Британский физик-теоретик Стивен Хокинг в среду, 14 марта, скончался в возрасте 76 лет. Ученый, большую часть жизни проведший в инвалидном кресле, широко известен как популяризатор науки, в последние годы большое внимание уделял таким проблемам человечества, как глобальное потепление, состояние окружающей среды и социальное неравенство. О жизни и основных научных достижениях космолога — в материале «Ленты.ру».

«Он был великим ученым и необыкновенным человеком, чья работа и наследие будут жить в течение многих лет. Его мужество и настойчивость с блеском и юмором вдохновляли людей по всему миру. Мы будем скучать по нему», — приводит заявление детей физика Роберта, Тимоти и Люси британская газета The Guardian.

Жизнь и болезнь

Стивен Хокинг родился 8 января 1942 года в Оксфорде (Великобритания), куда его родители во время Второй мировой войны переехали из Лондона. Отец будущего физика был медиком, а мать — экономистом, они оба окончили Оксфордский университет. Хокинг пошел по их стопам, в 1962 году окончив обучение на физическом факультете того же вуза, после чего продолжил образование в Кембриджском университете, где в 1966-м получил докторскую степень.

В 1963 году у Хокинга диагностирован боковой амиотрофический склероз. Это хроническое заболевание центральной нервной системы в дальнейшем привело к практически полному параличу ученого. В 1985 году Хокинг после воспаления легких перенес трахеостомию, вследствие чего утратил способность говорить. Тогда же ученый начал пользоваться синтезатором речи, а с 1997 года — компьютером, управляемым при помощи датчика, закрепленного у мимической мышцы щеки.

Хокинг был женат два раза. В 1965 году ученый женился на студентке лингвистического факультета Кембриджского университета Джейн Уайлд. У супругов родилось два сына — Роберт (в 1967-м) и Тимоти (в 1979-м), а также дочь Люси (в 1970-м). После более 20 лет совместной жизни пара распалась. Второй раз Хокинг женился в 1995 году. Его супругой стала сиделка Элайн Мэйсон, с которой ученый расстался в 2006 году.

Сингулярность и энтропия

Начало карьеры Стивена Хокинга пришлось на 1960-е годы, когда был проведен третий из классических экспериментов, подтверждающий справедливость общей теории относительности Альберта Эйнштейна (опыт Роберта Паунда и Глена Ребки, осуществленный в Гарвардском университете, продемонстрировал так называемое гравитационное красное смещение — изменение частоты света при его прохождении вблизи массивного объекта, например, звезды).

Когда окончательно стало ясно, что теория Эйнштейна верна, пришло время для изучения ее самых экзотических следствий: расширение Вселенной (после Большого взрыва) и возможность существования черных дыр — объектов, которые не могут покинуть попавшие в них тела или излучение.

Эволюция Вселенной после Большого взрыва Изображение: NASA / WMAP

Большой взрыв, фактически рождение наблюдаемого мира, и черные дыры связаны с гравитационными сингулярностями — особенностью пространства-времени, где уравнения общей теории относительности приводят к некорректным с физической точки зрения решениям. Именно сингулярностям посвящены первые научные труды Хокинга. В своей диссертации Хокинг применил теоремы, сформулированные его коллегой, британским математиком Роджером Пенроузом, ко всей Вселенной.

 

Пенроуз первым объяснил возникновение черной дыры гравитационной сингулярностью. По Пенроузу, звезда превращается в черную дыру благодаря гравитационному коллапсу, сопровождающемуся рождением ловушечной поверхности. Теорема Пенроуза считается первым крупным математически строгим результатом теории Эйнштейна, а вклад Хокинга заключался в том, что он показал: Вселенная в момент и до Большого взрыва находилась в состоянии бесконечной плотности массы.

В начале 1970-х Хокинг с Брэндоном Картером и Дэвидом Робинсоном частично доказали гипотезу американского физика Джона Уилера, известную сегодня как теорема об отсутствии «волос» у черных дыр. Согласно теореме, изолированные незаряженные черные дыры, описанные в пространстве-времени Шварцшильда, характеризуются только двумя параметрами: массой и угловым моментом. «Волосы» в данном случае — все другие параметры.

«Эта теория (Эйнштейна — прим. «Ленты.ру») ведет к двум следующим предсказаниям для Вселенной. Во-первых, конечной стадией эволюции массивной звезды является коллапс за горизонт событий, при этом образуется черная дыра, внутри которой находится сингулярность. Во-вторых, в нашем прошлом существует сингулярность, которая в некотором смысле есть начало наблюдаемой Вселенной», — писали в 1973 году Хокинг и его соавтор Джон Эллис в монографии «Крупномасштабная структура пространства-времени».

