Главная страница

Хокинг - Мир в ореховой скорлупке (илл). Книга-журнал состоит из иллюстраций (215), со вставками текста. Поэтому размер ее


Скачать 13.85 Mb.
НазваниеКнига-журнал состоит из иллюстраций (215), со вставками текста. Поэтому размер ее
АнкорХокинг - Мир в ореховой скорлупке (илл).pdf
Дата04.11.2018
Размер13.85 Mb.
Формат файлаpdf
Имя файлаKhoking_-_Mir_v_orekhovoy_skorlupke_ill.pdf
оригинальный pdf просмотр
ТипКнига
#48065
страница1 из 14
Каталогid8790193

С этим файлом связано 48 файл(ов). Среди них: Khoking_Penrouz_Kartrayt_Shimoni_-_Bolshoe_maloe_i_chelovecheski, Khoking_-_Mir_v_orekhovoy_skorlupke_ill.pdf, Khoking_-_Teoria_vsego_Proiskhozhdenie_i_sudba_Vselennoy.pdf, Rond_283_l_237_za_269__237_n_225_v_sobotu_-_Ponedelnik_nachinaet, Rond_283_l_237_za_269__237_n_225_v_sobotu_-_Ponedelnik_nachinaet, British_GQ_-_November_2018.pdf, Ponedelnik_nachinaetcya_v_cybboty_-_Rond_283_l_237_za_269__237_n, Ponedelnik_nachinaetcya_v_cybboty_-_Rond_283_l_237_za_269__237_n, Puppet_Best_Practices.pdf и ещё 38 файл(а).
Показать все связанные файлы
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   14

Один из самых блестящих ученых нашего времени, известный не только смелостью идейно также ясностью и остроумием их выражения, Хокинг увлекает нас к переднему краю исследований, где правда кажется причудливее вымысла, чтобы объяснить простыми словами принципы, которые управляют Вселенной.
Великолепные цветные иллюстрации служат нам вехами в этом странствии по Стране чудес, где частицы, мембраны и струны движутся вод иннад цати измерениях, где черные дыры испаряются, и где космическое семя, из которого выросла наша Вселенная, было крохотным орешком.
Книга-журнал состоит из иллюстраций (215), со вставками текста. Поэтому размер ее
больше стандартной книги. Иллюстрации вычищены и подготовлены для устройств с экранами от 6" (800x600) и более, для чтения рекомендуется Просьба НЕ пересжимать иллюстрации, т. кони уже сжаты по максимуму (гд е-то Png с цветами и более, где то jpg с прогрессивной палитрой сот. Делать размер иллюстраций меньше не имеет смысла — текст на илл. будет не читаемый, во вторых именно по этой причине книга переделана с нуля, — в библиотеке была только версия с мелкими илл. плохого качества. Макс. размер картинок высота) x ширина. Книга распознавалась с

300mb pdf, часть картинок были заменены на ид ент. с сети (качество лучше, часть объединены т. к. иногда одна илл. — над вух страницах бум. книги. Также исправлена последовательность илл. в тексте — в рус. оригинале они шли на 2 стр. раньше,
зд есь илл. идет сразу после ссылки в тексте. Стивен Хокинг
Пред исловие
Глава Глава Глава Глава Глава Глава Глава Краткий перечень результатов, полученных на коллайд ере (август 2013):
Нерешённые проблемы современной физики
Теоретические проблемы
Эмпирические явления без чёткого научного объяснения
Гло ссарий notes
1 2
3 4
5 6

7 8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
Стивен Хокинг Мир в ореховой скорлупке
Предисловие Яне ожидал, что моя научно-популярная книга Краткая история времени окажется настолько успешной. В списке бестселлеров лондонской «Санд и тайме она продержалась более четырех лет — дольше любой другой книги, что особенно удивительно для издания о науке, ведь они обычно расходятся не очень быстро. Потом люди стали спрашивать, когда ожидать продолжения. Я противился, мне не хотелось писать что-то вроде Продолжения краткой истории или Немного более длинной истории времени. А еще я был занят исследованиями. Но постепенно стало ясно, что можно написать другую книгу, которая имеет шанс оказаться проще для понимания. Краткая история времени была построена по линейной схеме в большинстве случаев каждая следующая глава логически связана с предшествующими. Одним читателям это нравилось, но другие, застряв на первых главах,
так и нед обирались до более интересных тем. Настоящая книга построена иначе — она скорее похожа над ерево: главы 1 и 2 образуют ствол, от которого отходят ветви остальных глав.
