Введение

Книга 1988 года Стивена Хокинга "Краткая история времени: от Большого взрыва до черных дыр" – это книга по теоретической космологии, написанная английским физиком Стивеном Хокингом. Она впервые была опубликована в 1988 году. Хокинг написал эту книгу для читателей, не имеющих предварительных знаний в области физики. В "Краткой истории времени" Хокинг простым языком рассказывает о структуре, происхождении, развитии и конечной судьбе Вселенной – предмете изучения астрономии и современной физики. Он рассматривает базовые понятия, такие как пространство и время, основные составляющие Вселенной (например, кварки) и фундаментальные силы, управляющие ею (например, гравитация). Он пишет о космологических явлениях, таких как Большой взрыв и черные дыры. Он обсуждает две ключевые теории, используемые современными учеными для описания Вселенной: общую теорию относительности и квантовую механику. В заключение он говорит о поисках единой теории, способной последовательно описать все явления во Вселенной. Книга стала бестселлером, общий тираж которого превысил 25 миллионов экземпляров.

Публикация

В начале 1983 года Хокинг впервые обратился к Саймону Миттону, редактору, отвечающему за книги по астрономии в издательстве Кембриджского университета, с идеей популярной книги по космологии. Миттон сомневался в большом количестве уравнений в черновике рукописи, полагая, что они отпугнут покупателей в книжных магазинах аэропортов, на которых рассчитывал Хокинг. С большим трудом ему удалось убедить Хокинга оставить только одно уравнение. Сам автор отмечает в благодарностях к книге, что его предупредили: каждое уравнение вдвое сокращает аудиторию, поэтому в книге представлено лишь одно уравнение. Книга использует множество сложных моделей, диаграмм и других иллюстраций для детального объяснения рассматриваемых концепций.

Содержание

В своей книге "Краткая история времени" Стивен Хокинг объясняет широкий круг вопросов в космологии, включая Большой взрыв, черные дыры и световые конусы, для читателя, не являющегося специалистом. Его основная цель – дать общее представление о предмете, но он также пытается объяснить некоторые сложные математические концепции. В издании 1996 года и последующих изданиях Хокинг рассматривает возможность путешествий во времени и существование червоточин, а также исследует возможность существования Вселенной без квантовой сингулярности в начале времен. Издание 2017 года содержит двенадцать глав, краткое содержание которых приведено ниже.

Глава 1: Наша картина Вселенной

В первой главе Хокинг обсуждает историю астрономических исследований, в особенности выводы древнегреческого философа Аристотеля о сферической Земле и круговой геоцентрической модели Вселенной, позднее разработанной греческим астрономом Птолемеем во II веке. Затем Хокинг описывает отказ от аристотелевской и птолемеевской моделей и постепенное развитие современной, общепринятой гелиоцентрической модели Солнечной системы в XVI, XVII и XVIII веках, впервые предложенной польским священником Николаем Коперником в 1514 году, подтвержденной столетие спустя итальянским ученым Галилео Галилеем и немецким ученым Иоганном Кеплером (который предложил модель эллиптической орбиты вместо круговой), и дополнительно математически обоснованной английским ученым Исааком Ньютоном в его книге о гравитации «Математические начала натуральной философии» 1687 года. В этой главе Хокинг также рассматривает, как на протяжении веков изучалась и обсуждалась тема происхождения Вселенной и времени: гипотезе Аристотеля и других ранних философов о вечном существовании Вселенной противостояла вера святого Августина и других теологов в ее создание в определенный момент в прошлом, где время понималось как концепция, возникшая вместе с созданием Вселенной. В новое время немецкий философ Иммануил Кант вновь утверждал, что у времени нет начала. В 1929 году американский астроном Эдвин Хаббл обнаружил расширение Вселенной, что позволило предположить, что от десяти до двадцати миллиардов лет назад вся Вселенная была сосредоточена в одной чрезвычайно плотной точке. Это открытие перевело концепцию начала Вселенной в область научного исследования. В настоящее время ученые используют общую теорию относительности Альберта Эйнштейна и квантовую механику для частичного описания устройства Вселенной, продолжая поиск полной, объединенной теории, способной описать все ее аспекты.

