Как крупнейшее открытие Стивена Хокинга соединило противоречащий мир физики: квантовую механику и теорию относительности

Самое большое достижение Стивена Хокинга связанно как с его научной деятельностью в физике, так и с популярным распространением ее результатов среди обычных людей, что устраняло пробелы между понятиями, когда-то считавшимися несовместимыми. Видел ли он, что черные дыры действительно излучают материю или что популярная культура могла бы осознать тайны Вселенной, у него всегда был способ соединить, казалось бы, невозможные вещи.

До Хокинга черные дыры были самыми загадочными «сборщиками мусора» Вселенной. Ранее считалось, что ничто не может избежать огромного гравитационного притяжения черных дыр: они настолько плотные, что втягивают в себя даже свет. Но Хокинг обнаружил, что из черных дыр что-то выходит: излучение. Благодаря его работе, мы теперь знаем, что черные дыры даже не полностью черные. (У них на самом деле есть слабое свечение из-за небольшого количества энергии, которую они излучают.) Уравнение Хокинга, пришедшее ему в голову, объяснило, как это явление работает. Это стало его самым весомым достижением, которое названо в его честь: излучение Хокинга. «Его открытие заключается в том, что черные дыры имеют температуру», - говорит Джонатан Макдауэлл, астрофизик из Гарвардско-Смитсоновского центра астрофизики.

Хотя его открытие не только перевернуло с ног на голову то, что ранее считалось фундаментальной истиной о черных дырах, но на самом деле «излучение Хокинга» привнесло некоторую согласованность в физике. Его работа связана с двумя противоречивыми понятиями в теоретической физике: квантовой механикой и теорией относительности. «Это те два столпа, на которых зиждется физика, но они действительно совсем несовместимы друг с другом», - говорит Рафаэль Буссо, физик-теоретик в UC Berkely, который когда-то был учеником Хокинга.

Квантовая механика объясняет, как на самом деле устроена и работает Вселенная на самом маленьком уровне - как движутся и соединяются маленькие частицы, такие как электроны и позитроны. Если вы хотите знать, как соединяются атомы, то, квантовая механика - это ваша основа. На другой чаше весов - общая теория относительности, которая объясняет, как работает гравитация. Идея состоит в том, что крупные объекты Вселенной, подобные планетам, звездам и галактикам, фактически сгибают пространство и время вокруг них. И это диктует то, как эти объекты взаимодействуют друг с другом в пространстве.

black-hole-02.0.jpg

Две теории сильны, подкреплены большим количеством научных открытий и наблюдений. Но они, находятся в конфликте, и никому, как бы они не пытались, не удавалось подстроить эти науки друг другу. И это проблема для физиков, потому что они все склоняются к простоте. «Мы хотим уметь описывать все больше и больше явлений с меньшим количеством основных ингредиентов», - говорит Буссо.

Но Хокинг нашел способ как совместить большое и маленькое. Он наблюдал за тем, что происходит вокруг реально массивного объекта с большой гравитацией в очень небольших масштабах. В частности, он проанализировал, как частицы взаимодействуют на краю черной дыры, известном как «горизонт событий». Эта граница часто упоминается как «точка невозврата». Как только вы пересечете эту линию, вы попадаете в черную дыру, несмотря ни на что - если вы, конечно, не выяснили как передвигаться быстрее скорости света. (Спойлер: пока никак.)

Здесь мы становимся маленькими: согласно квантовой механике вакуум космоса на самом деле не совсем пустой. В нем есть частицы, которые все время появляются и исчезают. Они всплывают вместе как противоположные пары: одна частица с положительной энергией и другая с отрицательной, как инь и янь. То, что происходит с одной частичкой, влияет на другую. Как правило, эти пары быстро соединяются вместе и быстро расходятся друг от друга. Но если они формируются на «горизонте событий», то есть на краю черных дыр, то начинают происходить странные вещи.

Пары частиц, появляющиеся на «горизонте событий», начинают разрываться. Черная дыра всасывает частицу с отрицательной энергией, а положительная отбрасывается от черной дыры. Эта ускользающая частица является «излучением Хокинга», которое нагревается во время отторжения и движения в другую сторону. Втянутая частица становится частью черной дыры. Но поскольку она имеет отрицательную энергию, это фактически делает черную дыру несколько меньшей.

