Stephen Hawking

UMA BREVE HISTÓRIA DO TEMPO.

Do big bang aos buracos negros

Obrigado

O livro é dedicado a Jane

Decidi tentar escrever um livro popular sobre espaço e tempo depois de dar as Loeb Lectures em Harvard em 1982. Já havia alguns livros sobre o universo primitivo e buracos negros, ambos muito bons, como The First Three Minutes, de Steven Weinberg, e muito ruins, que não precisam ser mencionados aqui. Mas parecia-me que nenhum deles realmente abordava as questões que me levaram a estudar cosmologia e teoria quântica: de onde veio o universo? como e por que surgiu? Vai acabar, e se sim, como? Estas questões são do interesse de todos nós. Mas a ciência moderna está muito saturada de matemática, e apenas alguns especialistas a conhecem o suficiente para entendê-la. No entanto, as idéias básicas sobre o nascimento e futuro destino do Universo podem ser enunciadas sem a ajuda da matemática de tal forma que se tornam claras mesmo para pessoas que não receberam uma educação científica. Isto é o que eu tentei fazer no meu livro. Cabe ao leitor julgar o quão bem eu consegui.

Foi-me dito que cada fórmula incluída no livro reduziria pela metade o número de compradores. Então eu decidi ficar sem fórmulas. É verdade que no final escrevi uma equação - a famosa equação de Einstein E = mc ^ 2. Espero que não assuste metade dos meus potenciais leitores.

Tirando o fato de ter esclerose lateral amiotrófica, tive sorte em quase tudo. A ajuda e o apoio que recebi de minha esposa, Jane, e de meus filhos, Robert, Lucy e Timothy, me permitiram levar uma vida bastante normal e ser bem-sucedido no trabalho. Também tive a sorte de ter escolhido a física teórica, porque cabe tudo na minha cabeça. Portanto, minha fraqueza física não se tornou uma desvantagem séria. Meus colegas científicos, sem exceção, sempre me deram a máxima assistência.

Na primeira fase “clássica” do meu trabalho, meus assistentes e colaboradores mais próximos foram Roger Penrose, Robert Gerok, Brandon Carter e George Ellis. Sou grato a eles por sua ajuda e por seu trabalho conjunto. Esta etapa terminou com a publicação do livro "Large-scale structure of space-time", que Ellis e eu escrevemos em 1973 (Hawking S., Ellis J. Large-scale structure of space-time. M .: Mir, 1976 ).

Durante a segunda fase "quântica" do meu trabalho, que começou em 1974, trabalhei principalmente com Gary Gibbons, Don Page e Jim Hartle. Devo muito a eles, assim como aos meus alunos de pós-graduação, que me deram grande ajuda tanto no sentido “físico” quanto no “teórico” da palavra. A necessidade de acompanhar os alunos de pós-graduação foi um incentivo extremamente importante e, acho, me impediu de ficar preso em um pântano.

Brian Witt, um de meus alunos, me ajudou muito com este livro. Em 1985, depois de esboçar o primeiro esboço do livro, adoeci com pneumonia. Tive que fazer uma cirurgia e, depois da traqueotomia, parei de falar e, assim, quase perdi a capacidade de me comunicar. Achei que não conseguiria terminar o livro. Mas Brian não apenas me ajudou a revisá-lo, mas também me ensinou a usar o programa de computador de comunicação Living Center que Walt Waltosh, da Words Plus, Inc., Sunnyvale, Califórnia, me deu. Com ele, posso escrever livros e artigos, bem como conversar com as pessoas por meio de um sintetizador de voz doado a mim por outra empresa de Sunnyvale, a Speech Plus. David Mason instalou este sintetizador e um pequeno computador pessoal na minha cadeira de rodas. Este sistema mudou tudo: tornou-se ainda mais fácil para mim comunicar do que antes de perder a voz.

A muitos dos que leram as versões preliminares do livro, sou grato por conselhos sobre como ele pode ser melhorado. Por exemplo, Peter Gazzardi, meu editor na Bantam Books, me enviou carta após carta com comentários e perguntas sobre passagens que ele achava mal explicadas. Francamente, fiquei muito irritado quando recebi uma lista enorme de correções recomendadas, mas Gazzardi estava absolutamente certo. Tenho certeza de que o livro ficou melhor porque Gazzardi meteu meu nariz nos erros.

Expresso minha profunda gratidão aos meus assistentes Colin Williams, David Thomas e Raymond LaFlemme, minhas secretárias Judy Felle, Ann Ralph, Cheryl Billington e Sue Macy e minhas enfermeiras. Eu não teria conseguido nada se o Gonville and Cayus College, o Conselho de Pesquisa Científica e Técnica e as Fundações Leverhulme, MacArthur, Nuffield e Ralph Smith não tivessem assumido todos os custos da pesquisa científica e dos cuidados médicos necessários. A todos eles sou muito grato.

