Teoria wszystkiego, czyli krótka historia wszechświata ebook

WPROWADZENIE

W niniejszej serii wykładów postaram się omówić pokrótce to, co uważamy za dzieje wszechświata — od wielkiego wybuchu do czarnych dziur. W pierwszej prelekcji przedstawię, jak kształtowały się w przeszłości koncepcje dotyczące wszechświata, i pokażę, w jaki sposób doszliśmy do obecnego stanu wiedzy. Można by powiedzieć, że będzie to historia historii wszechświata.

W drugim wykładzie będzie mowa o tym, w jaki sposób teorie grawitacji Newtona i Einsteina doprowadziły naukowców do wniosku, że wszechświat nie może być statyczny — musi się rozszerzać lub kurczyć. To z kolei oznacza, że w pewnym momencie mieszczącym się w przedziale 10 – 20 miliardów lat temu wszechświat miał nieskończoną gęstość. Ten moment, zwany wielkim wybuchem, jest uważany za początek wszechświata.

Trzeci wykład zostanie poświęcony czarnym dziurom. Powstają one, gdy gwiazda o dużej masie lub jeszcze większe ciało niebieskie zapada się pod wpływem własnej grawitacji. Zgodnie z ogólną teorią względności Einsteina każdy, kto byłby wystarczająco nierozsądny, by wpaść do czarnej dziury, zniknąłby w niej bezpowrotnie, ponieważ nigdy nie mógłby się z niej wydostać. Jego życie zakończyłoby się w momencie zetknięcia z osobliwością. Niemniej jednak ogólna teoria względności jest teorią klasyczną, co oznacza, że nie uwzględnia zasady nieoznaczoności — fundamentalnej reguły mechaniki kwantowej.

W czwartym wykładzie opowiem o tym, w jaki sposób mechanika kwantowa pozwala energii wyciekać z czarnych dziur. Okazuje się bowiem, że czarne dziury wcale nie są takie czarne, jak się wydaje.

Piąty wykład to przede wszystkim opis konsekwencji zastosowania zasad mechaniki kwantowej do objaśnienia wielkiego wybuchu i początku wszechświata. Takie podejście prowadzi do stwierdzenia, że czasoprzestrzeń może być skończona i nie posiadać jednocześnie granicy ani brzegu. Przypominałaby wtedy powierzchnię Ziemi z dwoma dodatkowymi wymiarami.

W szóstym wykładzie pokażę, w jaki sposób ta nowa propozycja warunków granicznych pozwala wyjaśnić, dlaczego przeszłość tak bardzo różni się od przyszłości, nawet jeśli prawa fizyki są czasowo symetryczne.

Na zakończenie, w siódmym wykładzie, opiszę starania mające na celu sformułowanie zunifikowanej teorii obejmującej mechanikę kwantową, grawitację i wszystkie inne oddziaływania fizyczne. Gdyby udało się ją stworzyć, moglibyśmy w pełni zrozumieć wszechświat i nasze w nim miejsce.

wykład pierwszy KONCEPCJE WSZECHŚWIATA

Już w 340 roku p.n.e. Arystoteles przedstawił w traktacie Oniebie dwa dobre argumenty za tym, że Ziemia jest kulą, a nie dyskiem. Po pierwsze, zdał sobie sprawę, że do zaćmień Księżyca dochodzi wtedy, gdy Ziemia znajduje się między Księżycem a Słońcem. Cień Ziemi na Księżycu jest zawsze okrągły, co świadczy o tym, że Ziemia ma kształt kuli. Gdyby była płaskim dyskiem, jej cień byłby wydłużony i eliptyczny, chyba że w momencie zaćmienia Słońce znajdowałoby się zawsze dokładnie nad środkiem dysku.

