Краткая история времени

О документальном фильме о Стивене Хокинге см. « Краткая история времени» (фильм) . О биографическом фильме о Стивене Хокинге см. «Теория всего» (фильм 2014 г.) .

Краткая история времени

Первое издание
Автор	Стивен Хокинг
Язык	Английский
Предмет	Космология
Издатель	Издательская группа Bantam Dell
Дата публикации	1 апреля 1988 г.
Место публикации	Великобритания
Тип носителя	Печать ( в твердом переплете и в мягкой обложке )
Страницы	256
ISBN	978-0-553-10953-5
ОКЛК	39256652
Дьюи Десятичный	523.1 21
Класс ЛК	QB981.H377 1998 г.
С последующим	Черные дыры и детские вселенные и другие эссе

«Краткая история времени: от Большого взрыва до черных дыр» — книга по теоретической космологии физика Стивена Хокинга . Впервые она была опубликована в 1988 году. Хокинг написал книгу для читателей, не имевших предварительных знаний в физике.

В «Краткой истории времени » Хокинг в нетехнических терминах пишет о структуре, происхождении, развитии и возможной судьбе Вселенной , которая является объектом изучения астрономии и современной физики . Он говорит об основных понятиях, таких как пространство и время , основных строительных блоках, из которых состоит Вселенная (например, кварки ), и фундаментальных силах, которые ею управляют (например, гравитация ). Он пишет о космологических явлениях, таких как Большой взрыв и черные дыры . Он обсуждает две основные теории — общую теорию относительности и квантовую механику , которые современные учёные используют для описания Вселенной. Наконец, он говорит о поиске объединяющей теории , которая последовательно описывает все во Вселенной.

Книга стала бестселлером и было продано более 25 миллионов экземпляров.

Публикация

В начале 1983 года Хокинг впервые обратился к Саймону Миттону , редактору по астрономии книг издательства Кембриджского университета , со своими идеями для популярной книги по космологии. Миттон сомневался во всех уравнениях в черновике рукописи, что, по его мнению, отпугнуло бы покупателей в книжных магазинах аэропортов, к которым хотел обратиться Хокинг. С некоторым трудом он убедил Хокинга отказаться от всех уравнений, кроме одного. Сам автор отмечает в благодарностях к книге, что его предупредили, что для каждого уравнения в книге читательская аудитория будет сокращаться вдвое, поэтому она включает только одно уравнение: $E=mc^{2}$. В книге действительно используется ряд сложных моделей, диаграмм и других иллюстраций для детализации некоторых концепций, которые она исследует.

Содержание

В «Краткой истории времени ряд вопросов космологии , включая Большой взрыв, черные дыры и световые конусы » Стивен Хокинг объясняет читателю-неспециалисту . Его главная цель — дать обзор предмета, но он также пытается объяснить некоторые сложные математические аспекты . В издании книги 1996 года и последующих изданиях Хокинг обсуждает возможность путешествий во времени и червоточин, а также исследует возможность существования Вселенной без квантовой сингулярности в начале времени. Издание книги 2017 года содержало двенадцать глав, содержание которых кратко изложено ниже.

Глава 1: Наша картина Вселенной

. Землецентрическая модель Птолемея о расположении планет, звезд и Солнца

В первой главе Хокинг обсуждает историю астрономических исследований древнегреческого философа Аристотеля , в частности выводы о сферической Земле и круговую геоцентрическую модель Вселенной, позже развитую греческим астрономом второго века Птолемеем . Затем Хокинг описывает отказ от аристотелевской и птолемеевской моделей и постепенное развитие принятой в настоящее время гелиоцентрической модели Солнечной системы в 16, 17 и 18 веках, впервые предложенной польским священником Николаем Коперником в 1514 году и подтвержденной столетием позже. итальянским учёным Галилео Галилеем и немецким учёным Иоганном Кеплером (предложившим модель эллиптической орбиты вместо круговой), а также математически поддержанным английским учёным Исааком Ньютоном в его книге 1687 года о гравитации Principia Mathematica .

