Stephen Hawking

AZ IDŐ RÖVID TÖRTÉNETE:

AZ ŐS ROBBANÁSTÓL A FEKETE LYUKIG

Előszó

Nem én írtam az Előszót Az idő rövid története első kiadásához. Carl Sagan megcsinálta. Ehelyett hozzáadtam egy rövid részt „Köszönetnyilvánítás” címmel, ahol arra biztattak, hogy kifejezzem hálámat mindenkinek. Igaz, az engem támogató jótékonysági alapítványok egy része nem nagyon örült annak, hogy megemlítettem őket – sokkal több pályázat érkezett hozzájuk.

Azt hiszem, senki – sem a kiadó, sem az ügynököm, de még én sem – nem számított arra, hogy a könyv ekkora sikert arat. Felkerült a londoni újság bestseller-listájára. Vasárnapi Idők 237 hét – ez több, mint bármely más könyv (természetesen a Bibliát és Shakespeare műveit nem számítva). Körülbelül negyven nyelvre fordították le, és hatalmas számban adták el - a Föld minden 750 lakosára, férfiakra, nőkre és gyerekekre körülbelül egy példány jut. Ahogy Nathan Myhrvold, a cégtől megjegyezte Microsoft(ez a volt végzős hallgatóm), eladtam több könyvet a fizikában, mint Madonna – a szexről szóló könyvek.

Az A Brief History of Time sikere azt jelenti, hogy az embereket nagyon érdeklik azok az alapvető kérdések, amelyek arról szólnak, hogy honnan jöttünk, és miért olyan az univerzum, amilyennek ismerjük.

Kihasználtam a felkínált lehetőséget, hogy a könyvet újabb megfigyelési adatokkal és elméleti eredményekkel egészítsem ki, amelyek az első kiadás megjelenése után (1988. április 1., bolondok) születtek. hozzáadtam új fejezet a féreglyukakról és az időutazásról. Úgy tűnik, hogy Einstein általános relativitáselmélete lehetővé teszi féreglyukak – a téridő különböző régióit összekötő kis alagutak – létrehozásának és fenntartásának lehetőségét. Ebben az esetben használhatjuk őket gyors utazás a galaxison át, vagy visszautazni az időben. Persze a jövőből még nem találkoztunk egy idegennel (vagy talán találkoztunk?), de megpróbálom kitalálni, mi lehet ennek a magyarázata.

Szólok az eddig elért eredményekről is Utóbbi időben előrelépés a „kettősség” vagy a látszólag eltérő fizikai elméletek közötti megfelelés keresésében. Ezek a megfelelések komoly bizonyítékok az egységes fizikai elmélet létezése mellett. De azt is sugallják, hogy az elméletet nem lehet következetesen, alapvetően megfogalmazni. Ehelyett be különböző helyzetekben meg kell elégedni az alapvető elmélet különféle „reflexióival”. Ugyanígy nem tudjuk a teljes földfelszínt részletesen megjeleníteni egy térképen, és kénytelenek vagyunk használni különböző kártyák különböző területekre. Egy ilyen elmélet forradalmat jelentene a természeti törvények egységesítésének lehetőségéről alkotott elképzeléseinkben.

A legfontosabbat azonban semmiképpen sem érintené: az Univerzum egy sor racionális törvénynek van alávetve, amelyeket képesek vagyunk felfedezni és megérteni.

Ami a megfigyelési szempontot illeti, itt természetesen a legfontosabb eredmény a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás fluktuációinak mérése volt a projekt keretében. COBE(Angol) Kozmikus háttér felfedező -"Kozmikus háttérsugárzás kutatója") 1
A kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás fluktuációit vagy anizotrópiáit először a Szovjet Relict projekt fedezte fel. – jegyzet tudományos szerk.

És mások. Ezek az ingadozások lényegében a teremtés „pecsétjei”. Nagyon kicsi inhomogenitásokról beszélünk a korai Univerzumban, amely egyébként meglehetősen homogén volt. Ezt követően galaxisokká, csillagokká és más struktúrákká változtak, amelyeket távcsőn keresztül figyelünk meg. A fluktuációk formái összhangban vannak az Univerzum egy olyan modelljének előrejelzéseivel, amelynek nincsenek határai a képzeletbeli időirányban. De ahhoz, hogy a javasolt modellt előnyben részesítsük a CMB-ingadozások más lehetséges magyarázataival szemben, új megfigyelésekre lesz szükség. Néhány év múlva kiderül, hogy Univerzumunk teljesen zártnak tekinthető-e, kezdet és vég nélkül.

Stephen Hawking

fejezet első. Képünk az Univerzumról

Egyszer egy híres tudós (azt mondják, Bertrand Russell volt) olvasott nyilvános előadás a csillagászatban. Arról beszélt, hogy a Föld hogyan kering a Nap körül, és hogyan kering a Nap a Galaxisunknak nevezett hatalmas csillaghalmaz közepe körül. Amikor az előadás véget ért, a hallgatóság hátsó sorában egy kicsi, idős nő felállt, és így szólt: „Minden, ami itt elhangzott, teljes hülyeség. A világ egy lapos tányér egy óriási teknős hátán." A tudós lekezelően elmosolyodott, és megkérdezte: - Min áll az a teknős? – Ön nagyon okos fiatalember, nagyon okos – válaszolta a hölgy. "Egy teknős egy másik teknősön áll, az a teknős pedig a következőn, és így tovább a végtelenségig!"

A legtöbb gondolkodni fog nevetséges próbálkozás Univerzumunkat a teknősök végtelenül magas tornyaként adja át. De miért vagyunk olyan biztosak abban, hogy a világról alkotott elképzelésünk jobb? Mit tudunk valójában az Univerzumról, és honnan tudjuk mindezt? Hogyan keletkezett az Univerzum? Mit hoz neki a jövő? Volt-e kezdete az Univerzumnak, és ha igen, mi volt előtte? Mi az idő természete? Vége lesz valaha? Lehetséges visszamenni az időben? E régóta fennálló kérdések némelyikére választ adnak a fizikában a közelmúltban elért áttörések, részben a fantasztikus új technológiák megjelenésének köszönhetően. Egyszer olyan új ismereteket fogunk találni, mint az a tény, hogy a Föld a Nap körül kering. Vagy talán olyan abszurd, mint a teknősök tornyának ötlete. Csak az idő (bármi is az) fogja megmondani.

Nagyon régen, ie 340 évvel ezelőtt, Arisztotelész görög filozófus írt egy értekezést „A mennyországról”. Ebben két meggyőző bizonyítékot terjesztett elő arra vonatkozóan, hogy a Föld gömb alakú, és egyáltalán nem lapos, mint egy lemez. Először is rájött, hogy a holdfogyatkozások oka az, hogy a Föld áthalad a Nap és a Hold között. A Föld által a Holdra vetett árnyék mindig kerek alakú, és ez csak akkor lehetséges, ha a Föld is kerek. Ha a Föld lapos korong alakú lenne, az árnyék jellemzően ellipszis alakú lenne; Csak akkor lenne kerek, ha a Nap fogyatkozás közben pontosan a korong közepe alatt helyezkedne el. Másodszor, az ókori görögök utazásaik tapasztalataiból tudták, hogy délen a Sarkcsillag közelebb van a horizonthoz, mint az északi területeken. (Mivel a Sarkcsillag az Északi-sark felett helyezkedik el, az Északi-sarkon lévő megfigyelő közvetlenül a feje fölött, az Egyenlítőhöz közeli megfigyelő pedig a horizont felett látja.) Sőt, Arisztotelész a látszólagos helyzet különbsége alapján északi csillag Egyiptomban és Görögországban végzett megfigyelések során 400 000 stadionra tudta becsülni a Föld kerületét. Nem tudjuk pontosan, hogy egy stade mennyivel egyenlő, de ha feltételezzük, hogy körülbelül 180 méter volt, akkor Arisztotelész becslése körülbelül kétszerese a jelenleg elfogadott értéknek. A görögöknek volt egy harmadik érve is a Föld kerek alakja mellett: mivel magyarázzák másképp, hogy amikor egy hajó a parthoz közeledik, akkor először csak a vitorláját mutatják be, és csak azután a hajótestet?

Arisztotelész a Földet mozdulatlannak tartotta, és azt is hitte, hogy a Nap, a Hold, a bolygók és a csillagok a szerint forognak. körpályák a Föld körül. Misztikus megfontolások vezérelték: a Föld Arisztotelész szerint az Univerzum középpontja, a körkörös mozgás a legtökéletesebb. A Krisztus utáni 2. században Ptolemaiosz ezen az elképzelésen alapuló átfogó kozmológiai modellt épített fel. Az Univerzum középpontjában a Föld volt, amelyet nyolc egymásba ágyazott forgó gömb vett körül, és ezeken a gömbökön helyezkedett el a Hold, a Nap, a csillagok és az öt akkoriban ismert bolygó - a Merkúr, a Vénusz, a Mars, a Jupiter és a Szaturnusz. 1.1). Minden bolygó a gömbjéhez képest egy kis körben mozgott - annak érdekében, hogy leírják ezeknek a világítótesteknek az égbolton nagyon összetett pályáit. A csillagok a külső szférán voltak rögzítve, és ezért azok kölcsönös rendelkezések változatlan maradt, a konfiguráció egyetlen egészként forgott az égen. Az elképzelések arról, hogy mi található a külső szférán kívül, nagyon homályosak maradtak, de minden bizonnyal az Univerzum azon részén kívül helyezkedtek el, amely az emberiség számára megfigyelhető volt.

Ptolemaiosz modellje lehetővé tette a világítótestek égboltbeli helyzetének meglehetősen pontos előrejelzését. De ahhoz, hogy megegyezzenek az előrejelzések és a megfigyelések között, Ptolemaiosznak azt kellett feltételeznie, hogy a Hold és a Föld közötti távolság különböző időpontokban kétszeresére is eltérhet. Ez azt jelentette, hogy a Hold látszólagos méretének néha kétszer akkorának kellett lennie, mint általában! Ptolemaiosz tudatában volt rendszerének e hiányosságainak, ami azonban nem akadályozta meg világképének szinte egyöntetű elismerését. A keresztény egyház elfogadta a ptolemaioszi rendszert, mert azt a Szentírással összhangban állónak tekintették: túlmutat a szférán állócsillagok bőven maradt hely a mennynek és a pokolnak.

De 1514-ben Nicolaus Kopernikusz lengyel pap egy egyszerűbb modellt javasolt. (Először azonban attól tartva, hogy az egyház eretnekséggel vádolja meg, Kopernikusz névtelenül terjesztette kozmológiai elképzeléseit.) Kopernikusz azt javasolta, hogy a Nap mozdulatlan és a középpontban helyezkedik el, a Föld és a bolygók pedig körpályán mozognak körülötte. Majdnem egy évszázadba telt, mire ezt az ötletet komolyan vették. Két csillagász, a német Johannes Kepler és az olasz Galileo Galilei az elsők között szólalt fel nyilvánosan a kopernikuszi elmélet mellett, annak ellenére, hogy az elmélet által megjósolt pályák. égitestek nem egyezik pontosan a megfigyeltekkel. Arisztotelész és Ptolemaiosz világrendszerére az utolsó csapást az 1609-es események mérték – ekkor Galilei az újonnan feltalált távcsövön keresztül kezdte megfigyelni az éjszakai eget. 2
A távcsövet mint céltávcsövet Johann Lippershey holland szemüvegkészítő találta fel először 1608-ban, de Galileo volt az első, aki 1609-ben távcsövet irányított az égre, és használta csillagászati megfigyelések. – jegyzet fordítás

A Jupiter bolygóra nézve Galilei több kis holdat fedezett fel körülötte. Ebből az következett, hogy nem minden égitest kering a Föld körül, ahogy Arisztotelész és Ptolemaiosz hitte. (Természetesen továbbra is úgy tekinthetjük, hogy a Föld stacioner és az Univerzum középpontjában helyezkedik el, hisz abban, hogy a Jupiter műholdai rendkívül bonyolult pályákon keringenek a Föld körül, így az hasonló a Jupiter körüli forgásukhoz. De mégis, Kopernikusz elmélete jóval egyszerűbb volt.) Körülbelül ezzel egy időben Kepler pontosította a kopernikuszi elméletet, és arra utalt, hogy a bolygók nem körpályán, hanem elliptikus (azaz megnyúlt) pályán mozognak, aminek köszönhetően sikerült megegyezni az elmélet előrejelzései és a megfigyelések között.

