Tytuł oryginału

A LITTLE BOOK ABOUT THE BIG BANG

Copyright © 2022 by the President

and Fellows of Harvard College

All rights reserved

Projekt okładki

Paweł Panczakiewicz

Zdjęcie na okładce © Cornelius20 | Dreamstime.com

Redaktor prowadzący

Adrian Markowski

Redakcja

Anna Kaniewska

Korekta

Małgorzata Denys

ISBN 978-83-8295-890-4

Warszawa 2023

Wydawca

Prószyński Media Sp. z o.o.

02-697 Warszawa, ul. Rzymowskiego 28

www.proszynski.pl

Moim profesorom i kolegom,

którzy nauczyli mnie więcej,

niż im się zdawało

WSTĘP

DLACZEGO ISTNIEJE RACZEJ COŚ NIŻ NIC?

Oto mała książka, której treść koncentruje się wokół największego możliwego tematu: Wielkiego Wybuchu. Nie jest to książka o telewizyjnym serialu komediowym[1]. To książka o kosmologii. Kosmologia, zgodnie z tym, co myślą o niej sami kosmolodzy, jest dziedziną nauki, która zajmuje się badaniami struktury i ewolucji Wszechświata jako całości. Na przestrzeni ostatnich stu lat w coraz większym stopniu badania te dotyczyły wczesnego okresu istnienia Wszechświata i takich zagadnień, jak pochodzenie galaktyk, analiza obfitości najlżejszych pierwiastków chemicznych, obserwacje przenikającego przestrzeń kosmiczną promieniowania cieplnego i zgłębianie natury egzotycznych zjawisk, których nie możemy poddać bezpośrednim obserwacjom – ciemnej materii i ciemnej energii. Ogólnie rzecz biorąc, kosmologów interesuje nasz Wszechświat w jego pierwszych wiekach, latach, nawet ułamkach sekund, jakie upłynęły od jego narodzin. Precyzyjnie mówiąc, kosmologia zajmuje się teoretycznym opisem pochodzenia Wszechświata, czyli Wielkiego Wybuchu.

Czasami o kosmologii mówi się, że jest to dziedzina, w której dochodzi do spotkania fizyki z filozofią. Do pewnego stopnia stwierdzenie to jest prawdziwe, do pewnego stopnia wręcz się ono narzuca. Jeśli się dobrze zastanowimy, to dojdziemy do wniosku, że cała nauka sprowadza się do stawiania pytań i poszukiwania na nie odpowiedzi. Gdy zaś będziemy zadawali dostatecznie dużo pytań, nieuniknione jest to, że w końcu zabraknie nam odpowiedzi. Kosmologia jest wyjątkowo podatna na takie trudności. Kiedy rozmowa schodzi na Wielki Wybuch, pierwsze pytanie, jakie zadaje osoba niezwiązana z tą dziedziną nauki (czyli zdecydowana większość ludzi), brzmi następująco: „A co było przed Wielkim Wybuchem?”. Jest to pytanie ze wszech miar naturalne i uprawnione, lecz obecnie nie znamy na nie odpowiedzi i taki stan rzeczy raczej będzie utrzymywał się jeszcze długo po śmierci autora tej książki.

Mimo wątpliwości zamierzam zadawać zarówno pytania, jakie przychodzą do głowy laikom, jak i takie, o których nie pomyśleliby, i będę próbował odpowiedzieć na nie najprościej, jak tylko potrafię. Ponieważ piszę tę książkę głównie z myślą o ludziach, którzy ciekawi są nauki, lecz brak im wykształcenia i matematycznego przygotowania, moi koledzy po fachu zauważą, że ścisłość i kompletność nie były dla mnie najważniejsze, albowiem moim celem nie było omówienie jak największego obszaru – chodziło mi raczej o odsłonięcie obszaru możliwie najwęższego.

