Какой вклад внес Хокинг в теоретическую физику и наши представления о Вселенной

СНОБНаука

Он считал себя умнее. Памяти Стивена Хокинга

14 марта 2018 г. Умер Стивен Хокинг — самый известный ученый современности. О том, какой вклад внес Хокинг в теоретическую физику и наши представления о Вселенной, рассказывает Алексей Старобинский, один из крупнейших специалистов по релятивистской гравитации и космологии, много раз лично встречавшийся с Хокингом

Беседовал Алексей Алексенко

0:00 /
1238.594

Можно сказать, что главных достижений в научной жизни Стивена Хокинга было три, и я расскажу о них хронологически. Они относятся к трем областям физики: классической теории гравитации, квантовой теории гравитации и космологии.

Вершина первая: теоремы Хокинга — Пенроуза

С этого он начинал, и к тому моменту, когда мы с ним впервые встретились, уже успел прославиться. Кстати, мы познакомились еще до той его встречи со мной и с Яковом Зельдовичем в Москве, которую он описывает в своей книжке. В действительности первая, и более важная, встреча произошла в 1973 году. Тогда большой делегации молодых советских ученых разрешили выехать в Польшу, на конференции в Варшаве и Кракове. В Варшаве темой конференции были черные дыры, в Кракове – космология, и именно об этом были те первые из главных работ Хокинга.

Речь идет о статьях 1966–1967 годов и последующей работе в соавторстве с другим знаменитым британским математиком и физиком — Роджером Пенроузом, опубликованной в 1970-м. В итоге были доказаны несколько родственных теорем. В математическом смысле это были «теоремы существования»: утверждения о том, что при некоторых предположениях должен существовать объект с такими-то свойствами.

Хокинг сформулировал «гипотезу космической цензуры»: согласно ей, невозможность наблюдать сингулярности внутри черных дыр — фундаментальный закон природы

У уравнений общей теории относительности Эйнштейна есть одно свойство, которого нет у более ранних физических теорий — например, у теории Ньютона. В тех теориях все (или почти все) решения уравнений регулярны. Другими словами, все величины, которые могут быть измерены, всегда принимают конечные значения. Но оказалось, что в уравнениях Эйнштейна это не так. У них существуют общие решения с сингулярностями, то есть такие ситуации, когда кривизна пространства-времени обращается в бесконечность.

О том, что сингулярность в принципе иногда может возникать из теории Эйнштейна, было известно со времен замечательного российского ученого Александра Фридмана. Однако многие физики и математики считали, что она возникает только из-за чрезмерной математической идеализации природы: Фридман нашел очень симметричные решения, в которых нет пространственных неоднородностей. Итоговый результат Пенроуза и Хокинга в том и состоял, что опасаться этого не следует. Они строго доказали, что сингулярность возникает и в самых общих решениях этих уравнений, которые где-то в природе должны реализоваться. Другими словами, сингулярности не просто ничему не противоречат, а действительно возникают.

4048669c78d63675688d67c6cf8e5fe8896ce34f723d5bc740661bd20f9298df.jpg
Участники симпозиума 1982 года в Кембридже. Стивен Хокинг в центре в первом ряду, за его спиной стоит Алексей Старобинский. Фото из личного архива

 

Фундаментальной «теоремы существования» может быть достаточно для математиков, но физикам нужны наблюдаемые следствия. Такие сингулярности должны существовать внутри черных дыр, однако их мы увидеть не можем по принципиальным соображениям: это сингулярности без наблюдаемых нами эффектов. Хокинг много думал об этом и даже сформулировал «гипотезу космической цензуры»: согласно ей, невозможность наблюдать сингулярности внутри черных дыр — фундаментальный закон природы. Однако наблюдаемые эффекты может иметь другая сингулярность — та, что была в прошлом нашей Вселенной. Поэтому имеет смысл попытаться найти эти эффекты.

Разумеется, когда мы говорим, что какие-то величины обращаются в бесконечность, нам следует сделать оговорку. В бесконечность обращаются лишь решения эйнштейновских уравнений, однако мы знаем, что в таких условиях эти уравнения не могут быть точными, потому что вступают в силу законы квантовой механики. Естественно, что это подтолкнуло Стивена Хокинга к изучению квантово-гравитационных эффектов.

Существует ли квантовая гравитация?

Часто можно слышать или читать в популярных статьях, что квантовой теории гравитации не существует. Это все повторяют, но это неверно: на сегодняшний день открыто много квантово-гравитационных эффектов, и они наблюдаемы. Чего не существует, так это полной квантовой теории гравитации, перенормируемой или конечной. Но в этом смысле не существует и полной квантовой теории поля. О том, что квантовой теории гравитации нет вообще, можно было говорить лет сорок назад, до работ Стивена Хокинга и других, до моих собственных работ по этой теме. Мы не знаем, что происходит при энергиях выше порядка планковской массы — это около 10 микрограммов, — но до этих энергий наши расчеты дают надежные предсказания. Путаница возникает, когда говорят, что теория гравитации неперенормируема и принципиально не сочетается с квантовой механикой. Это верно для теории Эйнштейна, но мы ведь и не пользуемся ей в чистом виде.  Во-первых, мы знаем, что к ней нужно добавлять следующие члены, квадратичные по кривизне. Именно так устроена, скажем, моя инфляционная модель. В этой теории нет проблемы перенормируемости. Там есть другие проблемы, но мы сейчас об этом не будем говорить. Во-вторых, мы не считаем метрику пространства-времени классической и детерминистической величиной (даже в настоящее время!). Поэтому все существующие предсказания квантово-гравитационных эффектов формулируются для различных средних значений случайных величин, и именно в таком виде их подтверждают наблюдения в случае инфляционного сценария ранней Вселенной. Наконец, на самом деле никто и не ждет, что полную квантовую теорию поля можно построить отдельно для гравитации: это можно будет, видимо, сделать только в рамках объединения всех взаимодействий.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Как эффективно разогнать мозг: советы невролога Как эффективно разогнать мозг: советы невролога