В этой главе Хокинг также рассказывает о том, как тема происхождения Вселенной и времени изучалась и обсуждалась на протяжении веков: гипотеза о вечном существовании Вселенной, выдвинутая Аристотелем и другими ранними философами, была опровергнута верой Св. Августина и других богословов. в его создании в определенное время в прошлом, где время — это понятие, родившееся вместе с сотворением Вселенной. В наше время немецкий философ Иммануил Кант снова заявил, что время не имеет начала. В 1929 году открытие американским астрономом Эдвином Хабблом расширяющейся Вселенной означало, что между десятью и двадцатью миллиардами лет назад вся Вселенная содержалась в одном единственном чрезвычайно плотном месте. Это открытие сделало концепцию начала Вселенной частью науки. В настоящее время ученые используют Альберта Эйнштейна для общую теорию относительности и квантовую механику частичного описания работы Вселенной, но при этом все еще ищут полную теорию Великого Объединения. это описывало бы все во Вселенной.

Глава 2: Пространство и время

В этой главе Хокинг описывает развитие научной мысли относительно природы пространства и времени . Сначала он описывает аристотелевскую идею о том, что естественным предпочтительным состоянием тела является состояние покоя , и его можно перемещать только силой , подразумевая, что более тяжелые объекты будут падать быстрее. Однако итальянский учёный Галилео Галилей экспериментально доказал ошибочность теории Аристотеля, наблюдая за движением объектов разного веса и придя к выводу, что все объекты будут падать с одинаковой скоростью. В конечном итоге это привело к появлению английского учёного Исаака Ньютона законов движения и гравитации . Однако законы Ньютона подразумевали, что не существует такой вещи, как абсолютное состояние покоя или абсолютное пространство , как считал Аристотель: находится ли объект «в покое» или «в движении», зависит от инерциальной системы отсчета наблюдателя.

Затем Хокинг описывает веру Аристотеля и Ньютона в абсолютное время , то есть время можно точно измерить независимо от состояния движения наблюдателя. Однако Хокинг пишет, что это здравое представление не работает на скорости света или близкой к ней. Он упоминает открытие датского ученого Оле Рёмера о том, что свет распространяется с очень высокой, но конечной скоростью, благодаря его наблюдениям за Юпитером и одним из его спутников Ио, а также уравнения британского ученого Джеймса Клерка Максвелла по электромагнетизму, которые показали, что свет распространяется волнами. движение с фиксированной скоростью. Поскольку в механике Ньютона отказались от идеи абсолютного покоя, Максвелл и многие другие физики утверждали, что свет должен проходить через гипотетическую жидкость, называемую эфиром , причем его скорость пропорциональна скорости эфира. Позже это было опровергнуто экспериментом Майкельсона-Морли , показавшим, что скорость света всегда остается постоянной независимо от движения наблюдателя. Позже Эйнштейн и Анри Пуанкаре утверждали, что для объяснения движения света нет необходимости в эфире, предполагая, что не существует абсолютное время . На этом основана специальная теория относительности , утверждающая, что свет распространяется с конечной скоростью независимо от скорости наблюдателя.

Масса и энергия связаны уравнением $E=mc^{2}$, что объясняет, что любому объекту с массой, чтобы двигаться со скоростью света (3×10⁸м/с), необходимо бесконечное количество энергии. Был разработан новый способ определения метра с использованием скорости света. «События» также можно описать с помощью световых конусов , графического представления пространства-времени, которое ограничивает, какие события разрешены, а какие нет, на основе световых конусов прошлого и будущего. четырехмерное пространство-время Также описывается , в котором «пространство» и «время» неразрывно связаны. Движение объекта в пространстве неизбежно влияет на то, как он воспринимает время.

Эйнштейна Общая теория относительности объясняет, как на путь луча света влияет « гравитация », которая, по мнению Эйнштейна, является иллюзией, вызванной искривлением пространства-времени, в отличие от точки зрения Ньютона, который описывал гравитацию как силу, воздействующую на материю. другое дело. При искривлении пространства-времени свет всегда распространяется по прямой траектории в 4-мерном «пространстве-времени», но может казаться искривленным в 3-мерном пространстве из-за гравитационных эффектов. Эти прямые пути являются геодезическими . Парадокс близнецов , мысленный эксперимент в специальной теории относительности с участием однояйцевых близнецов, предполагает, что близнецы могут стареть по-разному, если они движутся с разной скоростью относительно друг друга или даже если они жили в разных местах с неравной кривизной пространства-времени. Специальная теория относительности основана на пространственно-временных аренах, где происходят события, тогда как общая теория относительности является динамической, где сила может изменять кривизну пространства-времени и которая порождает динамическую, расширяющуюся Вселенную. Хокинг и Роджер Пенроуз работал над этим и позже доказал с помощью общей теории относительности, что если Вселенная имела начало конечное время назад в прошлом, то она также могла бы закончиться в конечное время от настоящего момента и в будущем.

