Антиматерия. Материя, состоящая из античастиц.

Античастицы. Для каждого вида частиц существуют античастицы с противоположными свойствами, например, с противоположным знаком заряда (так, у электрона заряд отрицательный, у позитрона – антиэлектрона – положительный) или с другими характеристиками, которые мы не обсуждали в этой книге. Но античастицы, парные для фотонов и гравитонов, ничем не отличаются от самих этих частиц.

Атропный принцип. Отвечает на вопрос: почему вселенная, насколько мы можем ее наблюдать, до такой степени приспособлена к нашим нуждам? Суть принципа: будь вселенная устроена иначе, нас бы тут не было и некому было бы задать этот вопрос.

Бозоны. Частицы со спином, выражающимся в целых числах. Частицами-вестниками сил являются бозоны (глюоны, W⁺, W^-, W°, фотоны и гравитоны).

Виртуальные частицы. В квантовой механике – частицы, которые невозможно наблюдать напрямую, но существование которых подтверждается воздействием на другие частицы.

Водород. Самый легкий химический элемент. Ядро обычного атома водорода состоит всего из одного протона, на орбите кружит одинокий электрон. В ядрах звезд водород превращается в гелий.

Волновая функция вселенной. Хартл и Хокинг рассматривают вселенную словно квантовую частицу. Волновая функция вселенной в теории Хартла – Хокинга представляет все физически возможные теории вселенной. Если значение волновой функции для какой-то истории наиболее высоко, значит, эта история наиболее вероятна.

Волновая функция. В квантовой теории волновая функция описывает все возможные пути, по которым частица может перемещаться между двумя пунктами. Если значение волновой функции для данного маршрута достаточно велико, значит, этот путь наиболее вероятен.

Вторая космическая скорость. Скорость, необходимая для того, чтобы преодолеть силу притяжения массивного тела – например, Земли – и улететь в космос. Для Земли вторая космическая скорость составляет около 11 км/с. Для побега из черной дыры требуется скорость, слегка превышающая скорость света.

Второй закон термодинамики. Энтропия, мера хаоса, в изолированной системе только возрастает, никогда не убывает. При объединении двух систем возникает энтропия, равная сумме энтропий двух систем или большая.

Гамма-лучи. Электромагнитное излучение с очень короткой длиной волны.

Гелий. Второй элемент таблицы Менделеева. В ядре атома гелия находятся два протона и либо один нейтрон, либо два. Вокруг ядра вращаются два электрона.

Гипотеза об отсутствии граничных условий. Предположение, что вселенная конечна, но не имеет границ (в мнимом времени).

Глюон. Частица-вестник, передающая сильное взаимодействие от кварка к кварку и удерживающая вместе кварки протонов и нейтронов в ядре атома. Глюоны взаимодействуют также и между собой.

Голая сингулярность. Сингулярность, не скрытая горизонтом событий.

Гомогенный. Одинаковый с виду по качеству в любой точке.

Горизонт событий. Граница черной дыры, расстояние от ее центра, на котором космическая скорость превышает скорость света. Эта граница обозначена колеблющимися фотонами, которые, поскольку они двигаются со скоростью света, не падают в черную дыру, но не могут и ускользнуть. Свет, излучаемый изнутри черной дыры, в нее же и возвращается. Чтобы рассчитать радиус горизонта событий, нужно умножить солярную массу черной дыры (солярная масса равна массе звезды, которая в результате коллапса превратилась в черную дыру – если только звезда не потеряла часть массы на начальной стадии коллапса) на три – и получится результат в километрах. Так, при десятикратной солярной массе горизонт событий окажется на расстоянии 30 километров от центра черной дыры. Если изменится масса, изменится и радиус горизонта событий, то есть размер черной дыры.

Гравитационный радиус. Фотоны, находящиеся внутри этого радиуса, не могут вырваться из черной дыры в открытый космос. Это почти то же самое, что горизонт событий, хотя оба термина употребляются автономно. Чтобы вычислить гравитационный радиус в километрах, солярную массу черной дыры нужно умножить на три.

Гравитация. Одна из четырех природных сил, самая слабая. Гравитация всегда притягивает тела друг к другу, никогда не отталкивает и может действовать на чрезвычайно больших расстояниях.

Гравитон. Частица-вестник, переносящая гравитационное взаимодействие между всеми частицами во вселенной, включая и сами гравитоны. Непосредственно наблюдать их не удавалось.

Граничные условия. Вселенная в момент начала, когда еще не прошло ни мгновения. И другой “край” – конец вселенной или центр черной дыры.

Детерминизм. Теория о полной предсказуемости, предопределенности будущего настоящим.

Длина волны. Расстояние от гребня волны до гребня следующей волны.

Длина Планка. Считается наименьшей рациональной мерой длины – 10^–33 см.

Единая теория поля. Теория, объясняющая все четыре природные силы как разные проявления единой “сверхсилы”. Эта теория также объединяет в одно семейство фермионы и бозоны.

Излучение Хокинга. Излучение черной дыры, понимаемое с учетом квантовых взаимодействий. Можно представить себе это явление как взаимодействие виртуальной пары элементарных частиц поблизости от горизонта событий: одна частица падает в черную дыру, а другая в результате освобождается и улетает в космос.

Изотропный. Одинаковый с виду во всех направлениях.

Инфляционная модель вселенной. Модель, в которой ранняя вселенная проходит через краткий период стремительного расширения.

Искривление пространства-времени. Общая теория относительности Эйнштейна объясняет гравитацию как эффект присутствия в пространстве-времени большой массы или энергии: как будто эластичная поверхность прогибается, собирается в складки оттого, что на ней лежат грузы разного размера и массы.

Квантовая гравитация. Научная теория, которая сумеет объединить общую теорию относительности с квантовой механикой. В настоящее время мы такой теорией не располагаем.

Квантовая механика, или квантовая теория. Созданная в 1920-е годы теория для описания самых малых частиц – размером с атом и меньше. Согласно этой теории, свет, рентгеновские лучи и другие волны излучаются и поглощаются только определенными порциями – квантами. Так, квантом света является фотон, и меньших “упаковок”, чем фотон, для света нет. Нельзя получить полфотона или один фотон с четвертью. В квантовой теории энергия “квантуется”. В теорию входит принцип неопределенности.

Квантовая кротовая нора. Кротовая нора невообразимо малого размера (см. также кротовая нора).

Квантовые флуктуации. Постоянное появление и исчезновение виртуальных частиц в пространстве, которое мы воспринимаем как пустое (вакуум).

Кварки. Основные частицы (то есть они не делятся на меньшие), в группах по три составляют протоны и нейтроны. В группах по два (кварк и антикварк) составляют мезоны.

Классическая физика. Физика без учета квантовой механики.

Космологическая константа. Альберт Эйнштейн ввел в общую теорию относительности “космологическую константу” как противовес гравитации. Без такой поправки теория предсказывала, что вселенная будет либо расширяться, либо сжиматься, а оба варианта Эйнштейна не устраивали. Позднее он отзывался о космологической константе как о “величайшей ошибке” своей жизни. Теперь этим же термином обозначается плотность энергии.

Космологическая стрела времени. Направление времени, в котором вселенная расширяется.

Космология. Исследования крупнейших объектов вселенной и самой вселенной как целого.

Кротовая нора. Туннель или ход в пространстве-времени, выходящий, возможно, в иную вселенную или в иные места (или время) нашей вселенной.

Микроволновое излучение. Электромагнитное излучение с длиной волн большей, чем у видимого света, и меньшей, чем у радиоволн. Микроволновое излучение, как и всякое излучение электромагнитного спектра, состоит из фотонов. Фоновое микроволновое излучение, обнаруживаемое во вселенной, служит доказательством в пользу модели Большого взрыва.

Мнимое время. Время, измеряемое в мнимых числах.

Мнимые числа. Квадратные корни из отрицательных чисел. Так, мнимая двойка в квадрате даст минус четыре. Квадратный корень из минус девяти – мнимая тройка.

Начальные условия. Граничные условия в начале вселенной, до того, как прошло сколько-то времени.

Нейтрон. Одна из частиц в составе атомного ядра. Нейтроны не имеют электрического заряда. Каждый нейтрон состоит из трех меньших частиц – кварков.

Нейтронная звезда. Последняя стадия существования звезды, слишком массивной, чтобы превратиться в белый карлик, но недостаточно массивной, чтобы стать черной дырой.

Общая теория относительности Эйнштейна (1915). Теория гравитации, в которой сила всемирного тяготения понимается как искривление четырехмерного пространства-времени в присутствии массы или энергии. Из общей теории относительности вытекает ряд уравнений, которые позволяют вычислить степень кривизны в зависимости от распределения массы или энергии. К этой теории прибегают для описания гравитации на уровне больших объектов вселенной.

Оптический телескоп. Телескоп, передающий образы звезд и галактик в электромагнитном спектре, доступном человеческому зрению.

Парадокс с дедушкой. Парадокс, возникающий при путешествии в прошлое: если путешественник помешает дедушке с бабушкой произвести на свет кого-то из его родителей, то тем самым он предотвратит собственное рождение.

Пары частиц. Пары частиц возникают все время и повсеместно в вакууме. Обычно они считаются виртуальными, они живут очень недолго и не могут быть обнаружены напрямую – только по своему влиянию на другие частицы. За долю секунды частицы образовавшейся пары должны вновь соединиться и аннигилировать.

Первичная черная дыра. Крошечная черная дыра, возникшая не в результате коллапса звезды, а от сдавливания материи на раннем этапе существования вселенной. По мнению Хокинга, среди них попадаются весьма интересные экземпляры: размером с ядро атома, а массой в миллиард тонн.

Перенормировка. Процесс устранения бесконечных величин из теории. Для этого вводятся другие бесконечные величины, и затем они взаимно сокращаются.

Позитрон. Античастица, парная к электрону, с положительным зарядом.

Принцип неопределенности Гейзенберга. В квантовой механике невозможно одновременно точно измерить и позицию, и движение частицы. Также невозможно одновременно точно измерить величину поля и скорость его изменения во времени.

Принцип неопределенности. Нельзя одновременно с точностью установить позицию частицы и характер ее движения. Чем точнее замеряешь одну величину, тем менее точно удастся замерить другую. Также нельзя одновременно точно измерить величину поля и скорость его изменения. Есть и другие пары величин с такими же свойствами. Принцип неопределенности был открыт немецким физиком Вернером Гейзенбергом, и полное его название – Принцип неопределенности Гейзенберга.

Произвольные элементы. Элементы или явления, не предсказываемые теорией, но наблюдаемые в опыте. Например, инопланетянин, никогда не видавший нашей вселенной, не может воспользоваться какой-либо из имеющихся у нас на данный момент теорий и вывести из нее массы и заряды элементарных частиц – это произвольные элементы теорий.

Пространство-время. Три измерения пространства плюс время.

Протон. Одна из частиц, составляющих ядро атома. Протоны обладают положительным зарядом. Каждый протон состоит из трех меньших частиц – кварков.

Психологическая стрела времени. Повседневное ощущение хода времени от прошлого к будущему.

Пульсар. Нейтронная звезда, которая вращается на большой скорости и посылает регулярные импульсы радиоволн.

Радиоактивность. Спонтанное превращение атомного ядра одного элемента в ядро другого.

Радиоволны. Электромагнитные волны с большей длиной волны, чем у видимого света. Частицами радиоволн, как и любых других излучений электромагнитного спектра, являются фотоны.

Радиус. Кратчайшее расстояние от центра круга или шара до окружности или поверхности.

Сверхновая звезда. Возникает в результате взрыва – все ее вещество, кроме внутреннего ядра, уносится в космос и служит материалом для образования новых звезд и планет.

Силы природы. Четыре основных способа взаимодействия частиц. В порядке от наиболее сильного к наиболее слабому: сильные ядерные взаимодействия, слабые ядерные взаимодействия, электромагнитная сила и гравитация.

Сильные ядерные взаимодействия. Самая сильная из четырех природных сил. Она удерживает кварки в протонах и нейтронах, отвечает за связь протонов и нейтронов в ядре. Частицами-вестниками (бозонами) сильных ядерных взаимодействий служат глюоны.

Сингулярность. Точка пространства-времени, в которой искривление пространства-времени становится бесконечным. Плотность точки равна бесконечности. Некоторые теории предсказывают сингулярность в центре черной дыры или в начале либо в конце вселенной.

Сингулярность Большого взрыва. Сингулярность в начале вселенной.

Скорость. Быстрота перемещения тела в пространстве из одной точки в другую.

Слабые ядерные взаимодействия. Одна из четырех основных сил природы. Частицами-вестниками (бозонами) слабых ядерных взаимодействий служат W⁺, W^- и Z⁰. Слабые взаимодействия отвечают за радиоактивность – конкретно за так называемые бета-лучи атомных ядер.

Событие. Точка в пространстве-времени, определяемая положением в пространстве и во времени, как показано на графиках пространства-времени.

Солярная масса. Масса нашего Солнца.

