Летописец времени
Что Хокинг вписал в учебники физики
Сегодня умер один из самых известных физиков мира — Стивен Хокинг. Хотя он известен большинству своими научно-популярными книгами («Краткая история времени», «Вселенная в ореховой скорлупе»), в первую очередь он был выдающимся физиком-теоретиком. Как говорил сам Хокинг, «я надеюсь, меня запомнят за работы по физике черных дыр и происхождению Вселенной, а не за то, что я появился в Симпсонах». Сегодня мы расскажем о тех научных результатах, благодаря которым имя Стивена Хокинга навсегда останется в учебниках физики.
Жизненный путь Стивена Хокинга хорошо известен многим: выпустившись из Оксфорда он перебрался в Кембридж, в аспирантуру по космологии. В 1963 году в Кембридже 21-летнему Хокингу поставили диагноз «боковой амиотрофический склероз». По прогнозам врачей, молодому ученому оставалось жить всего пару лет, прежде чем заболевание лишит его возможности дышать. Но этим прогнозам не было суждено оправдаться — физик прожил долгую жизнь, хотя большую ее часть он провел в инвалидной коляске. В 24 года Хокинг защитил докторскую по теме «Свойства расширяющихся вселенных» (Properties of expanding universes), указав на то, что наша Вселенная могла возникнуть из сингулярности — области пространства, плотность материи в которой бесконечна. В последующие десятилетия Хокинг написал еще ряд прорывных работ совместно с такими именитыми физиками как Роджер Пенроуз и Эндрю Строминджер. Они посвящены в основном двум темам: квантовой физике и термодинамике вблизи черных дыр, и эволюции Вселенной и различных ее частей в рамках общей теории относительности.
Неизбежная сингулярность
Когда Хокинг учился в аспирантуре Кембриджа, существовало две основных теории развития Вселенной: теория Большого Взрыва и теория Стационарной Вселенной. С первой из них мы хорошо знакомы, вторая предполагает, что по мере расширения между галактиками создается новая материя и плотность Вселенной остается в среднем постоянной во времени. Примерно в то же время Роджер Пенроуз математически показал, что при коллапсе массивных звезд образуются сингулярности — позже их начали называть черными дырами.
Стивен Хокинг добился больших результатов в исследовании решений Общей теории относительности. Современная теория гравитации, построенная еще Альбертом Эйнштейном, отлично подтверждена в обычных, не сверхэкстремальных условиях. Но теорема Хокинга-Пенроуза показала, что эта теория неполна, потому что практически все решения Общей теории относительности, эволюция любых объектов, либо начинаются, либо заканчиваются в том, что мы называем сингулярностью.
Это означает, что Вселенная стартовала с сингулярного состояния, а для звезд или планет это означает, что в конечном итоге они сваливаются в черную дыру, в центре которой тоже находится сингулярность.
Академик Валерий Рубаков, Институт ядерных исследований РАН
Хокинг применил разработанные Пенроузом математические методы (развернув их во времени) для того, чтобы показать, что в начале расширяющейся Вселенной обязательно должна быть сингулярность — такая же, как и в черных дырах. Получалось, что если взять за основу различные расширяющиеся вселенные, то Большой Взрыв оказывался их универсальным свойством. Позднее Стивен Хокинг разработал более сложный математический аппарат, чтобы показать, что сингулярности типа "больших взрывов" возникают в широком круге явлений, описываемых ОТО. Вместе Пенроуз и Хокинг создали целый набор теорем о сингулярности, который сейчас носит их имя.
Эти теоремы указали на существенные ограничения общей теории относительности. Сингулярности возникали при коллапсе звезд, рядом со сверхмассивными объектами, при Большом взрыве.
Утечка из черных дыр
Затем Стивен Хокинг обратил внимание на сами свойства черных дыр. Вместе с Джеймсом Бардином (сыном Джона Бардина, соавтора знаменитого механизма сверхпроводимости БКШ и первооткрывателя полупроводникового диода) ученый обнаружил любопытные взаимосвязи между классической термодинамикой и физикой этих сверхплотных объектов. Так, площадь поверхности черных дыр оказалась аналогичной энтропии, а ускорение свободного падения — аналогом температуры. Выходило, что «аналог» температуры черных дыр был не нулевым, что несколько противоречило здравому смыслу.
Стивен Хокинг — действительно выдающийся ученый, его можно сравнить с Александром Фридманом, Зельдовичем. Его главные работы были сделаны в 1970-е годы, когда он вместе с Пенроузом доказал, что в теории гравитации возникают сингулярности, состояния в которых кривизна пространства-времени очень большая. Об отдельных примерах знали и раньше, но он доказал, что это явление общее.
Пожалуй, самая известная работа Хокинга связана уже с квантовой гравитацией, это рождение частиц в шварцшильдовской черной дыре. Я как раз тогда доказал гипотезу Зельдовича, что частицы рождаются во вращающейся черной дыре (это аналог химического потенциала в обычной физике). Хокинг сделал следующий шаг и показал, что и в невращающейся черной дыре можно ввести понятие эффективной температуры черной дыры. Это стало наиболее его цитируемой работой.