Глава 3: Расширяющаяся Вселенная

Расширение Вселенной после Большого взрыва

В этой главе Хокинг впервые описывает, как физики и астрономы рассчитывали относительное расстояние звезд от Земли. В 18 веке сэр Уильям Гершель подтвердил положение и расстояния многих звезд на ночном небе. В 1924 году Эдвин Хаббл открыл метод измерения расстояния, используя яркость переменных звезд цефеид, если смотреть с Земли. Светимость , яркость и расстояние до этих звезд связаны простой математической формулой. Используя все это, он рассчитал расстояния до девяти различных галактик. Мы живем в довольно типичной спиральной галактике, содержащей огромное количество звезд.

Звезды находятся очень далеко от нас, поэтому мы можем наблюдать только одну их характерную особенность — свет. Когда этот свет проходит через призму, он дает спектр . Каждая звезда имеет свой собственный спектр, а поскольку каждый элемент имеет свои уникальные спектры, мы можем измерить спектры света звезды, чтобы узнать ее химический состав. Мы используем тепловые спектры звезд, чтобы узнать их температуру. В 1920 году, когда ученые исследовали спектры разных галактик, они обнаружили, что некоторые характерные линии звездного спектра сдвинуты в сторону красного конца спектра. Последствия этого явления были обусловлены эффектом Доплера , и было ясно, что многие галактики удаляются от нас.

Предполагалось, что, поскольку некоторые галактики имеют красное смещение, некоторые галактики также будут иметь синее смещение. Однако количество галактик с красным смещением намного превосходило количество галактик с голубым смещением. Хаббл обнаружил, что величина красного смещения прямо пропорциональна относительному расстоянию. Отсюда он определил, что Вселенная расширяется и имела начало. Несмотря на это, концепция статичной Вселенной сохранялась и в 20 веке. Эйнштейн был настолько уверен в статичности Вселенной, что разработал « космологическую постоянную » и ввел «антигравитационные» силы, позволившие существовать Вселенной бесконечного возраста. Более того, многие астрономы также пытались избежать последствий общей теории относительности и придерживались своей статичной Вселенной, за одним особенно примечательным исключением — российским физиком Александром Фридманом .

Фридман сделал два очень простых предположения: Вселенная идентична, где бы мы ни находились, то есть однородность , и что она идентична во всех направлениях, в которых мы смотрим, то есть изотропия . Его результаты показали, что Вселенная нестатична. Его предположения позже подтвердились, когда два физика из Bell Labs , Арно Пензиас и Роберт Уилсон , обнаружили неожиданное микроволновое излучение не только из одной конкретной части неба, но и отовсюду, и почти в одинаковой степени. Таким образом, первое предположение Фридмана оказалось верным.

Примерно в то же время Роберт Дикке и Джим Пиблс также работали над микроволновым излучением . Они утверждали, что смогут увидеть свечение ранней Вселенной как фоновое микроволновое излучение. Уилсон и Пензиас уже сделали это, поэтому им была присуждена Нобелевская премия в 1978 году. Кроме того, наше место во Вселенной не является исключительным , поэтому мы должны видеть Вселенную примерно одинаковой с любой другой части космоса, что поддерживает Второе предположение Фридмана. Его работы оставались в значительной степени неизвестными, пока аналогичные модели не были созданы Говардом Робертсоном и Артуром Уокером .

Модель Фридмана породила три различных типа моделей эволюции Вселенной. Во-первых, Вселенная будет расширяться в течение заданного периода времени, и если скорость расширения будет меньше плотности Вселенной (что приведет к гравитационному притяжению), это в конечном итоге приведет к коллапсу Вселенной на более позднем этапе. Во-вторых, Вселенная будет расширяться, и в какой-то момент, если скорость расширения и плотность Вселенной станут равными, она будет расширяться медленно и остановится, что приведет к некоторой статичности Вселенной. В-третьих, Вселенная будет продолжать расширяться вечно, если плотность Вселенной будет меньше критической величины, необходимой для баланса скорости расширения Вселенной.

Первая модель изображает пространство Вселенной искривленным внутрь . Во второй модели пространство приведет к плоской структуре , а третья модель приведет к отрицательной «седлообразной» кривизне . Даже если посчитать, текущая скорость расширения превышает критическую плотность Вселенной, включая темную материю и все звездные массы. Первая модель предполагала возникновение Вселенной в виде Большого взрыва из пространства бесконечной плотности и нулевого объема, известного как « сингулярность », точки, в которой также терпит крах общая теория относительности (на ней основаны решения Фридмана).

