Stephen W. Hawking
KRÓTKA HISTORIA CZASU
Od wielkiego wybuchu do czarnych dziur
ISBN: 978-83-7785-941-4

Tytuł oryginału:
A BRIEF HISTORY OF TIME
From the Big Bang to Black Holes

Copyright © 1988, 1996 by Stephen W. Hawking
Introduction copyright © 1988 by Carl Sagan
Illustrations copyright © 1988 by Ron Miller
All rights reserved

Copyright © for the Polish translation
by the Estate of Piotr Amsterdamski, 2015

Projekt okładki: Tobiasz Zysk

Wydanie I ukazało się nakładem
Wydawnictwa Alfa, Warszawa 1990

Zysk i S-ka Wydawnictwo
ul. Wielka 10, 61-774 Poznań
tel. 61 853 27 51, 61 853 27 67, faks 61 852 63 26
Dział handlowy, tel./faks 61 855 06 90
sklep@zysk.com.pl www.zysk.com.pl

Wszelkie prawa zastrzeżone. Niniejszy plik jest objęty ochroną prawa autorskiego i zabezpieczony znakiem wodnym (watermark).

Uzyskany dostęp upoważnia wyłącznie do prywatnego użytku. Rozpowszechnianie całości lub fragmentu niniejszej publikacji w jakiejkolwiek postaci bez zgody właściciela praw jest zabronione.

Konwersję do wersji elektronicznej wykonano w systemie Zecer.

Spis treści

Podziękowania

Wprowadzenie

Rozdział 1

Nasz obraz wszechświata

Rozdział 2

Czas i przestrzeń

Rozdział 3

Rozszerzający się wszechświat

Rozdział 4

Zasada nieoznaczoności

Rozdział 5

Cząstki elementarne i siły natury

Rozdział 6

Czarne dziury

Rozdział 7

Czarne dziury nie są czarne

Rozdział 8

Pochodzenie i los wszechświata

Rozdział 9

Strzałka czasu

Rozdział 10

Unifikacja fizyki

Rozdział 11

Zakończenie

Albert Einstein

Galileusz

Izaak Newton

Słownik

Wszystkie rozdziały dostępne są w pełnej wersji książki

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 specjaliści 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 = mc2. 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 wyjątku, moi koledzy.

W pierwszym, „klasycznym” okresie mojej kariery zawodowej współpracowałem głównie z Rogerem Penrose’em, Robertem Gerochem, Brandonem 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 Scale 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 Williamsowi, 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

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 Viking 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.

Hawking był Lucasian Professor of Mathematics na Uniwersytecie w Cambridge. Przed nim tytuł ten należał między innymi do Newtona i P.A.M. Diraca, dwóch słynnych badaczy zjawisk w wielkich i małych skalach. Jest ich godnym następcą. Krótka historia czasu, pierwsza książka Hawkinga dla laików, powinna z wielu względów spodobać się szerokim kręgom czytelników. W równym stopniu co bogata zawartość książki powinna ich zainteresować fascynująca możliwość poznania dróg, którymi biegnie myśl jej autora. Znajdziemy w niej przedstawione z niezwykłą jasnością problemy, z którymi zmaga się dzisiejsza fizyka, astronomia, kosmologia; znajdziemy w niej również świadectwa odwagi.

Jest to wreszcie książka o Bogu… a raczej o jego nieobecności. Słowo „Bóg” często pojawia się na tych stronicach. Hawking usiłuje znaleźć odpowiedź na słynne pytanie Einsteina, czy Bóg miał swobodę w tworzeniu wszechświata. Próbuje, jak sam stwierdza wprost, zrozumieć umysł boży. To sprawia, że konkluzja — przynajmniej obecna — jest tym bardziej zaskakująca: wszechświat nie ma granic w przestrzeni, nie ma początku i końca w czasie, nie ma też w nim nic do zrobienia dla Stwórcy.

Carl Sagan

Cornell University

Ithaca, Nowy Jork

Rozdział 1

Nasz obraz wszechświata

PEWIEN BARDZO ZNANY UCZONY (niektórzy twierdzą, że był to Bertrand Russell) wygłosił kiedyś popularny odczyt astronomiczny. Opowiadał, jak Ziemia obraca się dookoła Słońca, a ono z kolei kręci się wokół środka wielkiego zbiorowiska gwiazd, zwanego naszą Galaktyką. Pod koniec wykładu w jednym z końcowych rzędów podniosła się niewysoka, starsza pani i rzekła: „Wszystko, co pan powiedział, to bzdura. Świat jest naprawdę płaski i spoczywa na grzbiecie gigantycznego żółwia”. Naukowiec z uśmieszkiem wyższości spytał: „A na czym spoczywa ten żółw?”. Starsza pani miała gotową odpowiedź: „Bardzo pan sprytny, młody człowieku, bardzo sprytny, ale jest to żółw na żółwiu i tak do końca!”.

Dla większości ludzi obraz świata jako nieskończonej wieży z żółwi może się wydać śmieszny, ale czemu właściwie uważamy, że sami wiemy lepiej? Co wiemy o wszechświecie i jak się tego dowiedzieliśmy? Jak wszechświat powstał i dokąd zmierza? Czy wszechświat miał początek, a jeśli tak, to co było przedtem? Osiągnięcia fizyki ostatnich lat, umożliwione przez fantastyczny rozwój techniki, sugerują pewne odpowiedzi na te stare pytania. Kiedyś nasze odpowiedzi będą się wydawały równie oczywiste, jak oczywiste jest dla nas, że Ziemia obraca się wokół Słońca — albo równie śmieszne jak pomysł wieży z żółwi. Tylko czas (czymkolwiek on jest) pokaże, ile są one warte.

Już 340 lat przed Chrystusem grecki filozof Arystoteles w swej książce O niebie potrafił przedstawić dwa dobre argumenty na poparcie twierdzenia, że Ziemia jest kulą, a nie płaszczyzną. Po pierwsze, Arystoteles zdawał sobie sprawę, że zaćmienia Księżyca powoduje Ziemia, zasłaniając Słońce. Cień Ziemi na Księżycu jest zawsze okrągły, co byłoby uzasadnione tylko wtedy, jeśli Ziemia byłaby kulą. Gdyby Ziemia była płaskim dyskiem, jej cień na ogół byłby wydłużony i eliptyczny, chyba że zaćmienie zdarza się zawsze wtedy, gdy Słońce znajduje się dokładnie nad środkiem dysku. Po drugie, dzięki swym podróżom Grecy wiedzieli, że jeśli Gwiazdę Polarną obserwuje się z rejonów południowych, to widać ją niżej nad horyzontem niż wtedy, gdy obserwator znajduje się na północy. (Ponieważ Gwiazda Polarna leży nad biegunem północnym, pojawia się ona dokładnie nad głową obserwatora stojącego na biegunie, obserwator na równiku widzi ją natomiast dokładnie na horyzoncie). Znając różnicę położenia Gwiazdy Polarnej na niebie, gdy obserwuje się ją w Egipcie i w Grecji, Arystoteles oszacował nawet, że obwód Ziemi wynosi 400 000 stadionów. Nie wiemy, ilu metrom dokładnie odpowiadał jeden stadion, ale prawdopodobnie było to około 180 metrów. Jeśli tak, to Arystoteles popełnił błąd: podany przezeń obwód Ziemi jest dwa razy większy, niż przyjmowany przez nas. Grecy znali i trzeci argument przemawiający za kulistością Ziemi: jeżeli Ziemia nie jest kulą, to czemu najpierw widzimy pojawiające się nad horyzontem żagle statków, a dopiero później ich kadłuby?

Arystoteles uważał, że Ziemia spoczywa, a Słońce, Księżyc, planety i gwiazdy poruszają się wokół niej po orbitach kołowych. Przekonanie to wyrastało z jego poglądów religijno-filozoficznych — zgodnie z nimi Ziemia stanowiła środek wszechświata, a ruch kołowy był ruchem najbardziej doskonałym. W drugim wieku Ptolemeusz rozwinął te idee i sformułował pełny model kosmologiczny. Według niego Ziemia znajdowała się w środku wszechświata i była otoczona ośmioma sferami niebieskimi, które unosiły Księżyc, Słońce, gwiazdy i pięć znanych wtedy planet (Merkury, Wenus, Mars, Jowisz i Saturn — rys. 1). Aby wyjaśnić skomplikowany ruch planet, Ptolemeusz zakładał, że poruszają się one po mniejszych kołach, których środki przymocowane są do właściwych sfer. Sfera zewnętrzna zawierała gwiazdy stałe, których wzajemne położenie nie zmieniało się, ale które obracały się wspólnie po niebie. Co leżało poza sferą gwiazd stałych, nigdy nie zostało w pełni wyjaśnione, lecz z pewnością obszar ten nie należał do części wszechświata dostępnej ludzkim obserwacjom.

Rysunek 1

Model ptolemeuszowski pozwalał na w miarę dokładne przewidywanie położeń ciał niebieskich na niebie. Aby jednak osiągnąć tę dokładność, Ptolemeusz musiał przyjąć, iż Księżyc porusza się po takiej orbicie, że gdy znajduje się najbliżej Ziemi, jego odległość od niej jest dwukrotnie mniejsza, niż gdy znajduje się najdalej od Ziemi. Oznacza to, że Księżyc czasem powinien wydawać się dwa razy większy niż kiedy indziej! Ptolemeusz zdawał sobie sprawę z tego problemu, ale mimo to jego model został ogólnie zaakceptowany, choć nie przez wszystkich. Kościół chrześcijański uznał go za obraz wszechświata zgodny z Pismem Świętym, ponieważ jego wielkim plusem było pozostawienie poza sferą gwiazd stałych wiele miejsca na niebo i piekło.

Znacznie prostszy model zaproponował w 1514 roku polski ksiądz Mikołaj Kopernik. (Początkowo, zapewne obawiając się zarzutu herezji, Kopernik rozpowszechniał swój model, nie ujawniając, że jest jego twórcą). Według Kopernika w środku wszechświata znajduje się nieruchome Słońce, a Ziemia i inne planety poruszają się — wokół niego — po kołowych orbitach. Minął niemal wiek, nim model Kopernika został potraktowany poważnie. Wtedy dopiero dwaj astronomowie — Niemiec, Johannes Kepler, i Włoch, Galileusz, zaczęli propagować teorię Kopernika, mimo iż orbity obliczone na jej podstawie nie w pełni zgadzały się z obserwacjami. Śmiertelny cios zadał teorii Arystotelesa i Ptolemeusza w 1609 roku Galileusz, który rozpoczął wtedy obserwacje nocnego nieba za pomocą dopiero co wynalezionego przez siebie teleskopu. Patrząc na Jowisza, Galileusz odkrył, że jest on otoczony przez kilka poruszających się wokół niego satelitów, czyli księżyców. Wynikało z tych obserwacji, że nie wszystkie ciała niebieskie muszą poruszać się bezpośrednio wokół Ziemi, jak uważali Arystoteles i Ptolemeusz. (Oczywiście, można było nadal utrzymywać, że Ziemia spoczywa w środku wszechświata, a księżyce Jowisza poruszają się naprawdę wokół niej, po bardzo skomplikowanej drodze, stwarzając tylko wrażenie, że okrążają Jowisz. Teoria Kopernika była jednak o wiele prostsza). W tym samym czasie Kepler poprawił teorię Kopernika, sugerując, że planety poruszają się po orbitach eliptycznych, a nie kołowych (elipsa to wydłużone koło). Po tym odkryciu przewidywane orbity planet zgadzały się wreszcie z obserwacjami.

Dla Keplera orbity eliptyczne były tylko hipotezą (ad hoc) i w dodatku odpychającą, 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 mathematica (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, natomiast 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 niezmienioną 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 równowaga 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 nieskończonym 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, że 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, 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 wszechświat 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 nieliczne 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.

Każda teoria fizyczna jest zawsze prowizoryczna, pozostaje tylko hipotezą; nigdy nie można jej udowodnić. Niezależnie od tego, ile razy rezultaty eksperymentu zgadzały się z teorią, nadal nie można mieć pewności, czy kolejne doświadczenie jej nie zaprzeczy. Z drugiej strony łatwo obalić teorię, znajdując choć jeden wynik eksperymentalny sprzeczny z jej przewidywaniami. Jak podkreślał filozof nauki Karl Popper, dobrą teorię naukową cechuje to, że wynikają z niej liczne przewidywania, które w zasadzie nadają się do eksperymentalnego obalenia. Ilekroć wynik eksperymentu zgadza się z przewidywaniami, sprawdzana teoria zyskuje na wiarygodności, a nasze zaufanie do niej wzrasta, ale jeśli tylko nowy wynik eksperymentalny zaprzecza teorii, musimy ją porzucić lub poprawić. Tak przynajmniej być powinno, lecz w praktyce zawsze można kwestionować kompetencje eksperymentatora.

Nowa teoria bardzo często stanowi w istocie rozwinięcie poprzedniej. Na przykład, bardzo dokładne obserwacje wykazały niewielkie różnice między ruchem Merkurego a przewidywaniami teorii Newtona. Przewidywania teorii Einsteina są nieco inne. Ich zgodność z obserwacjami w połączeniu z niezgodnością przewidywań Newtona stanowiła jeden z najważniejszych dowodów słuszności teorii Einsteina. Mimo to w codziennej praktyce wciąż używamy teorii Newtona, ponieważ różnice między przewidywaniami obu teorii są minimalne we wszystkich zwyczajnych sytuacjach. (Poza tym teoria Newtona jest o wiele prostsza).

Ostatecznym celem nauki jest sformułowanie jednej teorii opisującej cały wszechświat. W rzeczywistości jednak większość naukowców dzieli problem na dwie części. Po pierwsze, szukamy praw, które powiedziałyby nam, jak wszechświat zmienia się w czasie. (Jeśli znalibyśmy stan wszechświata w pewnej chwili, to prawa te pozwoliłyby nam przewidzieć, jak będzie on wyglądał w dowolnej chwili późniejszej). Po drugie, stoi przed nami zagadnienie stanu początkowego wszechświata. Niektórzy uważają, że nauka powinna zajmować się tylko pierwszym zagadnieniem, a problem stanu początkowego pozostawić metafizyce lub religii. Powiadają oni, że Bóg, będąc wszechmogący, mógł stworzyć wszechświat w dowolny wybrany przez siebie sposób. Może i tak jest, ale w takim razie mógł On również sprawić, że wszechświat będzie zmieniał się w czasie w całkowicie arbitralny sposób. Wydaje się jednak, że zdecydował się On stworzyć go tak, by jego rozwój miał przebieg wysoce uporządkowany zgodnie z ustalonymi prawami. Za równie uzasadnione można zatem uznać założenie, że istnieją prawa określające stan początkowy.

Bardzo trudno jest za jednym zamachem sformułować teorię opisującą cały wszechświat. Postępujemy więc inaczej, dzielimy problem na kawałki i wymyślamy różne teorie cząstkowe. Każda taka teoria cząstkowa opisuje pewien ograniczony zbiór obserwacji, pomijając inne wielkości lub opisując je w sposób uproszczony za pomocą paru liczb. Takie podejście może się okazać całkowicie fałszywe. Jeśli każde zjawisko we wszechświecie połączone jest fundamentalnymi zależnościami ze wszystkimi innymi, to zapewne niemożliwe jest znalezienie pełnego rozwiązania przez badanie poszczególnych części problemu w izolacji. Niemniej jednak, postępując w ten sposób w przeszłości, osiągnęliśmy na pewno cenne rezultaty. Klasycznym przykładem jest znowu teoria ciążenia Newtona, zgodnie z którą siła grawitacji między dwoma ciałami zależy tylko od jednej liczby związanej z każdym ciałem, mianowicie masy, ale nie zależy od materiału, z jakiego te ciała są zrobione. Dzięki temu, nie znając ani struktury, ani składu Słońca i planet, można obliczyć ich orbity.

Obecnie naukowcy opisują wszechświat za pomocą dwóch podstawowych teorii cząstkowych — ogólnej teorii względności i mechaniki kwantowej. Obie stanowią olbrzymie osiągnięcia intelektualne pierwszej połowy naszego stulecia. Ogólna teoria względności opisuje siłę ciążenia i wielkoskalową strukturę wszechświata, to znaczy struktury o charakterystycznych wymiarach od paru kilometrów do miliona milionów milionów milionów (1 i dwadzieścia cztery zera) kilometrów, gdyż taki jest rozmiar wszechświata. Mechanika kwantowa dotyczy natomiast zjawisk w niesłychanie małych skalach, takich jak milionowa część milionowej części centymetra. Niestety, wiadomo, że te dwie teorie są niezgodne ze sobą — obie jednocześnie nie mogą być poprawne. Jednym z głównych zadań współczesnej fizyki — i najważniejszym wątkiem tej książki — jest poszukiwanie teorii, która połączyłaby obie te teorie cząstkowe — to znaczy kwantowej teorii grawitacji. Nie znamy jeszcze takiej teorii i być może długo jeszcze będziemy czekać na jej sformułowanie, ale znamy już liczne jej cechy charakterystyczne. Jak zobaczymy w następnych rozdziałach, już dziś rozumiemy pewne konieczne konsekwencje kwantowej teorii grawitacji.

Jeśli wierzymy, że wszechświat nie zachowuje się w sposób arbitralny, lecz że rządzą nim określone prawa, to w końcu musimy połączyć teorie cząstkowe w jedną, ogólną teorię, która opisze wszystko, co zdarza się we wszechświecie. W poszukiwaniu takiej teorii dostrzec można jednak pewien paradoks. Koncepcja teorii naukowych, jaką naszkicowałem powyżej, zakłada, iż jesteśmy istotami racjonalnymi i możemy swobodnie obserwować wszechświat oraz wyciągać logiczne wnioski z tych obserwacji. Przyjąwszy takie założenie, mamy prawo przypuszczać, że prowadząc nasze badania, coraz lepiej poznajemy prawa rządzące wszechświatem. Jeśli jednak rzeczywiście istnieje pełna i jednolita teoria, to powinna ona określać również nasze działania. A zatem teoria ta powinna wyznaczyć wynik naszych jej poszukiwań! Dlaczegóż to jednak miałaby ona gwarantować poprawność naszych wniosków dedukowanych z danych doświadczalnych? Czyż równie dobrze nie mogłaby ona powodować, że wnioski te byłyby błędne lub że nie bylibyśmy w stanie dojść do żadnych wniosków?

Jedyne rozwiązanie tego problemu, jakie mogę zaproponować, oparte jest na darwinowskiej zasadzie doboru naturalnego. W dowolnej populacji samoreprodukujących się organizmów istnieją różnice w materiale genetycznym i w wychowaniu poszczególnych osobników. Różnice te powodują, że pewne osobniki potrafią lepiej niż inne wyciągać wnioski o otaczającym je świecie i działać zgodnie z nimi. Te osobniki mają większe szanse na przeżycie i rozmnożenie się, a zatem ich wzorzec zachowania i myślenia powinien stać się dominujący. Z całą pewnością prawdą jest, że w przeszłości to, co nazywamy inteligencją oraz odkryciami naukowymi, dawało przewagę w walce o przetrwanie. Nie jest to tak oczywiste obecnie: konsekwencje naszych odkryć naukowych mogą nas zniszczyć, a jeśli nawet tak się nie stanie, poznanie kompletnej, jednolitej teorii może w minimalnym stopniu tylko zwiększyć nasze szanse na przetrwanie. Jeśli jednak wszechświat rozwija się w sposób regularny, to możemy oczekiwać, że zdolności myślenia, jakie nabyliśmy dzięki doborowi naturalnemu, okażą się przydatne również w poszukiwaniu pełnej teorii, nie wywiodą nas zatem na manowce fałszywych wniosków.

Skoro teorie cząstkowe, którymi już dysponujemy, są wystarczające, by móc dokładnie przewidywać, co nastąpi we wszystkich sytuacjach, z wyjątkiem zupełnie ekstremalnych, trudno jest uzasadniać poszukiwanie kompletnej teorii względami praktycznymi. (Warto jednak zauważyć, że podobnych argumentów można było użyć przeciwko teorii względności i mechanice kwantowej, a jednak zawdzięczamy im energetykę jądrową i mikroelektronikę!) Poznanie kompletnej, jednolitej teorii zapewne nie zwiększy naszej szansy na przetrwanie, może nawet nie zmieni naszego stylu życia. Ale od zarania cywilizacji ludzie nie zadowalali się nigdy obserwowaniem oddzielnych i niewyjaśnionych zjawisk, zawsze chcieli poznać kryjący się za nimi porządek panujący we wszechświecie. Dziś wciąż jeszcze pragniemy zrozumieć, kim jesteśmy i skąd się wzięliśmy. Głębokie pragnienie wiedzy ożywiające ludzkość stanowi dostateczne uzasadnienie naszych poszukiwań. A naszym celem jest kompletny opis świata, w którym żyjemy, nic skromniejszego nas nie zadowoli.

Zapraszamy do zakupu pełnej wersji książki