Опубликована последняя работа Стивена Хокинга о природе нашей Вселенной

Излучение Хокинга — это тепловое излучение, спонтанно испускаемое черными дырами из-за квантовых эффектов вблизи их горизонта событий. Постепенно уменьшается энергия вращения и масса черных дыр. Тем не менее, это просто теория; такого излучения еще не наблюдалось.

В 1974 году Стивен Хокинг потряс мир физики, показав, что черные дыры могут испускать субатомные частицы, пока они не исчерпают свою энергию и не испарятся полностью.

До этого черные дыры, как правило, считались идеальными черными объектами, из которых никакие частицы и излучение не могут вырваться. Однако статья Хокинга под названием «Создание частиц черными дырами» (опубликованная в 1975 году) дала совершенно новую перспективу для изучения черных дыр.

Что такое излучение Хокинга? (Объясняется простыми словами)

Принимая во внимание квантовую теорию поля, Стивен Хокинг показал, что черные дыры испускают излучение, известное как излучение Хокинга, вблизи своего горизонта событий.

С точки зрения непрофессионалов, излучение Хокинга — это тепловое излучение, которое спонтанно испускается черными дырами. Оно постепенно уменьшает энергию вращения и массу черных дыр. Таким образом, неактивные черные дыры (не потребляющие вещества), как ожидается, уменьшатся и в конце концов исчезнут. Этот процесс также называется испарением чёрных дыр.

Излучение Хокинга было спорным открытием, но к концу 1970-х годов оно было широко признано как крупный прорыв в теоретической физике.

Небольшое отступление

В начале 1970-х годов исследования, проведенные Джеймсом Бардином, Стивеном Хокингом и другими физиками, привели к формулировке термодинамики черной дыры, в которой можно исследовать поведение черной дыры, связывая площадь с энтропией, массу с энергией и поверхностную гравитацию с температурой.

Хокинг, используя много математики, объединил идеи как из теории относительности Эйнштейна, так и из квантовой механики. В то время как теория относительности описывает гравитацию в областях большого масштаба и большой массы (галактики, звезды), квантовая механика фокусируется на невесомости в областях малого масштаба и малой массы (молекулы, атомы).

Ученые десятилетиями пытались объединить эти две основные теории: они пытались разработать теорию всего, что могло бы полностью объяснить и связать воедино все физические аспекты вселенной.

Оказывается, обе теории вступают в игру на горизонте событий «черной дыры» — границе, за которой ничто не может уйти (даже свет).

Стивен Хокинг использовал квантовую теорию поля, чтобы показать, что черные дыры должны излучать как черное тело. И подобно многим другим объектам в нашей Вселенной, черные дыры сжимаются и умирают. Его расчеты показали, что как вращающиеся, так и невращающиеся черные дыры испускают излучение. Он даже превратил свои находки в небольшой совет:

«Если ты чувствуешь, что находишься в черной дыре, не сдавайся. Здесь есть выход».- Стивен Хокинг на публичной лекции в Стокгольме, Швеция.

Как работает излучение Хокинга?

Согласно квантово-механической теории, частицы и их аналоги (античастицы) постоянно появляются и исчезают во всей Вселенной.

Эти пары частица-античастица также создаются рядом с горизонтом событий черной дыры, и они быстро уничтожают друг друга. Однако одна частица может упасть в черную дыру до того, как может произойти ее уничтожение, и в этом случае другая частица (ее аналог) ускользнет под действием излучения Хокинга.

Это означает, что излучение Хокинга не исходит непосредственно от самой черной дыры, а является результатом того, что виртуальные частицы «поднимаются» под действием интенсивного гравитационного притяжения черной дыры, превращаясь в настоящие частицы.

Частица, упавшая в черную дыру, должна была иметь отрицательную энергию, в то время как ее двойник должен был иметь положительную энергию (по отношению к внешнему наблюдателю). Таким образом, получается, что черная дыра только что выпустила частицу, потеряв свою массу.

Это явление также можно рассматривать как эффект квантового туннелирования, в котором пара (частицы и античастица) образуется из вакуума и одного из парных туннелей за пределами горизонта событий.