У нас такой же мозг, как у людей, которые придумали теорию струн и баночное пиво

Maxim
Одним талантом сыт (не) будешь Одним талантом сыт (не) будешь

Истории героев, открывших в себе неожиданный дар

Psychologies
Круче Беллуччи Круче Беллуччи

Ирина Дубцова. Столь знойную женщину мы просто обязаны были снять

Maxim
Техника Гуцериева: зачем миллиардер объединяет «М.Видео» и «Эльдорадо» Техника Гуцериева: зачем миллиардер объединяет «М.Видео» и «Эльдорадо»

Объединенная компания займет 25% рынка продаж бытовой техники

Forbes
11 способов становиться немного умнее каждый день 11 способов становиться немного умнее каждый день

Интеллект, как и тело, требует правильного питания и регулярных тренировок

Psychologies
Илоново дело Илоново дело

Под давлением космических амбиций хайтек мифология пошла первыми трещинами

Quattroruote
Для чего нужны странные черные бочки на станциях метро Для чего нужны странные черные бочки на станциях метро

Что это за черный ящик Пандоры, который стоит на платформах метрополитена?

ТехИнсайдер
О самом важном: Ольга Михайловская подводит итоги Mercedes-Benz Fashion Week Russia О самом важном: Ольга Михайловская подводит итоги Mercedes-Benz Fashion Week Russia

Африканские мотивы, технологичные материалы и талантливые дизайнеры-новички

Vogue
10 мыслей, чтобы вернуть себе равновесие 10 мыслей, чтобы вернуть себе равновесие

Что делать, если переживания становятся тяжелым испытанием

Psychologies
Джульетта и Ромео Джульетта и Ромео

Анна Дэвис и Даниэль Руэда — архитекторы, романтики и звезды Instagram

Seasons of life
Одной лучше! Одной лучше!

Как путешествовать в одиночку и получать от этого удовольствие?

Лиза
Убытка не будет. «Газпром» приготовился выплатить «Нафтогазу» $2,6 млрд Убытка не будет. «Газпром» приготовился выплатить «Нафтогазу» $2,6 млрд

Промедление с выплатой долга увеличивает его на $0,5 млн ежедневно

Forbes
Культурная нейронаука Культурная нейронаука

Как прогресс меняет нашу психику и мозг

Русский репортер
Александр Добрынин: Александр Добрынин:

Возможно, мой рассказ расставит некоторые точки над i в этой непростой истории

Караван историй
Держитесь за баранку. В России подорожают машины и появятся новые штрафы Держитесь за баранку. В России подорожают машины и появятся новые штрафы

Весной цены на автомобили вырастут из-за изменения ставок утилизационного сбора

Forbes
Американская мечта Американская мечта

Жилая резиденция в Москве — воплощенная мечта любителей американского стиля

AD
Plate-Tonic Love Plate-Tonic Love

Мы пришли в новую большую мастерскую керамиста Аны Илуэка

Seasons of life
MBFW, день четвертый MBFW, день четвертый

3 самых женственных показа Недели моды

Cosmopolitan
Оливия Кук — юная звезда Стивена Спилберга Оливия Кук — юная звезда Стивена Спилберга

«Первому игроку приготовиться» выходит в прокат

Vogue
Почему мы стареем быстрее? 6 причин родом из XXI века Почему мы стареем быстрее? 6 причин родом из XXI века

Мы собрали 6 современных причин старения

Cosmopolitan
Чемпионат мира среди дровосеков: как это устроено Чемпионат мира среди дровосеков: как это устроено

Это спорт для больших ребят

Популярная механика
Нефть под санкциями: как Россия лишается будущего Нефть под санкциями: как Россия лишается будущего

Санкции еще нанесут удар по российской нефтяной отрасли

Forbes
Укладка в клетке и Укладка в клетке и

Мы решили вспомнить о европейских прическах XVII–XVIII веков

Cosmopolitan
История насосного производства, или введение в датские технологии История насосного производства, или введение в датские технологии

Чем известна Дания? Подходом к производству водяных насосов!

Популярная механика
С вещами на выход: восемь российских бизнесменов покинули глобальный рейтинг Forbes С вещами на выход: восемь российских бизнесменов покинули глобальный рейтинг Forbes

Кто покинул список долларовых миллиардеров

Forbes
5 проверенных наукой способов манипулирования людьми 5 проверенных наукой способов манипулирования людьми

Наконец ты заставишь людей делать то, что хочется тебе!

Maxim
Новый Poiret: все о возрождении одного из старейших Домов моды Новый Poiret: все о возрождении одного из старейших Домов моды

Сможет ли Poiret вернуть былую славу?

Vogue
7 секретов стиля Кендрика Ламара 7 секретов стиля Кендрика Ламара

Как быть модным, не модничая

Esquire
Набор качеств Набор качеств

Борис Минаев — о вымирающем виде мужчин

GQ
Счастье есть Счастье есть

Счастливая квартира в Минске от архитекторов бюро “Бахарев и партнеры”

AD
Открыть в приложении