8 января 2017 года британскому физику-теоретику Стивену Хокингу исполнилось 75 лет. Ученый, большую часть жизни проведший в инвалидном кресле, широко известен как популяризатор науки. Он уделяет внимание и таким актуальным проблемам человечества, как глобальное потепление, состояние окружающей среды, социальное неравенство. «Лента.ру» рассказывает об основных научных достижениях юбиляра.
Слабый принцип эквивалентности означает пропорциональность инертной (связанной с движением) и гравитационной (связанной с тяготением) масс и позволяет (сильный принцип) в ограниченной области пространства не различать гравитационное поле и движение с ускорением. Классический пример — лифт. При его равноускоренном движении вверх относительно Земли находящийся в нем наблюдатель не в состоянии определить, находится он в более сильном гравитационном поле или перемещается в рукотворном объекте.
Начало карьеры Стивена Хокинга пришлось на 1960-е годы. Именно тогда был проведен третий из классических экспериментов, подтверждающий справедливость общей теории относительности Альберта Эйнштейна. Опыт Роберта Паунда и Глена Ребки, осуществленный в Гарвардском университете, продемонстрировал так называемое гравитационное красное смещение — изменение частоты света при его прохождении вблизи массивного объекта, например, звезды. Это послужило еще одним подтверждением принципа эквивалентности — фундаментального постулата общей теории относительности.
Когда окончательно стало ясно, что теория Эйнштейна верна, пришло время для изучения ее самых экзотических следствий: расширения Вселенной и возможности существования черных дыр — объектов, которые не могут покинуть попавшие в них тела или излучение.
В 1916 году немецкий математический физик Карл Шварцшильд нашел первое решение уравнений теории Эйнштейна. Оно описывает гравитационное поле, созданное центрально-симметричным распределением масс и нулевым электрическим зарядом. Это решение содержало гравитационный радиус тела, определяющий размеры объекта со сферически-симметричным распределением материи, который не способны покинуть фотоны. Определенная таким образом сфера тождественна понятию горизонта событий, а массивный ограниченный ею объект — черной дыре.
Советский физик Александр Фридман в 1920-х годах вывел названные в его честь уравнения, описывающие эволюцию однородной и изотропной Вселенной. Независимо от него концепцию расширяющегося мира предложил бельгиец Жорж Леметр (именно его модель в 1949 году британский астроном Фред Хойл назвал, правда, лишь в шутку, теорией Большого взрыва). В конце 1930-х американские физики Роберт Оппенгеймер и Хартланд Снайдер впервые описали гравитационный коллапс — явление, в результате которого из звезд образуются черные дыры.
Большой взрыв — фактически рождение наблюдаемого мира — и черные дыры связаны с так называемыми гравитационными сингулярностями — особенностью пространства-времени, где уравнения общей теории относительности приводят к некорректным с физической точки зрения решениям. Именно сингулярностям посвящены первые научные труды Хокинга. В своей диссертации, опубликованной в 1965 году, Хокинг применил теоремы, сформулированные его коллегой, британским математиком Роджером Пенроузом, ко всей Вселенной.
Эволюция Вселенной после Большого взрыва
Изображение: NASA / WMAP
Пенроуз первым объяснил возникновение черной дыры гравитационной сингулярностью. По Пенроузу, звезда превращается в черную дыру благодаря гравитационному коллапсу, сопровождающемуся рождением ловушечной поверхности. Теорема Пенроуза считается первым крупным математически строгим результатом теории Эйнштейна, а вклад Хокинга заключался в том, что он показал: Вселенная в момент и до Большого взрыва находилась в состоянии бесконечной плотности массы.
В 1972 году был открыт Лебедь X-1, находящийся на расстоянии более шести тысяч световых лет от Земли, — сильный источник рентгеновского излучения и первый кандидат в черные дыры. Сегодня считается, что объект представляет собой двойную систему из черной дыры и вращающегося вокруг нее голубого сверхгиганта. Материя звезды притягивается черной дырой, что и приводит к наблюдаемому сильному излучению. Полвека назад существование таких объектов вызывало сомнения, однако физики почти не сомневались в их реальности. Правда, Хокинг, за свою жизнь проигравший несколько споров, полагал, что как раз Лебедь X-1 не является черной дырой.
В начале 1970-х Хокинг с Брэндоном Картером и Дэвидом Робинсоном частично доказали гипотезу американского физика Джона Уилера, известную сегодня как теорема об отсутствии «волос» у черных дыр. Согласно теореме, изолированные незаряженные черные дыры, описанные в пространстве-времени Шварцшильда, характеризуются только двумя параметрами: массой и угловым моментом. «Волосы» в данном случае — все другие параметры.
Сверхмассивная черная дыра поглощает материю вращающейся вокруг нее звезды (в представлении художника)
Изображение: East News
«Эта теория (Эйнштейна — прим. «Ленты.ру») ведет к двум следующим предсказаниям для Вселенной. Во-первых, конечной стадией эволюции массивной звезды является коллапс за горизонт событий, при этом образуется черная дыра, внутри которой находится сингулярность. Во-вторых, в нашем прошлом существует сингулярность, которая в некотором смысле есть начало наблюдаемой Вселенной», — писали в 1973 году Хокинг и его соавтор, Джон Эллис, в своей знаменитой монографии «Крупномасштабная структура пространства-времени».
