Наука и Техника

Наука И Техника
26 ноября 2015

Кто такой Стивен Хокинг? Часть первая: восхождение ...

Когда мы задумываемся о крупных фигурах в истории науки, на ум приходят многие имена. Эйнштейн, Ньютон, Кеплер, Галилей — все великие теоретики и мыслители, оставившие неизгладимый след за свою жизнь. Во многих случаях, их вклады не были в полной мере оценены до смерти. Но сегодня нам повезло иметь рядом крупного ученого, который уже сделал значительный клад и по-прежнему жив и… здоров — Стивен Хокинг.

Многие называют его «современным Эйнштейном». Работа Хокинга в области космологии и теоретической физике не имеет равных среди современников. В дополнение к своей работе над гравитационными сингулярностями и квантовой механикой, он также обнаружил, что черные дыры излучают радиацию (так называемое излучение Хокинга). Ко всему прочему, Хокинг стал культурной иконой, регулярно появляясь на телевизионных шоу, читая публичные лекции, издавая научно-популярные книги, в которых рассказывает о своих теориях в доступном и удобочитаемом формате.

Хокинг родился 8 января 1942 года (в 300-ю годовщину со дня смерти Галилея) в Оксфорде, Англия. Его родители, Фрэнк и Изабель Хокинг, учились в Оксфордском университете, где Фрэнк изучал медицину, а Изабель философию, политику и экономику. Сначала пара жила в Хайгейте, пригороде Лондона, но впоследствии перебралась в Оксфорд, подальше от взрывов и чтобы родить своего ребенка в безопасности.

В 1950 году семья снова переехала, в этот раз в Сент-Олбанс, Хартфордшир, поскольку отец Стивена стал заведующим кафедрой паразитологии в Национальном институте медицинских исследований. Пребывая там, семья приобрела репутацию очень интеллигентных, но несколько эксцентричных людей. Они жили скромно, жили в большом, суматошном доме, за которым следили мало, и лицо каждого члена семьи постоянно скрывала книжка.

Хокинг начал свое обучение в школе Байрон Хаус, где и столкнулся с трудностями, пытаясь научиться читать (позже он обвинит в этом «прогрессивные методы» школы). Будучи в Сент-Олбанс, восьмилетний Хокинг несколько месяцев посещал старшую школу Сент-Олбанс для девочек (в которой тогда разрешалось учиться юным мальчишкам). В сентябре 1952 года его на год зачислили в школу Рэдлетт, но большую часть своих подростковых лет он проведет в Сент-Обанс из-за финансовых трудностей семьи.

Именно там Хокинг приобрел много друзей, с которыми играл в настольные игры, делал фейерверки, моделировал самолеты и катера и подолгу разговаривал на разные темы, от религии до экстрасенсорного восприятия. В 1958 году, с помощью учителя математики Дикрана Тахта, Хокинг и его друзья построили компьютер из частей часов, старого телефонного коммутатора и других списанных в утиль компонентов.

Не проявляя поначалу особых успехов в учебе, Хокинг демонстрировал значительный интерес к научным предметам, за что и получил прозвище «Эйнштейн». Вдохновляемый своим учителем Тахта, он решил изучать математику в университете. Отец, правда, рассчитывал, что его сын поступит в Оксфорд на медицинский, но поскольку в то время там нельзя было заниматься математикой, Хокинг решил изучать физику и химию.

В 1959 году, когда ему было всего 17, Хокинг сдал вступительный экзамен в Оксфорд и был удостоен стипендии. Первые полтора года ему было скучно и одиноко, поскольку он был значительно моложе своих сверстников, а вся учеба была «до смешного простой». Во второй и третий год Хокинг попытался сблизиться со сверстниками и стал популярным студентом, вступил в колледжский лодочный клуб и заинтересовался классической музыкой и научной фантастикой.

Когда пришло время последнего экзамена, Хокинг выступил не лучшим образом. Вместо того чтобы отвечать на все вопросы, он решил сосредоточиться на вопросах по теоретической физике и отбросить те, что требовали фактических знаний. В результате он получил балл, который поместил его между первым и вторым показателем. Нуждаясь в первоклассном отличии для плановой аспирантуры по космологии в Кембридже, он был вынужден сдавать устный экзамен.

