A Brief History of Time

Stars with masses above the Chandrasekhar limit, on the other hand, have a big problem when they come to the end of their fuel. In some cases they may explode or manage to throw off enough matter to reduce their mass below the limit and so avoid catastrophic gravitational collapse, but it was difficult to believe that this always happened, no matter how big the star. How would it know that it had to lose weight? And even if every star managed to lose enough mass to avoid collapse, what would happen if you added more mass to a white dwarf 'or neutron star to take it over the limit? Would it collapse to infinite density? Eddington was shocked by that implication, and he refused to believe Chandrasekhar’s result. Eddington thought it was simply not possible that a star could collapse to a point. This was the view of most scientists: Einstein himself wrote a paper in which he claimed that stars would not shrink to zero size. The hostility of other scientists, particularly Eddington, his former teacher and the leading authority on the structure of stars, persuaded Chandrasekhar to abandon this line of work and turn instead to other problems in astronomy, such as the motion of star clusters. However, when he was awarded the Nobel Prize in 1983, it was, at least in part, for his early work on the limiting mass of cold stars.

Chandrasekhar realized, however, that there is a limit to the repulsion that the exclusion principle can provide. The theory of relativity limits the maximum difference in the velocities of the matter particles in the star to the speed of light. This means that when the star got sufficiently dense, the repulsion caused by the exclusion principle would be less than the attraction of gravity. Chandrasekhar calculated that a cold star of more than about one and a half times the mass of the sun would not be able to support itself against its own gravity. (This mass is now known as the Chandrasekhar limit.) A similar discovery was made about the same time by the Russian scientist Lev Davidovich Landau.

In fact, it is not really consistent to treat light like cannonballs in Newton’s theory of gravity because the speed of light is fixed. (A cannonball fired upward from the earth will be slowed down by gravity and will eventually stop and fall back; a photon, however, must continue upward at a constant speed. How then can Newtonian grav-ity affect light?) A consistent theory of how gravity affects light did not come along until Einstein proposed general relativity in 1915. And even then it was a long time before the implications of the theory for massive stars were understood.

CHAPTER 6
BLACK HOLES
The term black hole is of very recent origin. It was coined in 1969 by the American scientist John Wheeler as a graphic
description of an idea that goes back at least two hundred years, to a time when there were two theories about light:
one, which Newton favored, was that it was composed of particles; the other was that it was made of waves. We now
know that really both theories are correct. By the wave/particle duality of quantum mechanics, light can be regarded as
both a wave and a particle. Under the theory that light is made up of waves, it was not clear how it would respond to
gravity. But if light is composed of particles, one might expect them to be affected by gravity in the same way that
cannonballs, rockets, and planets are. At first people thought that particles of light traveled infinitely fast, so gravity
would not have been able to slow them down, but the discovery by Roemer that light travels at a finite speed meant that
gravity might have an important effect

It is an interesting reflection on the general climate of thought before the twentieth century that no one had suggested that the universe was expanding or contracting. It was generally accepted that either the universe had existed forever in an unchanging state, or that it had been created at a finite time in the past more or less as we observe it today. In part this may have been due to people’s tendency to believe in eternal truths, as well as the comfort they found in the thought that even though they may grow old and die, the universe is eternal and unchanging.

Если нам действительно удастся открыть полную единую теорию, то это не будет означать, что мы сможем предсказывать события вообще. На то есть две причины. Во‑первых, наши предсказательные возможности ограничены квантово‑механическим принципом неопределенности, и с этим ничего не поделаешь. Правда, на практике второе ограничение сильнее первого. Второе ограничение связано с тем, что, если не считать очень простых случаев, мы не умеем находить точные решения уравнений, описывающих теорию. (Мы не в состоянии точно решить даже уравнения движения трех тел в ньютоновской теории гравитации, а с ростом числа тел и усложнением теории трудности еще более увеличиваются).

В классической теории гравитации, основанной на действительном пространстве-времени, Вселенная может проявлять себя только двумя способами: либо она существовала бесконечное время, либо у неё было начало — в сингулярности в какой-то момент времени в прошлом. В рамках квантовой теории гравитации появляется третья возможность. Благодаря использованию евклидовых разновидностей пространства-времени, где временное и пространственное направления равноправны, пространство-время может иметь конечную протяжённость и при этом не иметь сингулярностей, образующих границу или край.

Из хаббловских наблюдений следовало, что в некий момент времени в прошлом – так называемый момент Большого взрыва – Вселенная была бесконечно малой и бесконечно плотной. В таких условиях перестают действовать все научные законы и, следовательно, становится невозможно предсказывать какие-либо будущие события. Никакие происшествия, имевшие место до этого момента, не могли бы повлиять на то, что творится в настоящее время. Существованием таких событий можно пренебречь, потому что они не могут иметь никаких наблюдаемых последствий. Можно сказать, что время началось в момент Большого взрыва, поскольку предшествовавшие моменты времени в принципе нельзя помыслить и зафиксировать. Такое начало времени существенно отличается от того, что рассматривалось раньше. В неменяющейся Вселенной начало во времени – это нечто, спровоцированное неким существом, находящимся вне Вселенной. То есть не было никакой физической необходимости в ее зарождении. Можно представить, что Бог сотворил Вселенную практически в любой момент в прошлом. С другой стороны, если Вселенная расширяется, то для ее начала вполне могут существовать физические основания. Можно продолжать считать, что Бог сотворил Вселенную в момент Большого взрыва или позднее – чтобы это выглядело так, будто произошел Большой взрыв, – но предполагать, что Вселенная была создана до Большого взрыва, бессмысленно. Расширяющаяся Вселенная не исключает присутствия творца, но накладывает определенные ограничения на то, когда он мог сделать свое дело.