Stefan Hawking

EINE KURZE GESCHICHTE DER ZEIT.

Vom Urknall bis zum Schwarzen Loch

Vielen Dank

Das Buch ist Jane gewidmet

Nachdem ich 1982 die Loeb-Vorlesungen in Harvard gehalten hatte, beschloss ich, ein populäres Buch über Raum und Zeit zu schreiben. Es gab schon einige Bücher über das frühe Universum und Schwarze Löcher, sowohl sehr gute, wie Steven Weinbergs The First Three Minutes, als auch sehr schlechte, die hier nicht erwähnt werden müssen. Aber es schien mir, dass keiner von ihnen tatsächlich die Fragen ansprach, die mich dazu veranlassten, Kosmologie und Quantentheorie zu studieren: Woher kam das Universum? wie und warum kam es dazu? Wird es enden und wenn ja, wie? Diese Fragen interessieren uns alle. Aber die moderne Wissenschaft ist sehr gesättigt mit Mathematik, und nur wenige Spezialisten kennen letztere genug, um sie zu verstehen. Die Grundideen über die Entstehung und das weitere Schicksal des Universums lassen sich jedoch auch ohne die Hilfe der Mathematik so formulieren, dass sie auch Menschen ohne naturwissenschaftliche Bildung klar werden. Das habe ich in meinem Buch versucht. Wie gut mir das gelungen ist, muss der Leser beurteilen.

Mir wurde gesagt, dass jede im Buch enthaltene Formel die Anzahl der Käufer halbieren würde. Dann habe ich mich entschieden, ganz auf Formeln zu verzichten. Stimmt, am Ende habe ich doch eine Gleichung geschrieben – die berühmte Einstein-Gleichung E = mc ^ 2. Ich hoffe, es schreckt nicht die Hälfte meiner potenziellen Leser ab.

Abgesehen davon, dass ich an Amyotropher Lateralsklerose erkrankt bin, hatte ich in fast allem anderen Glück. Die Hilfe und Unterstützung, die ich von meiner Frau Jane und meinen Kindern Robert, Lucy und Timothy erhielt, ermöglichte es mir, ein ziemlich normales Leben zu führen und bei der Arbeit erfolgreich zu sein. Ich hatte auch Glück, dass ich Theoretische Physik gewählt habe, weil das alles in meinen Kopf passt. Daher wurde meine körperliche Schwäche nicht zu einem ernsthaften Minus. Meine wissenschaftlichen Kollegen haben mich ausnahmslos immer maximal unterstützt.

In der ersten, „klassischen“ Phase meiner Arbeit waren meine engsten Assistenten und Mitarbeiter Roger Penrose, Robert Gerok, Brandon Carter und George Ellis. Ich danke ihnen für ihre Hilfe und für ihre gemeinsame Arbeit. Diese Phase endete mit der Veröffentlichung des Buches „Large-scale structure of space-time“, das Ellis und ich 1973 geschrieben haben (Hawking S., Ellis J. Large-scale structure of space-time. M.: Mir, 1976 ).

Während der zweiten „Quanten“-Phase meiner Arbeit, die 1974 begann, arbeitete ich hauptsächlich mit Gary Gibbons, Don Page und Jim Hartle. Ihnen und meinen Doktoranden, die mir sowohl im „physischen“ als auch im „theoretischen“ Sinne des Wortes große Hilfe geleistet haben, habe ich viel zu verdanken. Die Notwendigkeit, mit den Doktoranden Schritt zu halten, war ein äußerst wichtiger Anreiz und hat mich, glaube ich, davor bewahrt, in einem Sumpf stecken zu bleiben.

Brian Witt, einer meiner Schüler, hat mir bei diesem Buch sehr geholfen. 1985, nachdem ich den ersten groben Entwurf des Buches skizziert hatte, erkrankte ich an einer Lungenentzündung. Ich musste operiert werden und nach dem Luftröhrenschnitt hörte ich auf zu sprechen und verlor dadurch fast die Fähigkeit zu kommunizieren. Ich dachte, ich schaffe es nicht, das Buch zu Ende zu lesen. Aber Brian hat mir nicht nur geholfen, es zu überarbeiten, sondern mir auch beigebracht, wie man das Kommunikationscomputerprogramm Living Center benutzt, das Walt Waltosh von Words Plus, Inc., Sunnyvale, Kalifornien, mir gegeben hat. Damit kann ich Bücher und Artikel schreiben und über einen Sprachsynthesizer, der mir von Speech Plus, einer anderen Firma in Sunnyvale, gespendet wurde, mit Leuten sprechen. David Mason installierte diesen Synthesizer und einen kleinen PC in meinem Rollstuhl. Dieses System hat alles verändert: Es wurde für mich noch einfacher zu kommunizieren, als bevor ich meine Stimme verlor.

Vielen von denen, die die vorläufigen Versionen des Buches gelesen haben, bin ich dankbar für Ratschläge, wie es verbessert werden könnte. Zum Beispiel schickte mir Peter Gazzardi, mein Lektor bei Bantam Books, einen Brief nach dem anderen mit Kommentaren und Fragen zu Passagen, die seiner Meinung nach schlecht erklärt waren. Ehrlich gesagt war ich sehr verärgert, als ich eine riesige Liste mit empfohlenen Korrekturen erhielt, aber Gazzardi hatte absolut Recht. Ich bin mir sicher, dass das Buch besser geworden ist, weil Gazzardi meine Nase in Fehler gesteckt hat.

Ich möchte meinen Assistenten Colin Williams, David Thomas und Raymond LaFlemme, meinen Sekretärinnen Judy Felle, Ann Ralph, Cheryl Billington und Sue Macy sowie meinen Krankenschwestern meinen tiefen Dank aussprechen. Ich hätte nichts erreichen können, wenn das Gonville and Cayus College, der Council for Scientific and Technical Research und die Leverhulme, MacArthur, Nuffield und Ralph Smith Foundation nicht alle Kosten für wissenschaftliche Forschung und notwendige medizinische Versorgung übernommen hätten. Ihnen allen bin ich sehr dankbar.