Mając to na względzie, próbowałem do minimum zredukować stosowanie fachowego słownictwa i choć pojawi się dostatecznie dużo liczb, aby każdego zadowolić, w tekście nie występuje żaden wzór bardziej skomplikowany niż ten na linię prostą. Wszystko inne przerzuciłem do kilku przypisów. Zakładam również, że czytelnicy są w stanie zrozumieć podstawowe wykresy i będą skłonni prześledzić nieco bardziej szczegółowe wywody. Równocześnie w pełni zgadzam się z jednym z niezliczonych aforyzmów błędnie przypisywanych Einsteinowi: „Wszystko powinno być możliwie najprostsze, ale nie prostsze”. Na przestrzeni lat zyskałem przekonanie, że naprawdę istnieje poziom, poniżej którego pewnych rzeczy nie można dalej upraszczać. W kosmologii poziom ten wyznaczany jest przede wszystkim przez matematyczną naturę tej dziedziny nauki. Jeżeli nie będę w stanie wytłumaczyć matematyki za pomocą zrozumiałych pojęć, zrezygnuję z podejmowania daremnych prób.

Mimo braku w tej książce czegokolwiek, co przypominałoby prawdziwą matematykę, jednym z moich zamiarów jest przekonanie czytelników, że nowoczesna kosmologia jest nadzwyczajnym gmachem wzniesionym na solidnych podstawach i powinni zostać jej wyznawcami. W tym celu każdy rozdział bazuje na treści poprzedniego. Lekturę książki powinno się zacząć od samego początku. Ostatnia linijka ma wzbudzić zaciekawienie i sprawić, że niecierpliwie będziecie chcieli kontynuować.

Jak już wspomniałem, kosmologia zadaje poważne pytania. Zgłębiając pojęciowe podstawy nowoczesnej teorii Wielkiego Wybuchu, żywię nadzieję, że nie będziemy wzbraniali się przed zadawaniem takich pytań. Jak powiedział kiedyś mój mentor: „Zadając głupie pytanie, można poczuć się głupio. Jeśli nie będziemy zadawać głupich pytań, pozostaniemy głupcami”.

Nieuchronne jest to, że im dalej się zapuścimy w meandry tematów poruszanych w tej książce, pytań będzie więcej niż odpowiedzi. W końcu próba uchwycenia tego, co nieuchwytne, to tylko drobny krok od „Co było przed Wielkim Wybuchem?” do ostatecznej zagadki zawartej w pytaniu: „Dlaczego istnieje raczej coś niż nic?”. Skoro zatem w taki czy inny sposób ludzie zadają to pytanie przez całe tysiąclecia i nie mogą wypracować jednej zgodnej opinii, rozsądek podpowiada, że w tej książce odpowiedzi również nie znajdziecie. W istocie, jeśli zadamy to pytanie jakiemukolwiek uczciwemu kosmologowi, jedyna odpowiedź, jaką usłyszymy, będzie brzmiała: „Nie wiem”. Łatwiejsze jest pytanie: „Czy te równania, zapisane na białej tablicy w serialu komediowym, mają jakiś sens?”. Odpowiedź brzmi: tak. Jednakże osobiste doświadczenie podpowiada, że kosmolodzy mają ograniczone kompetencje, aby wypowiadać się w kwestii kosmetyków.

***

Ponieważ książka ta skierowana jest do przeciętnego czytelnika, będę posługiwał się bardziej analogiami niż równaniami. Wiąże się z tym pewne niebezpieczeństwo, prędzej czy później bowiem każda analogia się załamuje. Analogie, jak teorie, są modelami rzeczywistości, a nie rzeczywistością. W przypadku Wielkiego Wybuchu kosmolodzy zwykle odwołują się do balonów, aby wytłumaczyć określone własności rozszerzającego się Wszechświata, jednak prawdziwy Wszechświat to nie balon, analogia nie jest więc idealna. W rozważaniu analogii kluczowe jest wyraziste wskazanie różnic między nią a rzeczywistością.

