Найкоротша історія часу - короткий зміст. Коротка історія часу

Стівен Хокінг

КОРОТКА ІСТОРІЯ ЧАСУ.

Від великого вибуху до чорних дірок

Подяки

Книга присвячується Джейн

Мені сказали, що кожна включена до книги формула вдвічі зменшить кількість покупців. Тоді я вирішив взагалі обходитися без формул. Щоправда, наприкінці я таки написав одне рівняння – знамените рівняння Ейнштейна Е=mc^2. Сподіваюся, воно не відлякає половини моїх потенційних читачів.

Якщо не вважати того, що я захворів на бічне аміотрофічний склероз, то майже в усьому іншому мені супроводжувала удача. Допомога і підтримка, які мені надавали моя дружина Джейн і діти Роберт, Люсі і Тімоті, забезпечили мені можливість вести досить-таки нормальний спосіб життя і досягти успіхів у роботі. Мені пощастило і в тому, що я вибрав теоретичну фізику, бо вона вміщується в голові. Тому моя фізична недуга не стала серйозним мінусом. Мої наукові колеги, всі без винятку, надавали мені завжди максимальну допомогу.

На першому, «класичному» етапі моєї роботи моїми найближчими помічниками та співробітниками були Роджер Пенроуз, Роберт Герок, Брендон Картер та Джордж Елліс. Я вдячний їм за допомогу та спільну роботу. Цей етап завершився виданням книги «Великомасштабна структура простору-часу», яку ми з Еллісом написали в 1973 р. (Хокінг С., Елліс Дж. Великомасштабна структура простору-часу. M.: Світ, 1976).

На другому, «квантовому» етапі моєї роботи, що розпочався 1974 р., я здебільшого працював з Гарі Гіббонсом, Доном Пейджем та Джимом Хартлом. Я дуже багатьом їм завдячую, як і своїм аспірантам, які надавали мені величезну допомогу і у «фізичному», і в «теоретичному» значенні цього слова. Необхідність не відставати від аспірантів була надзвичайно важливим стимулом і, як на мене, не дозволяла мені застрягти в болоті.

У роботі над книгою мені дуже багато допомагав Брайєн Уїтт, один із моїх студентів. У 1985 р., накинувши перший, зразковий план книги, я захворів на запалення легенів. Довелося лягти на операцію, і після трахеотомії я перестав говорити, а тим самим майже втратив можливість спілкуватися. Я гадав, що не зможу закінчити книжку. Але Брайєн нс лише допоміг мені її переробити, а й навчив користуватися комп'ютерною програмою спілкування Living Center, яку мені подарував Уолт Уолтош, співробітник фірми Words Plus, Inc., Саннівейл (шт. Каліфорнія). З її допомогою я можу писати книги та статті, а також розмовляти з людьми за допомогою синтезатора мови, подарованого мені іншою саннівейлською фірмою Speech Plus. Девід Мейсон установив на моєму кріслі-колясці цей синтезатор та невеликий персональний комп'ютер. Така система все змінила: мені стало навіть легше спілкуватися, ніж до того, як я втратив голос.

Багатьом з тих, хто ознайомився з попередніми варіантами книги, я вдячний за поради щодо того, як її можна було б покращити. Так, Петер Газзарді, мій редактор видавництва Bantam Books, надсилав мені листа за листом із зауваженнями та питаннями на ті місця, які, на його думку, були погано пояснені. Зізнатися, я був дуже роздратований, отримавши величезний список рекомендованих виправлень, але Газзарді мав рацію. Я впевнений, книга стала кращою завдяки тому, що Газзарді тицяв мене носом у помилки.

Я висловлюю глибоку подяку моїм помічникам Коліну Уїлльямсу, Девіду Томасу та Реймонду Лефлемму, моїм секретарям Джуді Фелле, Енн Ральф, Шеріл Біллінгтон і Сью Мейсі та моїм медсестрам. Я б нічого не зміг досягти, якби всі витрати на наукові дослідження та необхідну медичну допомогу не взяли на себе Гонвілл-енд-Кайюс-коледж, Рада з наукових та технічних досліджень та фонди Леверхулма, Мак-Артура, Нуффілда та Ральфа Сміта. Всім їм дуже вдячний.

Передмова

У нашому суспільстві прийнято, що батьки і вчителі у відповідь на ці питання здебільшого знизують плечима або закликають на допомогу посилання на релігійні легенди, що неясно збереглися в пам'яті. Деяким не подобаються такі теми, тому що в них жваво виявляється вузькість людського розуміння.

Але розвиток філософії та природничих наук просувався вперед в основному завдяки подібним питанням. Все більше дорослих людей виявляють до них інтерес, і відповіді іноді бувають абсолютно несподіваними для них. Відрізняючись за масштабами як від атомів, і від зірок, ми розсуваємо горизонти досліджень, щоб охопити як дуже маленькі, і дуже великі об'єкти.

Навесні 1974 р., приблизно за два роки до того, як космічний апарат «Вікінг» досяг поверхні Марса, я був в Англії на конференції, організованій Лондонським королівським товариством та присвяченій можливостям пошуку позаземних цивілізацій. Під час перерви на каві я звернув увагу на багатолюдніші збори, що проходили в сусідній залі, і з цікавості увійшов туди. Так я став свідком давнього ритуалу – прийому нових членів до Королівського товариства, яке є одним із найстаріших на планеті об'єднань учених. Попереду молодий чоловік, який сидів у інвалідному візку, дуже повільно виводив своє ім'я в книзі, попередні сторінки якої зберігали підпис Ісаака Ньютона. Коли він, нарешті, перестав розписуватися, зал вибухнув овацією. Стівен Хокінг уже тоді був легендою.

