Krótka historia czasu. Стивен Хокинг
Читать онлайн книгу.
świecie. W pierwszym rzędzie młody człowiek w fotelu na kółkach bardzo powoli wpisywał swoje nazwisko do księgi, w której, na jednej z pierwszych stron, widnieje podpis Izaaka Newtona. Kiedy wreszcie skończył, rozległy się głośne oklaski; Stephen Hawking był już wtedy postacią legendarną.
Hawking był Lucasian Professor of Mathematics na Uniwersytecie w Cambridge. Przed nim tytuł ten należał między innymi do Newtona i P.A.M. Diraca, dwóch słynnych badaczy zjawisk w wielkich i małych skalach. Jest ich godnym następcą. Krótka historia czasu, pierwsza książka Hawkinga dla laików, powinna z wielu względów spodobać się szerokim kręgom czytelników. W równym stopniu co bogata zawartość książki powinna ich zainteresować fascynująca możliwość poznania dróg, którymi biegnie myśl jej autora. Znajdziemy w niej przedstawione z niezwykłą jasnością problemy, z którymi zmaga się dzisiejsza fizyka, astronomia, kosmologia; znajdziemy w niej również świadectwa odwagi.
Jest to wreszcie książka o Bogu… a raczej o jego nieobecności. Słowo „Bóg” często pojawia się na tych stronicach. Hawking usiłuje znaleźć odpowiedź na słynne pytanie Einsteina, czy Bóg miał swobodę w tworzeniu wszechświata. Próbuje, jak sam stwierdza wprost, zrozumieć umysł boży. To sprawia, że konkluzja – przynajmniej obecna – jest tym bardziej zaskakująca: wszechświat nie ma granic w przestrzeni, nie ma początku i końca w czasie, nie ma też w nim nic do zrobienia dla Stwórcy.
Rozdział 1
Nasz obraz wszechświata
PEWIEN BARDZO ZNANY UCZONY (niektórzy twierdzą, że był to Bertrand Russell) wygłosił kiedyś popularny odczyt astronomiczny. Opowiadał, jak Ziemia obraca się dookoła Słońca, a ono z kolei kręci się wokół środka wielkiego zbiorowiska gwiazd, zwanego naszą Galaktyką. Pod koniec wykładu w jednym z końcowych rzędów podniosła się niewysoka, starsza pani i rzekła: „Wszystko, co pan powiedział, to bzdura. Świat jest naprawdę płaski i spoczywa na grzbiecie gigantycznego żółwia”. Naukowiec z uśmieszkiem wyższości spytał: „A na czym spoczywa ten żółw?”. Starsza pani miała gotową odpowiedź: „Bardzo pan sprytny, młody człowieku, bardzo sprytny, ale jest to żółw na żółwiu i tak do końca!”.
Dla większości ludzi obraz świata jako nieskończonej wieży z żółwi może się wydać śmieszny, ale czemu właściwie uważamy, że sami wiemy lepiej? Co wiemy o wszechświecie i jak się tego dowiedzieliśmy? Jak wszechświat powstał i dokąd zmierza? Czy wszechświat miał początek, a jeśli tak, to co było przedtem? Osiągnięcia fizyki ostatnich lat, umożliwione przez fantastyczny rozwój techniki, sugerują pewne odpowiedzi na te stare pytania. Kiedyś nasze odpowiedzi będą się wydawały równie oczywiste, jak oczywiste jest dla nas, że Ziemia obraca się wokół Słońca – albo równie śmieszne jak pomysł wieży z żółwi. Tylko czas (czymkolwiek on jest) pokaże, ile są one warte.
Już 340 lat przed Chrystusem grecki filozof Arystoteles w swej książce O niebie potrafił przedstawić dwa dobre argumenty na poparcie twierdzenia, że Ziemia jest kulą, a nie płaszczyzną. Po pierwsze, Arystoteles zdawał sobie sprawę, że zaćmienia Księżyca powoduje Ziemia, zasłaniając Słońce. Cień Ziemi na Księżycu jest zawsze okrągły, co byłoby uzasadnione tylko wtedy, jeśli Ziemia byłaby kulą. Gdyby Ziemia była płaskim dyskiem, jej cień na ogół byłby wydłużony i eliptyczny, chyba że zaćmienie zdarza się zawsze wtedy, gdy Słońce znajduje się dokładnie nad środkiem dysku. Po drugie, dzięki swym podróżom Grecy wiedzieli, że jeśli Gwiazdę Polarną obserwuje się z rejonów południowych, to widać ją niżej nad horyzontem niż wtedy, gdy obserwator znajduje się na północy. (Ponieważ Gwiazda Polarna leży nad biegunem północnym, pojawia się ona dokładnie nad głową obserwatora stojącego na biegunie, obserwator na równiku widzi ją natomiast dokładnie na horyzoncie). Znając różnicę położenia Gwiazdy Polarnej na niebie, gdy obserwuje się ją w Egipcie i w Grecji, Arystoteles oszacował nawet, że obwód Ziemi wynosi 400 000 stadionów. Nie wiemy, ilu metrom dokładnie odpowiadał jeden stadion, ale prawdopodobnie było to około 180 metrów. Jeśli tak, to Arystoteles popełnił błąd: podany przezeń obwód Ziemi jest dwa razy większy, niż przyjmowany przez nas. Grecy znali i trzeci argument przemawiający za kulistością Ziemi: jeżeli Ziemia nie jest kulą, to czemu najpierw widzimy pojawiające się nad horyzontem żagle statków, a dopiero później ich kadłuby?
Arystoteles uważał, że Ziemia spoczywa, a Słońce, Księżyc, planety i gwiazdy poruszają się wokół niej po orbitach kołowych. Przekonanie to wyrastało z jego poglądów religijno-filozoficznych – zgodnie z nimi Ziemia stanowiła środek wszechświata, a ruch kołowy był ruchem najbardziej doskonałym. W drugim wieku Ptolemeusz rozwinął te idee i sformułował pełny model kosmologiczny. Według niego Ziemia znajdowała się w środku wszechświata i była otoczona ośmioma sferami niebieskimi, które unosiły Księżyc, Słońce, gwiazdy i pięć znanych wtedy planet (Merkury, Wenus, Mars, Jowisz i Saturn – rys. 1). Aby wyjaśnić skomplikowany ruch planet, Ptolemeusz zakładał, że poruszają się one po mniejszych kołach, których środki przymocowane są do właściwych sfer. Sfera zewnętrzna zawierała gwiazdy stałe, których wzajemne położenie nie zmieniało się, ale które obracały się wspólnie po niebie. Co leżało poza sferą gwiazd stałych, nigdy nie zostało w pełni wyjaśnione, lecz z pewnością obszar ten nie należał do części wszechświata dostępnej ludzkim obserwacjom.
Rysunek 1
Model ptolemeuszowski pozwalał na w miarę dokładne przewidywanie położeń ciał niebieskich na niebie. Aby jednak osiągnąć tę dokładność, Ptolemeusz musiał przyjąć, iż Księżyc porusza się po takiej orbicie, że gdy znajduje się najbliżej Ziemi, jego odległość od niej jest dwukrotnie mniejsza, niż gdy znajduje się najdalej od Ziemi. Oznacza to, że Księżyc czasem powinien wydawać się dwa razy większy niż kiedy indziej! Ptolemeusz zdawał sobie sprawę z tego problemu, ale mimo to jego model został ogólnie zaakceptowany, choć nie przez wszystkich. Kościół chrześcijański uznał go za obraz wszechświata zgodny z Pismem Świętym, ponieważ jego wielkim plusem było pozostawienie poza sferą gwiazd stałych wiele miejsca na niebo i piekło.
Znacznie prostszy model zaproponował w 1514 roku polski ksiądz Mikołaj Kopernik. (Początkowo, zapewne obawiając się zarzutu herezji, Kopernik rozpowszechniał swój model, nie ujawniając, że jest jego twórcą). Według Kopernika w środku wszechświata znajduje się nieruchome Słońce, a Ziemia i inne planety poruszają się – wokół niego – po kołowych orbitach. Minął niemal wiek, nim model Kopernika został potraktowany poważnie. Wtedy dopiero dwaj astronomowie – Niemiec, Johannes Kepler, i Włoch, Galileusz, zaczęli propagować teorię Kopernika, mimo iż orbity obliczone na jej podstawie nie w pełni zgadzały się z obserwacjami. Śmiertelny cios zadał teorii Arystotelesa i Ptolemeusza w 1609 roku Galileusz, który rozpoczął wtedy obserwacje nocnego nieba za pomocą dopiero co wynalezionego przez siebie teleskopu. Patrząc na Jowisza, Galileusz odkrył, że jest on otoczony przez kilka poruszających się wokół niego satelitów, czyli księżyców. Wynikało z tych obserwacji, że nie wszystkie ciała niebieskie muszą poruszać się bezpośrednio wokół Ziemi, jak uważali Arystoteles i Ptolemeusz. (Oczywiście, można było nadal utrzymywać, że Ziemia spoczywa w środku wszechświata, a księżyce Jowisza poruszają się naprawdę wokół niej, po bardzo skomplikowanej drodze, stwarzając tylko wrażenie, że okrążają Jowisz. Teoria Kopernika była jednak o wiele prostsza). W tym samym czasie Kepler poprawił teorię Kopernika, sugerując, że planety poruszają się po orbitach eliptycznych, a nie kołowych (elipsa to wydłużone koło). Po tym odkryciu przewidywane orbity planet zgadzały się wreszcie z obserwacjami.
Dla Keplera orbity eliptyczne były tylko hipotezą (ad hoc) i w dodatku odpychającą,