Кратка история на времето | книга, написана от ученият и математик Стивън Хокинг

Резюме

В тази книга Хокинг разказва за много теории в областта на физиката. Някои от нещата, за които говори, са историята на физиката, гравитацията, движението на светлината във Вселената, пространство-времето, елементарните частици (много малки обекти, от които се състоят нещата във Вселената), черните дупки, Големият взрив (теорията, че Вселената е започнала от една точка) и пътуването във времето (идеята, че може да се пътува в миналото и в бъдещето).

В първата част на книгата Хокинг разказва за историята на физиката. Той говори за идеите на философи като Аристотел и Птолемей. Аристотел, за разлика от много други хора по негово време, смята, че Земята е кръгла. Той също така е смятал, че слънцето и звездите обикалят около Земята. Птолемей също е смятал, че слънцето и звездите са разположени във Вселената. Той съставил модел на планетите, който описва мисленето на Аристотел. Днес е известно, че е вярно обратното - Земята обикаля около Слънцето. Идеите на Аристотел/Птолемей за положението на звездите и слънцето са опровергани през 1609 г. Човекът, на когото за пръв път хрумва идеята за Земята, която се върти около Слънцето, е Николай Коперник. Галилео Галилей и Йоханес Кеплер, други двама учени, помагат да се докаже, че идеята на Коперник е била правилна. Те наблюдавали как луните на някои планети се движат по небето и използвали това, за да докажат правотата на Коперник. Исак Нютон също написал книга за гравитацията, която помогнала да се докаже правотата на идеята на Коперник.

Пространство и време

Хокинг описва движението на планетите около слънцето и как действа гравитацията между планетите и слънцето. Той говори и за идеите за абсолютен покой и абсолютно положение. Тези идеи са свързани с мисълта, че събитията остават на място за определен период от време. Установено е, че това не е вярно чрез законите за гравитацията на Нютон. Идеята за абсолютния покой не работи, когато обектите се движат много бързо (със скоростта на светлината или скоростта на светлината).

Скоростта на светлината е измерена за първи път през 1676 г. от датския астроном Оле Кристенсен Рьомер. Установено е, че скоростта на светлината е много голяма, но с крайна скорост. Учените обаче открили проблем, когато се опитали да кажат, че светлината винаги се движи с една и съща скорост. Учените създали нова идея, наречена етер, с която се опитали да обяснят скоростта на светлината.

Алберт Айнщайн казва, че идеята за етера не е необходима, ако се изостави друга идея - идеята за абсолютното време (или времето, което е винаги едно и също). Идеята на Айнщайн съвпада с тази на Хенри Поанкаре. Идеята на Айнщайн се нарича теория на относителността.

Хокинг говори и за светлината. Той казва, че събитията могат да бъдат описани чрез светлинни конуси. Върхът на светлинния конус показва накъде ще премине светлината от събитието. Долната част на конуса показва къде е била светлината в миналото. Центърът на светлинния конус е събитието. Освен за светлинните конуси Хокинг говори и за това как светлината може да се огъва. Когато светлината преминава покрай голяма маса, например звезда, тя леко променя посоката си към масата.

След като говори за светлината, Хокинг говори за времето в теорията на относителността на Айнщайн. Едно от предсказанията на теорията на Айнщайн е, че времето ще тече по-бавно, когато нещо се намира в близост до огромни маси. Когато обаче нещо е по-далеч от масата, времето ще тече по-бързо. Хокинг използва идеята за двама близнаци, които живеят на различни места, за да опише идеята си. Ако единият от близнаците живее в планина, а другият - близо до морето, близнакът, който живее в планината, ще бъде малко по-възрастен от близнака, който живее на морето.