Эти ответвления в значительной степени независимы друг отд руга, и, получив представление о стволе, читатель может знакомиться сними в произвольном порядке. Они связаны с областями, в которых я работал или о которых размышлял после публикации
«Краткой истории времени. То есть отображают наиболее активно развивающиеся направления современных исследований. Внутри каждой главы я также попытался уйти от линейной структуры. Иллюстрации и подписи к ним указывают читателю альтернативный маршрут, как в Иллюстрированной краткой истории времени, изданной в 1996 г. Врезки и замечания на полях позволяют затронуть некоторые темы глубже, чем это возможно во сновном тексте.
В 1988 г, когда впервые вышла Краткая история времени, впечатление было такое, что окончательная Теория Всего ед ва-ед ва замаячила на горизонте. Насколько с тех пор изменилась ситуация Приблизились ли мы к нашей цели Как вы узнаете из этой книги,
прогресс был весьма значительным. Но путешествие еще продолжается, и конца ему пока невидно. Как говорится, лучше продолжать путь с надеждой, чем прибыть к цели. Наши поиски и открытия питают творческую активность во всех сферах, не только в науке. Если мы достигнем конца пути, человеческий дух иссохнет и умрет. Ноя нед умаю, что мы когда- либо остановимся будем двигаться если не в глубину, тов сторону усложнения, всегда оставаясь в центре расширяющегося горизонта возможно стей.
Я хочу поделиться моим волнением от сделанных открытий и изобразить реальность такой, какой она предстает перед нами. Я сконцентрировался на тех вопросах, над которыми работал сам, в силу чувства причастности. Детали этой работы крайне специальны, ноя уверен, что основные идеи можно передать и тому, кто не обладает большим математическим багажом. Надеюсь, что мне это удало сь.
В работе над этой книгой у меня было много помощников. Особо я хотел бы отметить
Томаса Хертога и Нила Ширера за их помощь с рисунками, подписями и врезками, Энн Харрис и Китти Фергюссон, которые редактировали рукопись (или, точнее, компьютерные файлы,
по скольку все, что я пишу, появляется в электронной форме, Филиппа Данна из Book
Laboratory и Moonrunner Design, который создал иллюстрации. Но кроме того, я хочу поблагодарить всех тех, кто дал мне возможность вести нормальную жизнь и заниматься научными исследованиями. Без них эта книга не была бы написана.
Стивен Хокинг Кембридж, 2 мая 2001 г
Глава 1 Краткая история относительности О том, как Эйнштейн заложил основы
двух фундаментальных теорий ХХ века:
общей теории относительности и квантовой механики
Альберт Эйнштейн, создатель специальной и общей теорий относительности, родился в г. в немецком городе Ульме, позднее семья перебралась в Мюнхен, где у отца будущего ученого, Германа, и его дяди, Якоба, была небольшая и не слишком преуспевающая электротехническая фирма. Альберт не был вундеркиндом, но утверждения, будто он не успевал в школе, выглядят преувеличением. В 1894 г. бизнес его отца прогорели семья переехала в Милан. Родители решили оставить Альберта в Германии до окончания школы, но он не выносил немецкого авторитаризма и спустя несколько месяцев бросил школу,
отправившись в Италию к своей семье. Позднее он завершил образование в Цюрихе, получив в 1900 г. диплом престижного Политехникума (Eidgenössische Technische Hochschule Высшее техническое училище. Склонность к спорами нелюбовь к начальству помешали
Эйнштейну наладить отношения с профессорами ЕТН, так что никто из них не предложил ему места ассистента, с которого обычно начиналась академическая карьера. Только через два года молодому человеку наконец удалось устроиться над олжно сть младшего клерка в
Швейцарском патентном бюро в Берне. Именно в тот период , в 1905 гон написал три статьи,
которые не только сделали Эйнштейна одним из ведущих ученых мира, но и положили
начало двум научным революциям — революциям, которые изменили наши представления о времени, пространстве и самой реально сти.