Vorwort

Wir leben und verstehen fast nichts in der Struktur der Welt. Wir denken nicht darüber nach, welcher Mechanismus Sonnenlicht erzeugt, das unsere Existenz sichert, wir denken nicht über die Schwerkraft nach, die uns auf der Erde hält und verhindert, dass sie uns in den Weltraum fallen lässt. Wir interessieren uns nicht für die Atome, aus denen wir bestehen und von deren Stabilität wir selbst wesentlich abhängen. Mit Ausnahme von Kindern (die noch zu wenig wissen, um nicht so ernsthafte Fragen zu stellen) rätseln nur wenige Menschen darüber, warum die Natur so ist, wie sie ist, woher der Kosmos stammt und ob es ihn schon immer gegeben hat? Kann die Zeit nicht eines Tages zurückdrehen, so dass die Wirkung der Ursache vorausgeht? Gibt es eine unüberwindbare Grenze des menschlichen Wissens? Es gibt sogar Kinder (ich habe sie getroffen), die wissen wollen, wie ein Schwarzes Loch aussieht, was ist das kleinste Materieteilchen? Warum erinnern wir uns an die Vergangenheit und nicht an die Zukunft? Wenn es vorher wirklich Chaos gab, wie kam es dann dazu, dass jetzt eine sichtbare Ordnung hergestellt wurde? und warum existiert das universum überhaupt?

In unserer Gesellschaft ist es üblich, dass Eltern und Lehrer auf diese Fragen mit Schulterzucken oder Hilferufen bei vage erinnerten Hinweisen auf religiöse Legenden antworten. Manche mögen solche Themen nicht, weil sie die Beschränktheit des menschlichen Verständnisses anschaulich offenbaren.

Aber die Entwicklung der Philosophie und der Naturwissenschaften schritt vor allem durch solche Fragen voran. Immer mehr Erwachsene interessieren sich für sie, und die Antworten kommen für sie manchmal völlig unerwartet. Wir unterscheiden uns im Maßstab sowohl von Atomen als auch von Sternen und erweitern den Forschungshorizont, um sowohl sehr kleine als auch sehr große Objekte abzudecken.

Im Frühjahr 1974, etwa zwei Jahre bevor das Viking-Raumschiff die Marsoberfläche erreichte, war ich in England auf einer von der Royal Society of London organisierten Konferenz über die Möglichkeit der Suche nach außerirdischen Zivilisationen. Während der Kaffeepause bemerkte ich im Nebenraum eine viel überfülltere Versammlung, und aus Neugier betrat ich sie. So wurde ich Zeuge eines langjährigen Rituals – der Aufnahme neuer Mitglieder in die Royal Society, die eine der ältesten Vereinigungen von Wissenschaftlern auf dem Planeten ist. Vor ihm schrieb ein junger Mann im Rollstuhl sehr langsam seinen Namen in ein Buch, dessen vorherige Seiten die Unterschrift von Isaac Newton trugen. Als er endlich fertig war, brach das Publikum in Applaus aus. Stephen Hawking war damals schon eine Legende.

Hawking hat jetzt den Lehrstuhl für Mathematik an der Universität Cambridge inne, der einst von Newton und später von P. A. M. Dirac gehalten wurde, zwei berühmten Forschern, die den einen am größten und den anderen am kleinsten untersuchten. Hawking ist ihr würdiger Nachfolger. Dieses erste beliebte Buch von Hockipg enthält viele nützliche Informationen für ein breites Publikum. Das Buch ist nicht nur wegen der Breite seines Inhalts interessant, es lässt Sie sehen, wie das Denken seines Autors funktioniert. Sie finden darin klare Offenbarungen über die Grenzen von Physik, Astronomie, Kosmologie und Mut.

Aber es ist auch ein Buch über Gott... oder vielleicht über die Abwesenheit Gottes. Auf seinen Seiten taucht oft das Wort „Gott“ auf. Hawking macht sich auf die Suche nach der Antwort auf Einsteins berühmte Frage, ob Gott bei der Erschaffung des Universums eine Wahl hatte. Hawking versucht, wie er schreibt, den Plan Gottes zu enträtseln. Umso überraschender ist der Schluss (zumindest vorläufig), zu dem diese kommen

Das Buch „The Briefest History of Time“ von Stephen Hawking gemeistert. Der Autor selbst wurde vielen bekannt - dies ist derselbe brillante Physiker, der an einen Rollstuhl gekettet ist.