Prefácio

Vivemos, não entendendo quase nada da estrutura do mundo. Não pensamos em qual mecanismo gera a luz solar que garante nossa existência, não pensamos na gravidade, que nos mantém na Terra, impedindo que ela nos deixe cair no espaço. Não estamos interessados ​​nos átomos de que somos compostos e de cuja estabilidade nós mesmos dependemos essencialmente. Com exceção das crianças (que ainda sabem muito pouco para não fazer perguntas tão sérias), poucas pessoas se perguntam por que a natureza é do jeito que é, de onde veio o cosmos e se ele sempre existiu? não pode o tempo retroceder um dia, de modo que o efeito precede a causa? Existe um limite intransponível para o conhecimento humano? Existem até crianças (eu as conheci) que querem saber como é um buraco negro, qual é a menor partícula de matéria? Por que nos lembramos do passado e não do futuro? se realmente havia caos antes, como aconteceu que agora uma ordem visível foi estabelecida? e por que o universo existe?

Em nossa sociedade, é comum pais e professores responderem a essas perguntas encolhendo os ombros ou pedindo ajuda a partir de referências vagamente lembradas a lendas religiosas. Alguns não gostam de tais tópicos porque revelam vividamente a estreiteza da compreensão humana.

Mas o desenvolvimento da filosofia e das ciências naturais avançou principalmente devido a essas questões. Mais e mais adultos estão mostrando interesse por eles, e as respostas às vezes são completamente inesperadas para eles. Diferindo em escala de átomos e estrelas, expandimos os horizontes da pesquisa para cobrir objetos muito pequenos e muito grandes.

Na primavera de 1974, cerca de dois anos antes da espaçonave Viking atingir a superfície de Marte, eu estava na Inglaterra em uma conferência organizada pela Royal Society de Londres sobre a possibilidade de procurar civilizações extraterrestres. Durante a pausa para o café, notei uma reunião muito mais lotada na sala ao lado, e por curiosidade entrei nela. Assim, tornei-me testemunha de um ritual de longa data - a admissão de novos membros à Royal Society, que é uma das associações de cientistas mais antigas do planeta. À frente, um jovem sentado em uma cadeira de rodas escrevia seu nome muito lentamente em um livro cujas páginas anteriores traziam a assinatura de Isaac Newton. Quando ele finalmente terminou de assinar, o público explodiu em aplausos. Stephen Hawking já era uma lenda na época.

Hawking agora ocupa a cadeira de matemática na Universidade de Cambridge, uma vez ocupada por Newton e mais tarde por P. A. M. Dirac, dois pesquisadores famosos que estudaram um o maior e o outro o menor. Hawking é seu digno sucessor. Este primeiro livro popular de Hockipg contém muitas informações úteis para um público amplo. O livro é interessante não só pela amplitude de seu conteúdo, como permite ver como funciona o pensamento de seu autor. Nele você encontrará revelações claras sobre os limites da física, astronomia, cosmologia e coragem.

Mas também é um livro sobre Deus... ou talvez sobre a ausência de Deus. A palavra "Deus" frequentemente aparece em suas páginas. Hawking se propõe a encontrar a resposta para a famosa pergunta de Einstein sobre se Deus teve alguma escolha quando criou o universo. Hawking está tentando, como ele escreve, desvendar o plano de Deus. Ainda mais surpreendente é a conclusão (pelo menos temporariamente) a que esses

Dominou o livro de Stephen Hawking "A mais breve história do tempo". O próprio autor tornou-se familiar para muitos - este é o mesmo físico brilhante, acorrentado a uma cadeira de rodas.

