Что открыл стивен хокинг в астрономии
Стивен Хокинг и его работа — что дал ученый человечеству?
Выступление Хокинга в виде голограммы перед слушателями в Гонконге. Ученый находился в это время с собственном офисе в Кембридже
Как уже сообщалось на Geektimes, cегодня утром в своем доме ушел из жизни один из величайших ученых нового времени, британский физик-теоретик Стивен Хокинг. Ему было 76 лет. Несмотря на тяжелую болезнь, боковой амиотрофический склероз, Хокинг жил практически полноценной жизнью — выступал на конференциях, появлялся на телевидении, даже озвучивал самого себя в «Симпсонах». Но, конечно, известность он получил не столько за публичную деятельность, сколько за свои научные работы. Научным изысканиям и достижениям Хокинга и посвящена эта статья.
Что это за работы и в каком направлении «копал» ученый? Почему о нем и его книгах, концепциях говорят очень многие? Хокинг — один из основоположников квантовой космологии. Ученый формировал теорию возникновения Вселенной в результате Большого взрыва. В ходе работы он сделал большое количество открытий, включая такую специфическую сферу, как эволюция звезд. Одна из его первых книг, «Краткая история времени», стала научно-популярным бестселлером, его читали даже люди, весьма далекие от науки.
В этом материале биографических данных не очень много, он написан для того, чтобы дать представление о работе Хокинга. Правда, для лучшего понимания того, насколько выдающимся человеком он был, стоит указать несколько фактов из жизни ученого, всего пара абзацев.
Стивен Хокинг родился 8 января 1942 года в Оксфорде. Несмотря на ум, в учебе в школе он не выделялся, как, собственно, и многие ученые до него. Троечником был и Эйнштейн. Кстати, Хокинг получил от школьных товарищей прозвище Эйнштейн. После школы он поступил в вуз, и во время учебы врачи поставили Хокингу диагноз — боковой амиотрофический склероз. К сожалению, это заболевание не лечится, и большинство пациентов с таким диагнозом умирают еще молодыми.
Речь студента становилась все менее внятной, ему стало трудно ходить, мелкая моторика рук стала проблемой. Тем не менее, будущий выдающийся ученый продолжил учебу. В 1962 году он закончил университет, получив степень бакалавра по математике и физике. После того, как врачи диагностировали болезнь, Хокингу давали всего два года — на большее медики не рассчитывали.
Тем не менее, болезнь не слишком быстро прогрессировала, и Хокинг ходил до конца 60-х, после чего ему пришлось начать передвигаться на коляске. В 1985 году ученый перенес воспаление легких, после чего он утратил способность говорить. Именно тогда он стал использовать синтезатор речи. Все это не остановило его от избранного пути — пути к познанию.
В 1965 году молодой специалист начал вести научную деятельность в Кембриджском университете в колледже Гонвилль и Киз. Всего через год он получил степень доктора философии. После этого деятельность ученого стала весьма разнообразной. К примеру, он перешел на работу в Институт теоретической астрономии. Там, на кафедре прикладной математики и теоретической физики, Хокинг стал профессором физики и математики.
Начало его карьеры пришлось как раз на 60-годы, когда был проведен третий из серии классических экспериментов «опыт», который подтвердил справедливость общей теории относительности Альберта Эйнштейна. Этот опыт показал гравитационное красное смещение — то есть изменение частоты света при прохождении луча рядом с массивным объектом, например, звездой.
Когда теория Эйнштейна была подтверждена, ученые стали исследовать возможные ее проявления и следствия. Например, динамику расширения Вселенной после выхода из состояния равновесия. Также многие специалисты занялись изучением черных дыр. Эта тематика заинтересовала и Хокинга. В диссертации ученый использовал теоремы, которые сформулировал его коллега, британский математик Роджер Пенроуз. Заслуга Стивена Хокинга была в том, что он применил эти теоремы ко всей Вселенной, объясняя, в частности, гравитационные сигнулярности. Они предоставляют собой феномен пространства-времени, попытки применить уравнения общей теории относительности к которому дают некорректные с физической точки зрения решения.
