Содержание
Самые странные теории Стивена Хокинга, которые оказались верными
Некоторые теории Хокинга произвели настоящую революцию в нашем понимании Вселенной и они имеют реальные доказательства.
Related video
Стивен Хокинг был одним из величайших физиков-теоретиков современности. Его научная деятельность началась с докторской диссертации в 1966 году и продолжалась безостановочно вплоть до его последней работы в 2018 году, завершенной всего за несколько дней до смерти в возрасте 76 лет, сообщает Livescience
Теории Хокинга часто казались странными в то время, когда он их формулировал. Тем не менее, они медленно, но принимаются научным сообществом, и все время появляются новые подтверждающие его теории доказательства. Вот некоторые из его теорий, которые были подтверждены.
Большой взрыв
Хокинг писал докторскую диссертацию тогда, когда шли жаркие споры между приверженцами двух соперничающих космологических теорий: Большого взрыва и Устойчивого состояния.
Обе теории признавали, что Вселенная расширяется, но в первой она расширяется из ультракомпактного, сверхплотного состояния в конечное время в прошлом, а вторая предполагает, что Вселенная расширяется вечно, при этом постоянно создается новая материя для поддержания постоянной плотности. В своей диссертации Хокинг показал, что теория Устойчивого состояния математически противоречит сама себе. Вместо этого он утверждал, что Вселенная началась как бесконечно малая, бесконечно плотная точка, называемая сингулярностью. Сегодня описание Хокинга почти повсеместно принято среди ученых.
Черные дыры
Имя Хокинга больше всего ассоциируется с черными дырами — еще одним видом сингулярности, образующимся, когда звезда подвергается полному сжатию под действием собственной гравитации. Эти математические понятия возникли из общей теории относительности Эйнштейна, и они обсуждались десятилетиями, когда Хокинг обратил на них свое внимание в начале 1970-х годов. Его гениальным ходом было объединить уравнения Эйнштейна с уравнениями квантовой механики, превратив то, что ранее было теоретической абстракцией, во то, что выглядело так, будто оно действительно могло существовать во Вселенной.
Окончательное доказательство того, что Хокинг был прав, появилось в 2019 году, когда ученые получили прямое изображение сверхмассивной черной дыры, скрывающейся в центре гигантской галактики Messier 87.
Излучение Хокинга
Черные дыры получили свое название из-за того, что их гравитация настолько сильна, что фотоны или частицы света не могут их покинуть. Но в своих ранних работах по этой теме Хокинг утверждал, что правда более утонченная, чем эта монохромная картина.
Применяя квантовую теорию, а именно идею о том, что пары «виртуальных фотонов» могут спонтанно создаваться из ничего, он понял, что некоторые из этих фотонов, по-видимому, излучаются черной дырой. Эта теория, которую теперь называют излучением Хокинга, была недавно подтверждена в лабораторном эксперименте в Израильском технологическом институте. Вместо реальной черной дыры исследователи использовали акустический аналог – «звуковую черную дыру», из которой не могут выйти звуковые волны. Ученые обнаружили эквивалент излучения Хокинга в точности в соответствии с предсказаниями физика.
Теорема площади черной дыры
В классической физике энтропия или беспорядок системы, который может только увеличиваться со временем, никогда не уменьшается. Хокинг предположил, что энтропия черной дыры измеряется площадью поверхности окружающего ее горизонта событий.
Недавнее открытие гравитационных волн, излучаемых поглощающими парами черных дыр, показывает, что Хокинг снова был прав. Как говорил Хокинг после первого такого события в 2016 году, «наблюдаемые свойства системы согласуются с предсказаниями о черных дырах, которые я сделал в 1970 году, площадь финальной черной дыры больше, чем сумма площадей. первоначальных черных дыр». Более поздние наблюдения предоставили дальнейшее подтверждение «теоремы о площади» Хокинга.
Предсказания Хокинга сбываются, но есть еще немало его теорий, который предстоит доказать или опровергнуть.
Главная теория Стивена Хокинга для астрофизиков
Поп-наука
Физик МФТИ — о самой выдающейся теории Стивена Хокинга для астрофизиков
Николай Удинцев
21 марта 2018 19:53
«Афиша Daily» попросила физика-теоретика из МФТИ рассказать о самой важной для астрофизиков теории ученого Стивена Хокинга, а также пояснить ее суть и объяснить влияние на науку.
Какие теории Хокинга самые выдающиеся
Теории, которые касаются космологии и теории Большого взрыва. Это важные теории, и они положили начало большому количеству работ в этом направлении. Стивеном Хокингом было задето много философских проблем: что было до Большого взрыва, что происходит с потерей информации в черной дыре. Черная дыра — идеальный поглотитель информации, потому что в ней теряется все, даже возможность когда-нибудь эту потерянную информацию восстановить.
Какая теория Хокинга самая интересная для астрофизиков
С точки зрения астрофизики, самая главная работа — теория излучения Хокинга. Она о том, каким образом могут испаряться черные дыры. Это любопытная теория, в свое время она была взрывом и с философской точки зрения. Считается, что черная дыра никак не может терять свою массу. Площадь ее поверхности однозначно связана с энтропией, которая по Второму закону термодинамики не может убывать. Если масса убывает — поверхность сокращается, если масса увеличивается — поверхность возрастает.
Термодинамика допускает, что энтропия только возрастает, а процесс Хокинга дает возможность черной дыре испаряться и таким образом уменьшать поверхность.
Когда теория появилась, она вызвала обсуждения, но сейчас она является принятой. Ее объяснение связано с тем, что если вблизи горизонта черной дыры рождается электрон-позитронная пара, то одна частица может упасть в черную дыру с отрицательной энергией и, значит, вторая частица уносит положительную энергию от черной дыры. Это суть процесса излучения. С точки зрения астрофизики, людей, которые занимаются магнитосферой черных дыр, джетами, это важно, потому что есть такой процесс Блэнфорда — Знаека, который запускает джеты и позволяет им черпать энергию из энергии вращения черной дыры. И он идеологически такой же, а в него мы верим, поэтому теория имеет и реальное значение. Этот процесс связан не с тем, что одна частица падает, а другая улетает из черной дыры, а с тем, что в черную дыру падает отрицательная электромагнитная энергия и, соответственно, положительная уносит часть энергии черной дыры.
Это дает возможность рассматривать разные процессы, которые позволяют добывать энергию черной дыры. Нам нужны механизмы, чтобы отбирать энергию у черной дыры, которая, казалось бы, ничего не должна отдавать назад. Мы видим далекие квазары, у которых энергия, уносимая релятивистско-струйным выбросом, по оценкам больше, чем энергия падающего вещества. Но если это так, то это нарушение закона сохранения энергии. Объясняется это тем, что вклад в энергию дает замедление черной дыры.
Как создаются такие сложные теории
Это результат, который получен на кончике пера. Работа Стивена Хокинга связана со сложной математикой, поэтому, конечно, это результаты, которые получаются математически. Но хочется иметь какую-то интуицию, как его рассказать физически. Я думаю, это один из тех результатов, которые были получены именно так: математически решена какая-то задача — и дальше была дана интерпретация на уровне вот этой квантовой пары. То есть это фантазии, но фантазии, основанные на физической интуиции человека.
Как к теориям Хокинга относятся в научном сообществе
Осторожное отношение к теориям Хокинга есть, потому что это такие вопросы, над которыми можно размышлять. Является ли площадь поверхности черной дыры полным аналогом энтропии, которая не должна убывать? А если она убывает, то как это объяснить? Теории действительно спорные, но они толкают вперед к размышлению в этих направлениях.