Das Buch ist interessant, gut geschrieben und zugänglich. Was mir in meiner Zusammenfassung besonders aufgefallen ist:
1) Wenn Sie mit einem Lineal eine gerade Linie zwischen zwei Punkten auf einer geografischen Karte ziehen, dann ist diese gerade Linie nicht die kürzeste Entfernung zwischen den beiden Punkten. Die kürzeste wird eine Kurve in Form eines Bogens sein, dessen Radius gleich dem Radius der Erde ist.
2) In Gegenwart von Materie wird die vierdimensionale Raumzeit verzerrt, was zu einer Krümmung der Bahnen von Körpern im dreidimensionalen Raum führt. Obwohl es schwer darzustellen ist, verzerrt die Masse der Sonne die Raumzeit derart, dass die Erde, die dem kürzesten Weg in der vierdimensionalen Raumzeit folgt, uns erscheint, als würde sie sich dreidimensional auf einer nahezu kreisförmigen Umlaufbahn bewegen Platz.
3) Die allgemeine Relativitätstheorie besagt, dass der Zeitverlauf für Beobachter in verschiedenen Gravitationsfeldern unterschiedlich ist. Wenn einer der Zwillinge auf einem Berggipfel lebt und der andere am Meer, altert der erste schneller als der zweite.
4) Wenn wir den Zustand des Systems zu einem bestimmten Zeitpunkt kennen und die Entwicklungsgesetze des Systems kennen, könnten wir die Position des Systems jederzeit vorhersagen. Das Heisenbergsche Unbestimmtheitsprinzip besagt also allgemein, dass wir, egal wie aufgeblasen wir sind, verdammt noch mal den Zustand des Universums im gegenwärtigen Moment nicht bestimmen können. Und es hat nichts mit dem Entwicklungsstand der Wissenschaft zu tun. Dies kommt einem philosophischen Prinzip näher - im Prinzip können wir die Position eines Systems zu einem bestimmten Zeitpunkt nicht kennen. Wir kennen jederzeit entweder die Geschwindigkeit des Teilchens oder seinen Ort. Genau einer der beiden, aber nicht beide Werte auf einmal.
Versöhnen Sie sich daher - jede Vorhersage in unserem Universum ist im Prinzip unmöglich. Aus rein philosophischer Sicht. Irgendein.
5) Wenn wir ein Elektron in die Wand schicken und zwei Schlitze für den Durchgang in seinen Weg legen, dann wird es durch beide Schlitze gleichzeitig gehen. Pause zum Nachdenken. Im Allgemeinen kann ein Elektron gleichzeitig an allen möglichen Positionen sein. Denn das Geschöpf ist so klein, es ist nicht nur ein Teilchen, sondern wenn es will, ist es auch eine Welle. Die Bindung eines Elektrons an bestimmte Bahnen eines Atoms hängt gerade damit zusammen, dass das Elektron auf diesen Bahnen nicht mit sich selbst interferiert, d.h. erlischt nicht von selbst. Noch einmal - ein Elektron, das von einem Punkt zum anderen fliegt, fliegt auf allen möglichen Bahnen gleichzeitig. Tatsächlich kann er an allen Punkten des Raumes gleichzeitig sein, und nur dort, wo er sich selbst stört, ist er nicht.
6) Rein theoretisch sind Zeitreisen in die Vergangenheit möglich. Die Lösung der Gleichungen der Relativitätstheorie zeigt, dass ja, das ist so. Eine Sache - um in die Vergangenheit zu reisen, müssen Sie sich definitiv schneller als mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Und umgekehrt - eine Bewegung schneller als Lichtgeschwindigkeit ist ohne gleichzeitige Bewegung in die Vergangenheit unmöglich.
Wer weiß, dass es unmöglich ist, sich schneller als mit Lichtgeschwindigkeit fortzubewegen, atmet erleichtert auf. Aber es gibt noch ein weiteres Problem - rein hypothetisch ist auch eine Reise schneller als die Lichtgeschwindigkeit möglich. Möglich bei Vorhandensein von Wurmlöchern in der Raumzeit. Und die verdammten Gleichungen zeigen, dass solche Löcher existieren können. Und wenn sie können, dann existieren sie irgendwo.
7) Die neueste Theorie, die einfach großartig die neuesten Entdeckungen der Wissenschaft beschreibt und vorwegnimmt – das ist die Stringtheorie. Nichts Besonderes, nur alles, was diese Theorie vorhersagt, wird dann durch Eins-zu-eins-Experimente bestätigt. Und es ist wirklich stressig. Es ist ärgerlich, weil die Stringtheorie von einer kleinen Aussage ausgeht - wir leben nicht in einer vierdimensionalen Welt, sondern in einer 26-dimensionalen. Außerdem werden 4 Dimensionen eingesetzt, an denen wir uns entlang bewegen können, und 22 weitere werden zu einem Punkt gefaltet. Physiker würden diese Theorie gerne aufgeben, aber mathematisch verständlicheres wurde noch nicht erfunden, und Experimente stimmen weiterhin perfekt mit den Vorhersagen überein, die auf der Grundlage dieser Theorie gemacht wurden.

Im Allgemeinen scheint mir unser Universum, wie dieses Elektron, gleichzeitig in allen Zuständen sein zu können, mit Ausnahme der Zustände, in denen es sich selbst stört. Und jetzt bin ich gleichzeitig in Krasnodar und in Moskau und bei Alpha Centauri. Und gleichzeitig gibt es mich überhaupt nicht. Aber der Gedanke an Enta ist es eindeutig wert, in einem separaten abstrusen philosophischen Buch gekaut zu werden.

Stefan Hawking

EINE KURZE GESCHICHTE DER ZEIT.

Vom Urknall bis zum Schwarzen Loch

Vielen Dank

Das Buch ist Jane gewidmet

Nachdem ich 1982 die Loeb-Vorlesungen in Harvard gehalten hatte, beschloss ich, ein populäres Buch über Raum und Zeit zu schreiben. Es gab schon einige Bücher über das frühe Universum und Schwarze Löcher, sowohl sehr gute, wie Steven Weinbergs The First Three Minutes, als auch sehr schlechte, die hier nicht erwähnt werden müssen. Aber es schien mir, dass keiner von ihnen tatsächlich die Fragen ansprach, die mich dazu veranlassten, Kosmologie und Quantentheorie zu studieren: Woher kam das Universum? wie und warum kam es dazu? Wird es enden und wenn ja, wie? Diese Fragen interessieren uns alle. Aber die moderne Wissenschaft ist sehr gesättigt mit Mathematik, und nur wenige Spezialisten kennen letztere genug, um sie zu verstehen. Die Grundideen über die Entstehung und das weitere Schicksal des Universums lassen sich jedoch auch ohne die Hilfe der Mathematik so formulieren, dass sie auch Menschen ohne naturwissenschaftliche Bildung klar werden. Das habe ich in meinem Buch versucht. Wie gut mir das gelungen ist, muss der Leser beurteilen.

Mir wurde gesagt, dass jede im Buch enthaltene Formel die Anzahl der Käufer halbieren würde. Dann habe ich mich entschieden, ganz auf Formeln zu verzichten. Stimmt, am Ende habe ich doch eine Gleichung geschrieben – die berühmte Einstein-Gleichung E = mc ^ 2. Ich hoffe, es schreckt nicht die Hälfte meiner potenziellen Leser ab.