Już kilka razy użyłem słowa teoria. Pozwolę sobie podkreślić, że gdy termin ten stosowany jest przez naukowca, ma on nieco inne znaczenie niż w języku potocznym. Audycje radiowe często karmią słuchaczy stwierdzeniami, iż prokurator ma pewną teorię na temat zbrodni, podczas gdy adwokat obrony ma teorię, że prokurator oszalał. Zwykle chodzi wówczas o domysły formułowane bez żadnych dowodów, a sytuacja zmienia się zbyt często, aby cokolwiek z tego zrozumieć.

Teoria fizyczna przeciwnie – stanowi mocno splecioną sieć pomysłów i przewidywań, wspartych matematyką oraz solidnie umocowanych w materiale zebranym na drodze eksperymentów i obserwacji. Kiedy kosmolodzy mówią o teorii Wielkiego Wybuchu, odnoszą się właśnie do takiej sieci przewidywań i obserwacji. Elementy teorii Wielkiego Wybuchu były drobiazgowo badane przez całe stulecie i tak wiele precyzyjnych obserwacji świadczy o poprawności kształtowanego obrazu, że kosmolodzy czują, iż ich dziedzina przypomina już bardziej inżynierię niż sferę badań podstawowych. Warto wierzyć w nowoczesną kosmologię.

***

Przede wszystkim nadal utrzymuje się fundamentalna różnica, dzieląca kosmologię od innych dziedzin nauki: istnieje tylko jeden obserwowalny Wszechświat. Istotą większości dyscyplin naukowych jest eksperymentowanie i powtarzanie wyników. Producent leków testuje szczepionkę, przeprowadzając próby kliniczne na dużej liczbie uczestników badań. Jeżeli wyniku nie mogą powtórzyć naukowcy na całym świecie, to szczepionka nie zyskuje akceptacji jako godny zaufania preparat. Kosmolodzy, przynajmniej w dzisiejszych czasach, są pozbawieni możliwości przeprowadzania eksperymentów na wielu wszechświatach, toteż nie mogą z pełnym przekonaniem stwierdzić, jak wyglądałby wszechświat, gdyby na początku warunki były trochę inne.

Niemniej jednak, choć kosmolodzy nie są w stanie powiedzieć wszystkiego, to mogą powiedzieć dużo więcej niż nic. Skoro mamy do dyspozycji wyłącznie jeden wszechświat, to trudność sprawia rozważanie go jako całości i szukanie odpowiedzi na najbardziej fundamentalne pytania. Świadomi tych braków kosmolodzy czerpią z danych i obserwacji zebranych przez ich bliskich kuzynów, astronomów. Astronomowie tradycyjnie zajmują się badaniami planet, gwiazd i galaktyk, prowadzonymi za pomocą teleskopów naziemnych lub umieszczonych na niskiej orbicie okołoziemskiej. Owszem, astronomowie są szczurami lądowymi. Na razie żaden statek kosmiczny albo teleskop nie znalazł się nawet w pobliżu innej gwiazdy, nie wspominając o innej galaktyce, co oznacza, że prowadzenie eksperymentów z udziałem obiektów astronomicznych nie jest możliwe. Nie bez powodu astronomię nazywa się nauką obserwacyjną.

Podstawowym założeniem, na którym opierają się badania astronomiczne, jest to, że fundamentalne prawa fizyki są jednakowe w całym Wszechświecie. Astrofizycy, kolejni bliscy kuzyni kosmologów i astronomów, stosowali te prawa do rozszyfrowywania zachowania gwiazd i galaktyk. Ponieważ posyłanie sondy w odległe rejony kosmosu jest przedsięwzięciem zupełnie niepraktycznym, przynajmniej ze względu na czas trwania cywilizacji, zawsze polegaliśmy na świetle lub innych posłańcach, docierających do Ziemi i przynoszących ze sobą informacje o najdalszych zakątkach Wszechświata. Tak naprawdę jednym z wielkich triumfów nowoczesnej nauki jest to, że bez ruszania się z powierzchni planety zdołaliśmy się tak wiele dowiedzieć o kosmosie na podstawie założenia, iż znane nam prawa natury mają zastosowanie w każdym innym miejscu. Otwartą kwestią jest to, do jakiego stopnia znana nam fizyka ma zastosowanie do Wszechświata jako całości.