В 1960-е черные дыры пытались описать не только при помощи общей теории относительности, но и методами квантовой механики. В результате выяснилось, что квантовать классическую теорию гравитации таким же способом, как, например, классические электродинамику или механику, не получится. Хокинг пошел другим путем и применил к черным дырам термодинамику. «Термодинамика — это единственная физическая теория общего содержания, относительно которой я убежден, что в рамках применимости ее основных понятий она никогда не будет опровергнута», — писал Эйнштейн.
Энтропия в квантовой статистической механике — это логарифм числа микросостояний, посредством которых может быть реализовано данное макросостояние. Энтропия черной дыры, как установил израильский физик Якоб Бекенштейн, пропорциональна ее площади. Хокинг, систематически применяя термодинамику к черным дырам, вывел точную формулу энтропии.
Барак Обама и Стивен Хокинг
Фото: wikimedia.org
В 1970-е Хокинг посетил СССР и встретился с Яковом Зельдовичем. В беседе с советскими учеными он узнал: оказывается, известный советский физик Владимир Грибов считает самим собой разумеющимся то, что черные дыры излучают — вследствие вакуумных флуктуаций. На горизонте событий образуются пары виртуальных частиц: одна из них, с положительной энергией, улетает от черной дыры, другая, с отрицательной, — падает в нее, тем самым уменьшая ее массу.
К сожалению, Грибов не опубликовал по этому поводу ни одной статьи, а Хокинг количественно рассчитал тепловой спектр черной дыры. Например, температура черной дыры солнечной массы — порядка одной миллионной кельвина. Отличить столь малую температуру от шума современными астрономическими методами невозможно. Исследование, посвященное излучению черных дыр, многие считают главной работой Хокинга.
В дальнейшем он пытался исследовать черные дыры при помощи функционального интеграла — чрезвычайно мощного математического аппарата, способного, в частности, перенормировать (устранить расходимости) теории калибровочных полей — теоретического фундамента современной Стандартной модели физики элементарных частиц. К сожалению, методы, действенные в квантовой теории поля, не оказались эффективными при наивном (то есть не в рамках теории струн) описании гравитации.
Порожденная квантовыми флуктуациями на планковских масштабах пространственно-временная пена (в представлении художника)
Изображение: blogspot.ru
Применяя квантовую механику ко всей Вселенной, Хокинг попробовал определить свойства ее волновой функции. Согласно квантовой теории, вероятность частицы принимать то или иное состояние равна квадрату модуля волновой функции. Ее можно представить в виде суммы слагаемых (суперпозиции состояний), а сам процесс измерения, предполагающий наличие внешнего наблюдателя, сводится к извлечению одного из возможных слагаемых.
В 1899 году немецкий физик Макс Планк ввел в рассмотрение величину, названную его именем и составленную из фундаментальных констант (постоянной Планка, гравитационной постоянной и скорости света в вакууме), — десять в минус тридцать третьей степени сантиметров. В настоящее время это считается недостижимым для современных экспериментов масштабом, на котором действует теория струн.
Впервые волновую функцию всей Вселенной и описывающее ее уравнение рассмотрели американские физики Джон Уилер и Брюс ДеВитт. Хокинг вместе с соавтором, Джеймсом Хартли из США, предложили свою функцию, подчиняющуюся уравнению Уилера-ДеВитта. Таким образом они попробовали описать мир на допланковских масштабах. Из анализа такой волновой функции видно, что в момент Большого взрыва во Вселенной было только пространство без времени.
Концепция Хокинга и Хартли допускает существование параллельных миров, для которых определена единая волновая функция. В этом многообразии вселенных наблюдаемая человеком действительность — лишь одна из допустимых. По всей видимости, устройство мира несколько сложнее теорий Уилера, ДеВитта, Хокинга и Хартли, предполагающих существование волновой функции Вселенной, хотя дискуссии о ней продолжаются до сих пор.
Малкольм Перри, Эндрю Строминжер и Стивен Хокинг (слева направо)
Фото: Фото: Anna N. Zytkow / scientificamerican.com
Широкую известность Хокинг получил после того, как в апреле 1988 года была опубликована его научно-популярная книга «Краткая история времени». Она переведена на десятки языков и издана общим тиражом более десяти миллионов экземпляров. Образ ученого в инвалидном кресле, занимающегося исследованием самых необычных свойств Вселенной, никого не оставил равнодушным.
В 1990-е годы Хокинг продолжил исследования черных дыр, предложив слабую версию принципа космической цензуры. В сильной форме утверждение о том, что в пространстве-времени невозможны голые, то есть не скрытые от внешнего наблюдателя, сингулярности, сформулировал еще в 1973 году Пенроуз. В частности, для черной дыры сингулярности должны находиться под ее горизонтом событий. Пенроуз, в отличие от Хокинга, полагает, что принцип космической цензуры выполняется сразу во всем пространстве-времени.
В последние 10-15 лет Хокинг интересовался информационным парадоксом черных дыр. Сначала он утверждал, что информация, переносимая попавшими в черную дыру объектами, не сохраняется. Теперь думает иначе. По его мнению, информация не теряется, но трансформируется в непригодную для использования человеком форму. Именно этому посвящены, в частности, исследования, проведенные им совместно с Малкольмом Перри и Эндрю Строминжером, о которых «Лента.ру» писала ранее.
