«Краткая история времени: от Большого взрыва до черных дыр» — книга по теоретической космологии физика Стивена Хокинга . Впервые опубликована в 1988 году. Хокинг написал книгу для читателей, не имевших никаких предварительных знаний по физике.
В «Краткой истории времени » Хокинг пишет в нетехнических терминах о структуре, происхождении, развитии и конечной судьбе Вселенной , которая является объектом изучения астрономии и современной физики . Он говорит о таких базовых понятиях, как пространство и время , об основных строительных блоках, из которых состоит Вселенная (например, кварки ), и о фундаментальных силах, которые ею управляют (например, гравитация ). Он пишет о космологических явлениях, таких как Большой взрыв и черные дыры . Он обсуждает две основные теории, общую теорию относительности и квантовую механику , которые современные ученые используют для описания Вселенной. Наконец, он говорит о поиске объединяющей теории , которая описывает все во Вселенной последовательным образом.
Книга стала бестселлером и была продана тиражом более 25 миллионов экземпляров на 40 языках. [1]
В начале 1983 года Хокинг впервые обратился к Саймону Миттону , редактору, отвечающему за книги по астрономии в Cambridge University Press , со своими идеями для популярной книги по космологии. Миттон сомневался во всех уравнениях в черновике рукописи, которые, по его мнению, отпугнут покупателей в книжных магазинах аэропортов, которых хотел охватить Хокинг. С некоторым трудом он убедил Хокинга отказаться от всех уравнений, кроме одного. [2] Сам автор отмечает в благодарностях книги, что его предупредили, что каждое уравнение в книге сократит читательскую аудиторию вдвое, поэтому в книгу включено только одно уравнение: . В книге используется ряд сложных моделей, диаграмм и других иллюстраций для детализации некоторых концепций, которые она исследует.
В «Краткой истории времени » Стивен Хокинг объясняет ряд тем в космологии , включая Большой взрыв , черные дыры и световые конусы , читателю-неспециалисту. Его главная цель — дать обзор предмета, но он также пытается объяснить некоторую сложную математику . В издании книги 1996 года и последующих изданиях Хокинг обсуждает возможность путешествий во времени и червоточин , а также исследует возможность существования Вселенной без квантовой сингулярности в начале времени. Издание книги 2017 года содержало двенадцать глав, содержание которых суммировано ниже.
В первой главе Хокинг обсуждает историю астрономических исследований , в частности выводы древнегреческого философа Аристотеля о сферической Земле и круговой геоцентрической модели Вселенной, позднее разработанные греческим астрономом II века Птолемеем . Затем Хокинг описывает отказ от аристотелевской и птолемеевской модели и постепенное развитие в настоящее время принятой гелиоцентрической модели Солнечной системы в XVI, XVII и XVIII веках, впервые предложенной польским астрономом Николаем Коперником в 1514 году, подтвержденной столетием позже итальянским ученым Галилео Галилеем и немецким ученым Иоганном Кеплером (который предложил эллиптическую модель орбиты вместо круговой), и дополнительно поддержанной математически английским ученым Исааком Ньютоном в его книге 1687 года о гравитации Principia Mathematica .
В этой главе Хокинг также рассматривает, как тема происхождения Вселенной и времени изучалась и обсуждалась на протяжении веков: вечное существование Вселенной, выдвинутое Аристотелем и другими ранними философами, противостояло вере Святого Августина и других теологов в ее создание в определенное время в прошлом, где время — это концепция, которая родилась с созданием Вселенной. В современную эпоху немецкий философ Иммануил Кант снова утверждал, что время не имеет начала. В 1929 году открытие американским астрономом Эдвином Хабблом расширяющейся Вселенной подразумевало, что между десятью и двадцатью миллиардами лет назад вся Вселенная находилась в одном единственном чрезвычайно плотном месте. Это открытие вывело концепцию начала Вселенной в область науки. В настоящее время ученые используют общую теорию относительности Альберта Эйнштейна и квантовую механику для частичного описания работы Вселенной, продолжая при этом искать полную Великую унифицированную теорию , которая описывала бы все во Вселенной.