Если взять только черную дыру, то этот процесс будет продолжаться миллиарды и миллиарды лет. В конце концов, черная дыра утихнет - а потом, потому что черные дыры странные, они взрываются. Насколько велик взрыв? «Довольно мало по астрономическим стандартам, - писал Хокинг. Но это все еще чертовски много: около 1 миллиона мегатонн в тротиловом эквиваленте.

Конечно, многие черные дыры обычно окружены материалом, который постоянно впадает в них. Но Хокинг показал, что теоретически возможно, что черная дыра со временем исчезнет при правильных условиях. «Черные дыры не будут длиться вечно», - говорит Макдауэлл. - «После того, как все остальные звезды вымерли, черные дыры будут светиться и в итоге взорвутся».

PIA20027_16.jpg

Звезда, которую втягивает черная дыра. Изображение: NASA

Эта идея радикально изменила физику, после публикации в 1974 году. Но эта теория также решила огромную загадку: если из черной дыры ничего не ускользает, это означает, что она является «уборщицей» Вселенной, поглощающая материал, который никогда не возвращается. Но это не сходилось с другой теорией в физике. Существует закон термодинамики, который гласит, что случайность и хаос - это система, известная как энтропия, которая со временем не может уменьшаться; наша беспорядочная Вселенная не может стать чище. Как же возможно, что черные дыры пылесосят мусор? Открытие Хокинга показало, что черные дыры не нарушают этот закон термодинамики: выделяя излучение, они также сохраняют хаотичность вещей.

Однако «излучение Хокинга» не разрешило все полностью. Это стало первым важным шагом в налаживании связи между квантовой механикой и гравитацией. Есть еще много вещей о большой и малой физике, которые еще предстоит согласовать. «Излучение Хокинга» было всего лишь одним способом объединить эти фундаментальные теории физики.

«Излучение Хокинга» также подняло новые и важные вопросы. В квантовой физике набор параметров - ориентация, масса, спин и другие черты частиц - называется информацией. Эта информация находится вокруг нас. Например, когда вы сжигаете лист бумаги, информация о том, что было в нем содержится в огне, дыме и золе. Если бы вы захотели, вы могли бы собрать бумагу назад, потому что у вас есть вся информация о ней. Но «излучение Хокинга» добавило новую головоломку: если черные дыры теряют массу, куда идет вся их информация?

Информация о черной дыре медленно исчезает, когда она истощается. Излучение, которое выделяет черная дыра, фактически не содержит информации, поэтому получается, что все детали исчезают по пути. «Информация не должна быть полностью потеряна, но в этом процессе может происходить именно так», - говорит Кэти Мак, теоретик-астрофизик из Университета Северной Каролины, которая работает над книгой о конце Вселенной. Это называется парадоксом информации о черной дыре, и ученые нашли для него предварительные решения, в том числе сам Хокинг. Но до конца это все еще не решено.

Тем не менее, то, что сделал Хокинг, - это огромный шаг вперед в направлении единой теории физики - теории всего, как называется недавний фильм, основанный на его жизни. Мы все еще в процессе решения, но Хокинг начал строить этот мост. И он продолжал работать в этом направлении, пока не умер. «Он дал нам проблемы и направления, чтобы их решить... Если мы это сделаем, у нас будет полное понимание того, как фундаментальные законы действительно управляют реальностью», - говорит Мак.

Умения Хокинга соединять выходит за границы физики. Черные дыры кажутся абстрактными и таинственными, но он нашел способы донести знания о них до широких масс людей. Он мог восхитить и взволновать людей информацией о черных дырах. Он умел правильно подавать информацию для СМИ, появлялся в «Симпсонах», в сериале «Звездный путь» и многом другом. Он также писал популярные книги о своей работе. Точно также как он соединил большую и маленькую физику, он сделал обычных людей частью космологического сообщества, вдохновляя новые поколения ученых на то, чтобы раскрыть больше секретов о космосе.

По материлам: theverge

 

Комментарии

Нет созданных комментариев. Будь первым кто оставит комментарий.
Уже зарегистрированны? Войти на сайт
19.03.2024

Изображение капчи

Подписаться на новые блоги на платформе Инвестгазета:

 

Курсы валют

Официальные курсы основных валют (НБУ) на сегодня
Доллар США
ЕВРО
Фунт стерлингов

 

^