wotson

  • Dokumenty43 353
  • Odsłony2 064 046
  • Obserwuję1 392
  • Rozmiar dokumentów64.9 GB
  • Ilość pobrań1 551 773

Stephen W. Hawking - Wszechświat w skorupce orzecha

Dodano: 3 lata temu
R E K L A M A

Informacje o dokumencie

Dodano: 3 lata temu
Rozmiar :28.6 MB
Rozszerzenie:pdf

Moje dokumenty

wotson
EBooki - alfabetycznie, wg imion
S

Stephen W. Hawking - Wszechświat w skorupce orzecha.pdf

wotson EBooki - alfabetycznie, wg imion S Stephen W. Hawking
Użytkownik wotson wgrał ten materiał 3 lata temu. Od tego czasu zobaczyło go już 400 osób, 201 z nich pobrało dokument.

Komentarze i opinie (0)

Transkrypt ( 25 z dostępnych 340 stron)

Stephen Hawking Wszechświat w skorupce orzecha Tytuł oryginału THE UNIVERSE IN A NUTSHELL ISBN 978-83-8116-149-7 Copyright © 2001 by Stephen Hawking Original illustration © 2001 by Moonrunner Design Ltd. UK and The Book Laboratory TM Inc. Copyright © for the Polish translation by the Estate of Piotr Amsterdamski, 2014 Redaktor Zofia Domańska Wydanie 2 Zysk i S-ka Wydawnictwo ul. Wielka 10, 61-774 Poznań tel. 61 853 27 51, 61 853 27 67 faks 61 852 63 26 dział handlowy, tel./faks 61 855 06 90 sklep@zysk.com.pl www.zysk.com.pl Wszelkie prawa zastrzeżone. Niniejszy plik jest objęty ochroną prawa autorskiego i zabezpieczony znakiem wodnym (watermark). Uzyskany dostęp upoważnia wyłącznie do prywatnego użytku. Rozpowszechnianie całości lub fragmentu niniejszej publikacji w jakiejkolwiek postaci bez zgody właściciela praw jest zabronione. Konwersję do wersji elektronicznej wykonano w Zysk i S-ka Wydawnictwo.

Spis treści Przedmowa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Rozdział 1. Krótka historia teorii względności. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Rozdział 2. Kształt czasu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Rozdział 3. Wszechświat w skorupce orzecha . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 Rozdział 4. Przewidywanie przyszłości . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 Rozdział 5. Ochrona przeszłości. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 Rozdział 6. Przyszłość? Czy będziemy podróżować w przestrzeni? . . . . . . . . . 248 Rozdział 7. Nowy świat bran . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274 Dodatki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314 Słowniczek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314 Proponowane lektury . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327 Lektury bardziej specjalistyczne. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327 Źródła fotografii i rysunków. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328 Indeks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329

Przedmowa © Stewart Cohen Stephen Hawking, rok 2001

Nie przypuszczałem, że moja wcześniejsza książka Krótka historia czasu odniesie taki sukces. Krótka historia czasu była przez ponad cztery lata na liście bestsellerów pisma „Sunday Times”, dłużej niż którakolwiek inna, co jest wyjątkowym sukcesem jak na niełatwą książkę popularyzującą fizykę. Potem wielu ludzi pytało mnie, czy napiszę kolejną część. Opierałem się, ponieważ nie miałem ochoty pisać Syna krótkiej historii czasu, czy też Nieco dłuższej historii czasu, a również dlatego, że byłem zajęty pracą naukową. Później jednak zdałem sobie sprawę, że mogłaby się przydać nieco inna, łatwiejsza książka. Krótka historia czasu ma strukturę liniową, kolejne rozdziały są związane logicznie z poprzednimi. To podobało się wielu czytelnikom, ale inni utknęli na początku i nigdy nie dotarli do ciekawszego materiału w dalszych rozdziałach. Niniejsza książka przypomina drzewo: pierwszy i drugi rozdział tworzą pień, od którego odgałęziają się wszystkie następne. Gałęzie te są niezależne od siebie i można je czytać w dowolnym porządku po zapoznaniu się z pierwszymi dwoma. Omawiam w nich zagadnienia, którymi zajmowałem się od opublikowania Krótkiej historii czasu, a zatem można w nich znaleźć opis niektórych spośród najbardziej aktualnych dziedzin badań naukowych. Również w ramach poszczególnych rozdziałów starałem się unikać porządku liniowego. Podobnie jak w Ilustrowanej krótkiej historii czasu, zamiast na głównym tekście, można skupić uwagę na rysunkach i podpisach, a w ramkach omawiam pewne problemy bardziej szczegółowo niż w zasadniczym tekście książki. W 1988 roku, gdy ukazało się pierwsze wydanie Krótkiej historii czasu, wydawało się, że już niewiele brakuje do odkrycia ostatecznej teorii wszystkiego. Jak zmieniła się sytuacja w ciągu ostatnich trzynastu lat? Czy zbliżyliśmy się do naszego celu? Jak to opisuję w książce, wykonaliśmy ogromny krok naprzód, ale wciąż jesteśmy w drodze i nie widzimy ostatecznego celu. Zgodnie ze starym powiedzeniem lepiej jest iść naprzód z nadzieją w sercu, niż dotrzeć na miejsce. Dążenie do dokonania odkryć podsyca ludzką twórczość we wszystkich dziedzinach, nie tylko w nauce. Gdybyśmy dotarli do końca, oznaczałoby to uwiąd ludzkiego ducha. Nie sądzę jednak, byśmy kiedykolwiek musieli się zatrzymać:

jeśli nawet przestaniemy rozwijać się w głąb, to wzrośnie nasza złożoność i tak zawsze będziemy w środku rozszerzającego się horyzontu możliwości. Chciałbym podzielić się z czytelnikami podnieceniem wywołanym dokonywanymi odkryciami i przedstawić obraz, jaki się z nich wyłania. Skoncentrowałem się tu na dziedzinach, którymi sam się zajmuję, ponieważ są mi najbliższe. Szczegóły prowadzonych prac są bardzo trudne i mają matematyczny charakter, ale sądzę, że można przekazać zasadnicze idee bez nadmiernego matematycznego bagażu. Mam nadzieję, że to mi się udało. Wiele osób pomogło mi w pracy nad tą książką. Chciałbym wymienić zwłaszcza Thomasa Hertoga i Neela Shearera, którzy pomogli mi przygotować rysunki, podpisy i ramki, Ann Harris i Kitty Ferguson, które zredagowały maszynopis (a raczej plik komputerowy, gdyż wszystko, co piszę, istnieje w wersji elektronicznej), Philipowi Dunnowi z Book Laboratory i Moonrunner Design, który wykonał ilustracje. Przede wszystkim jednak chciałbym podziękować tym, dzięki którym mogę w miarę normalnie żyć i prowadzić badania naukowe. Bez nich nie byłoby tej książki. Stephen Hawking Cambridge, 2 maja 2001 r.

Rozdział 1 Krótka historia teorii względności O tym, jak Einstein stworzył podstawy dwóch fundamentalnych teorii XX wieku: ogólnej teorii względności i teorii kwantów

Albert Einstein, twórca obu teorii względności, szczególnej i ogólnej, urodził się w 1879 roku w Ulm w Niemczech. Rok później rodzina przeprowadziła się do Monachium, gdzie jego ojciec i wuj Jakob założyli niewielkie przedsiębiorstwo elektrotechniczne, lecz nie odnieśli większych sukcesów. Albert nie był genialnym dzieckiem, ale twierdzenie, jakoby był słabym uczniem, wydaje się przesadne. W 1894 roku firma ojca została zamknięta i rodzina przeprowadziła

się do Mediolanu. Rodzice postanowili, że Albert zostanie w Monachium, by skończyć szkołę średnią. Ten jednak z trudem znosił autorytarną atmosferę panującą w liceum i po kilku miesiącach dołączył do rodziny. W 1900 roku ukończył edukację w Zurychu, gdzie studiował w cieszącej się wielkim prestiżem wyższej szkole technicznej, znanej jako ETH (Eidgenössische Technische Hochschule). Z powodu sceptycznej natury i niechęci do wszelkich autorytetów Einstein naraził się profesorom i nikt nie zaproponował mu stanowiska asystenta na uczelni, co stanowiło tradycyjny początek naukowej kariery. Dwa lata później udało mu się zdobyć posadę młodszego urzędnika w biurze patentowym w Bernie. W 1905 roku, gdy nadal pracował jako ekspert techniczny, napisał trzy prace, dzięki którym natychmiast znalazł się w gronie najlepszych uczonych świata. Prace te dały początek dwóm pojęciowym rewolucjom w fizyce i zmieniły nasze rozumienie czasu, przestrzeni i samej rzeczywistości. Pod koniec XIX wieku naukowcy wierzyli, że są już bliscy sformułowania kompletnego opisu wszechświata. Wyobrażali sobie, że przestrzeń wypełnia ciągły ośrodek, tak zwany eter, a światło i sygnały radiowe to fale rozchodzące się w eterze, podobnie jak dźwięk to fala rozchodząca się w powietrzu. Do nadania ostatecznej postaci tej teorii należało tylko przeprowadzić dokładne pomiary sprężystych właściwości eteru. Biorąc to pod uwagę, nowe Jefferson Laboratory Uniwersytetu Harvarda wykonano bez użycia żelaznych gwoździ, które mogłyby zaburzyć subtelne pomiary magnetyczne. Niestety, konstruktorzy zapomnieli, że czerwonobrązowe cegły, z których zbudowano laboratorium, podobnie jak większość budynków uniwersytetu, zawierają bardzo dużo żelaza. Obiekt jest nadal używany, choć władze Harvardu nie są pewne, jaki ciężar może unieść podłoga biblioteki wykonana bez gwoździ.

Albert Einstein™ Albert Einstein, rok 1920

Pod koniec XIX wieku ujawniły się sprzeczności między obserwacjami i ideą przenikającego wszystko eteru. Fizycy sądzili, że światło rozchodzi się w eterze ze stałą prędkością, a zatem gdy obserwator porusza się w tym samym kierunku co promień światła, powinien zmierzyć mniejszą prędkość światła niż wtedy, gdy porusza się w kierunku przeciwnym do kierunku rozchodzenia się wiązki światła (rys. 1.1). Wyniki kolejnych eksperymentów nie potwierdziły tych przewidywań. Najdokładniejsze pomiary przeprowadzili Albert Michelson i Edward Morley z Case School of Applied Science w Clevelandzie w stanie Ohio w 1887 roku, którzy porównali prędkość światła w dwóch wiązkach rozchodzących się prostopadle do siebie. Ponieważ Ziemia wiruje wokół swej osi i jednocześnie krąży wokół Słońca, aparatura pomiarowa porusza się względem eteru, przy czym wartość i kierunek prędkości stale się zmieniają (rys. 1.2). Michelson i Morley nie wykryli jednak żadnych różnic między dwiema wiązkami, które zmieniałyby się w skali dnia lub roku. Tak byłoby, gdyby światło zawsze rozchodziło się z taką samą prędkością względem obserwatora, niezależnie od tego, jak szybko i w jakim kierunku on się porusza (rys. 1.3). Rys. 1.1 TEORIA SPOCZYWAJĄCEGO ETERU Gdyby światło było falą rozchodzącą się w sprężystym ośrodku zwanym eterem, obserwator poruszający się statkiem kosmicznym powinien stwierdzić, że: (a) prędkość światła jest większa, gdy statek leci w kierunku przeciwnym niż światło, (b) prędkość światła jest mniejsza, gdy leci w tym samym kierunku.

Dwaj fizycy, Irlandczyk George FitzGerald i Holender Hendrik Lorentz, zwrócili uwagę, że wyniki doświadczenia Michelsona i Morleya można wyjaśnić, zakładając, że ciała poruszające się względem eteru kurczą się w kierunku ruchu, a poruszające się zegary chodzą wolniej. Kontrakcja ciał i spowolnienie zegarów spowodowałyby, że wszyscy obserwatorzy mierzyliby taką samą prędkość światła, niezależnie od swojej prędkości względem eteru. (FitzGerald i Lorentz nadal uważali, że eter jest rzeczywistą substancją). W pracy napisanej w czerwcu 1905 roku Einstein wskazał jednak, że jeśli nie ma sposobu na stwierdzenie, czy ktoś się porusza w przestrzeni, to pojęcie eteru jest zbędne. Einstein przyjął, że prawa fizyczne powinny być takie same dla wszystkich obserwatorów poruszających się ze stałą prędkością. W szczególności, że każdy obserwator powinien zmierzyć taką samą prędkość światła, niezależnie od własnej prędkości. Prędkość światła nie zależy od prędkości obserwatora i jest taka sama w każdym kierunku.

Rys. 1.2 Z pomiarów wynika, że prędkość światła jest taka sama w kierunku ruchu Ziemi po orbicie jak w kierunku do niego prostopadłym. To wymagało odrzucenia idei absolutnego, uniwersalnego czasu, który miałyby

odmierzać wszystkie zegary. Każdy obserwator ma swój własny czas. Dwie osoby mierzą taki sam upływ czasu, gdy pozostają w spoczynku względem siebie, natomiast gdy się poruszają, wskazania ich zegarów są różne.