В этой главе Хокинг описывает развитие научной мысли относительно природы пространства и времени . Сначала он описывает идею Аристотеля о том, что естественным предпочтительным состоянием тела является состояние покоя , и которое может быть перемещено только силой , подразумевая, что более тяжелые объекты будут падать быстрее. Однако итальянский ученый Галилео Галилей экспериментально доказал ошибочность теории Аристотеля, наблюдая за движением объектов разного веса и придя к выводу, что все объекты будут падать с одинаковой скоростью. Это в конечном итоге привело к появлению законов движения и гравитации английского ученого Исаака Ньютона . Однако законы Ньютона подразумевали, что не существует такого понятия, как абсолютное состояние покоя или абсолютное пространство, как считал Аристотель: находится ли объект «в покое» или «в движении», зависит от инерциальной системы отсчета наблюдателя.
Затем Хокинг описывает веру Аристотеля и Ньютона в абсолютное время , то есть время может быть точно измерено независимо от состояния движения наблюдателя. Однако Хокинг пишет, что это общепринятое представление не работает при скорости света или около нее. Он упоминает открытие датского ученого Оле Рёмера , что свет распространяется с очень высокой, но конечной скоростью, сделанное им в ходе наблюдений за Юпитером и одним из его спутников Ио, а также уравнения британского ученого Джеймса Клерка Максвелла по электромагнетизму, которые показали, что свет распространяется волнами, движущимися с фиксированной скоростью. Поскольку понятие абсолютного покоя было отвергнуто в ньютоновской механике, Максвелл и многие другие физики утверждали, что свет должен проходить через гипотетическую жидкость, называемую эфиром , причем его скорость зависит от скорости эфира. Позднее это было опровергнуто экспериментом Майкельсона-Морли , показавшим, что скорость света всегда остается постоянной независимо от движения наблюдателя. Эйнштейн и Анри Пуанкаре позже утверждали, что нет необходимости в эфире для объяснения движения света, предполагая, что нет абсолютного времени . Специальная теория относительности основана на этом, утверждая, что свет движется с конечной скоростью независимо от скорости наблюдателя.
Масса и энергия связаны уравнением , которое объясняет, что для любого объекта с массой требуется бесконечное количество энергии, чтобы двигаться со скоростью света (c = 3×10⁸м/с). Был разработан новый способ определения метра с использованием скорости света. «События» также можно описать с помощью световых конусов , графического представления пространства-времени, которое ограничивает, какие события разрешены, а какие нет, на основе прошлых и будущих световых конусов. Также описывается 4-мерное пространство-время , в котором «пространство» и «время» неразрывно связаны. Движение объекта через пространство неизбежно влияет на то, как он воспринимает время.
Общая теория относительности Эйнштейна объясняет, как на путь луча света влияет « гравитация », которая, по мнению Эйнштейна, является иллюзией, вызванной искривлением пространства-времени, в отличие от взгляда Ньютона, который описывал гравитацию как силу, которую материя оказывает на другую материю. В кривизне пространства-времени свет всегда движется по прямой траектории в 4-мерном «пространстве-времени», но может казаться искривленным в 3-мерном пространстве из-за гравитационных эффектов. Эти прямолинейные траектории являются геодезическими . Парадокс близнецов , мысленный эксперимент в специальной теории относительности с участием идентичных близнецов, предполагает, что близнецы могут стареть по-разному, если они движутся с разной скоростью относительно друг друга или даже если они жили в разных местах с неравной кривизной пространства-времени. Специальная теория относительности основана на аренах пространства и времени, где происходят события, тогда как общая теория относительности является динамической, где сила может изменять кривизну пространства-времени и которая порождает динамическую, расширяющуюся Вселенную. Хокинг и Роджер Пенроуз работали над этим и позднее доказали с помощью общей теории относительности, что если Вселенная началась конечное время назад в прошлом, то она также может закончиться в конечное время от настоящего момента в будущем.