Информационный парадокс черной дыры

Основное различие между тепловым излучением, испускаемым черным телом, и излучением черной дыры (по оценке Хокинга) заключается в том, что первое является статистическим по своей природе.

Тепловое излучение несет информацию о теле своего источника, тогда как излучение Хокинга, по-видимому, не несет такой информации: оно зависит исключительно от массы, заряда и углового момента черной дыры.

Так что же происходит с веществом, поглощенным черными дырами? Согласно нашему пониманию общей теории относительности, информация уничтожается. Но если бы это было так, то это нарушило бы законы квантовой механики.

Эта головоломка называется информационным парадоксом черной дыры.

В 2020 году Стивен Хокинг представил идею о том, как этот парадокс может быть решен. Он предположил, что информация на самом деле хранится не внутри черной дыры, а на ее границе – горизонте событий.

Информация хранится в виде суперпереводов, голограммы входящих частиц. Это выпущено в квантовых колебаниях, которые создают черные дыры, хотя в бесполезной, хаотической форме.

Стивен Хокинг — Теория всего[Происхождение и судьба Вселенной]

1 …

Теория всего

Происхождение и судьба Вселенной

Введение

В этой серии лекций я попытаюсь вкратце обрисовать историю Вселенной, какой она нам представляется, от Большого Взрыва до черных дыр. Первая лекция содержит краткий обзор существовавших в прошлом представлений о строении мира и рассказ о том, как мы пришли к современной картине. Так что эту лекцию можно назвать хроникой теорий об истории Вселенной.

Вторая лекция объяснит, как теории гравитации Ньютона и Эйнштейна привели к заключению, что Вселенная не может быть стационарной — только расширяющейся, либо сжимающейся. Это, в свою очередь, предполагает, что в какое-то время в интервале от 10 до 20 млрд лет тому назад Вселенная имела бесконечную плотность. То был Большой Взрыв, который, по-видимому, стал «началом» существования Вселенной.

В третьей лекции я расскажу о черных дырах. Они формируются, когда массивная звезда или даже более крупное образование схлопывается под действием собственного тяготения. В соответствии с общей теорией относительности Эйнштейна субъекты, имевшие глупость угодить в черную дыру, будут потеряны навсегда. Они уже не смогут оттуда выбраться. В сингулярности черной дыры истории приходит конец. Впрочем, общая теория относительности — это теория классическая, не берущая в расчет принцип неопределенности квантовой механики.

А квантовая механика, как я покажу в четвертой лекции, допускает ускользание энергии из черных дыр. Черные дыры не так уж черны, как их малюют.

В пятой лекции я приложу идеи квантовой механики к Большому Взрыву и возникновению Вселенной. Это подведет нас к идее, что пространство-время может быть конечным по протяженности, но не иметь границы или края. Это было бы похоже на поверхность Земли, имеющую еще два дополнительных измерения. В шестой лекции я растолкую, как это новое предположение о границах способно объяснить разительное отличие прошлого от будущего при том, что законы физики симметричны относительно времени.

Наконец, в седьмой лекции я обращусь к нашим попыткам найти некую объединенную теорию, охватывающую квантовую механику, тяготение и все остальные физические взаимодействия. Если бы мы преуспели в этом, то смогли бы понять Вселенную и наше место в ней.

Первая лекция. Представления о Вселенной

Еще в 340 г. до н. э. Аристотель в сочинении «О небе» сформулировал два веских довода в пользу того, что Земля скорее круглая, как шар, нежели плоская, как тарелка. Во-первых, он осознал, что лунные затмения возникают из-за прохождения Земли между Солнцем и Луной. Тень Земли на Луне всегда круглая, а подобное возможно, только если Земля имеет сферическую форму. Будь наша планета плоским диском, тень ее была бы вытянутой, эллиптической, за исключением тех случаев, когда в момент затмения Солнце располагается прямо над центром диска.