Rys. 1.3 W interferometrze Michelsona-Morleya światło ze źródła pada na półprzepuszczalne lustro i jest rozdzielane na dwie wiązki. Dwie wiązki rozchodzą się w kierunkach wzajemnie prostopadłych, po czym są ponownie łączone za pomocą lustra półprzepuszczalnego. Gdyby światło rozchodziło się z inną prędkością w każdym kierunku, grzbiet fali z jednej wiązki

mógłby się spotkać z doliną fali z wiązki drugiej, co spowodowałoby całkowite wykasowanie światła. Z prawej: Schemat eksperymentu zrekonstruowany na podstawie rysunku z „Scientific American” z 1887 roku. Rys. 1.4 Jedna z wersji paradoksu bliźniąt (rys. 1.5), która została przetestowana eksperymentalnie za pomocą dwóch bardzo dokładnych zegarów umieszczonych w samolotach, które okrążyły świat w przeciwnych kierunkach. Gdy po spotkaniu porównano wskazania zegarów, ten, który leciał na wschód, wskazywał nieco krótszy odcinek czasu. Wniosek ten został sprawdzony w wielu eksperymentach. Na przykład porównano wskazania dwóch bardzo dokładnych zegarów umieszczonych w samolotach — jeden leciał dookoła świata na wschód, drugi na zachód (rys. 1.4). Z tego wynika, że jeśli ktoś chce przedłużyć swoje życie, powinien stale lecieć na wschód tak, by prędkość ruchu obrotowego Ziemi dodawała się do prędkości samolotu. W ten sposób mógłby jednak zyskać tylko ułamek sekundy, co nie zrekompensowałoby utraty zdrowia spowodowanej stałym jedzeniem posiłków serwowanych przez linie lotnicze.

Rys. 1.5 Zgodnie z teorią względności każdy obserwator mierzy swój własny czas. To może doprowadzić do tak zwanego paradoksu bliźniąt. Jeden z dwóch bliźniaków (a) wyrusza w podróż kosmiczną i leci z prędkością bliską prędkości światła (c), natomiast jego brat (b) pozostaje na Ziemi. Z powodu dużej prędkości

czas w statku kosmicznym płynie wolniej niż na Ziemi. Wobec tego po powrocie podróżnik (a2) stwierdza, że jego brat (b2) postarzał się bardziej od niego. Choć to wydaje się sprzeczne ze zdrowym rozsądkiem, wiele doświadczeń potwierdziło tezę, że bliźniak, który wyruszył w podróż kosmiczną, rzeczywiście będzie młodszy. Rys. 1.6 Statek kosmiczny mija Ziemię, lecąc z lewa na prawo z prędkością równą czterem piątym prędkości światła. Z jednego końca kabiny zostaje wyemitowany impuls światła, który następnie odbija się od przeciwległej ściany (a). Zjawisko to obserwują ludzie na Ziemi oraz na pokładzie statku. Z uwagi na ruch statku obserwatorzy na Ziemi i na statku stwierdzają, że światło pokonało inną odległość (b). Wobec tego obserwatorzy ci nie zgadzają się również co do tego, jak długo leciało światło od ściany do ściany, gdyż zgodnie z postulatem Einsteina prędkość światła jest taka sama dla

wszystkich obserwatorów poruszających się względem siebie ze stałą prędkością. Postulat Einsteina, że prawa fizyczne mają taką samą postać dla wszystkich obserwatorów poruszających się względem siebie ze stałą prędkością, jest podstawą teorii względności, ponieważ oznacza, że znaczenie ma tylko ruch względny. Jego piękno i prostota przekonały wielu uczonych, ale teoria względności miała również przeciwników. Einstein obalił dwa absoluty dziewiętnastowiecznej nauki: absolutny spoczynek — zdefiniowany względem eteru — i absolutny czas — mierzony przez wszystkie zegary. Dla wielu ludzi było to za trudne do przyjęcia. Czy z tego wynika — pytali — że w s z y s t k o jest względne, że nie ma żadnych absolutnych standardów moralnych? Takie głosy pojawiały się często w latach dwudziestych i trzydziestych. Gdy w 1921 roku Einstein otrzymał Nagrodę Nobla, przyznano mu ją za ważną, lecz — w porównaniu z teorią względności — drugorzędną pracę opublikowaną również w 1905 roku. Komitet Nagrody Nobla nie wspomniał w uzasadnieniu o teorii względności, gdyż ta wciąż była uważana za kontrowersyjną. (Dostaję dwa lub trzy listy tygodniowo, których autorzy przekonują mnie, że Einstein się mylił). Dziś teoria względności jest w pełni zaakceptowana przez naukowców, a jej przewidywania zostały zweryfikowane w niezliczonych doświadczeniach.