Эта концепция начала времени (предложенная бельгийским католическим священником Жоржем Леметром ), казалось, изначально была мотивирована религиозными убеждениями, поскольку она поддерживала библейское утверждение о том, что Вселенная имеет начало во времени, а не является вечной. Поэтому была представлена ​​новая теория, «теория устойчивого состояния» Германа Бонди , Томаса Голда и Фреда Хойла , которая должна была составить конкуренцию теории Большого взрыва. Его предсказания также совпадали с нынешней структурой Вселенной. Но тот факт, что источников радиоволн рядом с нами гораздо меньше, чем в далекой Вселенной, а радиоисточников было гораздо больше, чем в настоящее время, привел к провалу этой теории и всеобщему признанию теории Большого взрыва. Евгений Лифшиц и Исаак Маркович Халатников также пытались найти альтернативу теории Большого взрыва, но тоже потерпели неудачу.

Роджер Пенроуз использовал световые конусы и общую теорию относительности, чтобы доказать, что коллапс звезды может привести к образованию области нулевого размера, бесконечной плотности и кривизны, называемой черной дырой . Хокинг и Пенроуз вместе доказали, что Вселенная должна была возникнуть из сингулярности, что опроверг сам Хокинг, если принять во внимание квантовые эффекты.

Глава 4: Принцип неопределенности

французского математика девятнадцатого века Лапласа В этой главе Хокинг впервые обсуждает твердую веру в научный детерминизм , согласно которому научные законы в конечном итоге смогут точно предсказать будущее Вселенной. Затем он обсуждает теорию бесконечного излучения звезд согласно расчетам британских ученых лорда Рэлея и Джеймса Джинса , которая позже была пересмотрена в 1900 году немецким ученым Максом Планком, который предположил, что энергия должна излучаться небольшими, конечными пакетами, называемыми квантами .

Затем Хокинг обсуждает принцип неопределенности, сформулированный немецким ученым Вернером Гейзенбергом , согласно которому скорость и положение частицы не могут быть точно известны из-за квантовой гипотезы Планка: увеличение точности измерения ее скорости уменьшит уверенность в ее положении и наоборот. наоборот. Это опровергло идею Лапласа о полностью детерминистской теории Вселенной. Затем Хокинг описывает возможное развитие квантовой механики Гейзенбергом, австрийским физиком Эрвином Шредингером и английским физиком Полем Дираком в 1920-х годах, теории, которая привнесла в науку непреодолимый элемент непредсказуемости, и, несмотря на немецкого ученого Альберта Эйнштейна сильные возражения , она имела было доказано, что он очень успешно описывает Вселенную, за исключением гравитации и крупномасштабных структур.

Представление световой волны

Затем Хокинг обсуждает, как принцип неопределенности Гейзенберга подразумевает дуальность волны и частицы света (и частиц в целом).

Интерференция света вызывает появление множества цветов.

Затем он описывает явление интерференции , когда несколько световых волн интерферируют друг с другом, образуя одну световую волну со свойствами, отличными от свойств составляющих волн, а также интерференцию внутри частиц, примером которой является эксперимент с двумя щелями . Хокинг пишет, как интерференция улучшила наше понимание структуры атомов , строительных блоков материи. Если теория датского ученого Нильса Бора лишь частично решила проблему коллапса электронов, то квантовая механика решила ее полностью. По словам Хокинга, сумма по историям американского учёного Ричарда Фейнмана — хороший способ визуализировать корпускулярно-волновой дуализм. Эйнштейна Наконец, Хокинг упоминает, что общая теория относительности — это классическая, неквантовая теория, которая игнорирует принцип неопределенности и что ее необходимо согласовать с квантовой теорией в ситуациях, когда гравитация очень сильна, таких как черные дыры и Большой взрыв.

Глава 5: Элементарные частицы и силы природы

В этой главе Хокинг прослеживает историю исследований природы материи : четыре элемента Аристотеля, атомах представление Демокрита о неделимых , идеи Дальтона Джона об атомах, объединяющихся в молекулы , открытие Дж. Дж. Томсоном электронов внутри атомов, Эрнестом Резерфордом Открытие атомного ядра и протонов , Джеймсом Чедвиком открытие нейтронов и, наконец, Мюррея Гелл-Манна работа о еще более мелких кварках , из которых состоят протоны и нейтроны. Затем Хокинг обсуждает шесть различных «ароматов» ( верхний , нижний , странный , очаровательный , нижний и верхний ) и три разных « цвета » кварков (красный, зеленый и синий). Позже в этой главе он обсуждает антикварки , численность которых превосходит кварки из-за расширения и охлаждения Вселенной.