В этой главе Хокинг впервые описывает, как физики и астрономы вычисляют относительное расстояние звезд от Земли. В 18 веке сэр Уильям Гершель подтвердил положения и расстояния многих звезд на ночном небе. В 1924 году Эдвин Хаббл открыл метод измерения расстояния с использованием яркости переменных звезд цефеид , наблюдаемых с Земли. Светимость , яркость и расстояние этих звезд связаны простой математической формулой. Используя все это, он вычислил расстояния девяти различных галактик. Мы живем в довольно типичной спиральной галактике, содержащей огромное количество звезд.
Звезды находятся очень далеко от нас, поэтому мы можем наблюдать только одну их характерную особенность — их свет. Когда этот свет проходит через призму, он дает спектр . Каждая звезда имеет свой собственный спектр, и поскольку каждый элемент имеет свой собственный уникальный спектр, мы можем измерить спектр света звезды, чтобы узнать ее химический состав. Мы используем тепловые спектры звезд, чтобы узнать их температуру. В 1920 году, когда ученые изучали спектры разных галактик, они обнаружили, что некоторые характерные линии спектра звезды были смещены в сторону красного конца спектра. Последствия этого явления были даны эффектом Доплера , и было ясно, что многие галактики удаляются от нас.
Предполагалось, что, поскольку некоторые галактики смещены в красную область, некоторые галактики также будут смещены в синюю область. Однако галактики с красным смещением намного превосходили по численности галактики с синим смещением . Хаббл обнаружил, что величина красного смещения прямо пропорциональна относительному расстоянию. Из этого он определил, что Вселенная расширяется и имела начало. Несмотря на это, концепция статической Вселенной сохранялась в 20 веке. Эйнштейн был настолько уверен в статичности Вселенной, что разработал « космологическую постоянную » и ввел силы «антигравитации», чтобы позволить Вселенной бесконечного возраста существовать. Более того, многие астрономы также пытались избежать последствий общей теории относительности и придерживались своей статичной Вселенной, за одним особенно заметным исключением — русским физиком Александром Фридманом .
Фридман сделал два очень простых предположения: Вселенная идентична везде, где мы находимся, т. е. однородность , и что она идентична в каждом направлении, куда бы мы ни посмотрели, т. е. изотропность . Его результаты показали, что Вселенная нестатична. Его предположения были позже подтверждены, когда два физика из Bell Labs , Арно Пензиас и Роберт Уилсон , обнаружили неожиданное микроволновое излучение не только из одной конкретной части неба, но и отовсюду и почти в одинаковом количестве. Таким образом, первое предположение Фридмана оказалось верным.
Примерно в то же время Роберт Х. Дике и Джим Пиблз также работали над микроволновым излучением . Они утверждали, что должны были увидеть свечение ранней Вселенной как фоновое микроволновое излучение. Уилсон и Пензиас уже сделали это, поэтому они были награждены Нобелевской премией в 1978 году. Кроме того, наше место во Вселенной не является исключительным , поэтому мы должны видеть Вселенную примерно такой же из любой другой части пространства, что подтверждает второе предположение Фридмана. Его работа оставалась в значительной степени неизвестной, пока похожие модели не были созданы Говардом Робертсоном и Артуром Уокером .
Модель Фридмана породила три различных типа моделей эволюции Вселенной. Во-первых, Вселенная будет расширяться в течение заданного периода времени, и если скорость расширения меньше плотности Вселенной (что приводит к гравитационному притяжению), это в конечном итоге приведет к коллапсу Вселенной на более поздней стадии. Во-вторых, Вселенная будет расширяться, и в какой-то момент, если скорость расширения и плотность Вселенной станут равными, она будет расширяться медленно и остановится, что приведет к несколько статичной Вселенной. В-третьих, Вселенная будет продолжать расширяться вечно, если плотность Вселенной меньше критической величины, необходимой для уравновешивания скорости расширения Вселенной.
