Кто такой Стивен Хокинг? Большая история ученого

Когда мы задумываемся о крупных фигурах в истории науки, на ум приходят многие имена. Эйнштейн, Ньютон, Кеплер, Галилей — все великие теоретики и мыслители, оставившие неизгладимый след за свою жизнь. Во многих случаях, их вклады не были в полной мере оценены до смерти. Но сегодня нам повезло иметь рядом крупного ученого, который уже сделал значительный клад и по-прежнему жив и… здоров — Стивен Хокинг.

Стивен Хоккинг

Один и самых известных ученых современности

Часть первая: Восхождение легенды Хокинга

Многие называют его «современным Эйнштейном». Работа Хокинга в области космологии и теоретической физике не имеет равных среди современников. В дополнение к своей работе над гравитационными сингулярностями и квантовой механикой, он также обнаружил, что черные дыры излучают радиацию (так называемое излучение Хокинга). Ко всему прочему, Хокинг стал культурной иконой, регулярно появляясь на телевизионных шоу, читая публичные лекции, издавая научно-популярные книги, в которых рассказывает о своих теориях в доступном и удобочитаемом формате.

Физики обнаружили слияние черных дыр, которые не должны существовать

Когда родился Стивен Хокинг

Хокинг родился 8 января 1942 года (в 300-ю годовщину со дня смерти Галилея) в Оксфорде, Англия. Его родители, Фрэнк и Изабель Хокинг, учились в Оксфордском университете, где Фрэнк изучал медицину, а Изабель философию, политику и экономику. Сначала пара жила в Хайгейте, пригороде Лондона, но впоследствии перебралась в Оксфорд, подальше от взрывов и чтобы родить своего ребенка в безопасности.

В 1950 году семья снова переехала, в этот раз в Сент-Олбанс, Хартфордшир, поскольку отец Стивена стал заведующим кафедрой паразитологии в Национальном институте медицинских исследований. Пребывая там, семья приобрела репутацию очень интеллигентных, но несколько эксцентричных людей. Они жили скромно, жили в большом, суматошном доме, за которым следили мало, и лицо каждого члена семьи постоянно скрывала книжка.

Молодой Стивен Хокинг.

Где учился Хокинг

Хокинг начал свое обучение в школе Байрон Хаус, где и столкнулся с трудностями, пытаясь научиться читать (позже он обвинит в этом «прогрессивные методы» школы). Будучи в Сент-Олбанс, восьмилетний Хокинг несколько месяцев посещал старшую школу Сент-Олбанс для девочек (в которой тогда разрешалось учиться юным мальчишкам). В сентябре 1952 года его на год зачислили в школу Рэдлетт, но большую часть своих подростковых лет он проведет в Сент-Обанс из-за финансовых трудностей семьи.

Подписывайтесь на наш канал в Яндекс Дзен. Там можно найти много всего интересного, чего нет даже на нашем сайте.

Именно там Хокинг приобрел много друзей, с которыми играл в настольные игры, делал фейерверки, моделировал самолеты и катера и подолгу разговаривал на разные темы, от религии до экстрасенсорного восприятия. В 1958 году, с помощью учителя математики Дикрана Тахта, Хокинг и его друзья построили компьютер из частей часов, старого телефонного коммутатора и других списанных в утиль компонентов.

Не проявляя поначалу особых успехов в учебе, Хокинг демонстрировал значительный интерес к научным предметам, за что и получил прозвище «Эйнштейн». Вдохновляемый своим учителем Тахта, он решил изучать математику в университете. Отец, правда, рассчитывал, что его сын поступит в Оксфорд на медицинский, но поскольку в то время там нельзя было заниматься математикой, Хокинг решил изучать физику и химию.

Поступление Хокинга в Оксфорд.

