Hawking S.W. - Krótka Historia Czasu, KSIĄŻKI-ebooki, KOSMOS
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Stephen W. Hawking
KRÓTKA HISTORIA CZASU
OD WIELKIEGO WYBUCHU DO CZARNYCH DZIUR
SPIS TRE
CI
Podzikowania ........................... 7
Wprowadzenie ........................... 11
1. Nasz obraz wszechwiata ................... 13
2. Czas i przestrze ....................... 25
3. Rozszerzajcy si wszechwiat ................ 44
4. Zasada nieoznaczonoci.................... 60
5. Czstki elementarne i siły natury ............... 68
6. Czarne dziury ......................... 83
7. Czarne dziury nie s czarne ................. 100
8. Pochodzenie i los wszechwiata ............... 113
9. Strzałka czasu ......................... 136
10. Unifikacja fizyki ......................... 145
11. Zakoczenie .......................... 159
Albert Einstein ........................... 163
Galileusz .............................. 165
Newton ............................... 167
SÅ‚ownik ............................... 169
Indeks ................................ 173
Ksi
k
t
po
wi
cam Jane
PODZI
KOWANIA
Postanowiłem napisa
popularn
ksi
k
o czasie i przestrzeni po wygłoszeniu na Uniwersytecie Harvarda w 1982 roku cyklu
wykładów Loeba. Istniało ju
wtedy wiele ksi
ek o wczesnym wszech
wiecie i czarnych dziurach, niektóre z nich były bardzo
dobre, jak
Pierwsze trzy minuty
Stevena Weinberga, niektóre bardzo złe — tytułów nie wymieni
. Miałem jednak wra
enie,
e w
adnej z nich nie rozwa
ono naprawd
pyta
, które skłoniły mnie samego do zaj
cia si
równocze
nie badaniami
kosmologicznymi i kwantowymi: Sk
d wzi
Å‚ si
wszech
wiat? Jak i kiedy powstał? Czy b
dzie miał koniec, a je
li tak, to jaki?
S
to pytania wa
ne dla nas wszystkich, ale współczesna nauka stała si
tak skomplikowana technicznie,
e tylko nieliczni spe-
cjali
ci potrafi
posługiwa
si
aparatem matematycznym, niezb
dnym przy omawaniu tych problemów. Niemniej jednak
podstawowe idee dotycz
ce pocz
tku i losu wszech
wiata mo
na przedstawi
bez u
ycia matematyki, w sposób zrozumiały dla
ludzi bez wykształcenia przyrodniczego. Tego wła
nie próbowałem dokona
w mej ksi
ce. Czytelnik os
dzi, na ile mi si
powiodło.
Kto
mi powiedział,
e ka
de równanie, jakie umieszcz
w ksi
ce, zmniejszy liczb
sprzedanych egzemplarzy o połow
.
Postanowiłem wobec tego,
e nie b
dzie
adnych równa
. W ko
cu jednak u
yłem jednego: jest to słynny wzór Einsteina
E
=m
c
2
.
Mam nadziej
,
e nie odstraszy on połowy moich potencjalnych czytelników.
Pecha w
yciu miałem tylko pod jednym wzgl
dem: zachorowałem na ALS, czyli stwardnienie zanikowe boczne. Poza tym
jestem szcz
ciarzem. Pomoc i wsparcie, jakie otrzymuj
od mojej
ony, Jane, oraz dzieci: Roberta, Lucy i Tima, umo
liwiły mi
prowadzenie w miar
normalnego
ycia i odniesienie sukcesów zawodowych. Miałem szcz
cie,
e wybrałem fizyk
teoretyczn
, poniewa
polega ona na czystym my
leniu, a zatem inwalidztwo nie było powa
nym utrudnieniem w jej
uprawianiu. Bardzo pomocni byli mi zawsze wszyscy, bez wyj
tku, moi koledzy.
W pierwszym, “klasycznym" okresie mojej kariery zawodowej współpracowałem głównie z Rogerem Penrose'em, Robertem
Gerochem, Bran-donem Carterem i George'em Ellisem. Jestem im bardzo wdzi
czny za pomoc i wspólnie osi
gni
te rezultaty.
Wyniki uzyskane w tym okresie przedstawione s
w ksi
ce
The Large Scal
Structure of Spacetime (Wieloskalowa struktura
czasoprzestrzeni),
któr
napisałem wspólnie z Ellisem w 1973 roku. Nie namawiam czytelników do szukania w niej
dodatkowych informacji: jest w najwy
szym stopniu techniczna i zupełnie nieczytelna. Mam nadziej
,
e dzisiaj potrafi
pisa
w
sposób bardziej zrozumiały.
W drugim, “kwantowym" okresie mojej pracy, od 1974 roku, współpracownikami moimi byli przede wszystkim Gary Gibbons,
Don Page i Jim Hartle. Zawdzi
czam wiele im, a tak
e moim doktorantom, którzy pomagali mi w pracy i w sprawach
praktycznych. Konieczno
dotrzymania kroku własnym studentom była dla mnie zawsze znakomitym stymulatorem i, mam
nadziej
, uchroniła mnie przed popadni
ciem w rutyn
.
W pisaniu tej ksi
ki pomógł mi bardzo Brian Whitt, jeden z moich studentów. W 1985 roku, po napisaniu pierwszej jej wersji,
złapałem zapalenie płuc i w wyniku tracheotomii utraciłem głos. Poniewa
nie mogłem prawie zupełnie porozumiewa
si
z
innymi lud
mi, straciłem nadziej
,
e zdołam ksi
k
doko
czy
. Brian nie tylko pomógł mi j
poprawi
, ale nakłonił mnie
tak
e do wypróbowania programu komunikacyjnego zwanego O
rodkiem
ycia, podarowanego przez Walta Woltosza z
przedsi
biorstwa Words Plus Inc., z Sunnyvale w Kalifornii. U
ywaj
c tego programu, mog
pisa
ksi
ki i artykuły, a z
pomoc
syntetyzatora mowy ofiarowanego przez Speech Plus, te
z Sunnyvale, mog
równie
rozmawia
z lud
mi. David
Mason zamontował syntetyzator i mały komputer na moim fotelu na kółkach. Dzi
ki temu systemowi mog
teraz porozumiewa
si
z lud
mi lepiej ni
przed utrat
głosu. Wiele osób radziło mi, jak poprawi
pierwsz
wersj
tej ksi
ki. W szczególno
ci Peter
Guzzardi, redaktor z wydawnictwa Bantam Books, przysyłał całe strony pyta
i komentarzy dotycz
cych kwestii, których, jego
zdaniem, nie wyja
niłem nale
ycie. Musz
przyzna
,
e bardzo mnie zirytowała ta długa lista proponowanych poprawek, ale to
on miał racj
: jestem pewien,
e ksi
ka wiele zyskała dzi
ki jego uporowi. Jestem bardzo zobowi
zany moim asystentom:
Colinowi William-sowi, Davidowi Thomasowi i Raymondowi Laflamme'owi, moim sekretarkom: Judy Fella, Ann Ralph,
Cheryl Billington i Sue Masey, oraz zespołowi opiekuj
cych si
mn
piel
gniarek. Moja praca nie byłaby mo
liwa, gdyby
koszty bada
i wydatki medyczne nie zostały pokryte przez Gonville i Caius College, Rad
Bada
Naukowych i In
ynieryjnych,
oraz przez fundacje Leverhulme' a, McArthura, Nuffielda i Ralpha Smitha. Jestem im bardzo wdzi
czny.
20 pa
dziernika 1987 r.
Stephen Hawking
WPROWADZENIE
Zaj
ci naszymi codziennymi sprawami nie rozumiemy niemal nic z otaczaj
cego nas
wiata. Rzadko my
limy o tym, jaki
mechanizm wytwarza
wiatło słoneczne, dzi
ki któremu mo
e istnie
ycie, nie zastanawiamy si
nad grawitacj
, bez której nie
utrzymaliby
my si
na powierzchni Ziemi, lecz poszybowaliby
my w przestrze
kosmiczn
, nie troszczymy si
te
o stabilno
atomów, z których jeste
my zbudowani. Z wyj
tkiem dzieci (które nie nauczyły si
jeszcze,
e nie nale
y zadawa
wa
nych
pyta
) tylko nieliczni spo
ród nas po
wi
caj
du
o czasu na rozwa
ania, dlaczego przyroda jest taka, jaka jest, sk
d si
wzi
Å‚
kosmos i czy istniał zawsze, czy pewnego dnia kierunek upływu czasu si
odwróci i skutki wyprzedza
b
d
przyczyny oraz czy
istniej
ostateczne granice ludzkiej wiedzy. Spotkałem nawet takie dzieci, które chciały wiedzie
, jak wygl
daj
czarne dziury,
jaki jest najmniejszy kawałek materii, dlaczego pami
tamy przeszło
, a nie przyszło
, jak obecny porz
dek mógł powsta
z
pierwotnego chaosu, i dlaczego istnieje wszech
wiat.
W naszym społecze
stwie wi
kszo
rodziców i nauczycieli wci
jeszcze odpowiada na takie pytania wzruszeniem ramion lub
odwołuje si
do słabo zapami
tanych koncepcji religijnych. Wielu czuje si
nieswojo, borykaj
c si
z pytaniami tego rodzaju,
gdy
niezwykle wyra
nie obna
aj
one ograniczenia naszej wiedzy.
Ale nauka i filozofia w znacznym stopniu zawdzi
czaj
swe istnienie takim wła
nie pytaniom. Stawia je coraz wi
ksza liczba
dorosłych i niektórzy dochodz
czasami do zdumiewaj
cych odpowiedzi. Równie odlegli od atomów i gwiazd rozszerzamy
granice poznania tak, by obj
nimi i to, co najmniejsze i to, co najdalsze.
Wiosn
1974 roku, na dwa lata przed l
dowaniem sondy Yiking na Marsie, uczestniczyłem w spotkaniu zorganizowanym przez
Królewskie Towarzystwo Naukowe w Londynie, na którym zastanawiali
my si
, jak szuka
ycia w kosmosie. W czasie
przerwy zauwa
yłem,
e w s
siedniej sali zebrało si
o wiele liczniejsze grono. Wszedłem tam wiedziony ciekawo
ci
. Wkrótce
zdałem sobie spraw
,
e przygl
dam si
staremu rytuałowi: przyjmowano nowych członków do Królewskiego Towarzystwa,
jednej z najstarszych organizacji naukowych na
wiecie. W pierwszym rz
dzie młody człowiek w fotelu na kółkach bardzo
powoli wpisywał swoje nazwisko do ksi
gi, w której, na jednej z pierwszych stron, widnieje podpis Izaaka Newtona. Kiedy
wreszcie sko
czył, rozległy si
gło
ne oklaski; Stephen Hawking był ju
wtedy postaci
legendarn
.
Obecnie Hawking jest Lucasian Professor of Mathematics na Uniwersytecie w Cambridge. Przed nim tytuł ten nale
ał mi
dzy
innymi do Newtona i P.A.M. Diraca, dwóch słynnych badaczy zjawisk w wielkich i małych skalach. Jest ich godnym nast
pc
.
Krótka historia czasu,
pierwsza ksi
ka Hawkinga dla laików, powinna z wielu wzgl
dów spodoba
si
szerokim kr
gom
czytelników. W równym stopniu co bogata zawarto
ksi
ki powinna ich zainteresowa
fascynuj
ca mo
liwo
poznania dróg,
którymi biegnie my
l jej autora. Znajdziemy w niej przedstawione z niezwykł
jasno
ci
problemy, z którymi zmaga si
dzisiejsza fizyka, astronomia, kosmologia; znajdziemy w niej równie
wiadectwa odwagi.
Jest to wreszcie ksi
ka o Bogu..., a raczej o jego nieobecno
ci. Słowo “Bóg" cz
sto pojawia si
na tych stronicach. Hawking
usiłuje
znale
odpowied
na słynne pytania Einsteina, czy Bóg miał swobod
w tworzeniu wszech
wiata. Próbuje, jak sam
stwierdza wprost, zrozumie
umysł Bo
y. To sprawia,
e konkluzja — przynajmniej obecna — jest tym bardziej zaskakuj
ca:
wszech
wiat nie ma granic w przestrzeni, nie ma pocz
tku i ko
ca w czasie, nie ma te
w nim nic do zrobienia dla Stwórcy.
Carl Sagan
Comell University
Ithaca, Nowy York
Rozdział 1
NASZ OBRAZ WSZECH
WIATA
Pewien bardzo znany uczony (niektórzy twierdz
,
e był to Bertrand Russell) wygłosił kiedy
popularny odczyt astronomiczny.
Opowiadał, jak Ziemia obraca si
dookoła Sło
ca, a ono z kolei kr
ci si
wokół
rodka wielkiego zbiorowiska gwiazd, zwanego
nasz
Galaktyk
. Pod koniec wykładu w jednym z ko
cowych rz
dów podniosła si
niewysoka, starsza pani i rzekła:
“Wszystko, co pan powiedział, to bzdura.
wiat jest naprawd
płaski i spoczywa na grzbiecie gigantycznego
ółwia".
Naukowiec z u
mieszkiem wy
szo
ci spytał: “A na czym spoczywa ten
ółw?" Starsza pani miała gotow
odpowied
: “Bardzo
pan sprytny, młody człowieku, bardzo sprytny, ale jest to
ółw na
ółwiu i tak do ko
ca!"
Dla wi
kszo
ci ludzi obraz
wiata jako niesko
czonej wie
y z
ółwi mo
e si
wyda
mieszny, ale czemu wła
ciwie uwa
amy,
e sami wiemy lepiej? Co wiemy o wszech
wiecie i jak si
tego dowiedzieli
my? Jak wszech
wiat powstał i dok
d zmierza? Czy
wszech
wiat miał pocz
tek, a je
li tak, to co było przedtem? Osi
gni
cia fizyki ostatnich lat, umo
liwione przez fantastyczny
rozwój techniki, sugeruj
pewne odpowiedzi na te stare pytania. Kiedy
nasze odpowiedzi b
d
si
wydawały równie oczywiste,
jak oczywiste jest dla nas,
e Ziemia obraca si
wokół Sło
ca — albo równie
mieszne jak pomysł wie
y z
ółwi. Tylko czas
(czymkolwiek on jest) poka
e, ile s
one warte.