Igaz, Kepler csak matematikai trükknek tekintette az ellipsziseket, méghozzá nagyon utálatosnak, mert az ellipszisek kevésbé tökéletes alakok, mint a körök. Kepler szinte véletlenül fedezte fel, hogy az elliptikus pályák jól leírják a megfigyeléseket, de nem tudta összeegyeztetni az elliptikus pályák feltételezését az elképzelésével mágneses erők mint a bolygók Nap körüli mozgásának oka. A bolygók Nap körüli mozgásának okát jóval később, 1687-ben tárta fel Sir Isaac Newton „A természetfilozófia matematikai alapelvei” című értekezésében, amely talán a valaha publikált legfontosabb fizikai munka. Ebben a munkában Newton nemcsak a testek térben és időben történő mozgását leíró elméletet terjesztett elő, hanem egy komplexet is kidolgozott. matematikai berendezés, szükséges ennek a mozgásnak a leírásához. Ráadásul Newton megfogalmazta a törvényt egyetemes gravitáció, amely szerint az Univerzumban minden test bármely más testhez olyan erővel vonzódik, amely annál nagyobb, minél nagyobb a testek tömege és minél kisebb a távolság a kölcsönható testek között. Ez ugyanaz az erő, amely a tárgyak földre esését okozza. (Az a történet, miszerint Newton elképzelését az egyetemes gravitáció törvényéről a fejére hulló alma ihlette, valószínűleg csak fikció. Newton csak annyit mondott, hogy az ötlet akkor jutott eszébe, amikor „elmélkedő hangulatban volt”, és "az alma leeséséből fakadó benyomás alatt.") Newton megmutatta, hogy az általa megfogalmazott törvény szerint a gravitáció hatására a Holdnak elliptikus pályán kell mozognia a Föld körül, a Földnek és a bolygóknak pedig elliptikus pályákon a Nap körül.

A kopernikuszi modell megszüntette a ptolemaioszi szférák szükségességét, és ezzel együtt azt a feltételezést is, hogy az Univerzumnak van valamiféle természetes külső határa. Mivel a "fix" csillagok nem mutattak más mozgást, mint az általános napi mozgáségbolt, amelyet a Föld tengelye körüli forgása okozott, természetes volt azt feltételezni, hogy ezek ugyanazok a testek, mint a mi Napunk, csak sokkal távolabb helyezkednek el.

Newton rájött, hogy gravitációs elmélete szerint a csillagoknak vonzniuk kell egymást, és ezért láthatóan nem maradhatnak mozdulatlanul. Miért nem kerültek közelebb és halmozódtak fel egy helyen? Egy 1691-ben írt levelében, amelyet korának egy másik prominens gondolkodójához, Richard Bentley-hez írt, Newton azzal érvelt, hogy ezek csak akkor fognak összefolyni és csoportosulni, ha a tér egy korlátozott tartományában koncentrálódó csillagok száma véges. És ha a csillagok száma végtelen, és többé-kevésbé egyenletesen oszlanak el a végtelen térben, akkor ez nem fog megtörténni, mivel nincs olyan nyilvánvaló központi pont, amelybe a csillagok „hullhatnának”.

Ez egyike azoknak a buktatóknak, amelyek akkor fordulnak elő, amikor a végtelenre gondolunk. BAN BEN végtelen univerzum bármely pontja tekinthető a középpontjának, mert mindkét oldalán ott van egy démon végső szám csillagok A helyes megközelítés (ami jóval később jött) az, hogy megoldjuk a problémát abban a véges esetben, amikor a csillagok egymásra esnek, és megvizsgáljuk, hogyan változik az eredmény, ha a konfigurációhoz hozzáadunk olyan csillagokat, amelyek a vizsgált régión kívül helyezkednek el, és nagyobb eloszlásúak, ill. kevésbé egyenletesen. Newton törvénye szerint átlagosan az aggregátumban lévő további csillagok nem lehetnek hatással az eredeti csillagokra, ezért ezeknek az eredeti konfigurációjú csillagoknak gyorsan egymásba kell esniük. Tehát akárhány csillagot adsz hozzá, akkor is egymásra fognak esni. Ma már tudjuk, hogy lehetetlen az Univerzum végtelen stacionárius modelljét előállítani, amelyben a gravitációs erő kizárólagosan „vonzó” jellegű.

Sokat elmond a 20. század eleje előtti intellektuális légkörről, hogy akkor senki sem állt elő olyan forgatókönyvvel, amely szerint az Univerzum összehúzódhat vagy tágulhatna. Az Univerzum általánosan elfogadott fogalma az volt, hogy vagy mindig változatlan formában létezett, vagy valamikor a múltban keletkezett - abban a formában, ahogyan most megfigyeljük. Ez részben annak a következménye lehet, hogy az emberek hajlamosak hinni az örök igazságokban. Érdemes legalább arra emlékezni, hogy a legnagyobb vigasz az a gondolat, hogy bár mindannyian megöregedünk és meghalunk, az Univerzum örök és változatlan.

Még azok a tudósok sem mertek tágítani, akik megértették, hogy Newton gravitációs elmélete szerint az Univerzum nem lehet statikus. Ehelyett megpróbálták úgy igazítani az elméletet, hogy a gravitációs erő nagyon legyen hosszútáv visszataszítóvá vált. Ez a feltevés nem változtatta meg jelentősen a bolygók előre jelzett mozgását, de végtelen számú csillagot hagyott egyensúlyi állapotban maradni: a közeli csillagokból származó vonzó erőket kiegyenlítették a távolabbi csillagok taszító erőivel. Most úgy gondolják, hogy egy ilyen egyensúlyi állapotnak instabilnak kell lennie: amint a csillagok bármely régióban egy kicsit közelebb kerülnek egymáshoz, kölcsönös vonzásuk felerősödik, és meghaladja a taszító erőket, aminek következtében a csillagok továbbra is esnek egymásnak. Másrészt, ha a csillagok csak kicsit távolabb vannak egymástól, akkor a taszító erők felülkerekednek a vonzó erők felett, és a csillagok szétrepülnek.

A végtelen statikus univerzum fogalmával szembeni másik kifogás általában Heinrich Olbers német filozófus nevéhez fűződik, aki 1823-ban tette közzé érvelését erről a kérdésről. Valójában Newton kortársai közül sokan felhívták a figyelmet erre a problémára, és Olbers cikke korántsem volt az első, amely erős érveket hozott fel egy ilyen koncepció ellen. Azonban ez volt az első, amely széles körű elismerést kapott. A tény az, hogy egy végtelen statikus univerzumban szinte minden látássugara valamelyik csillag felszínén nyugszik, és ezért az egész égboltnak olyan fényesen kell világítania, mint a Nap, még éjszaka is. Olbers ellenérve az volt, hogy a távoli csillagok fényét gyengíteni kell a köztünk és a csillagok között lévő anyag általi elnyeléssel. De akkor ez az anyag felmelegszik, és olyan fényesen világít, mint maguk a csillagok. Az egyetlen módja annak, hogy elkerüljük azt a következtetést, hogy az egész égbolt fényessége összehasonlítható a Nap fényesével, ha feltételezzük, hogy a csillagok nem örökké ragyogtak, hanem bizonyos idővel ezelőtt „világítottak”. Ebben az esetben az elnyelő anyagnak nem lenne ideje felmelegedni, vagy a távoli csillagok fényének nem jutna el hozzánk. Így elérkeztünk ahhoz a kérdéshez, hogy miért világítottak a csillagok.

Természetesen az emberek már jóval korábban is vitatták a világegyetem keletkezését. Sok korai kozmológiai elképzelésben, valamint a világról alkotott zsidó, keresztény és muszlim képben az Univerzum egy bizonyos és nem túl távoli időben keletkezett a múltban. Az egyik érv egy ilyen kezdet mellett az volt az érzés, hogy szükség van valamiféle első okra, amely megmagyarázná az Univerzum létezését. (Maga az Univerzumon belül minden benne előforduló esemény egy másik, több következményeként magyarázható korai események; magának az Univerzumnak a létezése csak úgy magyarázható így, ha feltételezzük, hogy volt valamiféle kezdete.) Egy másik érvet Aurelius Augustinus vagy Szent Ágoston fogalmazott meg „Isten városáról” című művében. Megjegyezte, hogy a civilizáció fejlődik, és emlékszünk arra, hogy ki követte el ezt vagy azt a tettet, vagy találta ki ezt vagy azt a mechanizmust. Következésképpen az ember, és talán az Univerzum, nem nagyon létezhetett hosszú ideje. Szent Ágoston úgy vélte, a Teremtés könyvével összhangban, hogy a Világegyetem körülbelül 5000 évvel Krisztus születése előtt keletkezett. (Érdekes módon ez közel jár az utolsó jégkorszak végéhez - Kr.e. 10 000 körül -, amelyet a régészek a civilizáció kezdetének tekintenek.)

Arisztotelésznek és a legtöbb ókori görög filozófusnak éppen ellenkezőleg, nem tetszett a világ teremtésének gondolata, mert az isteni beavatkozásból származik. Azt hitték, hogy az emberi faj és a világ mindig is létezett és örökké létezni fog. Az ókor gondolkodói is megértették a civilizáció előrehaladásával kapcsolatos fent említett érvelést, és ellentmondtak: kijelentették, hogy az emberi faj időszakonként visszatért a civilizáció kezdetének szakaszába az árvizek és más természeti katasztrófák hatására.

Azt a kérdést, hogy az Univerzumnak van-e kezdete az időben, és hogy korlátozott-e a térben, Immanuel Kant filozófus is felvetette monumentális (bár nagyon nehezen érthető) munkájában, a „Critique of Pure Reason” című, 1781-ben megjelent művében. Kant ezeket a kérdéseket a tiszta ész antinómiáinak (vagyis ellentmondásainak) nevezte, mert úgy érezte, hogy egyformán nyomós érvek szólnak mind a tézis – vagyis az, hogy a Világegyetemnek volt kezdete –, mind pedig az ellentézis, vagyis az, hogy a Világegyetem rendelkezik. mindig is létezett. Tézisének bizonyítására Kant a következő érvelést adja: ha az Univerzumnak nem lenne kezdete, akkor minden eseményt meg kellett volna előznie végtelen idő, ami a filozófus szerint abszurd. Az ellentét mellett azt a megfontolást terjesztették elő, hogy ha az Univerzumnak van kezdete, akkor előtte végtelen időnek kell eltelnie, és nem világos, hogy az Univerzum miért keletkezett az idő bármely pillanatában. Lényegében Kant tézis- és antitézis-indoklása szinte azonos. Az érvelés mindkét esetben a filozófus azon implicit feltételezésen alapul, hogy az idő végtelenül folytatódik a múltban, függetlenül attól, hogy az Univerzum mindig is létezett-e. Amint látni fogjuk, az idő fogalmának az Univerzum születéséig nincs értelme. Szent Ágoston volt az első, aki ezt megjegyezte. Megkérdezték tőle: „Mit csinált Isten, mielőtt megteremtette a világot?” Ágoston pedig nem vitatta, hogy Isten a poklot készíti elő azoknak, akik ilyen kérdéseket tettek fel. Ehelyett azt feltételezte, hogy az idő Isten teremtett világának sajátja, és hogy a világegyetem kezdete előtt az idő nem létezett.

Amikor a legtöbben az univerzumot mint egészet statikusnak és változatlannak tartották, az a kérdés, hogy van-e kezdete, inkább metafizika vagy teológia kérdése volt. A megfigyelt világkép egyformán magyarázható annak az elméletnek a keretei között, hogy az Univerzum mindig is létezett, és abból a feltételezésből kiindulva, hogy egy bizonyos időpontban mozgásba lendült, de úgy, hogy a látszat az marad, hogy örökké létezik. De 1929-ben Edwin Hubble elkészítette alapvető felfedezés: felhívta a figyelmet arra, hogy a távoli galaxisok, bárhol is legyenek az égen, mindig nagy sebességgel távolodnak el tőlünk [a távolságukkal arányosan] 3
Itt és lent szögletes zárójelben a fordítói megjegyzések, amelyek a szerző szövegét pontosítják. – jegyzet szerk.

Más szóval, az Univerzum tágul. Ez azt jelenti, hogy a múltban az Univerzum objektumai közelebb voltak egymáshoz, mint most. És úgy tűnik, hogy valamikor - valahol 10-20 milliárd évvel ezelőtt - minden, ami az Univerzumban van, egy helyen koncentrálódott, és ezért az Univerzum sűrűsége végtelen volt. Ez a felfedezés a tudomány birodalmába emelte az Univerzum kezdetének kérdését.

Köszönetnyilvánítás

A könyvet Jane-nek ajánljuk

Miután 1982-ben a Harvardon tartottam a Loeb Lectures-t, úgy döntöttem, hogy megpróbálok írni egy népszerű könyvet a térről és az időről. Akkoriban már jó néhány könyv szólt a korai Univerzumról és a fekete lyukakról, mindkettő nagyon jó, például Steven Weinberg „Az első három perc” című könyve, és nagyon rosszak is, amelyeket nem kell itt megnevezni. De nekem úgy tűnt, hogy egyikük sem érintette azokat a kérdéseket, amelyek arra késztettek, hogy tanulmányozzam a kozmológiát és kvantum elmélet: Honnan jött az Univerzum? hogyan és miért keletkezett? vége lesz, és ha lesz, hogyan? Ezek a kérdések mindannyiunkat érdekelnek. De a modern tudomány nagyon gazdag matematikában, és csak néhány szakember rendelkezik elegendő ismeretekkel az utóbbiról ahhoz, hogy ezt megértse. Azonban alapvető gondolatok a születésről és jövőbeli sorsa Az Univerzum a matematika segítsége nélkül is bemutatható úgy, hogy azok számára is érthetővé váljon, akik nem tudományos oktatás. Ezt próbáltam megtenni a könyvemben. Az olvasónak kell eldöntenie, hogy mennyire vagyok sikeres.
Azt mondták nekem, hogy a könyvben szereplő minden képlet felére csökkenti a vásárlók számát. Aztán úgy döntöttem, hogy teljesen nélkülözöm a tápszereket. Igaz, végül mégis írtam egy egyenletet - a híres Einstein-egyenletet E=mc^2. Remélem, nem riasztja el potenciális olvasóim felét.
Azon kívül, hogy amiotrófiás laterális szklerózisban betegedtem meg, szinte minden másban szerencsém volt. A feleségem, Jane és gyermekeim, Robert, Lucy és Timothy segítsége és támogatása lehetővé tette számomra, hogy meglehetősen normális életet éljek, és sikereket érjek el a munkában. Szerencsém volt abban, amit választottam elméleti fizika, mert minden belefér a fejbe. Ezért a testi gyengeségem nem lett komoly hátrány. Tudományos kollégáim kivétel nélkül mindig maximális segítséget nyújtottak.
Munkám első, „klasszikus” szakaszában a legközelebbi asszisztenseim és munkatársaim Roger Penrose, Robert Gerok, Brandon Carter és George Ellis voltak. Hálás vagyok nekik a segítségükért és együtt dolgozni. Ez a szakasz a „Large-scale structure of space-time” című könyv megjelenésével zárult, amelyet Ellis és én 1973-ban írtunk (S. Hawking, J. Ellis. Large-scale structure of space-time. M.: Mir, 1976).
Nem tanácsolom senkinek, aki olvassa a következő oldalakat, hogy további információkért forduljon hozzá: túlterhelt a matematikával és nehezen olvasható. Remélem, azóta megtanultam könnyebben írni.
Munkám második, "kvantum" szakaszában, amely 1974-ben kezdődött, elsősorban Gary Gibbonsszal, Don Page-el és Jim Hartle-lel dolgoztam. Sokat köszönhetek nekik, valamint végzős hallgatóimnak, akik óriási segítséget nyújtottak a szó „fizikai” és „elméleti” értelmében egyaránt. Az, hogy lépést kell tartanom a végzős hallgatókkal, rendkívül fontos motiváció volt, és azt hiszem, megakadályozott abban, hogy beleragadjak a sárba.
Brian Witt, az egyik tanítványom sokat segített a könyvön való munkám során. 1985-ben, miután felvázoltam a könyv első durva vázlatát, tüdőgyulladásban betegedtem meg. Meg kellett műteni, és a légcsőmetszés után abbahagytam a beszédet, így majdnem elvesztettem a kommunikációs képességemet. Azt hittem, nem fogom tudni befejezni a könyvet. De Brian nemcsak átdolgozásában segített, hanem megtanított a Living Center számítógépes kommunikációs program használatára is, amelyet Walt Waltosh, a kaliforniai sunnyvale-i Words Plus, Inc. alkalmazottja adott nekem. Segítségével könyveket és cikkeket írhatok, valamint beszélhetek emberekkel egy másik sunnyvale-i cég, a Speech Plus által nekem adott beszédszintetizátoron keresztül. David Mason ezt a szintetizátort és egy kis személyi számítógépet telepítette a tolószékemre. Ez a rendszer mindent megváltoztatott: még könnyebbé vált a kommunikáció, mint mielőtt elvesztettem volna a hangomat.
Hálás vagyok azoknak a tanácsaiért, akik elolvasták a könyv előzetes verzióit, hogy hogyan lehetne továbbfejleszteni. Így Peter Gazzardi, a Bantam Books szerkesztőm levelet küldött nekem, megjegyzésekkel és kérdésekkel azokkal a részekkel kapcsolatban, amelyek szerinte rosszul voltak elmagyarázva. Igaz, eléggé bosszús voltam, amikor hatalmas listát kaptam az ajánlott javításokról, de Gazzardinak teljesen igaza volt. Biztos vagyok benne, hogy a könyvet jobbá tette, hogy Gazzardi az orrom a hibákba dörgölte.
Mély hálámat fejezem ki asszisztenseimnek, Colin Williamsnek, David Thomasnak és Raymond Laflamme-nak, titkáraimnak, Judy Fellának, Ann Ralphnak, Cheryl Billingtonnak és Sue Macynek, valamint ápolóimnak. Nem tudtam volna elérni semmit, ha a tudományos kutatás és a szükséges orvosi ellátás minden költségét nem a Gonville és Caius College, a Science and Technology Research Council és a Leverhulme, MacArthur, Nuffield és Ralph Smith Alapítványok viselték volna. Mindannyiuknak nagyon hálás vagyok.

Előszó

Úgy élünk, hogy szinte semmit sem értünk a világ felépítéséből. Nem gondolunk arra, hogy milyen mechanizmus generál napfény, ami létünket biztosítja, nem a gravitációra gondolunk, ami a Földön tart, megakadályozva, hogy az űrbe dobjon. Nem érdekelnek bennünket azok az atomok, amelyekből állunk, és amelyek stabilitásától mi magunk is alapvetően függünk. A gyerekeket leszámítva (akik még mindig túl keveset tudnak ahhoz, hogy ne tegyenek fel ilyen komoly kérdéseket) kevesen gondolkoznak azon, hogy miért olyan a természet, amilyen, honnan jött a kozmosz, és vajon mindig is létezett-e? Nem lehetne egy napon visszafordítani az időt úgy, hogy a hatás megelőzze az okot? Van-e áthághatatlan határa az emberi tudásnak? Még gyerekek is vannak (találkoztam velük), akik szeretnék tudni, hogy néz ki egy fekete lyuk, melyik a legkisebb anyagrészecske? miért emlékezünk a múltra és nem a jövőre? Ha korábban valóban káosz volt, akkor most hogyan jött létre a látszólagos rend? és miért létezik egyáltalán az Univerzum?
Társadalmunkban elfogadott, hogy a szülők és a tanárok válaszolnak ezekre a kérdésekre javarészt vállukat vonják, vagy a vallási legendákra való homályosan emlékezett utalásokból hívnak segítséget. Vannak, akik nem szeretik az ilyen témákat, mert élénken mutatják be az emberi megértés szűkösségét.
De a filozófia fejlődése és természettudományok az előrehaladás nagyrészt az ehhez hasonló kérdéseknek volt köszönhető. Egyre több felnőtt érdeklődik irántuk, és a válaszok olykor teljesen váratlanok számukra. Az atomoktól és a csillagoktól egyaránt eltérő léptékű kutatási távlatokat igyekszünk lefedni a nagyon kicsik és a nagyon nagyok számára.
1974 tavaszán, körülbelül két évvel korábban űrhajó A Viking elérte a Mars felszínét, én Angliában voltam a Londoni Királyi Társaság által szervezett konferencián, amely a földönkívüli civilizációk felkutatásának lehetőségeivel foglalkozott. Egy kávészünetben észrevettem, hogy a szomszéd szobában egy sokkal nagyobb találkozó zajlik, és kíváncsiságból beléptem oda. Így tanúja lettem egy régóta fennálló rituálénak – az új tagok befogadásának királyi Társaság, amely a tudósok egyik legrégebbi egyesülete a bolygón. Előtte egy tolószékben ülő fiatalember nagyon lassan beírta a nevét egy könyvbe, amelynek előző oldalain Isaac Newton aláírása volt. Amikor végre befejezte az aláírást, a közönség tapsban tört ki. Stephen Hawking már akkor legenda volt.

Hawking jelenleg a Cambridge-i Egyetem matematika tanszékét foglalja el, amelyet egykor Newton, majd később P. A. M. Dirac foglalt el – két híres felfedező, aki az egyiket - a legnagyobbat, a másikat - a legkisebbet tanulmányozta. Hawking méltó utódjuk. Hokippa első népszerű könyve sok hasznos dolgot tartalmaz széles közönség számára. A könyv nemcsak tartalmi szélessége miatt érdekes, hanem lehetővé teszi a szerző gondolatainak működését is. Világos kinyilatkoztatásokat talál benne a fizika, a csillagászat, a kozmológia és a bátorság határairól.
De ez is egy könyv Istenről... vagy talán Isten hiányáról. Az „Isten” szó gyakran megjelenik oldalain. Hawking megpróbálja megtalálni a választ Einstein híres kérdésére, hogy vajon Istennek volt-e választási lehetősége, amikor megteremtette az Univerzumot. Hawking – ahogy ő maga írja – megpróbálja megfejteni Isten tervét. Annál váratlanabb az a következtetés (legalábbis átmeneti), amelyhez ezek a keresések vezetnek: egy Univerzum, ahol nincs térbeli perem, nincs kezdete és időbeli vége, és nincs munkája a Teremtőnek.
Carl Sagan, Cornell Egyetem, Ithaca, NY NY.

1. Az Univerzumról alkotott elképzelésünk

Egyszer egy híres tudós (azt mondják, Bertrand Russell volt) nyilvános előadást tartott a csillagászatról. Elmondta, hogyan kering a Föld a Nap körül, a Nap pedig a Galaxisunknak nevezett hatalmas csillaghalmaz közepe körül. Ahogy az előadás véget ért, egy kis idős hölgy felállt a terem hátsó soraiból, és így szólt: „Minden, amit elmondott nekünk, ostobaság. Valójában a világunk egy lapos tányér, amely egy óriási teknős hátán áll.” A tudós elnézően mosolyogva megkérdezte: „Mit támogat a teknős?” – Nagyon okos vagy, fiatalember – válaszolta az idős hölgy. "Egy teknős egy másik teknősön van, az is egy teknősön, és így tovább és lejjebb."
Az Univerzumról, mint a teknősök végtelen tornyáról alkotott elképzelés legtöbbünk számára viccesnek tűnik, de miért gondoljuk azt, hogy mi magunk tudunk jobban? Mit tudunk az Univerzumról, és honnan tudtuk? Honnan jött az Univerzum, és mi lesz vele? Volt-e kezdete az Univerzumnak, és ha igen, mi történt a kezdet előtt? Mi az idő lényege? Vége lesz valaha? Az elmúlt évek fizikában elért eredményei, amelyeket részben a sci-fi-nek köszönhetünk új technológia, engedje meg, hogy végre választ kapjunk e régóta felmerülő kérdések legalább egy részére. Az idő el fog múlni, és ezek a válaszok olyan nyilvánvalóvá válhatnak, mint az a tény, hogy a Föld kering a Nap körül, és talán olyan nevetséges, mint egy teknőstorony. Csak az idő (bármi is az) dönt.
Még ie 340-ben. e. Arisztotelész görög filozófus „Az egekről” című könyvében két nyomós érvet hozott fel amellett, hogy a Föld nem lapos lemez, hanem kerek labda. Először Arisztotelész sejtette, hogy a holdfogyatkozás akkor következik be, amikor a Föld a Hold és a Nap között van. A Föld mindig kerek árnyékot vet a Holdra, és ez csak akkor történhet meg, ha a Föld gömb alakú. Ha a Föld lapos korong lenne, az árnyéka megnyúlt ellipszis alakú lenne, hacsak nem mindig pontosan abban a pillanatban következik be a fogyatkozás, amikor a Nap pontosan a korong tengelyén van. Másodszor, a görögök utazásaik tapasztalataiból tudták, hogy ben déli régiók A sarkcsillag alacsonyabban helyezkedik el az égen, mint az északi csillagokon. (Mivel a Polaris az Északi-sark felett van, közvetlenül az Északi-sarkon álló megfigyelő feje fölött lesz, de valakinek az Egyenlítőnél úgy tűnik, hogy a láthatáron van.) Ismerve a Sarkcsillag látszólagos helyzetének különbségét Egyiptomban és Görögországban, Arisztotelész még azt is ki tudta számítani, hogy az Egyenlítő hossza 400 000 stadion. Pontosan nem ismert, hogy mi a stadion, de közel 200 méter, ezért Arisztotelész becslése körülbelül 2-szeres nagyobb érték, most elfogadva. A görögöknek volt egy harmadik érve is a Föld gömbalakja mellett: ha a Föld nem kerek, akkor miért látjuk először egy hajó vitorláit a horizont fölé emelkedni, és csak utána magát a hajót?
Arisztotelész úgy gondolta, hogy a Föld mozdulatlan, és a Nap, a Hold, a bolygók és a csillagok körpályán keringenek körülötte. Ezt hitte, mert misztikus nézeteinek megfelelően a Földet tartotta az Univerzum középpontjának, a körkörös mozgást pedig a legtökéletesebbnek. Ptolemaiosz a 2. században fejlesztette ki Arisztotelész gondolatát egy teljes kozmológiai modellé. A középpontban a Föld áll, körülvéve nyolc gömböt, amelyeken a Hold, a Nap és az öt akkor ismert bolygó: Merkúr, Vénusz, Mars, Jupiter és Szaturnusz található (1.1. ábra). Maguk a bolygók Ptolemaiosz szerint kisebb körökben mozognak, amelyek a megfelelő gömbökhöz kapcsolódnak. Ez megmagyarázta azt a nagyon összetett utat, amelyen a bolygók járnak. A legutolsó gömbön vannak az állócsillagok, amelyek egymáshoz képest ugyanabban a helyzetben maradva, egyetlen egészként mozognak az égen. Hogy mi van az utolsó szférán túl, azt nem magyarázták meg, de mindenesetre ez már nem volt az Univerzum része, amelyet az emberiség megfigyel.

Ptolemaiosz modellje meglehetősen jól megjósolta az égitestek helyzetét az égen, de a pontos előrejelzéshez el kellett fogadnia, hogy a Hold pályája néhol kétszer közelebb kerül a Földhöz, mint máshol! Ez azt jelenti, hogy az egyik helyzetben a Holdnak kétszer nagyobbnak kell lennie, mint a másikban! Ptolemaiosz tisztában volt ezzel a hiányossággal, de elméletét ennek ellenére elismerték, bár nem mindenhol. A keresztény egyház elfogadta a ptolemaioszi világegyetem-modellt, mint amely nem mond ellent a Bibliának, mert ez a modell nagyon jó volt abban, hogy sok teret hagyott a pokolnak és a mennynek az állócsillagok szféráján kívül. 1514-ben azonban Nicolaus Copernicus lengyel pap egy még egyszerűbb modellt javasolt. (Először, valószínűleg attól tartva, hogy az egyház eretneknek nyilvánítja, Kopernikusz névtelenül népszerűsítette modelljét). Elképzelése az volt, hogy a Nap mozdulatlanul állt a középpontban, a Föld és más bolygók pedig körpályán keringenek körülötte. Majdnem egy évszázad telt el, mire Kopernikusz ötletét komolyan vették. Két csillagász, a német Johannes Kepler és az olasz Galileo Galilei nyilvánosan támogatta Kopernikusz elméletét, bár a Kopernikusz által megjósolt pályák nem pontosan egyeztek a megfigyeltekkel. Az Arisztotelész-Ptolemaiosz elmélet 1609-ben ért véget, amikor Galilei egy újonnan feltalált távcső segítségével kezdte megfigyelni az éjszakai égboltot. Távcsövét a Jupiter bolygóra irányítva Galilei több kis műholdat vagy holdat fedezett fel, amelyek a Jupiter körül keringenek. Ez azt jelentette, hogy nem minden égitestnek kell feltétlenül közvetlenül a Föld körül keringnie, ahogy Arisztotelész és Ptolemaiosz hitte. (Persze továbbra is feltételezhetjük, hogy a Föld nyugalomban van az Univerzum középpontjában, és a Jupiter holdjai nagyon közel mozognak nehéz út a Föld körül, így csak a Jupiter körül keringőnek tűnnek. Kopernikusz elmélete azonban sokkal egyszerűbb volt.) Ugyanakkor Johannes Kepler módosította Kopernikusz elméletét azon a feltételezésen alapulva, hogy a bolygók nem körökben, hanem ellipszisekben mozognak (az ellipszis egy megnyúlt kör). Végül most az előrejelzések egybeestek a megfigyelések eredményeivel.
Ami Keplert illeti, elliptikus pályái mesterséges (ad hoc) hipotézisnek számítottak, ráadásul „kegyetlennek”, mivel az ellipszis sokkal kevésbé tökéletes alak, mint egy kör. Miután szinte véletlenül felfedezte, hogy az elliptikus pályák jó összhangban vannak a megfigyelésekkel, Kepler soha nem tudta ezt a tényt összeegyeztetni azzal az elképzelésével, hogy a bolygók mágneses erők hatására keringenek a Nap körül. A magyarázat csak jóval később, 1687-ben érkezett, amikor Isaac Newton kiadta „Mathematical Principles of Natural Philosophy” című könyvét. Ebben Newton nemcsak az anyagi testek időben és térben való mozgásának elméletét terjesztette elő, hanem komplexet is fejlesztett matematikai módszerek, az égitestek mozgásának elemzéséhez szükséges. Ezenkívül Newton feltételezte az univerzális gravitáció törvényét, amely szerint az Univerzum minden teste annál nagyobb erővel vonzódik bármely másik testhez, minél nagyobb ezeknek a testeknek a tömege és minél kisebb a távolság közöttük. Ez ugyanaz az erő, amely a testeket a földre ejti. (Az a történet, miszerint Newtont a fejére hulló alma ihlette, szinte biztosan megbízhatatlan. Newton maga csak annyit mondott, hogy a gravitáció gondolata akkor jött, amikor „elmélkedő hangulatban” ült, és „az alkalom egy alma.") . Newton továbbá kimutatta, hogy törvénye szerint a Hold a gravitációs erők hatására elliptikus pályán mozog a Föld körül, a Föld és a bolygók pedig elliptikus pályán forognak a Nap körül.
A kopernikuszi modell segített megszabadulni a Ptolemaioszoktól égi szférák, és egyúttal abból az elképzelésből, hogy az Univerzumnak van valamiféle természetes határa. Mivel az „állócsillagok” nem változtatják helyzetüket az égbolton, kivéve a Föld tengelye körüli forgásához kapcsolódó körkörös mozgásukat, természetes volt azt feltételezni, hogy az állócsillagok a Napunkhoz hasonló objektumok, csak sokkal inkább. távoli.
Newton megértette, hogy gravitációs elmélete szerint a csillagoknak vonzódniuk kell egymáshoz, és ezért, úgy tűnik, nem maradhatnak teljesen mozdulatlanok. Nem kellene egymásnak esniük, hogy valamikor közelebb kerüljenek? 1691-ben, Richard Bentley-nek, a kor másik kiemelkedő gondolkodójának írt levelében Newton azt mondta, hogy ez valóban megtörténik, ha csak véges számú csillagunk lenne a tér egy véges tartományában. De Newton érvelése szerint, ha a csillagok száma végtelen, és többé-kevésbé egyenletesen oszlanak el a végtelen térben, akkor ez soha nem fog megtörténni, mivel nincs olyan központi pont, ahol le kellene esniük.
Ezek az érvek példát mutatnak arra, hogy milyen könnyű bajba kerülni, ha a végtelenről beszélünk. Egy végtelen Univerzumban bármely pont tekinthető középpontnak, mivel mindkét oldalán végtelen a csillagok száma. Csak jóval később jöttek rá, hogy a helyesebb megközelítés egy véges rendszer, amelyben az összes csillag egymásra esik, a középpont felé hajolva, és megnézik, milyen változások történnének, ha egyre több csillagot adnánk hozzá, körülbelül elosztva. egyenletesen a vizsgált régión kívül. Newton törvénye szerint a további csillagok átlagosan semmilyen módon nem befolyásolják az eredeti csillagokat, azaz a csillagok azonos sebességgel esnek a kiválasztott terület közepére. Nem számít, hány csillagot adunk hozzá, mindig a középpontba kerülnek. Ma már ismert, hogy az Univerzum végtelen statikus modellje lehetetlen, ha a gravitációs erők mindig kölcsönös vonzerő erői maradnak.
Vajon milyen volt általános állapot század elejéig a tudományos gondolkodás: soha senkinek nem jutott eszébe, hogy az Univerzum kitágulhat vagy összehúzódhat. Mindenki azt hitte, hogy az Univerzum vagy mindig változatlan állapotban létezett, vagy valamikor a múltban keletkezett, körülbelül úgy, ahogy most van. Ez részben azzal magyarázható, hogy az emberek hajlamosak hinni az örök igazságokban, valamint azzal a különleges vonzerővel, hogy ha ők maguk megöregednek és meghalnak is, a Világegyetem örök és változatlan marad.
Még azok a tudósok sem gondoltak a táguló univerzum hipotézisére, akik felismerték, hogy Newton gravitációs elmélete lehetetlenné tette a statikus univerzumot. Az elméletet úgy próbálták módosítani, hogy a gravitációs erőt nagyon nagy távolságokon taszítóvá tették. Ez gyakorlatilag nem változtatta meg a bolygók előre jelzett mozgását, de lehetővé tette, hogy a csillagok végtelen eloszlása egyensúlyban maradjon, mivel a közeli csillagok vonzását a távoli csillagok taszítása kompenzálta. De most úgy gondoljuk, hogy egy ilyen egyensúly instabil lenne. Valójában, ha egy területen a csillagok egy kicsit közelebb kerülnek egymáshoz, akkor a köztük lévő vonzó erők növekedni fognak, és nagyobbak lesznek, mint a taszító erők, így a csillagok továbbra is közelednek. Ha a csillagok közötti távolság kissé megnő, akkor a taszító erők nagyobbak lesznek, és a távolság megnő.
A végtelen statikus univerzum modelljével szembeni másik kifogást általában Heinrich Olbers német filozófusnak tulajdonítják, aki 1823-ban publikált erről a modellről. Valójában Newton kortársai közül sokan dolgoztak ugyanezen a problémán, és Albers lapja sem volt az első, amely komoly kifogást emelt. Ő volt az első, akit széles körben idéztek. Az ellenvetés a következő: egy végtelen statikus Univerzumban minden látószögnek valamilyen csillagon kell nyugodnia. De akkor az égboltnak még éjszaka is fényesen kell világítania, akár a Napnak. Olbers ellenérve az volt, hogy a távoli csillagokból hozzánk érkező fényt az útjába kerülő anyag abszorpciójával kell gyengíteni.
De ebben az esetben ennek az anyagnak magának fel kell melegednie és fényesen világítania, mint a csillagoknak. Az egyetlen módja annak, hogy elkerüljük azt a következtetést, hogy az éjszakai égbolt olyan fényesen világít, mint a Nap, ha feltételezzük, hogy a csillagok nem mindig ragyogtak, hanem valamikor világítottak. bizonyos pillanatban idő a múltban. Akkor lehet, hogy az elnyelő anyagnak még nem volt ideje felmelegedni, vagy a távoli csillagok fénye még nem ért el hozzánk. De felmerül a kérdés: miért gyulladtak ki a csillagok?
Természetesen az Univerzum keletkezésének problémája már nagyon régóta foglalkoztatja az embereket. Számos korai kozmogónia és zsidó-keresztény-muszlim mítosz szerint Univerzumunk egy meghatározott és nem túl távoli időpontban keletkezett a múltban. Az ilyen hiedelmek egyik oka az volt, hogy meg kellett találni az Univerzum létezésének „első okát”. Az Univerzum bármely eseményét úgy magyarázzák, hogy megjelölik annak okát, vagyis egy másik eseményt, amely korábban történt; magának az Univerzumnak a létezésének ilyen magyarázata csak akkor lehetséges, ha volt kezdete. Egy másik okot Szent Ágoston ( ortodox templomÁgostont áldottnak, a katolikus egyház pedig szentnek tartja. – kb. szerk.). az "Isten városa" című könyvben. Rámutatott, hogy a civilizáció fejlődik, és emlékszünk arra, hogy ki követett el ezt vagy azt a tettet, és ki mit talált ki. Ezért az emberiség, és ezért valószínűleg az Univerzum, nem valószínű, hogy sokáig létezik. Szent Ágoston az Univerzum létrehozásának elfogadható dátumának tartotta, ami megfelel a Genezis könyvének: körülbelül ie 5000. (Érdekes módon ez a dátum nincs olyan messze az utolsó végétől Jégkorszak– Kr.e. 10.000 Kr.e., amelyet a régészek a civilizáció kezdetének tartanak).
Arisztotelész és a legtöbb görög filozófus nem szerette az Univerzum létrehozásának gondolatát, mivel az isteni beavatkozáshoz kapcsolódott. Ezért azt hitték, hogy az emberek és a körülöttük lévő világ léteznek és örökké létezni fognak. Az ókor tudósai mérlegelték a civilizáció fejlődésével kapcsolatos érvet, és úgy döntöttek, hogy a világban időszakonként árvizek és más kataklizmák fordulnak elő, amelyek mindvégig visszahozták az emberiséget a civilizáció kiindulópontjába.
Kérdések arról, hogy az univerzum létrejött-e valamikor kezdő pillanat Az időt és azt, hogy korlátozott-e a térben, később Immanuel Kant filozófus nagyon alaposan megvizsgálta a „Critique of Pure Reason” című, 1781-ben megjelent monumentális (és nagyon sötét) művében. Ezeket a kérdéseket antinómiáknak (azaz ellentmondások) a tiszta ész, mivel úgy látta, hogy egyformán lehetetlen bizonyítani vagy megcáfolni sem a Világegyetem kezdetének szükségességéről szóló tézist, sem az örökkévaló létezéséről szóló ellentétet. Kant tézisét azzal érvelte, hogy ha az Univerzumnak nem lenne kezdete, akkor minden eseményt végtelen idő előzne meg, és Kant ezt abszurdnak tartotta. Az ellentét alátámasztására Kant azt mondta, hogy ha az Univerzumnak lenne kezdete, akkor azt végtelen idő előzte volna meg, és akkor az a kérdés, hogy az Univerzum miért keletkezett hirtelen az egyik időpontban, és miért nem a másikban. ? Valójában Kant érvei gyakorlatilag megegyeznek mind a tézis, mind az antitézis tekintetében. Abból a hallgatólagos feltevésből indul ki, hogy az idő végtelen a múltban, függetlenül attól, hogy a világegyetem létezett-e vagy sem örökké. Amint alább látni fogjuk, az Univerzum megjelenése előtt az idő fogalma értelmetlen. Erre először Szent Ágoston hívta fel a figyelmet. Arra a kérdésre, hogy mit csinált Isten, mielőtt megteremtette a világegyetemet, Ágoston soha nem válaszolt arra, hogy Isten a poklot készíti elő azoknak, akik ilyen kérdéseket tettek fel. Nem, azt mondta, hogy az idő az Isten által teremtett Univerzum szerves tulajdonsága, ezért nem volt idő az Univerzum megjelenése előtt.
Amikor a legtöbb ember hitt egy statikus és változatlan univerzumban, a kérdés, hogy van-e kezdete vagy sem, alapvetően metafizika és teológia kérdése volt. Minden megfigyelhető jelenség megmagyarázható vagy egy olyan elmélettel, amelyben az univerzum örökké létezett, vagy egy olyan elmélettel, amelyben az univerzum egy adott időpontban úgy jött létre, hogy minden úgy nézett ki, mintha örökké létezett volna. 1929-ben azonban Edwin Hubble korszakalkotó felfedezést tett: kiderült, hogy az égbolt bármely részét figyeljük is meg, minden távoli galaxis gyorsan távolodik tőlünk. Más szóval, az Univerzum tágul. Ez azt jelenti, hogy a korábbi időkben minden tárgy közelebb volt egymáshoz, mint most. Ez azt jelenti, hogy látszólag volt idő, körülbelül tíz-húszezer évvel ezelőtt, amikor mind egy helyen voltak, tehát az Univerzum sűrűsége végtelenül nagy volt. Hubble felfedezése a tudomány birodalmába hozta azt a kérdést, hogyan jött létre az Univerzum.
Hubble megfigyelései azt sugallták, hogy volt idő, az úgynevezett ősrobbanás, amikor az Univerzum végtelenül kicsi és végtelenül sűrű volt. Ilyen körülmények között a tudomány összes törvénye értelmetlenné válik, és nem engedi megjósolni a jövőt. Ha még régebbi időkben történtek is események, az még mindig nem befolyásolhatta volna azt, ami most történik. A megfigyelhető következmények hiánya miatt egyszerűen elhanyagolhatóak. Az ősrobbanást az idők kezdetének tekinthetjük abban az értelemben, hogy a korábbi idők egyszerűen nem lettek volna meghatározva. Hangsúlyozzuk, hogy az idő ilyen kiindulási pontja nagyon különbözik mindattól, amit a Hubble előtt javasoltak. Az idő kezdete egy változatlan Univerzumban olyasvalami, amit az Univerzumon kívül létező valaminek kell meghatároznia; Nincs fizikai szükségszerűség az Univerzum kezdetéhez. Az Univerzum Isten általi teremtése a múlt bármely időpontjának tulajdonítható. Ha az Univerzum tágul, akkor lehet fizikai okok hogy legyen kezdete. Jelenleg még mindig el lehet képzelni, hogy Isten teremtette az Univerzumot nagy durranás vagy még később (de mintha nagy robbanás történt volna). Abszurd volna azonban azt állítani, hogy az univerzum az ősrobbanás előtt jött létre. A táguló Univerzum gondolata nem zárja ki az alkotót, de korlátozza munkája lehetséges időpontját!

Stephen Hawking - híres fizikus, aki hozzájárult hatalmas hozzájárulás a tudományba, sok embert kiképzett, annak ellenére, hogy életét tolószékben tölti. Nemcsak tudományos körökben ismert. „Az idő rövid története” című könyve nagy érdeklődést váltott ki az olvasók körében, és népszerűvé vált.

Hawking tanulmányozta az Univerzum keletkezésének összes elméletét, és kutatásokat végzett. Munkájában olyan kérdésekre ad választ, amelyek a világ teremtésének kezdete óta sok embert gyötörtek. A szerző leírja, hogyan keletkezett az Univerzum, mi volt az ősrobbanás, és mi történt utána. Egyébként mi az Univerzum? És hogyan látjuk őt, és látjuk-e olyannak, amilyen?

Az Idő rövid története című könyv a tér és az idő kapcsolatát is vizsgálja. A tudós arról beszél, hogyan telik az idő, és hogy mindig is így volt-e most; Vannak helyek, ahol gyorsabban vagy lassabban telik az idő?

Az olvasók választ kaphatnak a kérdésekre: mi az Fekete lyuk? Hogy néz ki? Vagy talán nem is olyan fekete?

A civilizáció fejlődésével egyre több ember és tudós érdeklődik azon, hogy honnan jött az űr, miért süt a Nap, mik is azok a csillagok. Sokan szeretnék tudni az igazságot a világ teremtéséről. Vannak, akik inkább azt hiszik, hogy Isten teremtette, mások biztosak abban, hogy mindez az Ősrobbanás eredménye. Rengeteg elmélet van, ami nem 100%-ig bizonyított. És persze az érdekes kérdés, hogy az Univerzum örökké létezhet-e, végtelen-e, vagy vannak-e valamiféle időbeli és térbeli határai.

A könyv egyszerű nyelven íródott tiszta nyelven, általában nem lesznek benne bonyolult összefüggő képletek, ott csak egy képlet található. Javasoljuk azonban, hogy rendelkezzen alapvető fizikaismerettel, hogy megkönnyítse a felkínált információk észlelését. A könyv érdekes lesz mindazoknak, akik az Univerzum keletkezéséről és törvényeiről szeretnének tájékozódni.

Weboldalunkon ingyenesen és regisztráció nélkül letöltheti Stephen Hawking "Az idő rövid története" című könyvét fb2, rtf, epub, pdf, txt formátumban, elolvashatja a könyvet online, vagy megvásárolhatja a könyvet az online áruházban.

Stephen Hawking

AZ IDŐ RÖVID TÖRTÉNETE.

Az ősrobbanástól a fekete lyukakig

Köszönetnyilvánítás

A könyvet Jane-nek ajánljuk

1982-ben, a Harvardon tartott Loeb Lectures után döntöttem úgy, hogy megpróbálok írni egy népszerű könyvet a térről és az időről. Akkoriban már jó néhány könyv szólt a korai Univerzumról és a fekete lyukakról, mindkettő nagyon jó, például Steven Weinberg „Az első három perc” című könyve, és nagyon rosszak is, amelyeket nem kell itt megnevezni. De úgy tűnt számomra, hogy egyikük sem foglalkozott azokkal a kérdésekkel, amelyek a kozmológia és a kvantumelmélet tanulmányozására késztettek: honnan jött az univerzum? hogyan és miért keletkezett? vége lesz, és ha lesz, hogyan? Ezek a kérdések mindannyiunkat érdekelnek. De a modern tudomány nagyon gazdag matematikában, és ez utóbbiról csak néhány szakember rendelkezik elegendő tudással, hogy ezt megértse. Az Univerzum születésével és további sorsával kapcsolatos alapgondolatok azonban a matematika segítsége nélkül is bemutathatók úgy, hogy azok a természettudományos műveltségben nem részesült emberek számára is érthetővé váljanak. Ezt próbáltam megtenni a könyvemben. Az olvasónak kell eldöntenie, hogy mennyire vagyok sikeres.

Azt mondták nekem, hogy a könyvben szereplő minden képlet felére csökkenti a vásárlók számát. Aztán úgy döntöttem, hogy teljesen nélkülözöm a tápszereket. Igaz, végül mégis írtam egy egyenletet - a híres Einstein-egyenletet E=mc^2. Remélem, nem riasztja el potenciális olvasóim felét.

Azon kívül, hogy amiotrófiás laterális szklerózisban betegedtem meg, szinte minden másban szerencsém volt. A feleségem, Jane és gyermekeim, Robert, Lucy és Timothy segítsége és támogatása lehetővé tette számomra, hogy meglehetősen normális életet éljek, és sikereket érjek el a munkában. Az is szerencsém volt, hogy az elméleti fizikát választottam, mert ez mind belefér a fejembe. Ezért a testi gyengeségem nem lett komoly hátrány. Tudományos kollégáim kivétel nélkül mindig maximális segítséget nyújtottak.

Munkám első, „klasszikus” szakaszában a legközelebbi asszisztenseim és munkatársaim Roger Penrose, Robert Gerok, Brandon Carter és George Ellis voltak. Hálás vagyok nekik a segítségükért és az együttműködésükért. Ez a szakasz a „Large-scale structure of space-time” című könyv megjelenésével zárult, amelyet Ellis és én 1973-ban írtunk (S. Hawking, J. Ellis. Large-scale structure of space-time. M.: Mir, 1976).

Munkám második, "kvantum" szakaszában, amely 1974-ben kezdődött, elsősorban Gary Gibbonsszal, Don Page-el és Jim Hartle-lel dolgoztam. Sokat köszönhetek nekik, valamint végzős hallgatóimnak, akik óriási segítséget nyújtottak a szó „fizikai” és „elméleti” értelmében egyaránt. Az, hogy lépést kell tartanom a végzős hallgatókkal, rendkívül fontos motiváció volt, és azt hiszem, megakadályozott abban, hogy beleragadjak a sárba.

Brian Witt, az egyik tanítványom sokat segített a könyvön való munkám során. 1985-ben, miután felvázoltam a könyv első durva vázlatát, tüdőgyulladásban betegedtem meg. Meg kellett műteni, és a légcsőmetszés után abbahagytam a beszédet, így majdnem elvesztettem a kommunikációs képességemet. Azt hittem, nem fogom tudni befejezni a könyvet. De Brian nemcsak átdolgozásában segített, hanem megtanított a Living Center számítógépes kommunikációs program használatára is, amelyet Walt Waltosh, a kaliforniai sunnyvale-i Words Plus, Inc. alkalmazottja adott nekem. Segítségével könyveket és cikkeket írhatok, valamint beszélhetek emberekkel egy másik sunnyvale-i cég, a Speech Plus által nekem adott beszédszintetizátoron keresztül. David Mason ezt a szintetizátort és egy kis személyi számítógépet telepítette a tolószékemre. Ez a rendszer mindent megváltoztatott: még könnyebbé vált a kommunikáció, mint mielőtt elvesztettem volna a hangomat.

Hálás vagyok azoknak a tanácsaiért, akik elolvasták a könyv előzetes verzióit, hogy hogyan lehetne továbbfejleszteni. Így Peter Gazzardi, a Bantam Books szerkesztőm levelet küldött nekem, megjegyzésekkel és kérdésekkel azokkal a részekkel kapcsolatban, amelyek szerinte rosszul voltak elmagyarázva. Igaz, eléggé bosszús voltam, amikor hatalmas listát kaptam az ajánlott javításokról, de Gazzardinak teljesen igaza volt. Biztos vagyok benne, hogy a könyvet jobbá tette, hogy Gazzardi az orrom a hibákba dörgölte.

Mély hálámat fejezem ki asszisztenseimnek, Colin Williamsnek, David Thomasnak és Raymond Laflamme-nak, titkáraimnak, Judy Fellának, Ann Ralphnak, Cheryl Billingtonnak és Sue Macynek, valamint ápolóimnak. Nem tudtam volna elérni semmit, ha a tudományos kutatás és a szükséges orvosi ellátás minden költségét nem a Gonville és Caius College, a Science and Technology Research Council és a Leverhulme, MacArthur, Nuffield és Ralph Smith Alapítványok viselték volna. Mindannyiuknak nagyon hálás vagyok.

Előszó

Úgy élünk, hogy szinte semmit sem értünk a világ felépítéséből. Nem gondolunk arra, hogy milyen mechanizmus generálja a létünket biztosító napfényt, nem gondolunk a gravitációra, amely a Földön tart, megakadályozva, hogy az űrbe dobjon. Nem érdekelnek bennünket azok az atomok, amelyekből állunk, és amelyek stabilitásától mi magunk is alapvetően függünk. A gyerekeket leszámítva (akik még mindig túl keveset tudnak ahhoz, hogy ne tegyenek fel ilyen komoly kérdéseket) kevesen gondolkoznak azon, hogy miért olyan a természet, amilyen, honnan jött a kozmosz, és vajon mindig is létezett-e? Nem lehetne egy napon visszafordítani az időt úgy, hogy a hatás megelőzze az okot? Van-e áthághatatlan határa az emberi tudásnak? Még gyerekek is vannak (találkoztam velük), akik szeretnék tudni, hogy néz ki egy fekete lyuk, melyik a legkisebb anyagrészecske? miért emlékezünk a múltra és nem a jövőre? Ha korábban valóban káosz volt, akkor most hogyan jött létre a látszólagos rend? és miért létezik egyáltalán az Univerzum?

Társadalmunkban gyakori, hogy a szülők és a tanárok ezekre a kérdésekre többnyire vállrándítással vagy vallási legendákra való homályosan emlékezett utalásokból hívnak segítséget. Vannak, akik nem szeretik az ilyen témákat, mert élénken mutatják be az emberi megértés szűkösségét.

De a filozófia és a természettudományok fejlődése elsősorban az ehhez hasonló kérdéseknek köszönhető. Egyre több felnőtt érdeklődik irántuk, és a válaszok olykor teljesen váratlanok számukra. Az atomoktól és a csillagoktól egyaránt eltérő léptékű kutatási távlatokat igyekszünk lefedni a nagyon kicsik és a nagyon nagyok számára.

1974 tavaszán, körülbelül két évvel azelőtt, hogy a Viking űrszonda elérte a Mars felszínét, Angliában voltam a Londoni Királyi Társaság által szervezett konferencián a földönkívüli civilizációk felkutatásának lehetőségeiről. Egy kávészünetben észrevettem, hogy a szomszéd szobában egy sokkal nagyobb találkozó zajlik, és kíváncsiságból beléptem oda. Így tanúja lehettem egy régóta fennálló rituálénak – új tagok felvételének a Royal Societybe, amely a bolygó egyik legrégebbi tudósszövetsége. Előtte egy tolószékben ülő fiatalember nagyon lassan beírta a nevét egy könyvbe, amelynek előző oldalain Isaac Newton aláírása volt. Amikor végre befejezte az aláírást, a közönség tapsban tört ki. Stephen Hawking már akkor legenda volt.

Hawking jelenleg a Cambridge-i Egyetem matematika tanszékét foglalja el, amelyet egykor Newton, majd P. A. M. Dirac foglalt el – két híres kutató, akik az egyiket – a legnagyobbat, a másikat – a legkisebbet tanulmányozták. Hawking méltó utódjuk. Hokippa első népszerű könyve sok hasznos dolgot tartalmaz széles közönség számára. A könyv nemcsak tartalmi szélessége miatt érdekes, hanem lehetővé teszi a szerző gondolatainak működését is. Világos kinyilatkoztatásokat talál benne a fizika, a csillagászat, a kozmológia és a bátorság határairól.

Betűtípus: Kevesebb Ahh Több Ahh

Leonard Mlodinow

Az idő rövid története

* * *

Előszó

Ennek a könyvnek a címe egyetlen szóval különbözik az első, 1988-ban megjelent könyv címétől. A Brief History of Time továbbra is a londoni újság bestsellerlistáján maradt The Sunday Times 237 hét alatt – körülbelül egy példányt adtak el a Föld minden 750 lakosára, férfiakra, nőkre és gyerekekre. Ez hihetetlen siker egy olyan könyv esetében, amely az egyik legnehezebb szempontot tárgyalja modern fizika. De mindig a legnehezebb a legérdekesebb, hiszen fontos, alapvető kérdésekről beszélünk: lényegében mit tudunk az Univerzumról? Honnan tudjuk ezt? Hogyan jött létre az Univerzum, és milyen sors vár rá? Ezek a kérdések állnak az Idő rövid története című könyv középpontjában, és továbbra is ezek a könyv középpontjában állnak. Az A Brief History megjelenése óta eltelt években a világ minden tájáról sok levelet kaptam minden korosztálytól és hátterű olvasótól. Az egyik leggyakoribb kérés egy új „Brief History” megírása, megtartva az előző lényegét, de a főbb gondolatokat világosabban és lassabban bemutatva. Természetesen ezt a könyvet nevezhetnénk „Egy kicsit kevesebbnek Elbeszélés idő”, de ha jól értem, aligha akar valaki olyan lenyűgöző kötetet szerezni, amely egy kozmológiai egyetemi kurzushoz hasonlít.

Tehát néhány szó a könyv természetéről. Amikor írsz" Rövid története idő" szerint az első kiadás logikáját követtük, de kibővítettük, szem előtt tartva, hogy az új könyv legyen könnyen olvasható és ne legyen túl hosszú. Valóban lerövidült a történet, mivel kizártam néhány túlságosan bonyolult technikai szempontot, de ezt bőven kompenzálta a könyv alapjául szolgáló anyagok elmélyült megközelítése.

Megragadtuk a lehetőséget arra is, hogy új megfigyelési és elméleti adatokkal bővítsük a publikációt. Az idő rövid története leírja azoknak az elméleti fizikusoknak a közelmúltbeli eredményeit, akik mindennek egységes elméletével küszködnek. fizikai erő. Különösen a húrelmélet fejlődéséről beszélünk, valamint a dualizmusról, vagy a látszólag teljesen eltérő fizikai elméletek kölcsönös megfeleltetéseiről, amelyek a létezés bizonyítékaként tekinthetők. egységes elmélet- az egész alapja fizikai tudomány. A könyv a műhold által végzett fontos új megfigyeléseket is bemutatja. COBE(Angol) Kozmikus Háttér Explorer– „CMB Explorer”) és a Hubble Űrteleszkóp.

Körülbelül negyven évvel ezelőtt Richard Feynman ezt mondta: „Nagyon szerencsések vagyunk, hogy olyan korban élünk, amikor még mindig felfedezéseket teszünk. Olyan ez, mint felfedezni Amerikát – csak egyszer teszed meg. Az idő, amelyben élünk, a felfedezések korszaka. alaptörvények természet." Ma minden eddiginél közelebb kerültünk az Univerzum természetének megértéséhez, és ezeken az oldalakon szeretnénk megosztani az olvasóval azt az örömet, hogy megismerhetjük ezeket a felfedezéseket és a szemünk előtt formálódó új világképet.

1. fejezet Gondolatok az Univerzumról

Különös és csodálatos Univerzumban élünk. Figyelemre méltó képzelőerő kell ahhoz, hogy megértsük és értékeljük korát, méretét, erőszakos temperamentumát és szépségét. És úgy tűnik, hogy nagyon jelentéktelen helyet foglalunk el ebben a hatalmas kozmoszban, és szeretnénk megérteni, és ráébredni, mi a szerepünk az Univerzumban. Néhány évtizeddel ezelőtt egy híres tudós (állítólag Bertrand Russell), aki nyilvános előadást tartott a csillagászatról, elmagyarázta, hogyan mozog a Föld a Nap körüli pályán, és hogyan kering a Nap egy hatalmas csillaggyűjtemény közepe körül. Galaxisnak hívják. Amikor az előadás véget ért, egy kicsi, idős nő a terem végében így szólt: „Minden, ami itt elhangzott, teljes hülyeség. A világ egy lapos tányér egy óriási teknős hátán." A tudós leereszkedően mosolygott, és megkérdezte: – Min áll a teknős? - Nos, maga nagyon okos fiatalember - mondta az idős asszony -, egy teknős egy másik teknősre áll, az a teknős pedig a következőre, és így tovább a végéig!

Manapság a legtöbben nevetségesnek tartanák az Univerzumról alkotott képét a teknősök végtelen tornya formájában. Honnan tudhatjuk, hogy a világról alkotott képünk jobb? Felejtsünk el egy pillanatra mindent, amit tudunk vagy tudni vélünk az űrről, és nézzünk csak az éjszakai égboltra. Nos, mit mondhatnánk ezekről a világító pontokról? Lehet, hogy ezek kicsi lámpák? Valójában nehéz elképzelnünk valódi lényegüket, mert messze túlmutat a mindennapi tapasztalatainkon. Ha szereted nézni a csillagokat, szürkületben észrevehettél egy elmosódott fénypontot a horizont közelében. Ez a Merkúr bolygó, de egyáltalán nem olyan, mint a mi Földünk. Egy nap ott tart a helyi év kétharmadában. A bolygó felszínének a Nap által megvilágított részének hőmérséklete eléri a 400°C-ot és afölött, az éjszakai oldalon pedig, ha nem világít, –200°C-ra csökken. De a saját bolygónktól való minden eltérése ellenére a Merkúrnak még kevésbé van köze egy tipikus csillaghoz, amely egy óriási kemence, ahol másodpercenként több milliárd kilogramm anyag ég el, és a mag hőmérséklete eléri a több tízmillió fokot. .

Azt is nagyon nehéz elképzelni, milyen messze vannak tőlünk a bolygók és a csillagok. BAN BEN Ősi Kína Kőtornyokat építettek abban a reményben, hogy közelebbről is szemügyre vehetik a csillagokat. Teljesen természetes elképzelni, hogy a csillagok és bolygók sokkal közelebb helyezkednek el, mint amennyire valójában vannak - elvégre a hétköznapi életben nem kell megküzdenünk a hatalmas kozmikus távolságokkal. Olyan nagyok, hogy nincs értelme méterben és centiméterben mérni őket, ahogy az a legtöbb távolságra és hosszúságra jellemző a mindennapi életünkben. A kozmikus távolságokat általában fényévekben mérik. A fényév az a távolság, amelyet a fény egy év alatt megtesz. Egy másodperc alatt egy fénysugár körülbelül 300 000 kilométert tesz meg. Tehát egy fényév nagyon nagy távolság. A Nap után hozzánk legközelebbi csillag a Proxima Centauri (más néven Alpha Centauri C) - körülbelül 4 fényév távolságra található. Ez olyan messze van, hogy a leggyorsabbat tervezték űrhajók Legalább 10 000 év kell ahhoz, hogy legyőzzük a minket elválasztó űrt.

Az ókorban az emberek nagyon igyekeztek megérteni az Univerzum szerkezetét, de még nem rendelkeztek modern matematikával és általában a modern tudományokkal. Ma már nagyon hatékony gondolkodási eszközök állnak rendelkezésünkre, mint például a matematika és a tudományos módszer, valamint olyan technológiai eszközök, mint a számítógépek és a teleszkópok. Ennek köszönhetően sokat tanulhattunk az űrről. De mit tudunk valójában az Univerzumról, és honnan tudjuk mindezt? Hogyan keletkezett az Univerzum? Mit hoz neki a jövő? Volt-e kezdete az Univerzumnak, és ha igen, mi volt előtte? Mi az idő természete? Vége lesz valaha? Lehetséges visszamenni az időben? E régóta fennálló kérdések némelyike a fizikában elért közelmúltbeli áttöréseknek köszönhető, amelyek részben az új technológiák megjelenésének köszönhetők. Egy napon ezeket a válaszokat olyan nyilvánvalónak fogjuk találni, mint azt, hogy a Föld a Nap körül kering. Vagy talán olyan nevetséges, mint a teknősök tornyának ötlete. Csak az idő (bármi is az) fogja megmondani.

2. fejezet Képünk az Univerzumról tegnap és ma

Bár már Kolumbusz Kristóf idejében is sokan azt hitték, hogy a Föld lapos (és ilyen emberek ma is vannak), az alapok modern csillagászat ben fektették le Ókori Görögország. Kr.e. 340 körül Arisztotelész görög filozófus megírta értekezését a mennyről. Ebben sok bizonyítékot fektetett le arra vonatkozóan, hogy a Föld gömb alakú, és nem lapos, mint egy lemez.

Az egyik ilyen megfontolás a holdfogyatkozások megfigyelésén alapul. Arisztotelész rájött, hogy ezeknek a fogyatkozásoknak az oka az volt, hogy a Föld áthaladt a Nap és a Hold között. Ugyanakkor a Föld árnyékot vet a Holdra, mi pedig napfogyatkozásnak látjuk. Arisztotelész észrevette, hogy a Föld árnyékának mindig kerek alakja van, ami természetes, ha a Föld gömb alakú. De természetesen ez nem így lenne, ha a Föld lapos korong alakú lenne. Ebben az esetben az árnyék csak akkor lenne kerek, ha a napfogyatkozás alatt a Nap pontosan a korong közepe alatt helyezkedik el. Bármilyen más elrendezés esetén az árnyék megnyúlt, ellipszis (hosszúkás kör) alakú lenne.

Az ókori görögöknek más érveik is voltak a Föld gömbszerűsége mellett. Ha a Föld lapos lenne, akkor a part felé tartó hajónak először kicsi, alig észrevehető pontnak kell kinéznie. Aztán, ahogy a hajó közeledik, meg lehetne különböztetni rajta az egyes részeket - a vitorlákat és a hajótestet. De a valóságban minden teljesen más. Amikor egy hajó megjelenik a láthatáron, először csak a vitorláit látjuk. És csak ezután jelenik meg a test. Az a tény, hogy a hajó árbocainak magasan a hajótest felett elhelyezkedő csúcsai tűnnek fel először a horizonton, a Föld gömb alakú formáját jelzi.

Megjelenik a horizont felett. A földnek golyó alakja van. Ezért amikor egy hajó közeledik felénk, először az árbocát és a vitorláit látjuk a horizont felett, és csak azután jelenik meg a hajóteste

A görögök is odafigyeltek a csillagos égre. Arisztotelész idejében már sok száz éve tanulmányozták a fények mozgását az éjszakai égbolton. Észrevették, hogy bár fények ezrei mozognak egyként az égen, öt világítótest – a Holdat nem számítva – másképp mozog, mint a többi. Néha letérnek a kitaposott ösvényről keletről nyugatra, sőt néha még hátra is mozdulnak. Ezeket a világítótesteket bolygóknak nevezték görög szó, jelentése "vándorok". A görögök csak öt bolygót láttak, mert csak ezek voltak láthatók szabad szemmel: Merkúr, Vénusz, Mars, Jupiter és Szaturnusz. Most már tudjuk, miért mozognak a bolygók ilyen szokatlan módon az égen: a csillagok mozgása a miénkhez képest Naprendszer szinte észrevehetetlenül, de a bolygók a Nap körüli pályán keringenek, és ezért sokkal bonyolultabb pályákat írnak ki a távoli csillagok hátterében.

Arisztotelész úgy gondolta, hogy a Föld mozdulatlan, és azt is hitte, hogy a Nap, a Hold, a bolygók és a csillagok körkörös pályán keringenek a Föld körül. Misztikus megfontolások alapján gondolta így, hisz a Föld az Univerzum középpontja, és a körben való mozgás a legtökéletesebb. A Kr.u. 2. században görög tudós Ptolemaiosz ezen ötlet alapján építette meg az égbolt teljes modelljét. Ptolemaiosz szenvedélyes felfedező volt, nem hiába írta a következő szavakat: „Tudom, hogy halandó vagyok, és hogy a napjaim meg vannak számlálva, de amikor gondolataimban fáradhatatlanul és mohón követem a csillagképek pályáját, akkor többé nem érintem lábammal a Földet: Zeusz asztalánál élvezem az ambrosiát, az istenek ételét."

Ptolemaiosz világmodelljében nyolc egymásba ágyazott forgó gömb vesz körül bennünket, mint egy fészkelő babát, és mindezen gömbök középpontjában a Föld áll. Ötletek arról, ami kívül volt nagy gömb, voltak a legködösebbek, de mindenesetre túlmutattak az ember által megfigyelhető Univerzum határain. Így a legkülső szféra az Univerzum egyfajta határát jelentette. A csillagok erre a gömbre voltak rögzítve, és ezért forgása során a csillagok egymáshoz viszonyított helyzete változatlan maradt - pontosan úgy, ahogy a valóságban megfigyeljük. A bolygók a belső szférákon helyezkedtek el. Ellentétben a csillagokkal, ezek nem kapcsolódnak a gömbjükhöz, és minden bolygó a gömbéhez képest egy epiciklusnak nevezett kis körben mozog. A bolygók nagyon összetett, nem körkörös látható pályái az égen magyarázhatók az epiciklus mentén történő mozgás és a gömb forgása kombinációjával.

Ptolemaiosz modellje. Ptolemaiosz modelljében a Föld volt az Univerzum középpontjában, amelyet nyolc gömb vett körül, amelyekben az összes akkor ismert égitest található.

Ptolemaiosz modellje lehetővé tette a világítótestek égboltbeli helyzetének meglehetősen pontos előrejelzését. De ahhoz, hogy megegyezzenek az előrejelzések és a megfigyelések között, Ptolemaiosznak azt kellett feltételeznie, hogy a Föld és a Hold távolsága a felére változhat! Ez azt jelentette, hogy a Hold látszólagos méretének néha kétszer akkorának kell lennie, mint máskor! Ptolemaiosz tudatában volt rendszerének e hiányosságainak, ami azonban nem akadályozta meg világképének (majdnem) egyetemes elismerését. A keresztény egyház elfogadta a ptolemaioszi rendszert, mert azt találta összhangban a Szentírással: bőven volt hely a mennynek és a pokolnak az állócsillagok szféráján túl.

De 1514-ben Nicolaus Kopernikusz lengyel pap egy másik modellt javasolt. (Igaz, eleinte, attól tartva, hogy az egyház eretnekséggel vádolja meg, Kopernikusz névtelenül terjesztette gondolatait.) Kopernikusz gondolatának forradalmi jellege abban a feltevésben rejlett, hogy minden égitest a Föld körül kering. Kopernikusz úgy vélte, hogy a Nap mozdulatlan és a Naprendszer közepén helyezkedik el, a Föld és a bolygók pedig körpályán mozognak körülötte. A kopernikuszi modell nem bizonyult rosszabbnak a Ptolemaioszi modellnél, de még mindig nem jelezte előre pontosan a megfigyeléseket. Sokkal egyszerűbb volt, mint a ptolemaioszi modell, így várható volt, hogy az emberek elfogadják. Csaknem egy évszázadba telt azonban, hogy ezt az ötletet komolyan vegyék. Két tudós volt az elsők között, akik nyilvánosan szót emeltek a kopernikuszi elmélet mellett: Johannes Kepler német csillagász és Galileo Galilei olasz csillagász.

Galilei 1609-ben kezdte megfigyelni az éjszakai égboltot egy általa feltalált távcsővel. A Jupiter bolygóra nézve Galilei több kis holdat fedezett fel körülötte. Ebből az következett, hogy nem minden égitest kering a Föld körül, ahogy Arisztotelész és Ptolemaiosz hitte. Körülbelül ugyanebben az időben Kepler finomította Kopernikusz elméletét azzal, hogy azt javasolta, hogy a bolygók nem körpályán mozognak, hanem ellipszisben, ami az elmélet előrejelzéseit a megfigyelésekhez igazította. Mindez végül befejezte a ptolemaioszi világrendszert.

Bár az elliptikus pályák feltételezése pontosabbá tette Kopernikusz modelljét, Kepler ezt csak matematikai trükknek tartotta, mivel a természet szerkezetére vonatkozó elképzelései nem megfigyeléseken alapultak. Arisztotelészhez hasonlóan Kepler is kevésbé tökéletes alakoknak tartotta az ellipszist, mint a köröket. Maga az elképzelés, hogy a bolygók ilyen tökéletlen pályákon mozoghatnak, túl csúnyának tűnt ahhoz, hogy igaz legyen. Ezenkívül Keplernek nem tetszett, hogy az elliptikus pályák feltételezése nem ért egyet azzal az elképzelésével, hogy a mágneses erők a bolygók Nap körüli mozgásának okai. Természetesen tévedett a mágnesességgel kapcsolatban, de neki kell tulajdonítanunk magának azt a gondolatot, hogy a bolygók mozgását valamilyen erőnek kell előidéznie. Helyes magyarázat A bolygók Nap körüli mozgásának okait jóval később, 1687-ben Sir Isaac Newton adta meg a „Természetfilozófia matematikai alapelvei” című értekezésében, amely talán a valaha publikált legfontosabb fizikai munka.

Ebben a művében Newton megfogalmazta azt a törvényt, amely szerint a nyugalomban lévő test nyugalomban marad, hacsak nem hat rá valamilyen erő, és azt is leírta, hogyan változik a test mozgása egy erő hatására. Miért keringenek tehát a bolygók elliptikus pályán a Nap körül? Newton szerint egy nagyon specifikus erő felelős ezért - ugyanaz, amely miatt az elengedett (leesett) test a földre esik, és nem marad nyugalomban. Ezt az erőt gravitációnak nevezte, és kifejlesztett egy matematikai berendezést, amely lehetővé tette számára, hogy kiszámítsa, hogyan reagálnak a testek a rájuk ható erőre, például a gravitációra, és megoldotta a megfelelő egyenleteket is. Így Newton meg tudta mutatni, hogy a Nap gravitációjának hatására a Földnek és a többi bolygónak pontosan úgy kell elliptikus pályán mozognia, ahogy Kepler megjósolta! Newton azt feltételezte, hogy törvényei az Univerzumban mindenre érvényesek, a hulló almától a csillagokig és a bolygókig. A történelem során először a bolygók mozgása és a testek mozgása a Földön ugyanazon törvények következményeként magyarázható, így született meg a modern fizika és a modern csillagászat.

A ptolemaioszi szférák hiányában már nem kellett azt feltételezni, hogy az Univerzumnak van valamiféle külső határa. Sőt, mivel a csillagok nem mutattak más mozgást, mint az égbolt általános napi mozgása, amit a Föld forgása okozott, természetes volt azt feltételezni, hogy ezek ugyanazok a testek, mint a mi Napunk, csak sokkal távolabb helyezkednek el. Így a tudósok nem csak a gondolatot hagyták el központi helyzet A Föld az Univerzumban, hanem a Napunk és az egész Naprendszer egyediségének gondolata is. Új megjelenés a világban alapvető változások történtek emberi gondolkodás, egy új modern kezdete tudományos megértés Univerzumunkból.

3. fejezet A tudományelmélet természete

Mielőtt megvitatnánk az Univerzum természetét, és megválaszolnánk azokat a kérdéseket, hogy volt-e kezdete és van-e vége, világos képet kell alkotnunk arról, mik is a tudományos elméletek. Ragaszkodunk az elmélet egyszerű felfogásához - mint az Univerzum vagy annak bármely részének modelljéhez, valamint egy olyan szabályrendszerhez, amely összekapcsolja e modell paramétereit megfigyeléseinkkel. Csak a tudatunkban létezik, és valójában nem létezik más módon (bármit is jelentsen ez). Egy elmélet akkor tekinthető jónak, ha két követelménynek eleget tesz. Először is helyesen kell leírnia egy kis számú tetszőleges elemet tartalmazó modellen alapuló megfigyelések nagy osztályát, másodszor pedig képesnek kell lennie ésszerű biztonsággal megjósolni a jövőbeli megfigyelések eredményeit. Például Arisztotelész hitt Empedoklész elméletében, amely szerint a világon minden négy elemből áll: földből, levegőből, tűzből és vízből. Ez egy meglehetősen egyszerű elmélet volt, de nem tett lehetővé precíz előrejelzéseket. Másrészt Newton gravitációs elmélete egy még egyszerűbb modellen alapult, amelyben a testek erővel vonzzák egymást, arányos a nagyságrenddel, amelyet tömegnek nevezett, és fordítottan arányos a testek közötti távolság négyzetével. És ugyanakkor Newton elmélete lehetővé teszi a Nap, a Hold és a bolygók mozgásának nagyon nagy pontosságú előrejelzését.

Bármely fizikai elmélet természeténél fogva ideiglenes abban az értelemben, hogy ez csak egy hipotézis, amelyet nem lehet bizonyítani. Nem számít, hány kísérlet erősíti meg ezt az elméletet, soha nem lehetsz biztos abban, hogy a következő eredmény nem mond ellent. Másrészt egy elmélet megcáfolásához elegendő egyetlen megfigyelés, amelynek eredményei ellentmondanak az előrejelzéseinek. Ahogy Karl Popper tudományfilozófus megjegyezte, jó elmélet olyat, amely sok jóslatot tesz lehetővé, amelyeket elvileg meg lehet cáfolni, vagy ahogy Popper nevezi, megfigyeléssel meghamisítani. Minden újabb kísérlettel, amelyek eredményei összhangban vannak az elmélet előrejelzéseivel, növekszik az ebbe vetett bizalom mértéke, és maga az elmélet is erősebbé válik. Azonban a legelső megfigyelés, amely ellentmond az elméletnek, okot ad az elmélet elutasítására vagy jelentős megváltoztatására.

Mindenesetre ideális esetben ennek így kell lennie, bár természetesen mindig megkérdőjelezhető a megfigyelő vagy a kísérletező képzettsége.

A gyakorlatban egy új elmélet gyakran egy korábbi kiterjesztése. Például a Merkúr bolygó nagyon pontos megfigyelései kis eltéréseket tártak fel a megfigyelt mozgás és a Newton-féle gravitációs elmélet előrejelzései között. A bolygó mozgása, ahogy azt Einstein általános relativitáselmélete kiszámította, kissé eltért Newton elmélete által megjósolttól. A Merkúr Einstein elmélete által megjósolt mozgásának a megfigyelésekkel való egyezése, Newton elméletének ilyen egyezés hiányában az egyik legfontosabb megerősítés lett. új elmélet. Ennek ellenére továbbra is a legtöbben Newton elméletét használjuk gyakorlati problémák, mert azokban a helyzetekben, amelyekkel általában találkozunk, jóslatai nagyon kevéssé különböznek az általános relativitáselmélet elméletétől. (Emellett Newton elmélete sok egyszerűbb, mint az elmélet Einstein!)

A tudomány végső célja egy egységes elmélet létrehozása az egész Univerzum leírására. A valóságban azonban a legtöbb tudós megközelítése a probléma két részre bontásában merül ki. Először is, vannak törvények, amelyek szabályozzák, hogy az univerzum hogyan változik az idő múlásával. (Ha ismerjük az Univerzum állapotát egy adott időpontban, akkor ilyen fizikai törvények lehetővé teszi számunkra, hogy meghatározzuk, hogy fog kinézni bármely más pillanatban.) A második kérdés az Univerzum kezdeti állapota. Egyesek úgy vélik, hogy a tudománynak csak az első problémával kell foglalkoznia, és a kezdeti állapot kérdése inkább a metafizika vagy a vallás hatókörébe tartozik. Úgy vélik, hogy Isten mindenható lévén bármilyen módon megalkothatja az univerzumot. Lehet, hogy ez igaz, de akkor Isten azt is előidézhette, hogy az univerzum teljesen önkényes módon fejlődjön. Úgy tűnik azonban, hogy Isten azt akarta, hogy az univerzum egyértelműen meghatározott törvények szerint fejlődjön. Ezért meglehetősen ésszerűnek tűnik azt feltételezni, hogy az Univerzum kezdeti állapota is világosan meghatározott törvényeknek engedelmeskedik.

Egy olyan elmélet megalkotása, amely azonnal leírja az egész Univerzumot, nagyon jónak bizonyult nehéz feladat. Ehelyett a tudósok több részre osztották a problémát, és sok részelméletet építettek fel. Ezen részelméletek mindegyike a megfigyelések egy bizonyos korlátozott osztályát írja le és jósolja meg, figyelmen kívül hagyva más tényezők hatását, vagy egyszerű számhalmazokként ábrázolja azokat. Nagyon valószínű, hogy ez a megközelítés alapvetően rossz. Ha az Univerzumban minden alapvetően kölcsönösen függ egymástól, akkor természetesen lehetetlen teljes megoldást kapni a probléma részenkénti, az egésztől elszigetelt tanulmányozásával. Mindazonáltal mindeddig ez a megközelítés biztosította a tudomány fejlődését. Újra klasszikus példa Newton gravitációs elméleteként szolgálhat, amely szerint a testek közötti kölcsönös vonzás ereje csak az egyes testek belső erejétől függ. numerikus jellemzők- tömege - és teljesen független attól, hogy ezek a testek miből állnak. Így a bolygók keringési pályája kiszámítható anélkül, hogy részletekbe menne a szerkezetük és a belső szerkezetük.

Jelenleg két alapvető részelméletet használnak az Univerzum leírására: az általános relativitáselméletet és a kvantummechanikát. Ez a 20. század első felének két nagy szellemi teljesítménye. Általános elmélet relativitáselmélet írja le a gravitációs erőt és nagy léptékű szerkezet Az Univerzum, vagyis szerkezete több kilométertől millió millió millió millióig terjedő skálán (az egyiket huszonnégy nulla követi) kilométer - akkora, mint a megfigyelhető Univerzum. Másrészt a kvantummechanika rendkívül kis léptékű jelenségekkel foglalkozik, mint például a centiméter milliomod része. Sajnos azonban ez a két elmélet összeegyeztethetetlen egymással, ezért nem lehet mindkettő helyes. A fizika kutatásának egyik fő iránya ma és fő téma Ez a könyv egy új elméletet kíván kidolgozni, amely egyesíti a két speciális esetet – a gravitáció kvantumelméletét. Még nincs ilyen elmélet, és talán még messze vagyunk attól, hogy megalkossuk, de sok olyan tulajdonságot már ismerünk, amelyekkel rendelkeznie kellene. És amint az a következő fejezetekből kiderül, már ismerünk jó néhány elkerülhetetlen előrejelzést a gravitáció kvantumelméletéről.

Az atomoktól a galaxisokig. A 20. század első felében a fizikusok a világ szerkezetére vonatkozó feltételezéseket megfogalmazva nem csak Isaac Newton ismerős világát igyekeztek lefedni: megjelentek olyan elméletek, amelyek rendkívül nagy és rendkívül kicsi tárgyakat írnak le.

Tehát ha feltételezzük, hogy az Univerzum nem önkényes módon épül fel, hanem bizonyos törvények hatálya alá tartozik, akkor végül egyes elméleteket kell egyesíteni egy átfogó elméletté, amely mindent leírhat az Univerzumban. De egy ilyen teljes egységes elmélet keresése alapvető paradoxonnal jár. A tudományos elméletek fent leírt nézete azt feltételezi, hogy intelligens lények vagyunk, akik szabadon megfigyelhetik az univerzumot a kívánt módon, és logikus következtetéseket vonhatnak le abból, amit látunk. Egy ilyen rendszerben okkal feltételezhetjük, hogy egyre közelebb kerülhetünk az Univerzumunkat irányító törvényekhez. De ha valóban létezne egy teljes egységes elmélet, akkor az nagy valószínűséggel magát a tetteinket is meghatározná, vagyis a keresésünk eredményét is! És miért következne belőle, hogy a kapott adatok alapján a helyes következtetésekre jutunk? De nem következne az elméletből, hogy téves következtetésekre jutnánk? Vagy egyáltalán nem fogunk következtetéseket levonni?

A probléma megoldásának egyetlen módja a darwini természetes szelekció elve. Az ötlet az, hogy az önszaporodó organizmusok bármely populációjában lévő egyedek természetükben elkerülhetetlenül változnak genetikai anyagés az oktatás. Ez azt jelenti, hogy egyesek jobban teljesítenek, mint mások helyes következtetéseket az őket körülvevő világról, és ennek megfelelően cselekedjenek. Velük lesznek inkább túlélni és szaporodni, így viselkedésük és gondolataik dominánssá válnak. Természetesen a múltban az intelligencia ill tudományos felfedezések nemegyszer a túlélés előnyére váltak. Nem teljesen világos, hogy ez még mindig így van-e: elvégre tudományos felfedezéseink teljesen elpusztíthatnak mindannyiunkat, és ha ez nem is történik meg, egy átfogó egységes elmélet nem biztos, hogy sokat játszik. fontos szerep túlélési esélyeinkért. Ha azonban az Univerzum természetes módon fejlődik, akkor arra számíthatunk, hogy a természetes kiválasztódás által adott intelligens képességek egy átfogó egységes elmélet keresésében is megnyilvánulnak, és ezért nem vezetnek téves következtetésekre.

Mivel a létező részelméletek elegendőek a legszélsőségesebb helyzetek kivételével minden helyzetben pontos előrejelzések készítéséhez, a Világegyetem végleges elméletének keresése nehéz tisztán gyakorlati alapon igazolni. (Megjegyzendő azonban, hogy hasonló érveket lehetne felhozni a relativitáselmélet kapcsán és kvantummechanika, de ezeknek az elméleteknek köszönhetően elsajátítottuk az atomenergiát, és forradalmat hajtottunk végre a mikroelektronikában.) Tehát egy teljes egységes elmélet felépítése nem biztos, hogy különösebb hasznot hoz fajunk fennmaradása szempontjából, és nem biztos, hogy semmilyen hatással lesz a mikroelektronikára. életmódunk. De már a civilizáció hajnalán az emberek nem akartak megelégedni azzal, hogy a világot egymáshoz nem kapcsolódó dolgok halmazaként fogják fel. megmagyarázhatatlan eseményekés jelenségek. Arra törekedtünk, hogy megértsük az univerzum mögöttes rendjét. És ma szeretnénk megérteni, miért vagyunk itt, és honnan jöttünk. Az emberiség mély tudásvágya elégséges igazolása folyamatos keresésünknek, célunk pedig nem több vagy kevesebb, mint annak az Univerzumnak a teljes leírása, amelyben élünk.

A távcsövet mint céltávcsövet Johann Lippershey holland szemüvegkészítő találta fel először 1608-ban, de Galileo volt az első, aki 1609-ben távcsövet irányított az égre, és csillagászati megfigyelésekre használta.

Ez nem teljesen igaz. Belső szerkezet A gravitációs testek csak akkor hagyhatók figyelmen kívül, ha bennük a sűrűségeloszlás gömbszimmetrikus (vagyis csak a test középpontjának távolságától függ). A bolygók és a Nap esetében ez szigorúan véve nem így van - ezek a testek legalább kissé laposak a pólusokon. Például a Nap ellapultsága az egyik oka a Merkúr perihéliumának precessziójának. A földi bolygók sűrűségeloszlásában más inhomogenitások is vannak. A Föld és más égitestek gravitációs terének vizsgálata külön tudományterület - a gravimetria - tárgyát képezi.

Vásárlás és letöltés a 349 ₽ (€ 4,80 )

Előző cikk: Mekkora a fénysebesség Következő cikk: Harmonikus rezgések Az oszcillációs frekvencia fizikai képlete

K. A. filozófiai nézetei

Előszó

fejezet első. Képünk az Univerzumról

Előszó

1. Az Univerzumról alkotott elképzelésünk

* * *

Előszó

1. fejezet Gondolatok az Univerzumról

2. fejezet Képünk az Univerzumról tegnap és ma

3. fejezet A tudományelmélet természete