Во-вторых, из опыта путешествий древние греки вынесли, что в южных странах Полярная звезда стоит ниже над горизонтом, чем в тех, что лежат ближе к северу. Из разницы видимых положений Полярной звезды в Греции и Египте Аристотель даже вывел приближенное значение окружности Земли — около 400 тыс. стадиев. Мы не знаем точно, чему равнялся древнегреческий стадий. Возможно, он составлял около 180 м. Тогда оценка Аристотеля примерно вдвое превосходит принятое ныне значение.

У древних греков имелся и третий аргумент в пользу шарообразности Земли: почему бы еще наблюдатель на берегу сначала замечал над горизонтом парус приближающегося корабля, а лишь затем — его корпус? Аристотель полагал, что Земля неподвижна, а Солнце, Луна, планеты и звезды

движутся вокруг нее по круговым орбитам. Он считал так, поскольку в силу мистических соображений был убежден, что Земля — центр Вселенной, а круговое движение — самое совершенное.

ВI в. н. э. Птолемей развил эти идеи в целостную космологическую модель. Земля располагалась в центре, окруженная восемью сферами, несущими на себе Луну, Солнце, звезды и пять известных в то время планет (Меркурий, Венеру, Марс, Юпитер и Сатурн). Планеты перемещались по малым окружностям, закрепленным на соответствующих сферах, что требовалось для объяснения их весьма сложных наблюдаемых движений по небосклону. На внешней сфере размещались так называемые неподвижные звезды, которые всегда остаются в одинаковом положении относительно друг друга, но все вместе совершают круговое движение по небу. Что лежит за пределами внешней сферы, оставалось неясным, эта область Вселенной не была доступна для наблюдений.

Модель Птолемея позволяла с достаточной точностью предсказывать видимые положения небесных тел. Но для этого пришлось допустить, что Луна, двигаясь по своей траектории, в отдельные моменты подходит к Земле вдвое ближе, чем в другие. А это означало, что периодически Луна должна казаться вдвое больше обычного. Птолемей знал об этом недостатке, тем не менее его модель была принята если не всеми, то абсолютным большинством. Она была одобрена христианской церковью, как картина мира, согласующаяся со Священным Писанием. Большим преимуществом в глазах богословов было то, что эта модель оставляла за пределами сферы неподвижных звезд достаточно места для рая и ада.

Тем не менее в 1514 г. польский каноник Николай Коперник предложил гораздо более простую космологическую теорию. Сначала, опасаясь обвинений в ереси, он обнародовал свою модель анонимно. Он считал, что в центре располагается

неподвижное Солнце, а Земля и остальные планеты обращаются вокруг него по круговым орбитам. К несчастью для Коперника, прошло почти столетие, прежде чем его идеи были приняты всерьез. Лишь тогда два астронома — немец Иоганн Кеплер и итальянец Галилео Галилей — публично выступили в поддержку теории Коперника, несмотря на то что предсказываемые ею движения не вполне совпадали с наблюдаемыми. Теория Аристотеля-Птолемея фактически «умерла» только в 1609 г. В тот год Галилей приступил к изучению ночного неба при помощи недавно изобретенного телескопа.

Наблюдая Юпитер, Галилей заметил, что планету сопровождают несколько небольших спутников (лун), которые обращаются вокруг нее. Это опрокидывало убеждение Аристотеля и Птолемея, что все небесные тела обращаются непосредственно вокруг Земли. Конечно, можно было по-прежнему считать, что Земля покоится в центре Вселенной, а спутники Юпитера движутся вокруг нее по исключительно сложным траекториям, создающим видимость их обращения вокруг Юпитера. Однако теория Коперника была гораздо проще.

Примерно в это же время Кеплер развил модель Коперника, предположив, что планеты движутся не по круговым, а по эллиптическим орбитам. Предсказания теории теперь окончательно совпали с наблюдениями. Однако сам Кеплер рассматривал эллиптические орбиты как искусственную гипотезу, притом весьма досадную, потому что эллипс — фигура не столь совершенная, как крут. Открыв (почти случайно), что эллиптические орбиты соответствуют наблюдениям, Кеплер не мог согласовать это со своей идеей, что планеты обращаются вокруг Солнца под действием магнитных сил.

