Физик Артем Юров на смерть Стивена Хокинга: «Уходят Гиганты»

14 стало известно о смерти английского физика-теоретика и популяризатора науки Стивена Хокинга. Он умер в возрасте 76 лет. Хокинг изучал теорию возникновения мира в результате Большого взрыва, а также теорию черных дыр. За вклад в науку исследователь получил множество наград, включая Премию Эйнштейна, Премию по фундаментальной физике и Медаль Альберта Королевского общества искусств.

Профессор БФУ им.И.Канта, доктор наук, физико-космолог, популяризатор науки Артем Валерьянович Юров рассказывает о великих открытиях Хокинга, о том, почему его уход - невосполнимая потеря для мировой науки, и почему Хокинг – это гигант мировой научной мысли.

Артем Юров: 


Когда умер Эренфест, Эйнштейн сказал, что говорить о таких людях вне их научных интересов принципиально неправильно (не ручаюсь за точность, но смысл был именно такой). И это абсолютно верно! Научные Гиганты именно потому Гиганты, что практически весь их интерес сконцентрирован на науке. Они не декларируют, что занимаются наукой, они не пишут пустых квазинаучных статей. Они просто живут на переднем крае неведомого. Следуя указанию Великого Эйнштейна, я расскажу о главных результатах Великого Хокинга.

Стивен Хокинг занимался самыми фундаментальными вопросами, самой фундаментальной физики, и для широкой публики он известен главным образом своим невероятным мужеством. Судите сами, в возрасте 21 года ему был поставлен диагноз — боковой амиотрофический склероз (болезнь Шарко или болезнь Лу Герига). Врачи сказали, что Хокингу осталось два года максимум. Как они ошиблись! Ошиблись на 54 года! Прикованный к креслу, парализованный человек дважды взорвал наши представления о физике, о Вселенной. Я упомяну о двух самых главных результатах. Первый, это совместная с Роджером Пенроузом работа, в которой было ДОКАЗАНО – у классической Вселенной непременно было НАЧАЛО! Разрешите я поясню.
Все знают, что Вселенная расширяется. Если мысленно запустить этот фильм назад, то получается, что в далеком прошлом, около 13.7 миллиардов лет тому назад Вселенная была сжата до чудовищной плотности. Означает ли это, что у нее было начало? Конечно, нет. Все мы знаем, что любое сжатие рано или поздно остановится. Попробуйте сжать воздушный шарик – давление начнет расти, и остановит все наши усилия. Но оказывается, если главная сжимающая сила - гравитация и если действует теория относительности, это уже не так. Вот смотрите, теория относительности подарила нам единственную формулу, которую знают все – E=mc^2. Смысл такой: увеличится энергия – увеличится и масса. Вообразите, что при сжатии растет давление. Чем порождается давление? Хаотичным движением молекул. Чем сильнее мы сжимаем шарик, тем больше давление внутри, т.е. тем больше энергия отдельных молекул. Но подождите! Чем больше их энергия, тем больше их масса! Значит, масса шарика при сжатии должна увеличиться! А если растет масса - значит растет и гравитационная сила сжимающая шарик! Если мы говорим не о шарике, а о чем-то с очень большой массой, то гравитация оказывается самой главной силой, которая управляет этим процессом. Вот и получается, что при сжатии, образно говоря, «сжимающая сила» растет и сжимает еще сильнее, а значит, опять растет и…. Разумеется, это только образное описание. Хокинг и Пенроуз доказали, что все именно так и происходит, если сжимается вся вселенная. Это было «суровое» доказательство. Суровое в том смысле, что они использовали гораздо более сложную математику, чем использовали до них космологи-релятивисты. В результате получилась знаменитая теорема Пенроуза-Хокинга, которая утверждает, что у вселенной было начало.
Должен сказать, что обычно люди (не физики) понимают все это неправильно. Из теоремы Пенроуза-Хокинга не следует, что вселенная 13.7 миллиардов лет тому назад была сжата в точку. А следует вот что: вселенная была сжата до такого состояния, что определяющими стали квантовые эффекты. Очень ранняя вселенная была НЕ КЛАССИЧЕСКАЯ, а КВАНТОВАЯ. Классическая вселенная действительно имеет НАЧАЛО!

