существенным образом изменить ее.

Во всяком случае, так должно быть в идеале, хотя, конечно, всегда можно поставить под сомнение квалификацию наблюдателя или экспериментатора.

На практике новая теория часто представляет собой расширение предыдущей. Например, очень точные наблюдения планеты Меркурий выявили небольшие расхождения между наблюдаемым движением и предсказаниями ньютоновской теории тяготения. Движение планеты, рассчитанное согласно эйнштейновской общей теории относительности, слегка отличалось от того, что предсказывала ньютоновская теория. Согласие предсказанного теорией Эйнштейна движения Меркурия с наблюдениями при отсутствии такого согласия для ньютоновской теории стало одним из ключевых подтверждений новой теории. Тем не менее мы до сих пор продолжаем пользоваться ньютоновской теорией для большинства практических задач, потому что в ситуациях, с которыми нам обычно приходится сталкиваться, ее предсказания отличаются от предсказаний общей теории относительности очень незначительно. (К тому же ньютоновская теория гораздо проще теории Эйнштейна!)

Конечная цель науки состоит в создании единой теории для описания всей Вселенной. Но в реальности подход большинства ученых сводится к разделению проблемы на две части. Во-первых, есть законы, управляющие тем, как Вселенная меняется со временем. (Если мы знаем состояние Вселенной в определенный момент времени, то такие физические законы позволяют нам определить, как она будет выглядеть в любой другой момент.) Второй вопрос – это начальное состояние Вселенной. Некоторые считают, что наука должна заниматься только первой проблемой, а вопрос о начальном состоянии скорее относится к компетенции метафизики или религии. Они считают, что Бог, будучи всемогущим, мог создать Вселенную любым желаемым образом. Может быть это и так, но тогда Бог мог также заставить Вселенную развиваться совершенно произвольным образом. Однако похоже, что Богу было угодно, чтобы Вселенная развивалась в соответствии с четко определенными законами. И поэтому представляется вполне разумно предположить, что начальное состояние Вселенной тоже подчинялось четко определенным законам.

Создать теорию, сразу описывающую всю Вселенную, оказалось очень трудным делом. Вместо этого ученые разделили проблему на множество частей и построили множество частных теорий. Каждая из этих частных теорий описывает и предсказывает определенный ограниченный класс наблюдений, пренебрегая влиянием других факторов, или представляя их в виде простых наборов чисел. Вполне возможно, что этот подход в корне неверен. Если во Вселенной все фундаментальным образом взаимозависимо, то получить полное решение, исследуя проблему по частям в отрыве от целого, конечно же, невозможно. Тем не менее до сих пор этот подход обеспечивал прогресс науки. Опять классическим примером может служить теория тяготения Ньютона, согласно которой сила взаимного притяжения тел зависит только от присущей каждому из тел числовой характеристики – его массы – и совершенно не зависит от того, из чего же состоят эти тела. Таким образом, орбиты планет можно рассчитывать, не вдаваясь в подробности их структуры и внутреннего строения .

Сейчас для описания Вселенной используют две фундаментальные частные теории – общую теорию относительности и квантовую механику. Это два великих интеллектуальных достижения первой половины XX века. Общая теория относительности описывает силу тяжести и крупномасштабную структуру Вселенной, то есть ее строение на масштабах от нескольких километров до миллиона миллиона миллиона миллионов (единица с двадцатью четырьмя нулями) километров – размера наблюдаемой Вселенной. С другой стороны, квантовая механика имеет дело с явлениями на чрезвычайно малых масштабах, такими как миллионная часть миллионной доли сантиметра. Но, к сожалению, эти две теории, как известно, несовместимы друг с другом и поэтому не могут обе быть правильными. Одним из главных направлений исследований в физике сегодня и главной темой этой книги является разработка новой теории, которая бы объединила в себе оба частных случая – квантовую теорию гравитации. Такой теории пока еще нет, и быть может, мы все еще далеки от ее создания, но нам уже известны многие из свойств, которыми она должна обладать. И как будет видно в последующих главах, мы уже знаем довольно много неизбежных предсказаний квантовой теории гравитации.

От атомов до галактик. В первой половине XX века физики, строя предположения об устройстве мира, попытались охватить не только привычный мир Исаака Ньютона: появились теории, описывающие предельно большие и предельно малые объекты

Так что если считать, что Вселенная устроена не произвольным образом, а подчиняется определенным законам, необходимо будет в конце концов объединить частные теории в одну всеобъемлющую теорию, которая сможет описать все во Вселенной. Но поиск такой полной единой теории связан с фундаментальным парадоксом. Описанное выше представление о научных теориях предполагает, что мы являемся разумными существами, которые свободны наблюдать Вселенную желаемым образом и делать логические выводы из увиденного. В такой схеме есть основания полагать, что мы можем продвигаться все ближе к законам, которым подчиняется наша Вселенная. Но если бы полная объединенная теория действительно существовала, то она, скорее всего, также определяла бы и сами наши действия, то есть в том числе и результат нашего поиска! И почему же из нее должно следовать, что мы на основании полученных данных придем к правильным выводам? А не будет ли из теории следовать, что мы придем к ошибочным выводам? Или вообще не получим никаких выводов?

