Стивену Хокингу, физику, который перемотал вселенную и снял увеличенные частицы из горячих краевых областей черных дыр, сегодня исполняется 76 лет (8 января).
Помимо того, что Хокинг является всемирно известным космологом, он стал символом поп-культуры. Он поразительная фигура: гений свернулся в теле, в значительной степени обездвиженным боковым амиотрофическим склерозом, или БАС. Его поддерживает передовая инвалидная коляска, и он общается с миром через редкую и специализированную систему, которая преобразует движения одной мышцы его щеки в речь. В этом режиме он появился в фильмах «Звездный путь: следующее поколение», «Симпсоны» и «Теория большого взрыва».
Но самое продолжительное наследие Хокинга будет самым важным физиком второй половины 20-го века - исследователем, который взял более ранние работы таких деятелей, как Альберт Эйнштейн и Вернер Гейзенберг, и связал их во что-то, приближающееся к последовательному объяснению поведения космос.
«В нашем прошлом есть особенность»
Ни одна хорошая гениальная история не начинается с чего-то меньшего, чем взрыв, поэтому вполне уместно, что первым большим достижением Хокинга была его докторская диссертация в Кембриджском университете.
Тезис Хокинга, одобренный в 1966 году, выдвинул драматический аргумент: вся вселенная начиналась как одна точка, бесконечно малая и плотная и свернувшаяся сама по себе - точка в начале всего. Или, как он позже напишет, лаконично: «В нашем прошлом есть особенность».
Это было первое описание Большого взрыва, как его обычно понимают сегодня: бесконечно малая точка в далеких временах, которая ворвалась в наш современный, постоянно расширяющийся космос.
Как Хокинг описал в своей лекции 2005 года «Происхождение Вселенной», его тезис появился в тот момент, когда ученые увидели, что огромные пустые пространства космоса, пропасти между галактиками расширяются. Но они не были уверены, почему. Некоторые физики предложили более слабые версии концепции Большого взрыва, за исключением сингулярности. Но другая теория, названная Вселенной Устойчивого Государства, была доминирующей.
«Поскольку галактики раздвигались», - сказал Хокинг о «Вселенной с постоянным состоянием», - идея заключалась в том, что новые галактики будут образовываться из материи, которая должна постоянно создаваться в космосе. Вселенная существовала бы вечно и выглядела бы одинаково все время."
Другими словами, многие ученые думали, что вселенная расширяется, но таким образом, что это не дало ни начала, ни конца.
Как писал биограф Китти Фергюсон в своей книге «Стивен Хокинг: беспристрастный разум» (Griffin St. Martin's, 2012), Хокинг боролся с депрессией в течение нескольких месяцев после диагноза БАС в 1963 году в возрасте 21 года, и если бы это психическое заболевание сохранялось, он мог бы никогда не пришел к своей диссертации. Но его депрессия утихла, когда стало ясно, что он переживает ожидания и когда ему предоставили исключение из Кембриджских правил, регулирующих аспирантов, что позволяет ему жениться на своей первой жене, Джейн Уайлд, по словам Фергюсона.
В течение этого периода, прежде чем он пришел к теме своей докторской диссертации, Хокинг сообщил, что испытывает разочарование по поводу того, как исследователи занялись работой, которую он считал в конечном итоге тривиальной.
«Люди были так рады найти какое-либо решение для уравнений поля; они не спрашивали, какое физическое значение, если таковое вообще имело», - сказал он позже в своей лекции, посвященной дню рождения в 2002 году.
Это разочарование привело его к его первой щетке с дурной славой. Как рассказывал Фергюсон, Хокинг путешествовал в июне 1964 года, чтобы услышать лекцию Фреда Хойла, известного астронома и защитника теории Вселенной в устойчивом состоянии. Во время лекции Хокинг был настолько расстроен, что поднялся на ноги, опираясь на трость, чтобы оспорить один из результатов Хойла.
«Удивленный Хойл спросил Хокинга, как он мог судить, был ли результат правильным или неправильным», - написал Фергюсон. «Хокинг ответил, что он« сработал ».
Фергюсон написал, что аудитория была впечатлена, и Хойл был «взбешен» этим неизвестным аспирантом, который, казалось, разрывал исследование профессора в своей голове на лекции, пишет Фергюсон. (На самом деле, Хокинг подружился с одним из учеников Хойла и начал атаковать идею задолго до лекции.)
Вскоре после этого, как писал Фергюсон, Хокинг узнал о космологической теории, разработанной математиком Роджером Пенроузом: особенности, точки бесконечной плотности и кривизна пространства-времени, теоретизированные в общей теории относительности, могут фактически появиться, когда достаточно большие звезды коллапсируют на себе.
«Хокинг взлетел оттуда, - писал Фергюсон, - изменил направление времени и подумал, что произойдет, если точка бесконечной плотности и бесконечной кривизны пространства-времени - особенность - взорвется наружу и расширится. Предположим, что вселенная началась как Предположим, что пространство-время, свернувшись в крошечной безразмерной точке, взорвалось в том, что мы называем Большим взрывом, и расширилось до тех пор, пока оно не выглядит так, как сегодня. Может ли это быть так? Должен это случилось так? "
Хокинг приступил к работе, подкрепив ход своих предположений надежными вспомогательными расчетами. Его докторская диссертация, основанная на этих расчетах, была утверждена в 1966 году. Эти расчеты, а также последующие исследования, проведенные в партнерстве с Пенроузом в течение последующего десятилетия, составили основу для современного понимания учеными Большого взрыва.
Примерно в то же время некоторые ключевые предсказания теории Вселенной в установившемся состоянии начали проваливаться на экспериментальных испытаниях, укрепляя статус Хокинга как исследователя истинной истории ранней вселенной.
Взрывы черной дыры?
Если бы единственным достижением Хокинга в его карьере было открытие исторического облика вселенной, он все равно был бы гигантом - человеком, упомянутым рядом с Розалинд Франклин, которая открыла форму ДНК с двойной спиралью, или Николаем Коперником, который первым предложил гелиоцентрическая модель солнечной системы. Но это было только первое из двух определяющих достижений Хокинга.
Второе, излучение Хокинга, требует небольшого понимания двух вещей: черных дыр и квантовой механики пустого пространства.
Во-первых, о черных дырах: черная дыра - это звезда, которая обрушилась на себя и стала настолько гравитационно интенсивной, что даже свет не может покинуть область вокруг своего центра. За пределами этой точки, называемой горизонтом событий, пространство-время настолько искривлено, что все, что находится за саваном, потеряно навсегда. Черная дыра, согласно этому пониманию в начале 1970-х, никогда не излучает свет, никогда не сжимается, никогда не теряет массы; оно только набирает массу и затягивает больше пространства на свою окутанную территорию.
Во-вторых, о квантовой механике. К моменту карьеры Хокинга ученые уже давно знали, что неопределенность Гейзенберга подразумевает, что пустое пространство на самом деле не пусто. Вместо этого он вращается с «виртуальными» частицами - парами материи-антивещества, которые появляются вместе, разделяются, а затем врезаются друг в друга и аннигилируют за промежуток времени, слишком малый для измерения. (Ученые до сих пор утверждают, существуют ли эти виртуальные частицы на самом деле или появляются только в квантовых уравнениях из-за их странной, вероятностной природы.)
Фергюсон написал, что в конце лета 1973 года Стивен и Джейн Хокинг посетили серию лекций в Варшаве, Польша, по случаю 500-летия Коперника. Там Хокинг встретился с двумя советскими физиками, Яковом Борисовичем Зельдовичем и его учеником Алексеем Александровичем Старобинским, которые показали, что энергия вращающихся черных дыр будет создавать частицы только за пределами их горизонтов событий. Зельдович и Старобинский в своих лекциях рассказали, что эти частицы улетят в космос, по мере того, как они уходят, они теряют часть вращения черной дыры. В конце концов, по словам Зельдовича и Старобинского, черные дыры перестанут вращаться.
Фергюсон написал, что идея застряла в голове Хокинга, и он вернулся в Кембридж, чтобы повторить и уточнить расчеты Зельдовича и Старобинкси. Но когда он сделал свои первые удары по их результатам, что-то новое развернулось.
«К моему удивлению и раздражению я обнаружил, что даже невращающиеся черные дыры, очевидно, должны создавать и испускать частицы с постоянной скоростью», - писал он позже в своей книге «Краткая история времени» 1988 года.
Вот почему, как он объяснил в этой книге:
Если черные дыры существуют в космосе и имеют определенные горизонты событий, и если пространство постоянно вращается с виртуальными «парами самоуничтожающихся частиц, то иногда эти частицы должны возникать прямо на краях горизонтов событий черных дыр. Фактически, некоторые из этих пар частиц должны казаться идеально расположенными с одной частицей антиматерии отрицательной массы, отделенной на одной стороне горизонта события, и другой частицей вещества положительной массы, отделенной на другой стороне.
Хокинг понимал, что это странное обстоятельство будет эффективно «стимулировать» частицы из их виртуального полужизни в полную реальность, поскольку они должны были бы разделиться достаточно, чтобы не уничтожить. Это означало, что частицы энергии и массы, казалось бы, текут с поверхности горизонтов событий черных дыр. И этот поток энергии, исходящий наружу от того, что физики ранее считали вечно темными телами, получил название излучения Хокинга, после того как он описал его в газете «Природа» 1974 года под названием «Взрывы черной дыры?».