Обеспокоенный тем, что его считали ленивым и трудным студентом, Хокинг описал свои будущие планы на собеседовании так: «Если вы присудите мне первую ступень, я пойду в Кембридж. Если вторую, мне придется остаться в Оксфорде, поэтому я рассчитываю, что получу первую». Впрочем, к Хокингу относились лучше, чем он думал, поэтому он получил степень бакалавра первого класса, что позволило ему продолжить научную работу в Тринити-Холле, Кембридж, в октябре 1962 года.

В первый год докторантуры Хокинг столкнулся с трудностями. Он выяснил, что его знаний математики недостаточно для работы в области общей теории относительности и космологии, поэтому его руководителем стал Деннис Уильям Сциама (один из основателей современной космологии), а не астроном Фред Хойл (которого он надеялся привлечь).

Во время обучения в аспирантуре Хокингу поставили диагноз раннего бокового амиотрофического склероза (БАС, ALS). Во время последнего года обучения в Оксфорде он упал с лестницы. Также появились трудности с греблей и местами становилась неразборчивой речь. Узнав о своем диагнозе в 1963 году, Хокинг впал в депрессию и решил, что нет смысла продолжать учебу.

Но вскоре его мировоззрение изменилось, поскольку болезнь прогрессировала медленнее, чем предсказывали врачи, — изначально ему давали два года. Подбадриваемый Сциамой, он вернулся к своей работе и приобрел неслыханную дерзость и наглость. Он публично оспорил работу Фреда Хойла и его студента Джаянта Нарликара во время лекции в июне 1964 года.

Когда Хокинг только стал аспирантом, в сообществе физиков держались споры о преобладающих теориях современной физики на тему создания Вселенной: Большого Взрыва и устойчивого состояния. В первой — Вселенная была зачата в процессе гигантского взрыва, который породил всю известную материю. Во второй — новая материя постоянно создавалась по мере расширения Вселенной. Хокинг скоро присоединился к дебатам.

Вдохновленный теоремой Роджера Пенроуза о пространственно-временной сингулярности — точке, в которой величины, используемые для измерения гравитационного поля небесного тела, становятся бесконечными — в центре черных дыр, Хокинг применил аналогичный подход ко всей Вселенной и написал об этом в 1965 году. В 1966 году Хокинг получил докторскую степень по космологии.

Примерно в тот же период Хокинг встретил свою первую жену Джейн Уайлд. Встретил незадолго перед тем, как ему поставили диагноз БАС, но их отношения только укреплялись со временем. Пара поженилась 14 июля 1966 года. Позже Хокинг скажет, что эти отношения с Уайлд дали ему «то, ради чего жить».

В своей докторской диссертации, которую он написал в сотрудничестве с Пенроузом, Хокинг применил существование сингулярностей к тому, что и Вселенная могла начаться с такой. Их совместное эссе — «Сингулярности и геометрия пространства-времен» — получило престижную премию Адамса в том же году и другие награды.

В 1970 году Хокинг стал приглашенным профессором Калифорнийского технологического института (Калтеха). Примерно в то же время он и Пенроуз опубликовали доказательство, которое включало общую теорию относительности и теорию физической космологии, разработанную Александром Фридманом.

Согласно доказательству, если Вселенная действительно следовала модели общей теории относительности — и обладала положительной, нулевой и отрицательной кривизной пространства-времени, — она должна была начаться с сингулярности. В сущности, Вселенная существовала как гравитационная сингулярность — точка с бесконечной плотностью, вмещавшая всю массу и пространство-время Вселенной, прежде чем квантовые флуктуации привели к ее быстрому расширению в процессе Большого Взрыва.

