Rzeka czasu. Czarne dziury, białe dziury i podróże w czasie [PDF]

Zitiervorschau

IGOR NOWIKOW

Rzeka czasu

PRZEDMOWA DO WYDANIA ROSYJSKIEGO

Jestem tym, kim jestem dzięki mojej babci. Rodzice nie mogli zająć się moim wychowaniem, toteż pierwsze świadome kroki w życiu uczyniłem pod jej opieką. Kiedyś babcia zdobyła dla mnie fascynującą książkę - rosyjski przekład Brer Rdbbifs Aduentwes. Z tej książki nauczyłem się czytać. Również babcia kupiła mi na bazarze moją pierwszą książkę dotyczącą nauki. Było to w bardzo ciężkich czasach, podczas drugiej wojny światowej, gdy moja rodzina została ewakuowana do Krasnokamska nad Wołgą. Ludzie myśleli przede wszystkim o jedzeniu, książki znajdowały się na dalszym planie. Ale moja babcia - a proszę wziąć pod uwagę, że nie była ona osobą wykształconą - uznała, że strawa umysłowa jest dla dzieci równie ważna jak jedzenie. Kupiła mi (a może wymieniła za coś?) cudowną książkę, której nigdy nie zapomnę. Była to Encyklopedia dla dzieci sprzed 1917 roku, ze wspaniałymi kolorowymi ilustracjami. O ile pamiętam, obrazki te były zdecydowanie wyższej jakości niż rozmazane i blade ilustracje, jakie często znajduję w niektórych wydaniach napisanych przeze mnie książek. W owej encyklopedii znalazł się również rozdział o astronomii. Gdy kartkowałem ją po raz pierwszy (jak każde dziecko po otrzymaniu nowej książki, od tego zawsze zaczynałem), zdumiałem się na widok rysunku gigantycznej fontanny ognia, obok której znajdował się niewielki ziemski glob. Później się dowiedziałem, że była to słoneczna protuberancja, a Ziemię umieszczono obok dla porównania rozmiarów. Obrazek ten wprawił mnie w absolutny zachwyt. Byłem pod wrażeniem olbrzymiej skali zjawisk naturalnych, które okazały się znacznie większe i wspanialsze niż wszystko, co podsuwała mi moja dziecięca wyobraźnia. Ta ilustracja zapowiadała moją przyszłość. Była tajemnicza, zagadkowa i urzekająca. Szybko przeczytałem cały rozdział o astronomii, a później wszystkie pozostałe. Niektóre fragmenty poświęcone historii świata były całkiem interesujące, ale nic nie mogło się równać z astronomią! Głębia kosmosu, wiry na Słońcu i możliwość życia na Marsie obudziły we mnie dociekliwość i wyobraźnię, toteż astronomia stała się moją miłością. Myślę, że źródłem tych wszystkich uczuć były owe tajemnicze zjawiska kosmiczne. Wiedziałem, że jest to uczucie, które pozostanie na całe życie. „W każdym z nas tkwi światło pierwszej miłości". Życie jest wspaniałe i różnorodne, ale może być również straszne. Mieszkałem z babcią, ponieważ ojciec, który zajmował ważne stanowisko w Ludowym Komisariacie Transportu, został aresztowany w 1937 roku i „zmarł w więzieniu" (według oficjalnego świadectwa zgonu; w „ich" języku oznaczało to „wykonano wyrok śmierci"), a mama została skazana na zesłanie. W latach pięćdziesiątych oboje oczyszczono ze wszystkich zarzutów („zrehabilitowano", jak to określano w sowieckim żargonie). Mimo tych przeżyć, nie znałem i nie znam nic wspanialszego niż dążenie do poznania tajemnic Wszechświata. Mam tu na myśli nie abstrakcyjne pragnienia, nie leniwe „filozofowanie" o istocie bytu (bardzo wcześnie zrozumiałem, że to nonsens, który często bywa przejawem umysłowego lenistwa i bierze się z samouwielbienia, pojawiającego się z powodu każdej zawiłości myślowej własnego pomysłu), ale ciężki i radosny trud. Od wczesnego dzieciństwa narastało we mnie przekonanie, że najlepszym sposobem pobudzenia umysłu do rozwoju i zwiększenia jego twórczego potencjału jest kultywowanie w sobie nienasyconego zaciekawienia tajemnicami przyrody. Prawdziwa dociekliwość pcha naprzód, skłania do poszukiwań i wysiłków, nawet jeśli ktoś nie wybierze zawodu uczonego.