Излучение Хокинга глубоко изменило понимание физиками Вселенной. До реализации Хокинга ученые полагали, что любая материя или энергия, потерянная в черной дыре, навсегда исчезла из более широкой вселенной, так что горизонты событий черных дыр будут действовать как стены, из-за которых некоторые вещи вселенной никогда не вернутся.
Но открытие Хокинга показало, что черные дыры будут разлагаться быстрее и быстрее с течением времени. Для каждой положительной частицы, которая текла с поверхности горизонта событий в более широкую вселенную, отрицательная частица с отрицательной энергией и массой упала бы обратно в пространство за горизонтом событий, уменьшив общую массу и энергию, запертую там. Со временем этот процесс приведет к сокращению черных дыр. И когда они сжимались, они становились более активными с излучением Хокинга и сокращались быстрее.
Хокинг предсказал, что вселенная должна содержать «изначальные черные дыры», возникшие не из коллапсирующих звезд, а из-за экстремальных давлений ранней вселенной. Эти черные дыры, полагал он, значительно сократились бы за прошедшие миллиарды лет, и их небольшие горизонты событий могли бы генерировать мощные лучи излучения Хокинга.
«Такие дыры вряд ли заслуживают черный: они действительно раскаленный добела«Он написал в« Краткой истории времени ».
В конце концов, решил Хокинг, они взорвутся.
Когда Хокинг начал делиться этой идеей, Фергюсон писал в «Свободном уме», его сверстники восприняли ее как блестящую или еретическую. Когда Пенроуз услышал шепот об этом, он позвонил Хокингу, как раз когда физик садился на свой день рождения в 1974 году, и поздравил его так долго, что его ужин остыл. Но спустя несколько месяцев модератор на симпозиуме, где Хокинг представил свое предложение, объявил его «полным мусором».
Сегодня это считается фундаментальным научным фактом.
За черными дырами
За четыре с половиной десятилетия, прошедшие после "Взрывов Черной Дыры?" Хокинг продолжал публиковать исследования, которые подчеркивают основы вселенной - включая идеи, которые нападают на его более ранние вклады. (См., Например, потрясающий заголовок 2014 года в журнале Nature «Стивен Хокинг: черных дыр нет».)
Хокинг стал самым известным в своей более поздней карьере в качестве научного коммуникатора. Он продолжил свою классическую книгу «Краткая история времени» 1988 года, выпустив еще 10 научно-популярных произведений и мемуары под названием «Моя краткая история» (Random House, 2013).
Невозможно говорить об огромном вкладе Хокинга в человеческое понимание вселенной, не признавая контекст его давно ухудшающегося здоровья. Два оригинальных вклада Хокинга в физику произошли в тот же период, когда он превратился из молодого человека, который мог самостоятельно ходить, в мужчину, который был прикован к инвалидной коляске, презирал свою речь и полагался на свою жену, чтобы транскрибировать его мысли. ,
ALS парализует тело, но - по крайней мере, в случае Хокинга - это не вредит разуму. И для этого, писал Фергюсон, Хокинг уже давно считает себя «чрезвычайно счастливым».
«Это было правдой в 1964 году, и сегодня, - писал Фергюсон, - что в отношении Хокинга, чем меньше у него физических проблем, тем лучше. Я узнал в 1989 году во время интервью для моей первой книги о нем, что если бы я написал о его научной работе и не упомянул бы о том, что выполнение такой работы, возможно, представляло бы для него больше достижений, чем для большинства людей, это было бы хорошо для него ».
Хокинг оказался наиболее удобным для обсуждения инвалидности в контексте его активизма, который был значительным. В 1999 году он присоединился к группе из 12 видных деятелей, в том числе южноафриканского активиста Десмонда Туту, подписавшего хартию, призывающую правительства мира трансформировать свои отношения с населением с ограниченными возможностями и расширять услуги, которые улучшают жизнь людей с ограниченными возможностями.
Хокинг также был видным защитником всеобщего здравоохранения и Национальной службы здравоохранения Великобритании (NHS), зашел так далеко, что напал на министра здравоохранения Консервативной партии Джереми Ханта в речи в августе 2017 года за недостаточное финансирование и поддержку программы.
«Я бы не был здесь без ГСЗ», - сказал Хокинг.
Хокинг имеет тенденцию привлекать наибольшее внимание к своим идеям о будущем человечества, когда он комментирует искусственный интеллект или инопланетян. Но основная часть его высказываний по этому вопросу была более приземленной: противодействие войнам, беспокойство по поводу того, что отказ президента США Дональда Трампа от изменения климата может нанести ущерб планете, и присоединение к глобальному академическому бойкоту Израиля.
Живая Наука желает Хокингу счастливого дня рождения и многого другого.