Kosmolodzy podejmują próby rekonstrukcji ewolucji Wszechświata, wykorzystując to samo podejście co astronomowie i astrofizycy: wykonując obliczenia na papierze albo w komputerze, stosujemy znane prawa fizyki, aby z zachowaniem matematycznej spójności modelować badany układ i sprawdzać, czy uzyskane wyniki zgadzają się z obserwacjami. Układem może być gromada galaktyk lub cały Wszechświat. Jeśli przewidywania naszego modelu zgadzają się z obserwacjami, to wychodzimy na piwo. Jeżeli się nie zgadzają, szukamy błędów w warstwie matematycznej. Kiedy żadnego nie znajdujemy, szukamy błędów w warstwie koncepcji. Gdy zaś, koniec końców, żaden model nie zgadza się z obserwacjami, dodajemy nowe zjawiska. Jeżeli te nowe zjawiska poprawiają wyniki, prosimy naszych kolegów od obserwacji, aby zaczęli poszukiwania.

Naukowiec powinien wystrzegać się jednego – nie należy dodawać egzotycznych zjawisk, zanim wszelkie zwyczajne objaśnienia zostaną wyczerpane. Kiedy myślimy o pierwszych chwilach zaraz po Wielkim Wybuchu, hmmm...

***

W tym miejscu możecie się zastanawiać, gdzie dokładnie kończy się astronomia i astrofizyka, a zaczyna kosmologia. Nie ma wyraźnej linii granicznej i na ogół jest tak, że naukowiec pracujący w jednej z tych dziedzin całkiem dobrze orientuje się w pozostałych. Różnica zwykle kryje się w skali. Jak wspominałem, astronomia i astrofizyka tradycyjnie zajmują się gwiazdami, planetami i galaktykami, w ostatnim czasie również całymi gromadami galaktyk, a nawet supergromadami, czyli gromadami gromad galaktyk. Kosmolog patrzy na to z największej możliwej do wyobrażenia perspektywy, która zaczyna ukazywać się gdzieś na poziomie supergromady, po czym zadaje pytanie, jak doszło do tego, że wszystko to składa się na obserwowany Wszechświat. Mimo że prawa fizyki rządzące zachowaniem galaktyk są takie same dla gwiazd, w książce tej nie będziemy zajmowali się gwiazdami lub planetami. Ledwie wspomnimy o czarnych dziurach, które same w sobie są fascynujące, ale z perspektywy kosmologicznej to obiekty tak małe, że nie mają znaczenia.

Zdaniem kosmologów bardzo pomocne jest pamiętanie o różnych skalach astronomicznych. W całej książce będę używał standardowego w astronomii sposobu określania odległości w kategoriach czasu, jakiego potrzebuje światło, aby pokonać tę odległość. Może wiecie, że wyemitowane przez Słońce światło dociera do Ziemi w ciągu ośmiu minut. Zaokrąglijmy ten wynik do dziesięciu minut. Możemy wówczas powiedzieć, że Ziemia leży w odległości około dziesięciu minut świetlnych od Słońca. Analogicznie rok świetlny to po prostu odległość, jaką światło pokonuje w czasie jednego roku. Astronomowie nigdy nie zamieniają lat świetlnych na mile lub kilometry, więc my również nie powinniśmy tego robić. Powinniśmy za to nabrać wyczucia różnych skal odległości we Wszechświecie:

cztery lata świetlne to odległość do najbliższej gwiazdy sąsiadującej ze Słońcem;

100 000 lat świetlnych to w przybliżeniu średnica naszej galaktyki Drogi Mlecznej;

miliony lat świetlnych to dystans, na jakim rozpościera się gromada galaktyk;

setki milionów lat świetlnych to rozmiar supergromady galaktyk;

14 miliardów lat świetlnych to w przybliżeniu rozmiar obserwowalnego Wszechświata.

***

Tak wygląda skala w kosmologii, skala, której dotyczy niniejsza książka.

Czy możecie oczekiwać porady w sprawie cienia do powiek i tuszu do rzęs? Nie.

