Вселенная стивена хокинга стивен хокинг: Книга: «Вселенная Стивена Хокинга» — Стивен Хокинг. Купить книгу, читать рецензии | A Brief History of Time. Black Holes and Baby Universes and other Essays. My Brief History | ISBN 978-5-17-102285-3

(открывается в новой вкладке)

могли быть или не быть полностью серьезными о, BBC сообщила

Они варьируются от предположения, что неуловимый бозон Хиггса, или «частица Бога»,

Первоначально опубликовано на Live Science.

Эндрю Мэй имеет докторскую степень. получил степень доктора астрофизики в Манчестерском университете, Великобритания. В течение 30 лет он работал в академическом, государственном и частном секторах, прежде чем стать научным писателем, где он писал для Fortean Times, How It Works, All About Space, BBC Science Focus и других. Он также написал ряд книг, в том числе «Космическое воздействие» и «Астробиология: поиск жизни в другом месте во Вселенной», изданные издательством Icon Books.

Стивен Хокинг

Эта лекция является интеллектуальной собственностью профессора С.У.Хокинга. Вы не можете воспроизводить, редактировать, переводить, распространять, публиковать или размещать этот документ каким-либо образом без разрешения The Stephen Hawking Estate. Обратите внимание, что в этом документе могут быть неправильные орфографические, пунктуационные и/или грамматические ошибки. Это сделано для того, чтобы синтезатор речи правильно произносил и синхронизировал.

‘В этой лекции я хотел бы обсудить, имеет ли само время начало и будет ли оно иметь конец. Все свидетельства, кажется, указывают на то, что Вселенная не существовала вечно, но что у нее было начало около 15 миллиардов лет назад. Это, пожалуй, самое замечательное открытие современной космологии. Однако сейчас это воспринимается как должное. Мы еще не уверены, будет ли конец Вселенной. Когда я читал лекцию в Японии, меня попросили не упоминать о возможном повторном коллапсе Вселенной, потому что это может повлиять на фондовый рынок. Однако я могу заверить любого, кто нервничает по поводу своих вложений, что продавать пока рановато: даже если Вселенной придет конец, это произойдет не раньше, чем через двадцать миллиардов лет. К тому времени, возможно, вступит в силу торговое соглашение ГАТТ.

Временная шкала Вселенной очень велика по сравнению с человеческой жизнью. Поэтому неудивительно, что до недавнего времени Вселенная считалась по существу статической и неизменной во времени. С другой стороны, должно быть очевидно, что общество развивается в культуре и технологиях. Это указывает на то, что нынешняя фаза человеческой истории не может длиться более нескольких тысяч лет. В противном случае мы были бы более продвинутыми, чем мы есть. Поэтому было естественно полагать, что человеческая раса, а может быть, и вся вселенная имели начало в относительно недавнем прошлом. Однако многие люди были недовольны идеей, что у Вселенной было начало, потому что это, казалось, подразумевало существование сверхъестественного существа, создавшего Вселенную. Они предпочитали верить, что вселенная и человечество существовали вечно. Их объяснение человеческого прогресса заключалось в том, что периодически случались наводнения или другие стихийные бедствия, которые неоднократно отбрасывали человеческий род в первобытное состояние.

Этот спор о том, было ли у Вселенной начало, сохранялся в 19-м и 20-м веках. Он проводился в основном на основе богословия и философии, практически не принимая во внимание данные наблюдений. Это могло быть разумным, учитывая заведомо ненадежный характер космологических наблюдений до недавнего времени. Космолог сэр Артур Эддингтон однажды сказал: «Не волнуйтесь, если ваша теория не согласуется с наблюдениями, потому что они, вероятно, ошибочны». Но если ваша теория не согласуется со вторым законом термодинамики, у нее большие проблемы. На самом деле теория вечного существования Вселенной находится в серьезном противоречии со вторым законом термодинамики. Второй закон гласит, что беспорядок всегда увеличивается со временем. Подобно аргументу о человеческом прогрессе, он указывает на то, что должно было быть начало. В противном случае Вселенная уже была бы в состоянии полного беспорядка, и все было бы при одной и той же температуре. В бесконечной и вечной Вселенной каждый луч зрения заканчивался бы на поверхности звезды. Это означало бы, что ночное небо было бы таким же ярким, как поверхность Солнца. Единственным способом избежать этой проблемы было бы, если бы по какой-то причине звезды не сияли раньше определенного времени.