Abgesehen davon, dass ich an Amyotropher Lateralsklerose erkrankt bin, hatte ich in fast allem anderen Glück. Die Hilfe und Unterstützung, die ich von meiner Frau Jane und meinen Kindern Robert, Lucy und Timothy erhielt, ermöglichte es mir, ein ziemlich normales Leben zu führen und bei der Arbeit erfolgreich zu sein. Ich hatte auch Glück, dass ich Theoretische Physik gewählt habe, weil das alles in meinen Kopf passt. Daher wurde meine körperliche Schwäche nicht zu einem ernsthaften Minus. Meine wissenschaftlichen Kollegen haben mich ausnahmslos immer maximal unterstützt.

In der ersten, „klassischen“ Phase meiner Arbeit waren meine engsten Assistenten und Mitarbeiter Roger Penrose, Robert Gerok, Brandon Carter und George Ellis. Ich danke ihnen für ihre Hilfe und für ihre gemeinsame Arbeit. Diese Phase endete mit der Veröffentlichung des Buches „Large-scale structure of space-time“, das Ellis und ich 1973 geschrieben haben (Hawking S., Ellis J. Large-scale structure of space-time. M.: Mir, 1976 ).

Während der zweiten „Quanten“-Phase meiner Arbeit, die 1974 begann, arbeitete ich hauptsächlich mit Gary Gibbons, Don Page und Jim Hartle. Ihnen und meinen Doktoranden, die mir sowohl im „physischen“ als auch im „theoretischen“ Sinne des Wortes große Hilfe geleistet haben, habe ich viel zu verdanken. Die Notwendigkeit, mit den Doktoranden Schritt zu halten, war ein äußerst wichtiger Anreiz und hat mich, glaube ich, davor bewahrt, in einem Sumpf stecken zu bleiben.

Brian Witt, einer meiner Schüler, hat mir bei diesem Buch sehr geholfen. 1985, nachdem ich den ersten groben Entwurf des Buches skizziert hatte, erkrankte ich an einer Lungenentzündung. Ich musste operiert werden und nach dem Luftröhrenschnitt hörte ich auf zu sprechen und verlor dadurch fast die Fähigkeit zu kommunizieren. Ich dachte, ich schaffe es nicht, das Buch zu Ende zu lesen. Aber Brian hat mir nicht nur geholfen, es zu überarbeiten, sondern mir auch beigebracht, wie man das Kommunikationscomputerprogramm Living Center benutzt, das Walt Waltosh von Words Plus, Inc., Sunnyvale, Kalifornien, mir gegeben hat. Damit kann ich Bücher und Artikel schreiben und über einen Sprachsynthesizer, der mir von Speech Plus, einer anderen Firma in Sunnyvale, gespendet wurde, mit Leuten sprechen. David Mason installierte diesen Synthesizer und einen kleinen PC in meinem Rollstuhl. Dieses System hat alles verändert: Es wurde für mich noch einfacher zu kommunizieren, als bevor ich meine Stimme verlor.

Vielen von denen, die die vorläufigen Versionen des Buches gelesen haben, bin ich dankbar für Ratschläge, wie es verbessert werden könnte. Zum Beispiel schickte mir Peter Gazzardi, mein Lektor bei Bantam Books, einen Brief nach dem anderen mit Kommentaren und Fragen zu Passagen, die seiner Meinung nach schlecht erklärt waren. Ehrlich gesagt war ich sehr verärgert, als ich eine riesige Liste mit empfohlenen Korrekturen erhielt, aber Gazzardi hatte absolut Recht. Ich bin mir sicher, dass das Buch besser geworden ist, weil Gazzardi meine Nase in Fehler gesteckt hat.

Ich möchte meinen Assistenten Colin Williams, David Thomas und Raymond LaFlemme, meinen Sekretärinnen Judy Felle, Ann Ralph, Cheryl Billington und Sue Macy sowie meinen Krankenschwestern meinen tiefen Dank aussprechen. Ich hätte nichts erreichen können, wenn das Gonville and Cayus College, der Council for Scientific and Technical Research und die Leverhulme, MacArthur, Nuffield und Ralph Smith Foundation nicht alle Kosten für wissenschaftliche Forschung und notwendige medizinische Versorgung übernommen hätten. Ihnen allen bin ich sehr dankbar.

Vorwort

Wir leben und verstehen fast nichts in der Struktur der Welt. Wir denken nicht darüber nach, welcher Mechanismus Sonnenlicht erzeugt, das unsere Existenz sichert, wir denken nicht über die Schwerkraft nach, die uns auf der Erde hält und verhindert, dass sie uns in den Weltraum fallen lässt. Wir interessieren uns nicht für die Atome, aus denen wir bestehen und von deren Stabilität wir selbst wesentlich abhängen. Mit Ausnahme von Kindern (die noch zu wenig wissen, um nicht so ernsthafte Fragen zu stellen) rätseln nur wenige Menschen darüber, warum die Natur so ist, wie sie ist, woher der Kosmos stammt und ob es ihn schon immer gegeben hat? Kann die Zeit nicht eines Tages zurückdrehen, so dass die Wirkung der Ursache vorausgeht? Gibt es eine unüberwindbare Grenze des menschlichen Wissens? Es gibt sogar Kinder (ich habe sie getroffen), die wissen wollen, wie ein Schwarzes Loch aussieht, was ist das kleinste Materieteilchen? Warum erinnern wir uns an die Vergangenheit und nicht an die Zukunft? Wenn es vorher wirklich Chaos gab, wie kam es dann dazu, dass jetzt eine sichtbare Ordnung hergestellt wurde? und warum existiert das universum überhaupt?

In unserer Gesellschaft ist es üblich, dass Eltern und Lehrer auf diese Fragen mit Schulterzucken oder Hilferufen bei vage erinnerten Hinweisen auf religiöse Legenden antworten. Manche mögen solche Themen nicht, weil sie die Beschränktheit des menschlichen Verständnisses anschaulich offenbaren.

