Кіріспе

Стивен Хокингтің 1988 жылғы "Уақыттың қысқаша тарихы: Үлкен жарылыстан қара тесіктерге дейін" атты кітабы – ағылшын физигі Стивен Хокингтің теориялық космология саласындағы еңбегі. Алғаш рет 1988 жылы жарық көрді. Хокинг кітапты физика саласында алдын ала білімі жоқ оқырмандар үшін жазды. "Уақыттың қысқаша тарихы" кітабында Хокинг астрономия мен қазіргі физиканың зерттеу нысаны болып табылатын Ғайни әлемнің құрылымы, пайда болуы, дамуы және соңғы тағдыры туралы арнайы терминдерді қолданбай, қарапайым тілмен жазады. Ол кеңістік және уақыт сияқты негізгі ұғымдар, Ғайни әлемді құрайтын құрылыс блоктары (мысалы, кварктар) және оны басқаратын негізгі күштер (мысалы, гравитация) туралы айтады. Сонымен қатар, Үлкен жарылыс және қара тесіктер сияқты космологиялық құбылыстарды сипаттайды. Қазіргі ғалымдар Ғайни әлемді сипаттау үшін қолданатын жалпы салыстырмалылық теориясы және кванттық механика сияқты екі маңызды теорияны талқылайды. Ақырында, ол Ғайни әлемдегі барлық нәрсені тұжырымды түрде сипаттайтын біріктіруші теорияны табу туралы сөз қозғайды. Кітап бестселлерге айналып, 25 миллионнан астам данасы сатылды.

Жарияланым

1983 жылдың басында Хокинг Кембридж университетінің баспасында астрономиялық кітаптар редакторы Саймон Миттонға космология туралы көпке танымал кітап жазу ниетімен алғаш рет жүгінді. Миттон қолжазбадағы барлық теңдеулерге күмәнданып, олардың Хокинг үміттене жатқан әуежай кітап дүкендеріндегі сатып алушыларды қорқытатынын ойлады. Біраз қиындықпен ол Хокингті бір теңдеуді қалдырып, қалғанын алып тастауға көндірді. Автор өзі кітаптың алғы сөзінде, кітаптағы әрбір теңдеу үшін оқырмандардың саны екі есе азаятыны туралы ескертілгенін айтады, сондықтан кітапта тек бір ғана теңдеу бар: Кітапта зерттелетін кейбір түсініктерді толық түсіндіру үшін көптеген күрделі модельдер, схемалар және басқа да иллюстрациялар қолданылады.

Мазмұны

Уақыттың қысқаша тарихы еңбегінде Стивен Хокинг космологияның кең ауқымындағы тақырыптарды, соның ішінде Ұлы жарылыс, қара саңылаулар және жарық конустарын, арнайы білімі жоқ оқырмандарға түсіндіреді. Оның басты мақсаты – пәннің жалпы шолуын беру, бірақ ол сонымен қатар кейбір күрделі математикалық ұғымдарды түсіндіруге тырысады. 1996 жылғы және одан кейінгі басылымдарда Хокинг уақыт саяхаты мен құрт-ұңғымалар мүмкіндігін талқылайды және уақыттың басында кванттық ерекшелік болмайтын Әлемнің болу мүмкіндігін зерттейді. Кітаптың 2017 жылғы басылымында он екі тарау бар, олардың мазмұны төменде қысқаша баяндалған.

1-тарау: Ғалам туралы білгеніміз

Бірінші тарауда Хокинг астрономиялық зерттеулердің тарихын, әсіресе ежелгі грек философы Аристотельдің шар тәрізді Жер туралы және ғаламның дөңгелек геоцентрлік моделі туралы тұжырымдарын талқылайды, осы идеяны кейіннен екінші ғасырдағы грек астрономы Птолемей кеңейтті. Хокинг содан кейін Аристотель мен Птолемейдің модельдерін қабылдамауды және 16, 17 және 18-ғасырларда қазіргі таңда қабылданған Күн жүйесінің гелиоцентрлік моделінің кезең-кезеңмен дамуын көрсетеді. Бұл модельді алғаш рет 1514 жылы поляк діни қызметкері Николай Коперник ұсынды, бір ғасырдан кейін итальян ғалымы Галилео Галилей мен неміс ғалымы Йоханнес Кеплер (дөңгелек орбитаның орнына эллипстік орбиталық модельді ұсынды) растады, ал 1687 жылы жарық көрген «Principia Mathematica» атты гравитация туралы кітабында ағылшын ғалымы Исаак Ньютон математикалық тұрғыдан одан әрі қолдау көрсетті. Осы тарауда Хокинг ғалам мен уақыттың пайда болуы тақырыбының ғасырлар бойы қалай зерттелгенін және талқыланғанын да жазады: Аристотель мен басқа да ерте философтардың ғаламның мәңгілік болуы туралы гипотезасына қарсы Санкт-Августин мен басқа да теологтардың ғаламның өткенде белгілі бір уақытта жаратылғанына сенуі, мұнда уақыт – ғаламның жаратылуымен бірге туған ұғым. Қазіргі заманда неміс философы Иммануил Кант уақыттың бастауы жоқ екенін қайта дәлелдеді. 1929 жылы америкалық астроном Эдвин Хаббл ғаламның кеңейіп жатқанын ашты, бұл осыдан 10-20 миллиард жыл бұрын бүкіл ғалам бір ғана өте тығыз нүктеде болған деген қорытындыға әкелді. Бұл жаңалық ғаламның пайда болуы туралы түсінікті ғылымның саласына енгізді. Қазіргі уақытта ғалымдар ғаламның жұмыс істеуін ішінара сипаттау үшін Альберт Эйнштейннің жалпы салыстырмалылық теориясы мен кванттық механиканы қолданады, сонымен қатар ғаламдағы барлық нәрсені сипаттайтын толық Біріктірілген Теорияны іздеуде.