Але це також книга про Бога... а може, про відсутність Бога. Слово Бог часто з'являється на її сторінках. Хокінг вирушає на пошуки відповіді на знамените питання Ейнштейна про те, чи був у Бога якийсь вибір, коли він створював Всесвіт. Хокінг намагається, як сам пише, розгадати задум Бога. Тим більше несподіваним виявляється висновок (щонайменше тимчасовий), до якого наводять ці

Обивателю наша планета Земля найчастіше здається спокійною та споглядальною. Іноді створюється враження стабільності, нерухомості. Набагато глибше дивиться на явища та об'єкти британський учений Стівен Хокінг. «Історія часу» - два його бестселери дружелюбно і просто (без формул) знайомлять читачів із фундаментальними положеннями астрофізики та

На початку книги прочитавши про Землю, як про вежу, встановлену на черепахах (іронічно), ми в її кінці бачимо вже іншу картину: гігантська куля, що обертається навколо осі з запаморочливою швидкістю 1,5 тис. км/год і мчить по орбіті навколо Сонця зі швидкістю 100 000 км/год. І все це відбувається в нелінійному, мінливому просторі та часі!

Книга 1. «Коротка історія часу»

У 1988 році виходить у світ «Коротка історія часу». її автор, знайомить найрізноманітніших читачів з поглядами сучасної астрофізики на Всесвіт. Йому вдалося пробудити уяву людей, зацікавити їх.

Чи реальний час? Які глобальні процеси рухають Всесвіт? Чи пов'язані минуле та майбутнє? Поступово, у трьох смислових частинах книги він пише: спочатку - про астрофізичні погляди до теорії Ейнштейна, потім - узагальнення в руслі загальної теорії Ейнштейна, і нарешті - слідує мікротеорія, а саме -

Поступово нарощує свій рівень абстракції книга «Найкоротша історія часу». Стівен Хокінг, втім, витримує популярний стиль, необхідний розуміння читачем-непрофессионалом. Їм дається виразне пояснення незвичайним для нашого побуту речам: викривленню простору, викривленню променів світла, Всесвіту, що розширюється. Думки вченого оригінальні, і водночас зрозумілі. Він послідовно підводить нас до висновку, що Всесвіт існує і еволюціонує згідно з принципом стріли часу (напрямок розвитку, що забезпечує постійне зростання ентропії).

Книга 2. «Найкоротша історія часу»

У 2005 році вченим написано нову роботу - «Найкоротша історія часу». Стівен Хокінг у цій ємній та захоплюючій книзі також розповідає про «механізм Всесвіту».

Чи було її написання банальним «сіквелом»? Ні! Адже буквально напередодні, 2004 року, її автор здійснив переворот в астрофізиці, змінивши принципи базової теорії «чорних дірок» (згаслих зірок, стиснутих до граничного ступеня – сингулярності). Тому змінилася і представлена вченим модель світу. По-новому викладено, порівняно з попередньою книгою глава - про Великий Вибух, чорні діри, а також Саму структуру чорної діри по-іншому показує «Найкоротша історія часу». (Стівен Хокінг математичними рівняннями довів, що горизонт подій чорної діри - набагато ширше і він має ентропію, що проявляється в радіації.) Виклад матеріалу не тільки включив ідеї попередньої книги, але й суттєво збагатив теорію взаємозв'язку простору та часу. Тут можна зустріти узагальнення наукових дослідів із використанням супутника COBE та космічного телескопа Хаббла. Цілком зрозуміло розкрито «теорію струн», цінність якої вважає в гранично широкому узагальненні: характеризувати відразу всі елементарні частки. На зрозумілому рівні показано нові висновки математичного моделювання (принцип корпускулярно-хвильового дуалізму).

Висновки

Хто ж він такий – Стівен Хокінг? Професор астрофізики, батько трьох дітей. Його теорія стала проривом у квантовій фізиці. Маститі вчені мужі вважають його «номером один» у цій галузі. А ще Стівен Хокінг практично знерухомлений вже понад 20 років. Причому аміотрофічний склероз постійно прогресує. Крім того, внаслідок перенесеного ускладнення після запалення легень у нього видалена частина трахеї, що геть-чисто позбавляє вченого можливості говорити. Він їздить до Кембриджу на інвалідному візку з акумуляторами. Його мозок потужно та системно працює. За допомогою чутливих датчиків користуючись комп'ютером, професор набирає фрази, які потім озвучуються вбудованим у крісло Все його життя, це - думки, що невловимо оточуючими, а розшифровані комп'ютером, і їх яскраве вираження - книга "Найкоротша історія часу". Стівен Хокінг є одним із найбільш шанованих у Британії людей. Точніше, він - третій, після чемпіона світу з регбі Вілкінсона та футболіста Бекхема. Мужність та інтелект цієї людини справді викликають захоплення.

