Стивен хокинг черные дыры: Черные дыры и молодые вселенные, Стивен Хокинг

Содержание

Стивен Хокинг — Черные дыры и молодые вселенные читать онлайн бесплатно

12 3 4 5 6 7 …13

Стивен Хокинг

Черные дыры и молодые вселенные

Предисловие

В этой книге собраны эссе, которые я написал в период с 1976 по 1992 год. Самые разные: от автобиографических заметок и размышлений о философии науки до хвалебных слов в адрес Вселенной[1], к которой я испытываю самые возвышенные чувства. Книга заканчивается стенограммой моего интервью на BBC – в рамках программы «Пластинки для необитаемого острова»[2]. Это замечательная передача, в которой гостю предлагается вообразить себя отшельником, заброшенным на самый край света, и ответить на вопрос: какие восемь пластинок он взял бы с собой, чтобы скоротать время до своего спасения? Мне повезло: авторы программы позволили мне вернуться в цивилизацию достаточно быстро.

Эти заметки писались в течение шестнадцати лет, и приведенные рассуждения отражают глубину моих знаний на тот или иной период. Надеюсь, что мои знания значительно приумножились за прошедшие годы. Поэтому я привожу точную дату и обстоятельства, подтолкнувшие к созданию каждого эссе. Поскольку каждое задумывалось как самодостаточный научно-популярный опус, в книге неизбежны повторения. Я старался сократить их число, но некоторые все же остались.

Ряд эссе предназначались для прочтения перед аудиторией. Моя речь мало приспособлена для полноценного разговора со слушателями. Поэтому обычно лекции зачитывали мои аспиранты, которые понимали меня и могли более внятно декларировать написанный мною текст. К сожалению, в 1985 году я перенес операцию, которая лишила меня способности говорить. Спустя время для меня разработали специальную компьютерную систему с хорошим звуковым синтезатором. Я с удивлением обнаружил, что могу быть прекрасным оратором, способным очаровать большую аудиторию. Я с огромным удовольствием объяснял научные теории и отвечал на вопросы. Однако я точно знаю: мне есть куда стремиться, и надеюсь, что за минувшие годы продвинулся немного в лекторском искусстве. В этом вам и предстоит убедиться.

Я не согласен с тем, что Вселенная – это тайна, к которой можно прикоснуться, но которую нельзя постичь или предугадать. Отношение ко Вселенной как к тайне идет вразрез с научной революцией, которую почти 400 лет назад провозгласил Галилей и продолжил Ньютон. Они показали, что некоторые области макрокосмоса непроизвольны, что они подчиняются строгим математическим законам. С тех пор мы пытаемся применить подход Галилея и Ньютона к остальным уголкам пространства. И сегодня все рутинные наблюдаемые явления выглядят для нас вполне логичными. Мерилом нашего успеха являются те миллиарды долларов, которые уходят на строительство гигантских умных машин. Они ускоряют частицы до таких высоких энергий, что мы бессильны предположить, что может случиться при их столкновении. В естественных условиях, на Земле, частиц с такими высокими энергиями не бывает, поэтому огромные траты на их изучение могут выглядеть непомерными. Может даже показаться, что все это делается лишь по прихоти ученых. Однако в момент возникновения Вселенной такие частицы были всюду, и мы должны изучать их, если действительно хотим узнать, как зародился наш мир и мы сами.

Мы по-прежнему очень многого не знаем и не понимаем. Но уровень прогресса, которого мы достигли за последний век, должен внушать нам веру в то, что человеку по силам осознать Вселенную во всей ее сложности. Что наш удел – это вовсе не вечное блуждание в потемках. Мы способны на рывок – к созданию всеобъемлющей теории Вселенной. И в этом случае мы станем ее полновластными хозяевами.

Эссе, вошедшие в эту книгу, написаны в полной уверенности, что Вселенная подчиняется порядку, который мы пока понимаем лишь отчасти, но в котором сможем полностью разобраться в ближайшем будущем. Возможно, эта надежда всего лишь мираж. Возможно, не существует универсальной теории или, если она и есть, то недоступна для нас. Но, бесспорно, лучше стремиться к полному пониманию, чем сложить руки, утратив веру в силу человеческого разума.