2-тарау: Уақыт пен кеңістік

Бұл тарауда Хокинг ғарыш пен уақыт табиғатына қатысты ғылыми ойдың дамуын сипаттайды. Ол ең алдымен дененің табиғи түрде қолайлы күйі тыныштықта болу керек деген Аристотельдік идеяны сипаттайды, ал оны күшпен ғана қозғауға болады, бұл ауыр заттардың тез түсетінін білдіреді. Алайда итальян ғалымы Галилео Галилей әр түрлі салмақты денелердің қозғалысын бақылап, олардың барлығы бірдей жылдамдықпен түсетінін анықтады. Бұл ағылшын ғалымы Исаак Ньютонның қозғалыс және гравитация заңдарын ашуға әкелді. Алайда Ньютонның заңдары Аристотельдің сенімі бойынша абсолютті тыныштық немесе абсолютті кеңістік жоқ екенін көрсетті: объект 'тынышта' немесе 'қозғалыста' болуы бақылаушының инерциялық санақ жүйесіне байланысты. Хокинг Аристотель мен Ньютонның абсолютті уақытқа сенуін сипаттайды, яғни уақыт бақылаушының қозғалысына қарамастан дәл өлшенуі мүмкін. Алайда Хокинг бұл қарапайым түсінік жарық жылдамдығында немесе оған жақын жерде жұмыс істемейтінін жазды. Ол даниялық ғалым Оле Рёмердің жарық өте жоғары, бірақ шекті жылдамдықпен жүретінін, оның Юпитер мен оның серіктерінің бірі Ионың байқаулары арқылы және британдық ғалым Джеймс Клерк Максвеллдің электромагнетизм теңдеулері арқылы анықтағанын атап өтті, бұл жарық белгілі бір жылдамдықпен толқындар түрінде жүретінін көрсетті. Ньютон механикасында абсолютті тыныштық туралы түсінік тасталғандықтан, Максвелл және көптеген физиктер жарық гипотетикалық эфир деп аталатын сұйықтық арқылы жүруі керек деп, оның жылдамдығы эфирдің жылдамдығына қатысты деп болжады. Бұл кейінірек Микельсон-Морли экспериментімен жоққа шығарылды, ол жарық жылдамдығы бақылаушының қозғалысына қарамастан әрқашан тұрақты болатынын көрсетті. Эйнштейн мен Анри Пуанкаре кейіннен абсолютті уақыт жоқ деп есептей отырып, жарықтың қозғалысын түсіндіру үшін эфирдің қажеті жоқ екенін дәлелдеді. Арнайы салыстырмалылық теориясы осыған негізделген, ол жарық бақылаушының жылдамдығына қарамастан шекті жылдамдықпен жүреді деп тұжырымдайды. Масса мен энергия белгілі теңдеумен байланысты, ол массасы бар кез келген нысанның жарық жылдамдығымен қозғалуы үшін шексіз энергия қажет екенін түсіндіреді (3×10⁸ м/с). Жарық жылдамдығын пайдалана отырып метрді анықтаудың жаңа әдісі әзірленді. "Оқиғалар" жарық конустарын пайдалану арқылы сипатталуы мүмкін, бұл кеңістік-уақыттың графикалық бейнесі, ол оқиғалардың болашақта немесе өткенде болу мүмкіндігін шектейді. Сондай-ақ, "кеңістік" пен "уақыт" өзара байланысты төрт өлшемді кеңістік-уақыт сипатталған. Объектінің кеңістіктегі қозғалысы оның уақытты қабылдауына әсер етеді. Эйнштейннің жалпы салыстырмалылық теориясы жарық сәулесінің жолына "гравитацияның" қалай әсер ететінін түсіндіреді, Эйнштейннің пікірінше, бұл кеңістік-уақыттың бұрмалануынан туындаған иллюзия, ал Ньютонның көзқарасы гравитацияны материяның басқа материяға әсер ететін күші ретінде сипаттады. Кеңістік-уақыттың қисықтығында жарық әрқашан 4 өлшемді "кеңістік-уақытта" түзу жолмен жүреді, бірақ гравитациялық әсерлерге байланысты 3 өлшемді кеңістікте қисық болып көрінуі мүмкін. Бұл түзу жолдар геодезиялық жолдар болып табылады. Егіздер парадоксы, арнайы салыстырмалылық теориясының ой эксперименті, егер егіздер бір-біріне қатысты әртүрлі жылдамдықпен қозғалса немесе тіпті әртүрлі кеңістікте әртүрлі уақыт қисығымен өмір сүрсе, олардың әртүрлі қартаюы мүмкін екенін көрсетеді. Арнайы салыстырмалылық теориясы оқиғалар орын алатын кеңістік пен уақыт ареналарына негізделген, ал жалпы салыстырмалылық теориясы динамикалық, күштер кеңістік-уақыттың қисықтығын өзгерте алатын және динамикалық, кеңейіп жатқан Ғаламға әкелетін теория болып табылады. Хокинг пен Роджер Пенроуз осы мәселе бойынша жұмыс істеді және кейіннен жалпы салыстырмалылық теориясын қолдана отырып, егер Ғалам өткенде шекті уақыт бұрын пайда болған болса, онда ол болашақта да шекті уақытта аяқталуы мүмкін екенін дәлелдеді.