К концу XIX века ученые считали, что вплотную подошли к исчерпывающему описанию
Вселенной. По их представлениям, пространство было заполнено непрерывной средой эфиром. Лучи света и радиосигналы рассматривались как волны эфира, подобно тому как звук представляет собой волны плотности воздуха. Все, что требовалось для завершения теории, — это тщательно измерить упругие свойства эфира. Имея ввиду эту зад ачу,
Джефферсоновскую лабораторию в Гарвардском университете построили без единого железного гвоздя, чтобы избежать возможных помех в тончайших магнитных измерениях.
Од нако проектировщики забыли, что красно-коричневый кирпич, который использовался при возведении лаборатории, да и большинства других зданий Гарвард а, содержит значительное количество железа. Здание служит посей день, нов Гарвард е таки не знают, какой вес смогут выдержать перекрытия библиотеки, не содержащие железных гвозд ей.
К концу столетия концепция всепроникающего эфира начала сталкиваться с
трудностями. Ожидалось, что свет должен распространяться по эфиру с фиксированной скоростью, но если вы сами движетесь сквозь эфир в том же направлении, что и свет,
скоро сть света должна казаться меньше, а если вы движетесь в противоположном направлении, скорость света окажется больше (рис. Рис. 1.1 Теория неподвижного эфира

Если бы свет был волной в упругом веществе, называемом эфиром, его скорость казалась
бы выше тому, кто движется на космическом корабле ему навстречу (аи ниже — тому, кто
движется в том же направлении, что и свет (б).
Од нако вряд е экспериментов эти представления неуд ало сь подтвердить. Наиболее точный и корректный из них осуществили в 1887 г. Альберт Майкельсон и Эд вард Морли в
Школе прикладных наук Кейза, Кливленд , штат Огайо. Они сравнили скорость света в двух лучах, идущих под прямым углом друг к другу. Поскольку Земля вращается вокруг своей оси и обращается вокруг Солнца, скорость и направление движения аппаратуры сквозь эфир меняется (рис. 1.2). Но Майкельсон и Морли не обнаружили ни суточных, ни годичных различий вскорости света в двух лучах. Получалось, будто свет всегда движется относительно вас с одной и той же скоростью, независимо оттого, как быстро ив каком направлении движетесь вы сами (рис. 1.3).
Рис. Не было обнаружено никаких различий между скоростью света в направлении движения
Земли по орбите и скоростью света в перпендикулярном направлении.
Основываясь на эксперименте Майкельсона — Морли, ирландский физик Джордж Фитцд жералд и голландский физик Хенд рик Лоренц предположили, что тела, движущиеся сквозь эфир, должны сжиматься, а часы — замедляться. Это сжатие и замедление таковы, что люди всегда будут получать при измерениях одинаковую скорость света независимо от того,
как они движутся относительно эфира. (Фитцд жералд и Лоренц по-прежнему считали эфир реальной субстанцией) Однако в статье, написанной в июне 1905 г, Эйнштейн отметил, что если никто не может определить, движется он сквозь эфир или нетто само понятие эфира становится лишним. Вместо этого он начал с постулата, что законы физики должны быть одинаковыми для всех свободно движущихся наблюдателей. В частности, все они, измеряя скорость света, должны получать одну и туже величину, с какой бы скоростью ни двигались сами. Скорость света независима от их движений и одинакова во всех направлениях.
Рис. 1.3. Измерение скорости света
В интерферометре Майкельсона — Моря и свет источника расщеплялся на два луча
полупрозрачным зеркалом. Лучи двигались перпендикулярно друг другу, а потом объединялись
вновь, попадая на полупрозрачное зеркало. Разница вскорости лучей света, движущихся в двух
направлениях, могла бы привести к тому, что гребни волн одного луча пришли бы одновременно
с впадинами волн другого и взаимно погасили друг друга
Схема эксперимента, реконструированная по иллюстрации, которая появилась в журнале
«Сайнтифик америкен» в 1887 г.