Единственный способ решить эту проблему основан на дарвиновском принципе естественного отбора. Идея заключается в том, что особи в любой популяции самовоспроизводящихся организмов будут неизбежно различаться по своему генетическому материалу и воспитанию. А это значит, что некоторые особи смогут лучше, чем другие, делать правильные выводы об окружающем их мире и действовать соответствующим образом. Они будут с большей вероятностью выживать и воспроизводиться, поэтому их образ поведения и мысли станут преобладающими. Конечно, в прошлом интеллект и научные открытия не один раз становились преимуществом для выживания. Не совсем ясно, так ли это до сих пор: ведь наши научные открытия вполне могут полностью уничтожить всех нас, и даже если этого не произойдет, всеобъемлющая единая теория может и не играть особо важной роли для наших шансов на выживание. Однако если Вселенная эволюционирует закономерным образом, то можно ожидать, что данные нам естественным отбором разумные способности также проявятся в нашем поиске всеобъемлющей единой теории и поэтому не приведут нас к неправильным выводам.

Поскольку уже имеющихся частных теорий достаточно для точных предсказаний во всех ситуациях, кроме самых экстремальных, поиск окончательной теории Вселенной трудно обосновать чисто практическими соображениями. (Заметим, однако, что аналогичные доводы можно было высказать и в отношении теории относительности и квантовой механики, а ведь благодаря этим теориям мы овладели ядерной энергией и совершили революцию в микроэлектронике.) Так что от построения полной единой теории особого проку для выживания нас как вида может и не быть, да и на нашем образе жизни это может никак не сказаться. Но уже на заре цивилизации люди не хотели довольствоваться восприятием мира как набора несвязанных и необъяснимых событий и явлений. Мы стремились к пониманию лежащего в основе мироздания порядка. И сегодня нам хочется понять, почему мы здесь и откуда мы родом. Глубокое стремление человечества к знаниям – достаточное оправдание для наших продолжающихся поисков, и наша цель – это не больше и не меньше, чем полное описание Вселенной, в которой мы живем.

Телескоп как зрительную трубу первым изобрел голландский очковый мастер Иоганн Липперсгей в 1608 году, но Галилей первым направил телескоп на небо в 1609 году и использовал его для астрономических наблюдений.

Это не совсем так. Внутренним строением гравитирующих тел можно пренебречь, только если распределение плотности в них сферически симметрично (то есть зависит только от расстояния до центра тела). В случае планет и Солнца это строго говоря не так – эти тела как минимум слегка сплюснуты у полюсов. Например, сплюснутость Солнца – одна из причин прецессии перигелия Меркурия. У планет земной группы бывают и другие неоднородности распределения плотности. Исследования гравитационного поля Земли и других небесных тел составляют предмет отдельной области науки – гравиметрии.

Купить и скачать за 349 ₽ (€ 4,89 )

Стивен Хокинг

КРАТКАЯ ИСТОРИЯ ВРЕМЕНИ.

От большого взрыва до черных дыр

Благодарности

Книга посвящается Джейн

Я решил попробовать написать популярную книгу о пространстве и времени после того, как прочитал в 1982 г. курс Лёбовских лекций в Гарварде. Тогда уже было немало книг, посвященных ранней Вселенной и черным дырам, как очень хороших, например книга Стивена Вайнберга «Первые три минуты», так и очень плохих, которые здесь незачем называть. Но мне казалось, что ни в одной из них фактически не затрагиваются те вопросы, которые побудили меня заняться изучением космологии и квантовой теории: откуда взялась Вселенная? как и почему она возникла? придет ли ей конец, а если придет, то как? Эти вопросы интересуют всех нас. Но современная наука очень насыщена математикой, и лишь немногочисленные специалисты достаточно владеют последней, чтобы разобраться в этом. Однако основные представления о рождении и дальнейшей судьбе Вселенной можно изложить и без помощи математики так, что они станут понятны даже людям, не получившим научного образования. Это я и пытался сделать в моей книге. Читателю судить о том, насколько я преуспел.