Подяки

Книга присвячується Джейн

Я вирішив спробувати написати популярну книгу про простір та час після того, як прочитав у 1982 р. курс Лебівських лекцій у Гарварді. Тоді вже було чимало книг, присвячених ранньому Всесвіту та чорним діркам, як дуже хороших, наприклад книга Стівена Вайнберга «Перші три хвилини», так і дуже поганих, які тут нема чого називати. Але мені здавалося, що в жодній з них фактично не порушуються ті питання, які спонукали мене зайнятися вивченням космології та квантової теорії: звідки узявся Всесвіт? як і чому вона виникла? чи прийде їй кінець, а якщо прийде, то як? Ці питання цікавлять усіх нас. Але сучасна наука дуже насичена математикою, і лише нечисленні фахівці досить володіють останньою, щоб розібратися у цьому. Однак основні уявлення про народження та подальшу долю Всесвіту можна викласти і без допомоги математики так, що вони стануть зрозумілими навіть людям, які не отримали наукової освіти. Це я й намагався зробити у моїй книзі. Читачеві судити про те, наскільки я досяг успіху.
Мені сказали, що кожна включена до книги формула вдвічі зменшить кількість покупців. Тоді я вирішив взагалі обходитися без формул. Щоправда, наприкінці я таки написав одне рівняння – знамените рівняння Ейнштейна Е=mc^2. Сподіваюся, воно не відлякає половини моїх потенційних читачів.
Якщо не вважати того, що я захворів на бічне аміотрофічний склероз, то майже в усьому іншому мені супроводжувала удача. Допомога і підтримка, які мені надавали моя дружина Джейн і діти Роберт, Люсі і Тімоті, забезпечили мені можливість вести досить-таки нормальний спосіб життя і досягти успіхів у роботі. Мені пощастило і в тому, що я вибрав теоретичну фізику, бо вона вміщується в голові. Тому моя фізична недуга не стала серйозним мінусом. Мої наукові колеги, всі без винятку, надавали мені завжди максимальну допомогу.
На першому, «класичному» етапі моєї роботи моїми найближчими помічниками та співробітниками були Роджер Пенроуз, Роберт Герок, Брендон Картер та Джордж Елліс. Я вдячний їм за допомогу та спільну роботу. Цей етап завершився виданням книги «Великомасштабна структура простору-часу», яку ми з Еллісом написали в 1973 р. (Хокінг С., Елліс Дж. Великомасштабна структура простору-часу. M.: Світ, 1976).
Я б не радив читати наступні сторінки звертатися до неї за додатковою інформацією: вона перевантажена математикою і важка для читання. Сподіваюся, що з того часу я навчився писати доступніше.
На другому, «квантовому» етапі моєї роботи, що розпочався 1974 р., я здебільшого працював з Гарі Гіббонсом, Доном Пейджем та Джимом Хартлом. Я дуже багатьом їм завдячую, як і своїм аспірантам, які надавали мені величезну допомогу і у «фізичному», і в «теоретичному» значенні цього слова. Необхідність не відставати від аспірантів була надзвичайно важливим стимулом і, як на мене, не дозволяла мені застрягти в болоті.
У роботі над книгою мені дуже багато допомагав Брайєн Уїтт, один із моїх студентів. У 1985 р., накинувши перший, зразковий план книги, я захворів на запалення легенів. Довелося лягти на операцію, і після трахеотомії я перестав говорити, а тим самим майже втратив можливість спілкуватися. Я гадав, що не зможу закінчити книжку. Але Брайєн нс лише допоміг мені її переробити, а й навчив користуватися комп'ютерною програмою спілкування Living Center, яку мені подарував Уолт Уолтош, співробітник фірми Words Plus, Inc., Саннівейл (шт. Каліфорнія). З її допомогою я можу писати книги та статті, а також розмовляти з людьми за допомогою синтезатора мови, подарованого мені іншою саннівейлською фірмою Speech Plus. Девід Мейсон установив на моєму кріслі-колясці цей синтезатор та невеликий персональний комп'ютер. Така система все змінила: мені стало навіть легше спілкуватися, ніж до того, як я втратив голос.
Багатьом з тих, хто ознайомився з попередніми варіантами книги, я вдячний за поради щодо того, як її можна було б покращити. Так, Петер Газзарді, мій редактор видавництва Bantam Books, надсилав мені листа за листом із зауваженнями та питаннями на ті місця, які, на його думку, були погано пояснені. Зізнатися, я був дуже роздратований, отримавши величезний список рекомендованих виправлень, але Газзарді мав рацію. Я впевнений, книга стала кращою завдяки тому, що Газзарді тицяв мене носом у помилки.
Я висловлюю глибоку подяку моїм помічникам Коліну Уїлльямсу, Девіду Томасу та Реймонду Лефлемму, моїм секретарям Джуді Фелле, Енн Ральф, Шеріл Біллінгтон і Сью Мейсі та моїм медсестрам. Я б нічого не зміг досягти, якби всі витрати на наукові дослідження та необхідну медичну допомогу не взяли на себе Гонвілл-енд-Кайюс-коледж, Рада з наукових та технічних досліджень та фонди Леверхулма, Мак-Артура, Нуффілда та Ральфа Сміта. Всім їм дуже вдячний.

Передмова

Ми живемо, майже нічого не розуміючи у будові світу. Не замислюємося над тим, який механізм породжує сонячне світло, яке забезпечує наше існування, не думаємо про гравітацію, яка утримує нас на Землі, не даючи їй скинути нас у простір. Нас не цікавлять атоми, з яких ми складаємося і від стійкості яких ми самі істотно залежимо. За винятком дітей (які ще надто мало знають, щоб не ставити такі серйозні питання), мало хто ламає голову над тим, чому природа така, якою вона є, звідки з'явився космос і чи не існував він завжди? чи не може час одного разу повернути назад, тому слідство передуватиме причині? чи є непереборна межа людського пізнання? Бувають навіть такі діти (я їх зустрічав), яким хочеться знати, як виглядає чорна діра, яка найменша частинка речовини? чому ми пам'ятаємо минуле та не пам'ятаємо майбутнє? якщо раніше справді був хаос, то як вийшло, що тепер встановився видимий порядок? і чому Всесвіт взагалі існує?
У нашому суспільстві прийнято, що батьки і вчителі у відповідь на ці питання здебільшого знизують плечима або закликають на допомогу посилання на релігійні легенди, що неясно збереглися в пам'яті. Деяким не подобаються такі теми, тому що в них жваво виявляється вузькість людського розуміння.
Але розвиток філософії та природничих наук просувався вперед в основному завдяки подібним питанням. Все більше дорослих людей виявляють до них інтерес, і відповіді іноді бувають абсолютно несподіваними для них. Відрізняючись за масштабами як від атомів, і від зірок, ми розсуваємо горизонти досліджень, щоб охопити як дуже маленькі, і дуже великі об'єкти.
Навесні 1974 р., приблизно за два роки до того, як космічний апарат «Вікінг» досяг поверхні Марса, я був в Англії на конференції, організованій Лондонським королівським товариством та присвяченій можливостям пошуку позаземних цивілізацій. Під час перерви на каві я звернув увагу на багатолюдніші збори, що проходили в сусідній залі, і з цікавості увійшов туди. Так я став свідком давнього ритуалу – прийому нових членів до Королівського товариства, яке є одним із найстаріших на планеті об'єднань учених. Попереду молодий чоловік, який сидів у інвалідному візку, дуже повільно виводив своє ім'я в книзі, попередні сторінки якої зберігали підпис Ісаака Ньютона. Коли він, нарешті, перестав розписуватися, зал вибухнув овацією. Стівен Хокінг уже тоді був легендою.

