Стивен Хокинг «Краткая история времени. От большого взрыва до черных дыр» - рецензия П. Можейко (часть 2 из 2)
НАЗВАНИЕ: Краткая история времени. От большого взрыва до черных дыр
АВТОР: Стивен Хокинг
ОРИГИНАЛЬНОЕ НАЗВАНИЕ: A Brief History of Time: From the Big Bang to Black Holes
ISBN: 978-5-17-102284-6
ГОД ИЗДАНИЯ: 2018
ИЗДАТЕЛЬСТВО: «АСТ»
СЕРИЯ: «Мир Стивена Хокинга»
КОГДА МНОЙ ПРОЧИТАНО: Ноябрь 2022
ИСТОЧНИК: Оригинальная книга
О КНИГЕ (часть 2 из 2)НАЧАЛО РЕЦЕНЗИИ ТУТ:
Перейдем к квантовому миру. Если спросить случайного прохожего из чего состоит наш мир, то скорее всего он назовет что-то эквивалентное по смыслу материи. И действительно, мы видим вокруг звезды, скопления газа, стоим на твёрдой поверхности нашей планеты и дышим хоть и невидимым, но вполне ощущаемым воздухом. Все это атомы и молекулы, заполняющие пусть и незначительно, нашу Вселенную. Но как они появились и не несут ли в себе разгадку тех процессов, которые развивались в первые мгновения после Большого взрыва?
«У нас нет прямых указаний на то, состоит ли вещество других галактик из протонов и нейтронов или из антипротонов и антинейтронов, но оно должно состоять из частиц одного типа: в пределах одной галактики не может быть смеси частиц и античастиц, потому что в результате их аннигиляции испускалось бы мощное излучение. Поэтому мы считаем, что все галактики состоят из кварков, а не из антикварков; вряд ли одни галактики состояли из вещества, а другие – из антивещества».
В книге Стивена Хокинга наконец-то можно встретить хорошее и доступное определение такого понятия, как «спин» частицы.
«Мы уже знаем, что ни атомы, ни находящиеся внутри атома протоны с нейтронами не являются неделимыми, а потому возникает вопрос: что же такое настоящие элементарные частицы – те исходные кирпичи, из которых все состоит? Поскольку длины световых волн существенно больше размеров атома, у нас нет надежды «увидеть» составные части атома обычным способом. Для этой цели необходимы значительно меньшие длины волн. <…>
Все, что есть во Вселенной, в том числе свет и гравитацию, можно описывать, исходя из представления о частицах, с учетом частично-волнового дуализма <…>. Частицы же имеют некую вращательную характеристику – спин. Представим себе частицы в виде маленьких волчков, вращающихся вокруг своей оси. Правда, такая картина может ввести в заблуждение, потому что в квантовой механике частицы не имеют вполне определенной оси вращения. На самом деле спин частицы дает нам сведения о том, как выглядит эта частица, если смотреть на нее с разных сторон. Частица со спином 0 похожа на точку: она выглядит со всех сторон одинаково. Частицу со спином 1 можно сравнить со стрелой: с разных сторон она выглядит по-разному и принимает тот же вид лишь после полного оборота на 360°. Частицу со спином 2 можно сравнить со стрелой, заточенной с обеих сторон: любое ее положение повторяется после полуоборота (180°). Аналогичным образом частица с более высоким спином возвращается в первоначальное состояние при повороте на еще меньшую часть полного оборота. Это все довольно очевидно, а удивительно другое: существуют частицы, которые после полного оборота не принимают прежний вид – их нужно полностью повернуть дважды! Говорят, что такие частицы обладают спином 1/2. <…> Все известные частицы во Вселенной можно разделить на две группы: частицы со спином 1/2, из которых состоит вещество во Вселенной, и частицы со спином 0, 1 и 2, которые, как мы увидим, создают силы, действующие между частицами вещества».
Таким образом, частицы с тем или иным спином отвечают за тот или иной вид четырех основных взаимодействий в физике: гравитационного, электромагнитного, сильного, слабого.
Одна из основных мыслей этой книги: гравитация определяет нашу Вселенную!
«Теории великого объединения не включают в себя гравитационное взаимодействие. Это не столь уж существенно, потому что гравитационные силы так малы, что их влиянием можно просто пренебречь, когда мы имеем дело с элементарными частицами или атомами. Однако тот факт, что гравитационные силы являются дальнодействующими, да еще и всегда силами притяжения, означает, что результаты их воздействия всегда суммируются. Следовательно, если имеется достаточное количество частиц вещества, то гравитационные силы могут стать больше всех остальных сил. Вот почему эволюция Вселенной определяется именно гравитацией. Даже в случае объектов размером со звезду гравитационное притяжение может перевесить все остальные силы и привести к коллапсу звезды. В 70-х годах я занимался исследованием черных дыр, которые могут возникнуть в результате такого звездного коллапса, и окружающих их сильных гравитационных полей. Именно в ходе этой работы у меня появились первые догадки о том, как квантовая механика и общая теория относительности могут влиять друг на друга – первые проблески формы той квантовой теории гравитации, которую еще предстоит разработать».