3-тарау: Кеңейіп жатқан ғалам

Бұл тарауда Хокинг физиктер мен астрономдардың жұлдыздардың Жерден салыстырмалы қашықтығын қалай есептегенін сипаттайды. 18 ғасырда Уильям Гершель түнгі аспандағы көптеген жұлдыздардың орналасуын және арақашықтығын анықтады. 1924 жылы Эдвин Хаббл Жерден қарағандағы Сефеид айнымалы жұлдыздардың жарықтығын пайдаланып қашықтықты өлшеу әдісін тапты. Бұл жұлдыздардың жарықтығы, жарқылығы және арақашықтығы қарапайым математикалық формуламен байланысты. Осы деректерді пайдаланып, ол тоғыз түрлі галактиканың қашықтығын есептеп шығарды. Біз өте көп жұлдыздардан тұратын, әдеттегі спиральді галактикада өмір сүреміз. Жұлдыздар бізден өте алыс болғандықтан, олардың бір ғана ерекшелігін – жарығын ғана байқай аламыз. Бұл жарық призмадан өткенде спектр пайда болады. Әр жұлдыздың өзіне тән спектрі бар, ал әр элементтің өзіндік спектрі болғандықтан, жұлдыздың жарық спектрін өлшеу арқылы оның химиялық құрамын білуге болады. Жұлдыздардың температурасын білу үшін олардың жылу спектрлерін пайдаланамыз. 1920 жылы ғалымдар түрлі галактикалардың спектрлерін зерттегенде, жұлдыз спектрінің кейбір сипаттамалық сызықтары спектрдің қызыл жағына қарай ығысқандығын анықтады. Бұл құбылыстың себебі Допплер эффектісі екені анықталды, және көптеген галактикалар бізден алыстап бара жатқаны белгілі болды. Кейбір галактикалар қызылға ығысқан болса, басқалары көкке ығысқан болуы мүмкін деп болжанды. Алайда, қызылға ығысқан галактикалар көкке ығысқан галактикалардан әлдеқайда көп. Хаббл қызыл ығысу мөлшерінің салыстырмалы қашықтыққа тура пропорционал екенін анықтады. Осыдан ол Ғаламның кеңейіп жатқанын және бастауы болғанын тұжырымдады. Осыған қарамастан, статикалық Ғалам туралы түсінік 20 ғасырдың басына дейін сақталды. Эйнштейн статикалық Ғаламға сенімді болғандықтан, ол «космологиялық тұрақтыны» және «антигравитациялық» күштерді енгізді, бұл шексіз Ғаламның болуына мүмкіндік берді. Сонымен қатар, көптеген астрономдар жалпы салыстырмалылық теориясының салдарынан қашуға тырысып, статикалық Ғалам тұжырымына берік тұрды, әсіресе орыс физигі Александр Фридманннан басқа. Фридманн екі қарапайым болжам жасады: Ғалам біз қайда болсақ та бірдей, яғни біртектілік, және ол біз қараған барлық бағытта да бірдей, яғни изотропия. Оның нәтижелері Ғаламның статикалық емес екенін көрсетті. Оның болжамдары кейін Белл зертханасындағы екі физик Арно Пензиас пен Роберт Уилсон аспанның белгілі бір бөлігінен ғана емес, барлық жерден және шамамен бірдей мөлшерде күтпеген микротолқынды сәулеленуді тапқанда расталды. Осылайша Фридманның алғашқы болжамдары дұрыс екені дәлелденді. Сол уақытта Роберт Х. Дик және Джим Пиблс микротолқынды сәулеленуді зерттеді. Олар Ғаламның ерте кезеңдеріндегі жарықты микротолқынды сәулеленудің фондық түрі ретінде көруге болатынын айтты. Уилсон мен Пензиас бұған дейін де осылай жасағандықтан, олар 1978 жылы Нобель сыйлығына ие болды. Сонымен қатар, біздің Ғаламдағы орнымыз ерекше емес, сондықтан біз Ғаламды кеңістіктің кез келген бөлігінен шамамен бірдей деп көруіміз керек, бұл Фридманның екінші болжамын қолдайды. Оның жұмысы Говард Робертсон мен Артур Уокер ұқсас модельдерді жасағанға дейін көпке дейін белгісіз болып келді. Фридманнның моделі Ғаламның эволюциясы үшін үш түрлі модельге жол ашты. Біріншіден, Ғалам белгілі бір уақытқа дейін кеңейеді, ал егер кеңею жылдамдығы Ғаламның тығыздығынан аз болса (гравитациялық тартылысқа әкеледі), ол ақырында Ғаламның құлдырауына әкеледі. Екіншіден, Ғалам кеңейеді, егер кеңею жылдамдығы мен Ғаламның тығыздығы тең болса, ол баяу кеңейіп, тоқтап қалады, бұл біршама статикалық Ғаламға әкеледі. Үшіншіден, егер Ғаламның тығыздығы Ғаламның кеңею жылдамдығын теңестіру үшін қажетті мөлшерден аз болса, Ғалам мәңгіге кеңейіп отырады. Бірінші модель Ғаламның кеңістігін ішкі жағына қарай иілген деп көрсетеді. Екінші модельде кеңістік тегіс құрылымға әкеледі, ал үшінші модель теріс «орындық пішіндес» қисықтықты тудырады. Егер біз есептесек, қазіргі кеңею жылдамдығы Ғаламның, оның ішінде қараңғы материяның және барлық жұлдыздық массалардың, аса тығыздығынан жоғары. Бірінші модель Ғаламның бастауын шексіз тығыздықпен және нөлдік көлеммен сипатталатын «сингулярлық» ретінде қарастырады, бұл жалпы салыстырмалылық теориясының (Фридманнның шешімдері оған негізделген) да бұзылатын нүктесі. Бұл уақыттың бастауы туралы тұжырым (бельгиялық католик дін қызметкері Жорж Леметр ұсынған) бастапқыда діни сенімдермен байланысты болған сияқты, себебі ол Ғаламның мәңгілік емес, белгілі бір уақытта пайда болғаны туралы библейлік тұжырымды қолдайды. Сондықтан, Үлкен жарылыс теориясына қарсылас ретінде Герман Бонди, Томас Голд және Фред Хойл ұсынған «тұрақты күй теориясы» енгізілді. Оның болжамдары да қазіргі Ғалам құрылымымен сәйкес келді. Бірақ бізге жақын радио толқын көздерінің алыс Ғаламдағы радио көздерінен кем болуы және қазіргі кездегіден гөрі көптеген радио көздері болғаны осы теорияның сәтсіздігіне әкелді және Үлкен жарылыс теориясының қабылдануына ықпал етті. Евгений Лифшиц пен Исаак Маркович Халатников та Үлкен жарылыс теориясына балама табуға тырысты, бірақ сәттілікке жете алмады. Роджер Пенроз жарық конустарын және жалпы салыстырмалылықты пайдаланып, құлдырап бара жатқан жұлдыздың нөлдік мөлшері мен шексіз тығыздық пен қисықтығы бар аймаққа, яғни «Қара тесікке» әкелуі мүмкін екенін дәлездеді. Хокинг пен Пенроз бірлесіп Ғаламның сингулярлықтан пайда болғанын дәлездеді, бірақ Хокинг кванттық эффекттер ескерілгенде оны өзі жоққа шығарды.