Первая модель изображает пространство Вселенной, искривленное вовнутрь . Во второй модели пространство привело бы к плоской структуре , а третья модель приводит к отрицательной «седловидной» кривизне . Даже если мы вычислим, текущая скорость расширения больше критической плотности Вселенной, включая темную материю и все звездные массы. Первая модель включала начало Вселенной как Большой взрыв из пространства бесконечной плотности и нулевого объема, известного как « сингулярность », точка, в которой общая теория относительности (решения Фридмана основаны на ней) также терпит крах.
Эта концепция начала времени (предложенная бельгийским католическим священником Жоржем Леметром ), по-видимому, изначально была мотивирована религиозными убеждениями, поскольку она поддерживала библейское утверждение о том, что Вселенная имеет начало во времени, а не является вечной. [3] Поэтому была введена новая теория, «теория стационарного состояния» Германа Бонди , Томаса Голда и Фреда Хойла , чтобы конкурировать с теорией Большого взрыва. Ее предсказания также совпадали с текущей структурой Вселенной. Но тот факт, что источников радиоволн вблизи нас гораздо меньше, чем из далекой Вселенной, и было гораздо больше радиоисточников, чем в настоящее время, привел к провалу этой теории и всеобщему принятию теории Большого взрыва. Евгений Лифшиц и Исаак Маркович Халатников также пытались найти альтернативу теории Большого взрыва, но также потерпели неудачу.
Роджер Пенроуз использовал световые конусы и общую теорию относительности , чтобы доказать, что коллапсирующая звезда может привести к образованию области нулевого размера и бесконечной плотности и кривизны, называемой черной дырой . Хокинг и Пенроуз совместно доказали, что Вселенная должна была возникнуть из сингулярности, что сам Хокинг опроверг, приняв во внимание квантовые эффекты.
В этой главе Хокинг сначала обсуждает твердую веру французского математика девятнадцатого века Лапласа в научный детерминизм , где научные законы в конечном итоге смогут точно предсказать будущее Вселенной. Затем он обсуждает теорию бесконечного излучения звезд согласно расчетам британских ученых лорда Рэлея и Джеймса Джинса , которая позднее была пересмотрена в 1900 году немецким ученым Максом Планком, который предположил, что энергия должна излучаться небольшими, конечными пакетами, называемыми квантами .
Затем Хокинг обсуждает принцип неопределенности, сформулированный немецким ученым Вернером Гейзенбергом , согласно которому скорость и положение частицы не могут быть точно известны из-за квантовой гипотезы Планка: увеличение точности измерения ее скорости приведет к уменьшению определенности ее положения и наоборот. Это опровергло идею Лапласа о полностью детерминированной теории Вселенной. Затем Хокинг описывает последующее развитие квантовой механики Гейзенбергом, австрийским физиком Эрвином Шредингером и английским физиком Полем Дираком в 1920-х годах, теории, которая ввела неустранимый элемент непредсказуемости в науку, и, несмотря на сильные возражения немецкого ученого Альберта Эйнштейна , было доказано, что она очень успешно описывает Вселенную, за исключением гравитации и крупномасштабных структур.
Затем Хокинг обсуждает, как принцип неопределенности Гейзенберга подразумевает корпускулярно-волновой дуализм света (и частиц в целом).