Разширяващата се Вселена

Хокинг говори за разширяващата се Вселена. Вселената се увеличава с течение на времето. Едно от нещата, които той използва, за да обясни идеята си, е Доплеровото отместване. Доплеровото отместване се случва, когато нещо се движи към или от друг обект. Има два вида неща, които се случват при Доплеровото отместване - червено отместване и синьо отместване. Червеното преместване се случва, когато нещо се отдалечава от нас. То се дължи на това, че дължината на вълната на достигащата до нас видима светлина се увеличава, а честотата намалява, което измества видимата светлина към червения/инфрачервения край на електромагнитния спектър. Червеното отместване е свързано с убеждението, че Вселената се разширява, тъй като дължината на вълната на светлината се увеличава, почти като че ли се разтяга, докато планетите и галактиките се отдалечават от нас, което има сходство с ефекта на Доплер, включващ звуковите вълни. Синьото изместване се случва, когато нещо се движи към нас, което е обратният процес на червеното изместване, при който дължината на вълната намалява, а честотата се увеличава, измествайки светлината към синия край на спектъра. Един учен на име Едуин Хъбъл открива, че много звезди са изместени в червено и се отдалечават от нас. Хокинг използва Доплеровото отместване, за да обясни, че Вселената се увеличава. Смята се, че началото на Вселената е станало чрез нещо, наречено Голям взрив. Големият взрив е бил много голяма експлозия, която е създала Вселената.

Принципът на неопределеността

Принципът на неопределеността гласи, че скоростта и положението на една частица не могат да бъдат установени едновременно. За да установят къде се намира една частица, учените я осветяват със светлина. Ако се използва високочестотна светлина, тя може да определи позицията по-точно, но скоростта на частицата ще бъде неизвестна (защото светлината ще промени скоростта на частицата). Ако се използва светлина с по-ниска честота, светлината може да определи скоростта по-точно, но позицията на частицата ще бъде неизвестна. Принципът на неопределеността опровергава идеята за детерминистична теория или за нещо, което ще предсказва всичко в бъдеще.

В тази глава е разгледано и поведението на светлината. Някои теории твърдят, че светлината се държи като частици, въпреки че всъщност е съставена от вълни; една от теориите, които твърдят това, е квантовата хипотеза на Планк. Друга теория също казва, че светлинните вълни също се държат като частици; теория, която казва това, е принципът на неопределеност на Хайзенберг.

Светлинните вълни имат гребени и дъна. Най-високата точка на вълната е гребенът, а най-ниската част на вълната е дъното. Понякога повече от една от тези вълни могат да се намесят една в друга - гребените и низините се подреждат в една линия. Това се нарича интерференция на светлината. Когато светлинните вълни интерферират една с друга, това може да доведе до появата на много цветове. Пример за това са цветовете в сапунените мехури.

Елементарни частици и природни сили

Кварките са много малки частици, от които се състои всичко, което виждаме (материя). Съществуват шест различни "вкуса" на кварките: възходящ кварк, низходящ кварк, странен кварк, омагьосан кварк, долен кварк и топ кварк. Кварките имат и три "цвята": червен, зелен и син. Съществуват и антикварки, които са противоположни на обикновените кварки. Общо има 18 различни вида обикновени кварки и 18 различни вида антикварки. Кварките са известни като "градивните елементи на материята", тъй като са най-малкото нещо, от което се състои цялата материя във Вселената.

Всички елементарни частици (например кварките) имат нещо, наречено спин. Спинът на една частица ни показва как изглежда частицата от различни посоки. Например частица със спин 0 изглежда еднакво от всяка посока. Частица със спин 1 изглежда различно във всяка посока, освен ако не се завърти изцяло (на 360 градуса). Примерът на Хокинг за частица със спин 1 е стрелка. Частица със спин 2 трябва да бъде завъртяна наполовина (или на 180 градуса), за да изглежда по същия начин. Примерът, даден в книгата, е за двуглава стрела. Във Вселената има две групи частици: частици със спин 1/2 и частици със спин 0, 1 или 2. Всички тези частици следват принципа на изключване на Паули. Принципът на изключване на Паули гласи, че частиците не могат да се намират на едно и също място или да имат една и съща скорост. Ако принципът на изключване на Паули не съществуваше, тогава всичко във Вселената щеше да изглежда еднакво, като приблизително еднородна и гъста "супа".