Зараз Хокінг в Кембриджському університеті займає кафедру математики, яку колись займав Ньютон, а пізніше П. А. М. Дірак – два знамениті дослідники, які вивчали один – найбільший, а інший – найменший. Хокінг – їхній гідний наступник. Ця перша популярна книга Хокіпга містить багато корисних речей для широкої аудиторії. Книжка цікава як широтою свого змісту, вона дозволяє побачити, як працює думка її автора. Ви знайдете в ній ясні одкровення про межі фізики, астрономії, космології та мужності.
Але це також книга про Бога... а може, про відсутність Бога. Слово Бог часто з'являється на її сторінках. Хокінг вирушає на пошуки відповіді на знамените питання Ейнштейна про те, чи був у Бога якийсь вибір, коли він створював Всесвіт. Хокінг намагається, як сам пише, розгадати задум Бога. Тим більше несподіваним виявляється (щонайменше тимчасовий), до якого наводять ці пошуки: Всесвіт без краю в просторі, без початку і кінця в часі, без будь-яких справ для Творця.
Карл Саган, Корнеллський університет, Ітака, шт. Нью Йорк.

1. Наше уявлення про Всесвіт

Якось один відомий вчений (кажуть, це був Бертран Рассел) читав публічну лекцію про астрономію. Він розповідав, як Земля обертається навколо Сонця, а Сонце, своєю чергою, обертається навколо центру величезного скупчення зірок, яке називають нашою Галактикою. Коли лекція добігла кінця, з останніх рядів зали піднялася маленька літня леді і сказала: «Все, що ви нам казали, – нісенітниця. Насправді наш світ – це плоска тарілка, яка стоїть на спині гігантської черепахи». Поблажливо посміхнувшись, учений спитав: «А на чому тримається черепаха?» – «Ви дуже розумні, юначе, – відповіла літня леді. – Черепаха – на іншій черепасі, та – теж на черепасі, і так все нижче та нижче».
Таке уявлення про Всесвіт як про нескінченну вежу з черепів більшості з нас здасться смішним, але чому ми думаємо, що самі знаємо краще? Що нам відомо про Всесвіт і як ми це дізналися? Звідки взялася Всесвіт, і що з нею станеться? Чи був у Всесвіті початок, а якщо було, те, що відбувалося до початку? Яка сутність часу? Чи скінчиться воно колись? Досягнення фізики останніх років, якими ми частково завдячуємо фантастичній новій техніці, дозволяють зрештою отримати відповіді хоча б на окремі з таких давно поставлених питань. Мине час, і ці відповіді, можливо, стануть настільки ж очевидними, як те, що Земля обертається навколо Сонця, а може, настільки ж безглуздими, як вежа з черепах. Тільки час (хоч би воно було) вирішить це.
Ще 340 р. до зв. е. грецький філософ Аристотель у своїй книзі «Про небо» навів два вагомі докази на користь того, що Земля не плоска тарілка, а кругла куля. По-перше, Аристотель здогадався, що місячні затемнення відбуваються тоді, коли Земля виявляється між Місяцем та Сонцем. Земля завжди відкидає на Місяць круглу тінь, але це може лише у разі, якщо Земля має форму кулі. Якби Земля була плоским диском, її тінь мала б форму витягнутого еліпса, якщо тільки затемнення не відбувається завжди саме в той момент, коли Сонце знаходиться точно на осі диска. По-друге, з досвіду своїх подорожей греки знали, що у південних районах Полярна зірка на небі розташовується нижче, ніж у північних. (Оскільки Полярна зірка знаходиться над Північним полюсом, вона прямо над головою спостерігача, що стоїть на Північному полюсі, а людині на екваторі здасться, що вона на лінії горизонту). Знаючи різницю в становищі Полярної зірки в Єгипті і Греції, Аристотель зумів навіть обчислити, що довжина екватора дорівнює 400 000 стадій. Що таке стадій, достеменно невідомо, але він близький до 200 метрів, і, отже, оцінка Аристотеля приблизно вдвічі більша за значення, прийняте зараз. У греків був ще й третій аргумент на користь кулястої форми Землі: якщо Земля не кругла, то чому ж ми спочатку бачимо вітрила корабля, що піднімаються над горизонтом, і тільки потім сам корабель?
Аристотель думав, що Земля нерухома, а Сонце, Місяць, планети та зірки обертаються навколо неї круговими орбітами. Він так вважав, бо відповідно до своїх містичних поглядів Землю вважав центром Всесвіту, а круговий рух - найдосконалішим. Птолемей у II столітті розвинув ідею Аристотеля на повну космологічну модель. Земля стоїть у центрі, оточена вісьмома сферами, що несуть у собі Місяць, Сонце і п'ять відомих тоді планет: Меркурій, Венеру, Марс, Юпітер і Сатурн (рис. 1.1). Самі планети, вважав Птолемей, рухаються меншими колами, скріпленим з відповідними сферами. Це пояснювало той складний шлях, який, як бачимо, роблять планети. На останній сфері розташовуються нерухомі зірки, які, залишаючись у тому становищі друг щодо друга, рухаються небом разом як єдине ціле. Що лежить за останньою сферою, не пояснювалося, але принаймні це вже не було частиною того Всесвіту, який спостерігає людство.

