Stephen Hawking KR�TKA HISTORIA CZASU WYDAWNICTWA .ALFA" WARSZAWA 1990 Tytu� orygina�u A Brief History of Time: From ihe Bif[ Hann 10 Rlack Holes A Bantam Books, New York 1988 Copyright (r) 1988 by Stcphcn Hawking Illustrations Copyright (r) 1988 by Ro� Miller Projekt ok�adki i stronic tytu�owych Andrzej P�gowski Ilustracje Ro� Miller Redaktor Krzysztof Bereza Redaktor techniczny Ewa Guzenda For the Polish edition Copyright (r) 1990 by Wydaw- nictwa ALFA ISBN 83-7001-373-2 SPIS TRE�CI Podzi�kowania .................. Wprowadzenie ................... 1 Nasz obraz Wszech�wiata ...... 2 Czas i przestrze� ............. 3 Rozszerzaj�cy si� Wszech�wiat . 4 Zasada nieoznaczono�ci ....... 5 Cz�stki elementarne i si�y natury 6 Czarne dziury ................ 7 Czarne dziury nie s� czarne ... 8 Pochodzenie i los Wszech�wiata 9 Strza�ka czasu ................ 10 Unifikacja fizyki .............. 11 Zako�czenie .................. Albert Einstein .................. Galileusz ....................... Newton ......................... S�ownik ........................ Indeks .......................... i PODZI�KOWANIA Postanowi�em napisa� popularn� ksi��k� o czasie i przestrzeni po wyg�oszeniu na Uniwersytecie Harvarda w 1982 roku cyklu wy- k�ad�w Loeba. Istnia�o ju� wtedy wiele ksi��ek o wczesnym Wszech�wiecie i czarnych dziurach, niekt�re z nich by�y bardzo dobre, jak Pierwsze trzy minuty Stevena Weinberga, niekt�re bar- dzo z�e - tytu��w nie wymieni�. Mia�em jednak wra�enie, �e w �adnej z nich nie rozwa�ono naprawd� pyta�, kt�re sk�oni�y mnie samego do zaj�cia si� r�wnocze�nie badaniami kosmologicz- nymi i kwantowymi: Sk�d wzi�� si� Wszech�wiat? Jak i kiedy powsta�? Czy b�dzie mia� koniec, a je�li tak, to jaki? S� to pytania wa�ne dla nas wszystkich, ale wsp�czesna nauka sta�a si� tak skomplikowana technicznie, �e tylko nieliczni specjali�ci potrafi� pos�ugiwa� si� aparatem matematycznym, niezb�dnym przy omawianiu tych problem�w. Niemniej jednak podstawowe idee dotycz�ce pocz�tku i losu Wszech�wiata mo�na przedstawi� bez u�ycia matematyki, w spos�b zrozumia�y dla ludzi bez wykszta�- cenia przyrodniczego. Tego w�a�nie pr�bowa�em dokona� w mej ksi��ce. Czytelnik os�dzi, na ile mi si� powiod�o. Kto� mi powiedzia�, �e ka�de r�wnanie, jakie umieszcz� w ksi��ce, zmniejszy liczb� sprzedanych egzemplarzy o po�ow�. Postanowi�em wobec tego, �e nie b�dzie �adnych r�wna�. W ko�- cu jednak u�y�em jednego: jest to s�ynny wz�r Einsteina E=mc2. Mam nadziej�, �e nie odstraszy on po�owy moich potencjalnych czytelnik�w. Pecha w �yciu mia�em tylko pod jednym wzgl�dem: zachorowa- y . .. /_ � Jnnif ^em na ^LS, czyli stwardnienie zanikowe boczne. Poza tym je- ASi�ZKf tf po�wi�cam Jane ^^ szcz�ciarzem. Pomoc i wsparcie, jakie otrzymuj� .od mojej �ony, Jane, oraz dzieci: Roberta, Lucy i Tima, umo�liwi�y mi prowadzenie w miar� normalnego �ycia i odniesienie sukces�w zawodowych. Mia�em szcz�cie, �e wybra�em teoretyczn� fizyk�, poniewa� polega ona na czystym my�leniu, a zatem inwalidztwo l PODZI�KOWANIA nie by�o powa�nym utrudnieniem w jej uprawianiu. Bardzo po- mocni byli mi zawsze wszyscy, bez wyj�tku, moi koledzy. W pierwszym, "klasycznym" okresie mojej kariery zawodowej wsp�pracowa�em g��wnie z Rogerem Penrosc'cm, Robertem Ge- rochem, Brandonem Carterem i George'cm Elliscm. Jestem im bardzo wdzi�czny za pomoc i wsp�lnie osi�gni�te rezultaty. Wy- niki uzyskane w tym okresie przedstawione s� w ksi��ce The La- rge Scal� Structure o f Spacetime [Wieloskalowa struktura czaso- przestrzeni), kt�r� napisa�em wsp�lnie z Ellisem w 1973 roku. Nie namawiam czytelnik�w do szukania w niej dodatkowych infor- macji: jest w najwy�szym stopniu techniczna i zupe�nie nieczytel- na. Mam nadziej�, �e dzisiaj potrafi� pisa� w spos�b bardziej zro- zumia�y. W drugim, "kwantowym" okresie mojej pracy, od 1974 roku, wsp�pracownikami moimi byli przede wszystkim Gary Gibbons, Don Page i Jim Hartle. Zawdzi�czam wiele im, a tak�e moim doktorantom, kt�rzy pomagali mi w pracy i w sprawach praktycz- nych. Konieczno�� dotrzymania kroku w�asnym studentom by�a dla mnie zawsze znakomitym stymulatorem i, mam nadziej�, uchroni�a mnie przed popadni�ciem w rutyn�. W pisaniu tej ksi��ki pom�g� mi bardzo Brian Whitt, jeden z moich student�w. W 1985 roku, po napisaniu pierwszej jej wersji, z�apa�em zapalenie p�uc i w wyniku tracheotomii utraci�em g�os. Poniewa� nie mog�em prawie zupe�nie porozumiewa� si� z innymi lud�mi, straci�em nadziej�, �e zdo�am ksi��k� doko�- czy�. Brian nie tylko pom�g� mi j� poprawi�, ale nak�oni� mnie tak�e do wypr�bowania programu komunikacyjnego zwanego O�rodkiem �ycia, podarowanego przez Walta Woltosza z przed- si�biorstwa Words Plus Inc., z Sunnyyale w Kalifornii. U�ywaj�c tego programu mog� pisa� ksi��ki i artyku�y, a z pomoc� syntety- zatora mowy ofiarowanego przez Speech Plus, te� z Sunnyvale, tnog� r�wnie� rozmawia� z lud�mi. David Mason zamontowa� syntetyzator i ma�y komputer na moim fotelu na k�kach. Dzi�ki temu systemowi mog� teraz porozumiewa� si� z lud�mi lepiej ni� przed utrat� g�osu. Wiele os�b radzi�o mi, jak poprawi� pierwsz� wersj� tej ksi��ki. W szczeg�lno�ci Peter Guzzardi, redaktor z wy- dawnictwa Bantam Books, przysy�a� ca�e strony pyta� i komenta- rzy dotycz�cych kwestii, kt�rych, jego zdaniem, nie wyja�ni�em nale�ycie. Musz� przyzna�, �e bardzo mnie zirytowa�a ta d�uga lista proponowanych poprawek, ale racj� mia� on: jestem pewien, �e ksi��ka wiele zyska�a dzi�ki jego uporowi. Jestem bardzo zo- bowi�zany moim asystentom: Colinowi Williamsowi, Davidowi PODZI�KOWANIA Thomasowi i Raymondowi Laflamme'owi, moim sekretarkom: Judy Fella, Ann Raiph, Cheryl Billington i Sue Masey, oraz ze- spo�owi opiekuj�cych si� mn� piel�gniarek. Moja praca nie by�aby mo�liwa, gdyby koszty bada� i wydatki medyczne nie zosta�y pokryte przez Gonville i Caius College, Rad� Bada� Naukowych i In�ynieryjnych, oraz przez fundacje Leverhulme'a, McArthura, Nuffielda i Raipha Smitha. Jestem im bardzo wdzi�czny. Stephen Hawking 20 pa�dziernika 1987 r. WPROWADZENIE Zaj�ci naszymi codziennymi