Но это требует отбросить представление о том, что существует единая для всех величина, называемая временем, которую измеряют любые часы. Вместо этого у каждого должно быть свое собственное, персональное время. Время двух человек будет совпад ать,
только если они находятся в покое друг относительно друга, ноне в том случае, если они д вижутся.
Это было подтверждено рядом экспериментов. Водном из них два очень точных хронометра отправили вокруг света в противоположных направлениях, и по возвращении их показания слегка различались (рис. 1.4). Отсюда можно сделать вывод , что, желая продлить свою жизнь, надо постоянно лететь на восток, чтобы скорость самолета добавлялась к скорости вращения Земли. Однако выигрыш составит лишь доли секунды и будет полностью сведен на нет качеством пищи, которой кормят пассажиров авиакомпании
Рис. Одна из версий парадокса близнецов (см. рис. 1.5) была проверена экспериментально путем
отправки двух высокоточных хронометров вокруг света в противоположных направлениях.
При встрече показания часов, которые летели на восток, оказались немного меньше
Рис. 1.5 Парадокс близнецов
Согласно теории относительности каждый наблюдатель имеет свою меру времени. Это
может приводить к так называемому парадоксу близнецов. Один из близнецов (а)
отправляется в космическое путешествие, входе которого движется с около-световой
скоростью (с, а его брат (b) остается на Земле. Из-за движения в космическом корабле время
для путешественника (а) идет медленнее, чем для его близнеца (b) на Земле. Поэтому,
вернувшись, космический путешественника) обнаружит, что его брат (b2) постарел больше,
чем он сам.
Хотя это кажется противоречащим здравому смыслу, ряд экспериментов подтверждает,
что в этом сценарии путешествующий близнец действительно будет моложе
Рис. Космический корабль пролетает мимо Земли со скоростью, равной четырем пятым от
скорости света. Импульс света испускается водном конце кабины и отражается обратно в
другом (а. За светом следят люди на Земле и на корабле. Из-за движения космического корабля
они разойдутся в оценке пути, пройденного светом (b). Они также должны разойтись в оценке
времени, которое свет захватил на движение туда и обратно, поскольку согласно постулату
Эйнтейна скорость света постоянна для всех свободно движущихся наблюдателей.
По стулат Эйнштейна о том, что законы природы должны быть одинаковы для всех свободно движущихся наблюдателей, стало сновой теории относительности, получившей такое название потому, что значение имеют только относительные движения. Ее красоту и простоту признают многие мыслители, но остается и немало тех, кто думает иначе.
Эйнштейн отбросил два абсолюта науки XIX века абсолютный покой, представленный эфиром, и абсолютное универсальное время, которое измеряют все часы. Многих людей тревожит эта концепция. Не подразумевается ли, спрашивают они, что все на свете относительно, так что нет больше абсолютных моральных стандартов Это беспокойство ощущалось на протяжении всех хи х гг. Когда в 1921 г. Эйнштейну присуждали Нобелевскую премию, то ссылались на важную, но (по его масштабам) сравнительно
небольшую работу, также выполненную в 1905 г. О теории относительности даже не упомянули, поскольку она считалась слишком спорной. (Яд о сих пор д ва-три раза в неделю получаю письма, в которых мне сообщают, что Эйнштейн был неправ) Несмотря на это,
теория относительности сегодня полностью принята научным сообществом, а ее предсказания были проверены в бесчисленном количестве экспериментов (рис. Очень важным следствием теории относительности стала связь между массой и энергией. Из постулата Эйнштейна о том, что скорость света должна быть одинакова для всех, вытекает невозможность двигаться быстрее, чем свет. Если использовать энергию для ускорения некоего объекта, будь это элементарная частица или космический корабль, его масса станет возрастать, делая дальнейшее ускорение все более трудным. Разогнать частицу до скорости света будет невозможно, поскольку на это потребуется бесконечное количество энергии. Масса и энергия эквивалентны, что и выражает знаменитая формула Эйнштейна Е =
mc
2
. Это, вероятно, единственная физическая формула, которую узнают на улицах.