Интересно, что именно Пенроуз смог объяснить процесс возникновения черных дыр, связав его с сингулярностью. Пенроуз утверждал, что обычная звезда превращается в черную дыру благодаря гравитационному коллапсу, который сопровождается рождением особого рода поверхности. Ее можно назвать «ловушечной».
Понятно, что «изучать» черные дыры напрямую нельзя, поэтому приходится предлагать объяснения различным явлениям, следя за тем, чтобы это объяснение согласовывалось с другими феноменами и их проявлениями, а также с общей концепцией пространства-времени. В 1971 году Хокинг предположил, что кроме обычных черных дыр существуют и микроскопические объекты с массой в миллиарды тонн но объемом, не превышающем объем протона.
Развивая эту теорию, в 70-х годах прошлого века Хокинг вместе с учеными Брэндоном Картером и Дэвидом Робинсоном смогли подвести доказательную базу под гипотезу американского физика Джона Уилера. Согласно ему, изолированные черные дыры, описанные в пространстве-времени Шварцшильда, могут характеризоваться двумя параметрами. Первый — масса и второй — угловой момент.
В своей работе «Крупномасштабная структура пространства-времени» Хокинг с другим ученым, Джоном Эллисом указывали, что конечным этапом эволюции массивной звезды является черная дыра. То есть коллапс за горизонт событий, в результате чего и образуется черная дыра, внутри которой, в свою очередь, образовывается сингулярность. Ученые утверждали, что в начале эволюции Вселенной тоже была сингулярность, которую можно охарактеризовать как начало всех начал.
Многие коллеги Хокинга в 60-е годы прошлого века старались объяснить образование и существование черных дыр лишь методами квантовой механики и положениями общей теории относительности. Хокинг же одним из первых, если не первым, стал применять термодинамику. Ему удалось получить точное выражение для энтропии черной дыры. В этом случае Стивен Хокинг воспользовался работами израильского физика Якоба Бекенштейна, который вывел зависимость — энтропия черной дыры пропорциональна ее площади.
В 70-х Стивен Хокинг встретился с рядом ученых СССР, включая известного физика Якова Зельдовича. Последний считал, что черные дыры вполне могут излучать фотоны. Все дело в том, что на горизонте событий в черной дыре образуются пары виртуальных частиц. Причем одна из них уходит от дыры, а вторая — падает в нее. Воспользовавшись этой перспективной идеей, Хокинг смог рассчитать тепловой спектр черной дыры. Он получил интересный результат. К примеру, температура черной дыры с массой, равной солнечной, почти нулевая, всего одна миллионная кельвина. Из-за этого черные дыры нельзя обнаружить обычными методами. Зато такие объекты отклоняют световые лучи при прохождении тех рядом, что является косвенным свидетельством существования дыры в пространстве. Современные астрономы определяют местоположение массивных объектов, включая черные дыры, именно благодаря этому явлению.
Спустя некоторое время Хокинг совместно с коллегой, ученым Джеймсом Хартли из США разработал концепцию, согласно которой существуют параллельные миры, для которых есть единая волновая функция. И то, что наблюдаем мы, люди — лишь одна из возможных реальностей. Эта концепция в дальнейшем перекочевала в массу научно-фантастических произведений, основа которых — как раз теория множественности реальностей.
Несмотря на то, что тело становилось все более немощным, мозг ученого работал четко и ясно. Он продолжал вести научную деятельность и активную жизнь. К сожалению, через время ученый смог управлять лишь одной мышцей своего тела — мимической мышцей щеки. Специально для Хокинга инженеры разработали систему управления компьютером на основе датчика движения. То есть движениями мимической мышцы Хокинг управлял системой.
Он продолжал активно работать. Хокинг опубликовал работу, о которой говорилось выше — «Краткую историю времени». Эта работа переведена на большое количество языков. Общий тираж книги составляет более 10 миллионов экземпляров.
