Interpretación de "Una breve historia del tiempo"

Esta reseña de libro interpreta un hito en los trabajos científicos mundiales, “Una breve historia del tiempo” del profesor Hawking (Stephen Hawking).

"Una breve historia del tiempo" es uno de los libros de divulgación científica más famosos y más vendidos del mundo. Después de su publicación en 1988, apareció en la lista de los más vendidos durante 237 semanas consecutivas, es decir, cuatro años y medio, estableciendo un récord de mayor venta sin precedentes. El libro ha sido traducido a más de 40 idiomas y ha sido traducido a más de 40 idiomas. imprimió más de 10 millones de copias, lo que significa que en promedio cada 700 personas en el mundo poseen una copia de "Una breve historia del tiempo", por lo que uno de los estudiantes del profesor Hawking dijo en broma: "El libro de divulgación científica del profesor Hawking es mejor que el de Madonna. libro sobre sexo." Fácil de vender. "

En los últimos años, han aparecido muchos libros llamados "Una breve historia de todo", como "Una breve historia de todo", "Una breve historia de Humanidad", "Una breve historia del futuro", etc. "Una breve historia del tiempo" del profesor Hawking fue pionera en este método de denominación.

El libro "Una Breve Historia del Tiempo" no es muy grueso, con sólo más de 200 páginas y cientos de miles de palabras, pero el contenido que abarca el libro es muy extenso, desde la teoría de la relatividad. hasta la mecánica cuántica, desde el universo Desde la expansión hasta las partículas elementales, desde los agujeros negros hasta los agujeros de gusano, el profesor Hawking los presentó todos. Entonces, después de leer este libro, tendrá una comprensión más profunda de nuestro mundo y universo.

Pero, para ser honesto, el libro "Una breve historia del tiempo" no es muy amigable para la gente común: es demasiado difícil. Porque el profesor Hawking solo dio una introducción muy breve a muchos conceptos de física, y algunos de ellos incluso se mencionaron brevemente. Las personas sin una cierta base en conocimientos de física pueden no entender de qué está hablando el profesor Hawking. Una organización ha realizado una encuesta. Muchas personas que han leído "Una breve historia del tiempo" han olvidado todo el contenido, excepto los chistes y la historia mencionados en el primer capítulo, y no lo han leído en Kindle. "El progreso de lectura promedio de "Una breve historia del tiempo" es solo 6, lo que significa que muchas personas compraron "Una breve historia del tiempo" pero se dieron por vencidos después de leer el primer capítulo.

Así que me animé y traté de explicaros la esencia de "Una breve historia del tiempo" y la contribución del profesor Hawking al estudio del universo. Porque cuando el profesor Hawking encargó a sus dos estudiantes chinos que tradujeran "Una breve historia del tiempo" al chino, dijo una vez: "Espero que una quinta parte de la población mundial comprenda mi investigación".

Profesor Hawking cree que su contribución académica más importante es el estudio de las singularidades y los agujeros negros, por lo que en esta interpretación divido las teorías importantes del profesor Hawking en tres partes en orden cronológico: —

Primero, el profesor Hawking y el profesor Penrose demostró el famoso teorema de la singularidad, que está relacionado con la teoría general de la relatividad y la expansión del universo.

A continuación, el profesor Hawking propuso el modelo de universo sin límites que cree que el universo no tiene fronteras, ni principio ni principio; final, lo cual es un desafío a Dios;

Finalmente, el profesor Hawking demostró que los agujeros negros también pueden emitir radiación, y esta radiación se conoce como radiación de Hawking.

Hablemos primero de lo que demostraron el teorema de la singularidad del profesor Hawking y el profesor Penrose.

Antes del siglo XX, la gente siempre había asumido que el universo era estacionario. Aunque la ley de gravitación universal de Newton había establecido que diferentes objetos se atraerían entre sí, la gente todavía inventó varios métodos para mantener la idea. que el universo es estático, incluso el gran dios Einstein tropezó con este tema.

Einstein publicó la teoría general de la relatividad en 1915, proponiendo que el espacio y el tiempo pueden curvarse. Según las ecuaciones de Einstein, el universo no es estático, pero Einstein creía que esto debía deberse a algo equivocado. . Entonces Einstein añadió a la fuerza una "constante cosmológica" a sus ecuaciones. De esta manera, según las ecuaciones modificadas, el universo se volvió estacionario.