Вы спросите, что же было ДО НАЧАЛА? Ответ может обескуражить – вероятно, он просто не имеет смысла! Как так?! Как этот естественный вопрос может не иметь смысла? Тут дело вот в чем, Хокинг и Пенроуз доказали, что для описания очень ранней Вселенной необходима теория квантовой гравитации. Квантовая гравитация – это «святой грааль» современной теоретической физики, и как и Грааль, эта теория пока не найдена! Кстати, Хокинг заложил важнейший кирпичик в эту будущую теорию – о чем я скажу ниже. А возвращаясь к нашему вопросу о НАЧАЛЕ, отметим только одно – да, пока теория квантовой гравитации не построена, но кое-что все-таки мы уже понимаем. И это «кое-что» позволяет думать, что вопрос о том, что было ДО НАЧАЛА действительно не имеет смысла. Выглядит как бред, конечно, но дело тут вот в чем – если вы спрашиваете «что было ДО», то имеете в виду, что «до того» было ВРЕМЯ. А это не факт! Видите ли, гравитация - это проявление кривизны пространства-времени. А квантовая гравитация означает «квантовое пространство-время! Что такое «квантовое пространство-время»? Мы не знаем. Это нечто совершенно новое и непредставимое, но в любом случае «квантовое время» - это совсем не то что «классическое время», которое мы просто называем «временем». Значит, в ранней, квантовой Вселенной понятие «обычного времени» точно не работает. Значит, «было время, когда времени не было». Вот что доказал (не постулировал, не предположил, а именно ДОКАЗАЛ) Великий Хокинг!

Второй (и по моему мнению, еще более важный) результат Хокинга - это открытие испарения черных дыр. Хокинг доказал, что черные дыры должны испаряться, они все время излучают (это излучение так и называется – хокинговским). И испарение черных дыр оказалось самым важным эффектом, эффектом, который грозит новой революцией в физике!
Все знают, что физика периодически сотрясается революциями. Открытие теории относительности взорвало наши представления о пространстве-времени. Открытие квантовой механики потрясло еще больше. Судя по всему, излучение Хокинга это очередная попытка Природы предупредить нас о новых потрясениях в самых основах физики.
Вначале пару слов об испарении черных дыр. После работ Хокинга (конечно, нельзя забывать и о других ученых, скажем Якобе Бекенштейне, но все-таки вклад Хокинга – определяющ!) стало ясно, что у черных дыр есть температура. Это невероятно странное и интересное суждение! Черная дыра состоит только из сильно искривленного пространства-времени, о какой температуре можно говорить?

А что такое температура? Ответ нефизика – то, что измеряется градусником. Ответ физика – величина пропорциональная средней кинетической энергии молекул. Но почему молекул? Молекулы состоят из атомов, атомы из протонов, нейтронов и электронов, со своей, КОЛОССАЛЬНОЙ энергией! Протоны и нейтроны состоят из кварков, энергия которых внутри протонов и нейтронов вообще зашкаливает. Почему мы не учитываем их энергию говоря о температуре? Я излагаю все это просто, чтобы вы поняли – сказать, что температура определяется энергией молекул, еще не значит действительно понять, что такое температура. Оказывается, температуру можно (и нужно) определять через ЭНТРОПИЮ. Что такое энтропия? Если вы учили физику (если нет – ничего страшного, просто читайте дальше), то изучали термодинамику и помните совершенно непонятное определение энтропии: если малое количество тепла передать телу, поделить его температуру, то получим приращение энтропии. На самом деле все надо рассказывать совсем по-другому и начинать следует не с температуры, а с энтропии.
Энтропия - это феномен, связанный с информацией. Грубо говоря, энтропия тела равна информации (числу битов) о внутреннем состоянии тела (расположение его атомов и прочее), которой у нас нет! Если бы мы все знали о распределении всех частиц в теле, то знали бы все и, соответственно, количество недостающей информации было бы равно нулю. Т.е. энтропия такого тела равняется нулю. Однако есть информация, которую мы не можем извлечь в принципе, и это и есть энтропия. Если тело взаимодействует со средой, то его энтропия растет. Простой пример – вы положили носки на ящик, но ваш маленький сынишка перевернул все вверх дном, и носки теперь лежат неизвестно где. Количество недостающей информации увеличилось, т.е. энтропия возросла. Сынишка сыграл роль внешней среды, а весь процесс иллюстрирует второе начало термодинамики – энтропия растет со временем при взаимодействии с окружающей средой (растет беспорядок). Я, конечно, упрощаю, но, надеюсь, вы поняли.
Так вот, у черной дыры есть энтропия, и она пропорциональна площади черной дыры, точнее ее «горизонта событий». Горизонт событий – граница, куда можно упасть, но нельзя вылететь, ибо для этого нужна скорость больше скорости света. Объяснить, почему энтропия пропорциональна именно площади можно, но для этого нужна еще одна страница текста. Поэтому предлагаю просто поверить.