Модель Птолемея дозволяла непогано передбачати становище небесних тіл на небосхилі, але для точного передбачення йому довелося прийняти, що траєкторія Місяця в одних місцях підходить до Землі в 2 рази ближче, ніж в інших! Це означає, що в одному положенні Місяць повинен здаватися в 2 рази більшим, ніж в іншому! Птолемей знав про цей недолік, але його теорія була визнана, хоча й скрізь. Християнська Церква прийняла Птолемєєву модель Всесвіту як таку, що не суперечить Біблії, бо ця модель була дуже гарна тим, що залишала за межами сфери нерухомих зірок багато місця для пекла та раю. Однак у 1514 р. польський священик Микола Коперник запропонував ще простішу модель. (Спочатку, побоюючись, мабуть, те, що Церква оголосить його єретиком, Коперник пропагував свою модель анонімно). Його ідея полягала в тому, що Сонце стоїть нерухомо в центрі, а Земля та інші планети обертаються навколо нього круговими орбітами. Минуло майже сторіччя, перш ніж ідею Коперника сприйняли серйозно. Два астрономи – німець Йоганн Кеплер та італієць Галілео Галілей – публічно виступили на підтримку теорії Коперника, незважаючи на те, що передбачені Коперником орбіти не зовсім збігалися зі спостережуваними. Теорії Аристотеля-Птолемея прийшов кінець 1609 р., коли Галілей почав спостерігати нічне небо за допомогою щойно винайденого телескопа. Направивши телескоп на планету Юпітер, Галілей виявив кілька маленьких супутників, або місяців, які крутяться навколо Юпітера. Це означало, що не всі небесні тіла повинні обов'язково звертатися безпосередньо навколо Землі, як вважали Аристотель та Птолемей. (Зрозуміло, можна було як і раніше вважати, що Земля спочиває в центрі Всесвіту, а місяця Юпітера рухаються дуже складним шляхом навколо Землі, так що тільки здається, ніби вони звертаються навколо Юпітера. Однак теорія Коперника була значно простіше.) час Йоган Кеплер модифікував теорію Коперника, виходячи з припущення, що планети рухаються не по колам, а по еліпсах (еліпс - це витягнуте коло). Нарешті тепер прогнози збіглися з результатами спостережень.
Що ж до Кеплера, його еліптичні орбіти були штучної (ad hoc) гіпотезою, і до того ж «невитонченою», оскільки еліпс набагато менш досконала постать, ніж коло. Майже випадково виявивши, що еліптичні орбіти добре узгоджуються зі спостереженнями, Кеплер так і не зумів примирити цей факт зі своєю ідеєю про те, що планети обертаються навколо Сонця під впливом магнітних сил. Пояснення прийшло лише набагато пізніше, в 1687 р., коли Ісаак Ньютон опублікував свою книгу «Математичні засади натуральної філософії». Ньютон у ній не лише висунув теорію руху матеріальних тіл у часі та просторі, а й розробив складні математичні методи, необхідні для аналізу руху небесних тіл. Крім того, Ньютон постулював закон всесвітнього тяжіння, згідно з яким всяке тіло у Всесвіті притягується до будь-якого іншого тіла з тим більшою силою, чим більше маси цих тіл і чим менша відстань між ними. Це та сама сила, яка змушує тіла падати на землю. (Оповідання про те, що Ньютона надихнуло яблуко, що впало йому на голову, майже напевно недостовірне. Сам Ньютон сказав про це лише те, що думка про тяжіння прийшла, коли він сидів у «споглядальному настрої», і «приводом було падіння яблука») . Далі Ньютон показав, що, згідно з його законом, Місяць під дією гравітаційних сил рухається еліптичною орбітою навколо Землі, а Земля і планети обертаються по еліптичних орбітах навколо Сонця.
Модель Коперника допомогла позбутися Птолемеєвих небесних сфер, а заразом і уявлення про те, що Всесвіт має якийсь природний кордон. Оскільки «нерухомі зірки» не змінюють свого становища на небі, якщо не брати до уваги їх кругового руху, пов'язаного з обертанням Землі навколо своєї осі, природно було припустити, що нерухомі зірки – це об'єкти, подібні до нашого Сонця, тільки набагато віддаленіші.
Ньютон розумів, що з його теорії тяжіння зірки повинні притягуватися друг до друга і тому, начебто, що неспроможні залишатися зовсім нерухомими. Чи не повинні вони впасти один на одного, зблизившись у якійсь точці? У 1691 р. у листі Річарду Бентлі, ще одному видатному мислителю того часу, Ньютон говорив, що так справді мало б статися, якби ми мали лише кінцеву кількість зірок у кінцевій області простору. Але, міркував Ньютон, якщо число зірок нескінченно і вони більш менш рівномірно розподілені по нескінченному простору, то цього ніколи не відбудеться, тому що немає центральної точки, куди їм потрібно було б падати.
Ці міркування – приклад того, як легко потрапити в халепу, ведучи розмови про нескінченність. У нескінченному Всесвіті будь-яку точку можна вважати центром, оскільки по обидва боки від неї число зірок нескінченно. Лише набагато пізніше зрозуміли, що більш правильний підхід - взяти кінцеву систему, в якій всі зірки падають одна на одну, прагнучи до центру, і подивитися, які зміни будуть, якщо додавати ще й ще зірок, розподілених приблизно рівномірно поза аналізованої області. За законом Ньютона додаткові зірки в середньому ніяк не вплинуть на початкові, тобто зірки будуть з тією ж швидкістю падати в центр виділеної області. Скільки б зірок ми не додали, вони завжди прагнутимуть до центру. У наш час відомо, що нескінченна статична модель Всесвіту неможлива, якщо гравітаційні сили залишаються силами взаємного тяжіння.
Цікаво, яким був загальний стан наукової думки до початку XX ст.: нікому і на думку не спало, що Всесвіт може розширюватися або стискатися. Всі вважали, що Всесвіт або існував завжди в незмінному стані, або був створений в якийсь момент часу в минулому приблизно такий, який він зараз. Почасти це, можливо, пояснюється схильністю людей вірити у вічні істини, а також особливою привабливістю тієї думки, що, хай самі вони постаріють і помруть, Всесвіт залишиться вічним і незмінним.
Навіть тим ученим, які зрозуміли, що ньютонівська теорія тяжіння унеможливлює статичну Всесвіт, не спадала на думку гіпотеза Всесвіту, що розширюється. Вони спробували модифікувати теорію, зробивши гравітаційну силу, що відштовхує на дуже великих відстанях. Це мало змінювало передбачуваного руху планет, зате дозволяло нескінченному розподілу зірок залишатися у рівновазі, оскільки тяжіння близьких зірок компенсувалося відштовхуванням від далеких. Але зараз ми вважаємо, що така рівновага виявилася б нестійкою. Справді, якщо в якійсь області зірки трохи зблизяться, то сили тяжіння між ними зростуть і стануть більше сил відштовхування, тож зірки й надалі зближуватимуться. Якщо відстань між зірками трохи збільшиться, то переважать сили відштовхування і відстань наростатиме.
