Teoria wszystkiego, czyli krótka historia wszechświata

Teoria wszystkiego

Nie tak dawno temu w całkiem nieodległej galaktyce naukowcy postanowili zmierzyć się z siłami natury, zarówno tymi, których działanie możemy obserwować w życiu codziennym — elektromagnetyzmem i grawitacją, jak i tymi, których zasięg jest znacznie mniej zauważalny — silnymi i słabymi oddziaływaniami jądrowymi. Celem tej utarczki było udowodnienie, że tak naprawdę wcale nie są to cztery odrębne typy oddziaływań, ale jedna siła, manifestująca się na różne sposoby.

Po co komu te wszystkie teoretyczne wywody? Naukowcy mają nadzieję, że dzięki temu uda się odkryć, czy wszechświat powstał według jakiegoś sensownego projektu, czy jest po prostu dziełem przypadku. Jedni twierdzą, że to rzucanie się z motyką na słońce, inni zaś uważają, że spójna i jednolita kwantowa teoria grawitacji, opisująca wszystkie cechy kosmosu i procesy w nim zachodzące, stanowi klucz do zrozumienia wszechświata oraz miejsca, jakie zajmuje w nim człowiek. Dlatego właśnie nazwano ją teorią wszystkiego.

Teoria wszystkiego według Hawkinga

Czy sformułowanie teorii wszystkiego jest rzeczywiście możliwe? Stephen Hawking przez wiele lat naukowej kariery był przekonany, że to zadanie wykonalne. A jednak nawet wielcy miewają czasem wątpliwości…

Niezwykły naukowiec w serii krótkich i pasjonujących wykładów referuje nam historię wszechświata od samych jego narodzin w chwili Wielkiego Wybuchu. W zajmujący sposób i z poczuciem humoru opowiada o tym, jak człowiek postrzegał kosmos setki, a nawet tysiące lat temu, i jak nasza wiedza stopniowo ewoluowała — od Arystotelesa, przez Kopernika i Galileusza, aż po Newtona, Einsteina i Hubble’a. Wyjawia, jak odkryto, że wszechświat wcale nie jest statyczny, lecz nieustannie się rozszerza, a także przewiduje konsekwencje tego procesu. Zdradza najściślej chronione tajemnice czarnych dziur, o których mówi, że badanie ich jest jak szukanie czarnego kota w piwnicy pełnej węgla. To dopiero początek całej zabawy… ale o tym musisz przeczytać już sam.

(…) przezwyciężył wyniszczającą chorobę, by stać się supergwiazdą światowej fizyki. Pozbawiony możliwości sprawnego mówienia i pisania, sięga wzrokiem poza Wielki Wybuch, podglądając "taniec geometrii", którego efektem było powstanie wszechświata.

Timothy Ferris, "Vanity Fair"

(…) potrafi wyjaśniać zawiłości kosmologii w fascynującym stylu, będącym mieszanką klarowności i humoru. To umysł o niespotykanej sile.

"The New York Review of Books"

(…) bez wątpienia posiada wrodzone cechy dobrego nauczyciela — łagodne poczucie humoru i umiejętność ilustrowania nawet najbardziej skomplikowanych koncepcji analogiami zaczerpniętymi z życia codziennego.

"The New York Times"

Zapraszamy Cię w fascynującą podróż po świecie niezwykłych i zaskakujących odkryć. Jeśli kiedykolwiek zastanawiałeś się nad genezą wszechświata, jeśli nurtuje Cię pytanie, jak to wszystko właściwie działa, ta książka udzieli Ci odpowiedzi, które pozwolą… zadać następne pytania.

 

Fragment książki
       Już w 340 roku p.n.e. Arystoteles przedstawił w traktacie O niebie 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 ko-pernikańską, 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 Principia Mathematica Naturalis Causae. 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.

 

Teoria wszystkiego czyli krótka historia wszechświata
Spis treści

WPROWADZENIE 5
WYKŁAD PIERWSZY
KONCEPCJE WSZECHŚWIATA 9
WYKŁAD DRUGI
ROZSZERZAJĄCY SIĘ WSZECHŚWIAT 19
WYKŁAD TRZECI
CZARNE DZIURY 37
WYKŁAD CZWARTY
CZARNE DZIURY NIE SĄ TAKIE CZARNE 55
WYKŁAD PIĄTY
POCZĄTEK I PRZEZNACZENIE WSZECHŚWIATA 71
WYKŁAD SZÓSTY
KIERUNEK CZASU 91
WYKŁAD SIÓDMY
TEORIA WSZYSTKIEGO 103