Од ним из ее следствий стало понимание того, что если ядро атома урана распадается над ва ядра с немного меньшей суммарной массой, то при этом должно выделяться огромное количество энергии (рис. 1.8).
В 1939 г, когда стала очевидна перспектива новой мировой войны, группа ученых,
которые понимали ее последствия, убедили Эйнштейна преодолеть пацифистские сомнения и поддержать своим авторитетом обращение к президенту Рузвельту с призывом к
Соед иненным Штатам начать программу ядерных исслед ований.
Это привело к появлению Манхэттенского проекта ив конечном счете, бомб, которые взорвались над Хиросимой и Нагасаки в 1945 г. Некоторые люди винят за атомную бомбу
Эйнштейна, поскольку он открыл соотношение между массой и энергией, нос тем же успехом можно обвинять Ньютона в крушении самолетов, поскольку он открыл гравитацию.
Сам Эйнштейн не принимал никакого участия в Манхэттенском проекте и пришел в ужас от бомбардировки Пророческое письмо, отправленное Эйнштейном президенту Рузвельту в 1939 г.
«В течение последних четырех месяцев благодаря работам Жолио во Франции,
а также Фермии Сцилард а в Америке, вероятно, появилась возможность запуска ядерной цепной реакции в крупной массе урана, вследствие чего может быть высвобождена огромная энергия и получено большое количество элементов,
под обных радию. Можно считать почти достоверным, что это удастся реализовать в ближайшем буд ущем.
Это новое явление способно также привести к созданию бомби, что возможно,
хотя уверенность в этом меньше, исключительно мощных бомб нового типа».
Ядерная энергия связи
Ядра состоят из протонов и нейтронов, которые удерживаются вместе сильным взаимодействием. Но масса ядра всегда меньше суммарной массы протонов и нейтронов, из которых оно состоит. Разница служит мерой ядерной энергии связи, которая удерживает частицы в ядре. Энергию связи можно вычислить по формуле Эйнштейна Δmc
2
, где разница между массой ядра и суммой масс входящих в него частицу — скорость света.
Именно выделение этой потенциальной энергии порождает разрушительную мощь ядерных устройств
После своих пионерских статей 1905 г. Эйнштейн завоевал уважение в научном сообществе. Но только в 1909 гему предложили место в Цюрихском университете, что позволило расстаться с Швейцарским патентным бюро. Два года спустя он перебрался в
Немецкий университет в Праге, нов г. вернулся в Цюрих, на это разв ЕТН. Несмотря на антисемитизм, охвативший тогда большую часть Европы и проникший даже в университеты, Эйнштейн теперь очень высоко котировался как ученый. К нему поступили предложения из Вены и Утрехта, но он решил отдать предпочтение должности исследователя Прусской академии наук в Берлине, поскольку она освобождала его от преподавательских обязанностей. Он переехал в Берлин в апреле 1914 г, и вскоре к нему присоединились жена и двое сыновей. Но семейная жизнь не заладилась, и довольно быстро семья ученого вернулась в Цюрих. Несмотря на его эпизодические визиты к жене, они в конце концов развелись.
Эйнштейн позднее женился на своей кузине Эльзе, которая жила в Берлине. Однако все годы Первой мировой войны оно ставался свободным от семейных уз, отчего, возможно,
этот период его жизни оказался таким плодотворным для науки.
Хотя теория относительности полностью соответствует законам, которые управляют электричеством и магнетизмом, она несовместима с ньютоновским законом тяготения. Этот последний говорит, что если изменить распределение вещества водном месте про странства,
то изменения гравитационного поля мгновенно проявятся повсюду во Вселенной. Это не
только означает возможность передавать сигналы со сверхсветовой скоростью (что запрещено теорией относительности, но — для придания смысла понятию мгновенно требует также существования абсолютного или универсального времени, от которого теория относительности отказалась в пользу индивидуального времени.