Затем он описывает явление интерференции , когда несколько световых волн интерферируют друг с другом, порождая одну световую волну со свойствами, отличными от свойств компонентных волн, а также интерференцию внутри частиц, примером которой является эксперимент с двумя щелями . Хокинг пишет, как интерференция улучшила наше понимание структуры атомов , строительных блоков материи. В то время как теория датского ученого Нильса Бора лишь частично решила проблему коллапса электронов, квантовая механика полностью решила ее. По словам Хокинга, сумма по историям американского ученого Ричарда Фейнмана является хорошим способом визуализации корпускулярно-волнового дуализма. Наконец, Хокинг упоминает, что общая теория относительности Эйнштейна является классической, неквантовой теорией, которая игнорирует принцип неопределенности, и что ее необходимо согласовать с квантовой теорией в ситуациях, когда гравитация очень сильна, таких как черные дыры и Большой взрыв.
В этой главе Хокинг прослеживает историю исследований природы материи : четыре элемента Аристотеля, понятие Демокрита о неделимых атомах , идеи Джона Дальтона об атомах, объединяющихся в молекулы , открытие Дж. Дж. Томсоном электронов внутри атомов, открытие Эрнестом Резерфордом атомного ядра и протонов , открытие Джеймсом Чедвиком нейтронов и, наконец, работа Мюррея Гелл-Манна о еще меньших кварках , из которых состоят протоны и нейтроны. Затем Хокинг обсуждает шесть различных «ароматов» ( верхний , нижний , странный , очарованный , нижний и верхний ) и три различных « цвета » кварков (красный, зеленый и синий). Позже в главе он обсуждает антикварки , которых кварки превосходят по численности из-за расширения и охлаждения Вселенной.
Затем Хокинг обсуждает спиновое свойство частиц, которое определяет, как выглядит частица с разных направлений. Затем Хокинг обсуждает две группы частиц во Вселенной на основе их спина: фермионы и бозоны . Фермионы со спином 1/2 следуют принципу исключения Паули , который гласит, что они не могут совместно использовать одно и то же квантовое состояние (например, два протона со «спином вверх» не могут занимать одно и то же место в пространстве). Без этого правила сложные структуры не могли бы существовать.
Бозоны или частицы-переносчики силы со спином 0, 1 или 2 не подчиняются принципу исключения. Затем Хокинг приводит примеры виртуальных гравитонов и виртуальных фотонов . Виртуальные гравитоны со спином 2 переносят силу гравитации . Виртуальные фотоны со спином 1 переносят электромагнитную силу. Затем Хокинг обсуждает слабую ядерную силу (ответственную за радиоактивность и влияющую в основном на фермионы) и сильную ядерную силу, переносимую частицей глюон , которая связывает кварки в адроны , обычно нейтроны и протоны , а также связывает нейтроны и протоны в атомные ядра . Затем Хокинг пишет о явлении, называемом ограничением цвета , которое препятствует открытию кварков и глюонов самих по себе (за исключением случаев чрезвычайно высокой температуры), поскольку они остаются заключенными внутри адронов.
Хокинг пишет, что при чрезвычайно высокой температуре электромагнитная сила и слабая ядерная сила ведут себя как единая электрослабая сила , что порождает предположение, что при еще более высоких температурах электрослабая сила и сильная ядерная сила также будут вести себя как единая сила. Теории, которые пытаются описать поведение этой «объединенной» силы, называются теориями великого объединения , которые могут помочь нам объяснить многие загадки физики, которые ученым еще предстоит разгадать.
В этой главе Хокинг обсуждает черные дыры , области пространства-времени , где чрезвычайно сильная гравитация не позволяет всему, включая свет, вырваться из них. Хокинг описывает, как большинство черных дыр образуются во время коллапса массивных звезд (по крайней мере в 25 раз тяжелее Солнца ) , приближающихся к концу жизни. Он пишет о горизонте событий , границе черной дыры, из которой ни одна частица не может вырваться в остальное пространство-время. Затем Хокинг обсуждает невращающиеся черные дыры со сферической симметрией и вращающиеся с осесимметрией . Затем Хокинг описывает, как астрономы обнаруживают черную дыру не напрямую, а косвенно, наблюдая с помощью специальных телескопов за мощными рентгеновскими лучами, испускаемыми при поглощении ею звезды. Хокинг заканчивает главу упоминанием своего знаменитого пари, заключенного в 1974 году с американским физиком Кипом Торном, в котором Хокинг утверждал, что черных дыр не существует. Хокинг проиграл пари, поскольку новые доказательства доказали, что Cygnus X-1 действительно является черной дырой.