Глава 2: Пространство и время

В этой главе Хокинг описывает развитие научной мысли относительно природы пространства и времени. Он начинает с аристотелевской идеи о том, что естественным состоянием тела является покой, который может быть изменен только под действием силы, что подразумевает более быстрое падение тяжелых объектов. Однако итальянский ученый Галилео Галилей экспериментально опроверг теорию Аристотеля, наблюдая за движением объектов разной массы и заключив, что все объекты падают с одинаковой скоростью. Это в конечном итоге привело к законам движения и гравитации, сформулированным английским ученым Исааком Ньютоном. Однако законы Ньютона подразумевали отсутствие абсолютного состояния покоя или абсолютного пространства, как считал Аристотель: нахождение объекта в состоянии "покоя" или "движения" зависит от инерциальной системы отсчета наблюдателя. Далее Хокинг описывает веру Аристотеля и Ньютона в абсолютное время, то есть возможность точного измерения времени независимо от движения наблюдателя. Однако Хокинг пишет, что это интуитивно понятное представление не работает на скоростях, близких к скорости света. Он упоминает об открытии датского ученого Оле Рёмера, заключающемся в том, что свет распространяется с очень высокой, но конечной скоростью, благодаря его наблюдениям за Юпитером и его спутником Ио, а также об уравнениях британского ученого Джеймса Клерка Максвелла по электромагнетизму, которые показали, что свет распространяется в виде волн с постоянной скоростью. Поскольку понятие абсолютного покоя было отброшено в ньютоновской механике, Максвелл и многие другие физики предположили, что свет должен распространяться в гипотетической среде, называемой эфиром, а его скорость определяется относительно эфира. Позже это было опровергнуто экспериментом Майкельсона — Морли, который показал, что скорость света всегда остается постоянной независимо от движения наблюдателя. Эйнштейн и Анри Пуанкаре позже утверждали, что для объяснения движения света нет необходимости в эфире, предполагая отсутствие абсолютного времени. Специальная теория относительности основана на этом, утверждая, что свет распространяется с конечной скоростью независимо от скорости наблюдателя. Масса и энергия связаны знаменитым уравнением, которое объясняет, что для разгона любого объекта, обладающего массой, до скорости света (3×10⁸ м/с) требуется бесконечное количество энергии. Был разработан новый способ определения метра, основанный на скорости света. "События" также можно описывать с помощью световых конусов – графического представления пространства-времени, которое определяет, какие события возможны, а какие нет, исходя из прошлого и будущего световых конусов. Также описывается четырехмерное пространство-время, в котором "пространство" и "время" неразрывно связаны. Движение объекта в пространстве неизбежно влияет на его восприятие времени. Общая теория относительности Эйнштейна объясняет, как на траекторию луча света влияет "гравитация", которая, по Эйнштейну, является иллюзией, вызванной искривлением пространства-времени, в отличие от ньютоновского представления о гравитации как о силе, с которой материя воздействует на другую материю. В искривленном пространстве-времени свет всегда движется по прямой в четырехмерном "пространстве-времени", но из-за гравитационных эффектов может казаться изогнутым в трехмерном пространстве. Эти прямые линии называются геодезическими. Парадокс близнецов, мысленный эксперимент в специальной теории относительности с участием идентичных близнецов, показывает, что близнецы могут стареть по-разному, если они движутся с разной скоростью относительно друг друга или если они находятся в разных местах с разным искривлением пространства-времени. Специальная теория относительности основана на областях пространства и времени, где происходят события, в то время как общая теория относительности динамична, поскольку сила может изменять искривление пространства-времени, что приводит к динамичной, расширяющейся Вселенной. Хокинг и Роджер Пенроуз работали над этим и впоследствии, используя общую теорию относительности, доказали, что если Вселенная имела начало в конечное время в прошлом, то она также может закончиться в конечное время в будущем.

Глава 3: Расширяющаяся Вселенная

В этой главе Хокинг впервые описывает, как физики и астрономы рассчитывали относительное расстояние звезд от Земли. В XVIII веке сэр Уильям Гершель определил положение и расстояние многих звезд на ночном небе. В 1924 году Эдвин Хаббл открыл метод измерения расстояния, используя яркость цефеид как видимую с Земли. Яркость, светимость и расстояние до этих звезд связаны простой математической формулой. Используя эти данные, 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 лишь одну их характерную особенность – их свет. Когда этот свет проходит через призму, он создает спектр. Каждая звезда имеет свой собственный спектр, и поскольку каждый элемент имеет свой уникальный спектр, мы можем измерить спектр света звезды, чтобы узнать ее химический состав. Мы используем тепловые спектры звезд, чтобы определить их температуру. В 1920 году, изучая спектры различных галактик, ученые обнаружили, что некоторые характерные линии звездного спектра смещены в сторону красного конца спектра. Объяснение этого явления дано эффектом Доплера, и стало ясно, что многие галактики удаляются от нас. Предполагалось, что если некоторые галактики демонстрируют красное смещение, то должны быть и галактики с синим смещением. Однако галактик с красным смещением было значительно больше, чем с синим. Хаббл обнаружил, что величина красного смещения прямо пропорциональна относительному расстоянию. На основании этого он пришел к выводу, что Вселенная расширяется и имела начало. Несмотря на это, концепция статической Вселенной сохранялась вплоть до XX века. Эйнштейн был настолько уверен в статической Вселенной, что разработал «космологическую постоянную» и ввел «антигравитационные» силы, чтобы позволить Вселенной бесконечного возраста существовать. Более того, многие астрономы также пытались избежать последствий общей теории относительности и придерживались концепции статической Вселенной, за одним заметным исключением – русского физика Александра Фридмана. Фридман сделал два простых предположения: Вселенная одинакова в любой точке наблюдения, то есть однородна, и одинакова во всех направлениях, то есть изотропна. Его результаты показали, что Вселенная не является статической. Его предположения были позже подтверждены, когда два физика из Bell Labs, Арно Пензиас и Роберт Уилсон, обнаружили неожиданное микроволновое излучение, приходящее не только из определенной области неба, но и со всех направлений, примерно в одинаковом количестве. Таким образом, первое предположение Фридмана оказалось верным. Примерно в то же время Роберт Х. Дик и Джим Пиблс также работали над микроволновым излучением. Они предположили, что должны увидеть свечение ранней Вселенной в виде фонового микроволнового излучения. Уилсон и Пензиас уже сделали это, поэтому в 1978 году им была присуждена Нобелевская премия. Кроме того, наше место во Вселенной не является особенным, поэтому мы должны видеть Вселенную примерно одинаковой из любой точки пространства, что подтверждает второе предположение Фридмана. Его работы долгое время оставались малоизвестными, пока аналогичные модели не были разработаны Говардом Робертсоном и Артуром Уокером. Модель Фридмана породила три различных типа моделей эволюции Вселенной. Во-первых, Вселенная будет расширяться в течение определенного времени, и если скорость расширения меньше плотности Вселенной (что приводит к гравитационному притяжению), то в конечном итоге произойдет коллапс Вселенной. Во-вторых, Вселенная будет расширяться, и в какой-то момент, если скорость расширения и плотность Вселенной уравновесятся, она будет расширяться медленно и остановится, что приведет к относительно статической Вселенной. В-третьих, Вселенная будет расширяться вечно, если плотность Вселенной меньше критической величины, необходимой для уравновешивания скорости расширения. Первая модель изображает пространство Вселенной как искривленное внутрь. Вторая модель предполагает плоскую структуру, а третья – отрицательную кривизну, напоминающую седло. Даже если произвести расчеты, текущая скорость расширения превышает критическую плотность Вселенной, включая темную материю и всю звездную массу. Первая модель предполагает начало Вселенной в виде Большого Взрыва из пространства с бесконечной плотностью и нулевым объемом, известного как «сингулярность» – точка, в которой также нарушается общая теория относительности (решения Фридмана основаны на ней). Эта концепция начала времени (предложенная бельгийским католическим священником Жоржем Леметром) изначально казалась мотивированной религиозными убеждениями, поскольку она подтверждала библейское утверждение о том, что Вселенная имела начало во времени, а не была вечной. Поэтому была предложена новая теория – теория стационарной Вселенной, разработанная Германом Бонди, Томасом Голдом и Фредом Хойлом, чтобы конкурировать с теорией Большого Взрыва. Ее предсказания также соответствовали структуре современной Вселенной. Однако тот факт, что источников радиоволн поблизости от нас меньше, чем в далекой Вселенной, и что источников радиоволн было гораздо больше в прошлом, привел к опровержению этой теории и всеобщему признанию теории Большого Взрыва. Евгений Лифшиц и Исаак Маркович Халатников также пытались найти альтернативу теории Большого Взрыва, но безуспешно. Роджер Пенроуз, используя световые конусы и общую теорию относительности, доказал, что коллапсирующая звезда может привести к области нулевого размера и бесконечной плотности и кривизны, называемой черной дырой. Хокинг и Пенроуз совместно доказали, что Вселенная должна была возникнуть из сингулярности, которую сам Хокинг впоследствии опроверг, учитывая квантовые эффекты.

Глава 4: Принцип неопределенности

В этой главе Хокинг впервые обсуждает убеждение французского математика Лапласа в научном детерминизме, согласно которому научные законы в конечном итоге смогут точно предсказывать будущее Вселенной. Затем он рассматривает теорию бесконечного излучения звезд, основанную на расчетах британских ученых лорда Рэлея и Джеймса Джинса, которая позднее, в 1900 году, была пересмотрена немецким ученым Максом Планком, предложившим, что энергия должна излучаться в виде небольших, конечных порций, называемых квантами. Далее Хокинг обсуждает принцип неопределенности, сформулированный немецким ученым Вернером Гейзенбергом, в соответствии с которым невозможно одновременно точно определить скорость и положение частицы из-за квантовой гипотезы Планка: повышение точности измерения скорости уменьшает определенность положения и наоборот. Это опровергло идею Лапласа о полностью детерминированной теории Вселенной. Затем Хокинг описывает развитие квантовой механики в 1920-х годах благодаря работам Гейзенберга, австрийского физика Эрвина Шрёдингера и английского физика Пола Дирака, теории, которая ввела в науку фундаментальный элемент непредсказуемости. Несмотря на сильное несогласие немецкого ученого Альберта Эйнштейна, она оказалась очень успешной в описании Вселенной, за исключением гравитации и крупномасштабных структур. Хокинг затем обсуждает, как принцип неопределенности Гейзенберга подразумевает волново-частичный дуализм света (и частиц в целом). Он описывает явление интерференции, когда несколько световых волн взаимодействуют друг с другом, порождая единую волну с характеристиками, отличными от характеристик исходных волн, а также интерференцию внутри частиц, демонстрируемую экспериментом с двумя щелями. Хокинг пишет о том, как интерференция углубила наше понимание структуры атомов – строительных блоков материи. В то время как теория датского ученого Нильса Бора лишь частично решала проблему коллапса электронов, квантовая механика полностью ее разрешила. По мнению Хокинга, суммирование по траекториям, предложенное американским ученым Ричардом Фейнманом, является наглядным способом визуализации волново-частичного дуализма. В заключение Хокинг отмечает, что общая теория относительности Эйнштейна является классической, неквантовой теорией, игнорирующей принцип неопределенности, и что ее необходимо согласовать с квантовой теорией в ситуациях, когда гравитация очень сильна, например, вблизи черных дыр и во время Большого взрыва.

Глава 5: Элементарные частицы и силы природы

В этой главе Хокинг прослеживает историю изучения природы материи: четыре элемента Аристотеля, представление Демокрита о неделимых атомах, идеи Джона Далтона о том, как атомы объединяются, образуя молекулы, открытие Дж. Дж. Томсона электронов внутри атомов, открытие Эрнеста Резерфорда атомного ядра и протонов, открытие Джеймса Чадвика нейтронов и, наконец, работы Мюррея Гелла-Манна над еще более мелкими кварками, из которых состоят протоны и нейтроны. Затем Хокинг обсуждает шесть различных "ароматов" (верхний, нижний, странный, очарованный, прелестный и истинный) и три различных "цвета" кварков (красный, зеленый и синий). Позже в главе он рассматривает антикварки, численность которых меньше, чем кварков, из-за расширения и охлаждения Вселенной. Далее Хокинг обсуждает свойство частиц – спин, которое определяет, как частица выглядит с разных направлений. Затем Хокинг рассматривает две группы частиц во Вселенной, основанные на их спине: фермионы и бозоны. Фермионы со спином 1/2 подчиняются принципу исключения Паули, который гласит, что они не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии (например, два протона с одинаковым спином не могут занимать одно и то же место в пространстве). Без этого правила не могли бы существовать сложные структуры. Бозоны, или частицы-переносчики силы, со спином 0, 1 или 2, принципу исключения не подчиняются. Затем Хокинг приводит примеры виртуальных гравитонов и виртуальных фотонов. Виртуальные гравитоны со спином 2 переносят силу гравитации. Виртуальные фотоны со спином 1 переносят электромагнитную силу. Далее Хокинг обсуждает слабое ядерное взаимодействие (ответственное за радиоактивность и в основном влияющее на фермионы) и сильное ядерное взаимодействие, переносимое частицей глюоном, которое связывает кварки в адроны, обычно нейтроны и протоны, а также связывает нейтроны и протоны в атомные ядра. Затем Хокинг пишет о феномене, называемом цветовым удержанием, который препятствует обнаружению кварков и глюонов по отдельности (за исключением чрезвычайно высоких температур), поскольку они остаются заключенными внутри адронов. Хокинг пишет, что при чрезвычайно высоких температурах электромагнитное взаимодействие и слабое ядерное взаимодействие ведут себя как единая электрослабая сила, что порождает предположение о том, что при еще более высоких температурах электрослабая сила и сильное ядерное взаимодействие также будут проявлять себя как единая сила. Теории, которые пытаются описать поведение этой "объединенной" силы, называются Великими Объединенными Теориями, которые могут помочь нам объяснить многие загадки физики, которые ученые еще не решили.

Глава 6: Черные дыры

В этой главе Хокинг обсуждает черные дыры – области пространства-времени, где чрезвычайно сильная гравитация не позволяет ничему, включая свет, покинуть их. Хокинг описывает, как большинство черных дыр формируется при коллапсе массивных звезд (по крайней мере в 25 раз массивнее Солнца) на завершающей стадии их жизни. Он пишет о горизонте событий – границе черной дыры, из-за которой ни одна частица не может вырваться в остальное пространство-время. Далее Хокинг рассматривает невращающиеся черные дыры со сферической симметрией и вращающиеся с осевой симметрией. Затем Хокинг описывает, как астрономы обнаруживают черные дыры не напрямую, а косвенно, наблюдая с помощью специальных телескопов мощное рентгеновское излучение, возникающее при поглощении ими звезды. Хокинг завершает главу упоминанием своего знаменитого пари, заключенного в 1974 году с американским физиком Кипом Торном, в котором он утверждал, что черные дыры не существуют. Хокинг проиграл пари, так как новые данные подтвердили, что Cygnus X-1 действительно является черной дырой.

Глава 7: Черные дыры не так уж и черны

В этой главе рассматривается аспект поведения черных дыр, который Стивен Хокинг обнаружил в 1970-х годах. Согласно более ранним теориям, черные дыры могут только увеличиваться, но никогда не уменьшаться, поскольку ничто, попадая в черную дыру, не может из нее выйти. Однако в 1974 году Хокинг опубликовал новую теорию, утверждающую, что черные дыры могут "испускать" излучение. Он представил, что может произойти, если пара виртуальных частиц возникнет вблизи горизонта событий черной дыры. Виртуальные частицы ненадолго "заимствуют" энергию из самого пространства-времени, а затем аннигилируют, возвращая заимствованную энергию и прекращая свое существование. Однако на горизонте событий черной дыры одна виртуальная частица может быть захвачена черной дырой, а другая – вырваться на свободу. В соответствии со вторым законом термодинамики, частицам "запрещено" извлекать энергию из вакуума. Таким образом, частица забирает энергию у черной дыры, а не у вакуума, и покидает черную дыру в виде излучения Хокинга. По мнению Хокинга, черные дыры должны очень медленно уменьшаться в размерах с течением времени и в конечном итоге "испаряться" из-за этого излучения, а не существовать вечно, как считалось ранее.

