Доказанные и недоказанные теории Стивена Хокинга

Стивен Хокинг был одним из величайших физиков-теоретиков современности. Он наиболее известен своими выступлениями в популярных средствах массовой информации и постоянной борьбой с изнурительной болезнью, но его истинное влияние связано с его блестящей пятидесятилетней карьерой в науке.

Начиная с докторской диссертации в 1966 году, его новаторская работа продолжалась безостановочно вплоть до его последней работы в 2018 году, завершенной всего за несколько дней до смерти в возрасте 76 лет.

Стивен Хокинг работал на передовых интеллектуальных рубежах физики, и его теории часто казались причудливо далекими от реальности в то время, когда он их формулировал. Тем не менее, все время появляются новые подтверждающие доказательства его теорий.

От его новаторских взглядов на черные дыры до объяснения начала Вселенной — вот некоторые из его теорий, которые были подтверждены… а некоторые все еще витают в воздухе.

Большой взрыв побеждает

Стивен Хокинг написал свою докторскую диссертацию в критический момент, когда шли жаркие споры между двумя соперничающими космологическими теориями: Большим взрывом и устойчивым состоянием.

Обе теории признавали, что Вселенная расширяется, но в первой она расширялась из ультракомпактного, сверхплотного состояния в конечное время в прошлом, а вторая предполагала, что Вселенная расширяется вечно, при этом постоянно создается новая материя для поддержания постоянной плотности.

В своей диссертации Стивен Хокинг показал, что теория устойчивого состояния математически внутренне противоречива. Вместо этого он утверждал, что Вселенная началась как бесконечно малая, бесконечно плотная точка, называемая сингулярностью. Сегодня описание Хокинга почти повсеместно принято среди ученых.

Черные дыры реальны

Имя Стивена Хокинга больше всего ассоциируется с черными дырами — еще одним видом сингулярности, образующимся, когда звезда подвергается полному коллапсу под действием собственной гравитации.

Эти математические курьезы возникли из общей теории относительности Эйнштейна, и они обсуждались десятилетиями, когда Хокинг обратил на них свое внимание в начале 1970-х годов.

Согласно статье в Nature, его гениальным ходом было объединить уравнения Эйнштейна с уравнениями квантовой механики, превратив то, что ранее было теоретической абстракцией, во что-то, что выглядело так, будто оно действительно могло существовать во Вселенной.

Окончательное доказательство того, что Стивен Хокинг был прав, появилось в 2019 году, когда телескоп Event Horizon получил прямое изображение сверхмассивной черной дыры, скрывающейся в центре гигантской галактики Messier 87.

Излучение Хокинга

Черные дыры получили свое название из-за того, что их гравитация настолько сильна, что фотоны или частицы света не могут покинуть их. Но в своих ранних работах по этой теме Стивен Хокинг утверждал, что реальность более сложна, чем эта монохромная картина.

Применяя квантовую теорию, а именно идею о том, что пары «виртуальных фотонов» могут спонтанно создаваться из ничего, он понял, что некоторые из этих фотонов, по-видимому, излучаются черной дырой.

Эта теория, которую теперь называют излучением Хокинга, была недавно подтверждена в лабораторном эксперименте в Израильском технологическом институте Техниона. Вместо реальной черной дыры исследователи использовали ее акустический аналог — «звуковую черную дыру», из которой звуковые волны не могут выйти. Они обнаружили эквивалент излучения Хокинга в точности в соответствии с предсказаниями физика.

Теорема о площади черной дыры

В классической физике энтропия или беспорядок системы, который может только увеличиваться со временем, никогда не уменьшается. Вместе с Якобом Бекенштейном Хокинг предположил, что энтропия черной дыры измеряется площадью поверхности окружающего ее горизонта событий.

Недавнее открытие гравитационных волн, излучаемых сливающимися парами черных дыр, показывает, что Стивен Хокинг снова был прав. Как Хокинг сказал BBC после первого такого события в 2016 году, «наблюдаемые свойства системы согласуются с предсказаниями о черных дырах, которые я сделал в 1970 году … площадь последней черной дыры больше, чем сумма площадей первоначальных черных дыр». Более поздние наблюдения предоставили дальнейшее подтверждение «теоремы о площади» Хокинга.

Информационный парадокс

Существование излучения Хокинга создает серьезную проблему для теоретиков. Кажется, это единственный физический процесс, который удаляет информацию из Вселенной.