Частицу со спином 1 нужно полностью развернуть, чтобы она снова выглядела так же, как эта стрелка.

Затем Хокинг обсуждает свойство спина частиц, которое определяет, как частица выглядит с разных направлений. Затем Хокинг обсуждает две группы частиц во Вселенной в зависимости от их спина: фермионы и бозоны . Фермионы со спином 1/2 следуют принципу исключения Паули , который гласит, что они не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии (например, два протона со спином вверх не могут занимать одно и то же место в пространстве). Без этого правила сложные структуры не могли бы существовать.

Протон , которые состоит из трех кварков имеют разный цвет из-за ограничения цвета .

Бозоны или частицы-переносчики силы со спином 0, 1 или 2 не подчиняются принципу исключения. Затем Хокинг приводит примеры виртуальных гравитонов и виртуальных фотонов . Виртуальные гравитоны со спином 2 силу гравитации несут . Виртуальные фотоны со спином 1 переносят электромагнитную силу. Затем Хокинг обсуждает слабое ядерное взаимодействие (отвечающее за радиоактивность и влияющее в основном на фермионы) и сильное ядерное взаимодействие, переносимое частицей глюон , которая связывает кварки вместе в адроны , обычно нейтроны и протоны , а также связывает нейтроны и протоны вместе в атомные ядра . Затем Хокинг пишет о явлении, называемом ограничением цвета , которое предотвращает открытие кварков и глюонов по отдельности (за исключением чрезвычайно высоких температур), поскольку они остаются заключенными внутри адронов.

Хокинг пишет, что при чрезвычайно высокой температуре электромагнитное взаимодействие и слабое ядерное взаимодействие ведут себя как одно электрослабое взаимодействие , что дает повод для предположения, что при еще более высоких температурах электрослабое взаимодействие и сильное ядерное взаимодействие также будут вести себя как единая сила. Теории, которые пытаются описать поведение этой «объединённой» силы, называются теориями Великого Объединения . Они могут помочь нам объяснить многие загадки физики, которые учёным ещё предстоит разгадать.

Глава 6: Черные дыры

Черная дыра , демонстрирующая, как она искажает фоновое изображение посредством гравитационного линзирования.

В этой главе Хокинг обсуждает черные дыры — области пространства-времени , из которых чрезвычайно сильная гравитация не позволяет всему, включая свет, вырваться из них. Хокинг описывает, как большинство черных дыр образуются во время коллапса массивных звезд (как минимум в 25 раз тяжелее Солнца ) , приближающихся к концу жизни. Он пишет о горизонте событий , границе черной дыры, из которой ни одна частица не может покинуть пространство-время. Затем Хокинг обсуждает невращающиеся черные дыры со сферической симметрией и вращающиеся с осевой симметрией . Затем Хокинг описывает, как астрономы обнаруживают черную дыру не напрямую, а косвенно, наблюдая с помощью специальных телескопов мощные рентгеновские лучи, испускаемые при поглощении звезды. Хокинг заканчивает главу упоминанием своего знаменитого пари, заключенного в 1974 году с американским физиком Кипом Торном, в котором Хокинг утверждал, что черных дыр не существует. Хокинг проиграл пари, поскольку новые доказательства доказали, что Лебедь X-1 действительно был черной дырой.

Глава 7: Черные дыры не такие уж черные

В этой главе обсуждается аспект поведения черных дыр, который Стивен Хокинг обнаружил в 1970-х годах. Согласно более ранним теориям, черные дыры могут становиться только больше, но никогда меньше, потому что ничто из того, что входит в черную дыру, не может выйти наружу. Однако в 1974 году Хокинг опубликовал новую теорию, утверждавшую, что черные дыры могут «упускать» излучение . Он представил, что могло бы произойти, если бы пара виртуальных частиц появилась у края черной дыры. Виртуальные частицы ненадолго «заимствуют» энергию у самого пространства-времени , затем аннигилируют друг с другом, возвращая заимствованную энергию и прекращая свое существование. Однако на краю черной дыры одна виртуальная частица может быть захвачена черной дырой, а другая ускользнет. Из-за второго закона термодинамики частицам «запрещено» брать энергию из вакуума. Таким образом, частица берет энергию у черной дыры, а не у вакуума, и выходит из черной дыры в виде излучения Хокинга .