O livro é interessante, bem escrito e acessível. O que impressionou especialmente a imaginação em meu resumo:
1) Se você traçar uma linha reta entre dois pontos em um mapa geográfico com uma régua, essa linha reta não será a distância mais curta entre os dois pontos. O mais curto será uma curva em forma de arco, cujo raio é igual ao raio da Terra.
2) Na presença de matéria, o espaço-tempo quadridimensional é distorcido, causando a curvatura das trajetórias dos corpos no espaço tridimensional. Embora seja difícil de descrever, a massa do Sol distorce o espaço-tempo de tal maneira que a Terra, seguindo o caminho mais curto no espaço-tempo quadridimensional, parece-nos mover-se em uma órbita quase circular em três dimensões. espaço.
3) A teoria geral da relatividade declara que o curso do tempo é diferente para observadores em diferentes campos gravitacionais. Se um dos gêmeos vive no topo de uma montanha e o outro vive à beira-mar, o primeiro envelhecerá mais rápido que o segundo.
4) Se conhecêssemos o estado do sistema em um determinado momento e as leis de desenvolvimento do sistema, poderíamos prever a posição do sistema a qualquer momento. Então, o Princípio da Incerteza de Heisenberg geralmente diz que não importa o quão orgulhosos estejamos, não podemos determinar o estado do Universo no momento presente. E não tem nada a ver com o nível de desenvolvimento da ciência. Isso está mais próximo de um princípio filosófico - em princípio, não podemos conhecer a posição de nenhum sistema em nenhum momento específico. Sabemos a qualquer momento a velocidade da partícula ou sua localização. Exatamente um dos dois, mas não os dois valores ao mesmo tempo.
Portanto, reconcilie-se - qualquer previsão em nosso Universo é impossível em princípio. De um ponto de vista puramente filosófico. Algum.
5) Se enviarmos um elétron para a parede e colocarmos duas fendas em seu caminho para passagem, ele passará pelas duas fendas ao mesmo tempo. Pausa para reflexão. Em geral, um elétron pode estar em todas as posições possíveis ao mesmo tempo. Pois, a criatura é tão pequena, não é apenas uma partícula, mas quando quer, também é uma onda. A ligação de um elétron a órbitas específicas de um átomo está ligada precisamente ao fato de que é nessas órbitas que o elétron não interfere em si mesmo, ou seja. não se extingue. Mais uma vez - um elétron, voando de um ponto a outro, voa ao longo de todas as trajetórias possíveis ao mesmo tempo. Na verdade, ele é capaz de estar em todos os pontos do espaço ao mesmo tempo, e só lá ele não está, onde interfere consigo mesmo.
6) De forma puramente teórica, é possível viajar no tempo para o passado. A solução das equações da teoria da relatividade mostra que sim, é assim. Uma coisa - para viajar no tempo, você deve definitivamente se mover mais rápido que a velocidade da luz. E vice-versa - o movimento mais rápido que a velocidade da luz é impossível sem movimento simultâneo no passado.
Aqueles que sabem que é impossível se mover mais rápido que a velocidade da luz respiram aliviados. Mas há outro problema - puramente, novamente, hipoteticamente, viajar mais rápido do que a velocidade da luz também é possível. Possível no caso da existência de buracos de minhoca no espaço-tempo. E as malditas equações mostram que sim, esses buracos podem existir. E se eles podem, então eles existem em algum lugar.
7) A mais nova teoria que simplesmente incrível descreve as últimas descobertas da ciência e as antecipa - esta é a teoria das cordas. Nada de especial, apenas tudo o que é previsto por essa teoria é então confirmado por experimentos individuais. E é realmente estressante. É irritante, porque a teoria das cordas toma como suposição uma pequena afirmação - não vivemos em um mundo de quatro dimensões, mas em um mundo de 26 dimensões. Além disso, 4 dimensões são implantadas e podemos nos mover ao longo delas, e mais 22 são dobradas em um ponto. Os físicos abandonariam alegremente essa teoria, mas nada mais inteligível em termos matemáticos foi inventado, e os experimentos continuam a corresponder perfeitamente às previsões feitas com base nessa teoria.

Em geral, parece-me que nosso Universo, como aquele elétron, é capaz de estar em todos os estados simultaneamente, com exceção daqueles estados em que interfere consigo mesmo. E agora estou simultaneamente em Krasnodar e em Moscou e em Alpha Centauri. E, ao mesmo tempo, não existe nenhum eu. Mas o pensamento de Enta é claramente digno de mastigar em um livro filosófico abstruso separado.

Stephen Hawking

UMA BREVE HISTÓRIA DO TEMPO.

Do big bang aos buracos negros

Obrigado

O livro é dedicado a Jane

Decidi tentar escrever um livro popular sobre espaço e tempo depois de dar as Loeb Lectures em Harvard em 1982. Já havia alguns livros sobre o universo primitivo e buracos negros, ambos muito bons, como The First Three Minutes, de Steven Weinberg, e muito ruins, que não precisam ser mencionados aqui. Mas parecia-me que nenhum deles realmente abordava as questões que me levaram a estudar cosmologia e teoria quântica: de onde veio o universo? como e por que surgiu? Vai acabar, e se sim, como? Estas questões são do interesse de todos nós. Mas a ciência moderna está muito saturada de matemática, e apenas alguns especialistas a conhecem o suficiente para entendê-la. No entanto, as idéias básicas sobre o nascimento e futuro destino do Universo podem ser enunciadas sem a ajuda da matemática de tal forma que se tornam claras mesmo para pessoas que não receberam uma educação científica. Isto é o que eu tentei fazer no meu livro. Cabe ao leitor julgar o quão bem eu consegui.

Foi-me dito que cada fórmula incluída no livro reduziria pela metade o número de compradores. Então eu decidi ficar sem fórmulas. É verdade que no final escrevi uma equação - a famosa equação de Einstein E = mc ^ 2. Espero que não assuste metade dos meus potenciais leitores.