Aber die Entwicklung der Philosophie und der Naturwissenschaften schritt vor allem durch solche Fragen voran. Immer mehr Erwachsene interessieren sich für sie, und die Antworten kommen für sie manchmal völlig unerwartet. Wir unterscheiden uns im Maßstab sowohl von Atomen als auch von Sternen und erweitern den Forschungshorizont, um sowohl sehr kleine als auch sehr große Objekte abzudecken.

Im Frühjahr 1974, etwa zwei Jahre bevor das Viking-Raumschiff die Marsoberfläche erreichte, war ich in England auf einer von der Royal Society of London organisierten Konferenz über die Möglichkeit der Suche nach außerirdischen Zivilisationen. Während der Kaffeepause bemerkte ich im Nebenraum eine viel überfülltere Versammlung, und aus Neugier betrat ich sie. So wurde ich Zeuge eines langjährigen Rituals – der Aufnahme neuer Mitglieder in die Royal Society, die eine der ältesten Vereinigungen von Wissenschaftlern auf dem Planeten ist. Vor ihm schrieb ein junger Mann im Rollstuhl sehr langsam seinen Namen in ein Buch, dessen vorherige Seiten die Unterschrift von Isaac Newton trugen. Als er endlich fertig war, brach das Publikum in Applaus aus. Stephen Hawking war damals schon eine Legende.

Hawking hat jetzt den Lehrstuhl für Mathematik an der Universität Cambridge inne, der einst von Newton und später von P. A. M. Dirac gehalten wurde, zwei berühmten Forschern, die den einen am größten und den anderen am kleinsten untersuchten. Hawking ist ihr würdiger Nachfolger. Dieses erste beliebte Buch von Hockipg enthält viele nützliche Informationen für ein breites Publikum. Das Buch ist nicht nur wegen der Breite seines Inhalts interessant, es lässt Sie sehen, wie das Denken seines Autors funktioniert. Sie finden darin klare Offenbarungen über die Grenzen von Physik, Astronomie, Kosmologie und Mut.

Stephen Hawking, Leonard Mlodinov

Die kürzeste Geschichte der Zeit

Vorwort

Nur vier Buchstaben unterscheiden den Titel dieses Buches vom Titel des 1988 erstmals erschienenen. Eine kurze Geschichte der Zeit blieb 237 Wochen lang auf der Bestsellerliste der Sunday Times, und jeder 750. Einwohner unseres Planeten, Erwachsener oder Kind, kaufte es. Ein bemerkenswerter Erfolg für ein Buch, das sich mit den schwierigsten Problemen der modernen Physik befasst. Dies sind jedoch nicht nur die schwierigsten, sondern auch die spannendsten Probleme, denn sie stellen uns vor grundlegende Fragen: Was wissen wir wirklich über das Universum, wie haben wir dieses Wissen erlangt, woher kommt das Universum und wo ist es? es geht? Diese Fragen bildeten das Hauptthema von Eine kurze Geschichte der Zeit und wurden zum Schwerpunkt dieses Buches. Ein Jahr nach der Veröffentlichung von A Brief History of Time begannen Reaktionen von Lesern aller Altersgruppen und Berufe auf der ganzen Welt einzugehen. Viele von ihnen äußerten den Wunsch nach einer Neuauflage des Buches, die zwar die Essenz von Eine kurze Geschichte der Zeit beibehält, aber die wichtigsten Begriffe auf einfachere und unterhaltsamere Weise erklärt. Obwohl einige Leute zu erwarten schienen, dass es A Long History of Time sein würde, war das Feedback der Leser unmissverständlich: Nur sehr wenige von ihnen sind begierig darauf, sich mit einer umfangreichen Abhandlung vertraut zu machen, die das Thema auf dem Niveau eines Universitätskurses in Kosmologie behandelt. Daher haben wir bei der Arbeit an Die kürzeste Geschichte der Zeit die grundlegende Essenz des ersten Buches beibehalten und sogar erweitert, aber gleichzeitig versucht, den Umfang und die Zugänglichkeit der Präsentation unverändert zu lassen. Das ist in der Tat der kürzeste Geschichte, da wir einige rein technische Aspekte ausgelassen haben, wird diese Lücke jedoch, wie uns scheint, mehr als gefüllt durch eine tiefere Behandlung des Materials, das eigentlich den Kern des Buches ausmacht.

Wir nutzten auch die Gelegenheit, die Informationen zu aktualisieren und die neuesten theoretischen und experimentellen Daten in das Buch aufzunehmen. Die kürzeste Geschichte der Zeit beschreibt die Fortschritte, die in jüngster Zeit auf dem Weg zu einer vollständig einheitlichen Theorie gemacht wurden. Insbesondere befasst es sich mit den neuesten Bestimmungen der Stringtheorie, dem Welle-Teilchen-Dualismus, und zeigt die Verbindung zwischen verschiedenen physikalischen Theorien auf, was darauf hinweist, dass eine einheitliche Theorie existiert. Für die praktische Forschung enthält das Buch wichtige Ergebnisse der jüngsten Beobachtungen, die insbesondere mit Hilfe des COBE-Satelliten (Cosmic Background Explorer) und des Hubble-Weltraumteleskops gewonnen wurden.

Kapitel zuerst

ÜBER DAS UNIVERSUM DENKEN

Wir leben in einem seltsamen und wunderbaren Universum. Außergewöhnliche Vorstellungskraft ist erforderlich, um ihr Alter, ihre Größe, ihre Wut und sogar ihre Schönheit zu schätzen. Der Platz, den Menschen in diesem grenzenlosen Kosmos einnehmen, mag unbedeutend erscheinen. Und doch versuchen wir zu verstehen, wie diese ganze Welt funktioniert und wie wir Menschen darin aussehen.

Vor einigen Jahrzehnten hielt ein berühmter Wissenschaftler (manche sagen, es war Bertrand Russell) einen öffentlichen Vortrag über Astronomie. Er sagte, dass sich die Erde um die Sonne dreht und diese wiederum um das Zentrum eines riesigen Sternensystems, das unsere Galaxis genannt wird. Am Ende des Vortrags stand eine kleine alte Dame, die hinten saß, auf und sagte:

Du erzählst uns hier völligen Unsinn. In Wirklichkeit ist die Welt eine flache Platte, die auf dem Rücken einer Riesenschildkröte ruht.