4-тарау: Белгісіздік принципі

Бұл тарауда Хокинг бірінші кезекте 19 ғасырдағы француз математигі Лапластың ғылыми детерминизмге деген мызғымас сенімін талқылайды, онда ғылыми заңдар соңында Ғаламның болашағын дәл болжауға мүмкіндік береді. Содан кейін ол британ ғалымдары Лорд Рейли мен Джеймс Джинстің есептеулеріне сәйкес жұлдыздардың шексіз сәулелену теориясын қарастырады, бұл теория 1900 жылы неміс ғалымы Макс Планк тарапынан қайта қарастырылды, ол энергияның кванттар деп аталатын шағын, шекті порцияларда сәулеленуі керек екенін ұсынды. Содан кейін Хокинг неміс ғалымы Вернер Гейзенберг тұжырымдаған белгісіздік принципін талқылайды, онда Планктың кванттық гипотезасына сәйкес, бөлшектің жылдамдығы мен орнын бірдей дәлдікпен анықтау мүмкін емес: оның жылдамдығын өлшеудегі дәлдікті арттыру оның орнының белгісіздігін арттырады, және керісінше. Бұл Лапластың ғаламның толыққанды детерминистік теориясы туралы идеясын жоққа шығарды. Содан кейін Хокинг 1920 жылдары Гейзенберг, австриялық физик Эрвин Шрёдингер және ағылшын физигі Пол Дирактың кванттық механиканы дамытуын сипаттайды, бұл теория ғылымға болжау мүмкін емес элементті енгізді. Неміс ғалымы Альберт Эйнштейннің күшті қарсылығына қарамастан, ол ғаламды сипаттауда өте табысты болды, бірақ гравитация мен ірі масштабты құрылымдардан басқа. Содан кейін Хокинг Гейзенбергтің белгісіздік принципі жарықтың (және жалпы алғанда бөлшектердің) толқын-бөлшек екілігін қалай көрсететінін талқылайды. Одан кейін ол бірнеше жарық толқындары бір-бірімен араласып, компоненттік толқындардан өзгеше қасиеттері бар жалғыз жарық толқынын тудыратын интерференция құбылысын, сондай-ақ екі саңылау экспериментімен көрсетілген бөлшектер арасындағы интерференцияны сипаттайды. Хокинг интерференцияның материяның құрылыс блогы болып табылатын атомдардың құрылымын түсінуді қалай жетілдіргенін жазады. Даниялық ғалым Нильс Бордың теориясы электронның құлдырау мәселесін толыққанды шешпесе, кванттық механика оны толығымен шешті. Хокингтің сөзіне göre, американдық ғалым Ричард Фейнманның тарих бойынша қосындысы толқын-бөлшек екілігін визуализациялаудың ыңғайлы тәсілі. Соңында Хокинг Эйнштейннің жалпы салыстырмалылық теориясы классикалық, кванттық емес теория екенін, ол белгісіздік принципін ескермейтінін және гравитацияның өте күшті болған жағдайларда, мысалы, қара тесіктер мен Ұлы жарылыс сияқты жағдайларда кванттық теориямен үйлестірілуі керек екенін айтады.