Частици със спин 0, 1 или 2 пренасят сила от една частица към друга. Някои примери за такива частици са виртуалните гравитони и виртуалните фотони. Виртуалните гравитони имат спин 2 и представляват силата на гравитацията. Това означава, че когато гравитацията въздейства върху две неща, гравитоните се движат към и от двете неща. Виртуалните фотони имат спин 1 и представляват електромагнитните сили (или силата, която държи атомите заедно).

Освен гравитационната сила и електромагнитните сили съществуват слаба и силна ядрена сила. Слабите ядрени сили са силите, които предизвикват радиоактивност, или когато материята излъчва енергия. Слабата ядрена сила действа върху частици със спин 1/2. Силните ядрени сили са силите, които държат заедно кварките в неутрона и протона и държат заедно протоните и неутроните в един атом. Счита се, че частицата, която пренася силната ядрена сила, е глуон. Глюонът е частица със спин 1. Глюонът държи заедно кварките, за да образуват протони и неутрони. Глюонът обаче държи заедно само кварки, които са с три различни цвята. Поради това крайният продукт няма цвят. Това се нарича ограничаване.

Някои учени са се опитали да създадат теория, която да съчетава електромагнитната сила, слабата ядрена сила и силната ядрена сила. Тази теория се нарича голяма обединена теория (или ОТО). Тази теория се опитва да обясни тези сили по един голям единен начин или теория.

Черни дупки

Черните дупки са звезди, които са се свили в една много малка точка. Тази малка точка се нарича сингулярност.Сингулярността е точка от пространство-времето, която се върти с висока скорост.Това е причината черните дупки да нямат време. Черните дупки засмукват нещата в центъра си, защото гравитацията им е много силна. Някои от нещата, които могат да засмучат, са светлина и звезди. Само много големи звезди, наречени свръхгиганти, са достатъчно големи, за да се превърнат в черна дупка. За да се превърне в черна дупка, масата на звездата трябва да е един път и половина по-голяма от тази на Слънцето или по-голяма. Това число се нарича граница на Чандрасехар. Ако масата на звездата е по-малка от границата на Чандрасехар, тя няма да се превърне в черна дупка, а ще се превърне в друг, по-малък тип звезда. Границата на черната дупка се нарича хоризонт на събитията. Ако нещо се намира в хоризонта на събитията, то никога няма да се измъкне от черната дупка.

Черните дупки могат да бъдат оформени по различен начин. Някои черни дупки са идеално сферични - като топка. Други черни дупки са изпъкнали в средата. Черните дупки ще бъдат сферични, ако не се въртят. Ако се въртят, черните дупки ще бъдат изпъкнали в средата.

Черните дупки са трудни за откриване, защото не пропускат светлина. Те могат да бъдат открити, когато черните дупки засмучат други звезди. Когато черните дупки засмукват други звезди, черната дупка изпуска рентгенови лъчи, които могат да се видят с телескопи. Хокинг разказва за залога си с друг учен, Кип Торн. Хокинг се обзалага, че черните дупки не съществуват, защото не иска работата му върху черните дупки да бъде пропиляна. Той губи залога.

Хокинг осъзнава, че хоризонтът на събитията на черната дупка може само да се увеличава, а не да се намалява. Площта на хоризонта на събитията на черна дупка се увеличава, когато нещо падне в черната дупка. Той също така осъзнава, че когато две черни дупки се съединят, размерът на новия хоризонт на събитията е по-голям или равен на сумата от хоризонтите на събитията на другите две черни дупки. Това означава, че хоризонтът на събитията на една черна дупка никога не може да стане по-малък.