В этой главе обсуждается аспект поведения черных дыр, который Стивен Хокинг открыл в 1970-х годах. Согласно более ранним теориям, черные дыры могут только увеличиваться и никогда не уменьшаться, потому что ничто, попадающее в черную дыру, не может выйти наружу. Однако в 1974 году Хокинг опубликовал новую теорию, в которой утверждалось, что черные дыры могут «испускать» излучение . Он представил, что могло бы произойти, если бы пара виртуальных частиц появилась вблизи края черной дыры. Виртуальные частицы ненадолго «занимают» энергию у самого пространства-времени , затем аннигилируют друг с другом, возвращая заимствованную энергию и прекращая свое существование. Однако на краю черной дыры одна виртуальная частица может быть захвачена черной дырой, в то время как другая сбежит. Из-за второго закона термодинамики частицам «запрещено» брать энергию из вакуума. Таким образом, частица берет энергию из черной дыры, а не из вакуума, и покидает черную дыру в виде излучения Хокинга .
По мнению Хокинга, черные дыры должны очень медленно уменьшаться со временем и в конечном итоге «испариться» из-за этого излучения, а не продолжать существовать вечно, как считали ученые ранее.
В этой главе обсуждаются начало и конец Вселенной.
Большинство ученых сходятся во мнении, что Вселенная началась в результате расширения, называемого «Большим взрывом». В начале Большого взрыва Вселенная имела чрезвычайно высокую температуру, что препятствовало образованию сложных структур, таких как звезды, или даже очень простых, таких как атомы. Во время Большого взрыва имело место явление, называемое « инфляцией », в ходе которого Вселенная на короткое время расширилась («раздулась») до гораздо больших размеров. Инфляция объясняет некоторые характеристики Вселенной, которые ранее сильно сбивали с толку исследователей. После инфляции Вселенная продолжала расширяться более медленными темпами. Она стала намного холоднее, что в конечном итоге позволило сформировать такие структуры.
Хокинг также обсуждает, как Вселенная могла бы выглядеть иначе, если бы она росла в размерах медленнее или быстрее, чем на самом деле. Например, если бы Вселенная расширялась слишком медленно, она бы схлопнулась , и не хватило бы времени для формирования жизни . Если бы Вселенная расширялась слишком быстро, она бы стала почти пустой.
Хокинг в конечном итоге предлагает вывод, что вселенная может быть конечной, но безграничной. Другими словами, она может не иметь ни начала, ни конца во времени, а просто существовать с конечным количеством материи и энергии.
В этой главе также обсуждается концепция квантовой гравитации .
В этой главе Хокинг рассуждает о том, почему «реальное время», как Хокинг называет время, когда люди его наблюдают и переживают (в отличие от « мнимого времени », которое, по утверждению Хокинга, присуще законам науки), по-видимому, имеет определенное направление, в частности, из прошлого в будущее. Затем Хокинг обсуждает три « стрелы времени », которые, по его мнению, придают времени это свойство. Первая стрела времени Хокинга — это термодинамическая стрела времени : направление, в котором увеличивается энтропия (которую Хокинг называет беспорядком). По словам Хокинга, именно поэтому мы никогда не видим, как осколки чашки собираются вместе, образуя целую чашку. Вторая стрела Хокинга — это психологическая стрела времени , в результате чего наше субъективное чувство времени, кажется, течет в одном направлении, поэтому мы помним прошлое, а не будущее. Хокинг утверждает, что наш мозг измеряет время таким образом, что беспорядок увеличивается в направлении времени — мы никогда не наблюдаем, чтобы он работал в противоположном направлении. Другими словами, он утверждает, что психологическая стрела времени переплетена с термодинамической стрелой времени. Третья и последняя стрела времени Хокинга — это космологическая стрела времени: направление времени, в котором Вселенная расширяется, а не сжимается. По мнению Хокинга, во время фазы сжатия Вселенной термодинамическая и космологическая стрелы времени не будут согласовываться.