1 …

Конец ознакомительного отрывка

Прочитать полностью
Хотите узнать цену? ДА, ХОЧУ

Экспериментальные наблюдения

В 2008 году НАСА запустило космическую обсерваторию под названием Fermi Gamma-ray Space Telescope, которая в настоящее время ищет испаряющиеся первичные микро-черные дыры из их предполагаемого излучения Хокинга.

Ученые считают, что микро-черные дыры могут быть экспериментально созданы в искусственной среде на Большом адронном коллайдере ЦЕРНа. В случае успеха они могут наблюдать испарение черной дыры, а также подтвердить некоторые теоретические предсказания теории суперструн относительно гравитации.

Метки
Горизонт событий Квантовая физика Стивен Хокинг Черная дыра

Последняя теория Стивена Хокинга позволит доказать существование параллельных вселенных

Перед смертью великий ученый в группе с коллегами несколько лет разрабатывал свою «финальную» теорию. Сейчас она проходит рассмотрение в одном из научных журналов, и будет опубликована после проверки. Эта теория должна показать, какими характеристиками должен обладать наш мир, если он является частью мультивселенной. Коллеги Хокинга говорят, что эта работа принесла бы ему Нобелевскую премию, которую он так и не получил при жизни.

Теория называется A Smooth Exit from Eternal Inflation («Плавный выход из вечной инфляции»). Ученые, помогавшие Стивену Хокингу во время работы, говорят, что это может быть самое важное его научное наследие, важнее, чем труды по изучению черных дыр. В своей теории он задает необходимую математику, позволяющую космическому челноку найти следы нескольких Больших взрывов. Ранее большинство физиков и космологов считали, что подтвердить существование мультивселенной из нашей вселенной технически невозможно.

Ученый закончил работу незадолго до смерти. Новая публикация также решит проблему, поставленную Хокингом в его «безграничной» теории 1983 года. Она объясняла, как Вселенная начала существовать в результате Большого взрыва. Согласно теории, Вселенная в долю секунды расширилась от микроскопической точки в прототип того, где мы сейчас живем – благодаря процессу, известному как «инфляция». Но та же теория предсказывала возможность бесконечного числа Больших взрывов, где каждый создавал бы свою Вселенную. Получалась бесконечная мультивселенная, которая ставила математический парадокс. Её не только невозможно измерить, её нет смысла измерять.

Ученые защищались от этой бесконечной мультивселенной, используя антропный принцип. Мол, наша Вселенная такая, какая она есть, потому, что мы в ней живем. Каждое значение мировых констант получилось случайно. В других мирах с другими законами природы мы бы не существовали. Многих физиков такой подход смущает – «если все константы случайны, есть ли смысл пытаться найти логику в характеристиках нашей Вселенной»?

Новая теория Хокинга позволит убрать антропные аргументы, их можно будет использовать только для ограниченного числа параметров (например, для объяснения того, почему инфляция ускоряется медленно). Также, по всей вероятности, число вселенных в мультивселенной оказывается не бесконечным, как полагалось ранее, а ограниченным. А это значит, что их параметры поддаются измерению и вычислению.

Карлос Френк, профессор космологии в Даремском университете, объясняет, что главное достижение теории в том, что её относительно легко подтвердить (по крайней мере, по меркам современной физики). Здесь не нужно строить Большой адронный коллайдер. Достаточно движущегося космического аппарата с детектором, считывающим фоновое излучение, – отпечаток первых секунд после Большого взрыва, – в поиске следов мультивселенной.

Профессор Томас Хертог из Левенского университета в Бельгии, работавший над новой теорией вместе с Хокингом, рассказывает, что он встречался с ученым всего две недели назад, чтобы обсудить последние детали:

Он часто номинировался на Нобель, и должен был её получить. Теперь он не сможет уже никогда.

Пока что теория Хокинга еще не проверена и не опубликована в научных журналах, но прочитать её в свободном доступе можно здесь. Бесплатно, онлайн-PDF, правда нужно быть примерно Стивеном Хокингом, чтобы что-то понять.