Почему полная энергия Вселенной равна нулю?
«Раздуванием Вселенной можно было бы объяснить, почему в ней так много вещества. В доступной наблюдениям области Вселенной содержится порядка ста миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов (единица с восемьюдесятью нулями) частиц. Откуда все они взялись? Ответ состоит в том, что в квантовой теории частицы могут рождаться из энергии в виде пар частица – античастица. Но тогда сразу возникает вопрос: откуда берется энергия? Ответ таков. Полная энергия Вселенной в точности равна нулю. Вещество во Вселенной образовано из положительной энергии. Но все вещество само себя притягивает под действием гравитации. Два близко расположенных куска вещества обладают меньшей энергией, чем те же два куска, находящиеся далеко друг от друга, потому что для разнесения их в стороны нужно затратить энергию на преодоление гравитационной силы, стремящейся их соединить. Следовательно, энергия гравитационного поля в каком-то смысле отрицательна. Можно показать, что в случае Вселенной, примерно однородной в пространстве, эта отрицательная гравитационная энергия в точности компенсирует положительную энергию, связанную с веществом. Поэтому полная энергия Вселенной равна нулю. <…> Поскольку дважды нуль тоже нуль, количество положительной энергии вещества во Вселенной может удвоиться одновременно с удвоением отрицательной гравитационной энергии; закон сохранения энергии при этом не нарушится. Такого не бывает при нормальном расширении Вселенной, в которой плотность энергии вещества уменьшается по мере увеличения размеров Вселенной. Но именно так происходит при раздувании, потому что в этом случае Вселенная увеличивается, а плотность энергии переохлажденного состояния остается постоянной: когда размеры Вселенной удвоятся, положительная энергия вещества и отрицательная гравитационная энергия тоже удвоятся, в результате чего полная энергия остается равной нулю. В фазе раздувания размеры Вселенной очень сильно возрастают. Следовательно, общее количество энергии, за счет которой могут образовываться частицы, тоже сильно увеличивается. Гут по этому поводу заметил: «Говорят, что не бывает скатерти-самобранки. А не вечная ли самобранка сама Вселенная?»
А теперь от материи перейдем к черным дырам. Почему их изучение так важно? Потому что в сингулярности черных дыр можно найти параллели с предполагаемым начальным состоянием Вселенной.
Черные дыры – пример того, как реальность «выросла» из математической модели.
«Черные дыры – один из очень немногочисленных примеров в истории науки, когда теория развивалась во всех деталях как математическая модель, не имея никаких экспериментальных подтверждений своей справедливости. И это, конечно, было главным возражением противников черных дыр: как можно верить в реальность объектов, существование которых следует лишь из вычислений, основанных на такой сомнительной теории, как общая теория относительности. Но в 1963 г. Маартен Шмидт, астроном из Паламарской обсерватории в Калифорнии, измерил красное смещение тусклого, похожего на звезду объекта в направлении источника радиоволн 3С273 (источник под номером 273 в третьем Кембриджском каталоге радиоисточников). Обнаруженное Шмидтом красное смещение оказалось слишком велико, чтобы его можно было объяснить действием гравитационного поля: если бы оно было гравитационного происхождения, то связанный с ним объект должен был иметь такую большую массу и располагаться так близко к нам, что его присутствие изменило бы орбиты всех планет Солнечной системы. Но, может быть, тогда красное смещение возникло из-за расширения Вселенной, и из этого следует, что рассматриваемый объект находится, наоборот, очень далеко? Видимый на таком большом расстоянии объект должен быть очень ярким, т. е. должен излучать огромную энергию. Единственный механизм, с помощью которого могло бы излучаться такое большое количество энергии, – это гравитационный коллапс, но не какой-нибудь одной звезды, а коллапс всей центральной области Галактики. С тех пор были открыты и другие аналогичные квазизвездные объекты, или квазары, обладающие красным смещением. Но их большая удаленность сильно затрудняет наблюдение и не дает возможности сделать окончательные выводы относительно черных дыр».
Как известно, большие массы материи искажают пространство-время, а большие черные дыры своей огромной концентрированной массой искажают его еще сильнее.
Интересно, что изучение пространства-времени нашей Вселенной наводит ученых на мысль о том, что оно имеет форму сферы, т.е. оно не имеет начала и конца, но при этом конечно. Такая вот загадка.