5-тарау: Элементар бөлшектер және табиғат күштері

Бұл тарауда Хокинг материяның табиғаты туралы зерттеулер тарихын баяндайды: Аристотельдің төрт элементі, Демокриттің бөлінбейтін атомдар туралы ұғымы, Джон Далтонның атомдардың молекулалар құру үшін бірігуі туралы идеялары, Дж. Дж. Томсонның атомдар ішіндегі электрондарды ашуы, Эрнест Резерфордтың атом ядросы мен протондарды ашуы, Джеймс Чадвиктің нейтрондарды ашуы және, соңында, Мюррей Гелл-Манның протон мен нейтрондарды құрайтын одан да кішкентай кварктар туралы жұмысы. Хокинг содан кейін кварктардың алты түрлі "дәмі" (жоғары, төмен, ерекше, тартымды, төменгі және жоғарғы) және үш түрлі "түсі" (қызыл, жасыл және көк) туралы әңгімелейді. Кейін ол кварктардан саны кем антикварктар туралы айтады, олардың санының азаюына ғарыш кеңеюі мен салқындауы себеп. Хокинг бөлшектердің спин қасиеттерін де талқылайды, ол бөлшектің әртүрлі бағыттардан қалай көрінетінін анықтайды. Содан кейін Хокинг олардың спиніне қарай ғарыштағы бөлшектердің екі тобын талқылайды: фермиондар мен бозондар. 1/2 спині бар фермиондар Паулидің тыйым салу принципіне бағынады, ол олардың бірдей кванттық күйде бола алмайтынын көрсетеді (мысалы, екі "спині жоғары" протон кеңістікте бірдей орынды ала алмайды). Бұл ереже болмаса, күрделі құрылымдар пайда бола алмас еді. Бозондар, яки күш тасымалдаушы бөлшектер, 0, 1 немесе 2 спиніне ие және тыйым салу принципіне бағынбайды. Хокинг виртуалды гравитон мен виртуалды фотондардың мысалдарын келтіреді. 2 спині бар виртуалды гравитон гравитация күшін тасымалдайды. 1 спині бар виртуалды фотон электромагниттік күшті тасымалдайды. Содан кейін Хокинг әлсіз ядролық күш (радиоактивтілікке жауапты және негізінен фермиондарға әсер етеді) және күшті ядролық күш туралы айтады, ол кварктарды, әдетте нейтрондар мен протондарды, бірге ұстайтын глюон бөлшегімен бірге жүреді, сондай-ақ нейтрондар мен протондарды атом ядроларында біріктіреді. Хокинг содан кейін "түс тұтқындалуы" деп аталатын құбылыс туралы жазады, ол кварктар мен глюондарды өздігінен табуға кедерес жасайды (өте жоғары температурадан басқа), өйткені олар адрондардың ішінде тұтқындалады. Хокинг өте жоғары температурада электромагниттік күш пен әлсіз ядролық күштің бір электрәлсіз күш ретінде әрекет ететінін жазады, бұл одан да жоғары температурада электрәлсіз күш пен күшті ядролық күштің де бір күш ретінде әрекет ететіні туралы болжамға негізделген. Бұл "біріккен" күштің мінез-құлқын сипаттауға тырысатын теориялар Ұлы Біріктіру Теориялары деп аталады, олар ғалымдар әлі шеше алмаған физиканың көптеген құпияларын түсіндіруге көмектесуі мүмкін.

6-тарау: Қара тесіктер

Бұл тарауда Хокинг қара тесіктерді, кеңістік-уақыттың мұндай аймақтарын талқылайды, ондағы өте күшті гравитация жарыққа дейін ешнәрсені іштен қашып кетуге мүмкіндік бермейді. Хокинг көптеген қара тесіктердің өмірінің соңына жақындаған массивті жұлдыздардың (Күннен кем дегенде 25 есе ауыр) күйреуі кезінде қалай пайда болатынын сипаттайды. Ол оқиғалар горизонты туралы, қара тесіктің шекарасы туралы жазады, одан ешбір бөлшек кеңістік-уақыттың қалған бөлігіне қашып кете алмайды. Содан кейін Хокинг айналмауыш, сфералық симметриялы қара тесіктерді және осьтік симметриялы айналмалы қара тесіктерді қарастырады. Хокинг астрономдардың қара тесікті тікелей емес, жанама түрде, арнайы телескоптармен оның жұлдызды жұтып алғанда шығаратын күшті рентген сәулелерін бақылап қалай анықтайтынын түсіндіреді. Хокинг тарауды 1974 жылы американдық физик Кип Торнмен жасасқан әйгілі тікелей тілдесуі туралы айтумен аяқтайды, онда Хокинг қара тесіктердің жоқ екенін айтқан. Жаңа дәлелдер Cygnus X1 нақты қара тесік екенін көрсеткен соң, Хокинг бұл тікелей тілдесуде жеңіліске ұшырады.

