Какой вклад внес Хокинг в теоретическую физику и наши представления о Вселенной

СНОБНаука

Он считал себя умнее. Памяти Стивена Хокинга

14 марта 2018 г. Умер Стивен Хокинг — самый известный ученый современности. О том, какой вклад внес Хокинг в теоретическую физику и наши представления о Вселенной, рассказывает Алексей Старобинский, один из крупнейших специалистов по релятивистской гравитации и космологии, много раз лично встречавшийся с Хокингом

Беседовал Алексей Алексенко

0:00 /
1238.594

Можно сказать, что главных достижений в научной жизни Стивена Хокинга было три, и я расскажу о них хронологически. Они относятся к трем областям физики: классической теории гравитации, квантовой теории гравитации и космологии.

Вершина первая: теоремы Хокинга — Пенроуза

С этого он начинал, и к тому моменту, когда мы с ним впервые встретились, уже успел прославиться. Кстати, мы познакомились еще до той его встречи со мной и с Яковом Зельдовичем в Москве, которую он описывает в своей книжке. В действительности первая, и более важная, встреча произошла в 1973 году. Тогда большой делегации молодых советских ученых разрешили выехать в Польшу, на конференции в Варшаве и Кракове. В Варшаве темой конференции были черные дыры, в Кракове – космология, и именно об этом были те первые из главных работ Хокинга.

Речь идет о статьях 1966–1967 годов и последующей работе в соавторстве с другим знаменитым британским математиком и физиком — Роджером Пенроузом, опубликованной в 1970-м. В итоге были доказаны несколько родственных теорем. В математическом смысле это были «теоремы существования»: утверждения о том, что при некоторых предположениях должен существовать объект с такими-то свойствами.

Хокинг сформулировал «гипотезу космической цензуры»: согласно ей, невозможность наблюдать сингулярности внутри черных дыр — фундаментальный закон природы

У уравнений общей теории относительности Эйнштейна есть одно свойство, которого нет у более ранних физических теорий — например, у теории Ньютона. В тех теориях все (или почти все) решения уравнений регулярны. Другими словами, все величины, которые могут быть измерены, всегда принимают конечные значения. Но оказалось, что в уравнениях Эйнштейна это не так. У них существуют общие решения с сингулярностями, то есть такие ситуации, когда кривизна пространства-времени обращается в бесконечность.

О том, что сингулярность в принципе иногда может возникать из теории Эйнштейна, было известно со времен замечательного российского ученого Александра Фридмана. Однако многие физики и математики считали, что она возникает только из-за чрезмерной математической идеализации природы: Фридман нашел очень симметричные решения, в которых нет пространственных неоднородностей. Итоговый результат Пенроуза и Хокинга в том и состоял, что опасаться этого не следует. Они строго доказали, что сингулярность возникает и в самых общих решениях этих уравнений, которые где-то в природе должны реализоваться. Другими словами, сингулярности не просто ничему не противоречат, а действительно возникают.

4048669c78d63675688d67c6cf8e5fe8896ce34f723d5bc740661bd20f9298df.jpg
Участники симпозиума 1982 года в Кембридже. Стивен Хокинг в центре в первом ряду, за его спиной стоит Алексей Старобинский. Фото из личного архива

 

Фундаментальной «теоремы существования» может быть достаточно для математиков, но физикам нужны наблюдаемые следствия. Такие сингулярности должны существовать внутри черных дыр, однако их мы увидеть не можем по принципиальным соображениям: это сингулярности без наблюдаемых нами эффектов. Хокинг много думал об этом и даже сформулировал «гипотезу космической цензуры»: согласно ей, невозможность наблюдать сингулярности внутри черных дыр — фундаментальный закон природы. Однако наблюдаемые эффекты может иметь другая сингулярность — та, что была в прошлом нашей Вселенной. Поэтому имеет смысл попытаться найти эти эффекты.

Разумеется, когда мы говорим, что какие-то величины обращаются в бесконечность, нам следует сделать оговорку. В бесконечность обращаются лишь решения эйнштейновских уравнений, однако мы знаем, что в таких условиях эти уравнения не могут быть точными, потому что вступают в силу законы квантовой механики. Естественно, что это подтолкнуло Стивена Хокинга к изучению квантово-гравитационных эффектов.

Существует ли квантовая гравитация?

Часто можно слышать или читать в популярных статьях, что квантовой теории гравитации не существует. Это все повторяют, но это неверно: на сегодняшний день открыто много квантово-гравитационных эффектов, и они наблюдаемы. Чего не существует, так это полной квантовой теории гравитации, перенормируемой или конечной. Но в этом смысле не существует и полной квантовой теории поля. О том, что квантовой теории гравитации нет вообще, можно было говорить лет сорок назад, до работ Стивена Хокинга и других, до моих собственных работ по этой теме. Мы не знаем, что происходит при энергиях выше порядка планковской массы — это около 10 микрограммов, — но до этих энергий наши расчеты дают надежные предсказания. Путаница возникает, когда говорят, что теория гравитации неперенормируема и принципиально не сочетается с квантовой механикой. Это верно для теории Эйнштейна, но мы ведь и не пользуемся ей в чистом виде.  Во-первых, мы знаем, что к ней нужно добавлять следующие члены, квадратичные по кривизне. Именно так устроена, скажем, моя инфляционная модель. В этой теории нет проблемы перенормируемости. Там есть другие проблемы, но мы сейчас об этом не будем говорить. Во-вторых, мы не считаем метрику пространства-времени классической и детерминистической величиной (даже в настоящее время!). Поэтому все существующие предсказания квантово-гравитационных эффектов формулируются для различных средних значений случайных величин, и именно в таком виде их подтверждают наблюдения в случае инфляционного сценария ранней Вселенной. Наконец, на самом деле никто и не ждет, что полную квантовую теорию поля можно построить отдельно для гравитации: это можно будет, видимо, сделать только в рамках объединения всех взаимодействий.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Как повысить самооценку и обрести уверенность? 11 советов психолога Как повысить самооценку и обрести уверенность? 11 советов психолога