Основные свойства материала, из которого образовалась черная дыра, кажутся утерянными навсегда; выходящее излучение ничего не говорит нам о них. Это так называемый информационный парадокс, который ученые пытались решить десятилетиями.

Собственный взгляд Стивена Хокинга на загадку, опубликованный в 2016 году, заключается в том, что информация на самом деле не потеряна. Она хранится в облаке частиц с нулевой энергией, окружающем черную дыру, которую он назвал «мягкими волосами». Но теорема Хокинга о волосатой черной дыре — лишь одна из нескольких выдвинутых гипотез, и на сегодняшний день никто не знает истинного ответа.

Изначальные черные дыры

Черные дыры создаются в результате гравитационного коллапса уже существующей материи, такой как звезды. Но также возможно, что некоторые из них были созданы спонтанно в очень ранней Вселенной, вскоре после Большого взрыва.

Стивен Хокинг был первым человеком, глубоко изучившим теорию таких первичных черных дыр. Оказывается, они могут иметь практически любую массу, от очень малой до очень большой — хотя действительно крошечные из них уже «испарились» из-за излучения Хокинга.

Одна интригующая возможность, рассмотренная Хокингом, заключается в том, что первичные черные дыры могут составлять загадочную темную материю, которая, по мнению астрономов, пронизывает Вселенную. Однако, текущие данные наблюдений указывают на то, что это маловероятно. В любом случае, в настоящее время у нас нет инструментов наблюдения, чтобы обнаружить первичные черные дыры или сказать, составляют ли они темную материю или нет.

Мультивселенная

Одной из тем, над которой Стивен Хокинг работал в конце своей жизни, была теория мультивселенной — идея о том, что наша Вселенная, начавшаяся в результате Большого взрыва, является лишь одной из бесконечного числа сосуществующих пузырьковых вселенных.

Хокингу не понравилось предположение некоторых ученых о том, что любая ситуация, которую вы можете себе представить, должна происходить прямо сейчас где-то в этом бесконечном множестве.

В своей последней статье 2018 года Хокинг стремился, по его собственным словам, «попытаться приручить мультивселенную». Он предложил новую математическую основу, которая, не отказываясь от мультивселенной в целом, сделала ее конечной, а не бесконечной. Но, как и в случае с любыми спекуляциями о параллельных вселенных, мы понятия не имеем, верны ли его идеи. И вряд ли в ближайшее время ученые смогут проверить его идею.

Гипотеза о защите хронологии

Как ни удивительно это звучит, законы физики — в том смысле, в каком мы их понимаем сегодня — не запрещают путешествия во времени. Решения уравнений общей теории относительности Эйнштейна включают «замкнутые временные кривые», которые позволят вам вернуться в свое прошлое.

Стивена Хокинга это беспокоило, потому что он чувствовал, что путешествие во времени назад порождает логические парадоксы, которые просто невозможны.

Поэтому он предположил, что некий неизвестный в настоящее время закон физики предотвращает возникновение замкнутых временных кривых — его так называемая «гипотеза защиты хронологии». Но «догадка» — это просто «догадка» на научном языке, и мы действительно не знаем, возможно ли путешествие во времени или нет.

Нет создателя

Один из вопросов, который чаще всего задают космологам, — «что происходило до Большого взрыва?»

По мнению Стивена Хокинга, этот вопрос не имеет смысла. Фактически само время, а также Вселенная и все, что в ней, началось с Большого взрыва.

«Для меня это означает, что у создателя нет возможности существовать, — сказал он,  — потому что у создателя нет времени существовать». Многие люди не согласятся с этим мнением, но Стивен Хокинг выражал его неоднократно на протяжении всей своей жизни.

Это утверждение почти наверняка попадает в категорию «никогда не будет решено тем или иным способом».

Пророчества Судного Дня

В последние годы своей жизни Стивен Хокинг сделал серию мрачных пророчеств относительно будущего человечества, к которым он, видимо, относился вполне серьезно

Они варьируются от предположения о том, что неуловимый бозон Хиггса, или «частица Бога», может вызвать вакуумный пузырь, который поглотит вселенную, до враждебных инопланетных вторжений и захвата власти искусственным интеллектом. Хотя Стивен Хокинг был прав во многих вещах, нам остается только надеяться, что он ошибался в этих.