Tirando o fato de ter esclerose lateral amiotrófica, tive sorte em quase tudo. A ajuda e o apoio que recebi de minha esposa, Jane, e de meus filhos, Robert, Lucy e Timothy, me permitiram levar uma vida bastante normal e ser bem-sucedido no trabalho. Também tive a sorte de ter escolhido a física teórica, porque cabe tudo na minha cabeça. Portanto, minha fraqueza física não se tornou uma desvantagem séria. Meus colegas científicos, sem exceção, sempre me deram a máxima assistência.

Na primeira fase “clássica” do meu trabalho, meus assistentes e colaboradores mais próximos foram Roger Penrose, Robert Gerok, Brandon Carter e George Ellis. Sou grato a eles por sua ajuda e por seu trabalho conjunto. Esta etapa terminou com a publicação do livro "Large-scale structure of space-time", que Ellis e eu escrevemos em 1973 (Hawking S., Ellis J. Large-scale structure of space-time. M .: Mir, 1976 ).

Durante a segunda fase "quântica" do meu trabalho, que começou em 1974, trabalhei principalmente com Gary Gibbons, Don Page e Jim Hartle. Devo muito a eles, assim como aos meus alunos de pós-graduação, que me deram grande ajuda tanto no sentido “físico” quanto no “teórico” da palavra. A necessidade de acompanhar os alunos de pós-graduação foi um incentivo extremamente importante e, acho, me impediu de ficar preso em um pântano.

Brian Witt, um de meus alunos, me ajudou muito com este livro. Em 1985, depois de esboçar o primeiro esboço do livro, adoeci com pneumonia. Tive que fazer uma cirurgia e, depois da traqueotomia, parei de falar e, assim, quase perdi a capacidade de me comunicar. Achei que não conseguiria terminar o livro. Mas Brian não apenas me ajudou a revisá-lo, mas também me ensinou a usar o programa de computador de comunicação Living Center que Walt Waltosh, da Words Plus, Inc., Sunnyvale, Califórnia, me deu. Com ele, posso escrever livros e artigos, bem como conversar com as pessoas por meio de um sintetizador de voz doado a mim por outra empresa de Sunnyvale, a Speech Plus. David Mason instalou este sintetizador e um pequeno computador pessoal na minha cadeira de rodas. Este sistema mudou tudo: tornou-se ainda mais fácil para mim comunicar do que antes de perder a voz.

A muitos dos que leram as versões preliminares do livro, sou grato por conselhos sobre como ele pode ser melhorado. Por exemplo, Peter Gazzardi, meu editor na Bantam Books, me enviou carta após carta com comentários e perguntas sobre passagens que ele achava mal explicadas. Francamente, fiquei muito irritado quando recebi uma lista enorme de correções recomendadas, mas Gazzardi estava absolutamente certo. Tenho certeza de que o livro ficou melhor porque Gazzardi meteu meu nariz nos erros.

Expresso minha profunda gratidão aos meus assistentes Colin Williams, David Thomas e Raymond LaFlemme, minhas secretárias Judy Felle, Ann Ralph, Cheryl Billington e Sue Macy e minhas enfermeiras. Eu não teria conseguido nada se o Gonville and Cayus College, o Conselho de Pesquisa Científica e Técnica e as Fundações Leverhulme, MacArthur, Nuffield e Ralph Smith não tivessem assumido todos os custos da pesquisa científica e dos cuidados médicos necessários. A todos eles sou muito grato.

Prefácio

Vivemos, não entendendo quase nada da estrutura do mundo. Não pensamos em qual mecanismo gera a luz solar que garante nossa existência, não pensamos na gravidade, que nos mantém na Terra, impedindo que ela nos deixe cair no espaço. Não estamos interessados ​​nos átomos de que somos compostos e de cuja estabilidade nós mesmos dependemos essencialmente. Com exceção das crianças (que ainda sabem muito pouco para não fazer perguntas tão sérias), poucas pessoas se perguntam por que a natureza é do jeito que é, de onde veio o cosmos e se ele sempre existiu? não pode o tempo retroceder um dia, de modo que o efeito precede a causa? Existe um limite intransponível para o conhecimento humano? Existem até crianças (eu as conheci) que querem saber como é um buraco negro, qual é a menor partícula de matéria? Por que nos lembramos do passado e não do futuro? se realmente havia caos antes, como aconteceu que agora uma ordem visível foi estabelecida? e por que o universo existe?

Em nossa sociedade, é comum pais e professores responderem a essas perguntas encolhendo os ombros ou pedindo ajuda a partir de referências vagamente lembradas a lendas religiosas. Alguns não gostam de tais tópicos porque revelam vividamente a estreiteza da compreensão humana.