Mit einem Gefühl der Überlegenheit lächelnd fragte der Wissenschaftler:

Worauf steht die Schildkröte?

Sie sind ein sehr kluger junger Mann, sehr«, erwiderte die alte Dame. - Sie steht auf einer anderen Schildkröte und so weiter ins Unendliche!

Heutzutage würden die meisten Menschen dieses Bild des Universums, diesen endlosen Turm aus Schildkröten, ziemlich lustig finden. Aber was lässt uns glauben, mehr zu wissen?

Vergessen Sie für einen Moment, was Sie über den Weltraum wissen – oder zu wissen glauben. Blicken Sie in den Nachthimmel. Was erscheinen dir all diese leuchtenden Punkte? Vielleicht sind es kleine Lichter? Es ist für uns schwierig zu erraten, was sie wirklich sind, weil diese Realität zu weit von unserer alltäglichen Erfahrung entfernt ist.

Wenn Sie oft den Nachthimmel beobachten, dann haben Sie wahrscheinlich schon einmal einen Lichtschimmer knapp über dem Horizont in der Dämmerung bemerkt. Das ist Merkur, ein Planet, der sich sehr von unserem unterscheidet. Ein Tag auf Merkur dauert zwei Drittel seines Jahres. Auf der Sonnenseite übersteigt die Temperatur 400°C und fällt mitten in der Nacht auf fast -200°C.

Aber egal, wie verschieden Merkur von unserem Planeten ist, es ist noch schwieriger, sich einen gewöhnlichen Stern vorzustellen – ein kolossales Inferno, das jede Sekunde Millionen Tonnen Materie verbrennt und im Zentrum auf zig Millionen Grad erhitzt wird.

Eine andere Sache, die mir schwer in den Sinn kommt, sind die Entfernungen zu Planeten und Sternen. Die alten Chinesen bauten Steintürme, um sie aus der Nähe zu sehen. Es ist ganz natürlich zu denken, dass die Sterne und Planeten viel näher sind, als sie wirklich sind, denn im Alltag kommen wir nie mit riesigen kosmischen Entfernungen in Berührung.

Diese Entfernungen sind so groß, dass es keinen Sinn macht, sie in den üblichen Einheiten – Meter oder Kilometer – auszudrücken. Stattdessen werden Lichtjahre verwendet (ein Lichtjahr ist der Weg, den das Licht in einem Jahr zurücklegt). In einer Sekunde legt ein Lichtstrahl 300.000 Kilometer zurück, ein Lichtjahr ist also eine sehr lange Strecke. Der uns nächste Stern (nach der Sonne) – Proxima Centauri – ist etwa vier Lichtjahre entfernt. Das ist so weit entfernt, dass das schnellste Raumschiff, das derzeit entwickelt wird, etwa zehntausend Jahre lang dorthin fliegen würde. Schon in der Antike versuchten die Menschen, die Natur des Universums zu verstehen, aber sie hatten nicht die Möglichkeiten, die die moderne Wissenschaft, insbesondere die Mathematik, eröffnet. Heute stehen uns mächtige Werkzeuge zur Verfügung: mentale, wie Mathematik und die wissenschaftliche Erkenntnismethode, und technologische, wie Computer und Teleskope. Mit ihrer Hilfe haben Wissenschaftler eine riesige Menge an Informationen über den Weltraum zusammengetragen. Aber was wissen wir wirklich über das Universum, und woher wussten wir es? Woher kam sie? In welche Richtung entwickelt es sich? Hatte es einen Anfang, und wenn ja, was war das? Vor ihn? Was ist die Natur der Zeit? Wird es enden? Ist es möglich, in der Zeit zurückzugehen? Die jüngsten großen physikalischen Entdeckungen, teilweise dank neuer Technologien, bieten Antworten auf einige dieser uralten Fragen. Vielleicht werden diese Antworten eines Tages so offensichtlich wie die Umdrehung der Erde um die Sonne – oder vielleicht so merkwürdig wie ein Turm aus Schildkröten. Nur die Zeit (was auch immer es ist) wird es zeigen.

Worum geht es in Stephen Hawkings „Eine kurze Geschichte der Zeit“?

Aus offenen Quellen

Heute, am 14. März, ist der berühmte englische theoretische Physiker Stephen Hawking im Alter von 77 Jahren gestorben. die Seite veröffentlicht eine Zusammenfassung seines populärwissenschaftlichen Buches „A Brief History of Time: From the Big Bang to Black Holes“ (1988), das zum Bestseller wurde

Das Buch des herausragenden englischen Physikers Stephen Hawking „A Brief History of Time: from the Big Bang to Black Holes“ widmet sich der Suche nach einer Antwort auf Einsteins Frage: „Welche Wahl hatte Gott, als er das Universum erschuf?“ Hawking warnt davor, dass jede in dem Buch enthaltene Formel die Zahl der Käufer halbieren wird, und legt in zugänglicher Sprache die Ideen der Quantentheorie der Gravitation dar – ein unvollendetes Gebiet der Physik, das die allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenmechanik kombiniert.

Das Buch beginnt mit einer Geschichte über die Entwicklung menschlicher Vorstellungen vom Universum: von den Himmelssphären des geozentrischen Systems von Aristoteles und Ptolemäus bis zur Erkenntnis, dass die Sonne ein gewöhnlicher gelber Stern mittlerer Größe in einem der Arme einer Spirale ist Galaxie - unter Hunderten von Milliarden anderer Galaxien im beobachtbaren Teil des Universums. Die Entdeckung der Rotverschiebung der Spektren von Sternen in anderen Galaxien bedeutete, dass sich das Universum ausdehnte, und dies führte zu der Urknall-Hypothese: Vor zehn oder zwanzig Milliarden Jahren könnten alle Objekte im Universum an einem Ort mit einer unendlich hohen sein Dichte (Singularitätspunkt).