Заниженная самооценка мешает нам строить здоровые отношения и карьеру

Psychologies
Мюнхен — город, непохожий на Германию Мюнхен — город, непохожий на Германию

Столица модников и гурманов, науки и искусств с видом на Альпы

Vogue
Фортуна любит везучих Фортуна любит везучих

Как гарантированно привлечь удачу без глупых суеверий и магии

Maxim
Нулевая «Сумма»: как государство отвернулось от Зиявудина Магомедова Нулевая «Сумма»: как государство отвернулось от Зиявудина Магомедова

Почему миллиардера Зиявудина Магомедова преследуют неудачи

Forbes
11 способов становиться немного умнее каждый день 11 способов становиться немного умнее каждый день

Интеллект, как и тело, требует правильного питания и регулярных тренировок

Psychologies
Окаменей! Окаменей!

Как превратить деревянные подсвечники в каменные

Seasons of life
7 самых распространенных способов обмана на шиномонтаже 7 самых распространенных способов обмана на шиномонтаже

Как не попасться на крючок мошенников в шиномонтаже

Maxim
Выхода нет. Почему люди не могли выбраться из горящей «Зимней Вишни» Выхода нет. Почему люди не могли выбраться из горящей «Зимней Вишни»

Что известно о пожаре в Кемерово

Forbes
Интуитивное питание: с чего начать? Интуитивное питание: с чего начать?

Интуитивное питание в противовес "здоровому" становится популярным

Psychologies
Идолы Идолы

Дожди и ветра оставили причудливые фигуры, которым поклонялись люди

Seasons of life
Спецслужбы-дилетанты: как на самом деле убивает «Новичок» Спецслужбы-дилетанты: как на самом деле убивает «Новичок»

Насколько реальна версия Терезы Мэй об отравлении Скрипалей

Forbes
Убытка не будет. «Газпром» приготовился выплатить «Нафтогазу» $2,6 млрд Убытка не будет. «Газпром» приготовился выплатить «Нафтогазу» $2,6 млрд

Промедление с выплатой долга увеличивает его на $0,5 млн ежедневно

Forbes
Модный марафон Модный марафон

Как и зачем бренд 12storeez выпускает по 12 коллекций одежды в год

РБК
Херон Престон: «Я хотел пригласить Путина на свою вечеринку и выпить с ним водки» Херон Престон: «Я хотел пригласить Путина на свою вечеринку и выпить с ним водки»

Дизайнер рассказал Vogue о запуске новой капсульной коллекции

Vogue
Майкл Кейн о свингующих 1960-х и лучших фильмах всех времен Майкл Кейн о свингующих 1960-х и лучших фильмах всех времен

Майкл Кейн завоевал киномир еще в 1960-е

Esquire
Беспроигрышный вариант: 9 стильных юбок на любой вкус Беспроигрышный вариант: 9 стильных юбок на любой вкус

Мы нашли для тебя 9 стильных юбок на любой случай

Cosmopolitan
Я живу на разрыв Я живу на разрыв

Саша Бортич — красивая девушка, которая не хочет быть холодной и расчетливой

OK!
Весёлые роботы Немо Голда Весёлые роботы Немо Голда

Немо Голд за год делает не меньше двадцати электрических и механических роботов

Популярная механика
Почему у магазинных помидоров «картонный» привкус? Почему у магазинных помидоров «картонный» привкус?

Современные магазинные помидоры не слишком вкусны

Популярная механика
Илоново дело Илоново дело

Под давлением космических амбиций хайтек мифология пошла первыми трещинами

Quattroruote
10 малоизвестных производителей самолётов Франции 10 малоизвестных производителей самолётов Франции

Великолепная десятка французских производителей самолётов

Популярная механика
Темная сторона Темная сторона

55‑метровая московская квартира, которая принадлежала антикварам

AD
Инструкция: как отличить вбросы от правды Инструкция: как отличить вбросы от правды

Esquire подготовил памятку для борьбы с фейками

Esquire
Пока все дома Пока все дома

Лучший бас России Ильдар Абдразаков царствует в особняке под Веной

Tatler
Русский стиль в изгнании: как одеваются наши девушки в разных странах Русский стиль в изгнании: как одеваются наши девушки в разных странах

Что же такое русский стиль и как сохранить идентификацию вдали от родины

Cosmopolitan
Как спрятать голову в железо Как спрятать голову в железо

История доспехов в европейском Средневековье и технология воссоздания в наши дни

Популярная механика
Куда летим? Куда летим?

Таллин и Рига: рассказываем о прибалтийских столицах

Лиза
Масло масляное Масло масляное

Насладиться вкусом, получить пользу

Лиза
Без остатка Без остатка

Как превратить кухню в безотходное производство

Yoga Journal
Клык с бриллиантом и золотая челюсть: самые странные Клык с бриллиантом и золотая челюсть: самые странные

Украшение на зубы – непременный атрибут у примитивных народов

Cosmopolitan
Открыть в приложении