Мне сказали, что каждая включенная в книгу формула вдвое уменьшит число покупателей. Тогда я решил вообще обходиться без формул. Правда, в конце я все-таки написал одно уравнение – знаменитое уравнение Эйнштейна Е=mc^2. Надеюсь, оно не отпугнет половину моих потенциальных читателей.

Если не считать того, что я заболел боковым амиотрофическим склерозом, то почти во всем остальном мне сопутствовала удача. Помощь и поддержка, которые мне оказывали моя жена Джейн и дети Роберт, Люси и Тимоти, обеспечили мне возможность вести довольно-таки нормальный образ жизни и добиться успехов в работе. Мне повезло и в том, что я выбрал теоретическую физику, ибо она вся вмещается в голове. Поэтому моя физическая немощь не стала серьезным минусом. Мои научные коллеги, все без исключения, оказывали мне всегда максимальное содействие.

На первом, «классическом» этапе моей работы моими ближайшими помощниками и сотрудниками были Роджер Пенроуз, Роберт Герок, Брендон Картер и Джордж Эллис. Я благодарен им за помощь и за совместную работу. Этот этап завершился изданием книги «Крупномасштабная структура пространства- времени», которую мы с Эллисом написали в 1973 г. (Хокинг С., Эллис Дж. Крупномасштабная структура пpoстранства-времени. M.: Мир, 1976).

На втором, «квантовом» этапе моей работы, начавшемся в 1974 г., я в основном работал с Гари Гиббонсом, Доном Пэйджем и Джимом Хартлом. Я очень многим им обязан, как и своим аспирантам, которые оказывали мне огромную помощь и в «физическом», и в «теоретическом» смысле этого слова. Необходимость не отставать от аспирантов была чрезвычайно важным стимулом и, как мне кажется, не позволяла мне застрять в болоте.

В работе над книгой мне очень много помогал Брайен Уитт, один из моих студентов. В 1985 г., набросав первый, примерный план книги, я заболел воспалением легких. Пришлось лечь на операцию, и после трахеотомии я перестал говорить, а тем самым почти лишился возможности общаться. Я думал, что не смогу закончить книгу. Но Брайен нс только помог мне ее переработать, но и научил пользоваться компьютерной программой общения Living Center, которую мне подарил Уолт Уолтош, сотрудник фирмы Words Plus, Inc., Саннивейл (шт. Калифорния). С ее помощью я могу писать книги и статьи, а также разговаривать с людьми посредством синтезатора речи, подаренного мне другой саннивейлской фирмой Speech Plus. Дэвид Мэйсон установил на моем кресле-коляске этот синтезатор и небольшой персональный компьютер. Такая система все изменила: мне стало даже легче общаться, чем до того как я потерял голос.

Многим из тех, кто ознакомился с предварительными вариантами книги, я благодарен за советы, касающиеся того, как ее можно было бы улучшить. Так, Петер Газзарди, мой редактор издательства Bantam Books, слал мне письмо за письмом с замечаниями и вопросами по тем местам, которые, по его мнению, были плохо объяснены. Признаться, я был сильно раздражен, получив огромный список рекомендуемых исправлений, но Газзарди оказался совершенно прав. Я уверен, книга стала лучше благодаря тому, что Газзарди тыкал меня носом в ошибки.

Я выражаю глубокую благодарность моим помощникам Колину Уилльямсу, Дэвиду Томасу и Рэймонду Лэфлемму, моим секретарям Джуди Фелле, Энн Ральф, Шерил Биллингтон и Сью Мэйси и моим медсестрам. Я бы ничего не смог достичь, если бы все расходы на научные исследования и необходимую медицинскую помощь не взяли на себя Гонвилл-энд-Кайюс-колледж, Совет по научным и техническим исследованиям и фонды Леверхулма, Мак-Артура, Нуффилда и Ральфа Смита. Всем им я очень благодарен.

Предисловие

Мы живем, почти ничего не понимая в устройстве мира. Не задумываемся над тем, какой механизм порождает солнечный свет, который обеспечивает наше существование, не думаем о гравитации, которая удерживает нас на Земле, не давая ей сбросить нас в пространство. Нас не интересуют атомы, из которых мы состоим и от устойчивости которых мы сами существенным образом зависим. За исключением детей (которые еще слишком мало знают, чтобы не задавать такие серьезные вопросы), мало кто ломает голову над тем, почему природа такова, какова она есть, откуда появился космос и не существовал ли он всегда? не может ли время однажды повернуть вспять, так что следствие будет предшествовать причине? есть ли непреодолимый предел человеческого познания? Бывают даже такие дети (я их встречал), которым хочется знать, как выглядит черная дыра, какова самая маленькая частичка вещества? почему мы помним прошлое и не помним будущее? если раньше и правда был хаос, то как получилось, что теперь установился видимый порядок? и почему Вселенная вообще существует?

