«Коротка історія часу: Від Великого вибуху до чорних дір» () — науково-популярна книга, написана британським фізиком Стівеном Гокінгом і опублікована вперше в 1988 році.
Автор уникає технічної термінології й доступно розповідає про будову, походження, розвиток і можливу долю Всесвіту. Він пояснює основи теорії відносності та квантової механіки, будову елементарних частинок та фундаментальні взаємодії, чорні діри, космологію, питання можливості існування червоточин та пошуки єдиної теорії, яка могла б узгоджено описати все у Всесвіті.
Книга стала бестселером, була 40 мовами й продана накладом понад 25 мільйонів примірників. Її включили до списку 100 найкращих науково-популярних книг за всю історію журналу «Тайм». зняв документальний фільм (1991), який поєднує матеріал книги з інтерв'ю Гокінга, його колег і членів родини. Ілюстроване видання книги вийшло 1996 року. У 2006 році Гокінг і опублікували скорочену версію книги під назвою «Найкоротша історія часу».
Огляд «Коротка історія часу» намагається висвітити для пересічного читача широкий спектр питань в галузі космології, зокрема великий вибух, чорні діри та світлові конуси. Її головне завдання — оглянути ці питання, але ця книжка також намагається пояснити деякі складні аспекти математики. Починаючи з видання 1996 року в «Короткій історії часу» розглядається можливість подорожей у часі та червоточин, а також досліджується можливість існування всесвіту без квантової сингулярності на початку часу.
На початку 1983, Гокінг звернувся з ідеєю популярної книжки про космологію до Саймона Міттона, редактора книжок з астрономії в Cambridge University Press. Міттон мав сумніви щодо присутності рівнянь в чернетці книжки, які на його думку відлякували б покупців в аеропортових книгарнях, на яких розраховував Гокінг. Не без деяких труднощів йому вдалося вмовити Гокінга викинути всі рівняння крім одного.White, Michael and John Gribbin (1992). Stephen Hawking: a life in science. Viking Press. ISBN 978-0670840137. Сам автор зазначив в розділі подяк, що кожне рівняння в книжці зменшувало б кількість читачів удвоє, тож він залишив лише одне: E = mc2. У книжці використано деяка кількість складних моделей, діаграм та інших ілюстрацій, щоб пояснити поняття, які розглядаються.
Зміст
Розділ 1: Як ми уявляємо собі Всесвіт
Гокінг починає з анекдоту про вченого, який читав лекцію про Всесвіт. Одна літня жінка підвелася й сказала: «Усе, що ви нам розповіли, — нісенітниця. Насправді світ — це плаский диск, який тримається на спині велетенської черепахи». Учений запитав, на чому стоїть сама черепаха. Вона відповіла: «Ви дуже розумний, юначе, дуже розумний. Проте черепаха стоїть на черепасі, і так аж до споду!» Далі Гокінг пояснює, чому ми знаємо, що це не так.
Він розглядає історію астрономії, починаючи з висновків Арістотеля про кулясту форму Землі та кругову геоцентричну модель Всесвіту, яку згодом докладніше розробив грецький астроном II століття Птолемей. Далі він описує створення геліоцентричної моделі Сонячної системи польським астрономом Миколаєм Коперником у 1514 році. Через століття італійський учений Галілео Галілей спрямував голландську підзорну трубу на небо. Його спостереження супутників Юпітера підтвердили правоту Коперника. Німецький астроном Йоганн Кеплер сформулював свої закони руху планет, згідно з якими планети рухаються еліптичними орбітами. Англійський фізик Ісаак Ньютон пояснив закони Кеплера у своїй праці «Математичні начала натуральної філософії» (1687).
Гокінг обговорює, як з часом змінювалися погляди на походження Всесвіту: уявленню Арістотеля та інших ранніх філософів про вічне існування Всесвіту протистояла віра святого Августина та інших теологів у його створення в певний момент минулого. Іммануїл Кант стверджував, що час не мав початку. У наш час відкриття розширення Всесвіту показало, що між 10 і 20 мільярдами років тому весь Всесвіт був зосереджений в одній надзвичайно щільній точці, і тому питання про те, що було «до того», не має сенсу. Він пише: «Всесвіт, що розширюється, не виключає існування творця, але накладає обмеження на те, коли саме він міг виконати свою роботу!»
Розділ 2: Простір і час Гокінг описує розвиток наукових уявлень про природу простору й часу. Він починає з арістотелівської ідеї про те, що природним станом тіла є спокій, а рух можливий лише під дією сили, через що важчі предмети нібито падають швидше. Проте Галілей експериментально спростував теорію Арістотеля, дослідивши рух тіл різної ваги й дійшовши висновку, що всі об'єкти падають з однаковим прискоренням. Це привело до формулювання законів руху Ньютона та закону всесвітнього тяжіння. Однак закони Ньютона показали, що абсолютного стану спокою чи абсолютного простору не існує: те, чи перебуває об'єкт «у спокої» або «в русі», залежить від інерційної системи відліку спостерігача.
Гокінг описує класичне уявлення про абсолютний час, згідно з яким усі спостерігачі в русі вимірюють однаковий час. Проте, як зазначає Гокінг, це інтуїтивне уявлення не працює на швидкостях, близьких до швидкості світла. Те, що світло поширюється зі скінченною швидкістю, відкрив Оле Ремер завдяки спостереженням Юпітера та його супутників. Шотландський учений Джеймс Клерк Максвелл у своїх рівняннях, які об'єднали електрику та магнетизм, передбачив існування електромагнітних хвиль, що поширюються з фіксованою швидкістю — тією самою, яку виміряли для світла. Фізики вважали, що світло має поширюватися через світлоносний ефір, а його швидкість повинна залежати від руху ефіру. Експеримент Майкельсона — Морлі, створений для виявлення руху світла крізь ефір, дав нульовий результат. Майкельсон і Морлі встановили, що швидкість світла є сталою незалежно від руху джерела чи спостерігача. Поєднавши це з постулатом про однаковість законів фізики для всіх спостерігачів, які рухаються один відносно одного, Альберт Айнштайн дійшов висновку, що можна позбутися ефіру, якщо відмовитися від абсолютного часу. Його стаття 1905 року стала основою спеціальної теорії відносності.
Гокінг розглядає два важливі наслідки нової теорії. Перший — еквівалентність маси та енергії: вони пов'язані рівнянням . Це також означає, що жоден масивний об'єкт не може досягти швидкості світла (c = 3·108 м/с). Другий наслідок — докорінна зміна наших уявлень про «простір» і «час». Як приклад Гокінг наводить визначення основної одиниці довжини через час.
1915 року Айнштайн опублікував загальну теорію відносності, яка пояснює гравітацію як викривлення простору-часу. Матерія та енергія (зокрема світло) рухаються вздовж геодезичних ліній.
Розділ 3: Розширний Всесвіт
Гокінг описує, як фізики й астрономи обчислювали відносні відстані від Землі до зір. Вільям Гершель за допомогою зоряних черпків підтвердив, що зорі утворюють сплющену структуру — Чумацький Шлях. 1924 року Едвін Габбл використав залежність період — світність для цефеїд, щоб перетворити їх на стандартні свічки для вимірювання позагалактичних відстаней. За допомогою цього методу він показав, що спіральні туманності є іншими галактиками.
У 1929 році Габбл відкрив, що світло від більшості галактик зміщене до червоного краю спектра, а ступінь цього червоного зсуву прямо пропорційний відстані. На основі цього він дійшов висновку, що Всесвіт розширюється. Раніше цю можливість серйозно не розглядали. Айнштайн був настільки переконаний у статичності Всесвіту, що додав до своїх рівнянь космологічну сталу, щоб забезпечити рівновагу самогравітуючого Всесвіту. Багато астрономів також намагалися уникнути висновків загальної теорії відносності; помітним винятком був радянський фізик Олександр Фрідман.