Во вселенной, которая была бы по существу статична, не было бы никакой динамической причины, по которой звезды должны были внезапно вспыхнуть в какой-то момент. Любое такое «время освещения» должно быть навязано вмешательством извне вселенной. Однако ситуация изменилась, когда стало понятно, что Вселенная не статична, а расширяется. Галактики постоянно удаляются друг от друга. Это означает, что они были ближе друг к другу в прошлом. Можно построить график разделения двух галактик в зависимости от времени. Если бы не было ускорения под действием силы тяжести, график был бы прямой линией. Это снизится до нулевого разделения около двадцати миллиардов лет назад. Можно было бы ожидать, что гравитация заставит галактики ускоряться друг к другу. Это будет означать, что график разделения двух галактик будет изгибаться вниз, ниже прямой линии. Таким образом, время нулевого разделения было бы менее двадцати миллиардов лет назад.

В это время Большой Взрыв, вся материя во вселенной, должна была быть на вершине самой себя. Плотность была бы бесконечной. Это было бы, что называется, сингулярностью. В сингулярности все законы физики были бы нарушены. Это означает, что состояние Вселенной после Большого Взрыва не будет зависеть ни от чего, что могло произойти раньше, потому что детерминистические законы, управляющие Вселенной, при Большом Взрыве нарушатся. Вселенная разовьется после Большого Взрыва, совершенно независимо от того, какой она была раньше. Даже количество материи во Вселенной может отличаться от того, что было до Большого Взрыва, поскольку Закон Сохранения Материи нарушается при Большом Взрыве.

Поскольку события, предшествующие Большому взрыву, не имеют следствий для наблюдений, их можно исключить из теории и сказать, что время началось с Большого взрыва. События, предшествовавшие Большому взрыву, просто не определены, потому что невозможно измерить то, что произошло во время них. Этот вид начала Вселенной и самого времени сильно отличается от тех начал, которые рассматривались ранее. Они должны были быть навязаны вселенной какой-то внешней силой. Нет никакой динамической причины, по которой движение тел в Солнечной системе нельзя экстраполировать назад во времени, далеко за пределы четырех тысяч четвертого года до нашей эры, даты сотворения Вселенной, согласно книге Бытия. Таким образом, потребовалось бы прямое вмешательство Бога, если бы вселенная началась в этот день. Напротив, Большой взрыв — это начало, которого требуют динамические законы, управляющие Вселенной. Следовательно, она присуща Вселенной, а не навязывается ей извне.

Хотя законы науки, казалось, предсказывали, что у Вселенной было начало, они также, казалось, предсказывали, что не могут определить, как Вселенная должна была начаться. Это было явно очень неудовлетворительно. Так что было несколько попыток обойти вывод, что в прошлом существовала сингулярность бесконечной плотности. Одно из предложений состояло в том, чтобы изменить закон всемирного тяготения, чтобы он стал отталкивающим. Это может привести к тому, что график расстояния между двумя галактиками будет представлять собой кривую, которая приближается к нулю, но на самом деле не проходит через него в любое конечное время в прошлом. Вместо этого идея заключалась в том, что по мере того, как галактики расходились, между ними образовывались новые галактики из материи, которая должна была постоянно создаваться. Это была теория устойчивого состояния, предложенная Бонди, Голдом и Хойлом.

Теория стационарного состояния, как назвал бы ее Карл Поппер, была хорошей научной теорией: она делала определенные предсказания, которые можно было проверить наблюдением и, возможно, опровергнуть. К несчастью для теории, они были фальсифицированы. Первая проблема возникла с Кембриджскими наблюдениями за количеством радиоисточников разной мощности. В среднем можно было бы ожидать, что более слабые источники будут и более удаленными. Поэтому можно было бы ожидать, что их будет больше, чем ярких источников, которые стремятся быть ближе к нам. Однако график зависимости количества радиоисточников от их мощности рос гораздо более резко при малых мощностях источников, чем предсказывала теория стационарного состояния.

Были попытки объяснить этот график подсчета чисел, утверждая, что некоторые из слабых радиоисточников находятся в пределах нашей собственной галактики и поэтому ничего не говорят нам о космологии. Этот аргумент не выдержал дальнейших наблюдений. Но последний гвоздь в гроб теории стационарного состояния был забит с открытием фонового микроволнового излучения в 1965 году. Это излучение одинаково во всех направлениях. Он имеет спектр излучения в тепловом равновесии при температуре на 2 целых 7 градусов выше абсолютного нуля температуры. Кажется, нет никакого способа объяснить это излучение в теории стационарного состояния.