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Der Urknall ist der Beginn der Zeit. Auf die Frage, was vor dem Urknall war, gibt es keine Antwort, da wissenschaftliche Gesetze am Punkt der Singularität aufhören zu wirken; Die Fähigkeit, die Zukunft vorherzusagen, geht verloren, und wenn daher etwas "vorher" passiert ist, hat dies keinen Einfluss auf die aktuellen Ereignisse. Nach dem Urknall sind zwei Szenarien möglich: Entweder geht die Expansion des Universums ewig weiter, oder es stoppt irgendwann und geht in eine Kontraktionsphase über, die mit einer Rückkehr zur Singularität – dem Urknall – endet. Es ist nicht klar, welche Option realisiert wird - es hängt von den Entfernungen zwischen den Galaxien und der Gesamtmasse der Materie des Universums ab, und diese Größen sind nicht genau bekannt.

Auch nach dem Urknall kann es im Universum Singularitäten geben. Der Stern, der Kernbrennstoff verbraucht hat, beginnt zu schrumpfen, und mit einer ausreichend großen Masse kann er dem Gravitationskollaps nicht widerstehen und verwandelt sich in ein Schwarzes Loch. So zeigte der englische Mathematiker und Physiker Roger Penrose, dass das Volumen eines Sterns gegen Null tendiert und die Dichte seiner Materie und die Krümmung der Raumzeit - gegen unendlich. Mit anderen Worten, ein Schwarzes Loch ist eine Singularität in der Raumzeit.

Durch die Umkehrung der Zeitrichtung bewiesen Penrose und Hawking, dass der Urknallpunkt existieren muss, wenn die Allgemeine Relativitätstheorie (GR) richtig ist. So wurde aus der Urknallhypothese ein mathematisches Theorem, und die Allgemeine Relativitätstheorie selbst erwies sich als unvollständig: Ihre Gesetze werden am Singularitätspunkt verletzt. Dies ist nicht überraschend, da die allgemeine Relativitätstheorie eine klassische Theorie ist und in einem kleinen Bereich des Weltraums in der Nähe einer Singularität Quanteneffekte signifikant werden. Daher erfordert die Untersuchung von Schwarzen Löchern und dem frühen Universum die Einbeziehung der Quantenmechanik und die Schaffung einer einheitlichen Theorie - der Quantentheorie der Gravitation.

Die Quantenmechanik befasste sich mit den Phänomenen der Mikrowelt und entwickelte sich unabhängig von der Allgemeinen Relativitätstheorie. In der Quantenphysik wurden einige Erfahrungen mit der Kombination verschiedener Arten von Wechselwirkungen gesammelt. So war es möglich, elektromagnetische und schwache Wechselwirkungen in einer Theorie zu kombinieren. Es stellte sich nämlich heraus, dass die Träger der elektromagnetischen Wechselwirkung (virtuelle Photonen) und die Träger der schwachen Wechselwirkung (Vektorbosonen) Realisierungen eines Teilchens sind und bei Energien von etwa 100 GeV nicht mehr voneinander zu unterscheiden sind. Es gibt auch Theorien der großen Vereinigung, das heißt der Vereinigung der elektroschwachen und starken Wechselwirkungen (um jedoch die Energien der großen Vereinigung zu erreichen und diese Theorien zu testen, ist ein Beschleuniger von der Größe des Sonnensystems erforderlich).

Alle diese Theorien schließen die Schwerkraft nicht ein, da sie für Elementarteilchen sehr klein ist. Am Singularitätspunkt streben jedoch die Gravitationskräfte zusammen mit der Krümmung der Raumzeit gegen unendlich, so dass die gemeinsame Betrachtung von quantenmechanischen und gravitativen Effekten unumgänglich wird. Dies führt zu den folgenden erstaunlichen Ergebnissen.

Nach dem Penrose-Hawking-Theorem ist der Sturz in ein Schwarzes Loch irreversibel. Aber bekanntlich geht jeder irreversible Vorgang mit einer Zunahme der Entropie einher. Hat ein Schwarzes Loch Entropie?

Hawking stellt fest, dass die Fläche des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs mit der Zeit nicht abnimmt (und zunimmt, wenn Materie in ein Schwarzes Loch fällt), das heißt, er hat alle Eigenschaften der Entropie. Sein amerikanischer Kollege Bickenstein schlägt vor, die Fläche des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs als Maß für seine Entropie zu betrachten. Hawking argumentiert, dass ein Schwarzes Loch mit Entropie eine Temperatur haben und daher strahlen muss – im Gegensatz zur eigentlichen Definition eines Schwarzen Lochs! - aber später entdeckt er selbst den Mechanismus dieser Strahlung.

Die Strahlungsquelle ist das Vakuum in der Nähe des Schwarzen Lochs, in dem Teilchen-Antiteilchen-Paare aufgrund von Quantenenergiefluktuationen geboren werden. Ein Mitglied des Paares hat positive Energie, das andere hat negative Energie (also ist die Summe Null); Ein Teilchen mit negativer Energie kann in ein Schwarzes Loch fallen, und ein Teilchen mit positiver Energie kann seine Umgebung verlassen. Der Fluss von Teilchen positiver Energie ist die Strahlung eines Schwarzen Lochs; Teilchen mit negativer Energie reduzieren seine Masse - das Schwarze Loch "verdampft" und verschwindet schließlich, wobei es die Singularität mit sich nimmt. Hawking sieht darin den ersten Hinweis auf die Möglichkeit, die Singularitäten der Allgemeinen Relativitätstheorie mittels Quantenmechanik zu beseitigen und stellt die Frage: Wird die Quantenmechanik einen ähnlichen Effekt auf „große“ Singularitäten haben, das heißt, wird die Quantenmechanik den Urknall eliminieren und Urknall-Singularitäten?