[1] Mowa tu o serialu The Big Bang Theory, który w Polsce znany jest pod tytułem Teoria wielkiego podrywu (przyp. tłum.).

ROZDZIAŁ 1

GRAWITACJA, DYNIE I KOSMOLOGIA

Kosmologia jest dziedziną nauki, która zajmuje się badaniem wpływu grawitacji na przebieg ewolucji całego Wszechświata; chcąc więc zrozumieć kosmologię, trzeba zrozumieć grawitację.

Grawitacja jest zdecydowanie najsłabszym ze wszystkich oddziaływań znajdujących się w arsenale natury. Dla fizyka oddziaływanie to nic innego jak przyciąganie lub odpychanie wywierane na jakieś ciało fizyczne – nie ma mowy o żadnej „ciemnej stronie mocy” – a jednym z głównych powodów tego, że fizycy nazywają swoją dziedzinę najbardziej fundamentalną ze wszystkich dyscyplin naukowych, jest to, iż na przestrzeni wieków przekonali się, że w przyrodzie istnieją zaledwie cztery podstawowe oddziaływania. Jedno z nich, nazywane oddziaływaniem jądrowym silnym, spaja jądra atomów i bez wątpienia jest najpotężniejszą siłą natury. Gdyby nie ta siła, każde jądro atomu składające się z protonów i neutronów zostałoby rozerwane przez siły odpychania działające między dodatnio naładowanymi protonami. To właśnie energia związana z tym oddziaływaniem uwalniana jest w eksplozjach ładunków atomowych. Oddziaływanie jądrowe silne działa jednak tylko na odległościach porównywalnych z rozmiarami jądra atomowego, czyli ekstremalnie małych w porównaniu z dystansami opisywanymi w kosmologii.

Drugim fundamentalnym oddziaływaniem jest oddziaływanie jądrowe słabe. Jest miliardy razy słabsze od oddziaływania silnego i odpowiada za pewne formy rozpadów promieniotwórczych. Tryt, bardzo ciężka odmiana wodoru, jest izotopem promieniotwórczym, a w wyniku jego rozpadu powstaje jedna z odmian helu. Oddziaływanie słabe determinuje tempo tego rozpadu. Jednak podobnie jak to jest w przypadku oddziaływania silnego, oddziaływanie słabe działa tylko w obrębie jądra atomowego, co sprawia, że jest bez znaczenia, gdy prowadzimy rozważania w skali kosmologicznej.

W życiu codziennym największe znaczenie mają siły oddziaływań elektrycznych i magnetycznych, które w istocie są dwoma przejawami tego samego oddziaływania elektromagnetycznego. Odpowiada ono za wszystkie właściwości i przemiany chemiczne, umożliwia działanie wszelkich urządzeń zasilanych prądem elektrycznym, od tosterów po smartfony, wszystkich tych wynalazków, bez których dzisiaj nie wyobrażamy sobie świata. Oddziaływanie elektromagnetyczne jest fundamentem współczesnej cywilizacji. Siły oddziaływania elektromagnetycznego działają jednak tylko między ciałami obdarzonymi ładunkiem elektrycznym. Ponieważ obiekty astronomiczne, takie jak planety, są elektrycznie obojętne, nie oddziałują na siebie wzajemnie siłami oddziaływania elektromagnetycznego.

Każde dwa ciała wzajemnie przyciągają się grawitacyjnie. Grawitacja jest jednak niewyobrażalnie słaba – pewną wskazówką, jak słaba jest w porównaniu z siłami oddziaływania elektromagnetycznego, jest to, że przyciąganie wywierane przez całą Ziemię nie jest w stanie poruszyć magnesu przyczepionego do drzwi lodówki. Fizycy zazwyczaj kwitują to stwierdzeniem, że grawitacyjne przyciąganie pomiędzy jądrami dwóch atomów wodoru, którymi są protony, jest jakieś trzydzieści rzędów wielkości mniejsze od działającego między nimi odpychania elektrycznego. Projektując sprzęt elektroniczny, inżynierowie nie zawracają sobie głowy grawitacją.