Стивен Хокинг

31 марта 1993 года

Глава первая

Детство[3]

Я родился 8 января 1942 года, спустя ровно триста лет со дня смерти Галилея. В этот день на свет появился не только я – по моим оценкам, таких было тысяч двести. Мне доподлинно не известно, интересовался ли кто-либо из них в дальнейшем астрономией. Я родился в Оксфорде, хотя родители мои жили в Лондоне. Во время Второй мировой войны Оксфорд был самым благоприятным местом для появления на свет. У нас было соглашение с немцами: они обещали не бомбить Оксфорд и Кембридж, а мы – Гейдельберг и Гёттинген. Конечно, было бы лучше, если бы это цивилизованное соглашение распространялось и на все остальные города…

Отец мой – выходец из Йоркшира. Его дедушка – мой прадедушка – был процветающим фермером. Он приобрел слишком много ферм и обанкротился во время сельскохозяйственной депрессии начала XX века. Это было тяжелым испытанием для родителей моего отца, но они сумели изыскать средства и отправили его учиться медицине в Оксфорд. Его специализацией стали исследования в области тропической медицины. В 1937 году он отправился в Восточную Африку. Когда началась война, ему пришлось проехать через весь континент, чтобы попасть на корабль, идущий в Англию. Вернувшись на родину, отец хотел пойти добровольцем на военную службу. Однако ему сказали, что он будет гораздо полезнее на медицинском поприще.

Моя мама родилась в Шотландии, в Глазго, в семье врача. Всего у ее родителей было семь детей, она была второй. Когда ей исполнилось двенадцать лет, семья переехала на юг, в Девон. Подобно семье моего отца, мамина семья также не была зажиточной. Тем не менее ее родители сумели послать ее учиться в Оксфорд. Окончив университет, мама работала на нескольких должностях, в том числе была налоговым инспектором, что ей не очень нравилось. Из инспекторов она перешла в секретари. Так она и встретила моего отца в первые годы войны.

Мы жили в Хайгейте, на севере Лондона. Моя сестра Мэри родилась спустя восемнадцать месяцев после меня. Как мне потом рассказали, я не особенно обрадовался ее появлению. Все наше детство между нами сохранялись напряженные отношения, и соперничество подпитывала небольшая разница в возрасте. С возрастом напряженность исчезла, поскольку мы пошли по жизни разными путями. Она стала врачом, что очень нравилось моему отцу. Еще одна моя младшая сестра, Филиппа, родилась, когда мне было почти пять лет и я уже был в состоянии понимать, что происходит. Я помню, что с нетерпением ожидал ее появления. Ведь нас будет трое, а втроем играть куда интереснее! Она была очень впечатлительным и восприимчивым ребенком. Я всегда уважал ее мнения и суждения. Мой брат Эдвард родился гораздо позже, когда мне было четырнадцать. Можно сказать, что мое детство прошло без него. Он очень отличался от нас с сестрами: склонности к наукам и интеллектуальным развлечениям у него не было. Возможно, для нас это было к лучшему. Он был довольно проблемным ребенком, но не любить его было невозможно.

12 3 4 5 6 7 …13

Стивен Хокинг, астрофизик, который изменил наше представление о черных дырах

80 лет назад, а именно 8 января 1942 года, в Оксфорде родился один из самых известных астрофизиков всех времен: Стивен Хокинг. Ровно через 300 лет после смерти Галилео Галилея, как он всегда любил подчеркивать. С той же решимостью, с которой он бросил вызов форме прогрессирующей мышечной атрофии, диагностированной у него в подростковом возрасте и со временем приведшей его к параличу, Хокинг также бросил вызов физике и космологии своего времени. Благодаря ему, его открытиям и его теориям, фактически, черные дыры перестали быть просто фантазией.

«Мы — всего лишь продвинутая разновидность обезьян на планете размером меньше средней звезды«, — сказал Хокинг. «Но мы можем понять Вселенную. Это делает нас чем-то особенным«.

Сконструированное на заказ инвалидное кресло и компьютер с синтезатором голоса — вот те средства, которые позволили ему общаться с миром и продолжать заниматься наукой каждый день из 76 лет своей жизни, до 14 марта 2018 года. Он умер ровно через 130 лет после рождения Альберта Эйнштейна и за годы своих научных исследований полностью изменил наше представление о космосе. И в особенности загадочных небесных объектов с сильным гравитационным притяжением, от которого не может убежать даже свет: черных дыр.