Ju
340 lat przed Chrystusem grecki filozof Arystoteles w swej ksi
ce
O niebie
potrafił przedstawi
dwa dobre argumenty na
poparcie twierdzenia,
e Ziemia jest kul
, a nie płaszczyzn
. Po pierwsze, Arystoteles zdawał sobie spraw
,
e za
mienia
Ksi
yca powoduje Ziemia, zasłaniaj
c SÅ‚o
ce. Cie
Ziemi na Ksi
ycu jest zawsze okr
gły, co byłoby uzasadnione tylko
wtedy, je
li Ziemia byłaby kul
. Gdyby Ziemia była płaskim dyskiem, jej cie
na ogół byłby wydłu
ony i eliptyczny, chyba
e
za
mienie zdarza si
zawsze wtedy, gdy SÅ‚o
ce znajduje si
dokładnie nad
rodkiem dysku. Po drugie, dzi
ki swym podró
om
Grecy wiedzieli,
e je
li Gwiazd
Polarn
obserwuje si
z rejonów południowych, to wida
j
ni
ej nad horyzontem ni
wtedy,
gdy obserwator znajduje si
na północy. (Poniewa
Gwiazda Polarna le
y nad biegunem północnym, pojawia si
ona dokładnie
nad głow
obserwatora stoj
cego na biegunie, obserwator na równiku widzi j
natomiast dokładnie na horyzoncie). Znaj
c
ró
nic
poło
enia Gwiazdy Polarnej na niebie, gdy obserwuje si
j
w Egipcie i w Grecji, Arystoteles oszacował nawet,
e
obwód Ziemi wynosi 400 000 stadionów. Nie wiemy, ilu metrom dokładnie odpowiadał jeden stadion, ale prawdopodobnie było
to około 180 metrów. Je
li tak, to Arystoteles popełnił bł
d: podany
przeze
obwód Ziemi jest dwa razy wi
kszy ni
przyjmowany przez nas. Grecy znali i trzeci argument przemawiaj
cy za kulisto
ci
Ziemi: gdyby Ziemia nie była kul
, to
czemu najpierw widzieliby
my pojawiaj
ce si
nad horyzontem
agle statków, a dopiero pó
niej ich kadłuby?
Arystoteles uwa
ał,
e Ziemia spoczywa, a SÅ‚o
ce, Ksi
yc, planety i gwiazdy poruszaj
si
wokół niej po kołowych orbitach.
Przekonanie to wyrastało z jego pogl
dów religijno-filozoficznych — zgodnie z nimi Ziemia stanowiła
rodek wszech
wiata, a
ruch kołowy był ruchem najbardziej doskonałym. W drugim wieku Ptolemeusz rozwin
ł te idee i sformułował pełny model
kosmologiczny. Według niego Ziemia znajdowała si
w
rodku wszech
wiata i była otoczona o
mioma sferami niebieskimi,
które unosiły Ksi
yc, SÅ‚o
ce, gwiazdy i pi
znanych wtedy planet (Merkury, Wenus, Mars, Jowisz i Saturn — rys. 1). Aby
wyja
ni
skomplikowany ruch planet, Ptolemeusz zakładał,
e poruszaj
si
one po mniejszych kołach, których
rodki
przymocowane s
do wła
ciwych sfer. Sfera zewn
trzna zawierała gwiazdy stałe, których wzajemne poło
enie nie zmieniało si
,
ale które obracały si
wspólnie po niebie. Co le
ało poza sfer
gwiazd stałych, nigdy nie zostało w pełni wyja
nione, lecz z
pewno
ci
obszar ten nie nale
ał do cz
ci wszech
wiata dost
pnej ludzkim obserwacjom.
Model Ptolemeuszowski pozwalał na w miar
dokładne przewidywanie poło
e
ciał niebieskich na niebie. Aby jednak osi
gn
t
dokładno
, Ptolemeusz musiał przyj
, i
Ksi
yc porusza si
po takiej orbicie,
e gdy znajduje si
najbli
ej Ziemi, jego
odległo
od niej jest dwukrotnie mniejsza, ni
gdy znajduje si
najdalej od Ziemi.
Oznacza
to,
e Ksi
yc czasem powinien wydawa
si
dwa razy wi
kszy ni
kiedy indziej! Ptolemeusz zdawał sobie
spraw
z tego problemu, ale mimo to jego model został ogólnie zaakceptowany, cho
nie przez wszystkich. Ko
ciół
chrze
cija
ski uznał go za obraz wszech
wiata zgodny z Pismem
wi
tym, poniewa
jego wielkim plusem było
pozostawienie poza sfer
gwiazd stałych wiele miejsca na niebo i piekło.
Znacznie prostszy model zaproponował w 1514 roku polski ksi
dz Mikołaj Kopernik. (Pocz
tkowo, zapewne obawiaj
c si
zarzutu herezji, Kopernik rozpowszechniał swój model, nie ujawniaj
c,
e jest jego twórc
). Według Kopernika w
rodku
wszech
wiata znajduje si
nieruchome SÅ‚o
ce, a Ziemia i inne planety poruszaj
si
— wokół niego — po kołowych
orbitach. Min
ł niemal wiek, nim model Kopernika został potraktowany powa
nie. Wtedy dopiero dwaj astronomowie —
Niemiec, Johannes Kepler, i WÅ‚och, Galileusz, zacz
li propagowa
teori
Kopernika, mimo i
orbity obliczone na jej
podstawie nie w pełni zgadzały si
z obserwacjami.
miertelny cios zadał teorii Arystotelesa i Ptolemeusza w 1609 roku
Galileusz, który rozpocz
Å‚ wtedy obserwacje nocnego nieba za pomoc
dopiero co wynalezionego przez siebie
teleskopu. Patrz
c na Jowisza, Galileusz odkrył,
e jest on otoczony przez kilka poruszaj
cych si
wokół niego satelitów, czyli
ksi
yców. Wynikało z tych obserwacji,
e nie wszystkie ciała niebieskie musz
porusza
si
bezpo
rednio wokół Ziemi, jak
uwa
ali Arystoteles i Pto-lemeusz. (Oczywi
cie, mo
na było nadal utrzymywa
,
e Ziemia spoczywa w
rodku wszech
wiata, a
ksi
yce Jowisza poruszaj
si
naprawd
wokół niej, po bardzo skomplikowanej drodze, stwarzaj
c tylko wra
enie,
e okr
aj
Jowisza. Teoria Kopernika była jednak o wiele prostsza). W tym samym czasie Kepler poprawił teori
Kopernika, sugeruj
c,
e
planety poruszaj
si
po orbitach eliptycznych, a nie kołowych (elipsa to wydłu
one koło). Po tym odkryciu przewidywane
orbity planet zgadzały si
wreszcie z obserwacjami.
Dla Keplera orbity eliptyczne były tylko hipotez
(ad hoc)
i w dodatku odpychaj
c
, poniewa
elipsy były w oczywisty sposób
mniej doskonałe ni
koła. Ich zgodno
z do
wiadczeniem stwierdził niemal przez przypadek i nigdy nie udało mu si
pogodzi
tego odkrycia z jego własn
tez
,
e planety s
utrzymywane na orbitach przez siły magnetyczne. Wyja
nienie przyszło znacznie
pó
niej, w roku 1687, kiedy Sir Izaak Newton opublikował
Philosophiae Naturalis Principia Mathema-tica (Matematyczne
zasady filozofii przyrody),
zapewne najwa
niejsze dzieło z zakresu nauk
cisłych, jakie zostało kiedykolwiek napisane. Newton
zaproponował w nim nie tylko teori
ruchu ciał w przestrzeni i czasie, ale rozwin
ł równie
skomplikowany aparat
matematyczny potrzebny do analizy tego ruchu. Sformułował tak
e prawo powszechnej grawitacji, zgodnie z którym dowolne
dwa ciała we wszech
wiecie przyci
gaj
si
z sił
, która jest tym wi
ksza, im wi
ksze s
masy tych ciał i im mniejsza jest
odległo
mi
dzy nimi. To ta wła
nie siła powoduje spadanie przedmiotów na ziemi
. (Opowie
o tym, jakoby inspiracj
dla
Newtona stało si
jabłko, które spadło mu na głow
, jest niemal na pewno apokryfem. Newton wspomniał tylko,
e pomysł
powszechnej grawitacji przyszedł mu do głowy, gdy “siedział w kontemplacyjnym nastroju" i “jego umysł został pobudzony
upadkiem jabłka"). Nast
pnie Newton wykazał,
e zgodnie z owym prawem grawitacji Ksi
yc powinien porusza
si
po elipsie
wokół Ziemi, za
Ziemia i inne planety powinny okr
a
SÅ‚o
ce równie
po eliptycznych orbitach.
Model Kopernika nie zawierał ju
niebieskich sfer Ptolemeusza, a wraz z nimi znikn
Å‚a idea,
e wszech
wiat ma naturaln
granic
. Poniewa
wydaje si
,
e “stałe gwiazdy" nie zmieniaj
swych pozycji, je
li pomin
ich rotacj
na niebie, wynikaj
c
z
obrotu Ziemi wokół swej osi, przyj
to jako w pełni naturalne zało
enie,
e s
to obiekty podobne do SÅ‚o
ca, tyle
e znacznie
bardziej od nas oddalone.
Newton zdawał sobie spraw
,
e zgodnie z jego teori
grawitacji gwiazdy powinny przyci
ga
si
wzajemnie; nale
ało wi
c
s
dzi
,
e nie mog
one pozostawa
w spoczynku. Czy wszystkie one nie powinny wi
c zderzy
si
ze sob
w pewnej chwili? W
napisanym w 1691 roku li
cie do Richarda Bentleya, innego wybitnego my
liciela tych czasów, Newton argumentował,
e tak
stałoby si
rzeczywi
cie, gdyby liczba gwiazd była sko
czona i je
li byłyby one rozmieszczone w ograniczonym obszarze. Je
li
natomiast niesko
czenie wielka liczba gwiazd jest rozmieszczona mniej wi
cej równomiernie w niesko
czonej przestrzeni, to
nie istnieje
aden centralny punkt, w którym mogłoby doj
do owego zderzenia.