В нашем обществе принято, что родители и учителя в ответ на эти вопросы большей частью пожимают плечами или призывают на помощь смутно сохранившиеся в памяти ссылки на религиозные легенды. Некоторым не нравятся такие темы, потому что в них живо обнаруживается узость человеческого понимания.

Но развитие философии и естественных наук продвигалось вперед в основном благодаря подобным вопросам. Все больше взрослых людей проявляют к ним интерес, и ответы иногда бывают совершенно неожиданными для них. Отличаясь по масштабам как от атомов, так и от звезд, мы раздвигаем горизонты исследований, чтобы охватить как очень маленькие, так и очень большие объекты.

Весной 1974 г., примерно за два года до того, как космический аппарат «Викинг» достиг поверхности Марса, я был в Англии на конференции, организованной Лондонским королевским обществом и посвященной возможностям поиска внеземных цивилизаций. Во время перерыва на кофе я обратил внимание на гораздо более многолюдное собрание, проходившее в соседнем зале, и из любопытства вошел туда. Так я стал свидетелем давнего ритуала – приема новых членов в Королевское общество, которое является одним из старейших на планете объединений ученых. Впереди молодой человек, сидевший в инвалидном кресле, очень медленно выводил свое имя в книге, предыдущие страницы которой хранили подпись Исаака Ньютона. Когда он, наконец, кончил расписываться, зал разразился овацией. Стивен Хокинг уже тогда был легендой.

Сейчас Хокинг в Кембриджском университете занимает кафедру математики, которую когда-то занимал Ньютон, а позже П. А. М. Дирак – два знаменитых исследователя, изучавшие один – самое большое, а другой – самое маленькое. Хокинг – их достойный преемник. Эта первая популярная книга Хокипга содержит массу полезных вещей для широкой аудитории. Книга интересна не только широтой своего содержания, она позволяет увидеть, как работает мысль ее автора. Вы найдете в ней ясные откровения о границах физики, астрономии, космологии и мужества.

Но это также книга о Боге… а может быть, об отсутствии Бога. Слово «Бог» часто появляется на ее страницах. Хокинг отправляется на поиски ответа на знаменитый вопрос Эйнштейна о том, был ли у Бога какой-нибудь выбор, когда он создавал Вселенную. Хокинг пытается, как он сам пишет, разгадать замысел Бога. Тем более неожиданным оказывается вывод (по меньшей мере временный), к которому приводят эти

Stephen Hawking

A BRIEF HISTORY OF TIME:

FROM THE BIG BANG TO BLACK HOLES

Предисловие

Я не писал предисловия к первому изданию «Краткой истории времени». Это сделал Карл Саган. Вместо этого я добавил короткий раздел под названием «Благодарности», где мне посоветовали выразить всем признательность. Правда, некоторые из благотворительных фондов, оказавших мне поддержку, были не очень рады тому, что я их упомянул, – заявок у них стало намного больше.

Я думаю, что никто – ни издательство, ни мой агент, ни даже я сам – не ожидал, что книга будет пользоваться таким успехом. Она продержалась в списке бестселлеров лондонской газеты Sunday Times целых 237 недель – это больше, чем любая другая книга (естественно, не считая Библии и произведений Шекспира). Она была переведена примерно на сорок языков и разошлась огромным тиражом – на каждые 750 жителей Земли, мужчин, женщин и детей, приходится примерно один экземпляр. Как заметил Натан Майрволд из фирмы Microsoft (это мой бывший аспирант), я продал больше книг по физике, чем Мадонна – книг о сексе.

Успех «Краткой истории времени» означает, что людей весьма интересуют фундаментальные вопросы – о том, откуда мы взялись, и почему Вселенная такова, какой мы ее знаем.

Я воспользовался представившейся мне возможностью дополнить книгу более новыми наблюдательными данными и теоретическими результатами, которые были получены уже после выхода первого издания (1 апреля 1988 года, в День дурака). Я добавил новую главу о кротовых норах и путешествиях во времени. Похоже, общая теория относительности Эйнштейна допускает возможность создания и поддержания кротовых нор – небольших туннелей, связывающих разные области пространства-времени. В этом случае мы могли бы использовать их для быстрого перемещения по Галактике или для путешествий назад во времени. Разумеется, мы пока не встречали ни одного пришельца из будущего (или, может быть, все же встречали?), но я попробую предположить, каким может быть объяснение тому.