Стивен Хокинг смог испытать нулевую гравитацию в 2007 году, несмотря на свою болезнь, с помощью предпринимателя Питера Диамандиса.

Вселенная началась с сингулярности

Одним из первых вкладов Хокинга в наше понимание космоса стала его докторская диссертация в Кембриджском университете. В ней он постулировал рождение Вселенной в бесконечно малом и плотном сгустке материи, свернутом само на себя: сингулярности. Подобно черной дыре, бесконечно плотному гравитационному колодцу, который засасывает все вокруг себя.

На самом деле эта гипотеза долгое время оспаривалась. Главным образом потому, что изначальная материя в происхождении нашей Вселенной не может быть черной дырой, если материя может из нее вырваться! По словам математика Джона Баэза из Калифорнийского университета, это могла быть белая дыра, полная противоположность черной дыре. Но пока нет возможности проверить любую из этих гипотез, включая гипотезу Хокинга.

Излучение Хокинга

Несколько лет спустя Хокинг доказал, что черные дыры — это черные тела, поддающиеся описанию с помощью законов термодинамики. По этой причине, имея определенную температуру и энтропию, определяемую гравитационным полем и поверхностью, они должны излучать субатомные частицы. Это излучение известно как излучение Хокинга с такими характеристиками, которые приводят к постепенному уменьшению массы черной дыры.

Такой чисто квантовый механизм возник бы, когда вблизи горизонта событий пары частиц и античастиц, которые обычно испускаются в вакууме квантовыми флуктуациями, могли бы разделиться. Одна из них упала бы внутрь черной дыры, а другая смогла бы выбраться, вместо того чтобы обе аннигилировать сразу после своего создания. Таким образом, античастица будет поглощена черной дырой, а вылетающая частица будет обнаружена в виде излучения.

Упрощенное представление процесса излучения Хокинга.

Одним из самых интригующих следствий этой теории излучения Хокинга является тот факт, что из-за выброса частиц за пределы черной дыры, масса черной дыры будет уменьшаться, пока она полностью не испарится (примерно через 10⁶⁶ лет).

Черные дыры не имеют границ

В 2014 году Хокинг поставил под сомнение одну из фундаментальных концепций черных дыр: горизонт событий, за которым ничто не может скрыться. Он предположил, что горизонт событий не является фиксированной границей, а смещается в зависимости от того, что делают субатомные частицы внутри черной дыры.

Понятие «плавающей границы» черной дыры было разработано для решения так называемого парадокса брандмауэра. Этот парадокс гласит, что астронавт, дрейфующий через черную дыру, не заметит ничего необычного, когда пересечет горизонт событий, потому что он будет находиться в свободном падении и не будет испытывать никаких сил. Однако излучение Хокинга предсказывает, что внутри горизонта событий должно существовать «адское кольцо», которое испепелит астронавта до того, как его успеет раздавить черная дыра. Отсутствие фиксированного горизонта событий было попыткой примирить эти две концепции.

У черных дыр есть волосы

Изначально ученые считали, что черные дыры «лысые». Это означает, что на их краях нет никаких сложных или разнообразных деталей: все они идентичны, за исключением массы, углового момента и спина.

Однако совсем недавно, в 2016 году, Хокинг и физик Эндрю Строминджер из Гарвардского университета предположили, что у черных дыр есть «волосы» в виде длинных прядей частиц с нулевой энергией, исходящих из их горизонта событий. Идея заключается в том, что часть информации, поглощаемой черной дырой, может храниться в этих длинных «волосках».

Черная дыра с «волосами».

Мини-черные дыры как источники энергии

Самыми большими черными дырами во Вселенной считаются сверхмассивные черные дыры, которые находятся в центре галактик и в миллиарды раз массивнее нашего Солнца. В то время как самые маленькие черные дыры будут примерно в 10 раз больше массы Солнца. Однако ученые также предложили несколько еще более мелких черных дыр, которые были бы размером с гору на Земле. Поскольку они настолько малы, а излучение Хокинга позволяет частицам выходить только тогда, когда они имеют длину волны, равную размеру черной дыры, Хокинг предположил, что эти мини-черные дыры могут испускать частицы более высокой энергии, которые затем можно использовать в качестве источника энергии.