Ще одне заперечення проти моделі нескінченного статичного Всесвіту зазвичай приписується німецькому філософу Генріху Олберсу, який у 1823 р. опублікував роботу, присвячену цій моделі. Насправді багато сучасників Ньютона займалися тим самим завданням, і стаття Олберса була навіть першою серед робіт, у яких висловлювалися серйозні заперечення. Її лише першою почали широко цитувати. Заперечення таке: у нескінченному статичному Всесвіті будь-який промінь зору повинен упиратися в якусь зірку. Але тоді небо навіть уночі має яскраво світитись, як Сонце. Контраргумент Олберса полягав у тому, що світло, що йде до нас від далеких зірок, має послаблюватися через поглинання в речовині, що знаходиться на його шляху.
Але в такому випадку сама ця речовина має нагрітися та яскраво світитися, як зірки. Єдина можливість уникнути висновку про яскраво, як Сонце, що світиться нічному небі – припустити, що зірки сяяли не завжди, а спалахнули в певний момент часу в минулому. Тоді поглинаюча речовина, можливо, ще не встигла розігрітися або світло далеких зірок ще не дійшло до нас. Але постає питання: чому спалахнули зірки?
Звичайно, проблема виникнення Всесвіту займала розум людей вже дуже давно. Відповідно до ряду ранніх космогонії та юдейсько-християнсько-мусульманських міфів, наш Всесвіт виник у якийсь певний і не дуже віддалений момент часу в минулому. Однією з підстав таких вірувань була потреба знайти «першопричину» існування Всесвіту. Будь-яка подія у Всесвіті пояснюють, вказуючи його причину, тобто іншу подію, що сталася раніше; подібне пояснення існування самого Всесвіту можливе лише в тому випадку, якщо він мав початок. Іншу основу висунув Блаженний Августин (православна Церква вважає Августина блаженним, а Католицька – святим. – прим. ред.). у книзі «Град Божий». Він зазначив, що цивілізація прогресує, а ми пам'ятаємо, хто вчинив те чи інше діяння і хто що винайшов. Тому людство, отже, мабуть, і Всесвіт, навряд дуже довго існують. Блаженний Августин вважав прийнятною дату створення Всесвіту, що відповідає книзі «Буття»: приблизно 5000 до нашої ери. (Цікаво, що ця дата не така далека від кінця останнього льодовикового періоду – 10 000 років до н.е., який археологи вважають початком цивілізації).
Аристотелю ж і більшості інших грецьких філософів не подобалася ідея створення Всесвіту, оскільки він пов'язувався з божественним втручанням. Тому вони вважали, що люди і навколишній світ існували і існуватимуть вічно. Доказ щодо прогресу цивілізації вчені давнини розглядали та вирішили, що у світі періодично відбувалися потопи та інші катаклізми, які весь час повертали людство до вихідної точки цивілізації.
Питання про те, чи виник Всесвіт у якийсь початковий момент часу і чи обмежений він у просторі, пізніше вельми уважно розглядав філософ Іммануїл Кант у своїй монументальній (і дуже темній) праці «Критика чистого розуму», яка була видана в 1781 році. Він назвав ці питання антиноміями (тобто протиріччями) чистого розуму, оскільки бачив, що однаково не можна ні довести, ні спростувати ні тезу про необхідність початку Всесвіту, ні антитезу про її вічне існування. Теза Кант аргументував тим, що якби у Всесвіту не було початку, то будь-якій події передував би нескінченний період часу, а це Кант вважав абсурдом. На підтримку антитези Кант говорив, що якби Всесвіт мав початок, то йому передував би нескінченний період часу, а тоді питається, чому Всесвіт раптом виник у той, а не інший момент часу? Насправді аргументи Канта фактично однакові і тези, і антитези. Він виходить із мовчазного припущення, що час нескінченно в минулому незалежно від того, існував чи не існував вічно Всесвіт. Як побачимо нижче, до виникнення Всесвіту поняття часу позбавлене сенсу. На це вперше вказав Блаженний Августин. Коли його питали, чим займався Бог до того, як створив Всесвіт, Августин ніколи не відповідав у тому дусі, що, мовляв, Бог готував пекло для тих, хто ставить подібні запитання. Ні, він говорив, що час – невід'ємна властивість створеного Богом Всесвіту і тому до виникнення Всесвіту не було.
Коли більшість людей вірила в статичну і незмінну Всесвіт, питання про те, чи мала вона початок чи ні, ставилося, по суті, до галузі метафізики та теології. Всі явища можна було пояснити як за допомогою теорії, в якій Всесвіт існує вічно, так і за допомогою теорії, згідно з якою Всесвіт створили в якийсь певний момент часу таким чином, щоб усе виглядало, якби вона існувала вічно. Але в 1929 р. Едвін Хаббл зробив епохальне відкриття: виявилося, що в якій частині неба не вести спостереження, всі далекі галактики швидко віддаляються від нас. Іншими словами, Всесвіт розширюється. Це означає, що в ранні часи всі об'єкти були ближче один до одного, ніж зараз. Отже, був, мабуть, час, близько десяти чи двадцяти тисяч мільйонів років тому, коли вони всі перебували в одному місці, тож щільність Всесвіту була нескінченно великою. Зроблене Хабблом відкриття перевело питання у тому, як виник Всесвіт, у область компетенції науки.
Спостереження Хаббла говорили про те, що був час – так званий великий вибух, коли Всесвіт був нескінченно малим і нескінченно щільним. За таких умов усі закони науки втрачають сенс і не дозволяють пророкувати майбутнє. Якщо в ще більш ранні часи й відбувалися якісь події, вони все одно ніяк не змогли б вплинути на те, що відбувається зараз. Через відсутність же наслідків, що спостерігаються, ними можна просто знехтувати. Великий вибух можна вважати початком відліку часу в тому сенсі, що ранні часи були б просто не визначені. Підкреслимо, що такий початок відліку часу дуже відрізняється від усього того, що пропонувалося до Хаббла. Початок часу в незмінному Всесвіті є щось, що має визначатися чимось, що існує поза Всесвітом; Для початку Всесвіту немає фізичної потреби. Створення Богом Всесвіту можна у своєму уявленні відносити до будь-якого моменту часу минулого. Якщо ж Всесвіт розширюється, то можуть існувати фізичні причини для того, щоб він мав початок. Можна, як і раніше, уявляти, що саме Бог створив Всесвіт – у момент великого вибуху або навіть пізніше (але так, начебто стався великий вибух). Однак було б абсурдно стверджувати, що Всесвіт виник раніше великого вибуху. Уявлення про Всесвіт, що розширюється, не виключає творця, але накладає обмеження на можливу дату його праць!