«В классической теории гравитации, использующей действительное пространство-время, возможны лишь два типа поведения Вселенной: либо она существовала в течение бесконечного времени, либо ее началом была сингулярная точка в какой-то конечный момент времени в прошлом. В квантовой же теории гравитации возникает и третья возможность. Поскольку используются евклидовы пространства, в которых временна́я и пространственные оси равноправны, пространство-время, будучи конечным, может тем не менее не иметь сингулярностей, образующих его границу или край. Тогда пространство-время напоминало бы поверхность Земли с двумя дополнительными измерениями. Поверхность Земли имеет конечную протяженность, но у нее нет ни границы, ни края: поплыв по морю в сторону заката, вы не вывалитесь через край и не попадете в сингулярность. <…> Пока мы считаем, что у Вселенной было начало, мы можем думать, что у нее был Создатель. Если же Вселенная действительно полностью замкнута и не имеет ни границ, ни краев, то тогда у нее не должно быть ни начала, ни конца: она просто есть, и всё! Остается ли тогда место для Создателя?»
И, наконец, о времени….
О понятии «мнимого времени» и загадке времени реального:
«Попытки объединить гравитацию с квантовой механикой привели к понятию мнимого времени. Мнимое время ничем не отличается от направлений в пространстве. Идя на север, можно повернуть назад и пойти на юг. Аналогично, если кто-то идет вперед в мнимом времени, то он может повернуть и пойти назад. Это означает, что между противоположными направлениями мнимого времени нет существенной разницы. Но когда мы имеем дело с реальным временем, то мы знаем, что существует огромное различие между движением во времени вперед и назад. Откуда же берется такая разница между прошлым и будущим? Почему мы помним прошлое, но не помним будущего? Законы науки не отличают прошлого от будущего. Точнее говоря, законы науки не меняются в результате выполнения операций (или симметрий), обозначаемых буквами С, Р и Т (С – замена частицы античастицей, Р – зеркальное отражение, когда левое и правое меняются местами, а Т – изменение направления движения всех частиц на обратное)».
Три стрелы времени:
«Нетрудно пройти путь от целой чашки на столе в прошлом до разбитой на полу, но обратный ход событий невозможен. Увеличение беспорядка, или энтропии, с течением времени – это одно из определений так называемой стрелы времени, т. е. возможности отличить прошлое от будущего, определить направление времени. Можно говорить по крайней мере о трех различных стрелах времени. Во-первых, стрела термодинамическая, указывающая направление времени, в котором возрастает беспорядок, или энтропия. Во-вторых, стрела психологическая. Это направление, в котором мы ощущаем ход времени, направление, при котором мы помним прошлое, но не будущее. И в-третьих, стрела космологическая. Это направление времени, в котором Вселенная расширяется, а не сжимается».
Почему измерений, которые доступны нашему пониманию, 3+1(время)?
«Почему мы видим только три пространственных и одно временное измерение? Возможно, причина кроется в том, что другие измерения свернуты в очень малое пространство размером порядка одной миллион миллион миллион миллион миллионной доли сантиметра. Оно так мало́, что мы его просто не замечаем: мы видим всего лишь одно временное и три пространственных измерения, в которых пространство-время выглядит довольно плоским. То же самое происходит, когда мы смотрим на поверхность апельсина: вблизи она выглядит искривленной и неровной, а издали бугорки не видны и апельсин кажется гладким. <…>
Почему же одно временное и три пространственных измерения развернулись, а все остальные остаются туго свернутыми? Один из возможных ответов дается антропным принципом. Двух пространственных измерений, по-видимому, недостаточно для того, чтобы могли развиться такие сложные существа, как мы. Живя, например, на одномерной Земле, двумерные животные, чтобы разойтись при встрече, были бы вынуждены перелезать друг через друга. Если бы двумерное существо питалось чем-нибудь таким, что не переваривается до конца, то остатки должны были бы выводиться по тому же пути, по которому входит пища, так как при наличии сквозного прохода через все тело животное оказалось бы разделенным на две отдельные половины, и наше двумерное существо развалилось бы на две части. Точно так же трудно представить себе, как у двумерного существа происходила бы циркуляция крови. Трудности возникали бы и в том случае, если бы число пространственных измерений было больше трех. Гравитационная сила между двумя телами быстрее возрастала бы с расстоянием, чем в трехмерном пространстве. (Когда расстояние удваивается, то в трех измерениях гравитационная сила уменьшается в четыре раза, в четырех измерениях – в восемь раз, в пяти – в шестнадцать раз и т. д.) Это значит, что орбиты планет, например Земли, вращающихся вокруг Солнца, были бы нестабильны: малейшее отклонение от круговой орбиты (возникшее, допустим, из-за гравитационного притяжения других планет) привело бы к тому, что Земля стала бы двигаться по спирали либо от Солнца, либо к Солнцу. Мы бы тогда либо замерзли, либо сгорели. На самом деле, если бы зависимость гравитационной силы от расстояния была одинаковой в пространствах с размерностью выше трех, то Солнце не могло бы существовать в стабильном состоянии, в котором сохраняется равновесие между давлением и гравитацией. Оно либо распалось бы на части, либо, сколлапсировав, превратилось в черную дыру. В обоих случаях от него уже было бы мало пользы как от источника тепла и света для поддержания жизни на Земле. На меньших масштабах электрические силы, под действием которых электроны обращаются в атоме вокруг ядра, вели бы себя так же, как гравитационные. Следовательно, электроны либо все вместе вылетели бы из атома, либо по спирали упали бы на ядро. В том и другом случае не существовало бы таких атомов, как сейчас».
Книга «Краткая история времени» определенно очень важна для истории научно-популярной литературы и для любителей физики и астрономии. Для своего времени это было настоящее открытие. Вот только сейчас, в 2020-х, у нее есть многочисленные конкуренты, которые говорят в общем о том же, но написаны получше, да и объяснения в них более доступные. Среди таких книг, например, «Гиперпространство» и «Параллельные миры» Митио Каку (его я вообще считаю одним из лучших популяризаторов физики в вопросе подбора поясняющих метафор и образов), ну или книга «Всего шесть чисел. Главные силы, формирующие Вселенную» Мартина Риса.
Тема параллельных Вселенных, многомерности пространства, черных дыр и парадоксов времени сейчас очень популярна. На каждом более-менее крупном научно-популярном проекте, подкасте или ютьюб-канале есть несколько видео по ней. Да что говорить, когда даже замысловатые фантастические фильмы об этом имеют нынче отличные кассовые сборы! Да, я про «Интерстеллар» Кристофера Нолана. И вот из-за всего этого, читая сегодня «Краткую историю времени» создается ощущение повтора там, где все написано доступно, и желание более подробного объяснения там, где Стивен Хокинг забывал о том, что не все его читатели подкованные физики-теоретики.
В сухом остатке хочется выделить тот посыл, который пронизывает всю книгу: наша Вселенная – это настоящее чудо, удивительный мир, законы которого нам еще предстоит узнать в полной мере, но чудо и то, что как бы не меняла наше представление о себе наука, мы, человечество, смело и вдохновенно принимаем новые обстоятельства и неизменно следуем за своей мечтой – дойти до самой сути, чтобы найти в конце пути или Бога, или Самих Себя.
«Если мы действительно откроем полную теорию, то со временем ее основные принципы станут доступны пониманию каждого, а не только нескольким специалистам. И тогда все мы – философы, ученые и просто обычные люди – сможем принять участие в дискуссии о том, почему так произошло, что существуем мы и существует Вселенная. И если будет найден ответ на такой вопрос, это будет полным триумфом человеческого разума, ибо тогда нам станет понятен замысел Бога».
МОЕ МНЕНИЕ ОБ ИЗДАНИИ:
Качественное издание в традиционном для «научно-популярной литературы оформлении.
Формат стандартный (145x215 мм), твердый переплет, без суперобложки, 232 страницы, с иллюстрациями.
Достоинства издания: научный редактор (доктор физ-мат наук Я.А. Смородинский); хорошее качество печати; белая плотная бумага; твердый переплет; наличие колонтитулов; информация об авторе; подробное оглавление; словарь терминов; ч/б иллюстрации с подписями; хорошо выделенные заголовки; послесловие Я.А. Смородинского.
Недостатки издания: в словарь попали далеко не все сложные термины; не помешал бы и предметно-именной указатель.
ПОТЕРЯЛ БЫ Я ЧТО-НИБУДЬ, ЕСЛИ БЫ ЕЕ НЕ ЧИТАЛ:
Больше нет, чем да. В целом, книга лично мне рассказала мало нового, но мне понравился ее вдохновляющий исследовательский посыл.
КОМУ ПОРЕКОМЕНДОВАЛ БЫ:
Тем, кто хочет начать знакомство с книгами Стивена Хокинга.
ТЕГИ: Нон-фикшн, науч-поп, астрономия, космология, физика, история науки, космос, Солнечная система, черные дыры, время, пространство, Вселенная.
ВИДЕО В ТЕМУ: Помимо прочего, «Краткая история времени» - это еще и уникальный пример того, как сложная научно-популярная книга вдохновляет музыкантов. Французский композитор и автор электронной музыки Жан-Мишель Жарр записал свой альбом «Chronologie» (1993) вдохновившись работой Хокинга. Композиция открывающая альбом с интересной анимацией по ссылке ниже.
https://vk.com/pavelmazheikabooksreview
https://t.me/pavelmazheikabooksreview
=> Эта рецензия на "живой книге (мой ник PavelMozhejko) <=