Wywód ten stanowi przykład pułapki, w jak
mo
na wpa
, dyskutuj
c o niesko
czono
ci. W niesko
czonym wszech
wiecie
ka
dy punkt mo
e by
uznany za
rodek, poniewa
wokół niego znajduje si
niesko
czenie wiele gwiazd. Poprawne podej
cie
do zagadnienia — co stwierdzono znacznie pó
niej — polega na rozwa
eniu najpierw sko
czonego układu gwiazd, które
spadaj
na
rodek tego układu, i postawieniu nast
pnie pytania, co si
zmieni, je
li układ otoczymy dodatkowymi gwiazdami
równomiernie rozło
onymi w przestrzeni. Zgodnie z prawem ci
enia Newtona dodatkowe gwiazdy w ogóle nie wpłyn
na ruch
gwiazd wewn
trz wyró
nionego obszaru, te zatem spada
b
d
ku
rodkowi z nie zmienion
pr
dko
ci
. Mo
emy dodawa
tyle
gwiazd, ile nam si
podoba, i nie zapobiegnie to ich spadni
ciu do punktu centralnego. Dzi
wiemy,
e nie da si
skonstruowa
statycznego modelu niesko
czonego wszech
wiata, w którym siła ci
enia jest zawsze przyci
gaj
ca.
Warto zastanowi
si
przez chwil
nad panuj
cym a
do XX wieku klimatem intelektualnym, który sprawił,
e nikt wcze
niej
nie wpadł na pomysł rozszerzaj
cego si
lub kurcz
cego wszech
wiata. Przyjmowano powszechnie,
e wszech
wiat albo istniał
w niezmiennym stanie przez cał
wieczno
, albo został stworzony w obecnym kształcie w okre
lonej chwili w przeszło
ci.
Przekonanie to, by
mo
e, wywodziło si
z ludzkiej skłonno
ci do wiary w wieczyste prawdy, a mo
e te
znajdowano pociech
w my
li,
e cho
pojedyncze osoby starzej
si
i umieraj
, to jednak wszech
wiat jest wieczny i niezmienny.
Nawet ci, którzy zdawali sobie spraw
z tego,
e zgodnie z Newtonowsk
teori
grawitacji wszech
wiat nie mógł by
statyczny,
nie wpadli na pomysł,
e mógłby si
on rozszerza
. Zamiast tego usiłowali oni zmieni
teori
, przyjmuj
c,
e siła ci
enia
mi
dzy bardzo odległymi ciałami jest odpychaj
ca. Nie zmieniłoby to w zasadzie ich oblicze
ruchu planet, ale umo
liwiłoby
istnienie niesko
czonych układów gwiazd w stanie równowagi: przyci
ganie pomi
dzy bliskimi gwiazdami byłoby
zrównowa
one odpychaniem pochodz
cym od gwiazd odległych. Jednak
e — jak wiemy to obecnie — nie byłaby to równo-
waga stała — je
liby gwiazdy w pewnym obszarze zbli
yły si
cho
by nieznacznie do siebie, powoduj
c wzmocnienie sił
przyci
gaj
cych, umo
liwiłoby to pokonanie sił odpychaj
cych i w efekcie gwiazdy run
Å‚yby na siebie. Z drugiej strony, je
li
gwiazdy oddaliłyby si
nieco od siebie, to siły odpychaj
ce przewa
yłyby nad przyci
gaj
cymi i spowodowałyby dalszy wzrost
odległo
ci mi
dzy gwiazdami.
Wysuni
cie kolejnego zarzutu przeciwko modelowi niesko
czonego i statycznego wszech
wiata przypisuje si
zazwyczaj
niemieckiemu filozofowi Heinrichowi Olbersowi, który sformułował go w 1823 roku. Faktem jest,
e ju
ró
ni współcze
ni
Newtonowi badacze zwracali uwag
na ten problem, a Olbers nie był nawet pierwszym, który zaproponował sposób jego
rozwi
zania. Dopiero jednak po artykule Olbersa zwrócono na
powszechnie uwag
. Trudno
polega na tym,
e w nie-
sko
czonym i statycznym wszech
wiecie, patrz
c niemal w ka
dym kierunku, powinni
my natkn
si
wzrokiem na
powierzchni
gwiazdy. Dlatego całe niebo powinno by
tak jasne jak SÅ‚o
ce, nawet w nocy. Olbers wyja
niał ten paradoks
osłabieniem
wiatła odległych gwiazd wskutek pochłaniania go przez materi
znajduj
c
si
mi
dzy
ródłem i obserwatorem.
Gdyby jednak tak rzeczywi
cie było, to temperatura pochłaniaj
cej
wiatło materii wzrosłaby na tyle,
e materia
wieciłaby
równie jasno jak gwiazdy. Jedynym sposobem unikni
cia konkluzji,
e nocne niebo powinno by
tak samo jasne jak
powierzchnia SÅ‚o
ca, byłoby zało
enie, i
gwiazdy nie
wieciły zawsze, ale zacz
Å‚y promieniowa
w pewnej chwili w
przeszło
ci. W tym wypadku pochłaniaj
ca
wiatło materia mogła nie zd
y
si
podgrza
do odpowiedniej temperatury albo
wiatło odległych gwiazd mogło do nas jeszcze nie dotrze
. W ten sposób dochodzimy do pytania, co mogło spowodowa
,
e
gwiazdy zacz
Å‚y si
wieci
.