Pero en la década de 1920, cuando los científicos observaban otras estrellas, descubrieron que muchas estrellas habían experimentado un fenómeno llamado "corrimiento al rojo", lo que significaba que estas estrellas se estaban alejando de la Tierra, como se pensaba originalmente. que el movimiento de estas estrellas era aleatorio, es decir, algunas estrellas se alejan cada vez más de nosotros, pero otras se acercan cada vez más a nosotros.

Pero en 1929, el astrónomo estadounidense Hubble (el mismo Hubble que dio nombre al telescopio Hubble) descubrió que la gran mayoría de las estrellas se están alejando de la Tierra, y estas estrellas están cada vez más lejos de la Tierra. Cuanto más lejos están, más rápido se alejan de la Tierra.

¿Qué significa esto? Déjame darte un ejemplo:

Si tomas un globo, dibuja algunos puntos con un bolígrafo de acuarela en diferentes lugares de la superficie del globo y luego infla el globo a medida que el globo se hace más grande. y más grande, dibujas La distancia entre esos puntos será cada vez mayor, y cuanto más lejos estén los dos puntos, más rápido se alejarán el uno del otro.

Este globo es en realidad equivalente a nuestro universo. Los puntos del globo son equivalentes a la tierra y otras estrellas. La mayoría de las estrellas se están alejando cada vez más de la tierra. en expansión.

Después de que Einstein se enteró del resultado de esta observación, descubrió que la constante cosmológica que agregó a la fuerza a la ecuación era completamente redundante. El universo no era estático, sino que en realidad se estaba expandiendo, por lo que el amor Einstein dijo más tarde: "Lo cosmológico. constante fue el error más grande que cometí en mi vida."

Tras descubrir la expansión del universo, los científicos encontraron un nuevo modelo para describir el universo en expansión basado en la teoría general de la relatividad de Einstein. Este es el Modelo de Friedmann.

Los científicos han descubierto que en el modelo del universo de Friedman, si avanzamos en el tiempo, el universo se reducirá. Si retrocedemos a hace 15 mil millones de años, la distancia entre todas las galaxias será 0. , como si el universo entero estuviera comprimido en un punto.

Este punto se llama singularidad. Es el comienzo del espacio y el tiempo en el universo.

Las propiedades de un punto singular son muy especiales. Nos resulta difícil imaginar intuitivamente qué es, pero mediante cálculos matemáticos podemos saber que el volumen de un punto singular es infinitamente pequeño, el grado de. la curvatura es infinita y la densidad también es infinita.

Hay muchos infinitesimales e infinitesimales, pero las matemáticas en realidad no tienen forma de manejar realmente los cálculos de infinitesimales e infinitesimales. Esto significa que aunque el modelo del universo de Friedman se basa en la teoría generalizada. de la relatividad, pero todas las teorías físicas, incluida la relatividad general, fallan en la singularidad.

Por ello, el profesor Hawking afirmó que la aparición de singularidades demuestra que la relatividad general es sólo una teoría incompleta. Porque falló en el principio mismo del universo.

Ahora que entendemos qué es la singularidad, echemos un vistazo a ¿qué contribución hizo el profesor Hawking en este proceso de investigación? ¿Cómo ve la singularidad?

Cuando se propuso por primera vez la teoría de la singularidad, no todos los físicos estaban de acuerdo con esta afirmación. Según el profesor Hawking, el propio Einstein no creía en esta afirmación. Stein cree que si adelantamos el tiempo, no aparecerán galaxias diferentes. chocan entre sí, pero quedarán exactamente escalonados.

Pero cuando el profesor Hawking leyó algunas investigaciones relacionadas del profesor Penrose, se dio cuenta de que debía establecerse la teoría de la singularidad.

Después de varios años de arduo trabajo, el profesor Hawking y el profesor Penrose utilizaron rigurosos métodos matemáticos para demostrar que si la teoría general de la relatividad es correcta, y efectivamente hay tantas estrellas, galaxias, etc. en el universo como hemos observado, materia, entonces el universo debe haber nacido en una singularidad hace mucho tiempo. Esta singularidad es el comienzo del universo.

Esta teoría ahora se llama teorema de singularidad de Penrose-Hawking.

Inicialmente, muchas personas no estaban dispuestas a aceptar la conclusión de la investigación del profesor Hawking porque no les gustaba la idea de que el universo tuviera un comienzo. Otros creían que esta conclusión violaba el determinismo científico y arruinaba la teoría general de la relatividad. pero no hay manera, porque el profesor Hawking no sólo dijo tonterías, sino que tenía los pies en la tierra y utilizó cálculos matemáticos para demostrar este resultado. Las matemáticas no pueden mentirle a la gente y la gente no puede discutir las leyes matemáticas.

Así que ahora, les guste o no, casi todos los físicos admiten que nuestro universo efectivamente nació en una singularidad.

Decimos que demostrar el teorema de la singularidad es una de las mayores aportaciones científicas del profesor Hawking, sin embargo, posteriormente, el profesor Hawking cambió de opinión y propuso el modelo del universo ilimitado, creyendo que el universo no necesita nacer en. En medio de la singularidad.

Entonces, a continuación, echemos un vistazo a ¿qué tiene de especial el modelo de universo ilimitado propuesto por el profesor Hawking?

Como mencionamos anteriormente, el profesor Hawking y el profesor Penrose demostraron el teorema de la singularidad. Después de eso, casi todos los físicos admitieron que nuestro universo nació en una singularidad. ¡El momento del nacimiento se llama Big Bang!

La teoría del Big Bang es actualmente el modelo más convencional que describe el origen del universo. Echemos un vistazo ahora al modelo del Big Bang, que describe el momento del origen del universo:

En el momento del Big Bang, el volumen del universo era 0 y la temperatura era infinitamente alta. eso, el universo comenzó a expandirse rápidamente y la temperatura comenzó a reducirse;

Un segundo después del Big Bang, la temperatura del universo bajó a 10 mil millones de grados, que es probablemente la temperatura más alta que puede alcanzarse. alcanzarse cuando explota una bomba de hidrógeno;

Cien millones de grados después del Big Bang Segundos después, la temperatura del universo siguió bajando a mil millones de grados, y los protones y neutrones comenzaron a combinarse para formar átomos núcleos;

Después de eso, la temperatura del universo continuó bajando y continuó expandiéndose. Un millón de años después, la temperatura del universo bajó a varios miles de grados y los átomos comenzaron a formarse;

A medida que la temperatura del universo siguió bajando, comenzaron a formarse estrellas, galaxias y otros materiales;

Ahora, 15 mil millones de años después, el universo se ha expandido muchas, muchas veces y la temperatura ya es muy bajo.

La temperatura actual del universo es sólo un poco superior al cero absoluto, pero la energía del Big Bang aún permanece en varios lugares del universo, y todavía podemos observarlo los científicos lo llaman microondas. radiación de fondo, como si estuviera lleno de ruido de fondo cósmico.

Aunque la teoría del Big Bang suena misteriosa y un poco increíble, es consistente con nuestra evidencia observacional actual, por lo que ha sido ampliamente aceptada por los físicos.

Sin embargo, esta teoría todavía avergüenza un poco a muchos físicos. Verás, según mi descripción anterior, puedes sentir que el big bang es la singularidad del universo. Entonces, en el universo toda la materia, incluso. El espacio y el tiempo, sólo aparecieron después del Big Bang. Cualquier evento anterior al Big Bang no tiene significado para nosotros, o no existe en absoluto. En otras palabras, el espacio y el tiempo del universo no son infinitos. Límite especial y comienzo. Este comienzo es la Singularidad del Big Bang.

Pero el problema es, como mencionamos antes, que la singularidad del Big Bang es una existencia muy especial. Aquí, todas las leyes de la física fallan y la gente simplemente no sabe cómo salir de esta singularidad. Algo surgirá del punto. Entonces, ¿cómo surgieron ahora las leyes que sigue el universo? ¿Quién establece estas reglas?

¿Es realmente Dios?

Dado que los científicos aún no han explicado completamente este problema, sólo queda un rayo de esperanza para la comunidad religiosa.

El profesor Hawking recordó que en 1981, el Papa invitó a muchos científicos y celebró una conferencia de cosmología. Después de los discursos de los científicos, el Papa dijo que en varias historias después del Big Bang, todas pueden estudiar las leyes. pero ustedes, los científicos, no deberían estudiar el momento del Big Bang, porque ese fue el momento en que nacieron todas las cosas, y eso fue asunto de Dios.

El profesor Hawking también pronunció un discurso en esta conferencia. El tema del discurso fue el modelo del universo ilimitado. Después de escuchar las palabras del Papa, el profesor Hawking murmuró en su corazón: “Parece que el Papa no lo hizo. ¡Entiende de qué estoy hablando!”

Porque en este momento, el modelo de universo sin límites propuesto por el profesor Hawking significa que el universo no tiene principio ni momento de nacimiento, por lo que no hay lugar para Dios. en absoluto.

¿Por qué dijo esto el profesor Hawking?

Echemos un vistazo a de qué se trata el modelo del universo ilimitado.

Cuando mencionamos el teorema de la singularidad y el modelo del Big Bang antes, siempre tuvimos una premisa, es decir, la teoría general de la relatividad es correcta.

Pero esta premisa puede no ser sostenible. Esto no significa que la relatividad general esté equivocada, sino que es una teoría incompleta que no se combina con la mecánica cuántica.

En el siglo XX, los dos descubrimientos más importantes de la física son también las dos teorías más básicas de la física actual, que son la teoría de la relatividad y la teoría cuántica.

En términos generales, la relatividad se ocupa del ámbito macroscópico, como el movimiento de las galaxias, mientras que la mecánica cuántica se ocupa del ámbito microscópico, como el movimiento de las partículas. Al estudiar teorías generales, estos dos conjuntos de El sistema es. como agua en un pozo pero no en el río.

Pero el profesor Hawking cree que a la hora de estudiar la Singularidad del Big Bang es necesario combinar la teoría de la relatividad y la mecánica cuántica. Cree que el Teorema de la Singularidad ya ha explicado que en la Singularidad del Big Bang, en extremo. En estos casos, la relatividad general ya no puede describir bien el universo. En este momento, se deben tener en cuenta los efectos cuánticos.

Basándonos en la relatividad general, sólo hay dos posibilidades para el universo, o tiene un tiempo infinito, o tiene un comienzo como una singularidad del big bang. Sin embargo, si se introduce la mecánica cuántica, A. Aparecerá una nueva posibilidad, es decir, un universo finito e ilimitado.

Finito e ilimitado significa que el espacio y el tiempo del universo son finitos, pero no tienen fronteras. ¿Suena un poco mareado? ¿Un poco contradictorio? Déjame darte un ejemplo y lo entenderás fácilmente:

Usemos la Tierra como analogía. Nuestra Tierra es un planeta finito. Sabemos su diámetro y tamaño, pero la Tierra no tiene límites ni límites. principio, si continúas caminando sobre la tierra, nunca alcanzarás el límite de la tierra, y mucho menos caerás fuera de la tierra. Por tanto, la Tierra es un planeta finito e ilimitado.

El modelo de universo sin límites del profesor Hawking es un universo de cuatro dimensiones en el que el espacio y el tiempo están entrelazados. En este universo, el espacio y el tiempo son como la superficie de la tierra, que tiene un alcance limitado, pero existe. no se forma un límite y no se forma ninguna singularidad. Cada punto en el espacio y el tiempo es como un cierto punto en la tierra. No hay nada especial. Las leyes de la ciencia son aplicables en cualquier punto del espacio y el tiempo. el colapso no ocurrirá.

En el modelo de universo ilimitado, el universo no tiene una singularidad especial y no es necesario que Dios especifique una ley especial. Según el profesor Hawking, este universo es completamente autosuficiente y no la tiene. Se verá afectado por cualquier cosa externa y no hay momento de creación y desaparición. De esta manera, este universo no necesita que Dios lo cree.

Cabe señalar que el propio profesor Hawking ha enfatizado repetidamente que el modelo del universo sin límites es actualmente solo una idea, lo que es equivalente a su propia opinión. El modelo del universo convencional actual sigue siendo el modelo del Big Bang.

Por supuesto, el modelo del universo sin límites no es solo una tontería, es un intento de combinar la teoría de la relatividad y la mecánica cuántica, y también es una teoría científica que puede ser probada.

Las dos teorías anteriores están todas relacionadas con el Big Bang y la singularidad. Además de este campo, la otra contribución académica más importante del profesor Hawking es el estudio de los agujeros negros. El profesor Hawking se lanzó al estudio de los agujeros negros. ¿Por qué dijo que los agujeros negros no son tan negros?

Echemos primero un vistazo a qué es un agujero negro.

Esto parte del principio de las estrellas. Todos sabemos que la materia generará fuerza gravitacional, y cuanto mayor es la masa del objeto, mayor es la fuerza gravitacional de las estrellas como el sol, que tiene una fuerza muy fuerte. atracción gravitacional. Una estrella tendrá tendencia a colapsar hacia adentro bajo la influencia de su propia gravedad. Entonces, si este es el caso, ¿por qué el Sol sigue siendo tan grande después de tantos años? ¿Por qué no colapsó más pequeño debido a la gravedad interna?

Esto se debe a que, dentro del sol, hay una fuerza de apoyo que puede equilibrar la gravedad. La temperatura dentro del sol es muy alta, y los átomos de hidrógeno con número atómico 1 se combinarán si chocan violentamente. , forman átomos de helio con número atómico 2. Durante este proceso, se liberará una enorme energía (fusión nuclear), que equivale a innumerables bombas de hidrógeno dentro del sol, en constante explosión, lo que proporcionará al sol una fuerza repulsiva de apoyo. De esta manera, cuando la gravedad y la fuerza de apoyo del sol se equilibran entre sí, la estrella puede permanecer estable, por lo que el sol no ha colapsado hasta ahora.

Entonces surge el problema. El soporte interno de la estrella está sostenido por estas "materias primas nucleares", pero estas materias primas se quemarán tarde o temprano. Una vez quemadas, la estrella se quemará. gravedad, continúa colapsando. ¿Qué pasará en este momento?

Existen varias posibilidades para el destino final de una estrella, si la masa de la estrella es relativamente pequeña, y colapsa hasta cierto punto, su gravedad acabará equilibrándose con la repulsión entre las partículas internas. y eventualmente se convertirá en estrella de neutrones o enana blanca, pero si la estrella es enorme, más grande que la mitad del Sol, entonces cualquier repulsión entre sus partículas internas no será suficiente para compensar la gravedad, y la estrella continuará colapsando y volviéndose extremadamente pequeño, un agujero negro extremadamente masivo.

Después de comprender los principios de formación de los agujeros negros mencionados anteriormente, las propiedades de los agujeros negros se pueden comprender fácilmente. La característica más importante de los agujeros negros es que tienen una gravedad extremadamente fuerte, siempre que cualquier material, incluida la luz. Al entrar en una determinada zona crítica, nunca será posible escapar del agujero negro. Si alguien se acerca al agujero negro, la enorme gravedad se estirará rápidamente y lo destrozará.

Si desde el exterior ni siquiera la luz puede escapar, entonces, por supuesto, el agujero negro es completamente negro, de ahí su nombre. Pero el problema es que la propiedad de los agujeros negros de atraer todo entra en conflicto con la segunda ley de la termodinámica. Según la segunda ley de la termodinámica, algo como un agujero negro debería tener temperatura, mientras haya temperatura, debería emitir radiación y las partículas no deberían ser una excepción. Pero, como se mencionó anteriormente, ni siquiera la luz puede escapar. gravedad de un agujero negro. ¿Por qué es posible que las partículas puedan escapar de un agujero negro?

De hecho, casi todos los físicos, incluido el profesor Hawking, estaban confundidos por esta pregunta. Sin embargo, utilizando la teoría cuántica, el profesor Hawking respondió con éxito a esta pregunta.

El profesor Hawking descubrió que los agujeros negros sí emiten partículas, pero estas partículas no escapan del agujero negro, sino que emergen del espacio vacío en el borde del agujero negro.

Para entender la afirmación del profesor Hawking, lo más importante es entender el Principio de Incertidumbre de Heisenberg en la teoría cuántica.