W późniejszych latach przeczytałem bardzo wiele książek popularnonaukowych. Szczerze mówiąc, dawniej wydawano ich znacznie mniej niż obecnie, ale większość z nich była całkiem dobra! Szybko zrozumiałem, że jeśli chce się coś osiąg-t tU(C w nauce, trzeba bardzo wiele się nauczyć. Palił się już we mnie płomień nienasyconej ciekawości i dociekliwości, tak że nic nie mogło mnie powstrzymać. Nagrodą za lata nauki i trud pokonywania coraz poważniejszych przeszkód było nieustannie rosnące uczucie zachwytu. Dlaczego właściwie o tym mówię? Czynię to dlatego, aby na przykładzie swojego życia zilustrować dwie ważne idee. Po pierwsze, jest niezwykle istotne, aby w najlepszej wierze wpoić dziecku głód wiedzy, który w późniejszym życiu stanie się motorem jego działań. Nie ma znaczenia, czy, gdy dorośnie, zostanie zawodowym uczonym. Miłość do nauki, zrozumienie jej podstaw, podziw dla odkryć odsłaniających najgłębsze sekrety natury - są koniecznym elementem wszechstronnej, kulturalnej i estetycznej, edukacji każdego człowieka. Współcześni ludzie nie mogą żyć bez muzyki, malarstwa czy książek. Życie bez zrozumienia osiągnięć nauki, bez poznania odpowiedzi na najgłębsze pytania „jak?" i „dlaczego?" jest równie trudne do zaakceptowania. Znany radziecki fizyk teoretyk Witalij Ginzburg powiedział kiedyś, że teoria względności, jedna z najdoskonalszych współczesnych teorii fizycznych, budzi „uczucia [...] podobne do tych, jakie przeżywamy, patrząc na największe arcydzieła malarstwa, rzeźby lub architektury". Zacytuję również radzieckiego filozofa Borysa Kuzniecowa, który uważał sztukę i naukę antycznej Grecji za elementy jednoczące ludzką kulturę, pisząc: „świadczy ona [...] o ciągłości życia, o nowych wrażeniach, przeżyciach i myślach, jakie wciąż budzą Wenus z Milo i Nike z Samotraki. W taki sam sposób dostrzegamy nieśmiertelność w Dialogach Platona i Fizyce Arystotelesa". Po drugie, aby zostać fizykiem lub astronomem i naprawdę brać udział w rozwijaniu nauki, należy opanować całą już zgromadzoną wiedzę w wybranej dziedzinie. Nie ma tu miejsca na dyletantyzm. Współczesna nauka jest tak skomplikowana, a jej matematyczny aparat tak abstrakcyjny i złożony, że niewtajemniczeni po prostu nie mogą opanować złożoności całej dyscypliny. Działalność naukowa wymaga doskonałej umiejętności stosowania metod matematycznych. Konieczna jest dogłębna znajomość współczesnej matematyki i dziedzin pokrewnych. Tylko taki poziom wiedzy pozwala na dotarcie do istoty zagadnień, będących obszarem badań fizycznych i astronomicznych. Z licznych powodów nie wszyscy, którzy do tego dążą, mogą osiągnąć ten poziom. Wielu ludzi jest w stanie zrozumieć matematykę tylko na poziomie szkoły średniej. Czy to oznacza, że nie mają oni szans, by podziwiać wspaniałe osiągnięcia fizyki? Że nigdy nie poznają nauki, która przenika tajemnice najgłębszych poziomów struktury materii, a równocześnie odkrywa kwanty czasu i przestrzeni? Tak, oczywiście, nie jest. Każdemu można jasno i poprawnie przedstawić osiągnięcia fizyki, nawet nie odwołując się do matematyki. W takim przypadku jednak nie należy próbować wyjaśniać wszystkich szczegółów i trudności, które pojawiają się w obliczeniach, ani też logicznych związków, które prowadzą do ostatecznych wniosków. Należy przyjąć inną strategię: trzeba spróbować stworzyć wzorcowy obraz danego zjawiska, tak by czytelnik mógł zrozumieć, do czego dążą fizycy. Takie obrazy, dające się pojąć bez wykorzystywania matematyki, można podziwiać i oklaskiwać. Każdy musi jednak pamiętać, że jeśli nie jest zawodowym fizykiem, to nie powinien mieć złudzeń, iż po przeczytaniu popularnej książki będzie w stanie wysunąć „hipotezę", która rozwiąże trudności przedstawione w książce. Z tego nie wyniknie nic dobrego. To zupełnie co innego, niż poznanie Jej Wysokości Fizyki. Aby sformułować użyteczną hipotezę, trzeba być zawodowcem; natomiast obraz, narysowany przez zawodowego uczonego, każdy może podziwiać. Dla porównania: mogę powiedzieć, że namiętnie kocham muzykę, ale Bóg nie obdarzył mnie muzycznym talentem. Nigdy nie będę komponował ani nie spróbuję zagrać nawet prostej melodii. Lubię słuchać muzyki napisanej przez (utalentowanych) zawodowców i wykonanej przez równie utalentowanych zawodowych muzyków. Ludzie, którzy wcale nie umieją rysować i malować, doceniają malarstwo, a ci, którzy nie potrafią pisać powieści, z przyjemnością je czytają. Jestem przekonany, że tak samo wygląda sprawa z próbami wyjaśnienia nauki laikom. Celem