Хокинг, кстати, первым заявил, что информация, которая была перенесена в черную дыру попавшими в нее объектами, не сохраняется. Правда, потом ученый изменил свое мнение, пояснив, что информация не теряется, однако трансформируется в форму, недоступную для человека. Материя, которая попадает в дыру, испаряется благодаря излучению Хокинга. А вот информация сохраняется не внутри черной дыры, а на горизонте событий. Хокинг объяснил это явление при помощи техники функционального интеграла, который взят по пространству с тривиальной топологией.
«Черные дыры на самом деле не такие уж черные, как их рисуют. Это не вечные тюрьмы, которыми их представляют. Что-то может выйти из них и, возможно, в другую вселенную. Так что, если вы чувствуете, что попали в черную дыру, не сдавайтесь. Выход есть!», — говорил Хокинг на одной из своих лекций.
Что касается других вселенных, то Стивен Хокинг и ряд его коллег считали и считают, что черные дыры могут быть туннелями в «сосдение» вселенные. Правда, не все черные дыры, а только те из них, которые достаточно велики и вращаются. Правда, пройдя по такому туннелю, в нашу вселенную вернуться нельзя. Интересно, что и эта концепция стала основой для ряда научно-фантастических произведений.
К слову, несмотря на то, что работы космологов довольно сложны для понимания (и это мягко сказано), реальное устройство мира еще сложнее, ведь физики и математики пытаются объяснить лишь часть феноменов, которые мы наблюдаем или считаем, что наблюдаем. Процесс познания — бесконечен, как и сама Вселенная. Нельзя надеяться на то, что устройство Вселенной станет ясным нашим потомкам через сто или даже тысячу лет. Но какие-то моменты проясняются, а туман непознанного постепенно рассеивается, хотя бы и понемногу, открывая четкие грани Знания. И в этом — несомненная заслуга Стивена Хокинга. После его смерти дети ученого заявили, что он оставил наследие нескольким поколениям сразу. В этом не приходится сомневаться.
Чем запомнился Стивен Хокинг
Стивен Хокинг – выдающийся и всемирно известный ученый-теоретик в сфере физики и научный просветитель.
Стал популярен благодаря изучению Большого взрыва и написанию книги о происхождении и развитии Вселенной. Представил научному миру гипотезу об энергетических потерях черных дыр по горизонту событий.
Будущий ученый родился в Великобритании 8 января 1942 года. Его родители переехали в Лондон из Оксфорда, опасаясь немецких бомбежек во время Второй мировой войны. Отец Стивена трудился исследователем в медицинской организации, а мать – там же секретарем. Кроме Хокинга-младшего в семье были две сестры (Мэри и Филипп) и приемный ребенок, брат Стивена, Эдвард.
«Жизнь была бы очень трагичной, если бы не была такой забавной.»
В начале 60-х гг. Стивену Хокингу поставили серьезный диагноз – боковой амиотрофический склероз, ведущий к развитию паралича. Специалисты пришли к выводу, что светилу мировой науки осталось жить только два года. К счастью, прогресс заболевания шел очень медленно.
Стивен Хокинг был студентом в Оксфордском университете и успешно завершил учебу в 1962 году, а спустя три года получил степень доктора философии в Кембридже, закончив диссертацию о расширяющихся вселенных. В дальнейшем ученый работал исследователем в колледжах и институтах астрономии, затем преподавал теорию гравитации. Под конец 60-х гг. Хокинг окончательно перешел на инвалидную коляску из-за активности своего недуга.
«Я понятия не имею, какой у меня IQ. Те, кого интересует их IQ, просто неудачники.»
В 1965 году Стивен впервые женился и стал отцом двух сыновей и дочки. Развод из-за ухудшения отношений состоялся в 90-х гг., после чего Хокинг женился на собственной сиделке. С ней он пробыл 11 лет, а в 2006 году опять развелся.