Я также расскажу о достигнутом за последнее время прогрессе в поиске «дуальностей», или соответствий между на первый взгляд различными физическими теориями. Эти соответствия являются серьезным свидетельством в пользу существования единой физической теории. Но они также говорят о том, что эту теорию, возможно, нельзя сформулировать непротиворечивым, фундаментальным образом. Вместо этого в разных ситуациях приходится довольствоваться различными «отражениями» основополагающей теории. Точно так же мы не можем отобразить всю земную поверхность в подробностях на одной карте и вынуждены использовать разные карты для разных областей. Такая теория стала бы революцией в наших представлениях о возможности объединения законов природы.

Однако она никоим образом не затронула бы самого главного: Вселенная подчиняется набору рациональных законов, которые мы в состоянии открыть и постичь.

Что касается наблюдательного аспекта, то здесь, безусловно, важнейшим достижением стало измерение флуктуаций реликтового излучения в рамках проекта COBE (англ. Cosmic Background Explorer – «Исследователь космического фонового излучения»)1
Впервые флуктуации, или анизотропия, реликтового микроволнового излучения были обнаружены советским проектом «Реликт». – Прим. науч. ред.

И других. Эти флуктуации, по сути, являются «печатью» творения. Речь об очень малых неоднородностях в ранней Вселенной, в остальном вполне гомогенной. Впоследствии они превратились в галактики, звезды и прочие структуры, которые мы наблюдаем через телескоп. Формы флуктуаций согласуются с предсказаниями модели Вселенной, не имеющей границ в воображаемом временно?м направлении. Но чтобы предпочесть предлагаемую модель другим возможным объяснениям флуктуаций реликтового излучения, потребуются новые наблюдения. Через несколько лет станет ясно, можно ли считать нашу Вселенную полностью замкнутой, без начала и конца.

Стивен Хокинг

Глава первая. Наша картина Вселенной

Однажды известный ученый (говорят, это был Бертран Рассел) читал публичную лекцию по астрономии. Он рассказывал, как Земля движется по орбите вокруг Солнца и как Солнце, в свою очередь, движется по орбите вокруг центра огромного скопления звезд, называемого нашей Галактикой. Когда лекция закончилась, маленькая пожилая женщина в дальнем ряду аудитории встала и произнесла: «Всё, что тут говорили, – полная ерунда. Мир – плоская тарелка на спине гигантской черепахи». Ученый снисходительно улыбнулся и спросил: «На чем же стоит та черепаха?» «Вы ведь очень умный молодой человек, очень умный, – ответила дама. – Черепаха стоит на другой черепахе, та – на следующей, и так до бесконечности!»

Большинство сочтет нелепой попытку выдать нашу Вселенную за бесконечно высокую башню из черепах. Но отчего мы так уверены, что наше представление о мире лучше? Что же нам в самом деле известно о Вселенной и откуда мы всё это знаем? Как возникла Вселенная? Что ждет ее в будущем? Было ли у Вселенной начало, а если было, то что было до него? Какова природа времени? Закончится ли оно когда-нибудь? Можно ли двигаться во времени вспять? Ответы на некоторые из этих давних вопросов дают недавние прорывы в физике, которым мы, в частности, обязаны появлению фантастических новых технологий. Когда-нибудь мы сочтем новые знания такими же очевидными, как то, что Земля обращается вокруг Солнца. А может быть, такими же абсурдными, как представление о башне из черепах. Только время (чем бы оно ни было) покажет.

Давным-давно, за 340 лет до нашей эры, греческий философ Аристотель написал трактат «О небе». В нем он выдвинул два убедительных доказательства того, что Земля имеет форму шара и совсем не является плоской, как тарелка. Во-первых, он понял, что причина лунных затмений – прохождение Земли между Солнцем и Луной. Отбрасываемая Землей на Луну тень всегда имеет округлую форму, и это возможно, только если Земля также округлая. Если бы Земля имела форму плоского диска, то тень, как правило, имела бы форму эллипса; круглой она была бы только тогда, когда Солнце во время затмения располагалось бы точно под центром диска. Во-вторых, древние греки знали из опыта своих путешествий, что на юге Полярная звезда расположена ближе к горизонту, чем при наблюдении в местностях, расположенных севернее. (Поскольку Полярная звезда расположена над Северным полюсом, то наблюдатель на Северном полюсе видит ее прямо над головой, а наблюдатель в районе экватора – над самым горизонтом.) Более того, Аристотель, исходя из разности видимого положения Полярной звезды при наблюдениях в Египте и Греции, смог оценить длину окружности Земли в 400 000 стадиев. Мы не знаем, чему в точности был равен один стадий, но если предположить, что он составлял около 180 метров, то оценка Аристотеля примерно в два раза больше принятого в настоящее время значения. У греков был еще и третий аргумент в пользу круглой формы Земли: как иначе объяснить, почему при приближении корабля к берегу сначала показываются лишь его паруса, а только потом корпус?

