[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Stephen W. Hawking
KRÓTKA HISTORIA CZASU
OD WIELKIEGO WYBUCHU DO CZARNYCH DZIUR
SPIS TREÅšCI
Podziękowania ........................... 7
Wprowadzenie ........................... 11
1. Nasz obraz wszechświata ................... 13
2. Czas i przestrzeń ....................... 25
3. Rozszerzający się wszechświat ................ 44
4. Zasada nieoznaczoności.................... 60
5. Cząstki elementarne i siły natury ............... 68
6. Czarne dziury ......................... 83
7. Czarne dziury nie sÄ… czarne ................. 100
8. Pochodzenie i los wszechświata ............... 113
9. Strzałka czasu ......................... 136
10. Unifikacja fizyki ......................... 145
11. Zakończenie .......................... 159
Albert Einstein ........................... 163
Galileusz .............................. 165
Newton ............................... 167
SÅ‚ownik ............................... 169
Indeks ................................ 173
Książkę tę poświęcam Jane
PODZIĘKOWANIA
Postanowiłem napisać popularną książkę o czasie i przestrzeni po wygłoszeniu na Uniwersytecie Harvarda w 1982 roku cyklu
wykładów Loeba. Istniało już wtedy wiele książek o wczesnym wszechświecie i czarnych dziurach, niektóre z nich były bardzo
dobre, jak
Pierwsze trzy minuty
Stevena Weinberga, niektóre bardzo złe — tytułów nie wymienię. Miałem jednak wrażenie, że w
żadnej z nich nie rozważono naprawdę pytań, które skłoniły mnie samego do zajęcia się równocześnie badaniami
kosmologicznymi i kwantowymi: Skąd wziął się wszechświat? Jak i kiedy powstał? Czy będzie miał koniec, a jeśli tak, to jaki?
Są to pytania ważne dla nas wszystkich, ale współczesna nauka stała się tak skomplikowana technicznie, że tylko nieliczni spe-
cjaliści potrafią posługiwać się aparatem matematycznym, niezbędnym przy omawaniu tych problemów. Niemniej jednak
podstawowe idee dotyczące początku i losu wszechświata można przedstawić bez użycia matematyki, w sposób zrozumiały dla
ludzi bez wykształcenia przyrodniczego. Tego właśnie próbowałem dokonać w mej książce. Czytelnik osądzi, na ile mi się
powiodło.
Ktoś mi powiedział, że każde równanie, jakie umieszczę w książce, zmniejszy liczbę sprzedanych egzemplarzy o połowę.
Postanowiłem wobec tego, że nie będzie żadnych równań. W końcu jednak użyłem jednego: jest to słynny wzór Einsteina
E
=m
c
2
.
Mam nadzieję, że nie odstraszy on połowy moich potencjalnych czytelników.
Pecha w życiu miałem tylko pod jednym względem: zachorowałem na ALS, czyli stwardnienie zanikowe boczne. Poza tym
jestem szczęściarzem. Pomoc i wsparcie, jakie otrzymuję od mojej żony, Jane, oraz dzieci: Roberta, Lucy i Tima, umożliwiły mi
prowadzenie w miarę normalnego życia i odniesienie sukcesów zawodowych. Miałem szczęście, że wybrałem fizykę
teoretyczną, ponieważ polega ona na czystym myśleniu, a zatem inwalidztwo nie było poważnym utrudnieniem w jej
uprawianiu. Bardzo pomocni byli mi zawsze wszyscy, bez wyjÄ…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 wdzięczny za pomoc i wspólnie osiągnięte rezultaty.
Wyniki uzyskane w tym okresie przedstawione są w książce
The Large ScalÄ™ Structure of Spacetime (Wieloskalowa struktura
czasoprzestrzeni),
którą napisałem wspólnie z Ellisem w 1973 roku. Nie namawiam czytelników do szukania w niej
dodatkowych informacji: jest w najwyższym stopniu techniczna i zupełnie nieczytelna. Mam nadzieję, że dzisiaj potrafię pisać 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. Zawdzięczam wiele im, a także moim doktorantom, którzy pomagali mi w pracy i w sprawach
praktycznych. Konieczność dotrzymania kroku własnym studentom była dla mnie zawsze znakomitym stymulatorem i, mam
nadzieję, uchroniła mnie przed popadnięciem w rutynę.