По мнению Хокинга, черные дыры должны очень медленно сжиматься с течением времени и в конечном итоге «испаряться» из-за этого излучения, а не продолжать существовать вечно, как считали ранее ученые.

Глава 8: Происхождение и судьба Вселенной

Большой взрыв и эволюция Вселенной

В этой главе обсуждаются начало и конец Вселенной.

Большинство учёных сходятся во мнении, что Вселенная началась в результате расширения, получившего название «Большой взрыв». В начале Большого взрыва во Вселенной была чрезвычайно высокая температура, которая препятствовала образованию сложных структур, таких как звезды, или даже очень простых, таких как атомы. Во время Большого взрыва произошло явление, называемое « инфляция », при котором Вселенная на короткое время расширилась («раздулась») до гораздо больших размеров. Инфляция объясняет некоторые характеристики Вселенной, которые ранее сильно смущали исследователей. После инфляции Вселенная продолжала расширяться более медленными темпами. Стало намного холоднее, что в конечном итоге позволило сформировать такие структуры.

Хокинг также обсуждает, как Вселенная могла бы выглядеть иначе, если бы она росла в размерах медленнее или быстрее, чем на самом деле. Например, если бы Вселенная расширялась слишком медленно, она бы схлопнулась не хватило бы времени , и для формирования жизни . Если бы Вселенная расширялась слишком быстро, она стала бы почти пустой.

В конечном итоге Хокинг предлагает вывод о том, что Вселенная может быть конечной, но безграничной. Другими словами, оно может не иметь ни начала, ни конца во времени, а просто существовать с конечным количеством материи и энергии.

концепция квантовой гравитации В этой главе также обсуждается .

Глава 9: Стрела времени

В этой главе Хокинг говорит о том, почему «реальное время», как Хокинг называет время, когда люди его наблюдают и ощущают (в отличие от « воображаемого времени », которое, по утверждению Хокинга, присуще законам науки), похоже, имеет определенное направление, в частности из прошлого в будущее. Затем Хокинг обсуждает три « стрелы времени », которые, по его мнению, придают времени это свойство. Первая стрела времени Хокинга — это термодинамическая стрела времени : направление, в котором возрастает энтропия (которую Хокинг называет беспорядком). По мнению Хокинга, именно поэтому мы никогда не видим, чтобы осколки чашки собирались вместе в целую чашку. Вторая стрела Хокинга — это психологическая стрела времени , благодаря которой наше субъективное ощущение времени, кажется, течет в одном направлении, поэтому мы помним прошлое, а не будущее. Хокинг утверждает, что наш мозг измеряет время таким образом, что беспорядок увеличивается в направлении времени — мы никогда не наблюдаем, чтобы он работал в противоположном направлении. Другими словами, он утверждает, что психологическая стрела времени переплетается с термодинамической стрелой времени. Третья и последняя стрела времени Хокинга — это космологическая стрела времени: направление времени, в котором Вселенная расширяется, а не сжимается. По мнению Хокинга, во время фазы сжатия Вселенной термодинамические и космологические стрелы времени не совпадают.

Затем Хокинг утверждает, что « предложение об отсутствии границ » для Вселенной подразумевает, что Вселенная будет расширяться в течение некоторого времени, прежде чем снова сжаться. Далее он утверждает, что предложение об отсутствии границ — это то, что движет энтропией, и что оно предсказывает существование четко определенной термодинамической стрелы времени тогда и только тогда, когда Вселенная расширяется, поскольку это подразумевает, что Вселенная должна была начаться в гладком состоянии. и упорядоченное государство, которое с течением времени должно перерасти в беспорядок. Он утверждает, что из-за предложения об отсутствии границ сжимающаяся Вселенная не будет иметь четко определенной термодинамической стрелки, и поэтому только Вселенная, находящаяся в фазе расширения, может поддерживать разумную жизнь. Используя слабый антропный принцип , Хокинг далее утверждает, что термодинамическая стрела должна совпадать с космологической стрелой, чтобы разумная жизнь могла наблюдать любую из них. По мнению Хокинга, именно поэтому люди ощущают, что эти три стрелы времени движутся в одном направлении.