Еще одной попыткой избежать начала времени было предположение, что, возможно, все галактики не встречались в одной точке в прошлом. Хотя в среднем галактики удаляются друг от друга с постоянной скоростью, они также имеют небольшие дополнительные скорости относительно равномерного расширения. Эти так называемые «пекулярные скорости» галактик могут быть направлены в сторону основного расширения. Утверждалось, что, когда вы рисуете положение галактик в прошлом, боковые пекулярные скорости означали бы, что галактики не все встретились бы. Вместо этого могла существовать предыдущая фаза сжатия Вселенной, в которой галактики двигались навстречу друг другу. Боковые скорости могли означать, что галактики не столкнулись, а промчались мимо друг друга, а затем начали расходиться. Не было бы ни сингулярности бесконечной плотности, ни нарушения законов физики. Таким образом, не было бы необходимости, чтобы вселенная и само время имели начало. Действительно, можно было бы предположить, что Вселенная колебалась, хотя это все равно не решило бы проблему со вторым законом термодинамики: можно было бы ожидать, что Вселенная будет становиться более неупорядоченной с каждым колебанием. Поэтому трудно понять, как Вселенная могла колебаться в течение бесконечного времени.

Эта возможность того, что галактики размились, была подтверждена статьей двух русских. Они утверждали, что не будет сингулярностей в решении уравнений общей теории относительности, которое является полностью общим в том смысле, что оно не имеет никакой точной симметрии. Однако их утверждение оказалось ошибочным благодаря ряду теорем Роджера Пенроуза и меня. Они показали, что общая теория относительности предсказывала сингулярности всякий раз, когда в области присутствовало больше определенного количества массы. Первые теоремы были разработаны, чтобы показать, что время подошло к концу внутри черной дыры, образовавшейся в результате коллапса звезды. Однако расширение Вселенной подобно обращению во времени коллапса звезды. Поэтому я хочу показать вам, что данные наблюдений указывают на то, что Вселенная содержит достаточное количество материи, что она подобна обращенному во времени черной дыре и поэтому содержит сингулярность.

Чтобы обсудить наблюдения в космологии, полезно нарисовать диаграмму событий в пространстве и времени, где время движется вверх, а пространственные направления горизонтальны. Чтобы правильно показать эту диаграмму, мне действительно понадобился бы четырехмерный экран. Однако из-за государственных сокращений нам удалось предоставить только двухмерный экран. Поэтому я смогу показать только одно из направлений в пространстве.

Глядя на вселенную, мы оглядываемся назад во времени, потому что свет должен был покинуть далекие объекты давным-давно, чтобы достичь нас в настоящее время. Это означает, что события, которые мы наблюдаем, лежат на том, что называется нашим световым конусом прошлого. Острие конуса находится в нашем положении в настоящее время. По мере того, как мы возвращаемся во времени на диаграмме, световой конус расширяется на большие расстояния, и его площадь увеличивается. Однако, если на нашем прошлом световом конусе достаточно материи, он будет искривлять лучи света навстречу друг другу. Это будет означать, что по мере возвращения в прошлое площадь нашего прошлого светового конуса будет достигать максимума, а затем начнет уменьшаться. Именно эта фокусировка нашего прошлого светового конуса под действием гравитационного воздействия материи во Вселенной является сигналом того, что Вселенная находится в пределах своего горизонта, подобно обращению времени черной дыры. Если можно определить, что во Вселенной достаточно материи, чтобы сфокусировать наш световой конус прошлого, то можно применить теоремы сингулярности, чтобы показать, что время должно иметь начало.

Как мы можем сказать по наблюдениям, достаточно ли материи на нашем прошлом световом конусе, чтобы его сфокусировать? Мы наблюдаем ряд галактик, но не можем напрямую измерить, сколько материи они содержат. Мы также не можем быть уверены, что каждый луч нашего зрения будет проходить через галактику. Поэтому я приведу другой аргумент, чтобы показать, что во Вселенной достаточно материи, чтобы сфокусировать наш световой конус прошлого. Аргумент основан на спектре микроволнового фонового излучения. Это характерно для излучения, находящегося в тепловом равновесии с веществом при той же температуре. Для достижения такого равновесия необходимо, чтобы излучение многократно рассеивалось на веществе. Например, свет, который мы получаем от Солнца, имеет характерный тепловой спектр. Это не потому, что ядерные реакции, протекающие в центре Солнца, производят излучение с тепловым спектром. Скорее, это происходит потому, что излучение много раз рассеивалось веществом Солнца на пути от центра.