Академик Алексей Старобинский, Институт теоретической физики имени Ландау
Один из самых известных своих результатов Хокинг получил позднее — исследуя квантовые эффекты вблизи черных дыр. В 1974 году физик опубликовал статью в журнале Nature, озаглавленную «Черные дыры взрываются?». Она посвящена тому, что любая черная дыра — вращающаяся или неподвижная — испускает некоторое тепловое излучение. Этот результат парадоксален — главная особенность черных дыр состоит в том, что даже свет не может покинуть их горизонт событий (он испытывает бесконечное красное смещение). А значит, с точки зрения классической физики, черная дыра должна поглощать материю, и ничего не испускать. Стивен Хокинг показал, что с позиции квантовой теории поля ситуация радикально меняется. Огромная гравитация вблизи горизонта событий меняет свойства вакуума, и в нем рождаются пары частиц, способных покинуть черную дыру.
Как оказалось, температура этого излучения напрямую зависит лишь от размеров черной дыры: чем больше дыра, тем меньше температура. Например, для черной дыры с массой Солнца она составляет десятимиллионные доли кельвина. Вспомнив о том, что излучение, как и всякая энергия, можно перевести в массу окажется, что у черных дыр ограничено время жизни. И если в ранней Вселенной появлялись черные дыры с массой до 1015 грамм, то к сегодняшнему дню они бы полностью испарились. Кстати, в последние мгновения жизни черные дыры должны становиться чрезвычайно горячими и за последние 0,1 секунды они будут выделять то же количество энергии, что и миллион мегатонных бомб.
Это предсказание — одно из многих сделанных Хокингом — было недавно проверено в аналогичных системах, так называемых «глухих дырах». Подробнее об этой работе можно прочитать здесь.
Безусловно, известность Хокинга, внимание и любовь как коллег, так и широкой публики, в первую очередь связаны с героическими обстоятельствами его жизни и работы. То есть он был не только очень сильным ученым, не только прекрасными популяризатором, но для многих и многих был супергероем.
В астрофизике самым известным и востребованным научным результатом Хокинга является расчет процесса испарения черных дыр. До сих пор астрономам не посчастливилось увидеть вспышки, сопровождающие последние мгновения жизни черных дыр, но поиски продолжаются. Открытие этого явления сразу бы очень многое дало бы не только астрофизике, не только космологии, но и фундаментальной физике, включая те области исследований, которые связаны с попытками создать теорию квантовой гравитации.
Профессор РАН Сергей Попов, Астрономический институт имени Штернберга МГУ
Годом позже физик сформулировал так называемый информационный парадокс, связанный с излучением черных дыр. Дело в том, что тепловой характер излучения совершенно не зависит от того, из чего состоит черная дыра. С точки зрения квантовой теории такая принципиальная невозможность восстановить информацию — очень плохая ситуация, в которой наука начинает терять предсказательную силу. Подробнее об этом можно прочитать в интервью ведущего научного сотрудника ИТЭФ Эмиля Ахмедова.
Особенности инфляции
Дальнейший интерес Стивена Хокинга относился к квантовой гравитации и к космологическим теориям и, в частности, к инфляционной модели Вселенной. Она описывает состояние в первые мгновения после Большого Взрыва — считается, что в это время расширение Вселенной было гораздо быстрее современного. Как рассказывает академик РАН Валерий Рубаков, Хокинг внес заметный вклад в теорию инфляционной Вселенной. Одна из его работ связана с образованием неоднородностей во Вселенной на инфляционной стадии. Второй цикл работ Стивена Хокинга по этой теме — про возможности старта инфляционной Вселенной, откуда, как могла появиться инфляционная Вселенная.
Стивен Хокинг активно продолжал свою научную деятельность несмотря на прогрессировавшую болезнь. Так, за 2017 год вышла одна статья и еще два препринта научных работ в соавторстве с физиком. Они посвящены исследованию состояний на границе черных дыр, и, отчасти, информационному парадоксу (1,2) и инфляционной теории. Всего же за всю свою жизнь физик опубликовал свыше 200 статей, многие из которых цитировались тысячи раз. Возможно Стивен Хокинг смог приблизиться к своей цели — «понимать Вселенную, почему она устроена так, как устроена, и зачем мы здесь», а в этих работах есть подсказки к тому, чтобы и мы смогли к ней приблизиться.
Владимир Королев
Калькулятор личных зивертов
Ходите ли вы по земле, летите на самолете или не дыша замерли в кабинете рентгенолога — вы находитесь под воздействием радиации. Впрочем, это не значит, что вам угрожает опасность — вопрос всегда в дозах. Предлагаем вам рассчитать свою ежегодную дозу радиации, а мы заодно расскажем, как она устроена.