Затем Хокинг утверждает, что « предложение об отсутствии границ » для Вселенной подразумевает, что Вселенная будет расширяться в течение некоторого времени, прежде чем снова сжаться. Он продолжает утверждать, что предложение об отсутствии границ — это то, что движет энтропией, и что оно предсказывает существование четко определенной термодинамической стрелы времени, если и только если Вселенная расширяется, поскольку это подразумевает, что Вселенная должна была начаться в гладком и упорядоченном состоянии, которое должно расти в сторону беспорядка по мере продвижения времени. Он утверждает, что из-за предложения об отсутствии границ сжимающаяся Вселенная не будет иметь четко определенной термодинамической стрелки, и поэтому только Вселенная, которая находится в фазе расширения, может поддерживать разумную жизнь. Используя слабый антропный принцип , Хокинг продолжает утверждать, что термодинамическая стрела должна согласовываться с космологической стрелой, чтобы любая из них наблюдалась разумной жизнью. Вот почему, по мнению Хокинга, люди ощущают эти три стрелы времени, идущие в одном направлении.
В этой главе Хокинг обсуждает, возможно ли путешествовать во времени, т. е. путешествовать в будущее или прошлое. Он показывает, как физики пытались разработать возможные методы, с помощью которых люди с передовыми технологиями могли бы путешествовать быстрее скорости света или путешествовать назад во времени , и эти концепции стали основой научной фантастики . Мосты Эйнштейна-Розена были предложены в начале истории исследований общей теории относительности . Эти «кротовые норы» будут выглядеть идентичными черным дырам снаружи, но вошедшая в них материя будет перемещена в другое место в пространстве-времени, потенциально в отдаленную область пространства или даже назад во времени. Однако более поздние исследования показали, что такая червоточина, даже если ее образование изначально возможно, не позволит никакому материалу пройти через нее, прежде чем превратиться обратно в обычную черную дыру. Единственный способ, которым червоточина могла бы теоретически оставаться открытой и, таким образом, допускать сверхсветовые путешествия или путешествия во времени, потребовал бы существования экзотической материи с отрицательной плотностью энергии , что нарушает энергетические условия общей теории относительности. Таким образом, почти все физики согласны с тем, что сверхсветовые путешествия и путешествия назад во времени невозможны.
Хокинг также описывает свою собственную « гипотезу защиты хронологии », которая дает более формальное объяснение того, почему путешествия со скоростью, превышающей скорость света, и путешествия в обратном направлении во времени почти наверняка невозможны.
Квантовая теория поля (КТП) и общая теория относительности (ОТО) описывают физику Вселенной с поразительной точностью в пределах своих областей применимости. Однако эти две теории противоречат друг другу. Например, принцип неопределенности КТП несовместим с ОТО. Это противоречие, а также тот факт, что КТП и ОТО не полностью объясняют наблюдаемые явления , побудили физиков искать теорию « квантовой гравитации », которая была бы внутренне непротиворечивой и объясняла бы наблюдаемые явления так же хорошо или даже лучше, чем существующие теории.
Хокинг с осторожным оптимизмом смотрит на то, что такая единая теория Вселенной может быть найдена скоро, несмотря на значительные проблемы. На момент написания книги « теория суперструн » стала самой популярной теорией квантовой гравитации, но эта теория и связанные с ней теории струн все еще были неполными и еще не были доказаны, несмотря на значительные усилия (это остается таковым по состоянию на 2021 год). Теория струн предполагает, что частицы ведут себя как одномерные «струны», а не как безразмерные частицы, как в КТП. Эти струны «вибрируют» во многих измерениях. Вместо 3 измерений, как в КТП, или 4 измерений, как в ОТО, теория суперструн требует в общей сложности 10 измерений. Природа шести измерений «гиперпространства», требуемых теорией суперструн, сложна, если не невозможна для изучения, оставляя бесчисленные теоретические ландшафты теории струн , каждый из которых описывает вселенную с различными свойствами. Без средств сужения сферы возможностей, вероятно, невозможно найти практическое применение теории струн.