Стівен Хокінг, Леонард Млодінов

Найкоротша історія часу

Передмова

Усього чотири літери відрізняють назву цієї книги від заголовка тієї, що була вперше опублікована 1988 року. «Коротка історія часу» 237 тижнів залишалася у списку бестселерів лондонської «Санді таймс», кожен 750-й житель нашої планети, дорослий чи дитина, придбав її. Чудовий успіх для книги, присвяченої найскладнішим проблемам сучасної фізики. Втім, це не тільки найскладніші, а й найбільш хвилюючі проблеми, бо вони адресують нас до фундаментальних питань: що нам дійсно відомо про Всесвіт, як ми здобули це знання, звідки походить Всесвіт і куди рухається? Ці питання становили головний предмет «Короткої історії часу» і стали фокусом цієї книги. Через рік після публікації «Короткої історії часу» почали надходити відгуки від читачів різного віку та професій з усього світу. Багато хто з них висловлював побажання, щоб побачила світ нова версія книги, яка, зберігши суть «Короткої історії часу», пояснювала б найбільш важливі поняття більш просто та цікаво. Хоча дехто, мабуть, очікував, що це буде «Велика історія часу», відгуки читачів недвозначно показували: дуже мало хто з них бажає познайомитися з об'ємним трактатом, що викладає предмет на рівні університетського курсу космології. Тому, працюючи над «Найкоротшою історією часу», ми зберегли і навіть розширили основну суть першої книги, але постаралися в той же час залишити її обсяг і доступність викладу незмінними. Це й справді найкоротшаісторія, оскільки деякі суто технічні аспекти нами опущені, проте, як нам здається, цей прогалину з лишком заповнений більш глибоким трактуванням матеріалу, який справді становить серцевину книги.

Ми також скористалися можливістю оновити відомості та включити до книги новітні теоретичні та експериментальні дані. "Найкоротша історія часу" описує прогрес, якого було досягнуто на шляху створення повної об'єднаної теорії останнім часом. Зокрема, вона стосується нових положень теорії струн, корпускулярно-хвильового дуалізму і виявляє зв'язок між різними фізичними теоріями, що свідчить, що об'єднана теорія існує. Що ж до практичних досліджень, книга містить важливі результати останніх спостережень, отриманих, зокрема, за допомогою супутника СОВЕ (Cosmic Background Explorer – «Дослідник фонового космічного випромінювання») та космічного телескопа Хаббла.

Глава перша

Розмірковуючи про всесвіт

Ми живемо в дивному та чудовому Всесвіті. Неординарна уява потрібна, щоб оцінити вік її, розміри, шаленство і навіть красу. Місце, яке займають люди в цьому безмежному космосі, може здатися нікчемним. І все ж таки ми намагаємося зрозуміти, як влаштований весь цей світ і як ми, люди, виглядаємо в ньому.

Кілька десятиліть тому відомий вчений (деякі кажуть, що це був Бертран Рассел) виступав із публічною лекцією з астрономії. Він розповів, що Земля звертається навколо Сонця, а воно, у свою чергу, - навколо центру великої зіркової системи, яка називається нашою Галактикою. Наприкінці лекції маленька літня леді, що сиділа в задніх рядах, встала і заявила:

Ви розповідали нам тут повну нісенітницю. Насправді світ - це плоска плита, що лежить на спині гігантської черепахи.

Усміхнувшись із почуттям переваги, вчений запитав:

А на чому стоїть черепаха?

Ви дуже розумний юнак, дуже, - відповіла стара леді. - Вона стоїть на іншій черепасі, і так далі, до нескінченності!

Сьогодні більшість людей знайшла б досить смішний таку картину Всесвіту, цю нескінченну вежу з черепах. Але що змушує нас думати, що ми знаємо більше?

Забудьте на хвилину те, що ви знаєте – чи думаєте, що знаєте – про космос. Придивіться в нічне небо. Чим видаються вам всі ці крапки, що світяться? Може це крихітні вогники? Нам важко здогадатися, чим вони насправді є, тому що ця дійсність надто далека від нашого повсякденного досвіду.

A BRIEF HISTORY OF TIME

Видавництво висловлює подяку літературним агентствам Writers House LLC (США) та Synopsis Literary Agency (Росія) за сприяння у придбанні прав.

Присвячується Джейн

Подяка

Я вирішив спробувати написати популярну книгу про простір і час після того, як 1982 р. прочитав курс Лебівських лекцій у Гарварді. Тоді вже було чимало книг, присвячених ранньому Всесвіту та чорним діркам, як дуже хороших, наприклад книга Стівена Вайнберга «Перші три хвилини», так і дуже поганих, які тут нема чого називати. Але мені здавалося, що в жодній з них фактично не порушуються ті питання, які спонукали мене зайнятися вивченням космології та квантової теорії: звідки узявся Всесвіт? Як і чому вона виникла? Чи прийде їй кінець, а якщо прийде, то як? Ці питання цікавлять усіх нас. Але сучасна наука насичена математикою, і лише нечисленні фахівці достатньо володіють нею, щоб розібратися в цьому. Однак основні уявлення про народження та подальшу долю Всесвіту можна викласти і без допомоги математики так, що вони стануть зрозумілими навіть людям, які не отримали спеціальної освіти. Це я й намагався зробити у своїй книжці. Наскільки я досяг цього успіху – судити читачеві.

Мені сказали, що кожна включена до книги формула вдвічі зменшить кількість покупців. Тоді я вирішив взагалі обходитися без формул. Щоправда, наприкінці я таки написав одне рівняння – знамените рівняння Ейнштейна Е=mc². Сподіваюся, воно не відлякає половини моїх потенційних читачів.

Якщо не брати до уваги мою недугу – бічного аміотрофічного склерозу, – то майже в усьому іншому мені супроводжував успіх. Допомога та підтримка, які мені надавали моя дружина Джейн і діти Роберт, Люсі та Тімоті, забезпечили мені можливість вести відносно нормальний спосіб життя і досягти успіхів у роботі. Мені пощастило і в тому, що я вибрав теоретичну фізику, бо вона вміщується в голові. Тому моя тілесна недуга не стала серйозною перешкодою. Мої колеги, всі без винятку, завжди сприяли мені.