Дадут ли когда-нибудь Хокингу Нобелевскую премию
Нобелевскую премию посмертно не присуждают категорически. Даже если есть достижение у группы, а один человек умер, то группа теряет шанс на получение Нобелевской премии. Вообще Нобелевские премии вручают за теории, которые имеют практическое подтверждение, поэтому даже если бы вручали посмертно, то, думаю, в ближайшее время точно нет. Результат процесса Хокинга скорее гипотетический, поскольку время испарения черных дыр слишком большое и я не уверена, что это можно будет наблюдать. Я бы не стала говорить, что Хокинг — самый выдающийся ученый поколения.
Его теории очень абстрактные, и часть его славы связана с популяризаторской деятельностью. Нельзя сказать, что он самый выдающийся, но в группе выдающихся.
расскажите друзьям
теги
астрофизикамфти
люди
Стивен Хокинг
Наконец-то мы сможем проверить одну из самых невероятных идей Стивена Хокинга
Представление художника о темной материи в начале Вселенной.
(Изображение предоставлено Shutterstock)
Новое исследование предполагает, что вскоре мы сможем проверить одну из самых спорных теорий Стивена Хокинга.
В 1970-х Хокинг предположил, что темная материя , невидимая субстанция, составляющая большую часть материи в космосе, может состоять из черных дыр , образовавшихся в самые ранние моменты 0005 Большой Взрыв .
Теперь трое астрономов разработали теорию, объясняющую не только существование темной материи, но и появление самых больших черных дыр во Вселенной.
«Лично я нахожу очень захватывающей эту идею, так это то, как она элегантно объединяет две действительно сложные проблемы, над которыми я работаю — исследование природы темной материи и образование и рост черных дыр — и решает их одним махом. наскоком», — соавтор исследования Приямвада Натараджан, астрофизик из Йельского университета, 9 лет.0005 говорится в заявлении (открывается в новой вкладке). Более того, несколько новых инструментов, в том числе только что запущенный космический телескоп Джеймса Уэбба, могут предоставить данные, необходимые для окончательной оценки знаменитой идеи Хокинга.
Похожие: Самые смелые идеи Стивена Хокинга о черных дырах
Черные дыры с самого начала
Темная материя составляет более 80% всей материи во Вселенной, но она никак не взаимодействует со светом. Он просто плавает вокруг, будучи массивным, влияя на гравитация внутри галактик.
Заманчиво думать, что черные дыры могут быть ответственны за это неуловимое вещество.
В конце концов, черные дыры, как известно, темные, поэтому заполнение галактики черными дырами теоретически может объяснить все наблюдения темной материи.
К сожалению, в современной Вселенной черные дыры образуются только после гибели массивных звезд, а затем разрушаются под тяжестью собственной гравитации. Поэтому для создания черных дыр требуется много звезд, а для этого требуется куча обычной материи. Ученые знают, сколько нормальной материи находится во Вселенной, из расчетов ранней Вселенной, где образовались первые 9Образовались 0005 водорода (откроется в новой вкладке) и гелия (откроется в новой вкладке). А нормальной материи просто недостаточно, чтобы создать всю наблюдаемую астрономами темную материю.
Спящие гиганты
Вот тут-то и появился Хокинг. В 1971 году он предположил, что черные дыры образовались в хаотической среде в самые ранние моменты Большого взрыва. Там сгустки материи могли спонтанно достигать плотности, необходимой для образования черных дыр, заполняя ими космос задолго до того, как мерцали первые звезды.
Хокинг предположил, что эти «первичные» черные дыры могут быть ответственны за темную материю. Хотя идея была интересной, большинство астрофизиков вместо этого сосредоточились на поиске новой субатомной частицы для объяснения темной материи.
Более того, модели образования первичных черных дыр столкнулись с проблемами наблюдений. Если в ранней Вселенной образовалось слишком много, они изменили картину остаточного излучения ранней Вселенной, известного как космический микроволновый фон (CMB). Это означало, что теория работала только тогда, когда количество и размер древних черных дыр были довольно ограничены, иначе она противоречила бы измерениям реликтового излучения. .
