Коротка історія часу - Стівен Вільям Хокінг

До 1956 року вважали, що закони фізики підлягають кожній з трьох симетрій, названих C, P і T. Симетрія С означає, що закони однакові для частинок і античастинок. Симетрія P означає, що закони фізики однакові для будь-яких ситуацій і їх дзеркального відображення (дзеркальним відображенням частинки, що закручується в правоспрямованому напрямі, буде така, що закручується в лівоспрямованому). Симетрія Т означає, що якщо зміниться на зворотний напрям рух усіх частинок і античастинок, то система має повернутися назад до того, що було в раніші часи; іншими словами, закони однакові в прямому і зворотному напрямах часу. У 1956 році два американських фізики, Цзундао Лі і Чженьнін Янґ, припустили, що слабка сила насправді не підкоряється симетрії Р. Іншими словами, через слабку силу Всесвіт може розвиватися інакше, ніж його дзеркальне відображення. У тому ж році Цзяньсюн By, їхня колега, довела, що це припущення правильне. Вишикувавши в магнетному полі ядра радіоактивних атомів так, щоб вони всі оберталися в одному напряму, вона показала, що в одному напряму електронів випускається більше, ніж в іншому. Наступного року Лі та Янґ за свою ідею отримали Нобелівську премію. Також виявлено, що слабкі сили не підкоряються і симетрії С. Тобто світ, що складається з античастинок, поводиться інакше, ніж наш світ. Проте видавалося, що слабка сила підлягає комбінованій CP-симетрії. Тобто Всесвіт розвивався б так само, як його дзеркальне відображення, якщо, крім того, кожна частинка була б замінена її античастинкою! Але 1964 року ще два американці, Дж. В. Кронін і Вел Фітч, виявили, що в розпаді частинок, названих K-мезонами, порушується навіть CP-симетрія. Кронін і Фітч зрештою отримали за свою роботу Нобелівську премію в 1980 році. (Багато премій присуджено за виявлення того, що Всесвіт не такий простий, як можна було подумати!).

Існує математична теорема, яка стверджує: будь-яка теорія, що підлягає квантовій механіці та теорії відносності, повинна завжди підлягати комбінованій симетрії CPT. Іншими словами, Всесвіт має поводитися так само, якщо замінити частинки античастинками, взяти дзеркальне відображення, а також зворотний напрямок часу. А Кронін і Фітч показали, що якщо замінити частинки античастинками і взяти дзеркальне відображення, але не обернути напрямок часу, то Всесвіт не буде поводитися так само. Отже, закони фізики мають змінитися, якщо обернути напрям часу — вони не підлягають симетрії Т.

Незаперечно, ранній Всесвіт не підлягає симетрії Т: коли час тече вперед, Всесвіт розширюється, а якби він потік назад, то Всесвіт стискався б. А що існують сили, які не підлягають симетрії Т, то звідси випливає, що в міру розширення Всесвіту під дією цих сил антиелектрони могли б перетворюватися на кварки частіше, ніж електрони на антикварки. Потім, коли Всесвіт розширювався і охолоджувався, антикварки і кварки анігілювали б, але що кварків було б більше, ніж антикварків, невеликий надлишок кварків залишився б. Саме з них і складається матерія, яку ми бачимо сьогодні, і з якої утворені ми самі. Отже, саме наше існування можна розглядати як підтвердження теорії великого об’єднання, правда, тільки як якісне; невизначеності такі, що ніхто не може передбачити, ні скільки кварків залишиться після анігіляції, ні навіть чи будуть ці частинки кварками чи антикварками. (Однак, якби у надлишку були антикварки, ми б просто назвали їх кварками, а кварки — антикварками.)

Теорії великого об’єднання не охоплюють гравітаційну силу. Це не має великого значення, бо гравітація — така слабка сила, що її ефектами можна просто знехтувати, коли ми маємо справу з елементарними частинками або атомами. Однак той факт, що вона далекодійна й завжди притягальна, означає, що її дії всі сумуються. Отже, для досить великої кількості частинок речовини гравітаційні сили можуть переважати всі інші сили. Ось чому еволюцію Всесвіту визначає саме гравітація. Навіть для об’єктів розміром як зорі притягальна сила гравітації може переважити всі інші сили і привести до колапсу зорі. Моя робота у 70-х роках зосереджена на чорних дірах, які можуть виникнути в результаті такого колапсу зорі, та інтенсивних гравітаційних полях навколо них. Саме вона навела на перші думки про те, як квантова механіка і загальна теорія відносності можуть впливати одна на одну — проблиск форми квантової теорії гравітації, поки ще не розробленої.

Розділ 6   ЧОРНІ ДІРИ

Термін «чорна діра» виник зовсім недавно. Його запровадив 1969 року американський науковець Джон Вілер, щоб графічно описати поняття, яке появилося близько двохсот років тому, коли існували дві теорії про світло: згідно з першою теорією, якій віддавав перевагу Ньютон, світло складалося з частинок; згідно з другою — з хвиль. Тепер ми вже знаємо, що насправді обидві теорії правильні. Згідно з корпускулярно-хвильовим дуалізмом квантової механіки, світло можна розглядати і як хвилю, і як частинку. Теорія, яка стверджувала, що світло складається з хвиль, не пояснювала, як воно реагуватиме на силу тяжіння. Але якщо світло складається з частинок, то можна було б очікувати, що гравітація діє на них так само, як на гарматні ядра, ракети та планети. Спочатку люди гадали, що частинки світла рухаються нескінченно швидко, і тому сила тяжіння не може сповільнити їхнього руху. Проте Ремер відкрив, що світло поширюється з кінцевою швидкістю, тому гравітація може істотно впливати.

Виходячи з цього припущення, викладач Кембридзького університету Джон Мічел опублікував 1783 року статтю в часописі «Філософські праці Лондонського королівського товариства», в якій зазначив, що достатньо масивна і компактна зоря матиме таке сильне гравітаційне поле, що світло не зможе вирватися: будь-яке світло, випромінене поверхнею зорі, перш ніж змогло б сильно віддалитись, затягне назад її гравітаційне притягання. Мічел припустив, що може бути сила-силенна таких зір. Хоч ми не в змозі бачити їх, бо їхнє світло не доходить до нас, однак ми відчуватимемо їхнє гравітаційне притягання. Тепер такі об’єкти ми називаємо чорними дірами, адже вони саме такі: чорні порожнини в космосі. Через кілька років, вочевидь, незалежно від Мічела подібну пропозицію висунув французький науковець маркіз де Лаплас. Доволі цікаво, що Лаплас згадує її тільки у першому та другому виданнях своєї книжки «Система світу» і випускає в подальших, можливо, він вирішив, що це була божевільна ідея. (Крім того, корпускулярна теорія світла потрапила в неласку в ХІХ столітті. Тоді здавалося, що все можна пояснити за допомогою хвильової теорії, а відповідно до неї було неочевидно, що сила тяжіння взагалі впливає на світло).

Насправді це не послідовно — розглядати світло як гарматні ядра в