El Principio de Incertidumbre de Heisenberg dice que cuando medimos partículas, campos gravitacionales, campos electromagnéticos, etc., encontraremos que si medimos una de las cantidades físicas con mayor precisión, entonces más inexacta será la medición de otra. cantidad física, por ejemplo, cuanto más precisa sea la medida de la velocidad de una partícula, más confusa será su comprensión de la posición de la partícula. Es imposible para los humanos captar la posición precisa y la velocidad precisa de una partícula al mismo tiempo.

Según el principio de incertidumbre de Heisenberg, incluso un espacio vacío que parece no contener nada en realidad es ondulante a nivel microscópico. Piénselo, si hay un espacio que está completamente vacío, significa que la intensidad del campo gravitacional o del campo electromagnético es cero, y la tasa de cambio también es cero. Estas dos cantidades físicas se pueden captar con precisión al mismo tiempo. tiempo, esto es obviamente una violación del principio de incertidumbre de Heisenberg, es imposible.

Entonces, ¿qué está pasando en el espacio vacío? Es muy mágico. En el espacio vacío, en realidad se producen pares de partículas todo el tiempo. Para mantener la conservación de la energía, algunas de estas partículas tienen energía positiva y otras tienen energía negativa. .

Llegados a este punto, podemos echar un vistazo a lo que significa la explicación del profesor Hawking. El profesor Hawking propuso que, aunque el borde de un agujero negro parece estar vacío, en realidad está produciendo pares de partículas todo el tiempo. Las partículas con energía negativa serán absorbidas por el agujero negro, pero todavía quedan algunas partículas con energía positiva. escapar del borde de un agujero negro e ir a otra parte. Entonces, cuando nos paramos fuera del agujero negro y lo miramos, parece que el agujero negro emite constantemente estas partículas hacia afuera. Esta es la radiación de un agujero negro, también llamada radiación de Hawking.

Es precisamente por la existencia de esta radiación que el profesor Hawking dijo que los agujeros negros no son completamente negros.

La radiación de Hawking es una teoría muy valiosa en física, porque el nacimiento de un agujero negro se calcula usando la relatividad general, y la radiación de un agujero negro se explica usando la mecánica cuántica, es decir, la radiación de Hawking. Es un intento de combinar la relatividad general, la mecánica cuántica y la termodinámica, por lo que, aunque no se ha observado la radiación de Hawking, todavía tiene un alto valor teórico.

En este punto hemos terminado de hablar de la esencia de “Una breve historia del tiempo”, que es la aportación del profesor Hawking al estudio del universo.

Repasémoslo en su conjunto -

El primer punto del que hablamos es la teoría de la singularidad de Penrose-Hawking. Una singularidad es un punto con un volumen infinitamente pequeño, curvatura, densidad y gravedad infinitas. Las dos personas utilizaron métodos matemáticos rigurosos para demostrar que si la teoría general de la relatividad es correcta y de hecho hay tanta materia en el universo como observamos, entonces. El universo debe haber nacido en una singularidad;

El segundo punto del que hablamos es el modelo de universo ilimitado propuesto por el profesor Hawking. En el modelo actual del Big Bang, el universo tiene un punto de partida. la Singularidad del Big Bang, pero en el momento del Big Bang, todas las leyes de la física fallaron, por lo que los científicos todavía no pueden explicar por qué el universo debe ser como es ahora. Algunas personas dicen que ese fue el momento en que Dios creó. el mundo, por lo que no puede ser explicado por la ciencia. A diferencia del modelo del Big Bang, el profesor Hawking introdujo la mecánica cuántica en su modelo de universo sin límites, creyendo que el universo no tiene fronteras, por lo que no hay singularidades, ni principio ni fin. De esta manera, no hay necesidad de que Dios venga. El universo fue creado;

El tercer punto del que hablamos es sobre la investigación del profesor Hawking sobre los agujeros negros, que es la radiación de Hawking. El profesor Hawking propuso que los agujeros negros no son completamente negros. Además, según el principio de incertidumbre, el vacío en el borde de un agujero negro en realidad no está completamente vacío, sino que produce continuamente pares de partículas. absorbido por el agujero negro, pero algunas partículas escapan del borde del agujero negro. Esto es equivalente a que el agujero negro emita partículas hacia afuera. Este fenómeno es la radiación de Hawking.