Идея возродилась в 2015 году, когда Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория обнаружила первую пару сталкивающихся черных дыр. Две черные дыры оказались намного больше, чем ожидалось, и один из способов объяснить их большую массу состоял в том, что они образовались в ранней Вселенной, а не в сердцах умирающих звезд.
Простое решение
В последнем исследовании Натараджан, Нико Каппеллути из Университета Майами и Гюнтер Хасингер из Европейского космического агентства глубоко погрузились в теорию первичных черных дыр, изучая, как они могут объяснить темную материю и возможно решить другие космологические проблемы.
Чтобы пройти текущие наблюдательные тесты, первичные черные дыры должны быть в пределах определенного диапазона масс. В новой работе исследователи предположили, что первичные черные дыры имели массу примерно в 1,4 раза больше массы Солнца. Они построили модель Вселенной, в которой вся темная материя была заменена этими довольно светлыми черными дырами, а затем искали данные наблюдений, которые могли бы подтвердить (или опровергнуть) эту модель.
Команда обнаружила, что первичные черные дыры могут играть важную роль во Вселенной, породив первые звезды, первые галактики и первые сверхмассивные черные дыры (СМЧД). Наблюдения показывают, что звезды, галактики и сверхмассивные чёрные дыры появляются в космологической истории очень быстро, возможно, слишком быстро, чтобы их можно было объяснить процессами формирования и роста, которые мы наблюдаем в современной Вселенной.
«Первичные черные дыры, если они действительно существуют, вполне могут быть семенами, из которых формируются все сверхмассивные черные дыры, включая ту, что находится в центре Млечный Путь , — сказал Натараджан.
И эта теория проста и не требует зоопарка новых частиц для объяснения темной материи. современной космологии, от самой природы темной материи до происхождения сверхмассивных черных дыр», — говорится в заявлении Каппеллути. Пока эта идея — только модель, но ее можно будет относительно скоро проверить. Телескоп, запущенный в Рождество после многих лет задержки, специально разработан для того, чтобы ответить на вопросы о происхождении звезд и галактик, а следующее поколение детекторов гравитационных волн, особенно космическая антенна лазерного интерферометра (LISA), готова раскрыть гораздо больше. о черных дырах, включая первичные, если они существуют.
ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ СОДЕРЖИМОЕ
— 10 самых удивительных вещей, которые мы узнали о черных дырах в 2021 году
— Космические рекордсмены: 12 самых больших объектов во Вселенной
—5 наук Возможные концепции (теоретически)
Вместе две обсерватории должны дать астрономам достаточно информации, чтобы собрать воедино историю первых звезд и, возможно, происхождение темной материи.
«Было невозможно устоять перед тем, чтобы глубоко изучить эту идею, зная, что она может быть подтверждена довольно скоро», — сказал Натараджан.
Первоначально опубликовано на Live Science.
Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: [email protected].
Пол М. Саттер — астрофизик из SUNY Stony Brook и Института Флэтайрон в Нью-Йорке. Пол получил докторскую степень по физике в Университете Иллинойса в Урбана-Шампейн в 2011 году и провел три года в Парижском институте астрофизики, а затем стажировался в Триесте, Италия. регионов Вселенной до самых ранних моментов Большого Взрыва до охоты за первыми звездами. В качестве «звездного агента» Пол уже несколько лет страстно вовлекает общественность в популяризацию науки. Он ведущий популярной программы «Спроси космонавта!» подкаста, автор книг «Твое место во Вселенной» и «Как умереть в космосе», часто появляется на телевидении, в том числе на канале «Погода», где он является официальным специалистом по космосу.
Последняя теория Стивена Хокинга о нашей Вселенной растопит ваш мозг с Томасом Хертогом из KU Leuven.