В случае Вселенной тот факт, что микроволновое излучение имеет именно такой тепловой спектр, указывает на то, что оно должно было многократно рассеиваться. Следовательно, Вселенная должна содержать достаточно материи, чтобы сделать ее непрозрачной в любом направлении, куда бы мы ни посмотрели, потому что микроволновый фон одинаков в любом направлении, в котором мы смотрим. Более того, эта непрозрачность должна возникать далеко от нас, потому что мы можем видеть галактики и квазары на больших расстояниях. Таким образом, должно быть много материи на большом расстоянии от нас. Наибольшая непрозрачность в широком диапазоне волн при заданной плотности исходит от ионизированного водорода. Из этого следует, что если материи достаточно, чтобы сделать Вселенную непрозрачной, то также достаточно материи, чтобы сфокусировать световой конус нашего прошлого. Затем можно применить теорему Пенроуза и меня, чтобы показать, что время должно иметь начало.

Фокусировка нашего прошлого светового конуса подразумевает, что время должно иметь начало, если общая теория относительности верна. Но можно задаться вопросом, действительно ли общая теория относительности верна. Это, безусловно, согласуется со всеми проведенными наблюдательными тестами. Однако они проверяют общую теорию относительности только на довольно больших расстояниях. Мы знаем, что общая теория относительности не может быть совершенно правильной на очень малых расстояниях, потому что это классическая теория. Это означает, что он не принимает во внимание принцип неопределенности квантовой механики, который гласит, что объект не может иметь одновременно четко определенного положения и четко определенной скорости: чем точнее измеряется положение, тем менее точно можно измерить скорость и наоборот. Следовательно, чтобы понять стадию очень высокой плотности, когда Вселенная была очень маленькой, нужна квантовая теория гравитации, которая объединит общую теорию относительности с принципом неопределенности.

Многие люди надеялись, что квантовые эффекты каким-то образом сгладят сингулярность бесконечной плотности и позволят Вселенной отскочить и вернуться к предыдущей фазе сжатия. Это было бы похоже на более раннюю идею о том, что галактики пропускают друг друга, но отскок происходит при гораздо большей плотности. Однако я думаю, что это не так: квантовые эффекты не устраняют сингулярность, а позволяют бесконечно продолжать время назад. Но кажется, что квантовые эффекты могут устранить самую неприятную черту сингулярностей в классической общей теории относительности. Дело в том, что классическая теория не позволяет рассчитать, что получится из сингулярности, потому что там нарушатся все законы физики. Это означало бы, что наука не может предсказать, как зародилась Вселенная. Вместо этого нужно было бы обратиться к агентству за пределами вселенной. Возможно, поэтому многие религиозные лидеры были готовы принять теорию Большого взрыва и теоремы сингулярности.

С другой стороны, кажется, что квантовая теория может предсказать, как зародится Вселенная. Квантовая теория вводит новую идею мнимого времени. Воображаемое время может звучать как научная фантастика, и оно было привнесено в «Доктор Кто». Но тем не менее, это подлинно научная концепция. Можно представить это следующим образом. Обычное, реальное время можно представить себе как горизонтальную линию. Слева — прошлое, справа — будущее. Но есть и другой вид времени в вертикальном направлении. Это называется воображаемым временем, потому что это не то время, которое мы обычно переживаем. Но в некотором смысле оно так же реально, как и то, что мы называем реальным временем.

Три направления в пространстве и одно направление воображаемого времени составляют то, что называется евклидовым пространством-временем. Я не думаю, что кто-то может изобразить четырехмерное кривое пространство. Но не так уж сложно визуализировать двухмерную поверхность, такую ​​как седло или поверхность футбольного мяча.

На самом деле мы с Джеймсом Хартлом из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре предположили, что пространство и мнимое время вместе взятые действительно конечны по протяженности, но не имеют границ. Они были бы похожи на поверхность Земли, но с еще двумя измерениями. Поверхность Земли конечна по протяженности, но не имеет границ и краев. Я объехал весь мир и не упал.