В конце 70-х гг. Хокинг стал профессором гравитационной физики, а чуть позже – математики. В этот же период Стивен стал членом Королевского общества в Лондоне и даже дважды приезжал в СССР, обсуждая идеи черных дыр и квантовой теории гравитации.
В 1985 году Стивен пережил воспаление легких и утратил речевую способность. Синтезатор вербальной функции был установлен на кресло ученого, которым Хокинг управлял с помощью указательного правого пальца, а потом – мимической лицевой мышцы.
В 2007 году Стивен Хокинг осуществил полет в невесомости на специализированном самолете. Это была его мечта.
Скончался ученый 14 марта 2018 года в возрасте 76 лет.
Основную известность английскому ученому принесли открытия сразу в нескольких направлениях:
Именно Стивен Хокинг совместно с физиком Роджером Пенроузом разработал в 70-х гг. на базе общей теории относительности и теории гравитации Эйнштейна теорию Большого взрыва, который создал Вселенную из-за расширения гравитационной сингулярности.
Стивен Хокинг сформулировал второй термодинамический закон черных дыр об увеличении их площади горизонта событий. Кроме этого, он внес значительный вклад в решение парадокса исчезновения информации в черных дырах.
С помощью квантовой физики Стивен Хокинг доказал: черные дыры испускают тепловое излучение вплоть до своего исчезновения. Данный процесс так и был назван в честь ученого – излучение Хокинга.
Отдельное внимание британский физик уделял зарождению галактик. Он был сторонником инфляционной модели Вселенной (идеи об ускоренном развитии горячей Вселенной на ранних стадиях Большого взрыва). Хокинг много рассказывал о том, как незначительные изменения на первых порах расширения Вселенной потом привели к появлению различных галактик.
Вместе с Джемсом Хартлом в 1983 году Стивен разработал теорию о волновой функции Вселенной. Эту модель используют физики со всего мира для разработки теории квантовой гравитации и вычислений. Основная идея теории – Вселенная произошла из ниоткуда, т.е. не обладает первопричиной.
«Мы всего лишь развитые потомки обезьян на маленькой планете с ничем не примечательной звездой. Но у нас есть шансы постичь Вселенную. Это и делает нас особенными.»
Примечательно, что Хокинг регулярно расширял масштаб своей популярности, с удовольствием становясь прототипом персонажей во многих мультфильмах и сериалах. Его появление на телевидении, прежде всего, запомнится образами из «Симпсонов» и ролью в «Теории Большого взрыва», которая была создана во многом благодаря научным идеям британского физика.
Стивен Хокинг в течение всей жизни стремился ответить на вопросы прошлого и будущего и при этом был убежденным атеистом. Ученый считал, что черные дыры вполне могут содержать вход в параллельный мир, а люди способны научиться создавать малые черные дыры для потребления энергии.
Стивен Хокинг и деньги
Всемирный ученый был не только выдающимся специалистом и обладателем редкого ума, но и весьма отважным человеком, который никогда не впадал в отчаяние. Пересев на инвалидное кресло и находившись в скромном статусе преподавателя ВУЗа, однажды Стивенг Хокинг решил, что будет зарабатывать деньги с помощью науки.
«Я убежден, что наука и исследовательская деятельность приносят больше удовольствия, чем зарабатывание денег.»
И тогда ученый стал писать книги об устройстве Вселенной, где даже самые сложные термины были объяснены простыми словами. При этом он получил 12 ученых степеней и за отдельные достижения в области физики получал по 3 миллиона долларов. В результате Хокинг издал 17 книг по космологии, многие из которых стали бестселлерами. К моменту своего ухода из нашего мира ученому удалось заработать порядка 20 миллионов долларов.
Стивен Хокинг прожил долгую и счастливую жизнь, наполненную не только личными, но и мировыми открытиями. Он стал настоящим примером стойкости человеческого духа, заключенного в ограниченную физическую оболочку. Как истинный ученый, он также никогда не боялся смерти, хотя твердо был уверен, что за пределами земной жизни нет иных форм существования. При этом физик никогда не терял чувства юмора и любви к окружающему миру.