W pisaniu tej książki 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. Ponieważ nie mogłem prawie zupełnie porozumiewać się z
innymi ludźmi, straciłem nadzieję, że zdołam książkę dokończyć. Brian nie tylko pomógł mi ją poprawić, ale nakłonił mnie
także do wypróbowania programu komunikacyjnego zwanego Ośrodkiem Życia, podarowanego przez Walta Woltosza z
przedsiębiorstwa Words Plus Inc., z Sunnyvale w Kalifornii. Używając tego programu, mogę pisać książki i artykuły, a z pomocą
syntetyzatora mowy ofiarowanego przez Speech Plus, też z Sunnyvale, mogę również rozmawiać z ludźmi. David Mason
zamontował syntetyzator i mały komputer na moim fotelu na kółkach. Dzięki temu systemowi mogę teraz porozumiewać się z
ludźmi lepiej niż przed utratą głosu. Wiele osób radziło mi, jak poprawić pierwszą wersję tej książki. W szczególności Peter
Guzzardi, redaktor z wydawnictwa Bantam Books, przysyłał całe strony pytań i komentarzy dotyczących kwestii, których, jego
zdaniem, nie wyjaśniłem należycie. Muszę przyznać, że bardzo mnie zirytowała ta długa lista proponowanych poprawek, ale to
on miał rację: jestem pewien, że książka wiele zyskała dzięki jego uporowi. Jestem bardzo zobowiązany moim asystentom:
Colinowi William-sowi, Davidowi Thomasowi i Raymondowi Laflamme'owi, moim sekretarkom: Judy Fella, Ann Ralph, Cheryl
Billington i Sue Masey, oraz zespołowi opiekujących się mną pielęgniarek. Moja praca nie byłaby możliwa, gdyby koszty badań
i wydatki medyczne nie zostały pokryte przez Gonville i Caius College, Radę Badań Naukowych i Inżynieryjnych, oraz przez
fundacje Leverhulme' a, McArthura, Nuffielda i Ralpha Smitha. Jestem im bardzo wdzięczny.
20 października 1987 r.
Stephen Hawking
WPROWADZENIE
Zajęci naszymi codziennymi sprawami nie rozumiemy niemal nic z otaczającego nas świata. Rzadko myślimy o tym, jaki
mechanizm wytwarza światło słoneczne, dzięki któremu może istnieć życie, nie zastanawiamy się nad grawitacją, bez której nie
utrzymalibyśmy się na powierzchni Ziemi, lecz poszybowalibyśmy w przestrzeń kosmiczną, nie troszczymy się też o stabilność
atomów, z których jesteśmy zbudowani. Z wyjątkiem dzieci (które nie nauczyły się jeszcze, że nie należy zadawać ważnych
pytań) tylko nieliczni spośród nas poświęcają dużo czasu na rozważania, dlaczego przyroda jest taka, jaka jest, skąd się wziął
kosmos i czy istniał zawsze, czy pewnego dnia kierunek upływu czasu się odwróci i skutki wyprzedzać będą przyczyny oraz czy
istnieją ostateczne granice ludzkiej wiedzy. Spotkałem nawet takie dzieci, które chciały wiedzieć, jak wyglądają czarne dziury,
jaki jest najmniejszy kawałek materii, dlaczego pamiętamy przeszłość, a nie przyszłość, jak obecny porządek mógł powstać z
pierwotnego chaosu, i dlaczego istnieje wszechświat.
W naszym społeczeństwie większość rodziców i nauczycieli wciąż jeszcze odpowiada na takie pytania wzruszeniem ramion lub
odwołuje się do słabo zapamiętanych koncepcji religijnych. Wielu czuje się nieswojo, borykając się z pytaniami tego rodzaju,
gdyż niezwykle wyraźnie obnażają one ograniczenia naszej wiedzy.
Ale nauka i filozofia w znacznym stopniu zawdzięczają swe istnienie takim właśnie pytaniom. Stawia je coraz większa liczba
dorosłych i niektórzy dochodzą czasami do zdumiewających odpowiedzi. Równie odlegli od atomów i gwiazd rozszerzamy
granice poznania tak, by objąć nimi i to, co najmniejsze i to, co najdalsze.