Аристотель считал Землю неподвижной, а также полагал, что Солнце, Луна, планеты и звезды обращаются по круговым орбитам вокруг Земли. Он руководствовался мистическими соображениями: Земля, по Аристотелю, является центром Вселенной, а движение по кругу наиболее совершенно. Во II веке нашей эры Птолемей построил на основе этой идеи всеобъемлющую космологическую модель. В центре Вселенной находилась Земля, окруженная восемью вложенными друг в друга вращающимися сферами, и на этих сферах располагались Луна, Солнце, звезды и известные в то время пять планет – Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн (рис. 1.1). Каждая планета двигалась относительно своей сферы по малому кругу – для того, чтобы описать весьма сложные траектории этих светил на небе. На внешней сфере были закреплены звезды, и поэтому их взаимные положения оставались неизменными, конфигурация вращалась на небе как единое целое. Представления о том, что расположено за пределами внешней сферы, оставались весьма расплывчатыми, но это заведомо находилось за пределами части Вселенной, доступной человечеству для наблюдения.

Модель Птолемея позволяла довольно точно предсказывать положение светил на небе. Но чтобы добиться согласия предсказаний с наблюдениями, Птолемею пришлось предположить, что расстояние от Луны до Земли в разное время могло отличаться в два раза. А это означало, что видимый размер Луны иногда должен был быть в два раза больше привычного! Птолемей сознавал этот недостаток своей системы, что тем не менее не помешало почти единогласному признанию его картины мира. Христианская церковь приняла Птолемееву систему, поскольку сочла ее не противоречащей Священному Писанию: за пределами сферы неподвижных звезд оставалось достаточно места для рая и ада.

Но в 1514 году польский священник Николай Коперник предложил более простую модель. (Правда, вначале, опасаясь быть обвиненным церковью в ереси, Коперник распространял свои космологические идеи анонимно.) Коперник предположил, что Солнце неподвижно и расположено в центре, а Земля и планеты движутся вокруг него по круговым орбитам. Понадобилось почти столетие, чтобы эту идею восприняли всерьез. Одними из первых в пользу теории Коперника стали публично высказываться двое ученых-астрономов – немец Иоганн Кеплер и итальянец Галилео Галилей, несмотря на то, что предсказываемые этой теорией траектории небесных тел не совпадали в точности с наблюдаемыми. Окончательный удар по системе мира Аристотеля и Птолемея нанесли события 1609 года – тогда Галилей начал наблюдать ночное небо через только что изобретенный телескоп2
Телескоп как зрительную трубу первым изобрел голландский очковый мастер Иоганн Липперсгей в 1608 году, но Галилей первым направил телескоп на небо в 1609 году и использовал его для астрономических наблюдений. – Прим. перев.

Взглянув на планету Юпитер, Галилей обнаружил несколько обращающихся вокруг него небольших спутников. Отсюда следовало, что не все небесные тела обращаются вокруг Земли, как считали Аристотель с Птолемеем. (Можно было, конечно, продолжать считать Землю неподвижной и расположенной в центре Вселенной, полагая, что спутники Юпитера движутся вокруг Земли по исключительно запутанным траекториям так, что это похоже на их обращение вокруг Юпитера. Но все же теория Коперника была намного проще.) Примерно в то же время Кеплер уточнил теорию Коперника, предположив, что планеты движутся не по круговым орбитам, а по эллиптическим (то есть вытянутым), благодаря чему удалось добиться согласия предсказаний теории с наблюдениями.

Правда, Кеплер рассматривал эллипсы лишь как математический трюк, и притом весьма одиозный, потому что эллипсы – менее совершенные фигуры, чем окружности. Кеплер обнаружил, почти случайно, что эллиптические орбиты хорошо описывают наблюдения, но при этом никак не мог согласовать предположение об эллиптических орбитах со своей идеей о магнитных силах как причине движения планет вокруг Солнца. Причину движения планет вокруг Солнца значительно позже, в 1687 году, раскрыл сэр Исаак Ньютон в трактате «Математические начала натуральной философии» – пожалуй, важнейшей из когда-либо опубликованных работ по физике. В этом труде Ньютон не только выдвинул теорию, описывающую движение тел в пространстве и во времени, но и разработал сложный математический аппарат, необходимый для описания этого движения. Кроме того, Ньютон сформулировал закон всемирного тяготения, согласно которому всякое тело во Вселенной притягивается к любому другому телу с силой, которая тем больше, чем больше массы тел и чем меньше расстояние между взаимодействующими телами. Это та самая сила, которая заставляет предметы падать на землю. (История о том, что на мысль о законе всемирного тяготения Ньютона навело упавшее на его голову яблоко, скорее всего, просто выдумка. Ньютон говорил лишь, что эта идея пришла к нему, когда он находился «в созерцательном настроении» и был «под впечатлением от падения яблока».) Ньютон показал, что согласно сформулированному им закону под действием тяготения Луна должна двигаться по эллиптической орбите вокруг Земли, а Земля и планеты – по эллиптическим орбитам вокруг Солнца.