7-тарау: Қара тесіктер соншалықты қара емес

Бұл тарауда Стивен Хокингтің 1970 жылдары ашқан қара тесіктердің мінез-құлқының бір қыры қарастырылады. Бұрынғы теориялар бойынша, қара тесіктер тек үлғайып, ешқашан кішіреймейді, себебі қара тесікке енген ештеңе одан шыға алмайды. Дегенмен, 1974 жылы Хокинг қара тесіктердің радиацияны "шығарып жіберуі" мүмкін деген жаңа теория жариялады. Ол қара тесіктің шетіне жақын виртуалды бөлшектер жұбы пайда болғанда не болатынын көзге елестетеді. Виртуалды бөлшектер уақыт-кеңістіктен энергияны қысқа мерзімге "қарыз алады", содан кейін бір-бірімен жойылып, қарыз алған энергияны қайтарып, жоғалады. Бірақ қара тесіктің шетінде бір виртуалды бөлшек қара тесікке түсіп, екіншісі қашып кетуі мүмкін. Термодинамиканың екінші заңына сәйкес, бөлшектерге вакуумнан энергия алуға "тыйым" салынған. Сондықтан бөлшек вакуумнан емес, қара тесіктен энергия алады және Хокинг сәулеленуі ретінде қара тесіктен шығып кетеді. Хокингтің пікірінше, қара тесіктер осы сәулеленудің әсерінен уақыт өте келе өте баяу қысқарып, ақырында "буға айналады", бұрынғы ғалымдардың сенуіне қарамастан, мәңгілікке сақталып қалмайды.

8-тарау: Ғаламның пайда болуы мен тағдыры

Бұл тарауда ғаламның басталуы мен аяқталуы талқыланады. Көптеген ғалымдар Ғалам "Ұлы Жарылыс" деп аталатын кеңеюден басталды деген пікірде. Ұлы Жарылыстың бастапқы кезінде Ғаламның температурасы өте жоғары болды, бұл жұлдыздар сияқты күрделі құрылымдардың, тіпті атомдар сияқты қарапайым құрылымдардың пайда болуына мүмкіндік бермеді. Ұлы Жарылыс кезінде "инфляция" деп аталатын құбылыс болды, онда Ғалам қысқа мерзім ішінде ("инфляцияланды") едәуір үлкен өлшемге дейін кеңейді. Инфляция бұрын зерттеушілерді қатты алаңдатқан Ғаламның кейбір ерекшеліктерін түсіндіреді. Инфляциядан кейін Ғалам кеңеюін ақырындап жалғастырды. Ол салқындап, ақырында мұндай құрылымдардың қалыптасуына жағдай жасады. Хокинг сондай-ақ, Ғаламның көлемі өскенде баяу немесе жылдам болған жағдайда қалай көрінуі мүмкін екенін талқылайды. Мысалы, егер Ғалам тым баяу кеңейсе, ол құлап түсер еді және тіршілік пайда болуына жеткілікті уақыт болмас еді. Егер Ғалам тым жылдам кеңейсе, ол дерлік бос кеңістікке айналар еді. Хокинг соңында Ғалам шекті, бірақ шексіз болуы мүмкін деген қорытындыға келеді. Яғни, оның уақытта бастауы да, аяқталуы да жоқ, тек шекті мөлшерде материя мен энергиядан ғана тұрады. Бұл тарауда кванттық гравитация да талқыланады.

9-тарау: Уақыттың жебесі

Бұл тарауда Хокинг "нақты уақыттың" неге, Хокинг уақыт деп атағандай, адамдар оны қабылдап, сезінетінін (Хокингтің ғылыми заңдарға ішкі тән деп санайтын "қиял уақытына" қарағанда) белгілі бір бағытта, әсіресе өткеннен болашаққа қарай сезінетіні туралы әңгімелейді. Хокинг содан кейін уақытқа осы қасиетті сыйлайтын үш "уақыт жебесін" талқылайды. Хокингтің бірінші уақыт жебесі – уақыттың термодинамикалық жебесі: энтропияның (Хокинг оны тәртіпсіздік деп атайды) арту бағыты. Хокингтің сөзіне сүйенсек, осы себепті біз сынған тостағанның бөліктері өздігінен бірігіп, тостағанға айналатынын ешқашан көрмейміз. Хокингтің екінші жебесі – уақыттың психологиялық жебесі, онда уақытқа қатысты біздің жеке түсінігіміз бір бағытта ағады, сондықтан біз өткенді еске аламыз, ал болашақты емес. Хокингтің айтуынша, біздің миымыз уақытты уақыт бағытында тәртіпсіздік арту арқылы өлшейді – оның кері бағытта жұмыс істейтінін біз ешқашан байқамаймыз. Басқаша айтқанда, ол уақыттың психологиялық жебесі термодинамикалық уақыт жебесімен байланысты екенін мәлімдейді. Хокингтің үшінші және соңғы уақыт жебесі – уақыттың космологиялық жебесі: Ғалам жирылудың орнына кеңейіп жатқан уақыт бағыты. Хокингтің пікірінше, Ғаламның жирылу фазасында термодинамикалық және космологиялық уақыт жебелері келіспейді. Хокинг "шекарасыз ұсыныстың" Ғаламның біраз уақыт кеңейіп, содан кейін қайта жирылатынын білдіретінін айтады. Ол энтропияны қозғаушы шекарасыз ұсыныс бар екенін және Ғалам кеңейіп жатса ғана жақсы анықталған термодинамикалық уақыт жебесі болатынын болжайды, себебі бұл Ғаламның тегіс және реттелген күйде басталып, уақыт өте келе тәртіпсіздікке қарай өсуі керек екенін көрсетеді. Оның пікірінше, шекарасыз ұсыныстың арқасында жирылатын Ғаламда жақсы анықталған термодинамикалық жебе болмайды, сондықтан кеңейіп жатқан Ғалам ғана зиялы өмірді қолдауы мүмкін. Әлсіз антропостық принципті пайдаланып, Хокинг термодинамикалық жебе ғаламдық жебемен сәйкес болуы керек екенін айтады, сонда ғана оны зиялы тіршілік байқай алады. Хокингтің көзқарасы бойынша, адамдар осы үш уақыт жебесін бір бағытта сезінеді.