В какой институт поступил Стивен Хокинг

В 1959 году, когда ему было всего 17, Хокинг сдал вступительный экзамен в Оксфорд и был удостоен стипендии. Первые полтора года ему было скучно и одиноко, поскольку он был значительно моложе своих сверстников, а вся учеба была «до смешного простой». Во второй и третий год Хокинг попытался сблизиться со сверстниками и стал популярным студентом, вступил в колледжский лодочный клуб и заинтересовался классической музыкой и научной фантастикой.

Когда пришло время последнего экзамена, Хокинг выступил не лучшим образом. Вместо того чтобы отвечать на все вопросы, он решил сосредоточиться на вопросах по теоретической физике и отбросить те, что требовали фактических знаний. В результате он получил балл, который поместил его между первым и вторым показателем. Нуждаясь в первоклассном отличии для плановой аспирантуры по космологии в Кембридже, он был вынужден сдавать устный экзамен.

Взрывы, которые невозможно представить: физики предсказали как погибнет наша Вселенная

Обеспокоенный тем, что его считали ленивым и трудным студентом, Хокинг описал свои будущие планы на собеседовании так: «Если вы присудите мне первую ступень, я пойду в Кембридж. Если вторую, мне придется остаться в Оксфорде, поэтому я рассчитываю, что получу первую». Впрочем, к Хокингу относились лучше, чем он думал, поэтому он получил степень бакалавра первого класса, что позволило ему продолжить научную работу в Тринити-Холле, Кембридж, в октябре 1962 года.

Старых фотографий Стивена Хокинга не очень много.

В первый год докторантуры Хокинг столкнулся с трудностями. Он выяснил, что его знаний математики недостаточно для работы в области общей теории относительности и космологии, поэтому его руководителем стал Деннис Уильям Сциама (один из основателей современной космологии), а не астроном Фред Хойл (которого он надеялся привлечь).

Диагноз Хокинга

Во время обучения в аспирантуре Хокингу поставили диагноз раннего бокового амиотрофического склероза (БАС, ALS). Во время последнего года обучения в Оксфорде он упал с лестницы. Также появились трудности с греблей и местами становилась неразборчивой речь. Узнав о своем диагнозе в 1963 году, Хокинг впал в депрессию и решил, что нет смысла продолжать учебу.

Свадьба.

Но вскоре его мировоззрение изменилось, поскольку болезнь прогрессировала медленнее, чем предсказывали врачи, — изначально ему давали два года. Подбадриваемый Сциамой, он вернулся к своей работе и приобрел неслыханную дерзость и наглость. Он публично оспорил работу Фреда Хойла и его студента Джаянта Нарликара во время лекции в июне 1964 года.

Когда Хокинг только стал аспирантом, в сообществе физиков держались споры о преобладающих теориях современной физики на тему создания Вселенной: Большого Взрыва и устойчивого состояния. В первой — Вселенная была зачата в процессе гигантского взрыва, который породил всю известную материю. Во второй — новая материя постоянно создавалась по мере расширения Вселенной. Хокинг скоро присоединился к дебатам.

Чтобы не пропустить ничего интересного из мира высоких технологий, подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram. Там вы узнаете много нового.

Вдохновленный теоремой Роджера Пенроуза о пространственно-временной сингулярности — точке, в которой величины, используемые для измерения гравитационного поля небесного тела, становятся бесконечными — в центре черных дыр, Хокинг применил аналогичный подход ко всей Вселенной и написал об этом в 1965 году. В 1966 году Хокинг получил докторскую степень по космологии.

Примерно в тот же период Хокинг встретил свою первую жену Джейн Уайлд. Встретил незадолго перед тем, как ему поставили диагноз БАС, но их отношения только укреплялись со временем. Пара поженилась 14 июля 1966 года. Позже Хокинг скажет, что эти отношения с Уайлд дали ему «то, ради чего жить».