Dyskusje na temat pocz
tku wszech
wiata rozpocz
Å‚y si
, rzecz jasna, znacznie wcze
niej. Wedle wielu pradawnych kosmologii
i zgodnie z tradycj
judeo-chrze
cija
sko-muzułma
sk
wszech
wiat powstał w okre
lonej chwili w niezbyt odległej
przeszło
ci. Jednym z argumentów za takim pocz
tkiem było prze
wiadczenie,
e do wyja
nienia egzystencji wszech
wiata
konieczna jest “pierwsza przyczyna". (We wszech
wiecie ka
de zdarzenie mo
na wyja
ni
, podaj
c za jego przyczyn
inne,
wcze
niejsze zdarzenie, ale istnienie samego wszech
wiata mo
na w ten sposób wyja
ni
tylko wtedy, je
li miał on jaki
pocz
tek). Inny argument przedstawił
w. Augustyn w swej ksi
ce
Pa
stwo Bo
e.
Wskazał on,
e nasza cywilizacja rozwija si
,
a my pami
tamy, kto czego dokonał i komu zawdzi
czamy ró
ne pomysły techniczne. Wobec tego ludzie, i zapewne te
i
wszech
wiat, nie istniej
prawdopodobnie zbyt długo. Zgodnie z
Ksi
g
Rodzaju
w. Augustyn przyjmował, i
wszech
wiat
stworzony został mniej wi
cej 5000 lat przed narodzeniem Chrystusa. (Warto zwróci
uwag
,
e ta data nie jest zbyt odległa od
przyjmowanej dzi
daty ko
ca ostatniej epoki lodowcowej [10 000 lat przed narodzeniem Chrystusa], kiedy to, zdaniem
archeologów, zacz
Å‚a si
naprawd
cywilizacja ludzka).
Arystoteles i inni greccy filozofowie nie lubili koncepcji stworzenia wszech
wiata, poniewa
nadmiernie pachniała im ona bosk
interwencj
. Wierzyli raczej,
e ludzie i
wiat istnieli zawsze, zawsze te
istnie
b
d
. Ze wspomnianym, rozwa
anym ju
przez
nich argumentem o post
pie cywilizacji antyczni my
liciele radzili sobie, przypominaj
c o cyklicznych powodziach i innych
kl
skach, które wielokrotnie sprowadzały ludzko
do stanu barbarzy
stwa.
Zagadnienia pocz
tku wszech
wiata i jego granic przestrzennych poddał pó
niej gruntownej analizie filozof Immanuel Kant, w
swym monumentalnym (i bardzo m
tnym) dziele
Krytyka czystego rozumu,
opublikowanym w 1781 roku. Nazwał on te kwestie
antynomiami (sprzeczno
ciami) czystego rozumu, poniewa
był przekonany, i
mo
na poda
równie przekonuj
ce argumenty za
tez
,
e wszech
wiat miał pocz
tek, jak za antytez
,
e wszech
wiat istniał zawsze. Za istnieniem pocz
tku przemawiał według
niego fakt, i
w przeciwnym wypadku ka
de zdarzenie byłoby poprzedzone przez niesko
czony przedział czasu, a to uznał on za
absurd. Za antytez
(
wiat nie ma pocz
tku) przemawiał z kolei fakt,
e w przeciwnym wypadku pocz
tek wszech
wiata byłby
poprzedzony niesko
czenie długim przedziałem czasu, czemu zatem wszech
wiat miałby powsta
wła
nie w jakiej
szczególnej
chwili? W gruncie rzeczy racje Kanta na korzy
tezy i antytezy zawieraj
ten sam argument. Oparte s
mianowicie na
milcz
cym zało
eniu, zgodnie z którym czas si
ga wstecz niesko
czenie daleko, niezale
nie od tego, czy wszech
wiat istniał,
czy nie. Jak przekonamy si
pó
niej, poj
cie czasu przed powstaniem wszech
wiata nie ma
adnego sensu. Po raz pierwszy
zwrócił na to uwag
w. Augustyn. Gdy zapytano go, co czynił Bóg przed stworzeniem wszech
wiata,
w. Augustyn nie
odpowiedział,
e Bóg stworzył piekło dla tych, co zadaj
takie pytania, lecz stwierdził,
e czas jest własno
ci
stworzonego
przez Boga wszech
wiata i przed pocz
tkiem wszech
wiata nie istniał.