Глава 10: Червоточины и путешествия во времени

В этой главе Хокинг обсуждает, возможно ли путешествовать во времени, то есть путешествовать в будущее или прошлое. Он показывает, как физики пытались разработать возможные методы, с помощью которых люди с передовыми технологиями смогут путешествовать быстрее скорости света или путешествовать назад во времени , и эти концепции стали основой научной фантастики . Мосты Эйнштейна-Розена были предложены на заре истории исследований общей теории относительности . Эти «червоточины» снаружи выглядели бы идентичными черным дырам, но вошедшая в них материя была бы перемещена в другое место пространства-времени, потенциально в отдаленную область пространства или даже назад во времени. Однако более поздние исследования показали, что такая червоточина, даже если бы она вообще могла образоваться, не пропускала бы какой-либо материал, прежде чем снова превратиться в обычную черную дыру. Единственный способ, с помощью которого червоточина теоретически могла бы оставаться открытой и, таким образом, позволять путешествовать со скоростью, превышающей скорость света, или путешествовать во времени, потребовало бы существования экзотическая материя с отрицательной плотностью энергии , что нарушает энергетические условия общей теории относительности. Таким образом, почти все физики согласны с тем, что путешествие со скоростью, превышающей скорость света, и путешествие назад во времени невозможны.

Хокинг также описывает свою собственную « гипотезу о защите хронологии », которая дает более формальное объяснение того, почему путешествия во времени со скоростью, превышающей скорость света, и в обратном направлении почти наверняка невозможны.

Глава 11: Объединение физики

Фундаментальными объектами теории струн являются открытые и закрытые струны .

Квантовая теория поля (КТП) и общая теория относительности (ОТО) описывают физику Вселенной с поразительной точностью в своих собственных областях применимости. Однако эти две теории противоречат друг другу. Например, принцип неопределенности КТФ несовместим с ОТО. Это противоречие, а также тот факт, что КТП и ОТО не полностью объясняют наблюдаемые явления , побудили физиков искать теорию « квантовой гравитации », которая была бы внутренне непротиворечивой и объясняла наблюдаемые явления так же хорошо или даже лучше, чем существующие теории.

Хокинг с осторожным оптимизмом смотрит на то, что такая единая теория Вселенной может быть найдена в ближайшее время, несмотря на значительные проблемы. На момент написания книги « теория суперструн » стала самой популярной теорией квантовой гравитации, но эта теория и связанные с ней теории струн были все еще незавершенными и, несмотря на значительные усилия, еще не были доказаны (это остается верным, поскольку 2021 года). Теория струн предполагает, что частицы ведут себя как одномерные «струны», а не как безразмерные частицы, как в КТП. Эти струны «вибрируют» во многих измерениях. Вместо трех измерений, как в КТП, или четырех измерений, как в ОТО, теория суперструн требует всего 10 измерений. Природу шести измерений «гиперпространства», требуемых теорией суперструн, трудно, если не невозможно, изучить, в результате чего остается бесчисленное множество теоретических ландшафтов теории струн , каждый из которых описывает вселенную с различными свойствами. Без средств, сужающих круг возможностей, вероятно, невозможно найти практическое применение теории струн.

Альтернативные теории квантовой гравитации, такие как петлевая квантовая гравитация , также страдают от недостатка доказательств и сложности в изучении.

Таким образом, Хокинг предлагает три возможности: 1) существует полная единая теория, которую мы в конечном итоге найдем; 2) перекрытие характеристик разных ландшафтов позволит нам постепенно объяснять физику более точно с течением времени и 3) окончательной теории не существует. Третью возможность обошли, признав ограничения, установленные принципом неопределенности. Вторая возможность описывает то, что происходит в физических науках до сих пор, с все более точными частичными теориями.

Хокинг считает, что такое усовершенствование имеет предел и что, изучая самые ранние стадии Вселенной в лабораторных условиях, в 21 веке будет создана полная теория квантовой гравитации, которая позволит физикам решить многие из нерешенных в настоящее время проблем физики.

Заключение

В этой последней главе Хокинг суммирует усилия, предпринятые людьми на протяжении всей их истории, чтобы понять Вселенную и свое место в ней: начиная с веры в антропоморфных духов, управляющих природой, за которыми следует признание закономерностей в природе и, наконец, с научных открытий. Благодаря прогрессу последних столетий внутреннее устройство Вселенной стало гораздо лучше изучено. Он вспоминает предположение французского математика девятнадцатого века Лапласа о том, что структуру и эволюцию Вселенной можно в конечном итоге точно объяснить с помощью набора законов, происхождение которых остается во власти Бога. Однако Хокинг утверждает, что принцип неопределенности, введенный квантовой теорией в двадцатом веке, установил пределы точности прогнозирования будущих законов, которые предстоит открыть.