Докторская десертация

В своей докторской диссертации, которую он написал в сотрудничестве с Пенроузом, Хокинг применил существование сингулярностей к тому, что и Вселенная могла начаться с такой. Их совместное эссе — «Сингулярности и геометрия пространства-времени» — получило престижную премию Адамса в том же году и другие награды.

В 1970 году Хокинг стал приглашенным профессором Калифорнийского технологического института (Калтеха). Примерно в то же время он и Пенроуз опубликовали доказательство, которое включало общую теорию относительности и теорию физической космологии, разработанную Александром Фридманом.

Почему наша Вселенная такая странная и существуют ли законы физики?

Согласно доказательству, если Вселенная действительно следовала модели общей теории относительности — и обладала положительной, нулевой и отрицательной кривизной пространства-времени, — она должна была начаться с сингулярности. В сущности, Вселенная существовала как гравитационная сингулярность — точка с бесконечной плотностью, вмещавшая всю массу и пространство-время Вселенной, прежде чем квантовые флуктуации привели к ее быстрому расширению в процессе Большого Взрыва.

Вселенная

Геометрия вселенной.

Также в 1970 году Хокинг предположил то, что стало известно как второй закон динамики черных дыр. Вместе с Джеймсом Бардином и Брэндоном Картером он предложил четыре закона механики черных дыр, проведя аналогию с термодинамикой. Эти законы утверждали следующее: для стационарной черной дыры горизонт имеет постоянную гравитацию поверхности; для возмущений стационарных черных дыр изменение энергии связано с изменением площади, моментом импульса и электрического заряда; площадь горизонта является, предполагая слабое энергетическое условие, неубывающей функцией времени; невозможно сформировать черную дыру с исчезающей гравитацией поверхности.

В 1971 году он выпустил эссе под названием «Черные дыры в общей теории относительности», в котором высказал предположение, что площадь черных дыр может никогда не уменьшаться, а следовательно на количество излучаемой ими энергии можно наложить определенные ограничения. Это Эссе получило награду Hawking the Gravity Research Foundation Award в январе того года.

Почему физики считают, что мы живем в Мультивселенной?

В 1973 году была опубликована первая книга Хокинга, которую он написал во время свои постдокторантских исследований с Джорджем Эллисом. Названная «Крупномасштабная структура пространства-времени», эта книга описывала основание самого пространства и природу его бесконечного расширения, используя дифференциальную геометрию для изучения последствий общей теории относительности Эйнштейна.

Хокинг был избран членом Королевского общества в 1974 году, через несколько недель после заявления об излучении Хокинга.

Награды и титулы Стивена Хокинга

Середина — конец 1970-х переживали рост интереса к черным дырам, а также ученых, с ними связанных. Публичный профиль Хокинга начал расти и получать нарастающее академическое и общественное признание, он стал появляться в печати и на телевидении, получать многочисленные награды и почетные титулы.

В конце 1970-х Хокинг был избран Лукасовским профессором математики в Кембриджском университете. Его вступительная лекция на этой должности называлась «Виден ли конец теоретической физики». Во время этой речи он предложил N=8 супергравитацию — квантовую теорию поля, которая включала гравитацию в 8 суперсимметрий — как ведущую теорию для решения множества нерешенных проблем физики.

Заходите в наш специальный Telegram-чат. Там всегда есть с кем обсудить новости из мира высоких технологий.

Продвижение Хокинга совпало с кризисом в его здоровье, поэтому он был вынужден нанять сиделку. В то же время начал меняться его подход к физике, становиться все более интуитивным и спекулятивным, не настаивающим на математических доказательствах.

К 1981 году Хокинг решил сосредоточиться на космологической теории инфляции и происхождении Вселенной. Инфляционная теория — которую предложил Алан Гут в том же году — утверждала, что после Большого Взрыва Вселенная сначала расширяться очень быстро, а потом темпы ее расширения замедлились. В ответ на это Хокинг представил работу, в которой предположил, что этой границы — начало вселенной — может и вовсе не быть.