Ähnliche Neuigkeiten

Die klassische allgemeine Relativitätstheorie lässt keine Wahl: Das expandierende Universum wird aus einer Singularität geboren, und die Anfangsbedingungen sind unbekannt (GR funktioniert nicht im „Augenblick der Schöpfung“). Im Anfangsmoment könnte das Universum geordnet und homogen sein, oder es könnte ziemlich chaotisch sein. Der weitere Verlauf der Evolution hängt jedoch wesentlich von den Bedingungen an dieser Grenze der Raumzeit ab. Mit der Feynman-Methode, der Summation über verschiedene „Trajektorien“ der Entwicklung des Universums, erhält Hawking im Rahmen der Quantentheorie der Gravitation eine Alternative zur Singularität: Die Raumzeit ist endlich und hat keine Singularität in der Form einer Grenze oder Kante (dies ist ähnlich wie die Erdoberfläche, aber nur in vier Dimensionen) . Und da es keine Grenze gibt, sind keine Anfangsbedingungen erforderlich, dh es besteht keine Notwendigkeit, neue Gesetze einzuführen, die das Verhalten des frühen Universums bestimmen (oder auf die Hilfe Gottes zurückzugreifen). Dann wäre das Universum "... nicht erschaffen worden, es könnte nicht zerstört werden. Es würde einfach existieren."

Das Thema Gott zieht sich durch das ganze Buch; Im Wesentlichen führt Hawking eine Diskussion mit Gott. Hier ist ein Zitat, das diese Diskussion in gewisser Weise zusammenfasst.

"Aus der Vorstellung, dass Raum und Zeit eine geschlossene Oberfläche bilden, ergeben sich auch sehr wichtige Konsequenzen für die Rolle Gottes im Leben des Universums. Im Zusammenhang mit den Erfolgen wissenschaftlicher Theorien bei der Beschreibung von Ereignissen sind die meisten Wissenschaftler zu der Überzeugung gelangt Dass Gott dem Universum erlaubt, sich nach einem bestimmten System von Gesetzen zu entwickeln und nicht in seine Entwicklung eingreift, verstößt nicht gegen diese Gesetze Uhr und die Wahl des Anfangs könnte immer noch das Werk Gottes sein. Wir glauben, dass das Universum einen Anfang hatte, wir können denken, dass es einen Schöpfer hatte. Wenn das Universum wirklich vollständig geschlossen ist und keine Grenzen oder Kanten hat, dann sollte es keinen haben Anfang und kein Ende: es ist einfach und das ist es! Gibt es dann Raum für den Schöpfer?“

Hier ist die Antwort auf Einsteins Frage: Gott hatte keine Freiheit, die Anfangsbedingungen zu wählen.

Durch Summieren über Feynman-Trajektorien und unter der Annahme, dass keine Raum-Zeit-Grenzen angenommen werden, findet Hawking, dass sich das Universum in seinem gegenwärtigen Zustand mit hoher Wahrscheinlichkeit gleich schnell in alle Richtungen ausdehnen sollte, in Übereinstimmung mit Beobachtungen des isotropen CMB-Hintergrunds. Da der Ursprung der Zeit ein glatter, regelmäßiger Punkt von Raum und Zeit ist, begann sich das Universum aus einem homogenen, geordneten Zustand heraus zu entwickeln. Diese anfängliche Ordnung erklärt das Vorhandensein des thermodynamischen Zeitpfeils, der die Zeitrichtung anzeigt, in der die Unordnung (Entropie) des Universums zunimmt.

Im letzten Teil des Buches beschreibt Hawking die Stringtheorie, die den Anspruch erhebt, die gesamte Physik zu vereinen. Diese Theorie befasst sich nicht mit Teilchen, sondern mit Objekten wie eindimensionalen Strings. Teilchen werden als Schwingungen von Fäden interpretiert, Emission und Absorption von Teilchen - als Bruch und Verbindung von Fäden. Die Stringtheorie führt jedoch nicht nur in 10-dimensionalen oder 26-dimensionalen Räumen zu Widersprüchen. Vielleicht haben sich im Laufe der Entwicklung des Universums nur vier Koordinaten unserer Raumzeit "umgedreht", während sich der Rest als vernachlässigbar klein zusammengefaltet herausstellte.

Warum ist es passiert? Hawking gibt die Antwort vom Standpunkt des sogenannten anthropischen Prinzips: Sonst wären die Bedingungen für die Entwicklung intelligenter Wesen, die eine solche Frage stellen können, nicht entstanden. In der Tat ist die Evolution im Fall einer kleineren Dimension des Raums schwierig: Zum Beispiel teilt jeder Durchgang im Körper eines zweidimensionalen Wesens ihn in zwei Teile. In höherdimensionalen Räumen wird das Gesetz der Anziehungskraft anders sein, und die Umlaufbahnen der Planeten werden instabil ("wir würden dann entweder einfrieren oder ausbrennen"). Natürlich seien auch andere Universen möglich, mit einer anderen Anzahl an aufgefalteten Koordinaten, "...aber in solchen Regionen wird es keine intelligenten Wesen geben, die diese Vielfalt aktiver Dimensionen sehen könnten."

Hawking ist optimistisch in Bezug auf die Aussichten, eine einheitliche Theorie zu schaffen, die das Universum beschreibt. Nachdem er Gott den Schöpfungsakt genommen hat, weist er Gott die Rolle des Schöpfers seiner Gesetze zu. Wenn ein mathematisches Modell erstellt wird, bleibt die Frage, warum das Universum, das diesem Modell unterliegt, überhaupt existiert. Nicht an die Notwendigkeit gebunden, neue Theorien aufzustellen, werden Wissenschaftler sich seiner Untersuchung zuwenden. "Und wenn eine Antwort auf eine solche Frage gefunden wird, wird es ein vollständiger Triumph des menschlichen Geistes sein, denn dann werden wir den Plan Gottes verstehen."

Zusammenfassung von Stephen Hawkings Buch "Eine kurze Geschichte der Zeit", vorbereitet von Igor Jakowlew