Геометрия Вселенной

Также в 1970 году Хокинг предположил то, что стало известно как второй закон динамики черных дыр. Вместе с Джеймсом Бардином и Брэндоном Картером он предложил четыре закона механики черных дыр, проведя аналогию с термодинамикой. Эти законы утверждали следующее: для стационарной черной дыры горизонт имеет постоянную гравитацию поверхности; для возмущений стационарных черных дыр изменение энергии связано с изменением площади, моментом импульса и электрического заряда; площадь горизонта является, предполагая слабое энергетическое условие, неубывающей функцией времени; невозможно сформировать черную дыру с исчезающей гравитацией поверхности.

В 1971 году он выпустил эссе под названием «Черные дыры в общей теории относительности», в котором высказал предположение, что площадь черных дыр может никогда не уменьшаться, а следовательно на количество излучаемой ими энергии можно наложить определенные ограничения. Это Эссе получило награду Hawking the Gravity Research Foundation Award в январе того года.

В 1973 году была опубликована первая книга Хокинга, которую он написал во время свои постдокторантских исследований с Джорджем Эллисом. Названная «Крупномасштабная структура пространства-времени», эта книга описывала основание самого пространства и природу его бесконечного расширения, используя дифференциальную геометрию для изучения последствий общей теории относительности Эйнштейна.

Хокинг был избран членом Королевского общества в 1974 году, через несколько недель после заявления об излучении Хокинга.

Середина — конец 1970-х переживали рост интереса к черным дырам, а также ученых, с ними связанных. Публичный профиль Хокинга начал расти и получать нарастающее академическое и общественное признание, он стал появляться в печати и на телевидении, получать многочисленные награды и почетные титулы.

В конце 1970-х Хокинг был избран Лукасовским профессором математики в Кембриджском университете. Его вступительная лекция на этой должности называлась «Виден ли конец теоретической физики». Во время этой речи он предложил N=8 супергравитацию — квантовую теорию поля, которая включала гравитацию в 8 суперсимметрий — как ведущую теорию для решения множества нерешенных проблем физики.

Продвижение Хокинга совпало с кризисом в его здоровье, поэтому он был вынужден нанять сиделку. В то же время начал меняться его подход к физике, становиться все более интуитивным и спекулятивным, не настаивающим на математических доказательствах.

К 1981 году Хокинг решил сосредоточиться на космологической теории инфляции и происхождении Вселенной. Инфляционная теория — которую предложил Алан Гут в том же году — утверждала, что после Большого Взрыва Вселенная сначала расширяться очень быстро, а потом темпы ее расширения замедлились. В ответ на это Хокинг представил работу, в которой предположил, что этой границы — начало вселенной — может и вовсе не быть.

Хокинг

Летом 1982 года вместе с коллегой Гэри Гиббонсом Хокинг организовал трехнедельный семинар под названием «Самая ранняя Вселенная» в Кембриджском университете. С Джимом Хартлом, американским физиком и профессором физики в Калифорнийском университете, он предположил, что во время самого раннего периода Вселенной (так называемой эпохи Планка) у Вселенной не было границ пространства-времени.

В 1983 году они опубликовали эту модель, известную как состояния Хартла — Хокинга. Среди прочего, модель говорила, что до Большого Взрыва время не существовало, а значит понятие начала Вселенной само по себе бессмысленно. Она также заменила изначальную сингулярность Большого Взрыва регионом, похожим на Северный полюс, поскольку в случае с Северным полюсом никто не может по нему путешествовать, ведь это точка, в которой сходятся линии, и у нее нет границы.

Из этого предложения вытекала замкнутая вселенная со множеством экзистенциальных последствий, в том числе и на тему существования Бога. Впрочем, Хокинг не исключал существование Бога, обращаясь к нему в метафорическом смысле, объясняя загадки Вселенной. Однако часто говорил, что в существовании Бога нет необходимости для объяснения происхождения Вселенной или существования единой теории поля.

В 1982 году он также начал работу над книгой, в которой попытался донести природу вселенной доступно для широкой публики. Это привело к тому, что он подписал контракт с Bantam Books на издание «Краткой истории времени», первый проект которой был издан в 1984 году.

После нескольких редакций, окончательный проект был опубликован в 1988 году и был встречен мощной критикой. Книгу перевели на много языков, и она до сих пор остается бестселлером (было продано около 9 миллионов копий).

Продолжение следует…