Хокинг провел немало семинаров выступлений.

Летом 1982 года вместе с коллегой Гэри Гиббонсом Хокинг организовал трехнедельный семинар под названием «Самая ранняя Вселенная» в Кембриджском университете. С Джимом Хартлом, американским физиком и профессором физики в Калифорнийском университете, он предположил, что во время самого раннего периода Вселенной (так называемой эпохи Планка) у Вселенной не было границ пространства-времени.

Cостояния Хартла — Хокинга

В 1983 году они опубликовали эту модель, известную как состояния Хартла — Хокинга. Среди прочего, модель говорила, что до Большого Взрыва время не существовало, а значит понятие начала Вселенной само по себе бессмысленно. Она также заменила изначальную сингулярность Большого Взрыва регионом, похожим на Северный полюс, поскольку в случае с Северным полюсом никто не может по нему путешествовать, ведь это точка, в которой сходятся линии, и у нее нет границы.

Физики полагают, что наша цивилизация падет в течение десятилетий. Но почему?

Из этого предложения вытекала замкнутая вселенная со множеством экзистенциальных последствий, в том числе и на тему существования Бога. Впрочем, Хокинг не исключал существование Бога, обращаясь к нему в метафорическом смысле, объясняя загадки Вселенной. Однако часто говорил, что в существовании Бога нет необходимости для объяснения происхождения Вселенной или существования единой теории поля.

В 1982 году он также начал работу над книгой, в которой попытался донести природу вселенной доступно для широкой публики. Это привело к тому, что он подписал контракт с Bantam Books на издание «Краткой истории времени», первый проект которой был издан в 1984 году.

После нескольких редакций, окончательный проект был опубликован в 1988 году и был встречен мощной критикой. Книгу перевели на много языков, и она до сих пор остается бестселлером (было продано около 9 миллионов копий).

Часть вторая: Излучение Хокинга

Новые работы Стивена Хокинга

Дальнейшая работа Хокинга в области стрел времени привела к публикации в 1985 году теории, что если его предположение об отсутствии границы (у черной дыры — как отсутствие границы у северного полюса: это пересечение линий) верно, то когда Вселенная прекратит расширяться и коллапсирует, время пойдет вспять. Позже он отказался от этой теории после того, как независимые вычисления ее оспорили, но она обеспечила ценный взгляд на возможную связь времени и расширения космоса.

В 1990-х годах Хокинг продолжал публиковать и читать лекции о своих теориях относительно физики, черных дыр и Большого Взрыва. В 1993 году он стал одним из редакторов книги по евклидовой квантовой гравитации вместе с Гари Гиббонсом, над этой теорией они работал в конце 70-х. Согласной этой теории, гравитационное поле черной дыры можно оценить с помощью функционального интегрального подхода, таким образом, избежав сингулярностей.

Изучение черных дыр было главной задачей Хокинга.

В том же году был опубликован сборник популярных эссе, интервью и бесед под названием «Черные дыры и молодые вселенные». В 1994 году Хокинг и Пенроуз прочитали серию из шести лекций в Институте Ньютона в Кембридже, которые позже были опубликованы под названием «Природа пространства и времени».

Личная жизнь Стивена Хокинга

В 90-х в личной жизни Хокинга тоже произошли серьезные изменения. В 1990 он и Джейн Хокинг начали бракоразводный процесс после множества лет напряженных отношений, связанных с его инвалидностью, постоянным присутствием опекунов и его статусом знаменитости. В 1995 году Хокинг женился на Элейн Мейсон, которая много лет была его сиделкой.

В 2000-х Хокинг выпустил много новых книг и переизданий старых. Среди них «Мир в ореховой скорлупке» (2001), «Кратчайшая история времени» (2005) и «Бог создал целые числа» (2006). Вместе с Джимом Хартлом из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре и ЦЕРН Хокинг начал разработку новых космологических теорий.