Mas o desenvolvimento da filosofia e das ciências naturais avançou principalmente devido a essas questões. Mais e mais adultos estão mostrando interesse por eles, e as respostas às vezes são completamente inesperadas para eles. Diferindo em escala de átomos e estrelas, expandimos os horizontes da pesquisa para cobrir objetos muito pequenos e muito grandes.

Na primavera de 1974, cerca de dois anos antes da espaçonave Viking atingir a superfície de Marte, eu estava na Inglaterra em uma conferência organizada pela Royal Society de Londres sobre a possibilidade de procurar civilizações extraterrestres. Durante a pausa para o café, notei uma reunião muito mais lotada na sala ao lado, e por curiosidade entrei nela. Assim, tornei-me testemunha de um ritual de longa data - a admissão de novos membros à Royal Society, que é uma das associações de cientistas mais antigas do planeta. À frente, um jovem sentado em uma cadeira de rodas escrevia seu nome muito lentamente em um livro cujas páginas anteriores traziam a assinatura de Isaac Newton. Quando ele finalmente terminou de assinar, o público explodiu em aplausos. Stephen Hawking já era uma lenda na época.

Hawking agora ocupa a cadeira de matemática na Universidade de Cambridge, uma vez ocupada por Newton e mais tarde por P. A. M. Dirac, dois pesquisadores famosos que estudaram um o maior e o outro o menor. Hawking é seu digno sucessor. Este primeiro livro popular de Hockipg contém muitas informações úteis para um público amplo. O livro é interessante não só pela amplitude de seu conteúdo, como permite ver como funciona o pensamento de seu autor. Nele você encontrará revelações claras sobre os limites da física, astronomia, cosmologia e coragem.

Stephen HawkingLeonard Mlodinov

A história mais curta do tempo

Prefácio

Apenas quatro letras distinguem o título deste livro do título daquele que foi publicado pela primeira vez em 1988. Uma Breve História do Tempo permaneceu na lista de best-sellers do Sunday Times por 237 semanas, e todo 750º habitante de nosso planeta, adulto ou criança, o comprou. Um sucesso notável para um livro que trata dos problemas mais difíceis da física moderna. No entanto, estes não são apenas os problemas mais difíceis, mas também os mais emocionantes, porque nos remetem a questões fundamentais: o que realmente sabemos sobre o Universo, como adquirimos esse conhecimento, de onde veio o Universo e onde está Está indo? Essas questões formaram o assunto principal de Uma Breve História do Tempo e se tornaram o foco deste livro. Um ano após a publicação de Uma Breve História do Tempo, começaram a surgir respostas de leitores de todas as idades e profissões ao redor do mundo. Muitos deles manifestaram o desejo de que fosse publicada uma nova versão do livro que, mantendo a essência de Uma Breve História do Tempo, explicasse os conceitos mais importantes de uma forma mais simples e divertida. Embora algumas pessoas parecessem esperar que fosse Uma longa história do tempo, o feedback dos leitores foi inconfundível: muito poucos deles estão ansiosos para se familiarizar com um volumoso tratado que apresenta o assunto no nível de um curso universitário de cosmologia. Assim, enquanto trabalhávamos em The Briefest History of Time, mantivemos e até ampliamos a essência fundamental do primeiro livro, mas ao mesmo tempo tentamos deixar inalterado seu volume e acessibilidade de apresentação. Isso é de fato o mais curto história, uma vez que omitimos alguns aspectos puramente técnicos, porém, ao que nos parece, essa lacuna é mais do que preenchida com um tratamento mais profundo do material que verdadeiramente constitui o cerne do livro.

Aproveitamos também para atualizar as informações e incluir no livro os dados teóricos e experimentais mais recentes. The Shortest History of Time descreve o progresso que foi feito em direção a uma teoria unificada completa nos últimos tempos. Em particular, trata das últimas provisões da teoria das cordas, dualidade onda-partícula, e revela a conexão entre várias teorias físicas, indicando que existe uma teoria unificada. Quanto à pesquisa prática, o livro contém importantes resultados de observações recentes obtidas, em particular, com a ajuda do satélite COBE (Cosmic Background Explorer) e do Telescópio Espacial Hubble.

Capítulo primeiro

PENSANDO NO UNIVERSO

Vivemos em um universo estranho e maravilhoso. É necessária imaginação extraordinária para apreciar sua idade, tamanho, fúria e até beleza. O lugar ocupado pelas pessoas neste cosmos sem limites pode parecer insignificante. E, no entanto, estamos tentando entender como todo esse mundo funciona e como nós, humanos, nos vemos nele.