sprawami, nie rozumiemy niemal nic z otaczaj�cego nas �wiata. Rzadko my�limy o tym, jaki mecha- nizm wytwarza �wiat�o s�oneczne, dzi�ki kt�remu mo�e istnie� �ycie, nie zastanawiamy si� nad grawitacj�, bez kt�rej nie utrzy- maliby�my si� na powierzchni Ziemi, lecz poszybowaliby�my w przestrze� kosmiczn�, nie troszczymy si� te� o stabilno�� ato- m�w, z kt�rych jeste�my zbudowani. Z wyj�tkiem dzieci, (kt�re nie nauczy�y si� jeszcze, �e nie nale�y zadawa� wa�nych pyta�) tylko nieliczni spo�r�d nas po�wi�caj� du�o czasu na rozwa�ania, dlaczego przyroda jest taka, jaka jest, sk�d si� wzi�� Kosmos i czy istnia� zawsze, czy pewnego dnia kierunek up�ywu czasu si� od- wr�ci i skutki wyprzedza� b�d� przyczyny, oraz czy istniej� osta- teczne granice ludzkiej wiedzy. Spotka�em nawet takie dzieci, kt�- re chcia�y wiedzie�, jak wygl�daj� czarne dziury, jaki jest naj- mniejszy kawa�ek materii, dlaczego pami�tamy przesz�o��, a nie przysz�o��, jak obecny porz�dek m�g� powsta� z pierwotnego chaosu, i dlaczego istnieje Wszech�wiat. W naszym spo�ecze�stwie wi�kszo�� rodzic�w i nauczycieli wci�� jeszcze odpowiada na takie pytania wzruszeniem ramion lub odwo�uje si� do s�abo 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 ist- nienie takim w�a�nie pytaniom. Stawia je coraz wi�ksza liczba do- ros�ych i niekt�rzy dochodz� czasami do zdumiewaj�cych odpo- wiedzi. R�wnie odlegli od atom�w i gwiazd, rozszerzamy granice poznania tak, by obj�� nimi i to, co najmniejsze, i to, co naj- dalsze. Wiosn� 1974 roku, na dwa lata przed l�dowaniem sondy Vi- king na Marsie, uczestniczy�em w spotkaniu zorganizowanym przez Kr�lewskie Towarzystwo Naukowe w Londynie, na kt�rym WPROWADZENIE 11 zastanawiali�my si�, jak szuka� �ycia w Kosmosie. W czasie przerwy zauwa�y�em, �e w s�siedniej sali zebra�o si� o wiele licz- niejsze grono. Wszed�em tam wiedziony ciekawo�ci�. Wkr�tce zda�em sobie spraw�, �e przygl�dam si� staremu rytua�owi: przyjmowano nowych cz�onk�w do Kr�lewskiego Towarzystwa, jednej z najstarszych organizacji naukowych na �wiecie. W pierw- szym rz�dzie m�ody cz�owiek w fotelu na k�kach bardzo powoli wpisywa� swoje nazwisko do ksi�gi, w kt�rej, na jednej z pierw- szych stron, widnieje podpis Izaaka Newtona. Kiedy wreszcie sko�czy�, rozleg�y si� g�o�ne oklaski; Stephen Hawking by� ju� wtedy postaci� legendarn�. Obecnie Hawking jest "Lucasian Professor of Mathematics" na Uniwersytecie w Cambridge. Przed nim tytu� ten nale�a� mi�dzy innymi do Newtona i P.A.M. Diraca, dw�ch s�ynnych badaczy zjawisk w wielkich i ma�ych skalach. Jest ich godnym nast�pc�. Kr�tka historia czasu, pierwsza ksi��ka Hawkinga dla laik�w, powinna z wielu wzgl�d�w spodoba� si� szerokim kr�gom czytel- nik�w. W r�wnym stopniu co bogata zawarto�� ksi��ki powinna ich zainteresowa� fascynuj�ca mo�liwo�� poznania dr�g, kt�rymi biegnie my�l jej autora. Znajdziemy w niej przedstawione z nie- zwyk�� jasno�ci� problemy, z kt�rymi zmaga si� dzisiejsza fizyka, astronomia, kosmologia; znajdziemy w niej r�wnie� �wiadectwa odwagi. Jest to wreszcie ksi��ka o Bogu... a raczej o jego nieobecno�ci. S�owo B�g cz�sto pojawia si� na tych stronicach. Hawking usi�uje znale�� odpowied� na s�ynne pytania Einsteina, czy B�g mia� swobod� w tworzeniu Wszech�wiata. Pr�buje, jak sam stwierdza wprost, zrozumie� umys� Bo�y. To sprawia, �e konkluzja - przy- najmniej 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 Stw�rcy. Cari Sagan Cornell University Ithaca, Nowy York. l NASZ OBRAZ WSZECH�WIATA Pewien bardzo znany uczony (niekt�rzy twierdz�, �e by� to Ber- trand Russell) wyg�osi� kiedy� popularny odczyt astronomiczny. Opowiada�, jak Ziemia obraca si� dooko�a S�o�ca, a ono z kolei kr�ci si� wok� �rodka wielkiego zbiorowiska gwiazd, zwanego nasz� galaktyk�. Pod koniec wyk�adu w jednym z ko�cowych rz�d�w podnios�a si� niewielka, starsza pani i rzek�a: "Wszystko, co pan powiedzia�, to bzdura. �wiat jest naprawd� p�aski i spoczy- wa na grzbiecie gigantycznego ��wia". Naukowiec z u�mieszkiem wy�szo�ci spyta�: "A na czym spoczywa ten ��w?". Starsza pani mia�a gotow� odpowied�: "Bardzo pan sprytny, m�ody cz�owieku, bardzo sprytny, ale jest to ��w na ��wiu i tak do ko�ca!" Dla wi�kszo�ci ludzi obraz �wiata jako niesko�czonej wie�y z ��wi mo�e si� wyda� �mieszny, ale czemu w�a�ciwie uwa�amy, �e sami wiemy lepiej? Co wiemy o Wszech�wiecie i jak si� tego nauczyli�my? Jak Wszech�wiat powsta� i dok�d zmierza? Czy Wszech�wiat mia� pocz�tek, a je�li tak, to co by�o przedtem? Osi�gni�cia fizyki ostatnich lat, umo�liwione przez fantastyczny rozw�j technologii, sugeruj� pewne odpowiedzi na te stare pyta- nia. Kiedy� nasze odpowiedzi b�d� si� wydawa�y r�wnie oczywi- ste, jak oczywiste jest dla nas, �e Ziemia obraca si� wok� S�o�ca - albo r�wnie �mieszne, jak pomys� wie�y z ��wi. 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 potrafi� przedstawi� dwa dobre argumenty na poparcie twierdzenia, �e Ziemia jest kul�, a nie p�aszczyzn�. Po pierwsze, Arystoteles zdawa� sobie spraw�, �e za�mienia Ksi�yca powoduje Ziemia, zas�aniaj�c S�o�ce. Cie� Ziemi na Ksi�ycu jest zawsze okr�g�y, co by�oby uzasadnione tylko wtedy, je�li Ziemia by�aby kul�. Gdyby Ziemia by�a p�askim dyskiem, jej cie� NASZ OBRAZ WSZECH�WIATA 13 na og� by�by wyd�u�ony i eliptyczny, chyba �e za�mienie zdarza si� zawsze wtedy, gdy S�o�ce znajduje si� dok�adnie nad �rodkiem dysku. Po drugie, dzi�ki swym podr�om, Grecy wiedzieli, �e je�li Gwiazd� Polarn� obserwuje si� z rejon�w po�udniowych, to wida� j� ni�ej nad horyzontem ni� wtedy, gdy obserwator znajduje si� na p�nocy. (Poniewa� Gwiazda Polarna le�y nad biegunem p�- nocnym, pojawia si� ona dok�adnie nad g�ow� obserwatora stoj�- cego na biegunie, obserwator na r�wniku widzi j� natomiast do- k�adnie na horyzoncie). Znaj�c r�nic� po�o�enia Gwiazdy Polar- nej na niebie, gdy obserwuje si� j� w Egipcie i w Grecji, Arystote- les oszacowa� nawet, �e obw�d Ziemi wynosi 400 000 stadion�w. Nie wiemy, ilu metrom dok�adnie odpowiada� jeden stadion, ale prawdopodobnie by�o to oko�o 180 metr�w. Je�li tak, to Arysto- teles pope�ni� b��d: podany przeze� obw�d Ziemi jest dwa razy wi�kszy ni� przyjmowany przez nas. Grecy znali i trzeci argument przemawiaj�cy za kulisto�ci� Ziemi: gdyby Ziemia nie by�a kul�, to czemu najpierw widzieliby�my pojawiaj�ce si� nad horyzontem �agle statk�w, a dopiero p�niej ich kad�uby? Arystoteles uwa�a�, �e Ziemia spoczywa, a S�o�ce, Ksi�yc, planety i gwiazdy poruszaj� si� wok� niej po ko�owych orbitach. Przekonanie to wyrasta�o z jego pogl�d�w religijno-filozoficznych - zgodnie z nimi Ziemia stanowi�a �rodek Wszech�wiata, a ruch ko�owy by� ruchem najbardziej doskona�ym. W drugim wieku Ptolemeusz rozwin�� te idee i sformu�owa� pe�ny model kosmo- logiczny. Wed�ug niego Ziemia znajdowa�a si� w �rodku Wszech- �wiata i by�a otoczona o�mioma sferami niebieskimi, kt�re unosi- �y Ksi�yc, S�o�ce, gwiazdy i pi�� znanych wtedy planet (Merku- ry, Wenus, Mars, Jowisz i Saturn - rys. l). Aby wyja�ni� skomp- likowany ruch planet, Ptolemeusz zak�ada�, �e porusza�y si� one po mniejszych ko�ach, kt�rych �rodki przymocowane by�y do w�a�ciwych sfer. Sfera zewn�trzna zawiera�a gwiazdy sta�e, kt�- rych wzajemne po�o�enie nie zmienia�o si�, ale kt�re obraca�y si� wsp�lnie po niebie. Co le�a�o poza sfer� gwiazd sta�ych, nigdy nie zosta�o w pe�ni wyja�nione, lecz z pewno�ci� obszar ten nie nale- �a� do cz�ci Wszech�wiata dost�pnej ludzkim obserwacjom. Model ptolemejski pozwala� na w miar� dok�adne przewidywa- nie po�o�e� cia� niebieskich na niebie. Aby jednak osi�gn�� t� do- k�adno��, Ptolemeusz musia� przyj��, i� Ksi�yc porusza si� po takiej orbicie, �e gdy znajduje si� najbli�ej Ziemi, jego odleg�o�� 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 zdawa� sobie spraw� 14 KR�TKA HISTORIA CZASU SFERA GWIAZD STA�YCH SFERA MERKUREGO SFERA KSIʯYCA RYS. 1 z tego problemu, ale mimo to jego model zosta� og�lnie zaakcep- towany, cho� nie przez wszystkich. Ko�ci� chrze�cija�ski uzna� go za obraz Wszech�wiata zgodny z Pismem �wi�tym, poniewa� jego wielkim plusem by�o pozostawienie poza sfer� gwiazd sta�ych wiele miejsca na niebo i piek�o. Znacznie prostszy model zaproponowa� w 1514 roku polski ksi�dz Miko�aj Kopernik. (Pocz�tkowo, zapewne obawiaj�c si� zarzutu herezji, Kopernik rozpowszechnia� sw�j model, nie ujaw- niaj�c, �e jest jego tw�rc�). Wed�ug Kopernika w �rodku Wszech- �wiata znajdowa�o si� nieruchome S�o�ce, a Ziemia i inne planety porusza�y si� - wok� niego - po ko�owych orbitach. Min�� niemal wiek, nim model Kopernika zosta� potraktowany powa�- nie. Wtedy dopiero dwaj astronomowie - Niemiec, Johannes Kepler, i W�och, Galileusz, zacz�li propagowa� teori� Kopernika, mimo i� orbity obliczone na jej podstawie nie w pe�ni zgadza�y si� z obserwacjami. �miertelny cios zada� teorii Arystotelesa i Ptole- meusza w 1609 roku Galileusz, kt�ry rozpocz�� wtedy obserwacje nocnego nieba za pomoc� dopiero co wynalezionego przez siebie teleskopu. Patrz�c na Jowisza Galileusz odkry�, �e jest on otoczo- NASZ OBRAZ WSZECH�WIATA 15 ny przez kilka poruszaj�cych si� wok� niego satelit�w, czyli ksi�- �yc�w. Wynika�o z tych obserwacji, �e nie wszystkie cia�a niebie- skie musz� porusza� si� bezpo�rednio wok� Ziemi, jak uwa�ali Arystoteles i Ptolemeusz. (Oczywi�cie, mo�na by�o nadal utrzy- mywa�, �e Ziemia spoczywa w �rodku Wszech�wiata, a ksi�yce Jowisza poruszaj� si� naprawd� wok� niej, po bardzo skompli- kowanej drodze, stwarzaj�c tylko wra�enie, �e okr��aj� Jowisza. Teoria Kopernika by�a jednak o wiele prostsza). W tym samym czasie Kepler poprawi� teori� Kopernika, sugeruj�c, �e planety poruszaj� si� po orbitach eliptycznych, a nie ko�owych (elipsa to wyd�u�one ko�o). Po tym odkryciu przewidywane orbity planet zgodzi�y si� wreszcie z obserwacjami. Dla Keplera orbity eliptyczne by�y tylko hipotez� {ad hoc) i w dodatku odpychaj�c�, poniewa� elipsy by�y w oczywisty spo- s�b mniej doskona�e ni� ko�a. Ich zgodno�� z do�wiadczeniem stwierdzi� niemal przez przypadek i nigdy nie uda�o mu si� pogo- dzi� tego odkrycia z jego w�asn� tez�, �e planety s� utrzymywane na orbitach przez si�y magnetyczne. Wyja�nienie przysz�o znacz- nie p�niej, w roku 1687, kiedy Sir Izaak Newton opublikowa� Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Zasady Matematycz- ne Filozofii Naturalnej), zapewne najwa�niejsze dzie�o z zakresu nauk �cis�ych, jakie zosta�o kiedykolwiek napisane. Newton zapro- ponowa� w nim nie tylko teori� ruchu cia� w przestrzeni i czasie, ale rozwin�� r�wnie� skomplikowany aparat matematyczny po- trzebny do analizy tego ruchu. Sformu�owa� tak�e prawo pow- szechnej grawitacji, zgodnie z kt�rym dowolne dwa cia�a we Wszech�wiecie przyci�gaj� si� z si��, kt�ra jest tym wi�ksza, im wi�ksze s� masy tych cia� i im mniejsza jest odleg�o�� mi�dzy ni- mi. To ta w�a�nie si�a powoduje spadanie przedmiot�w na ziemi�. (Opowie�� o tym, jakoby inspiracj� dla Newtona sta�o si� jab�ko, kt�re spad�o mu na g�ow�, jest niemal na pewno apokryfem. New- ton wspomnia� tylko, �e pomys� powszechnej grawitacji przyszed� mu do g�owy, gdy "siedzia� w kontemplacyjnym nastroju" i "jego umys� zosta� pobudzony upadkiem jab�ka"). Nast�pnie Newton wykaza�, �e zgodnie z owym prawem grawitacji Ksi�yc powinien porusza� si� po elipsie wok� Ziemi, za� Ziemia i inne planety powinny okr��a� S�o�ce r�wnie� po eliptycznych orbitach. Model Kopernika nie zawiera� ju� niebieskich sfer Ptolemeusza, a wraz z nimi znikn�a idea, �e Wszech�wiat ma naturaln� grani- c�. Poniewa� wydaje si�, �e "sta�e gwiazdy" nie zmieniaj� swych pozycji, je�li pomin�� ich rotacj� na niebie, wynikaj�c� z obrotu 16 KR�TKA HISTORIA CZASU Ziemi wok� swej osi, przyj�to jako w pe�ni naturalne za�o�enie, �e s� to obiekty podobne do S�o�ca, tyle �e znacznie bardziej od nas oddalone. Newton zdawa� sobie spraw�, �e zgodnie z jego teori� grawitacji gwiazdy powinny przyci�ga� si� wzajemnie; nale�a�o 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�li- ciela tych czas�w, Newton argumentowa�, �e tak sta�oby si� rze- czywi�cie, w wypadku, gdyby liczba gwiazd by�a sko�czona i je�li by�yby one rozmieszczone w ograniczonym obszarze. Je�li nato- miast niesko�czenie wielka liczba gwiazd jest rozmieszczona mniej wi�cej r�wnomiernie w niesko�czonej przestrzeni, to nie istnieje �aden centralny punkt, w kt�rym mog�oby doj�� do owe- go zderzenia. Wyw�d ten stanowi przyk�ad pu�apki, 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� wok� niego znajduje si� niesko�czenie wiele gwiazd. Poprawne podej�cie do zagadnienia - co stwierdzono znacznie p�niej - polega na rozwa�eniu najpierw sko�czonego uk�adu gwiazd, kt�re spadaj� na �rodek tego uk�adu, i postawieniu nast�pnie pytania, co si� zmieni, je�li uk�ad otoczymy dodatkowymi gwiazdami r�wno- miernie roz�o�onymi w przestrzeni. Zgodnie z prawem ci��enia Newtona dodatkowe gwiazdy w og�le nie wp�yn� na ruch gwiazd wewn�trz wyr�nionego obszaru, te zatem spada� b�d� ku �rod- kowi 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 kt�rym si�a ci��enia jest zawsze przyci�gaj�ca. Warto zastanowi� si� przez chwil� nad panuj�cym a� do XX wieku klimatem intelektualnym, kt�ry sprawi�, �e nikt wcze�niej nie wpad� na pomys� rozszerzaj�cego si� lub kurcz�cego Wszech- �wiata. Przyjmowano powszechnie, �e Wszech�wiat albo istnia� w niezmiennym stanie przez ca�� wieczno��, albo zosta� stworzo- ny w obecnym kszta�cie w okre�lonej chwili w przesz�o�ci. Prze- konanie to, by� mo�e, wywodzi�o si� z ludzkiej sk�onno�ci do wia- ry 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, kt�rzy zdawali sobie sprawy z tego. �e zgodnie NASZ OBRAZ WSZECH�WIATA 17 z newtonowsk� teori� grawitacji Wszech�wiat nie m�g� by� statycz- ny, nie wpadli na pomys�, �e m�g�by si� on rozszerza�. Zamiast tego usi�owali oni zmieni� teori�, przyjmuj�c, �e si�a ci��enia mi�- dzy bardzo odleg�ymi cia�ami jest odpychaj�ca. Nie zmieni�oby to w zasadzie ich oblicze� ruchu planet, ale umo�liwi�oby istnienie niesko�czonych uk�ad�w gwiazd w stanie r�wnowagi: przyci�ga- nie pomi�dzy bliskimi gwiazdami by�oby zr�wnowa�one odpy- chaniem pochodz�cym od gwiazd odleg�ych. Jednak�e - jak wiemy to obecnie - nie by�aby to r�wnowaga sta�a - je�liby gwiazdy w pewnym obszarze zbli�y�y si� cho�by nieznacznie do siebie, powoduj�c wzmocnienie si� przyci�gaj�cych, umo�liwi�oby to pokonanie si� odpychaj�cych i w efekcie gwiazdy run�yby na siebie. Z drugiej strony, je�li gwiazdy oddali�yby si� nieco od sie- bie, to si�y odpychaj�ce przewa�y�yby nad przyci�gaj�cymi i spo- wodowa�yby dalszy wzrost odleg�o�ci mi�dzy gwiazdami. Wysuni�cie kolejnego zarzutu przeciwko modelowi niesko�- czonego i statycznego Wszech�wiata przypisuje si� zazwyczaj niemieckiemu filozofowi Heinrichowi Olbersowi, kt�ry sformu- �owa� go w 1823 roku. Faktem jest, �e ju� r�ni wsp�cze�ni Ne- wtonowi badacze zwracali uwag� na ten problem, a Olbers nie by� nawet pierwszym, kt�ry zaproponowa� spos�b jego rozwi�zania. Dopiero jednak po artykule Olbersa zwr�cono na� powszechnie uwag�. Trudno�� polega na tym, �e w niesko�czonym i statycz- nym Wszech�wiecie, patrz�c niemal w ka�dym kierunku, powin- ni�my natkn�� si� wzrokiem na powierzchni� gwiazdy. Dlatego ca�e niebo powinno by� tak jasne jak S�o�ce, nawet w nocy. Olbers wyja�nia� ten paradoks os�abieniem �wiat�a odleg�ych gwiazd wskutek poch�aniania go przez materi� znajduj�c� si� mi�dzy �r�d�em i obserwatorem. Gdyby jednak tak rzeczywi�cie by�o, to temperatura poch�aniaj�cej �wiat�o materii wzros�aby na tyle, �e materia �wieci�aby r�wnie jasno jak gwiazdy. Jedynym sposobem unikni�cia konkluzji, �e nocne niebo powinno by� tak samo jasne jak powierzchnia S�o�ca, by�oby za�o�enie, i� gwiazdy nie �wieci�y zawsze, ale zacz�y promieniowa� w pewnej chwili w przesz�o�ci. W tym wypadku poch�aniaj�ca �wiat�o materia mog�a nie zd��y� si� podgrza� do odpowiedniej temperatury albo �wiat�o odleg�ych gwiazd mog�o do nas jeszcze nie dotrze�. W ten spos�b dochodzimy do pytania, co mog�o spowodowa�, �e gwiaz- dy zacz�y si� �wieci�. Dyskusje na temat pocz�tku Wszech�wiata rozpocz�y si�, rzecz jasn.i, znacznie wcze�niej. Wedle wielu pradawnych kosmologii i zgodnie z tradycj� judeo-chrze�cija�sko-muzu�ma�sk� Wszech- 18 KR�TKA HISTORIA CZASU �wiat powsta� w okre�lonej chwili w niezbyt odleg�ej przesz�o�ci. Jednym z argument�w za takim pocz�tkiem by�o prze�wiadcze- nie, �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 spos�b wyja�ni� tylko wtedy, je�li mia� on jaki� pocz�tek). Inny argument przed- stawi� �w. Augustyn w swej ksi��ce O Pa�stwie Bo�ym. Wskaza� on, �e nasza cywilizacja rozwija si�, a my pami�tamy, kto czego dokona� i komu zawdzi�czamy r�ne pomys�y techniczne. Wobec tego ludzie, i zapewne te� i Wszech�wiat, nie istniej� prawdopo- dobnie zbyt d�ugo. Zgodnie z Ksi�g� Genezis, �w. Augustyn przyjmowa�, i� Wszech�wiat stworzony zosta� mniej wi�cej 5000 lat przed narodzeniem Chrystusa. (Warto zwr�ci� uwag�, �e ta data nie jest zbyt odleg�a od przyjmowanej dzi� daty ko�ca ostatniej epoki lodowcowej [10000 lat przed narodzeniem Chry- stusa], kiedy to, zdaniem archeolog�w, zacz�a si� naprawd� cywi- lizacja ludzka). Arystoteles i inni greccy filozofowie nie lubili pomys�u o stwo- "; r�eniu Wszech�wiata, poniewa� nadmiernie pachnia� im on bosk� interwencj�. Wierzyli raczej, �e ludzie i �wiat istnieli zawsze, za- wsze 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, kt�re wielokrotnie sprowadza�y ludzko�� do stanu barba- rzy�stwa. Zagadnienia pocz�tku Wszech�wiata i jego granic przestrzen- nych podda� p�niej gruntownej analizie filozof Immanuel Kant, w swym monumentalnym (i bardzo m�tnym) dziele Krytyka Czy- stego Rozumu, opublikowanym w 1781 roku. Nazwa� on te kwe- stie antynomiami (sprzeczno�ciami) czystego rozumu, poniewa� by� przekonany, i� mo�na poda� r�wnie przekonuj�ce argumenty za tez�, �e Wszech�wiat mia� pocz�tek, jak za antytez�, �e Wszech�wiat istnia� zawsze. Za istnieniem pocz�tku przemawia� wed�ug niego fakt, i� w przeciwnym wypadku ka�de zdarzenie by- �oby poprzedzone przez niesko�czony przedzia� czasu, a to uzna� on za absurd. Za antytez� (�wiat nie ma pocz�tku) przemawia� z kolei fakt, �e w przeciwnym wypadku pocz�tek Wszech�wiata by�by poprzedzony niesko�czenie d�ugim przedzia�em czasu, cze- mu zatem Wszech�wiat mia�by powsta� w�a�nie w jakiej� szcze- g�lnej chwili? W gruncie rzeczy racje Kanta na korzy�� tezy i an- tytezy zawieraj� ten sam argument. Oparte s� mianowicie na mil- NASZ OBRAZ WSZECH�WIATA 19 cz�cym za�o�eniu, zgodnie z kt�rym czas si�ga wstecz niesko�cze- nie daleko, niezale�nie od tego, czy Wszech�wiat istnia�, czy nie. Jak przekonamy si� p�niej, poj�cie czasu przed powstaniem Wszech�wiata nie ma �adnego sensu. Po raz pierwszy zwr�ci� na to uwag� �w. Augustyn. Gdy zapytano go, co czyni� B�g przed stworzeniem Wszech�wiata, �w. Augustyn nie odpowiedzia�, �e B�g stworzy� piek�o dla tych, co zadaj� takie pytania, lecz stwier- dzi�, �e czas jest w�asno�ci� stworzonego przez Boga Wszech�wia- ta i przed pocz�tkiem Wszech�wiata nie istnia�. Dop�ki wi�kszo�� ludzi wierzy�a w statyczny i niezmienny Wszech�wiat, dop�ty pytanie czy mia� on pocz�tek, czy te� nie, traktowano jako pytanie z zakresu metafizyki lub teologii. R�w- nie dobrze mo�na by�o wyja�nia� obserwacje, twierdz�c, �e istnia� zawsze, jak g�osz�c teori�, �e zosta� stworzony w okre�lonym momencie w przesz�o�ci w taki spos�b, by wydawa�o si�, i� istnia� zawsze. Ale w 1921 roku Edwin Hubbie dokona� fundamentalne- go odkrycia, �e niezale�nie od kierunku obserwacji widzimy wsz�dzie odleg�e galaktyki szybko oddalaj�ce si� od nas. Innymi s�owy. Wszech�wiat si� rozszerza. Oznacza to, �e w dawniejszych czasach cia�a niebieskie znajdowa�y si� bli�ej siebie. Istotnie, wy- gl�da na to, �e jakie� 10 czy 20 miliard�w lat temu wszystkie obiekty dzi� istniej�ce we Wszech�wiecie skupione by�y w jednym punkcie, a zatem g�sto�� Wszech�wiata by�a wtedy niesko�czona. To odkrycie wprowadzi�o wreszcie zagadnienie pocz�tku Wszech- �wiata do kr�lestwa nauki. Obserwacje Hubble'a wskazywa�y, �e w pewnej chwili, zwanej Wielkim Wybuchem, rozmiary Wszech�wiata by�y niesko�czenie ma�e, a jego g�sto�� niesko�czenie wielka. W takich warunkach wszystkie prawa nauki trac� wa�no��, a tym samym tracimy zdolno�� przewidywania przysz�o�ci. Je�li przed Wielkim Wybu- chem by�y nawet jakie� zdarzenia, to i tak nie mog�y one mie� wp�ywu na to, co dzieje si� obecnie. Istnienia takich zdarze� mo�- na nie bra� w og�le pod uwag�, bo nie mia�yby one �adnych ob- serwowalnych konsekwencji. Mo�na powiedzie�, �e czas rozpo- cz�� si� wraz z Wielkim Wybuchem, wcze�niej czas po prostu nie by� okre�lony. Nale�y podkre�li�, �e taka koncepcja pocz�tku Wszech�wiata w czasie r�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��, kt�ra by go wymusza�a. Mo�na sobie wyobrazi�, �e B�g stworzy� taki Wszech�wiat do- s�ownie w dowolnej chwili w przesz�o�ci. Z drugiej strony, je�li 20 KROTKA HISTORIA CZASU Wszech�wiat rozszerza si�, to mog�y istnie� fizyczne przyczyny, dla kt�rych jego powstanie by�o konieczno�ci�. Mo�na sobie dalej wyobra�a�, �e B�g stworzy� Wszech�wiat w chwili Wielkiego Wy- buchu lub nawet p�niej - ale w taki spos�b, by wygl�da�o na to, �e Wielki Wybuch mia� istotnie miejsce, by�oby jednak non- sensem s�dzi�, �e stworzenie odby�o si� przed Wielkim Wybu- chem. Rozszerzaj�cy si� Wszech�wiat nie wyklucza Stw�rcy, ale organicza jego swobod� w wyborze czasu wykonania tej pracy! M�wi�c o naturze Wszech�wiata i dyskutuj�c takie zagadnie- nia, 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 regu� wi���cych wielko�ci tego modelu z obserwa- cjami, jakie mo�na wykona�. Teoria istnieje wy��cznie w naszych umys�ach i nie mo�na jej przypisywa� �adnej innej realno�ci (co- kolwiek mog�oby to znaczy�). Dobra teoria naukowa musi spe�- nia� dwa warunki: musi poprawnie opisywa� rozleg�� klas� ob- serwacji, opieraj�c si� na modelu zawieraj�cym tylko nieliczne dowolne elementy, i musi umo�liwia� precyzyjne przewidywanie wynik�w przysz�ych pomiar�w. Na przyk�ad, teoria Arystotelesa, zgodnie z kt�r� wszystko by�o utworzone z czterech element�w - ognia, ziemi, powietrza i wody - by�a dostatecznie prosta, by zas�u�y� na miano naukowej, ale nie pozwala�a na �adne przewi- dywania. Z drugiej strony, teoria ci��enia Newtona opiera si� na jeszcze prostszym modelu, wedle kt�rego cia�a przyci�gaj� si� z si�� proporcjonaln� do ich mas i odwrotnie proporcjonaln� do kwadratu odleg�o�ci mi�dzy nimi. Mimo swej prostoty teoria Newtona przewiduje ruchy S�o�ca, Ksi�yca i planet z wielk� do- k�adno�ci�. Ka�da teoria fizyczna jest zawsze prowizoryczna, pozostaje tyl- ko hipotez�; nigdy nie mo�na jej udowodni�. Niezale�nie od tego, ile razy rezultaty eksperymentu zgadza�y si� z teori�, nadal nie mo�na mie� pewno�ci, czy kolejne do�wiadczenie jej nie zaprze- czy. Z drugiej strony �atwo obali� teori�, znajduj�c cho� jeden wynik eksperymentalny sprzeczny z jej przewidywaniami. Jak podkre�la� filozof nauki Kari Popper, dobr� teori� naukow� ce- chuje to, �e wynikaj� z niej liczne przewidywania, kt�re w zasa- dzie nadaj� si� do eksperymentalnego obalenia. Ilekro� wynik eksperymentu zgadza si� z przewidywaniami, sprawdzana teoria zyskuje na wiarygodno�ci, a nasze zaufanie do niej wzrasta, ale je�li tylko nowy wynik eksperymentalny zaprzecza teorii, musimy NASZ OBRAZ WSZECH�WIATA 21 j� porzuci� lub poprawi�. Tak przynajmniej by� powinno, lecz w praktyce zawsze mo�na kwestionowa� kompetencje ekspery- mentatora. Nowa teoria bardzo cz�sto stanowi w istocie rozwini�cie po- przedniej. Na przyk�ad, bardzo dok�adne obserwacje wykaza�y niewielkie r�nice mi�dzy ruchem Merkurego a przewidywaniami teorii Newtona. Przewidywania teorii Einsteina s� nieco inne. Ich zgodno�� z obserwacjami w po��czeniu z niezgodno�ci� przewi- dywa� Newtona stanowi�a jeden z najwa�niejszych dowod�w s�u- szno�ci teorii Einsteina. Mimo to w codziennej praktyce wci�� u�ywamy teorii Newtona, poniewa� r�nice mi�dzy przewidywa- niami obu teorii s� minimalne we wszystkich zwyczajnych sytua- cjach. (Poza tym teoria Newtona jest o wiele prostsza). Ostatecznym celem nauki jest sformu�owanie jednej teorii opi- suj�cej ca�y Wszech�wiat. W rzeczywisto�ci jednak wi�kszo�� na- ukowc�w dzieli problem na dwie cz�ci. Po pierwsze, szukamy praw, kt�re powiedzia�yby nam, jak Wszech�wiat zmienia si� w czasie. (Je�li znaliby�my stan Wszech�wiata w pewnej chwili, to prawa te pozwoli�yby nam przewidzie�, jak b�dzie on wygl�da� w dowolnej chwili p�niejszej). Po drugie, stoi przed nami zagad- nienie stanu pocz�tkowego Wszech�wiata. Niekt�rzy uwa�aj�, �e nauka powinna zajmowa� si� tylko pierwszym zagadnieniem, a problem stanu pocz�tkowego pozostawi� metafizyce lub religii. Powiadaj� oni, �e B�g, b�d�c wszechmog�cy, m�g� stworzy� Wszech�wiat w dowolny wybrany przez siebie spos�b. Mo�e i tak jest, ale w takim razie m�g� On r�wnie� sprawi�, �e Wszech�wiat b�dzie zmienia� si� w czasie w ca�kowicie arbitralny spos�b. Wy- daje si� jednak, �e zdecydowa� si� On stworzy� go tak, by jego rozw�j mia� przebieg wysoce uporz�dkowany zgodnie z ustalo- nymi prawami. Za r�wnie uzasadnione mo�na zatem uzna� za�o- �enie, �e istniej� prawa okre�laj�ce stan pocz�tkowy. Bardzo trudno jest za jednym zamachem sformu�owa� teori� opisuj�c� ca�y Wszech�wiat. Post�pujemy wi�c inaczej, dzielimy problem na kawa�ki i wymy�lamy r�ne teorie cz�stkowe. Ka�da taka teoria cz�stkowa opisuje pewien ograniczony zbi�r obserwa- cji, pomijaj�c inne wielko�ci lub opisuj�c je w spos�b uproszczony za pomoc� paru liczb. Takie podej�cie mo�e si� okaza� ca�kowicie fa�szywe. Je�li ka�de zjawisko we Wszech�wiecie po��czone jest fundamentalnymi zale�no�ciami ze wszystkimi innymi, to zapew- ne niemo�liwe jest znalezienie pe�nego rozwi�zania przez badanie poszczeg�lnych cz�ci problemu w izolacji. Niemniej jednak, po- st�puj�c w ten spos�b w przesz�o�ci, osi�gn�li�my na pewno cenne 22 KR�TKA HISTORIA CZASU rezultaty. Klasycznym przyk�adem jest znowu teoria ci��enia New- tona, zgodnie z kt�r� si�a grawitacji mi�dzy dwoma cia�ami zale�y tylko od jednej liczby zwi�zanej z ka�dym cia�em, mianowicie ma- sy, ale nie zale�y od materia�u, z jakiego te cia�a s� zrobione. Dzi�ki temu, nie znaj�c ani struktury, ani sk�adu S�o�ca i planet, mo�na obliczy� ich orbity. Obecnie naukowcy opisuj� Wszech�wiat za pomoc� dw�ch podstawowych teorii cz�stkowych - og�lnej teorii wzgl�dno�ci i mechaniki kwantowej. Obie stanowi� olbrzymie osi�gni�cia in- telektualne pierwszej po�owy naszego stulecia. Og�lna teoria wzgl�dno�ci opisuje si�� ci��enia i wielkoskalow� struktur� Wszech�wiata, to znaczy struktury o charakterystycznych wymia- rach od paru kilometr�w do miliona milion�w milion�w milio- n�w (l i 24 zera) kilometr�w, gdy� taki jest rozmiar Wszech�wia- ta. Mechanika kwantowa dotyczy natomiast zjawisk w nies�y- chanie ma�ych skalach, takich jak milionowa cz�� milionowej cz�ci centymetra. Niestety, wiadomo, �e te dwie teorie s� nie- zgodne ze sob� - obie jednocze�nie nie mog� by� poprawne. Jednym z g��wnych zada� wsp�czesnej fizyki - i najwa�niej- szym w�tkiem tej ksi��ki - jest poszukiwanie teorii, kt�ra po��- czy�aby obie te teorie cz�stkowe - to znaczy kwantowej teorii grawitacji. Nie znamy jeszcze takiej teorii i by� mo�e d�ugo jeszcze b�dziemy czeka� na jej sformu�owanie, ale znamy ju� liczne jej cechy charakterystyczne. Jak zobaczymy w nast�pnych rozdzia- �ach, ju� dzi� rozumiemy pewne konieczne konsekwencje kwan- towej teorii grawitacji. Je�li wierzymy, �e Wszech�wiat nie zachowuje si� w spos�b ar- bitralny, lecz �e rz�dz� nim okre�lone prawa, to w ko�cu musimy po��czy� teorie cz�stkowe w jedn�, pe�n� jednolit� teori�, kt�ra opisze wszystko, co zdarza si� we Wszech�wiecie. W poszukiwa- niu takiej teorii dostrzec mo�na jednak pewien paradoks. Kon- cepcja teorii naukowych, jak� naszkicowa�em powy�ej, zak�ada, i� jeste�my istotami racjonalnymi i mo�emy swobodnie obserwowa� Wszech�wiat oraz wyci�ga� logiczne wnioski z tych obserwacji. Przyj�wszy takie za�o�enie mamy prawo przypuszcza�, �e prowa- dz�c nasze badania, coraz lepiej poznajemy prawa rz�dz�ce Wszech�wiatem. Je�li jednak rzeczywi�cie istnieje pe�na i jednolita teoria, to powinna ona okre�la� r�wnie� nasze dzia�ania. A zatem teoria ta powinna wyznaczy� wynik naszych jej poszukiwa�! Dla- czeg� to jednak mia�aby ona gwarantowa� poprawno�� naszych wniosk�w dedukowanych z danych do�wiadczalnych? Czy�. r�w- nie dobrze nie mog�aby ona powodowa�, �e wnioski te by�yby NASZ OBRAZ WSZECH�WIATA 23 b��dne lub �e nie byliby�my w stanie doj�� do �adnych wniosk�w? Jedyne rozwi�zanie tego problemu, jakie mog� zaproponowa�, oparte jest na darwinowskiej zasadzie doboru, naturalnego. W dowolnej populacji samoreprodukuj�cych si� organizm�w ist- niej� r�nice w materiale genetycznym i w wychowaniu poszcze- g�lnych osobnik�w. R�nice te powoduj�, �e pewne osobniki po- trafi� lepiej ni� inne wyci�ga� wnioski o otaczaj�cym je �wiecie i dzia�a� zgodnie z nimi. Te osobniki maj� wi�ksze szans� na prze�ycie i rozmno�enie si�, a zatem ich wzorzec zachowania i my�lenia powinien sta� si� dominuj�cy. Z ca�� pewno�ci� praw- d� jest, �e w przesz�o�ci to, co nazywamy inteligencj� oraz odkry- ciami naukowymi, dawa�o przewag� w walce o przetrwanie. Nie jest to tak oczywiste obecnie: konsekwencje naszych odkry� na- ukowych mog� nas zniszczy�, a je�li nawet tak si� nie stanie, po- znanie kompletnej, jednolitej teorii mo�e w minimalnym stopniu tylko zwi�kszy� nasze szans� na przetrwanie. Je�li jednak Wszech- �wiat rozwija si� w spos�b regularny, to mo�emy oczekiwa�, �e zdolno�ci my�lenia, jakie nabyli�my dzi�ki doborowi naturalne- mu, oka�� si� przydatne r�wnie� w poszukiwaniu pe�nej teorii, nie wywiod� nas zatem na manowce fa�szywych wniosk�w. Skoro teorie cz�stkowe, kt�rymi ju� dysponujemy, s� wystar- czaj�ce, by m�c dok�adnie przewidywa�, co nast�pi we wszystkich sytuacjach, z wyj�tkiem zupe�nie ekstremalnych, trudno jest uza- sadnia� poszukiwanie kompletnej teorii wzgl�dami praktycznymi. (Warto jednak zauwa�y�, �e podobne argumenty mo�na by�o u�y� przeciwko teorii wzgl�dno�ci i mechanice kwantowej, a jed- nak zawdzi�czamy im energetyk� j�drow� i mikroelektronik�!). Poznanie kompletnej, jednolitej teorii zapewne nie zwi�kszy na- szej szansy na przetrwanie, mo�e nawet nie zmieni naszego stylu �ycia. Ale od zarania cywilizacji ludzie nie zadowalali si� nigdy obserwowaniem oddzielnych i nie wyja�nionych zjawisk, zawsze chcieli pozna� kryj�cy si� za nimi porz�dek panuj�cy we Wszech- �wiecie. Dzi� wci�� jeszcze pragniemy zrozumie�, kim jeste�my i sk�d si� wzi�li�my. G��bokie pragnienie wiedzy o�ywiaj�ce ludzko�� stanowi dostateczne uzasadnienie naszych poszukiwa�. A naszym celem jest kompletny opis �wiata, w kt�rym �yjemy, nic skromniejszego nas nie zadowoli. 2 CZAS I PRZESTRZE� Nasza obecna wiedza o ruchu cia� wywodzi si� od koncepcji Gali- leusza i Newtona. Przedtem ludzie wierzyli Arystotelesowi, kt�ry twierdzi�, �e naturalnym stanem cia�a jest spoczynek i �e porusza si� ono tylko pod wp�ywem si�y lub pchni�cia. Wynika�o st�d, �e ci�kie cia�a powinny spada� szybciej ni� lekkie, poniewa� s� mocniej przyci�gane w kierunku Ziemi. Zgodnie z arystotelesowsk� tradycj� uwa�ano, �e prawa rz�dz�- ce Wszech�wiatem mo�na odkry� apriorycznie: do�wiadczalnego sprawdzenia teorii nie uwa�ano za rzecz konieczn�. Wobec tego nikt przed Galileuszem nie zada� sobie trudu, by sprawdzi�, czy cia�a o r�nym ci�arze rzeczywi�cie spadaj� z r�nymi pr�dko- �ciami. Tradycja g�osi, i� Galileusz wykaza� fa�szywo�� pogl�d�w Arystotelesa zrzucaj�c ci�arki z pochy�ej wie�y w Pizie. Opowie�� ta prawie na pewno nie odpowiada prawdzie, ale Galileusz wyko- na� do�wiadczenie r�wnowa�ne; bada� toczenie si� kulek po po- chy�ej, g�adkiej powierzchni. Takie do�wiadczenie jest podobne do badania pionowego spadku, ale obserwacje s� �atwiejsze ze wzgl�- du na mniejsze pr�dko�ci cia�. Pomiary Galileusza wykaza�y, �e pr�dko�� wszystkich cia� wzrasta w identyczny spos�b, niezale�nie od ich ci�aru. Na przyk�ad, kulka staczaj�ca si� po p�aszczy�nie opadaj�cej o jeden metr na ka�de 10 metr�w ma pr�dko�� jedne- go metra na sekund� po pierwszej sekundzie, dw�ch metr�w na sekund� po drugiej, i tak dalej, zupe�nie niezale�nie od swego ci�- �aru. Oczywi�cie, o�owiany ci�arek spada szybciej ni� pi�rko, ale tylko dlatego, �e pi�rko jest hamowane przez op�r powietrza. Dwa cia�a, na kt�rych ruch op�r powietrza nie ma w zasadzie wp�ywu, jak na przyk�ad dwa r�ne ci�arki o�owiane, spadaj� w tym samym tempie. CZAS I PRZESTRZE� 25 Pomiary Galileusza pos�u�y�y Newtonowi za podstaw� jego praw ruchu. W do�wiadczeniu Galileusza na kulk� staczaj�c� si� po r�wni pochy�ej dzia�a�a stale ta sama si�a (jej ci�ar), a rezulta- tem by� jednostajny wzrost jej pr�dko�ci. Wynika�o st�d, �e rze- czywistym efektem dzia�ania si�y jest zawsze zmiana pr�dko�ci, a nie po prostu wprawienie cia�a w ruch, jak uwa�ano przedtem. Mo�na by�o z tego r�wnie� wywnioskowa�, �e cia�o, na kt�re nie dzia�a �adna si�a, porusza si� po prostej ze sta�� szybko�ci�. T� regu�� po raz pierwszy sformu�owa� explicite Newton w dziele Principia Mathematica, opublikowanym w 1687 roku; jest ona znana jako pierwsze prawo Newtona. Co dzieje si� z cia�em, gdy dzia�a na nie jaka� si�a, okre�la drugie prawo Newtona. Zgodnie z nim cia�o zmienia swoj� pr�dko��, czyli przy�piesza, w tempie proporcjonalnym do dzia�aj�cej si�y. (Na przyk�ad, przy�pieszenie jest dwukrotnie wi�ksze, je�li dzia�a dwukrotnie wi�ksza si�a). Przy�pieszenie jest r�wnie� tym mniejsze, im wi�ksza jest masa cia�a, czyli ilo�� materii. (Ta sama si�a, dzia�aj�c na cia�o o dwu- krotnie wi�kszej masie, powoduje o po�ow� mniejsze przy�piesze- nie). Znany przyk�ad stanowi tu ruch samochodu: im mocniejszy jest silnik, tym wi�ksze przy�pieszenie, ale im ci�szy samoch�d, tym przy�pieszenie jest mniejsze, je�eli motor jest ten sam. Opr�cz praw ruchu Newton odkry� r�wnie� prawo opisuj�ce si�� ci��enia. Wed�ug niego, ka�de cia�o przyci�ga ka�de inne cia- �o z si�� proporcjonaln� do mas obu cia�. Tak wi�c si�a dzia�aj�ca mi�dzy dwoma cia�ami powi�kszy si� dwukrotnie, je�li podwoimy mas� jednego z nich (nazwijmy je A). Tego nale�a�o oczekiwa�, poniewa� nowe cia�o A mo�na uwa�a� za utworzone z dw�ch cia� o masach r�wnych pocz�tkowej masie cia�a A. Ka�de z nich przy- ci�ga cia�o B z tak� si�� jak pierwotnie, a zatem ca�kowita si�a dzia�aj�ca mi�dzy A i B b�dzie dwukrotnie wi�ksza ni� pocz�tko- wo. Je�eli za�, powiedzmy, podwoimy mas� jednego cia�a i po- troimy mas� drugiego, to si�a dzia�aj�ca mi�dzy nimi wzro�nie sze�ciokrotnie. �atwo teraz zrozumie�, czemu wszystkie cia�a spadaj� z tak� sam� pr�dko�ci�: na cia�o o dwukrotnie wi�kszym ci�arze dzia�a dwukrotnie wi�ksza si�a przyci�gaj�ca je ku ziemi, ale ma ono te� dwukrotnie wi�ksz� mas�. Zgodnie z drugim pra- wem Newtona oba efekty si� znosz� i przy�pieszenie jest zawsze takie samo. Prawo grawitacji Newtona m�wi nam r�wnie�, �e si�a ci��enia jest tym s�absza, im wi�ksza jest odleg�o�� mi�dzy cia�ami. Zgod- nie z nim. si�a przyci�gania zmniejsza si� czterokrotnie, gdy odleg- 26 KR�TKA HISTORIA CZASU �o�� wzrasta dwukrotnie. Opieraj�c si� na tym prawie mo�na przewidzie� orbity Ziemi, Ksi�yca i wszystkich planet z wielk� dok�adno�ci�. Gdyby si�a ci��enia mala�a szybciej ze wzrostem odleg�o�ci, to orbity planet nie by�yby elipsami - planety spada- �yby na S�o�ce po torze spiralnym. Gdyby mala�a wolniej, si�y przyci�gania pochodz�ce od odleg�ych gwiazd przewa�y�yby nad przyci�ganiem Ziemi. Zasadnicza r�nica mi�dzy pogl�dami Arystotelesa z jednej strony a Newtona i Galileusza z drugiej polega na tym, �e Arysto- teles wierzy� w wyr�niony stan spoczynku, w jakim znajdowa�o- by si� ka�de cia�o, gdyby nie dzia�a�a na� �adna si�a. W szczeg�l- no�ci, uwa�a�, i� Ziemia spoczywa. Jednak zgodnie z prawami Newtona �aden wyr�niony stan spoczynku nie istnieje. Mo�na powiedzie�, �e cia�o A spoczywa, a cia�o B porusza si� wzgl�dem niego ze sta�� pr�dko�ci�, ale te� r�wnie dobrze powiedzie� mo�- na, �e spoczywa cia�o fi, a porusza si� cia�o A. Na przyk�ad, po- mijaj�c wirowanie Ziemi i jej ruch wok� S�o�ca, mo�na powie- dzie�, �e Ziemia spoczywa, a pewien poci�g porusza si� na p�noc z pr�dko�ci� 150 km na godzin�, lub odwrotnie, �e poci�g spo- czywa, a Ziemia porusza si� na po�udnie z t� sam� pr�dko�ci�.^ Badaj�c eksperymentalnie ruch cia� w poci�gu'stwierdziliby�my poprawno�� wszystkich praw Newtona. Na przyk�ad, graj�c w ping-ponga w poci�gu zauwa�yliby�my, �e pi�eczka porusza si� tak samo zgodnie z prawem Newtona jak pi�eczka, kt�r� grali- by�my na stole ustawionym obok tor�w. Nie ma zatem �adnego sposobu, aby stwierdzi�, czy porusza si� poci�g, czy te� Ziemia. Nieistnienie stanu absolutnego spoczynku oznacza, �e nie mo�- na stwierdzi�, czy dwa zdarzenia, kt�re mia�y miejsce w r�nym czasie, zasz�y w tym samym miejscu w przestrzeni. Na przyk�ad, pasa�er poci�gu widzi, �e pi�eczka pingpongowa podskakuje w g�r� i w d� w poci�gu, uderzaj�c dwa razy w to samo miejsce w odst�pie jednej sekundy. Kto�, kto obserwuje pi�eczk� stoj�c na peronie, stwierdzi, �e dwa podskoki zdarzy�y si� w miejscach od- dalonych od siebie o oko�o czterdzie�ci metr�w, poniewa� taki mniej wi�cej dystans pokona poci�g w czasie jednej sekundy. Z nieistnienia absolutnego spoczynku wynika wi�c, �e wbrew przekonaniu Arystotelesa niemo�liwe jest przypisanie zdarzeniom absolutnego po�o�enia w przestrzeni. Miejsce zdarze� i odleg�o�� mi�dzy nimi s� r�ne dla kogo� jad�cego poci�giem i kogo� inne- go, stoj�cego na peronie, i nie ma �adnych uzasadnionych powo- d�w, by uzna� obserwacje jednej z tych os�b za prawdziwsze od obserwacji drugiej. CZAS I PRZESTRZE� 27 Newton by� bardzo zmartwiony z powodu nieistnienia absolut- nego po�o�enia zdarze� lub te� nieistnienia absolutnej przestrzeni, jak to wtedy nazywano, poniewa� nie zgadza�o si� to z jego kon- cepcj� absolutnego Boga. W istocie rzeczy odm�wi� on przyj�cia do wiadomo�ci braku absolutnej przestrzeni, cho� by�a to kon- sekwencja jego praw ruchu. Za t� irracjonaln� postaw� krytyko- wa�o go ostro wielu ludzi, spo�r�d kt�rych warto wymieni� bi- skupa Berkeleya, filozofa przekonanego, �e wszystkie przedmioty materialne oraz przestrze� i czas s� iluzj�. Kiedy s�awny Dr John- son us�ysza� o pogl�dach Berkeleya, wykrzykn��: "Tak je oba- lam!" i uderzy� stop� w pobliski kamie�. I Newton, i Arystoteles wierzyli w istnienie absolutnego czasu, to znaczy, wierzyli oni, �e mo�na bez �adnych dowolno�ci zmie- rzy� odst�p czasu mi�dzy dwoma zdarzeniami i wynik b�dzie identyczny, niezale�nie od tego, kto wykona� pomiar, pod warun- kiem, �e u�ywa� dobrego zegara. Czas by� wed�ug nich kompletnie oddzielony i niezale�ny od przestrzeni. Taki pogl�d wi�kszo�� lu- dzi uwa�a za oczywisty i zgodny ze zdrowym rozs�dkiem. Mimo to musieli�my zmieni� pogl�dy na czas i przestrze�. Chocia� nasze zdroworozs�dkowe poj�cia dobrze pasuj� do opisu ruchu przed- miot�w poruszaj�cych si� wzgl�dnie powoli - takich jak jab�ka i planety - zawodz� jednak ca�kowicie, gdy pr�bujemy ich u�y- wa� do opisu ruchu cia� poruszaj�cych si� z pr�dko�ci� blisk� pr�dko�ci �wiat�a. �wiat�o porusza si� z ogromn�, ale sko�czon� pr�dko�ci� - ten fakt odkry� w 1676 roku du�ski astronom Ole Christensen Roemer. Zaobserwowa� on, �e ksi�yce Jowisza nie chowaj� si� za nim w r�wnych odst�pach czasu, jak mo�na by oczekiwa�, gdyby okr��a�y go w r�wnym tempie. W trakcie ruchu Ziemi i Jowisza wok� S�o�ca zmienia si� odleg�o�� mi�dzy nimi. Roemer zauwa- �y�, �e za�mienia ksi�yc�w s� op�nione tym bardziej, im wi�k- sza by�a odleg�o�� od Ziemi do Jowisza. Twierdzi�, �e dzieje si� tak, poniewa� �wiat�o ksi�yc�w potrzebowa�o wi�cej czasu, aby dotrze� do Ziemi, gdy znajdowa�a si� ona dalej od nich. Pomiary zmian odleg�o�ci mi�dzy Ziemi� a Jowiszem, jakich dokona� Roemer, nie by�y jednak bardzo dok�adne i dlatego wyliczona przeze� pr�dko�� �wiat�a - 200 ty�. km/s - by�a mniejsza ni� dzi� przyjmowana warto�� 300 ty�. km/s. Niemniej jednak Roe- mer nie tylko wykaza�, �e �wiat�o porusza si� ze sko�czon� pr�d- ko�ci�, ale r�wnie� /mierzy� j�, co w sumie oceni� nale�y jako wspania�y sukces. Zas�uguje on na uwag� tym bardziej, �e Roemer 28 KR�TKA HISTORIA CZASU osi�gn�� go jedena�cie lat przed ukazaniem si� Principia Mathema- tica Newtona. Na poprawn� teori� rozchodzenia si� �wiat�a trzeba by�o czeka� a� do 1865 roku, kiedy to brytyjski fizyk James Clerk Maxwell zdo�a� po��czy� cz�stkowe teorie stosowane przedtem do opisu si� elektryczno�ci i magnetyzmu. Z r�wna� Maxwella wynika istnie- nie falowych zaburze� pola elektromagnetycznego, kt�re powinny rozprzestrzenia� si� ze sta�� pr�dko�ci�, podobnie jak fale na po- wierzchni stawu. Je�li d�ugo�� takich fal (to znaczy odleg�o�� mi�- dzy dwoma kolejnymi grzbietami fal) wynosi metr lub wi�cej, nazywamy je falami radiowymi. Fale o mniejszej d�ugo�ci nazy- wamy mikrofalami (par� centymetr�w) lub falami podczerwony- mi (wi�cej ni� dziesi�ciotysi�czna cz�� centymetra). �wiat�o wi- dzialne to fala elektromagnetyczna o d�ugo�ci pomi�dzy czterdzie- stoma a osiemdziesi�cioma milionowymi cz�ciami centymetra. Jeszcze kr�tsze fale nazywamy ultrafioletowymi, promieniami Roentgena, promieniami gamma. Z teorii Maxwella wynika�o, �e �wiat�o porusza si� ze sta�� pr�dko�ci�. Ale skoro teoria Newtona wyeliminowa�a poj�cie absolutnego spoczynku, to m�wi�c, i� �wiat�o porusza si� ze sta�� pr�dko�ci�, nale�a�o koniecznie powiedzie�, wzgl�dem czego ta pr�dko�� ma by� mierzona. Wobec tego fizycy zasugerowali ist- nienie pewnej specjalnej substancji zwanej "eterem", obecnej wsz�dzie, nawet w "pustej" przestrzeni. Fale �wietlne mia�y poru- sza� si� w eterze, tak jak fale d�wi�kowe poruszaj� si� w powie- trzu, pr�dko�� ich zatem nale�a�o mierzy� wzgl�dem eteru. R�ni obserwatorzy, poruszaj�cy si� wzgl�dem eteru, powinni postrze- ga� �wiat�o biegn�ce ku nim z r�n� pr�dko�ci�, ale pr�dko�� �wiat�a wzgl�dem eteru by�aby sta�a. W szczeg�lno�ci, skoro Zie- mia w swym ruchu orbitalnym wok� S�o�ca porusza si� wzgl�- dem eteru, to pr�dko�� �wiat�a mierzona w kierunku ruchu Ziemi przez eter (kiedy poruszamy si� w kierunku �r�d�a �wiat�a) po- winna by� wi�ksza ni� pr�dko�� �wiat�a mierzona w kierunku prostopad�ym do kierunku ruchu. W 1887 roku Albert Michelson (kt�ry p�niej zosta� pierwszym ameryka�skim laureatem Nagro- dy Nobla w dziedzinie fizyki) i Edward Morley przeprowadzili bardzo staranny eksperyment w Case School of