Безпорядъкът, известен също като ентропия, е свързан с черните дупки. Съществува научен закон, който е свързан с ентропията. Този закон се нарича втори закон на термодинамиката и гласи, че ентропията (или безпорядъкът) винаги ще се увеличава в една изолирана система (например Вселената). Връзката между количеството на ентропията в черна дупка и размера на хоризонта на събитията на черната дупка за пръв път е измислена от студент (Джейкъб Бекенщайн) и доказана от Хокинг, според чиито изчисления черните дупки излъчват радиация. Това беше странно, защото вече беше казано, че нищо не може да избяга от хоризонта на събитията на черна дупка.

Този проблем е решен, когато се появява идеята за двойки "виртуални частици". Едната от двойката частици ще падне в черната дупка, а другата ще избяга. Това би изглеждало така, сякаш черната дупка излъчва частици. Отначало тази идея изглеждаше странна, но след известно време много хора я приеха.

Произход и съдба на Вселената

Повечето учени смятат, че Вселената е започнала с експлозия, наречена Голям взрив. Моделът за това се нарича "модел на горещия Голям взрив". Когато Вселената започва да се увеличава, нещата в нея също започват да стават по-хладни. Когато Вселената е била в началото си, тя е била безкрайно гореща. Температурата на Вселената се е понижила и нещата във Вселената са започнали да се струпват.

Хокинг говори и за това как би могла да възникне Вселената. Например, ако Вселената се е образувала и след това се е сринала бързо, не би имало достатъчно време за образуване на живот. Друг пример е Вселена, която се е разширявала твърде бързо. Ако вселената се разширява твърде бързо, тя би станала почти празна. Идеята за много вселени се нарича тълкуване на многото светове.

В тази глава се разглеждат и инфлационни модели, както и идеята за теория, която обединява квантовата механика и гравитацията.

Всяка частица има много истории. Тази идея е известна като теорията на Файнман за сумата над историите. Теорията, която обединява квантовата механика и гравитацията, трябва да съдържа теорията на Файнман. За да се намери вероятността една частица да премине през дадена точка, трябва да се съберат вълните на всяка частица. Тези вълни се случват във въображаемо време. Въображаемите числа, когато се умножат сами по себе си, правят отрицателно число. Например, 2i X 2i = -4.

 
Снимка на черна дупка и как тя променя светлината около нея.  


Това е протон. Той е съставен от три кварка. Всички кварки са с различни цветове заради ограничаването им.  


Частица със спин 1 трябва да се завърти докрай, за да изглежда отново същата, както тази стрелка.  


Интерференцията на светлината води до появата на много цветове.  


Ето една снимка на светлинна вълна.  


Тук е показан Големият взрив и еволюцията на Вселената. Картината показва как Вселената се разширява с течение на времето.  


Това е лек конус  


Айнщайн казва, че времето не е абсолютно или винаги едно и също.  


Изображение на мнението на Птолемей за разположението на планетите, звездите и слънцето.  

Други издания

• 1988 г. - Публикувано е първото издание. Това издание има предговор от Карл Сейгън.
• 1990 г. - Подобно на изданието от 1996 г., но с предговор от Карл Сейгън, без цветни снимки и отпечатано в меки корици
• 1996 г. - Публикувано е илюстровано, актуализирано и разширено издание, наречено "Илюстрована кратка история на времето". Това издание с твърди корици съдържа пълноцветни илюстрации и снимки, които помагат за обяснението на текста. В него има и теми, които не са включени в оригиналната книга, включително нова глава за червейните дупки и пътуването във времето.
• 1998 г. - Публикувано е десетото юбилейно издание. То съдържа същия текст като изданието, публикувано през 1996 г., но е издадено и в хартиен формат и има по-малко диаграми.
• 2005 г. - излиза "Кратка история на времето" (написана заедно с Леонард Млодинов), която е по-кратка версия на оригиналната книга. Тя е актуализирана отново, за да включи нови научни разработки..