Várias décadas atrás, um famoso cientista (alguns dizem que foi Bertrand Russell) deu uma palestra pública sobre astronomia. Ele disse que a Terra gira em torno do Sol e, por sua vez, gira em torno do centro de um vasto sistema estelar chamado nossa Galáxia. Ao final da palestra, uma velhinha sentada no fundo se levantou e disse:

Você tem nos contado um absurdo completo aqui. Na realidade, o mundo é uma laje plana apoiada nas costas de uma tartaruga gigante.

Sorrindo com um sentimento de superioridade, o cientista perguntou:

Em que pé está a tartaruga?

Você é um jovem muito inteligente, muito”, respondeu a velha senhora. - Ela fica em cima de outra tartaruga, e assim por diante, ad infinitum!

Hoje, a maioria das pessoas acharia essa imagem do universo, essa interminável torre de tartarugas, muito engraçada. Mas o que nos faz pensar que sabemos mais?

Esqueça por um momento o que você sabe - ou pensa que sabe - sobre o espaço. Olhe para o céu noturno. O que todos esses pontos luminosos parecem para você? Talvez sejam pequenas luzes? É difícil para nós adivinhar o que eles realmente são, porque essa realidade está muito longe de nossa experiência cotidiana.

Se você costuma observar o céu noturno, provavelmente notou um vislumbre de luz logo acima do horizonte no crepúsculo. Este é Mercúrio, um planeta muito diferente do nosso. Um dia em Mercúrio dura dois terços do ano. No lado ensolarado, a temperatura ultrapassa os 400°C, e na calada da noite cai para quase -200°C.

Mas não importa o quão diferente Mercúrio seja do nosso planeta, é ainda mais difícil imaginar uma estrela comum - um inferno colossal que queima milhões de toneladas de matéria a cada segundo e é aquecido no centro a dezenas de milhões de graus.

Outra coisa que é difícil de entender são as distâncias para planetas e estrelas. Os antigos chineses construíram torres de pedra para vê-los de perto. É bastante natural pensar que as estrelas e os planetas estão muito mais próximos do que realmente estão, pois na vida cotidiana nunca entramos em contato com grandes distâncias cósmicas.

Essas distâncias são tão grandes que não faz sentido expressá-las nas unidades usuais - metros ou quilômetros. Em vez disso, são usados ​​anos-luz (um ano-luz é o caminho que a luz percorre em um ano). Em um segundo, um feixe de luz viaja 300.000 quilômetros, então um ano-luz é uma distância muito longa. A estrela mais próxima de nós (depois do Sol) - Proxima Centauri - está a cerca de quatro anos-luz de distância. Isso está tão longe que a espaçonave mais rápida atualmente sendo projetada voaria para lá por cerca de dez mil anos. Mesmo nos tempos antigos, as pessoas tentavam compreender a natureza do Universo, mas não tinham as possibilidades que a ciência moderna, em particular a matemática, abre. Hoje temos ferramentas poderosas à nossa disposição: mentais, como a matemática e o método científico de cognição, e tecnológicas, como computadores e telescópios. Com a ajuda deles, os cientistas reuniram uma enorme quantidade de informações sobre o espaço. Mas o que realmente sabemos sobre o universo e como o conhecemos? De onde ela veio? Em que direção está se desenvolvendo? Teve um começo, e se teve, o que foi antes da dele? Qual é a natureza do tempo? Será que vai acabar? É possível voltar no tempo? Grandes descobertas físicas recentes, graças em parte às novas tecnologias, oferecem respostas para algumas dessas perguntas antigas. Talvez um dia essas respostas se tornem tão óbvias quanto a revolução da Terra em torno do Sol – ou talvez tão curiosas quanto uma torre de tartarugas. Só o tempo (seja lá o que for) dirá.

Sobre o que é "Uma Breve História do Tempo" de Stephen Hawking?

De fontes abertas

Hoje, 14 de março, o famoso físico teórico inglês Stephen Hawking morreu aos 77 anos. o site publica um resumo de seu livro de ciência popular "A Brief History of Time: From the Big Bang to Black Holes" (1988), que se tornou um best-seller

O livro do notável físico inglês Stephen Hawking "Uma Breve História do Tempo: do Big Bang aos Buracos Negros" é dedicado a encontrar uma resposta à pergunta de Einstein: "Que escolha Deus teve quando criou o Universo?" Alertado que cada fórmula incluída no livro reduzirá pela metade o número de compradores, Hawking expõe em linguagem acessível as ideias da teoria quântica da gravidade - um campo inacabado da física que combina a relatividade geral e a mecânica quântica.