В 1960-е черные дыры пытались описать не только при помощи общей теории относительности, но и методами квантовой механики. Хокинг пошел другим путем и применил к черным дырам термодинамику. Энтропия черной дыры, как установил израильский физик Якоб Бекенштейн, пропорциональна ее площади. Хокинг, систематически применяя термодинамику к черным дырам, получил точное выражение для энтропии черной дыры.

Главный результат

В 1970-е Хокинг посетил СССР и встретился с физиком Яковом Зельдовичем. В беседе с советскими учеными он узнал, что известный советский физик Владимир Грибов считает самим собой разумеющимся то, что черные дыры, вследствие вакуумных флуктуаций, могут излучать фотоны. На горизонте событий (поверхности, ограничивающей черную дыру, проникнув в которую частица в классическом описании не может ее покинуть) образуются пары виртуальных частиц: одна из них улетает от черной дыры, другая — падает в нее, тем самым уменьшая ее массу.

Порожденная квантовыми флуктуациями на планковских масштабах пространственно-временная пена (в представлении художника) Изображение: blogspot.ru

К сожалению, Грибов не опубликовал по этому поводу ни одной статьи, тогда как Хокинг количественно рассчитал тепловой спектр черной дыры. Например, температура черной дыры солнечной массы — порядка одной миллионной кельвина. Отличить столь малую температуру от шума современными астрономическими методами невозможно. Исследование, посвященное излучению черных дыр, многие считают главной работой Хокинга.

Волновая функция Вселенной

В дальнейшем ученый пытался исследовать черные дыры при помощи функционального интеграла — чрезвычайно мощного математического аппарата квантовой теории поля. К сожалению, методы, действенные в квантовой теории поля, не оказались эффективными при наивном (то есть не в рамках теории струн) описании гравитации.

Применяя квантовую механику ко всей Вселенной сразу, Хокинг также попробовал определить свойства ее волновой функции. Впервые волновую функцию мира и описывающее его уравнение рассмотрели американские физики Джон Уилер и Брюс Девитт. Хокинг вместе с соавтором Джеймсом Хартли из США предложили свою функцию, подчиняющуюся уравнению Уилера — Девитта. Таким образом они попробовали описать мир на допланковских масштабах. Из анализа такой волновой функции следовало, что в момент Большого взрыва во Вселенной было только пространство без времени.

Концепция Хокинга и Хартли допускает существование параллельных миров, для которых определена единая волновая функция. В этом многообразии вселенных наблюдаемая человеком действительность — лишь одна из возможных. По всей видимости, устройство мира несколько сложнее теорий Уилера, Девитта, Хокинга и Хартли, предполагающих существование волновой функции Вселенной, хотя дискуссии о ней продолжаются до сих пор.

Известность

Широкую известность Хокинг получил после того, как в апреле 1988 года была опубликована его научно-популярная книга «Краткая история времени». Труд, переведенный на десятки языков, издан общим тиражом более 10 миллионов экземпляров. Образ ученого в инвалидном кресле, занимающегося исследованием самых необычных свойств Вселенной, никого не оставил равнодушным.

В 1990-е годы Хокинг продолжил исследование черных дыр, предложив слабую версию принципа космической цензуры. В сильной форме утверждение о том, что в пространстве-времени невозможны голые, то есть не скрытые от внешнего наблюдателя, сингулярности, сформулировал еще в 1973 году Пенроуз. В частности, для черной дыры сингулярности должны находиться под ее горизонтом событий. Пенроуз, в отличие от Хокинга, полагает, что принцип космической цензуры выполняется сразу во всем пространстве-времени.

Малкольм Перри, Эндрю Строминжер и Стивен Хокинг (слева направо) Фото: Anna N. Zytkow / scientificamerican.com

В последние 20 лет Хокинг интересовался информационным парадоксом черных дыр. Сначала он утверждал, что информация, переносимая попавшими в черную дыру объектами, не сохраняется, однако потом изменил свое мнение. В своих последних работах Хокинг утверждал, что информация не теряется, но трансформируется в непригодную для использования человеком форму. Именно этому посвящены, в частности, исследования, проведенные им совместно с Малкольмом Перри и Эндрю Строминжером, о которых «Лента.ру» писала ранее.

Андрей Борисов

https://lenta.ru/articles/2018/03/14/stephenhawking/