Dopóki wi
kszo
ludzi wierzyła w statyczny i niezmienny wszech
wiat, dopóty pytanie, czy miał on pocz
tek, czy te
nie,
traktowano jako pytanie z zakresu metafizyki lub teologii. Równie dobrze mo
na było wyja
nia
obserwacje, twierdz
c,
e
istniał zawsze, jak głosz
c teori
,
e został stworzony w okre
lonym momencie w przeszło
ci w taki sposób, by wydawało si
, i
istniał zawsze. Ale w 1921 roku Edwin Hubble dokonał fundamentalnego odkrycia,
e niezale
nie od kierunku obserwacji
widzimy, jak odległe galaktyki szybko oddalaj
si
od nas. Innymi słowy, wszech
wiat si
rozszerza. Oznacza to,
e w
dawniejszych czasach ciała niebieskie znajdowały si
bli
ej siebie. Istotnie, wygl
da na to,
e jakie
10 czy 20 miliardów lat
temu wszystkie obiekty dzi
istniej
ce we wszech
wiecie skupione były w jednym punkcie, a zatem g
sto
wszech
wiata była
wtedy niesko
czona. To odkrycie wprowadziło wreszcie zagadnienie pocz
tku wszech
wiata do królestwa nauki.
Obserwacje Hubble'a wskazywały,
e w pewnej chwili, zwanej wielkim wybuchem, rozmiary wszech
wiata były niesko
czenie
małe, a jego g
sto
niesko
czenie wielka. W takich warunkach wszystkie prawa nauki trac
wa
no
, a tym samym tracimy
zdolno
przewidywania przyszło
ci. Je
li przed wielkim wybuchem były nawet jakie
zdarzenia, to i tak nie mogły one mie
wpływu na to, co dzieje si
obecnie. Istnienia takich zdarze
mo
na nie bra
w ogóle pod uwag
, bo nie miałyby one
adnych
daj
cych si
zaobserwowa
konsekwencji. Mo
na powiedzie
,
e czas rozpocz
Å‚ si
wraz z wielkim wybuchem, wcze
niej czas
po prostu nie był okre
lony. Nale
y podkre
li
,
e taka koncepcja pocz
tku wszech
wiata w czasie ró
ni si
radykalnie od
rozwa
anych uprzednio. W niezmiennym wszech
wiecie pocz
tek czasu to co
, co musi zosta
narzucone przez jak
istot
spoza wszech
wiata; nie istnieje
adna fizyczna konieczno
, która by go wymuszała. Mo
na sobie wyobrazi
,
e Bóg stworzył
taki wszech
wiat dosłownie w dowolnej chwili w przeszło
ci. Z drugiej strony, je
li wszech
wiat rozszerza si
, to mogły istnie
fizyczne przyczyny, dla których jego powstanie było konieczno
ci
. Mo
na sobie dalej wyobra
a
,
e Bóg stworzył wszech-
wiat w chwili wielkiego wybuchu lub nawet pó
niej — ale w taki sposób, by wygl
dało na to,
e wielki wybuch istotnie
nast
pił, byłoby jednak nonsensem s
dzi
,
e stworzenie odbyło si
przed wielkim wybuchem. Rozszerzaj
cy si
wszech
wiat
nie wyklucza Stwórcy, ale ogranicza Jego swobod
w wyborze czasu wykonania tej pracy!
Mówi
c o naturze wszech
wiata i dyskutuj
c takie zagadnienia, jak kwestia jego pocz
tku i ko
ca, nale
y jasno rozumie
, czym
jest teoria naukowa. Przyjmuj
tutaj raczej naiwny pogl
d,
e teoria jest po prostu modelem wszech
wiata lub jego cz
ci, oraz
zbiorem reguł wi
cych wielko
ci tego modelu z obserwacjami, jakie mo
na wykona
. Teoria istnieje wył
cznie w naszych
umysłach i nie mo
na jej przypisywa
adnej innej realno
ci (cokolwiek mogłoby to znaczy
). Dobra teoria naukowa musi
spełnia
dwa warunki: musi poprawnie opisywa
rozległ
klas
obserwacji, opieraj
c si
na modelu zawieraj
cym tylko nie-
liczne dowolne elementy, i musi umo
liwia
precyzyjne przewidywanie wyników przyszłych pomiarów. Na przykład, teoria
Arystotelesa, zgodnie z któr
wszystko było utworzone z czterech elementów — ognia, ziemi, powietrza i wody — była
dostatecznie prosta, by zasłu
y
na miano naukowej, ale nie pozwalała na
adne przewidywania. Z drugiej strony, teoria ci
enia
Newtona opiera si
na jeszcze prostszym modelu, wedle którego ciała przyci
gaj
si
z sił
proporcjonaln
do ich mas i
odwrotnie proporcjonaln
do kwadratu odległo
ci mi
dzy nimi. Mimo swej prostoty teoria Newtona przewiduje ruchy SÅ‚o
ca,
Ksi
yca i planet z wielk
dokładno
ci
.
Ka
da teoria fizyczna jest zawsze prowizoryczna, pozostaje tylko hipotez
; nigdy nie mo
na jej udowodni
. Niezale
nie od tego,
[ Pobierz całość w formacie PDF ]