Глава 8: Происхождение и судьба Вселенной

В этой главе рассматриваются начало и конец Вселенной. Большинство ученых согласны с тем, что Вселенная возникла в результате расширения, известного как «Большой взрыв». В начале Большого взрыва Вселенная имела чрезвычайно высокую температуру, что препятствовало образованию сложных структур, таких как звезды, и даже очень простых, таких как атомы. В ходе Большого взрыва произошло явление, называемое «инфляцией», когда Вселенная на короткое время резко расширилась до гораздо большего размера. Инфляция объясняет некоторые характеристики Вселенной, которые ранее вызывали большие затруднения у исследователей. После инфляции Вселенная продолжала расширяться, но уже более медленными темпами. Она значительно остыла, что в конечном итоге позволило образоваться упомянутым структурам. Хокинг также обсуждает, как могла бы выглядеть Вселенная, если бы она расширялась медленнее или быстрее, чем на самом деле. Например, если бы Вселенная расширялась слишком медленно, она бы схлопнулась, и времени для формирования жизни было бы недостаточно. Если бы Вселенная расширялась слишком быстро, она стала бы почти пустой. В конечном итоге Хокинг приходит к выводу, что Вселенная может быть конечной, но не иметь границ. Иными словами, она может не иметь ни начала, ни конца во времени, а просто существовать с конечным количеством материи и энергии. В этой главе также рассматривается концепция квантовой гравитации.

Глава 9: Стрела времени

В этой главе Хокинг рассуждает о том, почему "реальное время", как Хокинг называет время, которое люди наблюдают и переживают (в отличие от "мнимого времени", которое, по утверждению Хокинга, является неотъемлемой частью законов науки), кажется, имеет определенное направление, в частности, от прошлого к будущему. Затем Хокинг обсуждает три "стрелы времени", которые, по его мнению, придают времени это свойство. Первая стрела времени Хокинга – термодинамическая стрела времени: направление, в котором возрастает энтропия (которую Хокинг называет беспорядком). По словам Хокинга, именно поэтому мы никогда не видим, как осколки чашки собираются обратно в целую чашку. Вторая стрела Хокинга – психологическая стрела времени, благодаря которой наше субъективное восприятие времени течет в одном направлении, поэтому мы помним прошлое, а не будущее. Хокинг утверждает, что наш мозг измеряет время таким образом, что беспорядок увеличивается по направлению времени, и мы никогда не наблюдаем обратного процесса. Иными словами, он утверждает, что психологическая стрела времени тесно связана с термодинамической стрелой времени. Третья и последняя стрела времени Хокинга – космологическая стрела времени: направление времени, в котором Вселенная расширяется, а не сжимается. Согласно Хокингу, в фазе сжатия Вселенной термодинамическая и космологическая стрелы времени не будут согласованы. Хокинг утверждает, что "принцип отсутствия границ" для Вселенной подразумевает, что Вселенная будет расширяться в течение некоторого времени, прежде чем начнет сжиматься. Он продолжает утверждать, что именно принцип отсутствия границ является движущей силой энтропии и что он предсказывает существование четко определенной термодинамической стрелы времени только в том случае, если Вселенная расширяется, поскольку это подразумевает, что Вселенная должна была начаться в гладком и упорядоченном состоянии, которое со временем должно переходить к беспорядку. Он утверждает, что из-за принципа отсутствия границ сжимающаяся Вселенная не будет иметь четко определенной термодинамической стрелы, и поэтому только Вселенная в фазе расширения может поддерживать разумную жизнь. Используя слабый антропный принцип, Хокинг продолжает утверждать, что термодинамическая стрела времени должна согласовываться с космологической стрелой времени, чтобы хотя бы одна из них могла быть наблюдаема разумной жизнью. Это, по мнению Хокинга, объясняет, почему люди воспринимают эти три стрелы времени, направленные в одном направлении.