1922 року Фрідман зробив два дуже прості припущення: Всесвіт однаковий у будь-якій точці (однорідність), а також однаковий у всіх напрямках, у яких ми дивимося (ізотропія). Із цього випливало, що Всесвіт не є статичним. Підтвердження з'явилося, коли двоє фізиків із Лабораторій Белла, Арно Пензіас і Роберт Вільсон, виявили мікрохвильове випромінювання, що надходило з усіх частин неба. Приблизно в той самий час Роберт Дікке і Джеймс Піблс стверджували, що реліктове випромінювання від раннього Всесвіту можна буде виявити в мікрохвильовому діапазоні. Саме це й відкрили Пензіас і Вільсон.
У 1965 році Роджер Пенроуз використав загальну теорію відносності, щоб довести, що колапс зорі може призвести до виникнення сингулярності. Гокінг і Пенроуз спільно довели, що Всесвіт мав виникнути із сингулярності. Пізніше Гокінг стверджував, що це може бути не так, якщо врахувати квантові ефекти.
Розділ 4: Принцип невизначеності Далі Гокінг обговорює погляди французького математика XIX століття Лапласа на науковий детермінізм, згідно з якими закони природи мали б давати змогу точно передбачити майбутнє Всесвіту. Тріщина в класичній фізиці з'явилася через ультрафіолетову катастрофу: за розрахунками британських учених лорда Релея та Джеймса Джинса, гаряче тіло мало б випромінювати нескінченну кількість енергії. 1900 року Макс Планк уникнув ультрафіолетової катастрофи, запропонувавши, що енергія може поглинатися або випромінюватися лише дискретними порціями — квантами.
Гокінг розглядає принцип невизначеності Вернера Гайзенберга, згідно з яким швидкість і положення частинки неможливо точно визначити одночасно через квантову гіпотезу Планка: що точніше ми вимірюємо швидкість, то менш визначеним стає положення частинки, і навпаки. Це спростувало ідею Лапласа про цілком детерміновану теорію Всесвіту. Гокінг описує створення квантової механіки Гайзенбергом, Ервіном Шредінгером і Полем Діраком. Ця теорія внесла в науку неусувний елемент непередбачуваності й, попри рішучі заперечення Айнштайна, виявилася надзвичайно успішною для опису Всесвіту на малих масштабах.
Гокінг пояснює, як принцип невизначеності Гайзенберга приводить до корпускулярно-хвильового дуалізму світла (і частинок загалом). Він описує явище інтерференції, коли кілька світлових хвиль взаємодіють між собою й утворюють одну хвилю з властивостями, відмінними від властивостей окремих складових хвиль, а також інтерференцію частинок, прикладом якої є двощілинний експеримент. Гокінг пише, що метод підсумовування за історіями американського вченого Річарда Фейнмана є зручним способом уявлення квантової поведінки. Гокінг пояснює, що загальна теорія відносності Айнштайна є класичною, а не квантовою теорією, оскільки вона ігнорує принцип невизначеності, і тому її потрібно узгодити з квантовою теорією в ситуаціях, де гравітація дуже сильна, наприклад у сингулярності.
Розділ 5: Елементарні частинки та сили природи Гокінг простежує історію досліджень природи речовини: від чотирьох елементів Арістотеля та неподільних атомів Демокріта до ідеї Джона Дальтона про поєднання атомів у молекули, відкриття електрона Джозефом Томсоном, дослідження атомного ядра Ернестом Резерфордом, відкриття нейтрона Джеймсом Чедвіком і, нарешті, винайдення Маррі Гелл-Манном теорії кварків, з яких складаються протони, нейтрони й інші адрони. Гокінг розглядає шість «ароматів» кварків (верхній, нижній, дивний, чарівний, найвищий і найнижчий) та три різні «кольори» кварків (червоний, зелений і синій). Далі він описує антикварки, яких у Всесвіті менше, ніж кварків, через розширення й охолодження Всесвіту. Гокінг вводить поняття спіну частинок. Частинки можна поділити на дві групи. Ферміони, або частинки речовини, мають спін 1/2. Ферміони підпорядковані принципу заборони Паулі Вольфганга Паулі: вони не можуть перебувати в одному й тому самому квантовому стані (наприклад, два протони зі «спіном угору» не можуть займати одне й те саме місце в просторі). Без цього правила атоми не могли б існувати. Бозони, або частинки-носії взаємодій, мають спін 0, 1 або 2 й не підпорядковуються принципу заборони Паулі.