Модель Коперника исключала необходимость в Птолемеевых сферах, а с ними – и в предположении о наличии у Вселенной некоей естественной внешней границы. Поскольку у «неподвижных» звезд не обнаруживалось никакого движения, кроме общего суточного движения небосвода, вызванного вращением Земли вокруг своей оси, то было естественно предположить, что это такие же тела, как наше Солнце, только расположенные гораздо дальше.

Ньютон понял, что согласно его теории тяготения звезды должны притягивать друг друга и поэтому, по-видимому, не могут оставаться неподвижными. Почему же они не сблизились и не скопились в одном месте? В своем письме другому выдающемуся мыслителю своего времени, Ричарду Бентли, написанном в 1691 году, Ньютон утверждал, что они будут сближаться и скапливаться только в том случае, если число звезд, сосредоточенных в ограниченной области пространства, конечно. А если число звезд бесконечно и распределены они более или менее равномерно в бесконечном пространстве, то этого не произойдет из-за отсутствия какой бы то ни было явной центральной точки, в которую могли бы «провалиться» звезды.

Это одна из тех ловушек, которые встречаются при рассуждениях о бесконечности. В бесконечной Вселенной любая ее точка может рассматриваться как ее центр, потому что по каждую сторону от нее находится бесконечное число звезд. Правильный подход (к которому пришли гораздо позже) – решение задачи в конечном случае, когда звезды падают друг на друга, и исследование того, как результат меняется при добавлении в конфигурацию звезд, расположенных за пределами рассматриваемой области и распределенных более или менее равномерно. Согласно закону Ньютона в среднем дополнительные звезды в совокупности не должны оказывать никакого влияния на первоначальные звезды, и поэтому эти звезды исходной конфигурации должны все так же быстро падать одна на другую. Так что сколько звезд ни добавляй, они все равно будут падать одна на другую. Теперь мы знаем, что невозможно получить бесконечную стационарную модель Вселенной, в которой сила гравитации имеет исключительно «притягивающий» характер.

Об интеллектуальной атмосфере до начала XX века многое говорит тот факт, что никому тогда не пришел в голову сценарий, согласно которому Вселенная может сжиматься или расширяться. Общепринятой была концепция Вселенной, либо существовавшей всегда в неизменном виде, либо сотворенной в некоторый момент в прошлом – в том виде, в каком мы ее наблюдаем сейчас. Это могло, в частности, быть следствием того, что люди склонны верить в вечные истины. Стоит вспомнить хотя бы, что величайшее утешение дает мысль о том, что, хотя мы все стареем и умираем, Вселенная вечна и неизменна.

Даже ученые, понимавшие, что согласно ньютоновской теории тяготения Вселенная не может быть статичной, не осмеливались предположить, что она может расширяться. Вместо этого они пытались скорректировать теорию так, чтобы гравитационная сила на очень больших расстояниях становилась отталкивающей. Такое предположение не меняло существенно предсказанные движения планет, но позволяло бесконечно большому числу звезд оставаться в состоянии равновесия: силы притяжения со стороны близких звезд уравновешивались силами отталкивания более далеких звезд. Сейчас же считается, что такое равновесное состояние должно быть неустойчивым: стоит звездам в какой-либо области чуть больше приблизиться друг к другу, как их взаимное притяжение усилится и превзойдет силы отталкивания, в результате чего звезды продолжат падать друг на друга. С другой стороны, стоит звездам оказаться лишь слегка дальше друг от друга, как силы отталкивания возьмут верх над силами притяжения и звезды разлетятся.

Другое возражение против концепции бесконечной статичной Вселенной обычно связывают с именем немецкого философа Генриха Ольберса, который опубликовал свои рассуждения по этому поводу в 1823 году. В действительности на эту проблему обращали внимание многие современники Ньютона, и статья Ольберса была отнюдь не первой, где приводились веские доводы против такой концепции. Однако она была первой, получившей широкое признание. Дело в том, что в бесконечной статичной Вселенной почти любой луч зрения должен упираться в поверхность какой-нибудь звезды, и поэтому все небо должно светиться так же ярко, как Солнце, причем даже ночью. Контраргумент Ольберса состоял в том, что свет далеких звезд должен ослабляться из-за поглощения веществом, находящимся между нами и этими звездами. Но тогда это вещество разогрелось бы и светилось так же ярко, как и сами звезды. Избежать вывода о том, что яркость всего неба сравнима с яркостью Солнца, можно, только предположив, что звезды не светились вечно, а «зажглись» некоторое определенное время назад. В этом случае поглощающее вещество не успело бы нагреться или свет далеких звезд не успел бы достичь нас. Таким образом, мы приходим к вопросу о причине, по которой зажглись звезды.