Если бы пространство и мнимое время действительно были похожи на поверхность Земли, не было бы никаких сингулярностей в направлении мнимого времени, при которых законы физики нарушались бы. И не было бы никаких границ у воображаемого времени-пространства-времени, как нет границ у поверхности Земли. Это отсутствие границ означает, что законы физики однозначно определят состояние Вселенной в воображаемом времени. Но если известно состояние Вселенной в мнимом времени, можно вычислить состояние Вселенной в реальном времени. Можно было бы ожидать какой-то сингулярности Большого взрыва в реальном времени. Так что реальное время все же имело бы начало. Но не нужно было бы обращаться к чему-то вне вселенной, чтобы определить, как вселенная началась. Вместо этого то, как вселенная возникла при Большом взрыве, будет определяться состоянием вселенной в воображаемом времени. Таким образом, Вселенная была бы полностью автономной системой. Оно не будет определяться ничем за пределами физической вселенной, которую мы наблюдаем.

Условие отсутствия границ — это утверждение, что законы физики выполняются везде. Понятно, что в это хотелось бы верить, но это гипотеза. Его нужно проверить, сравнив состояние Вселенной, которое он предсказывает, с наблюдениями того, какова Вселенная на самом деле. Если бы наблюдения противоречили предсказаниям гипотезы отсутствия границ, нам пришлось бы заключить, что гипотеза ложна. Должно быть что-то вне вселенной, чтобы запустить часовой механизм и запустить вселенную. Конечно, даже если наблюдения согласуются с предсказаниями, это не доказывает, что предложение об отсутствии границ верно. Но уверенность в этом возросла бы, особенно потому, что, по-видимому, не существует другого естественного предположения о квантовом состоянии Вселенной.

Предложение об отсутствии границ предсказывает, что Вселенная начнется в одной точке, например, на Северном полюсе Земли. Но эта точка не будет сингулярностью, как Большой Взрыв. Вместо этого это была бы обычная точка пространства и времени, как Северный полюс — обычная точка на Земле, по крайней мере, мне так сказали. Я сам там не был.

Согласно предположению об отсутствии границ, Вселенная плавно расширялась бы из одной точки. По мере своего расширения он заимствовал энергию у гравитационного поля для создания материи. Как мог бы предсказать любой экономист, результатом всех этих заимствований стала инфляция. Вселенная расширялась и заимствовала со все возрастающей скоростью. К счастью, долг гравитационной энергии не придется возвращать до конца Вселенной.

В конце концов, период инфляции закончился бы, и Вселенная перешла бы на стадию более умеренного роста или расширения. Однако инфляция оставила бы свой след во Вселенной. Вселенная была бы почти полностью гладкой, но с очень небольшими неровностями. Этих неровностей так мало, всего одна стотысячная доля, что люди годами тщетно искали их. Но в 1992 году спутник Cosmic Background Explorer, COBE, обнаружил эти неоднородности в микроволновом фоновом излучении. Это был исторический момент. Мы вернулись к происхождению Вселенной. Форма флуктуаций микроволнового фона хорошо согласуется с предсказаниями предложения об отсутствии границ. Эти очень незначительные неровности во Вселенной привели бы к тому, что некоторые регионы расширялись медленнее, чем другие. В конце концов, они бы перестали расширяться и сжались бы сами в себя, образовав звезды и галактики. Таким образом, предложение об отсутствии границ может объяснить всю богатую и разнообразную структуру мира, в котором мы живем. Что предсказывает предположение об отсутствии границ для будущего Вселенной? Поскольку это требует, чтобы Вселенная была конечной в пространстве, а также в мнимом времени, это подразумевает, что Вселенная в конечном итоге снова схлопнется. Однако он не схлопнется снова в течение очень долгого времени, намного дольше тех 15 миллиардов лет, в течение которых он уже расширялся. Итак, вы успеете продать свои государственные облигации, прежде чем конец вселенной будет близок. Во что тогда вы инвестируете, я не знаю.

Первоначально я думал, что коллапс будет временем, обратным расширению. Это означало бы, что стрела времени в фазе сжатия указывала бы в другую сторону. Люди становились моложе, поскольку Вселенная становилась меньше. В конце концов, они бы исчезли обратно в утробу.

Однако теперь я понимаю, что ошибался, как показывают эти решения. Коллапс — это не время, противоположное расширению. Расширение начнется с инфляционной фазы, но коллапс, как правило, не закончится антиинфляционной фазой. Более того, небольшие отклонения от однородной плотности будут продолжать расти в фазе сжатия. Вселенная будет становиться все более и более шероховатой и неправильной по мере того, как она будет уменьшаться, а беспорядок будет увеличиваться. Это означает, что стрела времени не повернется вспять. Люди продолжат стареть даже после того, как Вселенная начала сжиматься. Так что нет смысла ждать, пока Вселенная снова рухнет, чтобы вернуться к своей юности.