Po drugie, Grecy zauważyli podczas swych licznych podróży, że im bardziej na południe znajduje się obserwator, tym niżej nad horyzontem widzi Gwiazdę Polarną. Wziąwszy pod uwagę dokonane w Egipcie i w Grecji pomiary położenia Gwiazdy Polarnej nad widnokręgiem, Arystoteles oszacował nawet, że przybliżony obwód Ziemi wynosi około 400 tysięcy stadionów. Nie wiadomo dokładnie, jaką długość miał stadion, ale można przyjąć, że było to około 180 metrów. Wobec tego długość obwodu Ziemi oszacowana przez Arystotelesa była prawie dwa razy większa od obecnie uznawanej za prawidłową.

Grecy mieli jeszcze jeden argument za tym, że Ziemia jest kulą. Jak inaczej można było wytłumaczyć fakt, że na horyzoncie najpierw pojawiają się żagle, a dopiero po jakimś czasie kadłub płynącego statku? Arystoteles sądził, że Ziemia stoi w miejscu, a Słońce, Księżyc, planety i gwiazdy obiegają ją po kołowych orbitach. Wierzył w to, ponieważ z jakichś przyczyn natury mistycznej czuł, że Ziemia stanowi centrum wszechświata, a ruch po orbicie kołowej jest najbliższy ideałowi.

W pierwszym wieku naszej ery koncepcja ta została rozwinięta przez Ptolemeusza w kompletny model kosmologiczny. Według niego Ziemia stanowiła środek wszechświata, otoczony przez osiem sfer, na których znajdowało się Słońce, Księżyc, gwiazdy i pięć znanych w jego czasach planet: Merkury, Wenus, Mars, Jowisz i Saturn. Planety poruszały się po powierzchni swoich sfer po małych okręgach, co miało wyjaśniać ich dosyć skomplikowane trajektorie, obserwowane na niebie. Sfera zewnętrzna była sferą tak zwanych gwiazd stałych, które zawsze pozostawały w niezmiennym położeniu względem siebie, ale wszystkie razem krążyły wokół Ziemi. Nie wiadomo było, co znajduje się poza sferą gwiazd stałych, ale z pewnością nie była to część wszechświata dostępna dla ludzkiego oglądu.

Model Ptolemeusza stanowił dosyć dokładny system przewidywania pozycji ciał niebieskich na nieboskłonie. Jednak aby wyznaczać je prawidłowo, Ptolemeusz musiał przyjąć założenie, że Księżyc porusza się po orbicie, która w pewnych miejscach znajduje się dwa razy bliżej Ziemi niż w innych. To z kolei oznacza, że Księżyc musi się czasem wydawać dwa razy większy niż zwykle. Ptolemeusz zdawał sobie sprawę z tej wady, ale mimo to jego model został ogólnie zaakceptowany. Kościół uznał go za zgodny z Pismem Świętym, zauważył bowiem tę ważną zaletę, że poza sferą gwiazd stałych zostawało sporo miejsca na raj i piekło.

W 1514 roku polski duchowny, Mikołaj Kopernik, zaproponował znacznie prostszy model wszechświata. Z obawy przed oskarżeniem o herezję na początku rozpowszechniał go anonimowo. Kopernik sądził, że Słońce stoi w miejscu pośrodku wszechświata, a planety obiegają je po kołowych orbitach. Niestety musiało upłynąć sto lat, zanim dokonania Kopernika zaczęto traktować z należytą powagą. Wtedy właśnie dwaj astronomowie — Niemiec Johannes Kepler i Włoch Galileusz — zaczęli publicznie głosić teorię kopernikańską, mimo że orbity przewidziane przez Kopernika nie pokrywały się dokładnie z tymi, które obserwowano. Ostateczny upadek modelu Arystotelesa i Ptolemeusza nastąpił w 1609 roku, kiedy Galileusz posłużył się do obserwacji nocnego nieba dopiero co wynalezionym teleskopem.

W wyniku obserwacji Jowisza Galileusz stwierdził, że towarzyszy mu kilka niewielkich, orbitujących wokół niego satelitów, czyli księżyców. Oznaczało to, że nie wszystkie ciała niebieskie muszą krążyć wokół Ziemi, jak sądzili Arystoteles i Ptolemeusz. Oczywiście nadal można było wierzyć, że Ziemia stoi w miejscu, a księżyce Jowisza poruszają się po niezwykle skomplikowanych orbitach wokół niej, sprawiając wrażenie, że obiegają swoją planetę. Niemniej jednak teoria Kopernika była znacznie prostsza.

W tym samym czasie Kepler zmodyfikował teorię Kopernika, sugerując, że orbity planet nie są okręgami, lecz elipsami. Przewidywania wreszcie zaczęły się zgadzać z wynikami obserwacji. Eliptyczne orbity Keplera były tylko doraźną hipotezą, i to dosyć odrażającą, ponieważ elipsa jest zdecydowanie mniej idealnym kształtem niż okrąg. Odkrywszy — niemal przez przypadek — że orbity eliptyczne są zgodne z wynikami obserwacji, nie potrafił z kolei pogodzić tego faktu z założeniem, że siłą utrzymującą planety na orbitach jest przyciąganie magnetyczne.

Wyjaśnienie tej sprzeczności pojawiło się znacznie później, w roku 1687, kiedy Newton opublikował dzieło PrincipiaMathematicaNaturalisCausae. Była to prawdopodobnie najważniejsza praca w dziejach fizyki. Newton nie tylko sformułował w niej teorię wyjaśniającą zasady ruchu ciał w czasie i przestrzeni, ale także opracował metody matematyczne potrzebne do analizowania tego ruchu. Co więcej, postulował działanie prawa powszechnego ciążenia. Głosi ono, że dowolne dwa ciała we wszechświecie przyciągają się wzajemnie z siłą proporcjonalną do masy tych ciał i odwrotnie proporcjonalną do odległości między nimi. Ta sama siła powoduje spadanie przedmiotów na ziemię. Historia o tym, że Newton został uderzony jabłkiem w głowę, jest bardzo wątpliwa. On sam powiedział na ten temat tylko tyle, że koncepcja grawitacji przyszła mu do głowy, kiedy siedział zadumany, a bodźcem, który spowodował jej powstanie, był upadek jabłka.

Newton wykazał, że zgodnie z jego prawem to grawitacja sprawia, iż Księżyc porusza się po orbicie eliptycznej wokół Ziemi, a Ziemia i inne planety poruszają się po eliptycznych orbitach wokół Słońca. Z modelu kopernikańskiego znikły ostatecznie sfery niebieskie Ptolemeusza, a razem z nimi wyobrażenie, że wszechświat ma naturalne granice. Względne położenie gwiazd stałych nie ulega zmianie, kiedy Ziemia krąży wokół Słońca, więc w sposób naturalny zrodziło się przypuszczenie, że są one obiektami podobnymi do naszego Słońca, lecz znacznie bardziej oddalonymi. Pojawił się jednak nowy problem. Newton zdawał sobie sprawę, że zgodnie z jego prawem powszechnego ciążenia gwiazdy powinny się przyciągać, a zatem teoretycznie nie mogły pozostawać w bezruchu. Czy nie powinny zatem dążyć do jednego punktu?

W napisanym w 1691 roku liście do Richarda Bentleya, innego wpływowego myśliciela tamtych czasów, Newton argumentował, że mogłoby do tego dojść, gdyby liczba gwiazd była skończona. Jeżeli jednak we wszechświecie istnieje nieskończona liczba gwiazd rozlokowanych mniej więcej równomiernie w nieskończonej przestrzeni, nie może do tego dojść, ponieważ nie istnieje żaden punkt centralny, w którym gwiazdy mogłyby się skupić. Ten argument jest przykładem pułapki, w którą można wpaść, gdy mówi się o nieskończoności.

W nieskończonym wszechświecie każdy punkt może być uważany za centralny, ponieważ każdy jest otoczony nieskończoną liczbą gwiazd. Dopiero znacznie później zrozumiano, że właściwe podejście do tego zagadnienia wymaga rozważenia skończonego układu gwiazd, które spadają do jego centralnego punktu. Następnie należy sobie zadać pytanie, jak zmieniłaby się sytuacja, gdyby poza tą ograniczoną przestrzenią znajdowało się więcej równomiernie rozlokowanych gwiazd. Zgodnie z prawem Newtona dodatkowe gwiazdy nie wpłynęłyby na sytuację gwiazd w ograniczonym układzie, które spadałyby do środka równie szybko. Możemy dodać tyle gwiazd, ile tylko chcemy, ale to nie zapobiegnie zapadaniu się całego układu. Teraz wiemy, że nie można zbudować statycznego modelu wszechświata, w którym grawitacja zawsze jest przyciągająca.

Warto się zastanowić nad klimatem intelektualnym panującym aż do XX wieku. Sprawił on, że nikt wcześniej nie wpadł na to, iż wszechświat może się kurczyć lub rozszerzać. Powszechnie sądzono, że wszechświat istniał wiecznie w niezmienionej postaci albo został stworzony w określonym momencie w przeszłości w postaci mniej więcej takiej, jaką obserwujemy obecnie. Mogło to wynikać w pewnej mierze z ludzkiej tendencji do wyznawania wiary w odwieczne prawdy oraz z komfortu, jaki dawała myśl, że nawet jeśli człowiek starzeje się i umiera, wszechświat się nie zmienia.

Nawet ci, którzy zdawali sobie sprawę, że teoria grawitacji Newtona pokazuje, iż wszechświat nie może być statyczny, nie wpadli na to, że może on się rozszerzać. Zamiast tego próbowali modyfikować teorię, sugerując, że w przypadku bardzo dużych odległości siła grawitacji działa odpychająco. Nie wpływało to w istotny sposób na ich przewidywania ruchu planet. Pozwalało jednak utrzymać układ nieskończonej liczby gwiazd w równowadze, ponieważ siła wzajemnego przyciągania gwiazd znajdujących się blisko siebie była równoważona siłą odpychania gwiazd położonych znacznie dalej.

Niemniej jednak wiemy już, że taka równowaga byłaby nietrwała. Gdyby gwiazdy w jednym regionie nieznacznie zbliżyły się do siebie, siła przyciągania między nimi wzrosłaby i zaczęła przewyższać siłę odpychania gwiazd odległych, w związku z czym gwiazdy wpadłyby na siebie. Z drugiej strony, gdyby dwie gwiazdy nieznacznie się od siebie oddaliły, siła odpychania zaczęłaby dominować, w wyniku czego gwiazdy te oddalałyby się jeszcze bardziej.

Kolejne zastrzeżenie do koncepcji nieskończonego, statycznego wszechświata przypisuje się niemieckiemu filozofowi Heinrichowi Olbersowi. W rzeczywistości wielu współczesnych Newtonowi myślicieli podnosiło ten problem, a artykuł Olbersa z 1823 roku nie był nawet pierwszą pracą, która zawierała wiarygodne argumenty za stanowiskiem krytyków statycznego modelu. Była to jednak pierwsza rozprawa, która została powszechnie dostrzeżona. Problem polegał na tym, że w nieskończonym, statycznym wszechświecie każda linia i płaszczyzna kończyłaby się na powierzchni jakiejś gwiazdy. Należałoby zatem oczekiwać, że całe niebo będzie jasne jak Słońce, nawet w nocy. Olbers sformułował kontrargument, według którego światło odległych gwiazd miało być pochłaniane przez materię znajdującą się między obserwatorem a gwiazdą. Gdyby jednak tak było, ta materia musiałaby w końcu rozgrzać się do tak wysokiej temperatury, że sama zaczęłaby świecić jak gwiazda.

Jednym ze sposobów uniknięcia konkluzji, że całe nocne niebo byłoby jasne jak Słońce, było założenie, że gwiazdy nie świecą od zarania dziejów, lecz zaczęły świecić w jakimś określonym momencie w przeszłości. W tym przypadku absorbująca światło materia mogła się jeszcze nie rozgrzać lub światło z odległych gwiazd mogło jeszcze do nas nie dotrzeć. W tym miejscu pojawia się jednak pytanie o to, co spowodowało, że gwiazdy zaczęły świecić.

POCZĄTEK WSZECHŚWIATA

Początek wszechświata jest oczywiście przedmiotem dyskusji od bardzo dawna. Według wielu wczesnych kosmologii osadzonych w tradycji żydowskiej, chrześcijańskiej i muzułmańskiej wszechświat powstał w określonym i niezbyt odległym momencie w przeszłości. Jednym z argumentów na poparcie tej koncepcji było uczucie, że do wyjaśnienia istnienia wszechświata nieodzowna jest pierwsza przyczyna.

Inny argument wysunął św. Augustyn w rozprawie OpaństwieBożym. Wskazał, że cywilizacja się rozwija, a my pamiętamy, kto dokonał określonych czynów lub stworzył różne wynalazki. Wobec tego człowiek, a być może również cały wszechświat, nie może istnieć od zbyt dawna, ponieważ w przeciwnym razie zdążylibyśmy się bardziej rozwinąć.

Św. Augustyn przyjął rok 5000 p.n.e. jako datę stworzenia wszechświata według Księgi Rodzaju. To ciekawe, że nie odbiega ona znacznie od daty zakończenia ostatniego zlodowacenia (około 10 tysięcy lat p.n.e.), kiedy to rzeczywiście zaczęła się rozwijać cywilizacja. Z kolei Arystotelesowi i większości innych greckich filozofów nie podobała się koncepcja stworzenia, ponieważ zakładała boską interwencję. Wierzyli oni, że ludzka rasa istniała i będzie istniała wiecznie, tak samo jak świat, w którym żyje. Wzięli pod uwagę opisany wcześniej argument dotyczący postępu i odpowiedzieli, że w historii świata dochodziło do okresowych powodzi i innych katastrof, które za każdym razem cofały rasę ludzką do początków cywilizacji.

Kiedy większość ludzi wierzyła w statyczny i niezmienny wszechświat, pytanie o to, czy miał on początek, należało do dziedziny metafizyki lub teologii. Można było na nie odpowiedzieć w dwojaki sposób: albo wszechświat istniał zawsze, albo został wprawiony w ruch w określonym momencie w przeszłości, w taki sposób, żeby sprawiał wrażenie, jakby istniał zawsze. Tymczasem w 1929 roku Edwin Hubble dokonał przełomowej obserwacji. Zauważył mianowicie, że w którymkolwiek kierunku spojrzymy, w globalnej skali gwiazdy oddalają się od nas z dużą prędkością. Innymi słowy, wszechświat się rozszerza. To oznacza, że wcześniej wszystkie obiekty w kosmosie były położone bliżej siebie. W rzeczywistości wydaje się, że jakieś 10 lub 20 miliardów lat temu wszystkie znajdowały się dokładnie w tym samym miejscu.

To odkrycie pozwoliło ostatecznie wprowadzić pytanie o początek wszechświata do dziedziny nauk ścisłych. Obserwacje Hubble’a sugerowały, że w pewnym momencie w przeszłości, zwanym wielkim wybuchem, wszechświat był nieskończenie mały, a co za tym idzie — również nieskończenie gęsty. Jeśli przed tym momentem zachodziły jakieś zdarzenia, nie miały żadnego wpływu na to, co się dzieje w obecnym czasie. Ich istnienie można pominąć, ponieważ nie mają obserwowalnych konsekwencji.