Rys. 1.7 Z teorii względności wynika również bardzo ważna zależność między masą i energią. Z postulatu stałości prędkości światła dla wszystkich obserwatorów wynika, że nic nie może poruszać się szybciej od światła. Gdy ktoś wykorzystuje energię, by zwiększyć prędkość ciała, na przykład cząstki lub statku kosmicznego, powoduje to wzrost jego masy, co utrudnia dalsze zwiększenie prędkości. Nadanie cząstce prędkości światła jest niemożliwe, gdyż wymagałoby nieskończonej energii. Masa i energia są równoważne, co wyraża słynny wzór Einsteina E = mc 2 (rys. 1.7). To zapewne jedyne równanie fizyczne, które zna każdy. Z równania tego wynika między innymi, że gdy jądro uranu rozpada się na dwa jądra, których całkowita masa jest nieco mniejsza od masy

jądra uranu, zostaje uwolniona ogromna energia, równoważna różnicy mas (rys. 1.8). W 1939 roku, gdy zbliżała się już następna wojna, grupa uczonych, którzy zdali sobie sprawę z implikacji rozszczepienia uranu, przekonała Einsteina, by odrzucił swoje pacyfistyczne skrupuły i podpisał się pod listem do prezydenta Roosevelta z apelem o podjęcie programu badań jądrowych. To doprowadziło do realizacji programu „Manhattan” i zrzucenia bomb na Hiroszimę i Nagasaki. Niektórzy czynią za to odpowiedzialnym Einsteina, ponieważ to on odkrył zależność między masą i energią, ale przypomina to obwinianie Newtona o spowodowanie katastrof lotniczych, ponieważ odkrył prawo powszechnego ciążenia. Sam Einstein nie brał udziału w programie „Manhattan” i był przerażony użyciem bomb atomowych.

Z PROROCZEGO LISTU EINSTEINA DO PREZYDENTA ROOSEVELTA W 1939 ROKU: „W ciągu ostatnich czterech miesięcy stało się prawdopodobne — dzięki badaniom Joliota we Francji, a także Fermiego i Szilarda w Ameryce — że uda się zainicjować reakcję łańcuchową w dużej masie uranu, a tym samym wytworzyć ogromną energię i wyprodukować nowe pierwiastki podobne do radu. Obecnie wydaje się niemal pewne, że jest to możliwe w najbliższej przyszłości. To nowe zjawisko może doprowadzić do skonstruowania bomb i łatwo sobie wyobrazić — choć jest to znacznie mniej pewne — że zostaną

skonstruowane niezwykle potężne bomby nowego typu”. Po opublikowaniu w 1905 roku przełomowych prac Einstein stał się sławnym uczonym, ale dopiero w 1909 roku otrzymał propozycję pracy na uniwersytecie w Zurychu, dzięki czemu mógł porzucić biuro patentowe. Dwa lata później przeniósł się do Pragi, ale już w 1912 roku powrócił do Zurychu, tym razem na ETH. Mimo rozpowszechnionego w Europie antysemityzmu, widocznego również w środowisku uniwersyteckim, Einstein mógł teraz przebierać w propozycjach ze strony wielu uniwersytetów. Otrzymał oferty między innymi z Wiednia i Utrechtu, ale ostatecznie postanowił przyjąć stanowisko profesora Pruskiej Akademii Nauk w Berlinie, gdyż w ten sposób mógł się uwolnić od obowiązków dydaktycznych. W kwietniu 1914 roku przeprowadził się do Berlina, a wkrótce dołączyła do niego żona z dwoma synami. Niestety, jego małżeństwo już od pewnego czasu było w stanie kryzysu i żona z dziećmi wkrótce wróciła do Zurychu. Einstein odwiedzał ich od czasu do czasu, ale niebawem nastąpił rozwód. Einstein później ożenił się ze swą kuzynką Elsą, która mieszkała w Berlinie. Wojnę spędził w Berlinie jak kawaler, bez żadnych obowiązków rodzinnych; być może dzięki temu był w tym okresie bardzo płodny naukowo.