10-тарау: Құрт тесіктері мен уақытпен саяхат

Бұл тарауда Хокинг уақыт саяхатының мүмкін-бе екенін, яғни болашаққа немесе өткенге саяхаттаудың мүмкін-бе екенін талқылайды. Ол физиктердің қалай дамыған технологиясы бар адамдар жарық жылдамдығынан асып түсуге немесе уақытты кері бағытта жүруге мүмкіндік беретін әдістерді табуға тырысқанын көрсетеді, және осы идеялар ғылыми фантастиканың негізгі элементтеріне айналды. Эйнштейн-Розен көпірлері жалпы салыстырмалылық теориясы зерттеулерінің бастапқы кезеңінде ұсынылды. Бұл "құрт тесіктері" сырттан қара тесіктерге ұқсас көрінеді, бірақ оларға енген материя кеңістік-уақытта басқа жерге, мүмкін алыс қашықтықтағы кеңістікке немесе тіпті уақыттың артына жылжытылуы мүмкін. Дегенмен, кейінгі зерттеулер көрсеткендей, мұндай құрт тесігі, тіпті қалыптасса да, қара тесікке айналмас бұрын ешқандай материяны өткізбейді. Құрт тесігінің ашық күйінде қалуы және осылайша жарық жылдамдығынан асып түсуге немесе уақыт саяхатына мүмкіндік беруі үшін, жалпы салыстырмалылық теориясының энергия шарттарын бұзатын теріс энергия тығыздығына ие экзотикалық материяның болуы қажет. Сондықтан, көбінесе физиктер жарық жылдамдығынан асып түсудің және уақытты кері бағытта саяхаттаудың мүмкін емес екеніне келіседі. Хокинг өзінің "хронологияны қорғау гипотезасын" да сипаттайды, ол жарық жылдамдығынан асып түсу мен уақытты кері бағытта саяхаттаудың неге дерлік мүмкін емес екеніне формалды түсіндірме береді.

11-тарау: Физиканың біріктірілуі

Кванттық өріс теориясы (КӨТ) және жалпы салыстырмалылық теориясы (ЖС) ғаламның физикасын өздерінің қолданылу салаларында таңғажайып дәлдікпен сипаттайды. Дегенмен, бұл екі теория бір-бірімен қайшы келеді. Мысалы, КӨТ-ның белгісіздік принципі ЖС-мен үйлесімсіз. Осы қайшылық, сондай-ақ КӨТ және ЖС байқалған құбылыстарды толыққанды түсіндіре алмайтындығы физиктерді «кванттық гравитация» теориясын іздеуге жетеледі. Бұл теория ішкі тұтас болуы керек және қазіргі теориялармен кем болмаса, одан да жақсы байқалған құбылыстарды түсіндіруі тиіс. Хокинг мұндай біріктірілген ғалам теориясының маңызды қиындықтарға қарамастан жақын арада табылуы мүмкін деген үмітте. Кітап жазылған кезде «суперкөз теориясы» кванттық гравитацияның ең танымал теориясы болып қалыптасқан, бірақ бұл теория және оған байланысты көз теориялары әлі де толыққанды емес еді және елеулі күш-жігерге қарамастан дәлелденбеген (2021 жылдың өзінде де осылай). Көз теориясы бөлшектердің КӨТ-дегідей нөлдік өлшемді бөлшектер емес, бір өлшемді «көздер» сияқты мінез-құлық танытатынын ұсынады. Бұл көздер көптеген өлшемдерде «дірілдейді». КӨТ-дегідей 3 өлшем немесе ЖС-дегідей 4 өлшемге қарағанда, суперкөз теориясы барлығы 10 өлшемді талап етеді. Суперкөз теориясы талап ететін алты «гиперкөліктік» өлшемнің мәнін зерттеу қиын, тіпті мүмкін емес. Бұл әрқайсысы әртүрлі қасиеттері бар ғаламды сипаттайтын, есепсіз теориялық көз теориясы ландшафттарын қалдырады. Мүмкіндіктерді шектеуге қабілетті құрал болмаса, көз теориясының практикалық қолданысын табу мүмкін емес. Кванттық гравитацияның циклдық кванттық гравитация сияқты баламалы теориялары да дәлелдердің жетіспеушілігінен және зерттеу қиындықтарынан зардап шегеді. Осылайша Хокинг үш мүмкіндікті ұсынады: 1) біз соңында табатын толық біріктірілген теория бар; 2) әртүрлі ландшафттардың өзара сәйкес келетін ерекшеліктері физиканы уақыт өте келе бірте-бірте дәлірек түсіндіруге мүмкіндік береді және 3) түпкілікті теория жоқ. Үшінші мүмкіндік белгісіздік принципінің шектерін мойындау арқылы еңсерілді. Екінші мүмкіндік физикалық ғылымдарда осы уақытқа дейін болып жатқанды, яғни үнемі дәлірек болатын ішінара теорияларды сипаттайды. Хокинг мұндай жетілдірудің шегі бар екенін және ғаламның өте ерте кезеңдерін зертханалық жағдайда зерттеу арқылы 21-ғасырда кванттық гравитацияның толық теориясы табылатынын, бұл физиктерге физикадағы көптеген шешілмеген мәселелерді шешуге мүмкіндік беретініне сенеді.