Сохранение энергии. Закон физики, гласящий, что энергия (или эквивалентная ей масса) не может быть ни создана, ни уничтожена безвозвратно.

Специальная теория относительности Эйнштейна (1905). Новая концепция пространства и времени, предложенная Эйнштейном. Эта теория основана на вере в то, что действие законов физики должно восприниматься одинаково всеми свободно движущимися наблюдателями независимо от скорости перемещения: скорость света остается неизменной, какой бы ни была скорость замеряющего ее наблюдателя.

Супергравитация N=8. Теория, пытавшаяся объединить все частицы, как бозоны, так и фермионы, в суперсимметричном семействе, а также объединить все силы. Эту теорию Хокинг выдвинул в Лукасовской лекции 1980 года в качестве кандидата на звание теории всего.

Темная энергия. Таинственная энергия, составляющая до 73 % вселенной. Именно из-за нее, как полагают, в настоящее время расширение вселенной ускоряется.

Теория всего. Теория, которая сможет объяснить вселенную и все, что в ней происходит.

Теория всемирного тяготения Ньютона. Каждое тело во вселенной притягивается к другому телу силой, которая возрастает пропорционально массе этих тел и убывает пропорционально квадрату расстояния между ними.

Теория суперструн. Теория, рассматривающая основные объекты вселенной не как частицы-точки, но как крошечные струны или петли. Это основной кандидат на роль теории, которая объединит силы и частицы.

Теория электрослабых взаимодействий. Теория, разработанная в 1960-х Абдусом Саламом из Имперского колледжа (Лондон) и Стивеном Вайнбергом и Шелдоном Глэшоу из Гарварда. Теория объединила электромагнитную силу и слабое взаимодействие.

Термодинамическая стрела времени. Энтропия (беспорядок) со временем нарастает.

Фермион. При чтении этой книги следует помнить, что частицы обычной материи (составные части атома, то есть электроны, нейтроны, протоны) принадлежат к классу фермионов и, как все фермионы, обмениваются вестниками-бозонами. Более специальное определение фермиона – частица с полуцелым спином, подчиняющаяся принципу запрета Паули. Этим определением мы в книге не пользуемся.

Фотон. Частица-вестник электромагнитных взаимодействий. На уровне нашего восприятия фотоны проявляют себя как видимый свет и как все другие виды излучения электромагнитного спектра, такие как радиоволны, микроволны, рентгеновские лучи и гамма-лучи. Фотоны имеют нулевую массу и движутся со скоростью света.

Фрактал. Геометрический узор, любая часть которого совпадает с целым.

Частота. Для фотона – частота колебаний электромагнитного поля, к которому он принадлежит. Для этой книги достаточно знать, что большей частоте соответствует большая энергия фотона.

Черная дыра. Область пространства-времени, имеющая форму сферы (или слегка раздувшейся сферы, если речь идет о вращающейся черной дыре), недоступная для наблюдателя, поскольку сила притяжения там настолько велика, что из черной дыры не выходит свет (и ничто другое). Таково было “классическое” определение черной дыры. Хокинг доказал, что черные дыры все же излучают энергию и не вполне “черны” (см. также Первичные черные дыры).

Электромагнитная сила. Одна из четырех основных сил, действующих во вселенной. Она заставляет электроны вращаться вокруг ядра атома. На уровне человеческого восприятия она проявляется как свет и другие виды электромагнитного излучения, например, как радиоволны, микроволны, рентгеновские и гамма-лучи. Частицей-вестником (бозоном) электромагнитной силы является фотон.

Электромагнитное взаимодействие. Взаимодействие, в котором один электрон испускает фотон, а другой электрон его поглощает.

Электромагнитное излучение. Все формы излучения, составляющие электромагнитный спектр, как то: радиоволны, микроволны, видимый свет, рентгеновские и гамма-лучи. Любое электромагнитное излучение состоит из фотонов.

Элементарная частица. Частица, которая, как мы считаем, не состоит из более мелких частиц и не может разделиться.

Энергия вакуума. Энергия пространства, которое мы считаем пустым.

Энтропия. Мера беспорядка в системе. Второй закон термодинамики постулирует, что энтропия всегда нарастает и никогда не убывает. Вселенная как целое или любая изолированная система никогда не станет более упорядоченной, чем сейчас.

Ядро. Центральная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов, которые, в свою очередь, состоят из кварков. Ядро удерживается сильными (ядерными) взаимодействиями.