Альтернативные теории квантовой гравитации, такие как петлевая квантовая гравитация , также страдают от недостатка доказательств и сложности изучения.
Таким образом, Хокинг предлагает три возможности: 1) существует полная единая теория, которую мы в конечном итоге найдем; 2) перекрывающиеся характеристики различных ландшафтов позволят нам постепенно со временем более точно объяснять физику и 3) не существует окончательной теории. Третью возможность обошли, признав ограничения, установленные принципом неопределенности. Вторая возможность описывает то, что происходило в физических науках до сих пор, с все более точными частичными теориями.
Хокинг полагает, что такое совершенствование имеет предел и что путем изучения самых ранних стадий развития Вселенной в лабораторных условиях в XXI веке будет создана полная теория квантовой гравитации, которая позволит физикам решить многие из нерешенных в настоящее время проблем физики.
В этой заключительной главе Хокинг суммирует усилия, предпринимаемые людьми на протяжении всей их истории для понимания Вселенной и своего места в ней: начиная с веры в антропоморфных духов, управляющих природой, за которой последовало признание регулярных закономерностей в природе, и, наконец, с научным прогрессом последних столетий, внутренние механизмы Вселенной стали гораздо лучше поняты. Он вспоминает предположение французского математика девятнадцатого века Лапласа о том, что структура и эволюция Вселенной в конечном итоге могут быть точно объяснены набором законов, происхождение которых остается в сфере Бога. Однако Хокинг утверждает, что принцип неопределенности, введенный квантовой теорией в двадцатом веке, установил пределы предсказательной точности будущих законов, которые предстоит открыть.
Хокинг комментирует, что исторически изучение космологии (изучение происхождения, эволюции и конца Земли и Вселенной в целом) было в первую очередь мотивировано поиском философских и религиозных идей, например, для лучшего понимания природы Бога или даже того, существует ли Бог вообще . Однако, по мнению Хокинга, большинство современных ученых, работающих над этими теориями, подходят к ним с помощью математических расчетов и эмпирических наблюдений, а не задают такие философские вопросы. По его мнению, все более технический характер этих теорий привел к тому, что современная космология все больше отдаляется от философских дискуссий. Тем не менее, Хокинг выражает надежду, что однажды все будут говорить об этих теориях, чтобы понять истинное происхождение и природу Вселенной и достичь «окончательного триумфа человеческого разума».
Введение было удалено после первого издания, поскольку оно было защищено авторским правом Сагана, а не Хокинга или издателя, и издатель не имел права перепечатывать его вечно. Хокинг написал собственное введение для более поздних изданий.
В 1991 году Эррол Моррис снял документальный фильм о Хокинге; хотя у них одинаковое название, фильм представляет собой биографическое исследование Хокинга, а не экранизацию его книги.
"Stephen Hawking's Pocket Universe: A Brief History of Time Revisited" основано на книге. Приложение было разработано Preloaded для издательства Transworld, подразделения группы Penguin Random House .
Приложение было создано в 2016 году. Его разработал Бен Кортни, а спродюсировала Джемма Харрис. Оно доступно только на iOS .
Метрополитен -опера заказала премьеру оперы по книге Хокинга в сезоне 2015–2016 годов. Она должна была быть написана Освальдо Голиховым на либретто Альберто Мангеля в постановке Робера Лепажа . [6] Запланированная опера была изменена на другую тему и в конечном итоге полностью отменена. [7]
