Легенда Стівена Гокінга: Відкриття, що зробили його відомим

ZIK 2

Професор Стівен Гокінг помер у віці 76 років. Фізик-теоретик з Кембриджа був одним з найвідоміших вчених у світі.

Але які саме відкриття він зробив? Про це у дослідженні ВВС.

Stephen Hawking artwork

Свою славу серед дослідників він здобув завдяки серії праць, у яких поєднав видатну теорію тяжіння і відносності Альберта Ейнштейна з дивним світом квантової механіки, яку зазвичай застосовують до таких крихітних речей, як атоми та молекули.

А закінчилось усе описом чорних дір, які можуть самі себе випарувати, і рівняннями, які описують всю історію розвитку Всесвіту.

Найважливіші відкриття Гокінга

  • З Оксфордським математиком Роджером Пенроузом він довів, що якщо Великий вибух відбувся, він мав початися з нескінченно маленької точки – сингулярності
  • Чорні діри випромінюють енергію, відому як випромінювання Гокінга, і поступово втрачають масу. Це пов’язано з квантовими ефектами біля краю чорної діри – області, яка називається горизонтом події
  • Він передбачив наявність маленьких чорних дір під час Великого вибуху. Ці крихітні чорні діри мали б бути неймовірно гарячими, і втрачати масу доти, поки вони не зникли – потенційно закінчивши своє існування вибухом, під час якого має вивільнитися величезна кількість енергії
  • У 70-х роках пан Гокінг вивчав, чи частинки та світло, що потрапляють до чорної діри, зникають остаточно, коли чорна діра випаровується. Він спочатку вважав, що ця «інформація» зникає зі Всесвіту. Але американський фізик Леонард Сасскінд з цим не погодився. Ці ідеї стали називатися інформаційним парадоксом. У 2004 році пан Гокінг визнав, що інформація все ж повинна зберігатися.
  • З фізиком Джеймсом Гартлом він намагався описати історію космосу в одному математичному виразі під назвою «Хвильова функція Всесвіту». Але квантова теорія показує, що відмінності між простором і часом нечіткі. Тож виявилось, що питання про те, що було до Великого вибуху, не має великого сенсу.

Одержимість чорними дірами

Перші спроби наукових публікацій пан Гокінг робив у 1960-х роках, коли був студентом і мав лише перші симптоми хвороби моторних нейронів, що матиме такий величезний вплив на його життя.

З Оксфордським математиком Роджером Пенроузом він довів, що якщо Великий вибух відбувся, він мав початися з нескінченно маленької точки, мовою фізики – «сингулярності».

У той час, коли у небі тільки-но виявили реліктове випромінення Великого вибуху (або мікрохвильове фонове випромінювання), інші космологи сподівалися на щось менш радикальне, ніж концепція цілого Всесвіту, що утворився з нічого.

Разом Гокінг і Пенроуз довели, що сподівання на більш м’які пояснення були марною справою.

Знищення чорних дір

Наступне захоплення пана Гокінга у 1970-х роках полягало в тому, щоб показати, що чорні діри взагалі-то не чорні, а насправді, як каже заголовок однієї статті, «білогарячі».

Чорні діри – головний «монстр» загальної теорії відносності. Вперше визначені і названі Джоном Вілером, вони являють собою настільки щільні області космосу, що все в їхніх межах зменшується до однієї точки – ще одни приклад сингулярності.

У той час здавалося смішним, що ці монстри гравітації можуть мати якесь відношення до делікатної теорії квантової механіки, що пояснює світло та орбіти електронів в атомах.

Але пан Гокінг довів, що це не так. Фактично, квантова теорія повністю змінює долю чорних дір.

На своїх краях, як показав пан Гокінг, завдяки цим законам чорні діри створювали і випромінювали нові частинки, втрачаючи при цьому енергію і, отже, втрачаючи масу (згадайте рівняння Ейнштейна E = mc²).

Для того, щоб чорна діра випарувалась таким чином, знадобилося б дуже багато часу. Але насамкінець пан Гокінг дійшов висновку, що їхнє зникнення відбувається з викидом енергії, еквівалентним мільйону мегатонних водневих бомб.

Коли у швейцарсько-французькій сільській місцевості на околицях Женеви відкрили Великий адронний колайдер, було сподівання, що прискорювач часток може створити мікроскопічні чорні діри і, таким чином, довести ідеї Гокінга.

Нобелівська премія тоді була б йому забезпечена. Але поки що ВАК цього не зробив.

Пояснення для Всесвіту

Після вивчення окремих чорних дір пан Гокінг звернув увагу на Всесвіт у цілому – остаточний, неминучий гравітаційний контейнер.

Закони квантової науки тут застосовуються так само, як до чорної діри, що зникає, особливо в перший момент Великого вибуху.

Поки інші дослідники намагалися зобразити короткий момент у житті молекули, використовуючи квантові закони, пан Гокінг показав, що можна вмістити всю історію цілого Всесвіту в єдиному математичному виразі – «Хвильовій функції Всесвіту», як він його назвав.

Оскільки вираз є самодостатнім – він починається з однієї сингулярності на початку часу і закінчується іншою наприкінці часу, і за необхідності історія може рухатися взад-вперед між цими двома точками.

Нема потреби, і загалом сенсу, питати, що було до Великого вибуху. Цей Всесвіт пояснить себе сам собою.

Він не завжди мав рацію

Пан Гокінг продовжував працювати над наслідками цієї теорії до кінця свого життя.

Знати, що такий математичний опис може існувати – це одне; а знати, який вираз є правильним – це набагато складніше завдання.

Розум Стівена Гокінга не був всепереможною силою – як і будь-який вчений, він час від часу помилявся, і часто мусив визнавати поразку в інтелектуальному двобої.

Ми знаємо про це зокрема через його схильність укладати чудернацькі парі щодо спірних питань – наприклад, на річну передплату журналу Playboy проти передплати журналу Private Eye.

Саме так він побився об заклад у 2004 році зі спеціалістом у галузі обчислювальних систем Джоном Прескіллом, який довів, що чорні діри не знищували повністю інформацію у Всесвіті.

Пан Гокінг визнав, що чорні діри могли зберігати інформацію про своє минуле, певним чином закодовану на їхніх краях – так званому горизонті подій.

Людина ширших горизонтів

Багатьох дослідників дратувала легкість, з якою Стівен Гокінг завойовував популярність, часто затьмарюючи інші таланти з не менш надзвичайними або непересічними ідеями.

Його роботи, як правило, знаходились на межі математичної науки, і стали ще одним кроком на шляху, яким він вирішив іти ще у студентські дні. Водночас вони не завжди були близькими до центральних наукових проблем його часу.

Тим не менш, його непересічний науковий ентузіазм, що долав обмеження хворого тіла, і здатність привернути увагу широкої громадськості до складних наукових питань ніхто не зможе заперечити.

Читайте також: Всесвітньо відомий фізик та астроном Хокінг назвав дату кінця світу