Конечно, люди обсуждали происхождение Вселенной задолго до этого. Во многих ранних космологических представлениях, а также в иудейской, христианской и мусульманской картинах мира Вселенная возникла в определенное и не очень далекое время в прошлом. Одним из аргументов в пользу такого начала было ощущение необходимости некоей первопричины, которая бы объясняла существование Вселенной. (В пределах самой Вселенной любое происходящее в ней событие объясняется как следствие другого, более раннего события; существование же самой Вселенной можно таким образом объяснить, только предположив, что у нее было некое начало.) Другой аргумент был высказан Аврелием Августином, или Блаженным Августином, в труде «О граде Божьем». Он отметил, что цивилизация развивается и что мы помним, кто совершил то или иное деяние или изобрел тот или иной механизм. Следовательно, человек, а возможно, и Вселенная не могли существовать очень долгое время. Блаженный Августин считал, в соответствии с Книгой Бытия, что Вселенная была сотворена примерно за 5000 лет до Рождества Христова. (Интересно, что это близко к эпохе окончания последнего Ледникового периода, – около 10 000 лет до нашей эры, – которую археологи считают началом возникновения цивилизации.)

Аристотелю, а также большинству древнегреческих философов, наоборот, не нравилась идея о сотворении мира, потому что она исходила из божественного вмешательства. Они считали, что человеческий род и мир существовали всегда и будут существовать вечно. Мыслители древности осмыслили и вышеупомянутый довод о прогрессе цивилизации и парировали: они заявили, что человеческий род периодически возвращался к стадии начала цивилизации под действием потопов и других стихийных бедствий.

Вопросы о том, было ли у Вселенной начало во времени и ограничена ли она в пространстве, также поднимал философ Иммануил Кант в своем монументальном (правда, весьма сложном для понимания) труде «Критика чистого разума», опубликованном в 1781 году. Кант называл эти вопросы антиномиями (то есть противоречиями) чистого разума, потому что чувствовал, что есть одинаково убедительные доводы в пользу как тезиса – то есть того, что у Вселенной было начало, – так и антитезиса – то есть того, что Вселенная существовала всегда. В доказательство тезиса Кант приводит такие рассуждения: если бы у Вселенной не было начала, то любому событию должно было предшествовать бесконечное время, что, по мнению философа, абсурдно. В пользу антитезиса выдвигалось то соображение, что если бы у Вселенной было начало, то до него должно было пройти бесконечное время и непонятно, почему же Вселенная возникла в какой бы то ни было конкретный момент времени. В сущности, кантовские обоснования тезиса и антитезиса почти что идентичны. В обоих случаях в основе рассуждений лежит неявное предположение философа о том, что время бесконечно продолжается в прошлое независимо от того, существовала ли Вселенная всегда. Как мы увидим, понятие времени не имеет смысла до рождения Вселенной. Первым это отметил Блаженный Августин. Его спросили: «Что делал Бог до того, как создал мир?», и Августин не стал утверждать, что Бог готовил ад для тех, кто задает такие вопросы. Вместо этого он постулировал, что время – это свойство сотворенного Богом мира и что до начала Вселенной времени не существовало.

Когда большинство людей считали Вселенную в целом статичной и неизменной, вопрос о наличии у нее начала относился скорее к сфере метафизики или теологии. Наблюдаемую картину мира можно было с одинаковым успехом объяснить как в рамках теории о том, что Вселенная существовала всегда, так и на основе предположения, что она была приведена в движение в какое-то конкретное время, но таким образом, что сохраняется видимость, будто она существует вечно. Но в 1929 году Эдвин Хаббл сделал фундаментальное открытие: он обратил внимание на то, что далекие галактики, где бы они ни находились на небе, всегда удаляются от нас с большими скоростями, [пропорциональными расстоянию до них]3
Здесь и далее в квадратных скобках помещаются замечания переводчика, уточняющие авторский текст. – Прим. изд.

Другими словами, Вселенная расширяется. Это значит, что в прошлом объекты во Вселенной были ближе друг к другу, чем сейчас. И похоже, что в некий момент времени – где-то 10–20 миллиардов лет назад – все, что есть во Вселенной, было сконцентрировано в одном месте, и следовательно, плотность Вселенной была бесконечной. Это открытие вывело вопрос о начале Вселенной в сферу науки.

КАТЕГОРИИ