Гравитационные волны, сингулярность и рождение галактик: о чем говорится в диссертации Хокинга

Сайт Кембриджского университета вышел из строя из-за большого числа желающих прочесть диссертацию физика Стивена Хокинга, которая впервые появилась в открытом доступе. «Делая мою диссертацию открытой, я надеюсь, вдохновить людей по всему миру, чтобы они посмотрели на звезды, а не себе под ноги», - говорит Хокинг. «Футурист» подготовил краткое содержание.

О чем она вообще?

​В своей диссертации Хокинг рассматривал последствия расширения Вселенной и причины образования галактик, а также доказал неизбежность сингулярности в космологических моделях.

«Каждое поколение стоит на плечах тех, кто был до них, как и я, как молодой доктор философии, студент Кембриджа, вдохновленный работами Исаака Ньютона, Джеймса Клерка Максвелла и Альберта Эйнштейна», - говорится в заявлении Хокинга. «Замечательно слышать, сколько людей уже проявили интерес к загрузке моей диссертации - надеюсь, теперь они не будут разочарованы тем, что у них наконец есть доступ к ней!»

Аннотация

«Рассматриваются некоторые последствия расширения Вселенной. В главе 1 показано, что это расширение создает серьезные трудности для теории гравитации Хойла-Нарликара. В главе 2 рассматриваются возмущения расширяющейся однородной и изотропной вселенной. Вывод состоит в том, что галактики не могут образовываться в результате роста возмущений. В этом приближении также исследуется распространение и поглощение гравитационного излучения. В главе 3 гравитационное излучение в расширяющейся Вселенной рассматривается методом асимптотических разложений. Выводятся поведение "отслаивания" и асимптотическая группа. Глава 4 посвящена возникновению сингулярностей в космологических моделях. Показано, что сингулярность неизбежна при выполнении некоторых очень общих условий».

Введение

В этой части Хокинг доказывает актуальность своей работы. В то время идея расширения Вселенной только набирала популярность. Хокинг пишет, что многие серьезные теоретики (в их числе Альберт Эйнштейн) предполагали, что мир статичен и существует в таком состоянии бесконечно долго.

«Если бы звезды излучали радиацию в текущих значениях бесконечно долго, им бы понадобился вечный источник энергии. Тогда и поток радиации был бы бесконечен. Если же, напротив, они бы обладали ограниченным источником энергии, целая Вселенная сейчас находилась бы в состоянии термодинамического равновесия. Но это не так», - опровергает эту точку зрения Хокинг.

В связи с этим он перечисляет возможные космологические модели.

1) Вселенная возникла из некоторого начального сингулярного (бесконечно плотного) состояния и с тех пор непрерывно расширяется - теория Большого взрыва

2) Вселенная, возникнув из сингулярности Большого Взрыва, проходит период расширения, после чего гравитационное взаимодействие останавливает расширение и начинается обратное сжатие Вселенной в сингулярность - циклическая или осцилляционная модель

3) Вселенная просто расширяется бесконечно долго.

Далее Хокинг говорит о том, что Вселенная расширяется по принципу однородности и изотропии. Это означает, что ее расширение не зависит от точки и направления наблюдения. Он опирается на уравнение Робертсона и Уокера, которое демонстрирует этот принцип, и использует его во всех последующих главах.

Это уравнение - не самая длинная формула в работе Хокинга

Глава 1: теория гравитации Хойла-Нарликара

Теория гравитации Хойла-Нарликара вписывается в квазистационарную модель Вселенной - но расширение Вселенной создает для этой модели трудности, что и доказывает Хокинг. В частности, он утверждает, что с учетом расширения вселенной теория Хойла-Нарликара предполагает существование частиц с отрицательной массой. Это не может быть антиматерией, так как масса ее частиц положительна. Введение частиц с отрицательной массой создает больше трудностей, чем способно решить, заключает ученый.

Глава 2: возмущения в расширяющейся однородной и изотропной вселенной

Здесь Хокинг рассматривает возмущения в расширяющейся Вселенной, учитывая ее свойства. Математическим путем Хокинг приходит к выводу, что галактики не могут образоваться при росте изначально небольших неоднородностей во Вселенной. Тем не менее, инфляционная теория, согласно которой галактики образовались из квантовых флуктуаций, сейчас является одной из важнейших теорий в космологии.

Глава 3: гравитационные волны

В этой главе Хокинг моделирует свойства гравитационных волн, существование которых предполагалось, но которые еще не были открыты на практике (ученый осторожно подмечает, что это делает работу «слегка академичной»). Он показывает, как расширение Вселенной влияет на то, как гравитация перемещает свою энергию в виде волн.

Глава 4: сингулярность

В этой главе Хокинг применяет явление сингулярности к различным моделям: неизотропной однородной Вселенной, неоднородным моделям, закрытым и открытым системам, и, наконец, так называемым ловушечным поверхностям. Здесь он доказывает, что сингулярность неизбежна, какую бы модель мы ни взяли - черную дыру или Вселенную до Большого взрыва. В 1970 году Хокинг и Пенроуз вместе создали наиболее сильную теорему о сингулярности.

Что говорят физики?

Астрофизик Майкл Тернер из Университета Чикаго утверждает, что зачастую диссертации не являются лучшими работами у талантливых ученых. Это демонстрирует вторая глава диссертации Хокинга. Однако последующие главы выдают в нем талантливого математика: в третьей главе он точно рассчитывает свойства гравитационных волн, а в четвертой он демонстрирует, что Вселенная расширяется, что впоследствии выльется в теорему сингулярности Пенроуза-Хокинга. Она легла в основу современной системы представлений о природе гравитационных аномалий во Вселенной.

«По сути, он доказал, что Большой взрыв действительно был», - говорит Тернер.

Наиболее важные открытия Хокинг совершил уже после защиты докторской. Однако это не помешало его диссертации стать наиболее востребованной работой из всех материалов сайта Кембриджского университета, чья электронная библиотека содержит 200 000 цифровых объектов.

«Увлекательно наблюдать, как люди вроде Хокинга ищут себя», - говорит профессор физики Гарварда Энди Штурмингер. «Это великолепная диссертация, но ее сложно сравнить с тем, что сделал Хокинг вскоре после ее защиты».