Глава 10: Червоточины и путешествия во времени

В этой главе Хокинг обсуждает, возможно ли путешествие во времени, то есть перемещение в будущее или прошлое. Он показывает, как физики пытались разработать возможные способы, с помощью которых люди, обладающие передовыми технологиями, могли бы путешествовать быстрее скорости света или перемещаться во времени назад, и эти концепции стали краеугольным камнем научной фантастики. Мосты Эйнштейна — Розена были предложены на ранних этапах исследований общей теории относительности. Эти «кротовые норы» выглядели бы идентично чёрным дырам со стороны, но материя, попадающая внутрь, была бы перемещена в другую точку пространства-времени, потенциально в далёкий регион пространства или даже в прошлое. Однако последующие исследования показали, что такая кротовая нора, даже если бы она могла образоваться, не позволила бы ничему пройти сквозь неё, прежде чем превратиться в обычную чёрную дыру. Единственный способ, которым кротовая нора теоретически могла бы оставаться открытой и, следовательно, позволять путешествовать быстрее света или во времени, потребовал бы существования экзотической материи с отрицательной плотностью энергии, что противоречит энергетическим условиям общей теории относительности. В связи с этим, почти все физики согласны с тем, что путешествия быстрее света и перемещение во времени назад невозможны. Хокинг также описывает свою собственную «гипотезу о защите хронологии», которая даёт более формальное объяснение тому, почему путешествия быстрее света и в прошлое почти наверняка невозможны.

Глава 11: Объединение физики

Квантовая теория поля (КТП) и общая теория относительности (ОТО) описывают физику Вселенной с поразительной точностью в пределах своих областей применимости. Однако эти две теории противоречат друг другу. Например, принцип неопределенности КТП 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 столь же хорошо или лучше, чем существующие теории. Хокинг осторожно оптимистичен, полагая, что такая единая теория Вселенной может быть найдена в скором времени, несмотря на значительные трудности. На момент написания книги «теория суперструн» стала наиболее популярной теорией квантовой гравитации, но эта теория и связанные с ней теории струн оставались неполными и не были доказаны, несмотря на значительные усилия (по состоянию на 2021 год ситуация не изменилась). Теория струн предполагает, что частицы ведут себя как одномерные «струны», а не как безразмерные частицы, как это происходит в КТП. Эти струны «колеблются» в многомерном пространстве. Вместо 3 измерений, как в КТП, или 4 измерений, как в ОТО, теория суперструн требует в общей сложности 10 измерений. Природа шести «гиперпространственных» измерений, необходимых теории суперструн, трудна, если не невозможна для изучения, что порождает бесчисленное множество теоретических «ландшафтов» теории струн, каждый из которых описывает вселенную с различными свойствами. Без возможности сузить диапазон возможностей, практическое применение теории струн представляется маловероятным. Альтернативные теории квантовой гравитации, такие как петлевая квантовая гравитация, также страдают от недостатка доказательств и сложности изучения. Таким образом, Хокинг предлагает три возможности: 1) существует полная единая теория, которую мы в конечном итоге обнаружим; 2) перекрывающиеся характеристики различных «ландшафтов» позволят нам постепенно более точно описывать физику с течением времени; и 3) окончательной теории не существует. Третью возможность можно обойти, признав ограничения, установленные принципом неопределенности. Вторая возможность описывает то, что происходило в физических науках до сих пор – появление все более точных частных теорий. Хокинг считает, что у такого усовершенствования есть предел, и что, изучая самые ранние стадии Вселенной в лабораторных условиях, в XXI веке будет найдена полная теория квантовой гравитации, позволяющая физикам решить многие из нерешенных проблем современной физики.