В статье, опубликованной в журнале Journal of High Energy Physics в мае, утверждается, что Вселенная гораздо менее сложна, чем предполагают современные теории мультивселенной.
Он основан на концепции вечной инфляции, впервые представленной в 1979 году и опубликованной в 1981 году.
После Большого взрыва Вселенная испытала период экспоненциальной инфляции. Затем оно замедлилось, и энергия превратилась в материю и излучение.
Однако, согласно теории вечной инфляции, некоторые пузыри пространства перестали раздуваться или замедлились на остановочной траектории, создав небольшой фрактальный тупик статического пространства.
Между тем, в других космических пузырях из-за квантовых эффектов инфляция никогда не прекращается, что приводит к бесконечному количеству мультивселенных.
Все, что мы видим в нашей обозримой Вселенной, согласно этой теории, содержится только в одном из этих пузырей, в котором остановилась инфляция, позволив сформироваться звездам и галактикам.
Визуализация раздувающейся мультивселенной. (А. Линде/Стэнфордский университет)
«Обычная теория вечной инфляции предсказывает, что в глобальном масштабе наша Вселенная подобна бесконечному фракталу с мозаикой различных карманных вселенных, разделенных раздувающимся океаном», — объяснил Хокинг.
«Локальные законы физики и химии могут отличаться от одной карманной вселенной к другой, которые вместе образуют мультивселенную. Но я никогда не был поклонником мультивселенной. Если масштаб различных вселенных в мультивселенной велик или бесконечен теория не может быть проверена».
Даже один из первоначальных архитекторов модели вечной инфляции в последние годы отрекся от нее.
Пол Стейнхардт, физик из Принстонского университета, официально заявил, что теория взяла проблему, которую должна была решить — сделать Вселенную универсально согласованной с нашими наблюдениями — и просто перенесла ее на новую модель.
Теперь Хокинг и Хертог говорят, что модель вечной инфляции неверна.
Это потому, что общая теория относительности Эйнштейна не работает на квантовых масштабах.
«Проблема с обычным объяснением вечной инфляции заключается в том, что оно предполагает существующую фоновую Вселенную, которая развивается в соответствии с общей теорией относительности Эйнштейна, и рассматривает квантовые эффекты как небольшие флуктуации вокруг этого», — объяснил Хертог.
«Однако динамика вечной инфляции стирает разделение между классической и квантовой физикой. Как следствие, теория Эйнштейна терпит крах в вечной инфляции.»
Последняя теория Хокинга основана на теории струн, одной из структур, пытающихся согласовать общую теорию относительности с квантовой теорией путем замены точечных частиц в физике элементарных частиц крошечными вибрирующими одномерными струнами.
В теории струн голографический принцип предполагает, что объем пространства может быть описан на границе более низкого измерения; поэтому вселенная подобна голограмме, в которой физическая реальность в трехмерных пространствах может быть математически сведена к двумерным проекциям на их поверхности.
Исследователи разработали вариант голографического принципа, который проецирует временное измерение в вечное расширение, что позволило им описать концепцию, не полагаясь на общую теорию относительности.
Затем это позволило им математически свести вечную инфляцию к вневременному состоянию на пространственной поверхности в начале Вселенной — голограмме вечной инфляции.
«Когда мы прослеживаем эволюцию нашей вселенной в обратном направлении во времени, в какой-то момент мы достигаем порога вечной инфляции, когда наше привычное понятие времени перестает иметь какое-либо значение», — сказал Хертог.
В 1983 году Хокинг и другой исследователь, физик Джеймс Хартл, предложили так называемую «теорию отсутствия границ» или «состояние Хартла-Хокинга». Они предположили, что до Большого взрыва было пространство, но не было времени. Итак, Вселенная, когда она началась, расширилась из одной точки, но не имеет границы.
Согласно новой теории, у ранней Вселенной действительно была граница, и это позволило Хокингу и Хертогу сделать более надежные предсказания о структуре Вселенной.