На першому, «класичному» етапі роботи моїми найближчими колегами та помічниками були Роджер Пенроуз, Роберт Герок, Брендон Картер та Джордж Елліс. Я вдячний їм за допомогу та співпрацю. Цей етап завершився виданням книги «Великомасштабна структура простору-часу», яку ми з Еллісом написали в 1973 р. Я не радив би читачам звертатися до неї за додатковою інформацією: вона перевантажена формулами і важка для читання. Сподіваюся, що з того часу я навчився писати доступніше.

На другому, «квантовому» етапі моєї роботи, що розпочався 1974 р., я працював в основному з Гарі Гіббонсом, Доном Пейджем та Джимом Хартлом. Я дуже багатьом завдячую їм, а також своїм аспірантам, які надавали мені величезну допомогу як у «фізичному», так і в «теоретичному» значенні цього слова. Необхідність не відставати від аспірантів була надзвичайно важливим стимулом і, як на мене, не дозволяла мені застрягти в болоті.

У роботі над цією книгою мені дуже багато допомагав Брайєн Уїтт, один із моїх студентів. У 1985 р., накинувши перший, зразковий план книги, я захворів на запалення легенів. А потім - операція, і після трахеотомії я перестав говорити, фактично втративши можливість спілкуватися. Я гадав, що не зможу закінчити книжку. Але Брайєн не лише допоміг мені її переробити, а й навчив користуватися комп'ютерною програмою спілкування Living Center, яку мені подарував Уолт Уолтош, співробітник фірми Words Plus, Inc., Саннівейл (шт. Каліфорнія). З її допомогою я можу писати книги та статті, а також розмовляти з людьми за допомогою синтезатора мови, подарованого мені іншою саннівейлською фірмою Speech Plus. Девід Мейсон установив на моєму кріслі-колясці цей синтезатор та невеликий персональний комп'ютер. Ця система все змінила: спілкуватися мені стало легше, ніж до того, як я втратив голос.

Багатьом з тих, хто ознайомився з попередніми варіантами книги, я вдячний за поради щодо того, як її можна було б покращити. Так, Петер Газзарді, редактор видавництва Bantam Books, надсилав мені листа за листом із зауваженнями та питаннями щодо тих положень, які, на його думку, були погано пояснені. Зізнатися, я був дуже роздратований, отримавши величезний список рекомендованих виправлень, але Газзарді мав рацію. Я впевнений, що книга стала набагато кращою завдяки тому, що Газзарді тикав мене носом у помилки.

Висловлюю глибоку вдячність моїм помічникам Коліну Уїлльямсу, Девіду Томасу та Реймонду Лефлемму, моїм секретарям Джуді Фелле, Енн Ральф, Шеріл Біллінгтон та Сью Мейсі, а також моїм медсестрам.

Я б нічого не зміг досягти, якби всі витрати на наукові дослідження та необхідну медичну допомогу не взяли на себе Гонвілл-енд-Кайюс-коледж, Рада з наукових та технічних досліджень та фонди Леверхулма, Мак-Артура, Нуффілда та Ральфа Сміта. Всім їм дуже вдячний.

Стівен Хокінг

Глава перша

Наше уявлення про Всесвіт

Якось один відомий вчений (кажуть, це був Бертран Рассел) читав публічну лекцію з астрономії. Він розповідав, як Земля обертається навколо Сонця, а Сонце, своєю чергою, обертається навколо центру величезного скупчення зірок, яке називають нашою Галактикою. Коли лекція добігла кінця, з останнього ряду піднялася маленька літня леді і сказала: «Все, що ви нам казали, нісенітниця. Насправді наш світ – плоска тарілка, яка стоїть на спині величезної черепахи». Поблажливо посміхнувшись, учений спитав: «А на чому тримається черепаха?» – «Ви дуже розумні, юначе, – відповіла літня леді. - Черепаха - на іншій черепасі, та - теж на черепаху, і так далі, і так далі ».

Уявлення про Всесвіт як про нескінченну вежу з черепах більшості з нас здасться смішним, але чому ми думаємо, що все знаємо краще? Що нам відомо про Всесвіт і як ми це дізналися? Звідки взялася Всесвіт і що з нею станеться? Чи був у Всесвіті початок, а якщо було, то що відбувалося до початку? Яка сутність часу? Чи скінчиться воно колись? Досягнення фізики останніх років, якими ми певною мірою завдячуємо фантастичній новій техніці, дозволяють нарешті отримати відповіді хоча б на деякі з подібних питань, що давно стоять перед нами. Пройде час, і ці відповіді, можливо, будуть настільки ж безперечними, як те, що Земля обертається навколо Сонця, а може, настільки ж безглуздими, як вежа з черепах. Тільки час (хоч би воно було) вирішить це.

Ще 340 р. до зв. е. грецький філософ Аристотель у своїй книзі «Про небо» навів два вагомі докази на користь того, що Земля не плоска, як тарілка, а кругла, як куля. По-перше, Аристотель здогадався, що місячні затемнення відбуваються тоді, коли Земля виявляється між Місяцем та Сонцем. Земля завжди відкидає на Місяць круглу тінь, але це може лише у разі, якщо Земля має форму кулі. Якби Земля була плоским диском, її тінь мала б форму витягнутого еліпса – якщо тільки затемнення не відбувається завжди саме в той момент, коли Сонце знаходиться точно на осі диска. По-друге, з досвіду своїх морських подорожей греки знали, що у південних районах Полярна зірка на небі спостерігається нижче, ніж у північних. (Оскільки Полярна зірка знаходиться над Північним полюсом, вона буде прямо над головою спостерігача, що стоїть на Північному полюсі, а людині на екваторі здасться, що вона на лінії горизонту.) Знаючи різницю в положенні Полярної зірки в Єгипті і Греції, Аристотель зумів навіть вирахувати що довжина екватора складає 400 000 стадій. Чому дорівнював стадій, достеменно невідомо, але він становив приблизно 200 метрів, і, отже, оцінка Аристотеля приблизно вдвічі більше значення, прийнятого сьогодні. У греків був ще й третій аргумент на користь кулястої форми Землі: якщо Земля не кругла, то чому ж ми спочатку бачимо вітрила корабля, що піднімаються над горизонтом, і тільки потім сам корабель?