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

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
В плену стереотипов: почему рекрутеры не нанимают лучших сотрудников В плену стереотипов: почему рекрутеры не нанимают лучших сотрудников

Сфера HR в России полна предрассудков, которые влияют на подбор кадров

Forbes
Вечные девственники: 6 исторических личностей, которых не интересовал секс Вечные девственники: 6 исторических личностей, которых не интересовал секс

Эти люди точно знали, как сублимировать эффективно

Cosmopolitan
«Писать хайку — все равно что медитировать» «Писать хайку — все равно что медитировать»

Древнее японское искусство хайку и сегодня пользуется успехом

Psychologies
Четыре способа вернуться к себе Четыре способа вернуться к себе

Разные виды психотерапии – разные пути, ведущие к внутренней зрелости

Psychologies
Набор качеств Набор качеств

Борис Минаев — о вымирающем виде мужчин

GQ
12 качеств, которые все ошибочно считают признаком ума 12 качеств, которые все ошибочно считают признаком ума

Как просто выявить фальшивого интеллектуала

Maxim
Приготовить себя. Что такое «Зеркало Карлоса Сантоса» и как оно создавалось Приготовить себя. Что такое «Зеркало Карлоса Сантоса» и как оно создавалось

В Москве начал работать «ресторан в трех действиях» «Зеркало Карлоса Сантоса»

СНОБ
Почему женщины изменяют? Почему женщины изменяют?

О причудливой психологии неверности рассказывает Михаил Лабковский

Cosmopolitan
Двойная игра. Обвалят ли рубль решения ФРС и Банка России Двойная игра. Обвалят ли рубль решения ФРС и Банка России

Для курса рубля ситуация на нефтяном рынке по-прежнему важна

Forbes
Это просто детский сад какой-то! Это просто детский сад какой-то!

Что влияет на решение родителей, отдавать ли ребенка в детсад

Psychologies
Электромобили 2018 Электромобили 2018

С какими трудностями столкнулись производители электромобилей

CHIP
Серб и молод Серб и молод

Милош Бикович примерил одежду из последних коллекций

Esquire
Илон Маск. Марсианин Илон Маск. Марсианин

Следующий шаг Илона Маска - наладить на Красную планету доставку астронавтов

Караван историй
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
Российские ученые создали синтетическую Российские ученые создали синтетическую

Российские ученые научились создавать материалы с заданными свойствами

Популярная механика
Илья Лагутенко: «За 20 лет группа Илья Лагутенко: «За 20 лет группа

Илья Лагутенко рассказал о морях, кораблях, новом альбоме

Esquire
Земляне Земляне

Анна и Василий Рябовы открыли питомник растений. И теперь работают на земле

Seasons of life
10 малоизвестных производителей самолётов Италии 10 малоизвестных производителей самолётов Италии

Обзор современных итальянских авиастроителей

Популярная механика
Идолы Идолы

Дожди и ветра оставили причудливые фигуры, которым поклонялись люди

Seasons of life
Святая простота Святая простота

В гостях у бельгийского коллекционера Акселя Вервордта

The Rake
Потрясающие картины из гвоздей: работы Джона Бисби Потрясающие картины из гвоздей: работы Джона Бисби

«Гвозди – это предметы, скрепляющие разные сущности», – говорил герой романа

Популярная механика
«Жена и дочь в детской, а я в капсуле» «Жена и дочь в детской, а я в капсуле»

Солист PIZZ’ы Сергей Приказчиков не любит отрываться и даже это слово не любит

Playboy
Слуги двух господ Слуги двух господ

Сравниваем классическую мебель и новинки в современном дизайне

AD
Нервы шалят! Почему я срываюсь? Нервы шалят! Почему я срываюсь?

Как справиться с расшалившимися нервами

9 месяцев
Богатейшие люди мира — 2018. Рейтинг Forbes Богатейшие люди мира — 2018. Рейтинг Forbes

Владелец Amazon Джефф Безос впервые возглавил рейтинг богатейших людей планеты

Forbes
Все Будде хорошо Все Будде хорошо

Золото Мьянмы: путешествие из Янгона в Мандалай и Баган

The Rake
Валентин Зубков Валентин Зубков

Яхтсмен о разнице между девушками и вулканами, беженцами и шампанским

GQ
Превозмогая невозможное: 5 историй спортсменок, которые вернулись после травм Превозмогая невозможное: 5 историй спортсменок, которые вернулись после травм

Эти девушки – пример невероятной силы духа, целеустремленности и веры в себя

Cosmopolitan
Лёгкость бытия: Всё о детоксе Лёгкость бытия: Всё о детоксе

Что такое детокс, какими бывают очищающие диеты и вообще — нужны ли они

Yoga Journal
Открыть в приложении