Wobec tego, skoro zasięg oddziaływań jądrowych ogranicza się do jądra atomu, a ciała niebieskie są elektrycznie obojętne, o losach Wszechświata decyduje najsłabsze ze wszystkich oddziaływań w naturze.

***

Naszą obowiązującą współcześnie teorią grawitacji jest ogólna teoria względności Alberta Einsteina, która często nazywana jest najpiękniejszą teorią naukową. To prawda.

Nie wnikając w pogłębioną interpretację, ogólną teorię względności można postrzegać jako zaledwie doprecyzowanie teorii grawitacji Newtona, sformułowanej blisko czterysta lat wcześniej. Zawiera ona jedno nieśmiertelne równanie, które pokazuje, w jaki sposób siła oddziaływania między dwoma ciałami zależy od ich mas i dzielącej je odległości. Nie musimy zapisywać równania, aby zrozumieć jego znaczenie: wystarczy znać masy oddziałujących ciał i odległość między nimi, aby dokładnie wyznaczyć wartość siły grawitacyjnej, z jaką wzajemnie na siebie działają[2].

Nieco wyżej stwierdziłem, że siła w fizyce to zwyczajnie albo przyciąganie, albo odpychanie. Mówiąc precyzyjniej, siła powoduje, że ciało zmienia swoją prędkość, czyli, innymi słowy, wywołuje przyspieszenie. Jeżeli pianino przyspiesza lub zwalnia, działa na nie siła. Jeśli pianino porusza się ze stałą prędkością, nie działa na nie żadna siła.

Według Newtona, jeżeli znamy działające na ciało siły, to znamy jego przyspieszenie i w pełni możemy przewidzieć jego zachowanie w przyszłości. Wobec tego gdybyśmy znali masy i obecne położenie wszystkich gwiazd we Wszechświecie, wiedzielibyśmy już wszystko, co jest potrzebne, aby poznać przyszłość – jak i przeszłość – Wszechświata. Z tego powodu newtonowski wszechświat jest często porównywany z mechanizmem zegara. I w dużej mierze rzeczywiście tak się zachowuje.

***

W zwyczajnych warunkach teoria grawitacji Newtona działa tak dobrze, że przez dwa stulecia astronomowie wierzyli, iż ostatecznie objaśnia ona ruchy w Układzie Słonecznym. W połowie XIX wieku pojawiły się pierwsze sygnały wskazujące, że być może tak nie jest. Tak jak wszystkie planety, Merkury krąży wokół Słońca po orbicie eliptycznej. Jeżeli Merkury i Słońce byłyby jedynymi ciałami w Układzie Słonecznym, to punkt na orbicie Merkurego, w którym znajduje się on najbliżej Słońca, nazywany peryhelium, pozostawałby ustalony na zawsze w tym samym miejscu w przestrzeni. Zamiast tego astronomowie zaobserwowali, że peryhelium orbity Merkurego z czasem stopniowo zmienia swoje położenie w przestrzeni. Obliczenia wskazywały, że za większą część tego przesunięcia może odpowiadać przyciąganie grawitacyjne pochodzące od innych planet w Układzie Słonecznym, jednak drobna część uparcie pozostawała bez wyjaśnienia. Zaproponowano wiele teorii, jednak przez ponad pół wieku mechanizm odpowiedzialny za tę część przesunięcia pozostawał zagadką.

Kiedy Einstein na początku XX wieku zaczynał pracę nad ogólną teorią względności, oprócz przesunięcia peryhelium Merkurego nie znaleziono żadnych innych obserwacyjnych dowodów przemawiających za tym, że teoria grawitacji Newtona może nie wystarczać. Istniała jednak jeszcze teoria pola elektromagnetycznego autorstwa Jamesa Clerka Maxwella.