Қорытынды

Осы соңғы тарауда Хокинг адамзат тарихы бойында ғаламды және оның ішіндегі өз орнын түсіну үшін жасаған тырашаларды қорытындылайды: табиғатты басқаратын антропоморфтық рухтарға сенімнен бастап, табиғаттағы реттелген үлгілерді тануға дейін, және соңғы ғасырлардағы ғылыми жетістіктердің арқасында ғаламның ішкі құрылымы жақсырақ түсінілді. Ол XIX ғасыр француз математигі Лапластың ғаламның құрылымы мен эволюциясы заңдар жиынтығы арқылы нақты түсіндірілуі мүмкін екенін айтқандығын еске түсіреді, ал осы заңдардың бастауы Құдайдың құзырында болады. Алайда Хокинг ХХ ғасырда кванттық теория енгізген белгісіздік принципі болашақта ашылатын заңдардың болжамдық дәлдігіне шектеу қоятынын мәлімдейді. Хокингтің пікірінше, тарихи тұрғыдан алғанда, космологияны зерттеу (Жер мен ғаламның пайда болуы, эволюциясы және аяқталуын зерттеу) негізінен философиялық және діни түсініктерді іздеумен байланысты болды, мысалы, Құдайдың мәнін жақсырақ түсіну үшін, тіпті Құдай бар ма екенін анықтау үшін. Бірақ Хокинг үшін, қазіргі кезде осы теориялармен айналысатын көптеген ғалымдар оларға математикалық есептеулер мен эмпирикалық байқаулар арқылы жақындасады, философиялық сұрақтар қоюдың орнына. Оның ойынша, осы теориялардың күрделенуі қазіргі космологияны философиялық талқылаудан алшақтатты. Дегенмен Хокинг бір күні барлық адам осы теориялар туралы сөйлесіп, ғаламның нағыз шығу тегі мен мәнін түсініп, "адам ақылының соңғы жеңісіне" жетеді деп үміттенеді.

Басылымдар

1988: Бірінші басылымда Карл Саганның келесі оқиғаны баяндаған кіріспесі болды: Саган 1974 жылы Лондонда ғылыми конференцияға қатысты, ал сессиялар арасында ол басқа бөлмеге кірді, онда ірі жиын өтіп жатты. "Мен ежелгі ғұрыпты тамашалап тұрғанымды түсіндім: планетадағы ең көне ғылыми ұйымдардың бірі – Корольдік қоғамға жаңа мүшелердің қабылдануы. Алдыңғы қатарда дөңгелек креслодағы жас жігіт өте баяу түрде қол қойып жатты, ал кітаптың алғашқы беттерінде Исаак Ньютонның қолы жазылған. Стивен Хокинг осы кезде-ақ аңызға айналған еді." Кіріспесінде Саган Хокингті Ньютон мен Пол Дирактың "лайықты мұрагері" деп атады, екеуі де бұрынғы Лукасиан математика профессоры болған. Авторлық құқығы Хокингке немесе баспашыға емес, Саганға тиесілі болғандықтан және баспагер оны мәңгілікке қайта басып шығаруға құқығы болмағандықтан, кіріспе алғашқы басылымнан кейін алынып тасталды. Хокинг кейінгі басылымдар үшін өз кіріспесін жазды. 1994, Уақыттың қысқаша тарихы – Интерактивті оқиға. С. У. Хокинг, Джим Мервис және Робит Хайрман жасаған интерактивті бейнематериалдары бар CD Rom (Windows 95, Windows 98, Windows ME және Windows XP үшін қолжетімді). 1996, суреттелген, жаңартылған және кеңейтілген басылым: Бұл қалың қаптамалы басылымда мәтінді түсіндіруге көмектесетін түрлі-түсті суреттер мен фотосуреттер бар, сондай-ақ түпнұсқа кітапта жоқ тақырыптар қосылды. 1998, он жылдық мерейтойлық басылым: 1996 жылы басылған мәтінмен бірдей, бірақ жұқа қағаздан жасалған және тек бірнеше диаграммасы бар. 2005, Уақыттың қысқаша тарихы: Леонард Млодиновпен бірлескен түпнұсқа кітаптың қысқартылған нұсқасы. Ол ғылыми дамудың жаңа мәселелерін шешу үшін тағы да жаңартылды.

Фильм

1991 жылы Эррол Моррис Хокинг туралы деректі фильм түсірді, бірақ атаулары ортақ болғанымен, бұл фильм Хокингтің өмірбаянына арналған зерттеу, кітаптың экранға түсірілген нұсқасы емес.

Қолданбалар

"Стивен Хокингтің қалталық ғаламы: Уақыт туралы қысқаша тарих қайта қаралуы" кітабына негізделген. Бұл қосымшаны Penguin Random House тобының бөлімшесі – Transworld баспасы үшін Preloaded әзірледі. Қолданба 2016 жылы жасалған. Оның дизайны Бен Кортниге, ал өндірісі Джемма Харриске тиесілі және ол тек iOS жүйесінде қолжетімді.

Опера

Метрополитен Операсы Хокингтің кітабы негізінде 2015–2016 жылғы маусымда премьераға қойылатын операға тапсырыс берді. Операның музыкасын Освальдо Голихов жасап, либреттосын Альберто Мангуэль, ал қойылымын Роберт Лепаж дайындамақ болған. Алайда, жоспарланған опера басқа тақырыпқа көшіріліп, соңында толығымен жойылды.