Хокинг отмечает, что исторически изучение космологии (изучение происхождения, эволюции и конца Земли и Вселенной в целом) было в первую очередь мотивировано поиском философских и религиозных идей, например, для лучшего понимания природы о Боге и даже о том, существует ли Бог вообще . Однако, по мнению Хокинга, большинство современных ученых, работающих над этими теориями, подходят к ним с помощью математических расчетов и эмпирических наблюдений, а не задают подобные философские вопросы. По его мнению, все более технический характер этих теорий привел к тому, что современная космология все больше оторвана от философских дискуссий. Тем не менее Хокинг выражает надежду, что однажды все заговорят об этих теориях, чтобы понять истинное происхождение и природу Вселенной и достичь «окончательного триумфа человеческого разума».

Издания

• 1988: Первое издание включало предисловие Карла Сагана , в котором рассказывается следующая история: Саган был в Лондоне на научной конференции в 1974 году, и между сессиями он забрел в другую комнату, где проходило более крупное собрание. «Я понял, что наблюдаю древнюю церемонию: посвящение новых членов в Королевское общество , одну из самых древних научных организаций на планете. В первом ряду молодой человек в инвалидной коляске очень медленно подписывал свою подпись. имя в книге, на первых страницах которой стояла подпись Исаака Ньютона ... Стивен Хокинг уже тогда был легендой». Во введении Саган добавляет, что Хокинг является «достойным преемником» Ньютона и Поля Дирака , бывших профессоров математики в духе Лукаса .

Введение было удалено после первого издания, поскольку авторские права на него принадлежали Сагану, а не Хокингу или издателю, и издатель не имел права переиздавать его вечно. Хокинг написал собственное введение для последующих изданий.

• 1994, Краткая история времени – Интерактивное приключение. Компакт-диск с интерактивными видеоматериалами, созданными С.В. Хокингом, Джимом Мервисом и Робитом Хейрманом (доступен для Windows 95, Windows 98, Windows ME и Windows XP).
• 1996 г., Иллюстрированное, обновленное и расширенное издание: это издание в твердом переплете содержало полноцветные иллюстрации и фотографии, помогающие более подробно объяснить текст, а также добавленные темы, которые не были включены в оригинальную книгу.
• 1998 г., издание, посвященное десятой годовщине: оно содержит тот же текст, что и издание, опубликованное в 1996 г., но также было выпущено в мягкой обложке и включало лишь несколько диаграмм. ISBN   0553109537
• 2005, «Краткая история времени» : совместная работа с Леонардом Млодиновым над сокращенной версией оригинальной книги. Он был снова обновлен для решения новых проблем, возникших в результате дальнейшего научного развития. ISBN   0-553-80436-7

Фильм

Основная статья: Краткая история времени (фильм)

В 1991 году Эррол Моррис снял документальный фильм о Хокинге; хотя у них общее название, фильм представляет собой биографическое исследование Хокинга, а не экранизированную версию книги.

Приложения

«Карманная вселенная Стивена Хокинга: Возвращение к краткой истории времени» основана на книге. Приложение было разработано издательством Preloaded для издательства Transworld, подразделения группы Penguin Random House .

Приложение было выпущено в 2016 году. Оно было разработано Беном Кортни и создано Джеммой Харрис и доступно только для iOS .

Опера

Метрополитен -опера заказала премьеру оперы в сезоне 2015–2016 годов по книге Хокинга. Его должен был написать Освальдо Голихов на либретто Альберто Мангеля в постановке Роберта Лепажа . Запланированная опера была изменена на другую тему и в конечном итоге полностью отменена.

См. также

• Общая теория относительности § Дополнительная литература
• Индекс Хокинга – имитация математического измерения того, насколько далеко люди прочитают книгу, прежде чем сдаться, названная в честь книги Хокинга.
• Список учебников по термодинамике и статистической механике
• Список учебников по классической механике и квантовой механике
• Черепахи до самого низа - шутливое выражение проблемы бесконечного регресса в космологии, которая появляется в книге Хокинга.

Внешние ссылки

• Фотографии первого издания «Краткой истории времени»