O livro começa com uma história sobre a evolução das ideias humanas sobre o Universo: das esferas celestes do sistema geocêntrico de Aristóteles e Ptolomeu à constatação de que o Sol é uma estrela amarela comum de tamanho médio em um dos braços de uma espiral galáxia - entre centenas de bilhões de outras galáxias na parte observável do Universo. A descoberta do desvio para o vermelho dos espectros de estrelas em outras galáxias significava que o universo estava se expandindo, e isso levou à hipótese do big bang: dez ou vinte bilhões de anos atrás, todos os objetos no universo poderiam estar em um lugar com uma distância infinitamente alta. densidade (ponto de singularidade).

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O Big Bang é o início dos tempos. Não há resposta para a questão do que era antes do Big Bang, pois as leis científicas deixam de funcionar no ponto de singularidade; a capacidade de prever o futuro é perdida e, portanto, se algo aconteceu "antes", isso não afetará os eventos atuais de forma alguma. Após o Big Bang, dois cenários são possíveis: ou a expansão do Universo continuará para sempre, ou ele irá parar em algum ponto e entrar em uma fase de contração, que terminará com um retorno à singularidade - o Big Bang. Não está claro qual opção será realizada - depende das distâncias entre as galáxias e da massa total da matéria do Universo, e essas quantidades não são exatamente conhecidas.

Singularidades podem estar no Universo mesmo após o Big Bang. A estrela, tendo esgotado o combustível nuclear, começa a encolher e, com uma massa suficientemente grande, não consegue resistir ao colapso gravitacional, transformando-se em um buraco negro. Assim, o matemático e físico inglês Roger Penrose mostrou que o volume de uma estrela tende a zero, e a densidade de sua matéria e a curvatura do espaço-tempo - ao infinito. Em outras palavras, um buraco negro é uma singularidade no espaço-tempo.

Ao inverter a direção do tempo, Penrose e Hawking provaram que, se a relatividade geral (GR) estiver correta, então o ponto do Big Bang deve existir. Assim, a hipótese do big bang tornou-se um teorema matemático, e a própria relatividade geral se mostrou incompleta: suas leis são violadas no ponto de singularidade. Isso não é surpreendente, porque a relatividade geral é uma teoria clássica e, em uma pequena região do espaço perto de uma singularidade, os efeitos quânticos se tornam significativos. Assim, o estudo dos buracos negros e do Universo primitivo requer o envolvimento da mecânica quântica e a criação de uma teoria unificada - a teoria quântica da gravidade.

Lidando com os fenômenos do micromundo, a mecânica quântica desenvolveu-se independentemente da relatividade geral. Na física quântica, alguma experiência foi acumulada na combinação de vários tipos de interações. Assim, foi possível combinar interações eletromagnéticas e fracas em uma teoria. Ou seja, descobriu-se que os portadores da interação eletromagnética (fótons virtuais) e os portadores da interação fraca (bósons vetoriais) são realizações de uma partícula e se tornam indistinguíveis um do outro em energias de cerca de 100 GeV. Existem também teorias da grande unificação, ou seja, a unificação das interações eletrofracas e fortes (no entanto, para atingir as energias da grande unificação e testar essas teorias, é necessário um acelerador do tamanho do sistema solar).

Todas essas teorias não incluem a gravidade, pois é muito pequena para partículas elementares. No entanto, no ponto de singularidade, as forças gravitacionais, juntamente com a curvatura do espaço-tempo, tendem ao infinito, de modo que a consideração conjunta da mecânica quântica e dos efeitos gravitacionais torna-se inevitável. Isso leva aos seguintes resultados surpreendentes.

Pelo teorema de Penrose-Hawking, cair em um buraco negro é irreversível. Mas, como se sabe, qualquer processo irreversível é acompanhado por um aumento de entropia. Um buraco negro tem entropia?

Hawking observa que a área do horizonte de eventos de um buraco negro não diminui com o tempo (e aumenta quando a matéria cai em um buraco negro), ou seja, tem todas as propriedades da entropia. Seu colega americano Bickenstein propõe considerar a área do horizonte de eventos de um buraco negro como medida de sua entropia. Hawking argumenta que, tendo entropia, um buraco negro deve ter uma temperatura e, portanto, irradiar - ao contrário da própria definição de um buraco negro! - mas depois ele mesmo descobre o mecanismo dessa radiação.

A fonte de radiação é o vácuo próximo ao buraco negro, no qual os pares partícula-antipartícula nascem devido às flutuações de energia quântica. Um membro do par tem energia positiva, o outro tem energia negativa (portanto, a soma é zero); uma partícula com energia negativa pode cair em um buraco negro, e uma partícula com energia positiva pode deixar sua vizinhança. O fluxo de partículas de energia positiva é a radiação de um buraco negro; partículas com energia negativa reduzem sua massa - o buraco negro "evapora" e acaba desaparecendo, levando consigo a singularidade. Nisso, Hawking vê a primeira indicação da possibilidade de remover as singularidades da relatividade geral usando a mecânica quântica e faz a pergunta: a mecânica quântica terá um efeito semelhante sobre as "grandes" singularidades, ou seja, a mecânica quântica eliminará o Big Bang e Singularidades do Big Bang?