В своей лекции, прочитанной в феврале 2016 года, астрофизик заявил:

Черная дыра размером с гору испускала бы рентгеновское и гамма-излучение мощностью около 10 миллионов мегаватт, что достаточно для электроснабжения всего мира. Однако использовать мини-черную дыру будет нелегко. Вы не можете хранить ее на электростанции, потому что она провалится сквозь пол и попадет в центр Земли.

Эти и многие другие негласные вклады Стивена Хокинга в физику и космологию останутся в истории человечества, передаваясь из поколения в поколение. Человечество, как считал Хокинг, могло выжить только благодаря колонизации космоса, который поэтому нужно было наблюдать, изучать, узнавать, прежде чем его «трогать». И поэтому в концепции Вселенной и ее игр тьмы, материи и энергии Хокинг сделал часть истории.

Подтверждена знаменитая теория Стивена Хокинга о черных дырах

Гравитационные волны, испускаемые двумя черными дырами, когда они скручиваются друг в друга, показаны в моделировании.
(Изображение предоставлено: C. Henze/НАСА Исследовательский центр Эймса)

Одна из самых известных теорем Стивена Хокинга была доказана правильно, используя рябь в пространстве-времени , вызванную слиянием двух далеких черных дыр .

Теорема площади черной дыры, которую Хокинг вывел в 1971 году из общей теории Эйнштейна относительность утверждает, что площадь поверхности черной дыры не может уменьшаться со временем. Это правило интересует физиков, потому что оно тесно связано с другим правилом, которое, по-видимому, заставляет время течь в определенном направлении: вторым законом термодинамики , который гласит, что энтропия , или беспорядок, замкнутой системы всегда должна увеличиваться. . Поскольку энтропия черной дыры пропорциональна площади ее поверхности, обе эти величины всегда должны увеличиваться.

Согласно новому исследованию, подтверждение исследователями закона площадей, по-видимому, подразумевает, что свойства черных дыр являются важным ключом к скрытым законам, управляющим Вселенной. Как ни странно, закон площадей, кажется, противоречит другой доказанной теореме знаменитого физика: черные дыры должны испаряться в течение чрезвычайно длительного времени, поэтому выяснение источника противоречия между двумя теориями может открыть новую физику.

Связанный: 8 способов увидеть теорию относительности Эйнштейна в реальной жизни

«Площадь поверхности черной дыры не может быть уменьшена, что похоже на второй закон термодинамики. Она также имеет закон сохранения массы , так как вы не можете уменьшить его массу, так что это аналогично сохранению энергии», — сказал Live Science ведущий автор Максимилиано Иси, астрофизик из Массачусетского технологического института. «Сначала люди говорили: «Вау, классная параллель», но вскоре мы поняли, что это фундаментально. У черных дыр есть энтропия, и она пропорциональна их площади. Это не просто забавное совпадение, это важный факт о мире. что они раскрывают».

Площадь поверхности черной дыры ограничена сферической границей, известной как горизонт событий — за этой точкой ничто, даже свет, не может избежать ее мощного гравитационного притяжения. Согласно интерпретации общей теории относительности Хокинга, поскольку площадь поверхности черной дыры увеличивается с ее массой, и поскольку ни один объект, брошенный внутрь, не может выйти, площадь ее поверхности не может уменьшиться. Но площадь поверхности черной дыры также уменьшается по мере того, как она вращается, поэтому исследователи задались вопросом, можно ли бросить объект внутрь достаточно сильно, чтобы черная дыра вращалась достаточно, чтобы уменьшить ее площадь.

«Ты заставишь его вращаться сильнее, но недостаточно, чтобы уравновесить только что добавленную массу», — сказала Иси. «Что бы вы ни делали, масса и вращение сделают так, что вы получите большую площадь».

Чтобы проверить эту теорию, исследователи проанализировали гравитационные волны, или рябь в ткани пространства-времени, созданные 1,3 миллиарда лет назад двумя огромными черными дырами, когда они с высокой скоростью приближались друг к другу. Это были первые волны, обнаруженные в 2015 году Усовершенствованной лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерваторией (LIGO), лазерный луч, разделенный на два пути длиной 2485 миль (4 км), способный обнаруживать малейшие искажения в пространстве-времени. тем, как они изменяют длину его пути.