Эйнштейн знал об этой трудности с 1907 г, когда еще работал в бернском патентном бюро, но только в 1911 г. в Праге начал серьезно думать над проблемой. Он понял, что есть тесная связь между ускорением и гравитационным полем. Находясь в небольшом замкнутом помещении, например в лифте, нельзя сказать, покоится ли оно в земном гравитационном поле или ускоряется ракетой в открытом космосе. (Конечно, это было задолго до появления сериала Звездный путь, и Эйнштейн скорее представлял себе людей в лифте, чем в космическом корабле) Нов лифте нельзя долго ускоряться или свободно падать все быстро закончится катастрофой (рис. Рис. Наблюдатель в контейнере не ощущает разницы между пребыванием в неподвижном

лифте на Земле (аи перемещением в ракете, движущейся с ускорением в свободном
пространстве (b). Отключение двигателя ракеты (с) ощущалось бы точно также, как
свободное падение лифта на дно шахты (d).
Если бы Земля была плоской, мы могли бы с равным успехом приписать падение яблока наголову Ньютона как тяготению, таки тому, что Ньютон вместе с поверхностью Земли ускоренно двигался вверх (рис. 1.10). Такой эквивалентности между ускорением и гравитацией не наблюдается, однако, на круглой Земле люди на противоположных сторонах земною шарад олжны были бы ускоряться в разных направлениях, оставаясь при этом на постоянном расстоянии друг отд руга (рис. Рис. Но ко времени возвращения в Цюрих в 1912 г. в голове Эйнштейна уже сложилось понимание, что эквивалентность должна работать, если про странство-время окажется искривленным, а неплоским, как считалось в прошлом. Идея состояла в том, что масса и энергия должны изгибать про странство-время, но как именно — это еше предстояло определить. Такие объекты, как яблоки или планеты, должны стремиться к тому, чтобы двигаться сквозь про странство-время по прямым линиям, но их пути выглядят искривленными гравитационным полем, потому что искривлено само про странство-время
(рис. 1.12).
Рис. 1.12 Искривление пространства-времени
Ускорение и гравитация могут быть эквивалентны, только если массивное тело
искривляет пространство-время, тем самым изгибая траектории объектов в своей
окрестности.
С помощью своего друга Марселя Гро ссмана Эйнштейн изучил теорию искривленных пространств и поверхностей, которая была разработана ранее Георгом Фридрихом Риманом.
Но Риман думал только об искривленном пространстве. Эйнштейн понял, что искривляется про странство-время. В 1913 г. Эйнштейн и Гро ссман совместно написали статью, в которой выдвинули идею, что сила, о которой мы думаем как о гравитации, — это лишь проявление того, что про странство-время искривлено. Однако из-за ошибки Эйнштейна (и ему, как всем нам, свойственно было ошибаться, им неуд ало сь найти уравнения, которые связывают кривизну про странства-времени с находящимися в нем массой и энергией. Эйнштейн продолжил работать над проблемой в Берлине, где его не беспокоили домашние дела и практически не затронула война, ив итоге нашел правильные уравнения в ноябре 1915 г. Вовремя поездки в Гёттингенский университет летом 1915 гон обсудил свои идеи с математиком Давидом Гильбертом, и тот независимо вывел те же самые уравнения на несколько дней раньше Эйнштейна. Тем не менее сам Гильберт признавал, что честь создания новой теории принадлежит Эйнштейну. Это была идея последнего связать гравитацию с искривлением про странства-времени. И надо отдать должное цивилизованности тогдашнего германского государства, зато что научные дискуссии и обмен идеями могли без помех продолжаться даже в военное время. Какой контраст с эпохой нацизма, которая наступила двадцатью годами позже!
Новая теория искривленного про странства-времени получила название общей теории относительности, чтобы отличать ее от первоначальной теории, которая не включала гравитацию и ныне известна как специальная теория относительности. Она получила очень эффектное подтверждение в 1919 г, когда британская экспедиция наблюдала в Западной Африке незначительное изгибание света звезды, проходящего вблизи Солнца вовремя затмения (рис. 1.13). Это было прямым доказательством того, что пространство и время искривляются, и стимулировало самый глубокий пересмотр представлений о Вселенной, в которой мы живем, с тех пор как Евклид написал свои Начала около 300 г. н. э.
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   14

перейти в каталог файлов
связь с админом