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A teoria geral da relatividade clássica não deixa escolha: o universo em expansão nasce de uma singularidade, e as condições iniciais são desconhecidas (GR não funciona no "momento da criação"). No momento inicial, o Universo pode ser ordenado e homogêneo, ou pode ser bastante caótico. O processo posterior de evolução, no entanto, depende essencialmente das condições neste limite do espaço-tempo. Utilizando o método de Feynman, somatório sobre várias "trajetórias" do desenvolvimento do Universo, Hawking, no âmbito da teoria quântica da gravidade, obtém uma alternativa à singularidade: o espaço-tempo é finito e não possui uma singularidade na forma de um limite ou borda (isso é semelhante à superfície da Terra, mas apenas em quatro dimensões). E como não há limite, não há necessidade de condições iniciais sobre ele, ou seja, não há necessidade de introduzir novas leis que determinem o comportamento do Universo primitivo (ou recorrer à ajuda de Deus). Então o Universo "... não teria sido criado, não poderia ser destruído. Simplesmente existiria."

O tema de Deus está presente em todo o livro; em essência, Hawking está tendo uma discussão com Deus. Aqui está uma citação que resume esta discussão de uma forma.

"Da ideia de que o espaço e o tempo formam uma superfície fechada, surgem também consequências muito importantes sobre o papel de Deus na vida do Universo. Em conexão com os sucessos alcançados pelas teorias científicas na descrição dos eventos, a maioria dos cientistas passou a acreditar que Deus permite que o Universo se desenvolva de acordo com um certo sistema de leis e não interfere em seu desenvolvimento, não viola essas leis. Mas as leis não nos dizem nada sobre como era o Universo quando apareceu pela primeira vez - enrolando relógio e escolher o começo ainda pode ser obra de Deus. Acreditamos que o Universo teve um começo, podemos pensar que ele teve um Criador. princípio e sem fim: simplesmente é e pronto! Existe então espaço para o Criador?"

Aqui está a resposta à pergunta de Einstein: Deus não tinha liberdade para escolher as condições iniciais.

Ao somar as trajetórias de Feynman, assumindo que não há limites de espaço-tempo, Hawking descobre que o Universo em seu estado atual deve, com alta probabilidade, expandir-se igualmente rapidamente em todas as direções, de acordo com as observações do fundo isotrópico da CMB. Além disso, como a origem do tempo é um ponto suave e regular do espaço e do tempo, o Universo começou a evoluir de um estado homogêneo e ordenado. Essa ordenação inicial explica a presença da seta termodinâmica do tempo, indicando a direção do tempo em que a desordem (entropia) do Universo aumenta.

Na parte final do livro, Hawking descreve a teoria das cordas, que afirma unificar toda a física. Esta teoria não lida com partículas, mas com objetos como cordas unidimensionais. As partículas são interpretadas como vibrações de cordas, emissão e absorção de partículas - como quebra e conexão de cordas. A teoria das cordas, no entanto, não leva a contradições apenas em espaços de 10 ou 26 dimensões. Talvez, no curso do desenvolvimento do Universo, apenas quatro coordenadas do nosso espaço-tempo "girem ao redor", enquanto o resto acabou sendo dobrado em um espaço de tamanhos insignificantes.

Por que aconteceu? Hawking dá a resposta do ponto de vista do chamado princípio antrópico: caso contrário, as condições para o desenvolvimento de seres inteligentes capazes de fazer tal pergunta não teriam surgido. De fato, no caso de uma dimensão menor do espaço, a evolução é difícil: por exemplo, qualquer passagem pelo corpo de um ser bidimensional o divide em duas partes. Em espaços de dimensões superiores, a lei da atração gravitacional será diferente, e as órbitas dos planetas se tornarão instáveis ​​("nós congelaríamos ou queimaríamos"). Claro, outros universos também são possíveis, com um número diferente de coordenadas desdobradas, "... mas em tais regiões não haverá seres inteligentes que possam ver essa variedade de dimensões ativas".

Hawking está otimista sobre as perspectivas de criar uma teoria unificada que descreva o universo. Tendo tirado o ato de criação de Deus, ele atribui a Deus o papel de criador de suas leis. Quando um modelo matemático é construído, a questão permanece por que o universo, sujeito a esse modelo, existe. Não vinculados à necessidade de construir novas teorias, os cientistas se voltarão para seu estudo. "E se uma resposta a tal pergunta for encontrada, será um triunfo completo da mente humana, pois então entenderemos o plano de Deus."

Resumo do livro de Stephen Hawking "Uma Breve História do Tempo" preparado por Igor Yakovlev