Классический период

Работая над докторской диссертацией в Кембридже в середине 1960-х, Хокинг стал интересоваться вопросами происхождения и итоговой судьбы Вселенной. Подходящим инструментом для исследований этой проблемы была ОТО, теория Эйнштейна, описывающая пространство, время и гравитацию. Согласно ОТО, то, что мы ощущаем, как гравитацию, является отражением кривизны пространства-времени. Понимая, как кривизна создаётся материей и энергией, мы можем предсказать эволюцию Вселенной. Об этом можно говорить, как о «классическом» периоде Хокинга, чтобы противопоставить классическую ОТО и его более поздние исследования в области квантовой теории поля и квантовой гравитации.
Примерно в то же время Роджер Пенроуз из Оксфорда провёл примечательное доказательство: согласно ОТО, при очень широком спектре условий, пространство и время обрушатся внутрь себя и сформируют сингулярность. Если гравитация – это кривизна пространства-времени, то сингулярность – это такой момент времени, в который эта кривизна становится бесконечно большой. Теорема показала, что сингулярности не были просто какими-то диковинками; они являются важным свойством ОТО.

Результат Пенроуза применили к чёрным дырам – участкам пространства-времени, в которых гравитационное поле оказывается настолько сильным, что оттуда не может убежать даже свет. Внутри чёрной дыры в будущем таится сингулярность. Хокинг взял идею Пенроуза и вывернул её наизнанку, направив в прошлое Вселенной. Он показал, что при таких же общих условиях пространство должно было появиться из сингулярности: Большого взрыва. Современные космологи говорят (и запутывают всех) как о модели Большого взрыва, которая является очень успешной теорией, описывающей эволюцию расширяющейся Вселенной за миллиарды лет, так и о сингулярности Большого взрыва, пониманием которой мы пока не можем похвастаться.

Затем Хокинг обратил своё внимание на чёрные дыры. Ещё одним интересным результатом расчётов Пенроуза стало то, что из вращающейся чёрной дыры можно извлечь энергию, по сути, добывая энергию из её вращения, пока она не остановится. Хокинг сумел показать, что, хотя и возможно извлечь энергию, область горизонта событий, окружающего ЧД, в любых физических процессах будет увеличиваться. Эта «теорема площади» была важной как сама по себе, так и в отношении совершенно другой области физики: термодинамики, изучающей передачу тепла.

Термодинамика подчиняется набору знаменитых законов. К примеру, первый закон говорит о том, что энергия сохраняется, а второй, что энтропия – мера беспорядка Вселенной – у замкнутой системы никогда не уменьшается. Работая с Джеймсом Бардином и Брэндоном Картером, Хокинг предложил набор законов «механики чёрных дыр», аналогичных термодинамике. Как и в термодинамике, первый закон механики ЧД гарантирует сохранение энергии. Второй закон – теорема площади Хокинга, говорит о том, что площадь горизонта событий никогда не уменьшается. Иначе говоря, площадь горизонта событий ЧД очень похожа на энтропию термодинамической системы – со временем они увеличиваются.

Неоценимый вклад в популяризацию науки

В конце 2020 года в Лондоне была учреждена медаль имени профессора Стивена Хокинга. Награда присуждается за популяризацию науки и продвижение трудов, способствующих продвижению научных знаний в самых различных сферах.

За три года награду получил пионер электронной музыки Жан-Мишель Жарр, американский астрофизик и научно-популярный писатель Нил Деграсс Тайсон, композитор Ханс Циммер и другие личности, старающиеся сделать науку популярнее и доступнее обычным людям.

Стивена Хокинга называли последним великим мечтателем. Его наследие и работы будут жить долгие годы. Благодаря Хокингу. Он сумел изменить взгляды человечества на информацию, на восприятие черных дыр, на сингулярность и понимание Вселенной.

Покойся с миром, Стивен.

(10 голосов, общий рейтинг: 4.50 из 5)

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями: