Hrdina sovietskej éry: história robotníka Georgij Aleksandrovič Kalinyak (1910-14.09.1989) Narodil sa v roku 1910 v Grodne. V roku 1927 absolvoval 7. ročník strednej školy vo Vitebsku. Od roku 1928 žil v Leningrade. V roku 1928 začal pracovať v arteli Kozhmetalloshtamp ako operátor lisu, potom od roku 1929 do r.

P. Soldatenkov - „Love Story, Disease Story“ Nie je nič nudnejšie ako rozprávanie o chorobách iných ľudí a cudzom smilstve. Anna Akhmatova Nepáči sa mi, keď ctihodní kreatívni ľudia hovoria o tom, ako pil. Chápem, že pil, ale oni to dávajú do popredia ako

Stephen Hawking

STRUČNÁ HISTÓRIA DOBY:

OD VEĽKÉHO BANGU K ČIERNYM DIERAM

© Stephen Hawking, 1988, 1996

© AST Publishing House LLC, 2019 (dizajn, preklad do ruštiny)

Predslov

Nepísal som predslov k prvému vydaniu Stručnej histórie času. Carl Sagan to dokázal. Namiesto toho som pridal krátku časť s názvom „Poďakovanie“, kde som bol povzbudený, aby som všetkým vyjadril svoju vďačnosť. Pravda, niektoré charitatívne nadácie, ktoré ma podporili, neboli veľmi šťastné, že som ich spomenul – dostali oveľa viac žiadostí.

Myslím si, že nikto – ani vydavateľ, ani môj agent, dokonca ani ja sám – nečakal, že kniha bude mať taký úspech. Dostal sa do zoznamu bestsellerov londýnskych novín. Sunday Times až 237 týždňov – to je viac ako ktorákoľvek iná kniha (samozrejme, nepočítajúc Bibliu a diela Shakespeara). Bola preložená do asi štyridsiatich jazykov a predávaná v obrovskom počte - na každých 750 obyvateľov Zeme, mužov, žien a detí, pripadá približne jedna kópia. Ako poznamenal Nathan Myhrvold z firmy Microsoft(toto je môj bývalý postgraduálny študent), predal som viac kníh o fyzike, ako Madonna predala kníh o sexe.

Úspech Stručnej histórie času znamená, že ľudí veľmi zaujímajú základné otázky o tom, odkiaľ sme prišli a prečo je vesmír taký, ako ho poznáme.

Využil som príležitosť, ktorá sa mi naskytla, na doplnenie knihy o novšie pozorovacie údaje a teoretické výsledky, ktoré boli získané po vydaní prvého vydania (1. apríla 1988, na prvého apríla). Pridal som novú kapitolu o červích dierach a cestovaní v čase. Zdá sa, že Einsteinova všeobecná teória relativity umožňuje vytvárať a udržiavať červie diery – malé tunely spájajúce rôzne oblasti časopriestoru. V tomto prípade by sme ich mohli použiť na rýchly pohyb po Galaxii alebo na cestovanie späť v čase. Samozrejme, ešte sme nestretli ani jedného mimozemšťana z budúcnosti (alebo možno áno?), no pokúsim sa uhádnuť, aké by to mohlo byť vysvetlenie.

Budem tiež diskutovať o nedávnom pokroku v hľadaní „duality“ alebo korešpondencie medzi zdanlivo odlišnými fyzikálnymi teóriami. Tieto korešpondencie sú vážnym dôkazom v prospech existencie jednotnej fyzikálnej teórie. Ale tiež naznačujú, že teória nemusí byť formulovaná konzistentným, zásadným spôsobom. Namiesto toho sa v rôznych situáciách musíme uspokojiť s rôznymi „odrazmi“ základnej teórie. Rovnako nemôžeme detailne zobraziť celý zemský povrch na jednej mape a sme nútení používať rôzne mapy pre rôzne oblasti. Takáto teória by bola revolúciou v našich predstavách o možnosti zjednotenia prírodných zákonov.

V žiadnom prípade by to však neovplyvnilo to najdôležitejšie: Vesmír podlieha súboru racionálnych zákonov, ktoré sme schopní objaviť a pochopiť.

Čo sa týka pozorovacieho aspektu, najdôležitejším úspechom tu bolo, samozrejme, meranie fluktuácií žiarenia kozmického mikrovlnného pozadia v rámci projektu COBE(Angličtina) Prieskumník kozmického pozadia –"Výskumník kozmického žiarenia na pozadí") 1
Fluktuácie alebo anizotropie žiarenia kozmického mikrovlnného pozadia boli prvýkrát objavené projektom Soviet Relict. – Poznámka vedecký vyd.

A ďalšie. Tieto výkyvy sú v podstate „pečaťou“ stvorenia. Hovoríme o veľmi malých nehomogenitách v ranom vesmíre, ktorý bol inak celkom homogénny. Následne sa zmenili na galaxie, hviezdy a iné štruktúry, ktoré pozorujeme cez ďalekohľad. Formy fluktuácií sú v súlade s predpoveďami modelu Vesmíru, ktorý nemá hranice v pomyselnom časovom smere. Aby sme však uprednostnili navrhovaný model pred inými možnými vysvetleniami fluktuácií CMB, budú potrebné nové pozorovania. O pár rokov sa ukáže, či možno náš vesmír považovať za úplne uzavretý, bez začiatku a konca.

Stephen Hawking

Prvá kapitola. Náš obraz vesmíru

Jedného dňa mal slávny vedec (hovoria, že to bol Bertrand Russell) verejnú prednášku o astronómii. Hovoril o tom, ako sa Zem pohybuje na obežnej dráhe okolo Slnka a ako sa Slnko zasa pohybuje po obežnej dráhe okolo stredu obrovskej zbierky hviezd nazývanej naša Galaxia. Keď prednáška skončila, malá staršia žena v zadnom rade publika vstala a povedala: „Všetko, čo tu bolo povedané, je úplný nezmysel. Svet je plochá doska na chrbte obrovskej korytnačky." Vedec sa blahosklonne usmial a spýtal sa: „Na čom tá korytnačka stojí? „Ste veľmi bystrý mladý muž, veľmi chytrý,“ odpovedala dáma. Korytnačka stojí na inej korytnačke a tá korytnačka na ďalšej a tak ďalej do nekonečna!

Väčšina by považovala za smiešne pokúšať sa vydávať náš vesmír za nekonečne vysokú vežu korytnačiek. Prečo sme si však takí istí, že naša predstava o svete je lepšia? Čo vlastne vieme o vesmíre a ako to všetko vieme? Ako vznikol Vesmír? Čo ju čaká v budúcnosti? Mal vesmír začiatok, a ak áno, čo mu predchádzalo? Aká je povaha času? Skončí sa to niekedy? Dá sa vrátiť v čase? Na niektoré z týchto dlhotrvajúcich otázok odpovedajú nedávne objavy vo fyzike, čiastočne vďaka nástupu fantastických nových technológií. Jedného dňa nájdeme nové poznatky tak zrejmé, ako je skutočnosť, že Zem sa točí okolo Slnka. Alebo možno rovnako absurdné ako myšlienka veže s korytnačkami. Len čas (nech je to čokoľvek) ukáže.

Už dávno, 340 rokov pred Kristom, napísal grécky filozof Aristoteles pojednanie „O nebi“. V ňom predložil dva presvedčivé dôkazy, že Zem je sférická a vôbec nie plochá, ako doska. Najprv si uvedomil, že príčinou zatmenia Mesiaca je prechod Zeme medzi Slnkom a Mesiacom. Tieň vrhaný Zemou na Mesiac má vždy okrúhly tvar a je to možné len vtedy, ak je guľatá aj Zem. Ak by Zem mala tvar plochého disku, tieň by bol zvyčajne eliptický; Bol by okrúhly iba vtedy, ak by sa Slnko počas zatmenia nachádzalo presne pod stredom disku. Po druhé, starí Gréci zo skúseností svojich ciest vedeli, že na juhu sa Polárka nachádza bližšie k horizontu, ako keď sa pozoruje v oblastiach nachádzajúcich sa na severe. (Keďže polárka sa nachádza nad severným pólom, pozorovateľ na severnom póle ju vidí priamo nad hlavou a pozorovateľ blízko rovníka ju vidí tesne nad obzorom.) Navyše, Aristoteles na základe rozdielu v zdanlivej polohe polárka počas pozorovaní v Egypte a Grécku, dokázala odhadnúť obvod Zeme na 400 000 štadiónov. Nevieme presne, čomu sa rovnal jeden stupienok, ale ak predpokladáme, že to bolo asi 180 metrov, tak Aristotelov odhad je asi dvojnásobok aktuálne akceptovanej hodnoty. Gréci mali v prospech okrúhleho tvaru Zeme aj tretí argument: ako inak vysvetliť, prečo sa pri priblížení lode k brehu najprv ukážu len jej plachty a až potom trup lode?

Aristoteles veril, že Zem je nehybná a tiež veril, že Slnko, Mesiac, planéty a hviezdy sa točia po kruhových dráhach okolo Zeme. Riadil sa mystickými úvahami: Zem je podľa Aristotela stredom Vesmíru a kruhový pohyb je najdokonalejší. V 2. storočí nášho letopočtu postavil Ptolemaios na základe tejto myšlienky komplexný kozmologický model. V strede vesmíru bola Zem obklopená ôsmimi vnorenými rotujúcimi guľami a na týchto guľách sa nachádzal Mesiac, Slnko, hviezdy a päť vtedy známych planét - Merkúr, Venuša, Mars, Jupiter a Saturn (obr. 1.1). Každá planéta sa pohybovala vzhľadom na svoju sféru v malom kruhu - aby opísali veľmi zložité trajektórie týchto svietidiel na oblohe. Hviezdy boli pripevnené k vonkajšej sfére, a preto ich vzájomné polohy zostali nezmenené, konfigurácia sa otáčala na oblohe ako jeden celok. Predstavy o tom, čo sa nachádza mimo vonkajšej sféry, zostali veľmi nejasné, ale určite sa to nachádzalo mimo časti vesmíru prístupnej ľudstvu na pozorovanie.

Ptolemaiov model umožnil celkom presne predpovedať polohu svietidiel na oblohe. Aby sa však dosiahla zhoda medzi predpoveďami a pozorovaniami, Ptolemaios musel predpokladať, že vzdialenosť od Mesiaca k Zemi v rôznych časoch sa môže líšiť o faktor dva. To znamenalo, že zdanlivá veľkosť Mesiaca musela byť niekedy dvakrát väčšia ako zvyčajne! Ptolemaios si bol vedomý tohto nedostatku svojho systému, čo však nebránilo takmer jednomyseľnému uznaniu jeho obrazu sveta. Kresťanská cirkev prijala ptolemaiovský systém, pretože ho považovala za konzistentný s Písmom: mimo sféry stálic bolo veľa miesta pre nebo a peklo.

Ale v roku 1514 poľský kňaz Mikuláš Koperník navrhol jednoduchší model. (Spočiatku však Kopernik zo strachu pred obvinením cirkvi z kacírstva šíril svoje kozmologické myšlienky anonymne.) Kopernik navrhol, že Slnko je nehybné a nachádza sa v strede a Zem a planéty sa okolo neho pohybujú po kruhových dráhach. Trvalo takmer storočie, kým sa táto myšlienka začala brať vážne. Dvaja astronómovia, Nemec Johannes Kepler a Talian Galileo Galilei, boli medzi prvými, ktorí sa verejne vyjadrili v prospech kopernikovskej teórie, napriek tomu, že dráhy nebeských telies predpovedané touto teóriou sa presne nezhodovali s tými pozorovanými. Poslednú ranu svetovému systému Aristotela a Ptolemaia zasadili udalosti z roku 1609 - vtedy začal Galileo pozorovať nočnú oblohu novovynájdeným ďalekohľadom. 2
Ďalekohľad ako pozorovací ďalekohľad prvýkrát vynašiel holandský výrobca okuliarov Johann Lippershey v roku 1608, ale Galileo bol prvý, kto v roku 1609 namieril ďalekohľad na oblohu a použil ho na astronomické pozorovania. – Poznámka preklad

Pri pohľade na planétu Jupiter objavil Galileo niekoľko malých mesiacov, ktoré okolo nej obiehajú. Z toho vyplýva, že nie všetky nebeské telesá sa točia okolo Zeme, ako verili Aristoteles a Ptolemaios. (Samozrejme, dalo by sa aj naďalej považovať Zem za stacionárnu a umiestnenú v strede vesmíru, veriac, že ​​satelity Jupitera sa pohybujú okolo Zeme po extrémne zložitých trajektóriách, takže je to podobné ich otáčaniu okolo Jupitera. Kopernikova teória bola oveľa jednoduchšia.) Približne v rovnakom čase Kepler objasnil Koperníkovu teóriu, pričom naznačil, že planéty sa nepohybujú po kruhových dráhach, ale po eliptických (t.j. pretiahnutých) dráhach, vďaka čomu bolo možné dosiahnuť zhodu. medzi predpoveďami teórie a pozorovaniami.

Pravda, Kepler považoval elipsy len za matematický trik, a to veľmi odporný, pretože elipsy sú menej dokonalé útvary ako kruhy. Kepler takmer náhodou zistil, že eliptické dráhy dobre opisujú pozorovania, ale nedokázal zladiť predpoklad o eliptických dráhach so svojou myšlienkou magnetických síl ako príčiny pohybu planét okolo Slnka. Dôvod pohybu planét okolo Slnka odhalil oveľa neskôr, v roku 1687, Sir Isaac Newton vo svojom pojednaní „Matematické princípy prírodnej filozofie“ – možno najdôležitejšej práci o fyzike, aká bola kedy publikovaná. V tejto práci Newton predložil nielen teóriu opisujúcu pohyb telies v priestore a čase, ale vyvinul aj zložitý matematický aparát potrebný na opis tohto pohybu. Okrem toho Newton sformuloval zákon univerzálnej gravitácie, podľa ktorého je každé teleso vo vesmíre priťahované k akémukoľvek inému telesu silou, ktorá je tým väčšia, čím väčšia je hmotnosť telies a čím menšia je vzdialenosť medzi vzájomne pôsobiacimi telesami. Ide o rovnakú silu, ktorá spôsobuje pád predmetov na zem. (Príbeh, že Newtonova myšlienka zákona univerzálnej gravitácie bola inšpirovaná jablkom, ktoré mu padlo na hlavu, je s najväčšou pravdepodobnosťou len fikciou. Newton len povedal, že táto myšlienka k nemu prišla, keď bol „v kontemplatívnej nálade“ a bol "pod dojmom z pádu jablka.") Newton ukázal, že podľa zákona, ktorý sformuloval, sa má Mesiac pod vplyvom gravitácie pohybovať okolo Zeme po eliptickej dráhe a Zem a planéty sa majú pohybovať na eliptických dráhach okolo Slnka.

Kopernikov model eliminoval potrebu ptolemaiovských sfér a s nimi aj predpoklad, že vesmír má nejakú prirodzenú vonkajšiu hranicu. Keďže „stále“ hviezdy nevykazovali žiadny iný pohyb ako všeobecný denný pohyb oblohy spôsobený rotáciou Zeme okolo svojej osi, bolo prirodzené predpokladať, že ide o tie isté telesá ako naše Slnko, len sa nachádzajú oveľa ďalej. preč.

Newton si uvedomil, že podľa jeho teórie gravitácie sa hviezdy musia navzájom priťahovať, a preto zrejme nemôžu zostať nehybné. Prečo sa nepriblížili a nehromadili na jednom mieste? V liste inému prominentnému mysliteľovi svojej doby, Richardovi Bentleymu, napísanom v roku 1691, Newton tvrdil, že sa budú zbližovať a zhlukovať iba vtedy, ak bude počet hviezd sústredených v obmedzenej oblasti vesmíru konečný. A ak je počet hviezd nekonečný a sú rozmiestnené viac-menej rovnomerne v nekonečnom priestore, potom sa to nestane kvôli absencii akéhokoľvek zjavného centrálneho bodu, do ktorého by hviezdy mohli „spadnúť“.

Toto je jedna z tých úskalí, ktoré sa vyskytujú pri premýšľaní o nekonečne. V nekonečnom vesmíre môže byť akýkoľvek bod považovaný za jeho stred, pretože na každej jeho strane je nekonečný počet hviezd. Správny prístup (ktorý prišiel oveľa neskôr) je vyriešiť problém v konečnom prípade, keď hviezdy padajú na seba, a študovať, ako sa výsledok zmení pri pridávaní hviezd do konfigurácie, ktoré sa nachádzajú mimo uvažovanej oblasti a sú rozmiestnené viac resp. menej rovnomerne. Podľa Newtonovho zákona by ďalšie hviezdy v súhrne nemali mať v priemere žiadny vplyv na pôvodné hviezdy, a preto by tieto hviezdy pôvodnej konfigurácie mali stále rýchlo padať jedna do druhej. Takže bez ohľadu na to, koľko hviezd pridáte, stále budú padať na seba. Teraz vieme, že je nemožné získať nekonečný stacionárny model vesmíru, v ktorom je gravitačná sila výlučne „príťažlivá“.

O intelektuálnej atmosfére pred začiatkom 20. storočia veľa vypovedá, že vtedy nikto nepremýšľal o scenári, podľa ktorého by sa vesmír mohol zmršťovať alebo rozširovať. Všeobecne uznávaný koncept vesmíru bol buď taký, že vždy existoval v nezmenenej podobe, alebo že bol stvorený niekedy v minulosti – v podobe, v akej ho pozorujeme teraz. Čiastočne to môže byť dôsledok toho, že ľudia majú tendenciu veriť vo večné pravdy. Stojí za to pripomenúť, že najväčšiu útechu prináša myšlienka, že hoci všetci starneme a umierame, Vesmír je večný a nemenný.

Dokonca ani vedci, ktorí pochopili, že podľa Newtonovej teórie gravitácie vesmír nemôže byť statický, sa neodvážili navrhnúť, že by sa mohol rozpínať. Namiesto toho sa pokúsili upraviť teóriu tak, aby sa gravitačná sila stala odpudivou na veľmi veľké vzdialenosti. Tento predpoklad výrazne nezmenil predpovedané pohyby planét, ale umožnil nekonečnému počtu hviezd zostať v rovnovážnom stave: príťažlivé sily z blízkych hviezd boli vyvážené odpudivými silami zo vzdialenejších hviezd. Teraz sa verí, že takýto rovnovážny stav musí byť nestabilný: akonáhle sa hviezdy v ktorejkoľvek oblasti trochu priblížia k sebe, ich vzájomná príťažlivosť sa zintenzívni a prevýši odpudivé sily, v dôsledku čoho sa hviezdy budú naďalej zväčšovať. padať na seba. Na druhej strane, ak sú hviezdy len o niečo ďalej od seba, odpudivé sily prevládnu nad príťažlivými silami a hviezdy sa rozletia.

Ďalšia námietka proti konceptu nekonečného statického vesmíru sa zvyčajne spája s menom nemeckého filozofa Heinricha Olbersa, ktorý v roku 1823 uverejnil svoje úvahy o tejto veci. V skutočnosti na tento problém upozorňovali mnohí Newtonovi súčasníci a Olbersova práca nebola ani zďaleka prvá, ktorá predložila silné argumenty proti takémuto konceptu. Bola však prvou, ktorej sa dostalo širokého uznania. Faktom je, že v nekonečnom statickom Vesmíre by mal takmer každý lúč videnia spočívať na povrchu nejakej hviezdy, a preto by celá obloha mala aj v noci žiariť tak jasne ako Slnko. Olbersov protiargument bol, že svetlo zo vzdialených hviezd musí byť zoslabené absorpciou hmotou medzi nami a týmito hviezdami. Ale potom by sa táto látka zahriala a žiarila tak jasne ako samotné hviezdy. Jediným spôsobom, ako sa vyhnúť záveru, že jas celej oblohy je porovnateľný s jasom Slnka, je predpokladať, že hviezdy nesvietili večne, ale pred nejakým konkrétnym časom sa „rozsvietili“. V tomto prípade by sa absorbujúca látka nestihla zahriať alebo by sa k nám nestihlo dostať svetlo vzdialených hviezd. Dostávame sa teda k otázke, prečo sa hviezdy rozsvietili.

Samozrejme, ľudia diskutovali o pôvode vesmíru dávno predtým. V mnohých raných kozmologických predstavách, ako aj v židovských, kresťanských a moslimských obrazoch sveta, vesmír vznikol v určitom a nie príliš vzdialenom čase v minulosti. Jedným z argumentov v prospech takéhoto začiatku bol pocit potreby nejakej prvej príčiny, ktorá by vysvetlila existenciu Vesmíru. (V rámci samotného Vesmíru sa každá udalosť, ktorá v ňom nastane, vysvetľuje ako dôsledok inej, skoršej udalosti; existenciu samotného Vesmíru možno takto vysvetliť len predpokladom, že mal nejaký začiatok.) vyjadril Aurelius Augustín alebo svätý Augustín v diele „O Božom meste“. Poznamenal, že civilizácia sa rozvíja a že si pamätáme, kto spáchal ten či onen čin alebo vynašiel ten či onen mechanizmus. V dôsledku toho človek a možno ani vesmír nemohli veľmi dlho existovať. Svätý Augustín v súlade s knihou Genezis veril, že vesmír bol stvorený približne 5000 rokov pred narodením Krista. (Zaujímavé je, že je to blízko konca poslednej doby ľadovej – približne 10 000 pred Kristom – ktorú archeológovia považujú za začiatok civilizácie.)

Aristoteles, rovnako ako väčšina starovekých gréckych filozofov, naopak, nemal rád myšlienku stvorenia sveta, pretože pochádza z Božieho zásahu. Verili, že ľudská rasa a svet vždy existovali a budú existovať navždy. Spomínaný argument o pokroku civilizácie pochopili aj antickí myslitelia a kontrovali: ľudstvo sa pod vplyvom povodní a iných prírodných katastrof pravidelne vracalo do štádia počiatku civilizácie.

Otázky o tom, či má vesmír počiatok v čase a či je priestorovo ohraničený, nastolil aj filozof Immanuel Kant vo svojom monumentálnom (hoci veľmi ťažko pochopiteľnom) diele „Critique of Pure Reason“, publikovanom v roku 1781. Kant nazval tieto otázky antinómiami (teda rozpormi) čistého rozumu, pretože cítil, že existujú rovnako presvedčivé argumenty pre tézu – teda, že vesmír má počiatok – aj protiklad, teda že vesmír má vždy existoval. Na dôkaz svojej tézy Kant uvádza nasledujúcu úvahu: ak by vesmír nemal začiatok, potom každej udalosti mal predchádzať nekonečný čas, čo je podľa filozofa absurdné. V prospech protikladu bola predložená úvaha, že ak mal vesmír počiatok, potom pred ním muselo prejsť nekonečne veľa času a nie je jasné, prečo vesmír v nejakom konkrétnom časovom okamihu vznikol. V podstate sú Kantove zdôvodnenia téz a antitéz takmer totožné. V oboch prípadoch je úvaha založená na implicitnom filozofovom predpoklade, že čas pokračuje donekonečna do minulosti, bez ohľadu na to, či Vesmír vždy existoval. Ako uvidíme, pojem času nemá až do zrodenia Vesmíru žiaden význam. Ako prvý si to všimol svätý Augustín. Pýtali sa ho: „Čo robil Boh predtým, ako stvoril svet?“ a Augustín netvrdil, že Boh pripravuje peklo pre tých, ktorí kládli takéto otázky. Namiesto toho postuloval, že čas je vlastnosťou Bohom stvoreného sveta a že pred začiatkom vesmíru čas neexistoval.

Keď väčšina ľudí považovala vesmír ako celok za statický a nemenný, otázka, či má počiatok, bola skôr záležitosťou metafyziky alebo teológie. Pozorovaný obraz sveta by sa dal rovnako dobre vysvetliť jednak v rámci teórie, že Vesmír vždy existoval, jednak na základe predpokladu, že sa dal do pohybu v nejakom konkrétnom čase, ale tak, že vzhľad zostáva, že existuje navždy. Ale v roku 1929 Edwin Hubble urobil zásadný objav: všimol si, že vzdialené galaxie, bez ohľadu na to, kde sú na oblohe, sa od nás vždy vzďaľujú vysokou rýchlosťou [úmernou ich vzdialenosti] 3
Tu a nižšie sú v hranatých zátvorkách umiestnené komentáre prekladateľa objasňujúce autorský text. – Poznámka vyd.

Inými slovami, vesmír sa rozširuje. To znamená, že v minulosti boli objekty vo vesmíre bližšie k sebe ako teraz. A zdá sa, že v určitom časovom bode - niekde pred 10-20 miliardami rokov - bolo všetko, čo je vo vesmíre, sústredené na jednom mieste, a preto hustota vesmíru bola nekonečná. Tento objav priniesol otázku počiatku vesmíru do oblasti vedy.

STRUČNÁ HISTÓRIA DOBY

Vydavateľstvo vyjadruje vďaku literárnym agentúram Writers House LLC (USA) a Synopsis Literary Agency (Rusko) za pomoc pri získavaní práv.

© Stephen Hawking 1988.

© N.Ya. Smorodinskaya, per. z angličtiny, 2017

© Y.A. Smorodinsky, doslov, 2017

© Vydavateľstvo AST LLC, 2017

* * *

Venované Jane

Vďačnosť

Po Loebových prednáškach na Harvarde v roku 1982 som sa rozhodol napísať populárnu knihu o priestore a čase. V tom čase už existovalo pomerne veľa kníh venovaných ranému vesmíru a čiernym dieram, obe veľmi dobré, napríklad kniha Stevena Weinberga „Prvé tri minúty“, aj veľmi zlé, ktoré tu netreba menovať. Ale zdalo sa mi, že nikto z nich sa v skutočnosti nezaoberal otázkami, ktoré ma podnietili študovať kozmológiu a kvantovú teóriu: odkiaľ sa vzal vesmír? Ako a prečo vznikol? Skončí to a ak áno, ako? Tieto otázky nás všetkých zaujímajú. Moderná veda je však plná matematiky a len málo odborníkov ju vie natoľko, aby tomu všetkému porozumeli. Základné predstavy o zrode a ďalšom osude Vesmíru sa však dajú podať aj bez pomoci matematiky tak, že sa stanú zrozumiteľnými aj ľuďom, ktorí nemajú špeciálne vzdelanie. O to som sa pokúsil vo svojej knihe. Ako veľmi sa mi to podarilo, posúdi čitateľ.

Bolo mi povedané, že každý vzorec zahrnutý v knihe zníži počet kupujúcich na polovicu. Potom som sa rozhodol, že sa zaobídem úplne bez vzorcov. Pravda, nakoniec som predsa len napísal jednu rovnicu – slávnu Einsteinovu rovnicu E=mc². Dúfam, že to neodstraší polovicu mojich potenciálnych čitateľov.

Okrem mojej choroby - amyotrofickej laterálnej sklerózy - som mal potom takmer vo všetkom šťastie. Pomoc a podpora mojej manželky Jane a detí Roberta, Lucy a Timothyho mi umožnili viesť relatívne normálny život a dosahovať úspechy v práci. Mal som šťastie aj v tom, že som si vybral teoretickú fyziku, pretože sa mi to všetko zmestí do hlavy. Moja fyzická slabosť sa preto nestala vážnou prekážkou. Moji kolegovia mi bez výnimky vždy maximálne pomohli.

V prvej, „klasickej“ etape práce boli mojimi najbližšími kolegami a asistentmi Roger Penrose, Robert Gerok, Brandon Carter a George Ellis. Som im vďačný za pomoc a spoluprácu. Táto fáza vyvrcholila vydaním knihy „Veľká štruktúra časopriestoru“, ktorú sme s Ellisom napísali v roku 1973. Čitateľom by som neodporúčal, aby sa v nej obracali na ďalšie informácie: je preplnená vzorcami a ťažko sa číta. Dúfam, že odvtedy som sa naučil písať prístupnejšie.

Počas druhej, „kvantovej“ fázy mojej práce, ktorá sa začala v roku 1974, som spolupracoval predovšetkým s Garym Gibbonsom, Donom Pageom a Jimom Hartleom. Za veľa vďačím im, ako aj svojim absolventom, ktorí mi poskytli obrovskú pomoc vo „fyzickom“ aj „teoretickom“ zmysle slova. Potreba držať krok s postgraduálnymi študentmi bola mimoriadne dôležitým motivátorom a myslím si, že mi zabránila uviaznuť v bahne.

Pri písaní tejto knihy mi veľmi pomohol Brian Witt, jeden z mojich študentov. V roku 1985 som po načrtnutí prvého hrubého náčrtu knihy ochorel na zápal pľúc. A potom operácia a po tracheotómii som prestal rozprávať, v podstate som stratil schopnosť komunikovať. Myslela som si, že knihu nedočítam. Ale Brian mi nielen pomohol zrevidovať ho, ale naučil ma aj používať komunikačný počítačový program Living Center, ktorý mi dal Walt Waltosh z Words Plus, Inc., Sunnyvale, Kalifornia. S jeho pomocou môžem písať knihy a články a tiež sa rozprávať s ľuďmi prostredníctvom syntetizátora reči, ktorý mi dala iná spoločnosť Sunnyvale, Speech Plus. David Mason nainštaloval tento syntetizátor a malý osobný počítač na môj invalidný vozík. Tento systém zmenil všetko: bolo pre mňa ešte jednoduchšie komunikovať ako predtým, než som stratil reč.

Som vďačný mnohým, ktorí čítali prvé verzie knihy, za návrhy, ako by sa dala vylepšiť. Preto mi Peter Gazzardi, redaktor Bantam Books, posielal list za listom s komentármi a otázkami týkajúcimi sa bodov, ktoré boli podľa neho zle vysvetlené. Priznám sa, bol som dosť naštvaný, keď som dostal obrovský zoznam odporúčaných opráv, ale Gazzardi mal úplnú pravdu. Som si istý, že kniha bola oveľa lepšia, keď mi Gazzardi šúchal nos do chýb.

Moja najhlbšia vďaka patrí mojim asistentom Colinovi Williamsovi, Davidovi Thomasovi a Raymondovi Laflammeovi, mojim sekretárkam Judy Fella, Ann Ralph, Cheryl Billington a Sue Macy a mojim zdravotným sestrám.

Nemohol by som nič dosiahnuť, keby všetky náklady na vedecký výskum a potrebnú lekársku starostlivosť neznášali Gonville a Caius College, Rada pre vedecký a technologický výskum a nadácie Leverhulme, MacArthur, Nuffield a Ralph Smith. Som im všetkým veľmi vďačný.

20. októbra 1987

Stephen Hawking

Prvá kapitola
Naša predstava o vesmíre

Raz jeden slávny vedec (hovoria, že to bol Bertrand Russell) mal verejnú prednášku o astronómii. Rozprával, ako sa Zem točí okolo Slnka a Slnko zase okolo stredu obrovskej hviezdokopy nazývanej naša Galaxia. Keď sa prednáška končila, z posledného radu vstala malá stará pani a povedala: „Všetko, čo ste nám povedali, sú nezmysly. V skutočnosti je náš svet plochý tanier, ktorý sedí na chrbte obrovskej korytnačky.“ Vedec sa zhovievavo usmial a spýtal sa: „Čo podporuje korytnačka? „Si veľmi bystrý, mladý muž,“ odpovedala stará dáma. Korytnačka je na inej korytnačke, tá je tiež na korytnačke a tak ďalej a tak ďalej.

Myšlienka vesmíru ako nekonečnej veže korytnačiek sa väčšine z nás bude zdať zábavná, ale prečo si myslíme, že to vieme lepšie? Čo vieme o vesmíre a ako sme ho poznali? Odkiaľ sa vzal vesmír a čo sa s ním stane? Mal vesmír začiatok, a ak áno, čo sa stalo? pred začiatkom? Čo je podstatou času? Skončí sa to niekedy? Výdobytky fyziky v posledných rokoch, za ktoré do istej miery vďačíme fantastickým novým technológiám, umožňujú konečne získať odpovede aspoň na niektoré z týchto otázok, ktoré pred nami už dlho stoja. Ako plynie čas, tieto odpovede môžu byť také isté ako skutočnosť, že Zem sa točí okolo Slnka, a možno také smiešne ako veža s korytnačkami. Rozhodne len čas (nech je to čokoľvek).

Späť v roku 340 pred Kr. e. Grécky filozof Aristoteles vo svojej knihe „Na nebi“ uviedol dva presvedčivé argumenty v prospech skutočnosti, že Zem nie je plochá ako doska, ale guľatá ako guľa. Po prvé, Aristoteles uhádol, že zatmenie Mesiaca nastáva, keď je Zem medzi Mesiacom a Slnkom. Zem vždy vrhá na Mesiac okrúhly tieň a to sa môže stať len vtedy, ak je Zem guľová. Ak by bola Zem plochý disk, jej tieň by mal tvar predĺženej elipsy – pokiaľ k zatmeniu nedôjde vždy presne v momente, keď je Slnko presne na osi disku. Po druhé, zo skúseností zo svojich námorných ciest Gréci vedeli, že v južných oblastiach je Polárka nižšie na oblohe ako v severných. (Keďže Polárka je nad severným pólom, bude priamo nad hlavou pozorovateľa stojaceho na severnom póle a človeku na rovníku sa bude zdať, že je na obzore.) Poznanie rozdielu medzi zdanlivej polohy Polárky v Egypte a Grécku dokázal Aristoteles dokonca vypočítať, že dĺžka rovníka je 400 000 stadií. Nie je presne známe, čomu sa rovnal stav, ale bolo to približne 200 metrov, a preto je Aristotelov odhad asi 2-násobok hodnoty, ktorá je teraz akceptovaná. Gréci mali v prospech guľovitého tvaru Zeme aj tretí argument: ak Zem nie je guľatá, prečo potom vidíme najprv plachty lode stúpať nad horizont a až potom samotnú loď?

Aristoteles veril, že Zem je nehybná a Slnko, Mesiac, planéty a hviezdy okolo nej obiehajú po kruhových dráhach. V súlade so svojimi mystickými názormi považoval Zem za stred Vesmíru a kruhový pohyb za najdokonalejší. V 2. storočí Ptolemaios rozvinul Aristotelovu myšlienku do úplného kozmologického modelu. V strede stojí Zem, obklopená ôsmimi sférami nesúcimi Mesiac, Slnko a päť vtedy známych planét: Merkúr, Venušu, Mars, Jupiter a Saturn (obr. 1.1). Samotné planéty, veril Ptolemaios, sa pohybovali v menších kruhoch spojených s príslušnými sférami. To vysvetľuje veľmi zložitú cestu, ktorou sa planéty uberajú. Na úplne poslednej sfére sú stále hviezdy, ktoré zostávajú v rovnakej polohe voči sebe navzájom a pohybujú sa po oblohe všetky spolu ako jeden celok. To, čo sa nachádzalo za poslednou sférou, nebolo vysvetlené, no v každom prípade to už nebolo súčasťou Vesmíru, ktorý ľudstvo pozoruje.

Ryža. 1.1

Ptolemaiov model umožňoval celkom dobre predpovedať polohu nebeských telies na oblohe, no pre presnú predpoveď musel akceptovať, že na niektorých miestach prechádza dráha Mesiaca 2x bližšie k Zemi ako na iných. To znamená, že v jednej polohe by sa Mesiac mal javiť 2-krát väčší ako v inej! Ptolemaios si bol tohto nedostatku vedomý, no napriek tomu bola jeho teória uznávaná, aj keď nie všade. Kresťanská cirkev akceptovala ptolemaiovský model vesmíru, ktorý nie je v rozpore s Bibliou: tento model bol dobrý, pretože ponechal veľa priestoru pre peklo a nebo mimo sféry stálic. Poľský kňaz Mikuláš Koperník však v roku 1514 navrhol ešte jednoduchší model. (Spočiatku, možno v obave, že ho Cirkev vyhlási za kacíra, Kopernik propagoval svoj model anonymne.) Jeho myšlienka bola, že Slnko stojí nehybne v strede a Zem a ostatné planéty sa okolo neho otáčajú po kruhových dráhach. Prešlo takmer storočie, kým sa Kopernikova myšlienka začala brať vážne. Kopernikovu teóriu podporili dvaja astronómovia – Nemec Johannes Kepler a Talian Galileo Galilei, a to aj napriek tomu, že Kopernikom predpovedané dráhy sa presne nezhodovali s tými pozorovanými. Aristotelovo-Ptolemaiova teória sa ukázala ako neudržateľná v roku 1609, keď Galileo začal pozorovať nočnú oblohu pomocou novovynájdeného ďalekohľadu. Nasmerovaním svojho teleskopu na planétu Jupiter objavil Galileo niekoľko malých satelitov alebo mesiacov, ktoré obiehajú okolo Jupitera. To znamenalo, že nie všetky nebeské telesá sa musia nevyhnutne otáčať priamo okolo Zeme, ako verili Aristoteles a Ptolemaios. (Samozrejme, stále by sa dalo predpokladať, že Zem spočíva v strede vesmíru a mesiace Jupitera sa pohybujú po veľmi zložitej dráhe okolo Zeme, takže sa len zdá, že obiehajú okolo Jupitera. Kopernikova teória však bola oveľa jednoduchšie.) Zároveň Johannes Kepler v tom čase upravil Koperníkovu teóriu založenú na predpoklade, že planéty sa nepohybujú po kruhoch, ale po elipsách (elipsa je predĺžený kruh). Nakoniec sa predpovede zhodovali s výsledkami pozorovaní.

Pokiaľ ide o Keplera, jeho eliptické dráhy boli umelou (ad hoc) hypotézou a navyše „neslušnou“, pretože elipsa je oveľa menej dokonalý útvar ako kruh. Keďže Kepler takmer náhodou zistil, že eliptické dráhy sú v dobrej zhode s pozorovaniami, nikdy nedokázal zladiť túto skutočnosť so svojou myšlienkou, že planéty obiehajú okolo Slnka pod vplyvom magnetických síl. Vysvetlenie prišlo oveľa neskôr, v roku 1687, keď Isaac Newton publikoval svoju knihu „Matematické princípy prírodnej filozofie“. Newton v nej nielen predložil teóriu pohybu hmotných telies v čase a priestore, ale vyvinul aj zložité matematické metódy potrebné na analýzu pohybu nebeských telies. Okrem toho Newton postuloval zákon univerzálnej gravitácie, podľa ktorého je každé teleso vo vesmíre priťahované k akémukoľvek inému telesu väčšou silou, čím väčšia je hmotnosť týchto telies a čím menšia je vzdialenosť medzi nimi. Je to tá istá sila, pri ktorej telá padajú na zem. (Príbeh, že Newton bol inšpirovaný jablkom padajúcim na jeho hlavu, je takmer určite nespoľahlivý. Newton sám povedal len to, že myšlienka gravitácie ho napadla, keď sedel v „kontemplatívnej nálade“ a „príležitosťou bol pád jablka “.) Newton ďalej ukázal, že podľa jeho zákona sa Mesiac pod vplyvom gravitačných síl pohybuje po eliptickej dráhe okolo Zeme a Zem a planéty rotujú po eliptických dráhach okolo Slnka.

Kopernikov model pomohol zbaviť sa ptolemaiovských nebeských sfér a zároveň myšlienky, že Vesmír má akési prirodzené hranice. Keďže „stálice“ nemenia svoju polohu na oblohe, s výnimkou ich kruhového pohybu spojeného s rotáciou Zeme okolo svojej osi, bolo prirodzené predpokladať, že stálice sú objekty podobné nášmu Slnku, len oveľa viac. vzdialený.

Newton pochopil, že podľa jeho teórie gravitácie by sa hviezdy mali navzájom priťahovať, a preto, ako sa zdá, nemôžu zostať úplne nehybné. Nemali by na seba spadnúť a v určitom okamihu sa priblížiť? V roku 1691 v liste Richardovi Bentleymu, poprednému mysliteľovi tej doby, Newton povedal, že by sa to skutočne stalo, keby sme mali len konečný počet hviezd v konečnej oblasti priestoru. Ale, uvažoval Newton, ak je počet hviezd nekonečný a sú viac-menej rovnomerne rozložené v nekonečnom priestore, potom sa to nikdy nestane, pretože neexistuje žiadny centrálny bod, kam by museli padnúť.

Tieto argumenty sú príkladom toho, aké ľahké je dostať sa do problémov, keď hovoríme o nekonečne. V nekonečnom vesmíre môže byť akýkoľvek bod považovaný za stred, pretože na oboch jeho stranách je počet hviezd nekonečný. Až oveľa neskôr si uvedomili, že správnejším prístupom je prijať konečný systém, v ktorom všetky hviezdy padajú jedna na druhú, smerujúc k stredu, a zistiť, aké zmeny by nastali, keby sme pridávali ďalšie a ďalšie hviezdy, rozdelené približne rovnomerne mimo uvažovaného regiónu. Podľa Newtonovho zákona ďalšie hviezdy v priemere nijako neovplyvnia tie pôvodné, to znamená, že hviezdy budú padať rovnakou rýchlosťou do stredu vybranej oblasti. Bez ohľadu na to, koľko hviezdičiek pridáme, vždy budú smerovať do stredu. V súčasnosti je známe, že nekonečný statický model vesmíru je nemožný, ak gravitačné sily vždy zostanú silami vzájomnej príťažlivosti.

Je zaujímavé, aký bol všeobecný stav vedeckého myslenia pred začiatkom dvadsiateho storočia: nikoho nenapadlo, že by sa vesmír mohol rozpínať alebo zmenšovať. Všetci verili, že vesmír buď vždy existoval v nezmenenom stave, alebo bol stvorený v určitom časovom bode v minulosti približne tak, ako je teraz. Čiastočne to možno vysvetliť tendenciou ľudí veriť vo večné pravdy a tiež zvláštnou príťažlivosťou myšlienky, že hoci oni sami starnú a umierajú, Vesmír zostane večný a nemenný.

Dokonca ani tí vedci, ktorí si uvedomili, že Newtonova teória gravitácie znemožňuje statický vesmír, nepomysleli na hypotézu rozpínajúceho sa vesmíru. Pokúsili sa upraviť teóriu tak, že gravitačná sila bola odpudzujúca na veľmi veľké vzdialenosti. To prakticky nezmenilo predpovedaný pohyb planét, ale umožnilo to, aby nekonečné rozloženie hviezd zostalo v rovnováhe, pretože príťažlivosť blízkych hviezd bola kompenzovaná odpudzovaním od vzdialených. Teraz však veríme, že takáto rovnováha by bola nestabilná. V skutočnosti, ak sa v nejakej oblasti hviezdy trochu priblížia, potom sa príťažlivé sily medzi nimi zvýšia a budú silnejšie ako odpudivé sily, takže hviezdy sa budú naďalej približovať. Ak sa vzdialenosť medzi hviezdami mierne zväčší, potom odpudivé sily prevážia a vzdialenosť sa zväčší.

Ďalšia námietka voči modelu nekonečného statického vesmíru sa zvyčajne pripisuje nemeckému filozofovi Heinrichovi Olbersovi, ktorý v roku 1823 publikoval prácu o tomto modeli. V skutočnosti mnohí z Newtonových súčasníkov pracovali na rovnakom probléme a Albersov dokument nebol ani prvý, ktorý vzniesol vážne námietky. Bola prvou, ktorá bola široko citovaná. Námietka je takáto: v nekonečnom statickom vesmíre musí každý lúč videnia spočívať na nejakej hviezde. Ale potom by mala obloha, dokonca aj v noci, jasne žiariť ako Slnko. Olbersovým protiargumentom bolo, že svetlo prichádzajúce k nám zo vzdialených hviezd by malo byť zoslabené absorpciou v hmote na svojej ceste. Ale v tomto prípade by sa táto látka mala zahriať a jasne žiariť ako hviezdy. Jediným spôsobom, ako sa vyhnúť záveru, že nočná obloha žiari jasne ako Slnko, je predpokladať, že hviezdy nie vždy svietili, ale rozsvietili sa v určitom konkrétnom časovom bode v minulosti. Potom sa absorbujúca látka možno ešte nestihla zahriať alebo k nám svetlo vzdialených hviezd ešte nedorazilo. Vynára sa však otázka: prečo sa hviezdy rozsvietili?

Samozrejme, problém pôvodu vesmíru zamestnáva mysle ľudí už veľmi dlho. Podľa množstva raných kozmogónií a židovsko-kresťansko-moslimských mýtov náš vesmír vznikol v určitom konkrétnom a nie príliš vzdialenom časovom bode v minulosti. Jedným z dôvodov takýchto presvedčení bola potreba nájsť „prvú príčinu“ existencie vesmíru. Akákoľvek udalosť vo vesmíre sa vysvetľuje uvedením jej príčiny, teda inej udalosti, ktorá sa stala skôr; takéto vysvetlenie existencie samotného Vesmíru je možné len vtedy, ak mal počiatok. Ďalší základ predložil Augustín Blažený vo svojej eseji „O meste Božom“. Upozornil, že civilizácia napreduje a my si pamätáme, kto spáchal ten či onen čin a kto čo vymyslel. Preto je nepravdepodobné, že ľudstvo, a teda pravdepodobne aj Vesmír, bude existovať veľmi dlho. Augustín Blažený považoval za prijateľný dátum stvorenia vesmíru, zodpovedajúci knihe Genezis: približne 5000 pred Kristom. e. (Zaujímavé je, že tento dátum nie je príliš vzdialený od konca poslednej doby ľadovej – 10 000 pred Kristom, ktorú archeológovia považujú za začiatok civilizácie.)

Aristoteles a väčšina ostatných gréckych filozofov nemala rada myšlienku stvorenia vesmíru, pretože bola spojená s Božím zásahom. Preto verili, že ľudia a svet okolo nich existuje a bude existovať navždy. Starovekí vedci zvážili argument týkajúci sa pokroku civilizácie a rozhodli, že vo svete sa pravidelne vyskytujú povodne a iné katastrofy, ktoré po celý čas vracajú ľudstvo do východiskového bodu civilizácie.

Otázku, či vesmír vznikol v určitom počiatočnom časovom bode a či je priestorovo obmedzený, neskôr veľmi podrobne preskúmal filozof Immanuel Kant vo svojom monumentálnom (a veľmi nejasnom) diele „Critique of Pure Reason“, ktoré vyšlo v r. 1781. Tieto otázky nazval antinómiami (t. j. rozpormi) čistého rozumu, pretože videl, že je rovnako nemožné dokázať alebo vyvrátiť tak tézu o nevyhnutnosti vzniku Vesmíru, ako aj protiklad o jeho večnej existencii. Kantova téza bola argumentovaná skutočnosťou, že ak by vesmír nemal začiatok, potom by každej udalosti predchádzal nekonečný časový úsek a Kant to považoval za absurdné. Na podporu protikladu Kant povedal, že ak by mal vesmír začiatok, potom by mu predchádzalo nekonečné časové obdobie, a potom je otázkou, prečo vesmír náhle vznikol v jednom okamihu a nie v inom ? V skutočnosti sú Kantove argumenty prakticky rovnaké pre tézu aj antitézu. Vychádza z tichého predpokladu, že čas je v minulosti nekonečný, bez ohľadu na to, či vesmír existoval alebo neexistoval večne. Ako uvidíme nižšie, pred vznikom vesmíru je pojem času bezvýznamný. Prvýkrát na to poukázal svätý Augustín. Keď sa ho pýtali, čo robil Boh predtým, ako stvoril vesmír, Augustín nikdy neodpovedal, že Boh pripravuje peklo pre tých, ktorí si kládli takéto otázky. Nie, povedal, že čas je integrálnou vlastnosťou Vesmíru vytvoreného Bohom, a preto pred vznikom Vesmíru nebol čas.

Keď väčšina ľudí verila v statický a nemenný vesmír, otázka, či má alebo nemá začiatok, bola v podstate záležitosťou metafyziky a teológie. Všetky pozorovateľné javy sa dali vysvetliť buď teóriou, v ktorej vesmír existoval večne, alebo teóriou, v ktorej bol vesmír v určitom časovom bode stvorený tak, že všetko vyzeralo, ako keby existoval večne. Ale v roku 1929 Edwin Hubble urobil epochálny objav: ukázalo sa, že bez ohľadu na to, akú časť oblohy človek pozoruje, všetky vzdialené galaxie sa od nás rýchlo vzďaľujú. Inými slovami, vesmír sa rozširuje. To znamená, že v skorších dobách boli všetky objekty bližšie k sebe ako teraz. To znamená, že zrejme existovala doba, asi pred desiatimi alebo dvadsiatimi tisíckami miliónov rokov, keď boli všetci na jednom mieste, takže hustota vesmíru bola nekonečne veľká. Hubbleov objav priniesol otázku, ako vznikol vesmír, do oblasti vedy.

Hubbleove pozorovania naznačujú, že existoval čas, takzvaný Veľký tresk, keď bol vesmír nekonečne malý a nekonečne hustý. Za takýchto podmienok všetky zákony vedy strácajú zmysel a neumožňujú nám predpovedať budúcnosť. Ak sa ešte v skorších dobách udiali nejaké udalosti, stále nemohli nijako ovplyvniť to, čo sa deje teraz. Kvôli nedostatku pozorovateľných dôsledkov ich možno jednoducho zanedbať. Veľký tresk možno považovať za začiatok času v tom zmysle, že skoršie časy by jednoducho neboli definované. Zdôraznime, že takýto východiskový bod pre čas je veľmi odlišný od všetkého, čo bolo navrhnuté pred Hubbleom. Začiatok času v nemennom Vesmíre je niečo, čo musí byť určené niečím existujúcim mimo Vesmíru; Pre začiatok Vesmíru nie je žiadna fyzická nevyhnutnosť. Stvorenie vesmíru Bohom možno pripísať akémukoľvek bodu v minulosti. Ak sa vesmír rozpína, potom môžu existovať fyzické dôvody na to, aby mal začiatok. Stále si viete predstaviť, že to bol Boh, kto stvoril Vesmír – v momente Veľkého tresku alebo aj neskôr (ale ako keby sa Veľký tresk stal). Bolo by však absurdné tvrdiť, že vesmír vznikol pred Veľkým treskom. Myšlienka rozširujúceho sa vesmíru nevylučuje tvorcu, ale ukladá obmedzenia na možný dátum jeho práce!

Aby ste mohli hovoriť o podstate vesmíru a o tom, či mal začiatok a či bude koniec, musíte dobre pochopiť, čo je vedecká teória vo všeobecnosti. Budem sa držať najjednoduchšieho hľadiska: teória je teoretický model vesmíru alebo jeho časti, doplnený o súbor pravidiel spájajúcich teoretické veličiny s našimi pozorovaniami. Tento model existuje iba v našich hlavách a nemá žiadnu inú realitu (bez ohľadu na to, aký význam tomuto slovu vložíme). Teória sa považuje za dobrú, ak spĺňa dve požiadavky: po prvé, musí presne opísať širokú triedu pozorovaní v rámci modelu, ktorý obsahuje len niekoľko ľubovoľných prvkov, a po druhé, teória musí robiť dobre definované predpovede o výsledkoch budúcich pozorovaní. Napríklad Aristotelova teória, že všetko sa skladá zo štyroch prvkov – zeme, vzduchu, ohňa a vody – bola dosť jednoduchá na to, aby sa dala nazvať teóriou, ale nerobila žiadne definitívne predpovede. Newtonova teória gravitácie vychádzala z ešte jednoduchšieho modelu, v ktorom sú telesá k sebe priťahované silou úmernou určitej veličine nazývanej ich hmotnosť a nepriamo úmernou druhej mocnine vzdialenosti medzi nimi. Ale Newtonova teória veľmi presne predpovedá pohyb Slnka, Mesiaca a planét.

Akákoľvek fyzikálna teória je vždy dočasná v tom zmysle, že je to len hypotéza, ktorú nemožno dokázať. Bez ohľadu na to, koľkokrát sa teória zhoduje s experimentálnymi údajmi, človek si nemôže byť istý, že nabudúce experiment nebude v rozpore s teóriou. Zároveň môže byť akákoľvek teória vyvrátená odkazom na jediné pozorovanie, ktoré nesúhlasí s jej predpoveďami. Ako zdôraznil filozof Karl Popper, špecialista v oblasti filozofie vedy, nevyhnutnou črtou dobrej teórie je, že robí predpovede, ktoré možno v zásade experimentálne sfalšovať. Vždy, keď nové experimenty potvrdia predpovede nejakej teórie, teória demonštruje svoju vitalitu a naša viera v ňu sa upevňuje. Ale ak čo i len jedno nové pozorovanie nesúhlasí s teóriou, musíme ho buď opustiť, alebo prerobiť. To je aspoň logika, aj keď, samozrejme, vždy máte právo pochybovať o kompetencii toho, kto pozorovania vykonal.

V praxi sa často ukazuje, že nová teória je vlastne rozšírením predchádzajúcej. Napríklad mimoriadne presné pozorovania planéty Merkúr odhalili malé nezrovnalosti medzi jej pohybom a predpoveďami Newtonovej teórie gravitácie. Podľa Einsteinovej všeobecnej teórie relativity by sa mal Merkúr pohybovať trochu inak ako Newtonova teória. Fakt, že Einsteinove predpovede sa zhodovali s výsledkami pozorovania, no Newtonove predpovede sa nezhodovali, sa stal jedným z rozhodujúcich potvrdení novej teórie. Pravda, v praxi stále používame Newtonovu teóriu, keďže v prípadoch, s ktorými sa bežne stretávame, sa jej predpovede len veľmi málo líšia od predpovedí všeobecnej relativity. (Newtonova teória má tiež veľkú výhodu, že sa s ňou pracuje oveľa jednoduchšie ako s Einsteinovou teóriou.)

Konečným cieľom vedy je vytvoriť jednotnú teóriu, ktorá by popisovala celý vesmír. Pri riešení tohto problému ho väčšina vedcov rozdeľuje na dve časti. Prvou časťou sú zákony, ktoré nám dávajú možnosť spoznať, ako sa vesmír mení v priebehu času. (Keďže vieme, ako vesmír vyzerá v určitom časovom bode, môžeme pomocou týchto zákonov zistiť, čo sa s ním stane kedykoľvek neskôr.) Druhou časťou je problém počiatočného stavu vesmíru. Niektorí veria, že veda by sa mala zaoberať len prvou časťou a otázku, čo bolo na začiatku, považujú za vec metafyziky a náboženstva. Zástancovia tohto názoru tvrdia, že keďže Boh je všemohúci, bolo jeho vôľou „riadiť“ vesmír, ako sa mu zachce. Ak majú pravdu, potom mal Boh príležitosť, aby sa vesmír vyvinul úplne náhodne. Boh zrejme uprednostnil, aby sa vyvíjala veľmi pravidelne, podľa určitých zákonov. Ale potom je rovnako logické predpokladať, že existujú aj zákony, ktoré riadia počiatočný stav vesmíru.

Ukazuje sa, že je veľmi ťažké okamžite vytvoriť teóriu, ktorá by popisovala celý Vesmír. Namiesto toho rozdeľujeme problém na časti a vytvárame čiastkové teórie. Každá z nich popisuje jednu obmedzenú triedu pozorovaní a robí o nej predpovede, pričom zanedbáva vplyv všetkých ostatných veličín alebo ich reprezentuje ako jednoduché množiny čísel. Je možné, že tento prístup je úplne nesprávny. Ak všetko vo vesmíre zásadne závisí od všetkého ostatného, ​​potom je možné, že izolovaným štúdiom častí problému sa nedá priblížiť k úplnému riešeniu. Napriek tomu bol náš pokrok v minulosti takýto. Klasickým príkladom je opäť Newtonova teória gravitácie, podľa ktorej gravitačná sila pôsobiaca medzi dvoma telesami závisí len od jednej charakteristiky každého telesa, a to od jeho hmotnosti, nezávisí však od toho, z akej látky sú telesá vyrobené. V dôsledku toho na výpočet obežných dráh, po ktorých sa pohybujú Slnko a planéty, nie je potrebná teória ich štruktúry a zloženia.

Teraz existujú dve hlavné čiastkové teórie na opis vesmíru: všeobecná relativita a kvantová mechanika. Obe sú výsledkom enormného intelektuálneho úsilia vedcov v prvej polovici 20. storočia. Všeobecná relativita popisuje gravitačnú interakciu a veľkorozmernú štruktúru vesmíru, to znamená štruktúru v mierke od niekoľkých kilometrov do milióna miliónov miliónov miliónov miliónov (za jednotkou nasleduje dvadsaťštyri núl) kilometrov alebo až do veľkosti pozorovateľná časť vesmíru. Kvantová mechanika sa zaoberá javmi v extrémne malých mierkach, ako je jedna milióntina milióntiny centimetra. A tieto dve teórie sú, žiaľ, nezlučiteľné – nemôžu byť zároveň správne. Jednou z hlavných oblastí výskumu modernej fyziky a hlavnou témou tejto knihy je hľadanie novej teórie, ktorá by spojila dve predchádzajúce do jednej – kvantovej teórie gravitácie. Takáto teória zatiaľ neexistuje a možno si bude musieť ešte dlho počkať, no mnohé vlastnosti, ktoré by mala mať, už poznáme. V nasledujúcich kapitolách uvidíte, že už vieme veľa o tom, aké predpovede by mali vyplývať z kvantovej teórie gravitácie.

Ak veríte, že vesmír sa nevyvíja svojvoľne, ale riadi sa určitými zákonmi, tak nakoniec budete musieť spojiť všetky čiastkové teórie do jednej úplnej, ktorá bude popisovať všetko vo vesmíre. Pravda, pri hľadaní takejto jednotnej teórie je jeden zásadný paradox. Všetko, čo bolo uvedené vyššie o vedeckých teóriách, predpokladá, že sme inteligentné bytosti, môžeme robiť akékoľvek pozorovania vo vesmíre a na základe týchto pozorovaní vyvodzovať logické závery. V takejto schéme je prirodzené predpokladať, že v zásade by sme sa mohli ešte viac priblížiť k pochopeniu zákonov, ktorými sa riadi náš Vesmír. Ale ak nejaká jednotná teória naozaj existuje, potom by zrejme mala nejakým spôsobom ovplyvňovať aj naše činy. A potom by samotná teória mala určiť výsledok nášho hľadania! Prečo by mala vopred určiť, že z pozorovaní vyvodíme správne závery? Prečo by nás rovnako ľahko nemohla priviesť k nesprávnym záverom? Alebo vôbec žiadne?