Одной из самых интересных стала «космология сверху-вниз», согласно которой Вселенная имела не одно, а много уникальных изначальных состояний, а значит пытаться вывести современное состояние Вселенной из единого изначального состояния нецелесообразно. В соответствии с квантовой механикой, такая космология подразумевает, что настоящее «выбирает» прошлое из суперпозиции множества возможных историй.

Физики придумали как спасти кота Шредингера

При этом теория также предложила возможное решение «вопроса тонкой настройки», который адресован к возможности существования жизни лишь при определенным образом сложившихся физических ограничениях. Предлагая эту новую модель космологии, Хокинг открыл возможность того, что жизнь может быть намного более разнообразной, чем думали раньше.

В 2006 году Хокинг и его вторая жена Элейн Мейсон тихо развелись, а Хокинг возобновил тесные отношения с его первой женой Джейн, его детьми (Робертом, Люси и Тимоти) и внуками. В 2009 году он ушел с поста Лукасовского профессора математики, поскольку того требовали правила Кембриджского университета. Хокинг продолжил работу в качестве научного директора отделения прикладной математики и теоретической физики Кембриджского университета, где и работает до сих пор, не собираясь на пенсию.

Излучение Хокинга и информационный парадокс черных дыр

В начале 70-х Хокинг начал работу над «теоремой об отсутствии волос». Основываясь на уравнениях гравитации и электромагнетизма Эйнштейна — Максвелла в общей теории относительности, теория утверждала, что все черные дыры можно полностью охарактеризовать тремя наблюдаемыми извне классическими параметрами: массой, электрическим зарядом и угловым моментом.

Хокинг и микрогравитация (Vomit Comet)

По такому сценарию, вся другая информация о материи, которая образовала черную дыру или падает в нее (для которой используются «волосы» как метафора), «исчезает» за горизонтом событий черной дыры и, следовательно, сохраняется, но будет недоступна для внешних наблюдателей.

В 1973 году Хокинг ездил в Москву и виделся с советскими учеными Яковом Зельдовичем и Алексеем Старобинским. В ходе дискуссий с ними об их работе, они показали ему, как принцип неопределенности приводит к тому, что черные дыры должны излучать частицы. Это поставило под вопрос второй закон термодинамики черной дыры Хокинга (то есть черные дыры не могут становиться меньше), поскольку за счет энергии они должны терять и массу.

Все самые свежие новости из мира высоких технологий вы также можете найти в Google News.

Более того, это поддерживало теорию, выдвинутую Якобом Бекенштейном, аспирантом Университета Джона Уилера, что черные дыры должны иметь конечную ненулевую температуру и энтропию. Все это противоречило «теореме об отсутствии волос». Хокинг вскоре пересмотрел свою теорему, показав, что когда учитываются квантово-механические эффекты, оказывается, что черные дыры испускают тепловое излучение определенной температуры.

В 1974 году Хокинг представил свои выводы и показал, что черные дыры излучают радиацию. Этот эффект стал известен как «излучение Хокинга» и сначала был противоречивым. Но к концу 70-х и после публикации дальнейших исследований открытие было признано в качестве существенного прорыва в области теоретической физики.

Минусы теории Хокинга

Тем не менее одним из следствий такой теории было то, что черные дыры постепенно теряют массу и энергию. Из-за этого черные дыры, которые теряют больше массы, чем приобретают, должны сжиматься и в конечном счете исчезать — сейчас это явление известно как «испарение» черной дыры.

В 1981 году Хокинг предположил, что информация в черной дыре необратимо теряется, когда черная дыра испаряется, что стало известно как «информационный парадокс черной дыры». Он утверждал, что физическая информация может навсегда исчезнуть в черной дыре, позволяя множеству физических состояний приходить к единому.