Wiosną 1974 roku, na dwa lata przed lądowaniem sondy Yiking na Marsie, uczestniczyłem w spotkaniu zorganizowanym przez
Królewskie Towarzystwo Naukowe w Londynie, na którym zastanawialiśmy się, jak szukać życia w kosmosie. W czasie
przerwy zauważyłem, że w sąsiedniej sali zebrało się o wiele liczniejsze grono. Wszedłem tam wiedziony ciekawością. Wkrótce
zdałem sobie sprawę, że przyglądam się staremu rytuałowi: przyjmowano nowych członków do Królewskiego Towarzystwa,
jednej z najstarszych organizacji naukowych na 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.
Obecnie Hawking jest 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 pytania 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.
Carl Sagan
Comell University
Ithaca, Nowy York
Rozdział 1
NASZ OBRAZ WSZECHÅšWIATA
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: gdyby Ziemia nie była kulą, to
czemu najpierw widzielibyśmy 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 kołowych orbitach.
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.
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 Pto-lemeusz. (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
Jowisza. 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, ponieważ elipsy były w oczywisty sposób
mniej doskonałe niż koła. Ich zgodność z doświadczeniem stwierdził niemal przez przypadek i nigdy nie udało mu się pogodzić
tego odkrycia z jego własną tezą, że planety są utrzymywane na orbitach przez siły magnetyczne. Wyjaśnienie przyszło znacznie
później, w roku 1687, kiedy Sir Izaak Newton opublikował
Philosophiae Naturalis Principia Mathema-tica (Matematyczne
zasady filozofii przyrody),
zapewne najważniejsze dzieło z zakresu nauk ścisłych, jakie zostało kiedykolwiek napisane. Newton
zaproponował w nim nie tylko teorię ruchu ciał w przestrzeni i czasie, ale rozwinął również skomplikowany aparat
matematyczny potrzebny do analizy tego ruchu. Sformułował także prawo powszechnej grawitacji, zgodnie z którym dowolne
dwa ciała we wszechświecie przyciągają się z siłą, która jest tym większa, im większe są masy tych ciał i im mniejsza jest
odległość między nimi. To ta właśnie siła powoduje spadanie przedmiotów na ziemię. (Opowieść o tym, jakoby inspiracją dla
Newtona stało się jabłko, które spadło mu na głowę, jest niemal na pewno apokryfem. Newton wspomniał tylko, że pomysł
powszechnej grawitacji przyszedł mu do głowy, gdy “siedział w kontemplacyjnym nastroju" i “jego umysł został pobudzony
upadkiem jabłka"). Następnie Newton wykazał, że zgodnie z owym prawem grawitacji Księżyc powinien poruszać się po elipsie
wokół Ziemi, zaś Ziemia i inne planety powinny okrążać Słońce również po eliptycznych orbitach.
Model Kopernika nie zawierał już niebieskich sfer Ptolemeusza, a wraz z nimi zniknęła idea, że wszechświat ma naturalną
granicę. Ponieważ wydaje się, że “stałe gwiazdy" nie zmieniają swych pozycji, jeśli pominąć ich rotację na niebie, wynikającą z
obrotu Ziemi wokół swej osi, przyjęto jako w pełni naturalne założenie, że są to obiekty podobne do Słońca, tyle że znacznie
bardziej od nas oddalone.
Newton zdawał sobie sprawę, że zgodnie z jego teorią grawitacji gwiazdy powinny przyciągać się wzajemnie; należało więc
sądzić, że nie mogą one pozostawać w spoczynku. Czy wszystkie one nie powinny więc zderzyć się ze sobą w pewnej chwili? W
napisanym w 1691 roku liście do Richarda Bentleya, innego wybitnego myśliciela tych czasów, Newton argumentował, że tak
stałoby się rzeczywiście, gdyby liczba gwiazd była skończona i jeśli byłyby one rozmieszczone w ograniczonym obszarze. Jeśli
natomiast nieskończenie wielka liczba gwiazd jest rozmieszczona mniej więcej równomiernie w nieskończonej przestrzeni, to
nie istnieje żaden centralny punkt, w którym mogłoby dojść do owego zderzenia.
Wywód ten stanowi przykład pułapki, w jaką można wpaść, dyskutując o nieskończoności. W nieskończonym wszechświecie
każdy punkt może być uznany za środek, ponieważ wokół niego znajduje się nieskończenie wiele gwiazd. Poprawne podejście
do zagadnienia — co stwierdzono znacznie później — polega na rozważeniu najpierw skończonego układu gwiazd, które
spadają na środek tego układu, i postawieniu następnie pytania, co się zmieni, jeśli układ otoczymy dodatkowymi gwiazdami
równomiernie rozłożonymi w przestrzeni. Zgodnie z prawem ciążenia Newtona dodatkowe gwiazdy w ogóle nie wpłyną na ruch
gwiazd wewnątrz wyróżnionego obszaru, te zatem spadać będą ku środkowi z nie zmienioną prędkością. Możemy dodawać tyle
gwiazd, ile nam się podoba, i nie zapobiegnie to ich spadnięciu do punktu centralnego. Dziś wiemy, że nie da się skonstruować
statycznego modelu nieskończonego wszechświata, w którym siła ciążenia jest zawsze przyciągająca.
Warto zastanowić się przez chwilę nad panującym aż do XX wieku klimatem intelektualnym, który sprawił, że nikt wcześniej
nie wpadł na pomysł rozszerzającego się lub kurczącego wszechświata. Przyjmowano powszechnie, że wszechświat albo istniał
w niezmiennym stanie przez całą wieczność, albo został stworzony w obecnym kształcie w określonej chwili w przeszłości.
Przekonanie to, być może, wywodziło się z ludzkiej skłonności do wiary w wieczyste prawdy, a może też znajdowano pociechę
w myśli, że choć pojedyncze osoby starzeją się i umierają, to jednak wszechświat jest wieczny i niezmienny.
Nawet ci, którzy zdawali sobie sprawę z tego, że zgodnie z Newtonowską teorią grawitacji wszechświat nie mógł być statyczny,
nie wpadli na pomysł, że mógłby się on rozszerzać. Zamiast tego usiłowali oni zmienić teorię, przyjmując, że siła ciążenia
między bardzo odległymi ciałami jest odpychająca. Nie zmieniłoby to w zasadzie ich obliczeń ruchu planet, ale umożliwiłoby
istnienie nieskończonych układów gwiazd w stanie równowagi: przyciąganie pomiędzy bliskimi gwiazdami byłoby
zrównoważone odpychaniem pochodzącym od gwiazd odległych. Jednakże — jak wiemy to obecnie — nie byłaby to równo-
waga stała — jeśliby gwiazdy w pewnym obszarze zbliżyły się choćby nieznacznie do siebie, powodując wzmocnienie sił
przyciągających, umożliwiłoby to pokonanie sił odpychających i w efekcie gwiazdy runęłyby na siebie. Z drugiej strony, jeśli
gwiazdy oddaliłyby się nieco od siebie, to siły odpychające przeważyłyby nad przyciągającymi i spowodowałyby dalszy wzrost
odległości między gwiazdami.
Wysunięcie kolejnego zarzutu przeciwko modelowi nieskończonego i statycznego wszechświata przypisuje się zazwyczaj
niemieckiemu filozofowi Heinrichowi Olbersowi, który sformułował go w 1823 roku. Faktem jest, że już różni współcześni
Newtonowi badacze zwracali uwagę na ten problem, a Olbers nie był nawet pierwszym, który zaproponował sposób jego
rozwiązania. Dopiero jednak po artykule Olbersa zwrócono nań powszechnie uwagę. Trudność polega na tym, że w nie-
skończonym i statycznym wszechświecie, patrząc niemal w każdym kierunku, powinniśmy natknąć się wzrokiem na
powierzchnię gwiazdy. Dlatego całe niebo powinno być tak jasne jak Słońce, nawet w nocy. Olbers wyjaśniał ten paradoks
osłabieniem światła odległych gwiazd wskutek pochłaniania go przez materię znajdującą się między źródłem i obserwatorem.
Gdyby jednak tak rzeczywiście było, to temperatura pochłaniającej światło materii wzrosłaby na tyle, że materia świeciłaby
równie jasno jak gwiazdy. Jedynym sposobem uniknięcia konkluzji, że nocne niebo powinno być tak samo jasne jak
powierzchnia Słońca, byłoby założenie, iż gwiazdy nie świeciły zawsze, ale zaczęły promieniować w pewnej chwili w
przeszłości. W tym wypadku pochłaniająca światło materia mogła nie zdążyć się podgrzać do odpowiedniej temperatury albo
światło odległych gwiazd mogło do nas jeszcze nie dotrzeć. W ten sposób dochodzimy do pytania, co mogło spowodować, że
gwiazdy zaczęły się świecić.
Dyskusje na temat początku wszechświata rozpoczęły się, rzecz jasna, znacznie wcześniej. Wedle wielu pradawnych kosmologii
i zgodnie z tradycją judeo-chrześcijańsko-muzułmańską wszechświat powstał w określonej chwili w niezbyt odległej
przeszłości. Jednym z argumentów za takim początkiem było przeświadczenie, że do wyjaśnienia egzystencji wszechświata
konieczna jest “pierwsza przyczyna". (We wszechświecie każde zdarzenie można wyjaśnić, podając za jego przyczynę inne,
wcześniejsze zdarzenie, ale istnienie samego wszechświata można w ten sposób wyjaśnić tylko wtedy, jeśli miał on jakiś
początek). Inny argument przedstawił św. Augustyn w swej książce
Państwo Boże.
Wskazał on, że nasza cywilizacja rozwija się,
a my pamiętamy, kto czego dokonał i komu zawdzięczamy różne pomysły techniczne. Wobec tego ludzie, i zapewne też i
wszechświat, nie istnieją prawdopodobnie zbyt długo. Zgodnie z
Księgą Rodzaju
św. Augustyn przyjmował, iż wszechświat
stworzony został mniej więcej 5000 lat przed narodzeniem Chrystusa. (Warto zwrócić uwagę, że ta data nie jest zbyt odległa od
przyjmowanej dziś daty końca ostatniej epoki lodowcowej [10 000 lat przed narodzeniem Chrystusa], kiedy to, zdaniem
archeologów, zaczęła się naprawdę cywilizacja ludzka).
Arystoteles i inni greccy filozofowie nie lubili koncepcji stworzenia wszechświata, ponieważ nadmiernie pachniała im ona boską
interwencją. Wierzyli raczej, że ludzie i świat istnieli zawsze, zawsze też istnieć będą. Ze wspomnianym, rozważanym już przez
nich argumentem o postępie cywilizacji antyczni myśliciele radzili sobie, przypominając o cyklicznych powodziach i innych
klęskach, które wielokrotnie sprowadzały ludzkość do stanu barbarzyństwa.
Zagadnienia początku wszechświata i jego granic przestrzennych poddał później gruntownej analizie filozof Immanuel Kant, w
swym monumentalnym (i bardzo mętnym) dziele
Krytyka czystego rozumu,
opublikowanym w 1781 roku. Nazwał on te kwestie
antynomiami (sprzecznościami) czystego rozumu, ponieważ był przekonany, iż można podać równie przekonujące argumenty za
tezą, że wszechświat miał początek, jak za antytezą, że wszechświat istniał zawsze. Za istnieniem początku przemawiał według
niego fakt, iż w przeciwnym wypadku każde zdarzenie byłoby poprzedzone przez nieskończony przedział czasu, a to uznał on za
absurd. Za antytezą (świat nie ma początku) przemawiał z kolei fakt, że w przeciwnym wypadku początek wszechświata byłby
poprzedzony nieskończenie długim przedziałem czasu, czemu zatem wszechświat miałby powstać właśnie w jakiejś szczególnej
chwili? W gruncie rzeczy racje Kanta na korzyść tezy i antytezy zawierają ten sam argument. Oparte są mianowicie na
milczącym założeniu, zgodnie z którym czas sięga wstecz nieskończenie daleko, niezależnie od tego, czy wszechświat istniał,
czy nie. Jak przekonamy się później, pojęcie czasu przed powstaniem wszechświata nie ma żadnego sensu. Po raz pierwszy
zwrócił na to uwagę św. Augustyn. Gdy zapytano go, co czynił Bóg przed stworzeniem wszechświata, św. Augustyn nie
odpowiedział, że Bóg stworzył piekło dla tych, co zadają takie pytania, lecz stwierdził, że czas jest własnością stworzonego
przez Boga wszechświata i przed początkiem wszechświata nie istniał.
Dopóki większość ludzi wierzyła w statyczny i niezmienny wszechświat, dopóty pytanie, czy miał on początek, czy też nie,
traktowano jako pytanie z zakresu metafizyki lub teologii. Równie dobrze można było wyjaśniać obserwacje, twierdząc, że
istniał zawsze, jak głosząc teorię, że został stworzony w określonym momencie w przeszłości w taki sposób, by wydawało się, iż
istniał zawsze. Ale w 1921 roku Edwin Hubble dokonał fundamentalnego odkrycia, że niezależnie od kierunku obserwacji
widzimy, jak odległe galaktyki szybko oddalają się od nas. Innymi słowy, wszechświat się rozszerza. Oznacza to, że w
dawniejszych czasach ciała niebieskie znajdowały się bliżej siebie. Istotnie, wygląda na to, że jakieś 10 czy 20 miliardów lat
temu wszystkie obiekty dziś istniejące we wszechświecie skupione były w jednym punkcie, a zatem gęstość wszechświata była
wtedy nieskończona. To odkrycie wprowadziło wreszcie zagadnienie początku wszechświata do królestwa nauki.
Obserwacje Hubble'a wskazywały, że w pewnej chwili, zwanej wielkim wybuchem, rozmiary wszechświata były nieskończenie
małe, a jego gęstość nieskończenie wielka. W takich warunkach wszystkie prawa nauki tracą ważność, a tym samym tracimy
zdolność przewidywania przyszłości. Jeśli przed wielkim wybuchem były nawet jakieś zdarzenia, to i tak nie mogły one mieć
wpływu na to, co dzieje się obecnie. Istnienia takich zdarzeń można nie brać w ogóle pod uwagę, bo nie miałyby one żadnych
dających się zaobserwować konsekwencji. Można powiedzieć, że czas rozpoczął się wraz z wielkim wybuchem, wcześniej czas
po prostu nie był określony. Należy podkreślić, że taka koncepcja początku wszechświata w czasie różni się radykalnie od
rozważanych uprzednio. W niezmiennym wszechświecie początek czasu to coś, co musi zostać narzucone przez jakąś istotę
spoza wszechświata; nie istnieje żadna fizyczna konieczność, która by go wymuszała. Można sobie wyobrazić, że Bóg stworzył
taki wszechświat dosłownie w dowolnej chwili w przeszłości. Z drugiej strony, jeśli wszechświat rozszerza się, to mogły istnieć
fizyczne przyczyny, dla których jego powstanie było koniecznością. Można sobie dalej wyobrażać, że Bóg stworzył wszech-
świat w chwili wielkiego wybuchu lub nawet później — ale w taki sposób, by wyglądało na to, że wielki wybuch istotnie
nastąpił, byłoby jednak nonsensem sądzić, że stworzenie odbyło się przed wielkim wybuchem. Rozszerzający się wszechświat
nie wyklucza Stwórcy, ale ogranicza Jego swobodę w wyborze czasu wykonania tej pracy!
Mówiąc o naturze wszechświata i dyskutując takie zagadnienia, jak kwestia jego początku i końca, należy jasno rozumieć, czym
jest teoria naukowa. Przyjmuję tutaj raczej naiwny pogląd, że teoria jest po prostu modelem wszechświata lub jego części, oraz
zbiorem reguł wiążących wielkości tego modelu z obserwacjami, jakie można wykonać. Teoria istnieje wyłącznie w naszych
umysłach i nie można jej przypisywać żadnej innej realności (cokolwiek mogłoby to znaczyć). Dobra teoria naukowa musi
spełniać dwa warunki: musi poprawnie opisywać rozległą klasę obserwacji, opierając się na modelu zawierającym tylko nie-
liczne dowolne elementy, i musi umożliwiać precyzyjne przewidywanie wyników przyszłych pomiarów. Na przykład, teoria
Arystotelesa, zgodnie z którą wszystko było utworzone z czterech elementów — ognia, ziemi, powietrza i wody — była
dostatecznie prosta, by zasłużyć na miano naukowej, ale nie pozwalała na żadne przewidywania. Z drugiej strony, teoria ciążenia
Newtona opiera się na jeszcze prostszym modelu, wedle którego ciała przyciągają się z siłą proporcjonalną do ich mas i
odwrotnie proporcjonalną do kwadratu odległości między nimi. Mimo swej prostoty teoria Newtona przewiduje ruchy Słońca,
Księżyca i planet z wielką dokładnością.
[ Pobierz całość w formacie PDF ]