Разделив сигнал на две части — до и после слияния черных дыр — исследователи рассчитали массу и вращение как двух первоначальных черных дыр, так и новой объединенной. Эти числа, в свою очередь, позволили им рассчитать площадь поверхности каждой черной дыры до и после столкновения.

«По мере того, как они вращаются вокруг друг друга все быстрее и быстрее, гравитационные волны увеличиваются в амплитуде все больше и больше, пока, в конце концов, не врезаются друг в друга, образуя этот большой взрыв волн», — сказал Иси. «То, что у вас осталось, — это новая черная дыра, которая находится в этом возбужденном состоянии, которую вы затем можете изучить, анализируя, как она вибрирует. этого колокола, а также из чего он сделан».

Площадь поверхности недавно созданной черной дыры была больше, чем у первых двух вместе взятых, что подтверждает закон площадей Хокинга с уровнем достоверности более 95%. По словам исследователей, их результаты в значительной степени соответствуют тому, что они ожидали найти. Общая теория относительности, откуда появился закон площадей, очень эффективно описывает черные дыры и другие крупномасштабные объекты.

Однако настоящая загадка начинается, когда мы пытаемся интегрировать общую теорию относительности — правила больших объектов — с квантовая механика — те самые маленькие. Начинают происходить странные события, нарушающие все наши жесткие и быстрые правила и полностью нарушающие местный закон.

Это потому, что черные дыры не могут сжиматься в соответствии с общей теорией относительности, но могут сжиматься в соответствии с квантовой механикой. Культовый британский физик, автор закона площади поверхности, также разработал концепцию, известную как излучение Хокинга, когда туман частиц испускается на краях черных дыр посредством странных квантовых эффектов. Это явление приводит к тому, что черные дыры сжимаются и, в конце концов, за период времени, в несколько раз превышающий возраст Вселенной, испаряются. Это испарение может происходить в течение достаточно длительного времени, чтобы не нарушать закон площадей в краткосрочной перспективе, но это слабое утешение для физиков.

ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ СОДЕРЖИМОЕ

«По статистике, в течение длительного периода времени закон нарушается», — сказала Иси. «Это похоже на кипящую воду, вы получаете пар, испаряющийся из вашей кастрюли, но если вы ограничитесь только взглядом на исчезающую внутри нее воду, у вас может возникнуть соблазн сказать, что энтропия кастрюли уменьшается. Но если вы возьмете Принимая во внимание и пар, ваша общая энтропия увеличилась. То же самое с черными дырами и излучением Хокинга».

Закон площадей установлен для коротких и средних периодов времени. Следующими шагами исследователей будет анализ данных, полученных от большего количества гравитационных волн, для более глубокого понимания, которое можно было бы извлечь из черных дыр.

«Я одержима этими объектами из-за их парадоксальности. Они чрезвычайно загадочны и сбивают с толку, но в то же время мы знаем, что это самые простые из существующих объектов», — сказала Иси. «Это, а также тот факт, что они находятся там, где гравитация встречается с квантовой механикой, делает их идеальными площадками для нашего понимания того, что такое реальность».

Исследователи опубликовали свои выводы 26 мая в Journal Physical Review Letters.

Первоначально опубликовано на Live Science.

Бен Тернер — штатный писатель Live Science из Великобритании. Он занимается физикой и астрономией, а также другими темами, такими как технологии и изменение климата. Он окончил Университетский колледж Лондона со степенью в области физики элементарных частиц, прежде чем стать журналистом. Когда он не пишет, Бен любит читать литературу, играть на гитаре и смущать себя шахматами.

Выращенная в лаборатории черная дыра может подтвердить правильность теории Стивена Хокинга

Иллюстрация черной дыры
(Изображение предоставлено Марком Гарликом/Science Photo Library/Getty Images)

Ученые создали выращенный в лаборатории аналог черной дыры для проверки одной из самых известных теорий Стивена Хокинга, и она ведет себя именно так, как он предсказывал.