Теория оказалась спорной, поскольку нарушала два фундаментальных принципа квантовой физики. Квантовая физики утверждает, что полная информация физической системы — состояние ее материи (масса, положение, спин, температура и т. п.) — закодирована в ее волновой функции до тех пор, пока функция не коллапсирует. Это, в свою очередь, приводит к двум другим принципам.

Первый — квантовый детерминизм — утверждает, что — учитывая настоящую волновую функцию — будущие изменения уникально определяются оператором эволюции. Второй — обратимость — утверждает, что оператор эволюции имеет обратную сторону, а значит прошлые волновые функции также уникальны. Сочетание этих принципов приводит к тому, что информация о квантовом состоянии материи всегда должна сохраняться.

Хокинг в Белом доме на вручении Медали свободы

Предположив, что информация исчезает после испарения черной дыры, Хокинг по сути создал фундаментальный парадокс. Если черная дыра может испаряться, тем самым приводя к исчезновению всей информации о квантовой волновой функции, тогда информация может быть в принципе утрачена навсегда. Этот вопрос стал предметом дискуссий среди ученых и остается практически нерешенным по сей день.

И все же к 2003 году среди физики сложился определенный консенсус на тему того, что Хокинг был неправ о потере информации в черной дыре. На лекции в Дублине в 2004 году он признал, что проиграл пари на эту тему Джону Прескиллу из Калтеха (которое заключил в 1997 году), но описал собственное и несколько спорное решение проблемы парадокса: возможно, черные дыры могут иметь больше чем одну топологию.

В центре огромной галактики обнаружена самая большая черная дыра

В работе 2005 года, которую он опубликовал на эту тему — «Потеря информации в черных дырах», — он утверждал, что информационный парадокс объясняется изучением всех альтернативных историй вселенных, когда информационная потеря в одной с черными дырами компенсируется в другой без них. В итоге в январе 2014 года Хокинг назвал информационный парадокс черной дыры своей «крупнейшей ошибкой».

Хокинг и Хиггс

higgs-and-hawking-at-collider

В дополнение к расширению нашего понимания черных дыр и космологии с применением ОТО и квантовой механики, Стивен Хокинг также сыграл важную роль в привлечении к науке широкой аудитории. За свою долгую научную карьеру он также опубликовал много популярных книг, много путешествовал и читал лекции, появлялся на телешоу и в фильмах.

Кем работал Стивен Хокинг

За время своей карьеры Хокинг также стал заслуженным педагогом, лично выпустив 39 успешных студентов с докторской степенью. Его имя останется и в истории поиска внеземного разума, и развитии робототехники и искусственного интеллекта. 20 июля 2015 года Стивен Хокинг помог запустить Breakthrough Initiatives, инициативу поиска внеземной жизни во Вселенной.

Вне всяких сомнений, Стивен Хокинг — один из самых известных ученых, живущих сегодня. Его работа в области астрофизики и квантовой механики привела к прорыву в нашем понимании пространства и времени, а также породила множество споров среди ученых. Едва ли кто-нибудь из живущих ныне ученых сделал столько для привлечения внимания широкой публики к науке.

Почему квантовая физика сродни магии?

Есть в Хокинге что-то от его предшественника Альберта Эйнштейна — другого влиятельного и знаменитого ученого, который сделал все для борьбы с невежеством и развития науки. Но особенно впечатляет то, что все, что Хокинг делал в своей жизни (с определенного момента), происходило в упорной борьбе с дегенеративным заболеванием. (Почитайте, например, историю его знаменитого голоса и как он умудряется писать книги, оставаясь совершенно недвижимым).

Больше 52 лет Хокинг прожил с болезнью, которая, по мнению врачей, должна была унести его жизнь за 2 года. И когда наступит день, когда Хокинга уже не будет с нами, время, несомненно, поместит его рядом с такими людьми, как Эйнштейн, Ньютон, Галилей и Кюри, в качестве одного из величайших ученых в истории человечества.

Новый комментарий

Для отправки комментария вы должны или