Od samego początku powinniśmy sobie uświadomić, że teoria Newtona dotyczy cząstek i sił. Na grządce w ogródku leżą sobie dwie dynie. Możemy o nich myśleć jak o dwóch cząstkach wywierających na siebie wzajemnie oddziaływanie grawitacyjne w obrębie grządki. Podobnie możemy idealizować Ziemię i Księżyc jako dwie cząstki wzajemnie oddziałujące grawitacyjnie poprzez dzielącą je przestrzeń. Ani w jednym, ani w drugim przypadku teoria Newtona nie tłumaczy, w jaki sposób siła przenoszona jest pomiędzy oddziałującymi cząstkami. Z tego powodu grawitacja newtonowska często określana jest mianem teorii działania na odległość. W czasach Newtona słowa działanie używano w odniesieniu do siły.

Równie ważne jest to, że najwyraźniej siła grawitacyjna przekazywana jest pomiędzy ciałami natychmiastowo. Gdyby Słońce nagle zniknęło, nic nie utrzymywałoby planet na ich orbitach i bez jakiejkolwiek zwłoki wszystkie momentalnie uleciałyby w przestrzeń.

***

Zamiast grządki w ogródku wyobraźmy sobie, że dynie unoszą się na powierzchni stawu. Od razu czujemy, że teraz obraz uległ zmianie. Woda w stawie składa się z ogromnej liczby cząsteczek, które są tak malutkie, że zapominamy o ich istnieniu i zamiast tego myślimy o wodzie jako o ośrodku, który w każdym punkcie ma określoną gęstość i ciśnienie. Gęstość i ciśnienie są wielkościami „hurtowymi”, nie odnoszą się do pojedynczych cząstek. Są charakterystyczne dla opisu pola. Powietrze w pokoju może być uważane za pole. Podobnie elastyczna powierzchnia trampoliny. Rój pszczół pod wieloma względami przypomina pole.

Opis odwołujący się do pola zapewnia naturalny mechanizm odpowiedzialny za przekazywanie oddziaływań. Jeżeli dynie zostaną nagle pchnięte w górę lub w dół, staną się źródłem drobnych zaburzeń, które będą rozchodzić się po stawie w postaci fal na powierzchni wody. Fale te są lokalnymi zaburzeniami i propagują ze stałą prędkością w polu, jakim jest woda. W newtonowskiej teorii grawitacji przeciwnie – konieczne jest wyobrażenie sobie, że siły rozchodzą się na ogromnych dystansach z nieskończoną prędkością.

„Sprzeciw!” Już słyszę grzeczny, aczkolwiek stanowczy protest. Przecież nie ma żadnych fal w przyciąganiu grawitacyjnym pomiędzy Ziemią i Księżycem. To prawda. Wszystkie analogie się załamują. Kiedy rozważamy stałe przyciąganie grawitacyjne pomiędzy ciałami, nie ma dużego znaczenia, czy wyobrazimy sobie siły, czy pola. Pola jednak naprawdę istnieją. Dobitnie przekonujemy się o tym, gdy rozsypujemy opiłki żelaza na kartce papieru i podkładamy pod nią magnes, co pozwala w dość bezpośredni sposób zaobserwować kształt wytwarzanego przez magnes pola magnetycznego. Generalnie opis odwołujący się do pola jest tak potężny, że zasadniczo wszystkie współczesne teorie fizyki fundamentalnej są teoriami pola. Bez odwołania się do koncepcji pola praktycznie nie jest możliwe opisanie fal elektromagnetycznych i grawitacyjnych.

Niewątpliwie gdy Maxwell zastanawiał się nad kształtem praw rządzących polami elektrycznymi i magnetycznymi, był w stanie wykazać, że pola te rozchodzą się w próżni w formie fali elektromagnetycznej z prędkością 3 × 10^8 metrów na sekundę[3]. Odkrycie to, opublikowane w 1865 roku, uważał za zdumiewające, ponieważ wynik był niemal identyczny z liczbą wyrażającą prędkość światła, którą wówczas już precyzyjnie zmierzono. Wniosek był, jak napisał, „prawie nieunikniony” i brzmiał: światło również musi być falą elektromagnetyczną, a prędkość, z jaką się rozchodzą się fale, nie jest nieskończona, lecz ma skończoną wartość 3 × 10^8 metrów na sekundę. Przewidywanie Maxwella, będące największym triumfem dziewiętnastowiecznej fizyki, zostało potwierdzone kilka dekad później, wraz z odkryciem fal radiowych.