А теперь вот, что получается – если вы знаете энтропию, то можно вычислить температуру очень просто: это количество энергии (деленное на постоянную Больцмана), которую черная дыра получает если ее энтропия увеличивается на единицу. Главное – эта температура (температура Хокинга) не нуль. А любое тело с ненулевой температурой, окруженное более холодной средой, должно излучать – так говорит термодинамика. Хокинг вооружился очень мощным вычислительным аппаратом квантовой теории поля и доказал – да, она излучает! Кстати аналоги черных дыр моделируют в лабораториях (это аналоги, а не настоящие черные дыры), и оказалось, что они, действительно, излучают. Даже аналоги – излучают! Хокинг абсолютно прав.

Этих двух результатов достаточно, чтобы войти в Пантеон великих физиков всех времен и народов, но это еще не конец! Проанализировав ситуацию, Хокинг пришел к потрясающему заключению – в процессе испарения черных дыр должна исчезать информация. Грубо говоря дело вот в чем – если бросить в черную дыру стопку нотников, то вся информация о них уйдет под горизонт невозвратно. Это еще не беда – если мы спрячем нотники в сейф и выкинем ключ, то информация не пропадет, просто станет недоступна. Но ведь черные дыры испаряются! За конечное время они исчезнут… вместе со всей информацией, которая туда упала. Хокинг пошутил об этом так: Бог не только играет в кости (имеется в виду квантовая механика), но порой закидывает их туда, где никто не может увидеть. Даже в принципе.
Вы скажете – ну и что? А то, что потеря информации в черных дырах означает нарушение целого ряда важнейших принципов квантовой механики, скажем, такого понятия, как «унитарность». Этот звучный термин означает, что сумма всех вероятностей сохраняется. Нарушение унитарности – беда! Сформулировав свой парадокс (его называют парадоксом Хокинга, но чаще – информационным парадоксом) Хокинг подверг сомнению наше понимание квантовой теории. Хокинг выступил как революционер, как разрушитель, как ниспровергатель основ!

Как же быть? Я могу сказать, что на протяжении почти двадцати лет физики удивленно молчали. Реально на этом фронте бились два оппонента Хокинга: Сасскинд и т’Хоофт (кстати, нобелевский лауреат). Они четко понимали, что Хокинг продемонстрировал зарю новой революции в физике. Сейчас информационный парадокс это, наверное, самое горячее место в теоретической физике. Рассказ о том, что сейчас там происходит, выходит за рамки этой заметки, скажу одно – практически все сейчас понимают, что Хокинг нашел дверь, за которой скрывается Новая физика, и эта новая физика позволит нам, по-видимому, решить главную проблему – создать теорию квантовой гравитации! И если это будет именно так, то именно Хокинг будет считаться тем, кто нашел дорогу к Граалю….

Пора заканчивать, а так много не сказано. Можно рассказывать о Хокинге – человеке, о Хокинге – хулигане, о том, как на конференциях он отвечал на вопросы, набирая пальцем кнопки на синтезаторе речи, и как огромные залы коллег в полной тишине ждали по 10-15 минут, когда он это закончит. Про то, как Хокинг ГОНЯЛ (!) на своей электрической коляске по Кембриджу, про его ехидную улыбку, про его непростой характер и про то, как любили его коллеги, потому что это Стивен Хокинг! Великий Хокинг! Неповторимый Хокинг.
Сегодня утром я узнал о его уходе и меня будто обухом ударило. Уходят Гиганты. А мы… мы осиротели».

---

Партнёр: Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта