Krótka historia czasu. Стивен Хокинг

Чтение книги онлайн.

СКАЧАТЬ 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 СКАЧАТЬ