Заключение

В этой последней главе Хокинг подводит итог усилиям, предпринятым человечеством на протяжении всей истории, чтобы понять Вселенную и свое место в ней: начиная с веры в антропоморфных духов, управляющих природой, затем – признания закономерностей в природе, и, наконец, благодаря научному прогрессу последних столетий, внутреннее устройство Вселенной стало гораздо лучше понято. Он вспоминает предположение французского математика Лапласа о том, что структура и эволюция Вселенной в конечном итоге могут быть точно объяснены набором законов, происхождение которых остается прерогативой Бога. Однако Хокинг утверждает, что принцип неопределенности, введенный квантовой теорией в XX веке, установил границы точности предсказаний будущих законов. Хокинг отмечает, что исторически изучение космологии (науки о происхождении, эволюции и конце Земли и Вселенной в целом) было в первую очередь мотивировано поиском философских и религиозных ответов, например, для лучшего понимания природы Бога или даже вопроса о его существовании. 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. Он считает, что возрастающая техническая сложность этих теорий привела к тому, что современная космология все больше отдаляется от философских дискуссий. Тем не менее, Хокинг выражает надежду, что однажды все будут обсуждать эти теории, чтобы понять истинное происхождение и природу Вселенной и достичь "высшего триумфа человеческого разума".

Издания

1988: В первом издании было введение Карла Сагана, в котором рассказывается следующая история: Саган был в Лондоне на научной конференции в 1974 году, и между заседаниями он зашел в другую комнату, где проходило более крупное собрание. "Я понял, что наблюдаю за древней церемонией: посвящением новых членов в Королевское общество, одну из старейших научных организаций на планете. В первом ряду молодой человек в инвалидном кресле очень медленно подписывал свое имя в книге, на самых первых страницах которой стояла подпись Исаака Ньютона. Стивен Хокинг уже тогда был легендой". В своем введении Саган далее добавляет, что Хокинг является "достойным преемником" Ньютона и Пола Дирака, обоих бывших Лукасовских профессоров математики. Введение было удалено после первого издания, поскольку авторские права на него принадлежали Сагану, а не Хокингу или издательству, и у издательства не было права на его бессрочную перепечатку. Хокинг написал собственное введение для последующих изданий. 1994, «Краткая история времени» – Интерактивное приключение. CD-ROM с интерактивными видеоматериалами, созданными С.В. Хокингом, Джимом Мервисом и Робитом Хейрманом (доступен для Windows 95, Windows 98, Windows ME и Windows XP). 1996, Иллюстрированное, обновленное и расширенное издание: Это издание в твердом переплете содержит полноцветные иллюстрации и фотографии, призванные помочь лучше понять текст, а также добавлены темы, отсутствовавшие в оригинальной книге. 1998, Юбилейное издание, посвященное десятилетию: В нем содержится тот же текст, что и в издании 1996 года, но оно также было выпущено в мягкой обложке и содержит лишь несколько диаграмм. 2005, «Краткая история времени. Более краткое изложение»: совместная работа с Леонардом Млодиновым, представляющая собой сокращенную версию оригинальной книги. Оно было вновь обновлено с учетом новых вопросов, возникших в связи с дальнейшим развитием науки.

Фильм

В 1991 году Эррол Моррис снял документальный фильм о Хокинге, однако, несмотря на общее название, фильм представляет собой биографическое исследование жизни Хокинга, а не экранизацию его книги.

Приложения

"Книга Стивена Хокинга "Карманная Вселенная: пересмотренная краткая история времени" основана на книге. Приложение было разработано компанией Preloaded для издательства Transworld, подразделения группы Penguin Random House. Приложение было выпущено в 2016 году. Его разработал Бен Кортни, а спродюсировала Джемма Харрис, и оно доступно только на iOS.

Опера

Метрополитен-опера заказала оперу для премьеры в сезоне 2015–2016 годов, основанную на книге Хокинга. Композитором должен был стать Освальдо Голихов, либретто – Альберто Мангуэля, а постановщиком – Робер Лепаж. От первоначального замысла оперы отказались, выбрав другую тему, и в итоге проект был полностью отменен.