Stephen W. Hawking

KRÓTKA HISTORIA CZASU

OD WIELKIEGO WYBUCHU DO CZARNYCH DZIUR

SPIS TREŚCI

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 są 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

Słownik ............................... 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 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, 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 Scalę 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