Эксперимент, созданный с использованием однорядной цепочки атомов для имитации горизонта событий черной дыры, добавил дополнительные доказательства теории Хокинга о том, что черные дыры должны испускать слабое свечение излучения от виртуальных частиц, случайным образом возникающих вблизи их границы.

Более того, исследователи обнаружили, что большая часть световых частиц, или фотонов, должна производиться по краям космических монстров. Команда опубликовала свои выводы 8 ноября в журнале Physical Review Research (откроется в новой вкладке).

Похожие: Черные дыры: все, что вам нужно знать

Согласно квантовой теории поля, пустого вакуума не существует. Вместо этого пространство изобилует крошечными вибрациями, которые, если наполниться достаточным количеством энергии, случайным образом распадаются на виртуальные частицы — пары частица-античастица, которые почти сразу же аннигилируют друг друга, производя свет. В 1974 году Стивен Хокинг предсказал, что чрезвычайная гравитационная сила, ощущаемая в устьях черных дыр — их горизонтах событий — вызовет таким образом существование фотонов. Гравитация, согласно общей теории относительности Эйнштейна, искажает пространство-время, так что квантовые поля тем больше искажаются, чем ближе они подходят к огромному гравитационному притяжению сингулярности черной дыры.

Из-за неопределенности и странностей квантовой механики это искривление создает неравномерные карманы с различным течением времени и последующие всплески энергии по всему полю. Именно эти энергетические несоответствия заставляют виртуальные частицы появляться из того, что кажется ничем на краях черных дыр, прежде чем аннигилировать, производя слабое свечение, называемое излучением Хокинга.

Физики интересуются предсказанием Хокинга, потому что оно сделано на стыке двух великих, но в настоящее время непримиримых физических теорий: общей теории относительности Эйнштейна, описывающей мир больших объектов, и квантовой механики, подробно описывающей странное поведение мельчайшие частицы.

Но астрофизикам вряд ли когда-либо удастся обнаружить предполагаемый свет напрямую. Во-первых, существуют серьезные проблемы, возникающие при путешествии к черной дыре — ближайшей из известных, которая находится на расстоянии 1566 световых лет от Земли, — и, оказавшись там, не быть затянутым и спагеттированным ее огромным гравитационным притяжением. Во-вторых, количество фотонов Хокинга, возникающих вокруг черных дыр, считается ничтожным; и в большинстве случаев будут заглушены другими световыми эффектами, такими как высокоэнергетическое рентгеновское излучение, испускаемое материей, вращающейся вокруг пропасти черной дыры.

Подробнее: Живые и мертвые одновременно: черные дыры обладают квантовыми свойствами сверхмассивная черная дыра и ее тень в центре галактики M87. (Изображение предоставлено EHT Collaboration)

В отсутствие настоящей черной дыры физики начали искать излучение Хокинга в экспериментах, имитирующих их экстремальные условия. В 2021 году ученые использовали одномерный ряд из 8000 переохлажденных, ограниченных лазером атомов элемента рубидия, мягкого металла, для создания виртуальных частиц в виде волнообразных возбуждений вдоль цепи.

СВЯЗАННЫЕ ИСТОРИИ:

Теперь другой эксперимент с цепочкой атомов достиг аналогичного результата, на этот раз за счет настройки легкости, с которой электроны могут прыгать от одного атома к другому в цепочке, создавая синтетическую версию пространства черной дыры. — искривление горизонта событий во времени. Настроив эту цепочку так, чтобы часть ее попадала за смоделированный горизонт событий, исследователи зафиксировали скачок температуры в цепочке — результат, который имитировал инфракрасное излучение, создаваемое вокруг черных дыр. Это открытие предполагает, что излучение Хокинга может возникать как эффект квантовой запутанности между частицами, расположенными по обе стороны горизонта событий.

Интересно, что эффект проявился только тогда, когда амплитуда прыжков перешла от нескольких заданных конфигураций плоского пространства-времени к искривленной, что позволяет предположить, что излучение Хокинга требует изменения определенных энергетических конфигураций пространства-времени для создания. Поскольку мощные гравитационные искажения, создаваемые черной дырой, отсутствуют в модели, неясно, что это означает для теории квантовой гравитации и потенциального естественного реального излучения Хокинга, но, тем не менее, это дает дразнящий взгляд на ранее неизведанную физику.