Na początku XX wieku fizycy podejmowali próby stworzenia teorii pola, która opisywałaby grawitację, wykorzystując elektromagnetyzm Maxwella. Nikomu to się nie udało, ponieważ grawitacja nie zachowuje się tak samo jak elektromagnetyzm. Einstein pierwszy zrozumiał te różnice i pierwszy prawidłowo opisał grawitację. Chcąc zrozumieć, jak jego teoria, którą nazwał ogólną teorią względności, traktuje pole grawitacyjne, musimy najpierw zdobyć pewne wyobrażenie o teorii opracowanej przez niego wcześniej – szczególna teoria względności stanowi dobry punkt wyjścia do ogólnej teorii względności.

Co jest względne, a co nie jest?

CIĄG DALSZY DOSTĘPNY W PEŁNEJ, PŁATNEJ WERSJI

PEŁNY SPIS TREŚCI:

WSTĘP. DLACZEGO ISTNIEJE RACZEJ COŚ NIŻ NIC?

ROZDZIAŁ 1. GRAWITACJA, DYNIE I KOSMOLOGIA

ROZDZIAŁ 2. SZCZEGÓLNA TEORIA WZGLĘDNOŚCI

ROZDZIAŁ 3. OGÓLNA TEORIA WZGLĘDNOŚCI, PODSTAWA KOSMOLOGII

ROZDZIAŁ 4. ROZSZERZAJĄCY SIĘ WSZECHŚWIAT

ROZDZIAŁ 5. KAMIEŃ Z ROSETTY KOSMOLOGII: MIKROFALOWE PROMIENIOWANIE TŁA

ROZDZIAŁ 6. PIERWOTNY KOCIOŁ

ROZDZIAŁ 7. CIEMNY WSZECHŚWIAT

ROZDZIAŁ 8. CIEMNIEJSZY WSZECHŚWIAT

ROZDZIAŁ 9. GALAKTYKI ISTNIEJĄ, MY RÓWNIEŻ

ROZDZIAŁ 10. ORGANY PISZCZAŁKOWE WSZECHŚWIATA

ROZDZIAŁ 11. PIERWSZE OKAMGNIENIE: INFLACJA KOSMICZNA

ROZDZIAŁ 12. INFLACJA ALBO NIE INFLACJA

ROZDZIAŁ 13. KOLAPSY I ODBICIA

ROZDZIAŁ 14. DLACZEGO GRAWITACJA KWANTOWA?

ROZDZIAŁ 15. WIELOŚWIATY I METAFIZYKA

DALSZE LEKTURY

PODZIĘKOWANIA

[2] Dla pełnej jasności: prawo grawitacji Newtona stwierdza, że wartość siły grawitacyjnej, jaka działa między dwiema masami m_1 i m_2, można wyliczyć ze wzoru F = Gm_1m_2/r^2, gdzie r to odległość między nimi, a G jest stałą grawitacyjną, wielkością, która musi zostać zmierzona w laboratorium, aby prawidłowo określać wartość siły.

[3] Notacja wykładnicza jest niezastąpiona w fizyce i astronomii. Dla tych, którzy jej nie znają, kilka słów objaśnienia: wykładnik wskazuje, ile razy mnożymy przez siebie liczbę 10 albo ile zer występuje po 1. Wobec tego 10 można zapisać jako 10^1, 100 jako 10^2, 1000 jako 10^3. Zatem zapis 3 × 10^8 oznacza 300 000 000, co dobitnie pokazuje, dlaczego używamy notacji wykładniczej.

Spis treści

WSTĘP. DLACZEGO ISTNIEJE RACZEJ COŚ NIŻ NIC?

ROZDZIAŁ 1. GRAWITACJA, DYNIE I KOSMOLOGIA