autora musi być stworzenie dobrego, robiącego wrażenie obrazu. W dalszych rozdziałach spróbuję opisać te osiągnięcia fizyki, które naprawdę cenię. Tematem tej książki jest czas, a raczej wysiłki uczonych, którzy próbują zrozumieć, czym jest czas. Czytelnik ma pełne prawo spytać, czy istnieje nauka o czasie? Czyż czas nie jest czymś, co każdy rozumie? Jakie badania można prowadzić na temat czasu? Proponuję, aby każdy z moich czytelników spróbował zdefiniować czas. Przypuszczam, że nikomu się to nie uda. Św. Augustyn (354-430) napisał kiedyś: „Czymże więc jest czas? Jeśli nikt mnie o to nie pyta, wiem. Jeśli pytającemu usiłuję wytłumaczyć, nie wiem".* Czyż nie jest prawdą, że każdy, kto próbuje odpowiedzieć na to pytanie, czuje się równie zagubiony? Gdy zaczynamy zastanawiać się nad czasem, na ogół przyjmujemy, że jest to pewien niepowstrzymany strumień, w którym zanurzone są wszystkie zdarzenia. Zbierane od tysiącleci ludzkie doświadczenia na pozór dowodzą, że szybkość upływu czasu nigdy się nie zmienia. Wydaje się, że czasu nie można spowolnić ani przyspieszyć. Jeszcze bardziej oczywiste jest to, że nie można odwrócić kierunku upływu czasu. Przez wiele stuleci ludzie zadowalali się intuicyjnym rozumieniem pojęcia czasu i abstrakcyjnymi rozważaniami filozoficznymi na ten temat. W pierwszych latach XX wieku stało się natomiast jasne, że można wpływać na czas! Na przykład ruch z bardzo dużą prędkością powoduje spowolnienie czasu. Następnie okazało się, że na upływ czasu wpływ wywiera również pole grawitacyjne. Fizycy odkryli nierozerwalny związek między właściwościami czasu i przestrzeni. W ten sposób narodziła się i zaczęła szybko rozwijać nauka, którą możemy określić jako fizykę czasu (i przestrzeni). W ostatnich latach w fizyce cząstek elementarnych i astronomii dokonano nowych odkryć, które ogromnie wzbogaciły naszą znajomość fascynujących właściwości czasu. Dzięki nim zbliżyliśmy się do rozwiązania różnych problemów fizyki czasu (na przykład kwestii, dlaczego łańcuch zdarzeń jest zawsze jednowymiarowy i nie ma „szerokości" lub „wysokości", znanych nam z przestrzeni trójwymiarowej, albo pytania, co istniało przed powstaniem Wszechświata, i tym podobnych). Dla obecnego etapu rozwoju fizyki charakterystyczny jest głęboki przełom w naszej wiedzy o strukturze materii. W pierwszych dziesięcioleciach XX wieku fizykom udało się poznać budowę atomów oraz najważniejsze cechy oddziaływań między cząstkami elementarnymi. Obecnie badamy własności kwarków, z których zbudowane są cząstki wchodzące w skład jąder atomowych, i wnikamy coraz głębiej w mikroskopowy świat. Dokonujący się w tej dziedzinie postęp jest ściśle związany ze zrozumieniem natury czasu. W mojej książce opisuję, w jaki sposób wcześniejsi myśliciele definiowali czas i jak dokonano odkryć, które wykazały, że możemy wpływać na bieg czasu. Piszę też o tym, jak czas płynie w pewnych szczególnych obszarach Wszechświata -jak ulega spowolnieniu w pobliżu gwiazd neutronowych, zatrzymuje się w czarnych dziurach i „przelewa" w białych dziurach oraz jak czas może „przemienić się" w przestrzeń, i odwrotnie. Właściwości czasu były szczególnie interesujące w pierwszych chwilach po Wielkim Wybuchu, w rezultacie którego powstał Wszechświat; czas istniał wtedy w postaci dyskretnych kwantów. Właściwości czasu, z jakim mamy do czynienia w fizyce bardzo wysokich energii, są ważne dla całej nauki i dla techniki przyszłości. Ostatnio ukazało się kilka publikacji, których autorzy sugerują, że można zbudować wehikuł czasu, pozwalający na podróże w przeszłość. W książce tej opisuję również ludzi, którzy stworzyli fizykę czasu, oraz tych, którzy zajmują się takimi badaniami obecnie. Zbyt często się zdarza, że wielcy myśliciele przeszłości i współcześni wybitni naukowcy są dla szerokiego ogółu tylko abstrakcyjnymi nazwiskami, które można znaleźć w podręcznikach i popularnych opracowaniach, pisanych suchym i pozbawionym emocji stylem. Nazwiska te nie kojarzą się z rzeczywistymi ludźmi, mającymi swoje zainteresowania i pasje, a także wewnętrzne rozterki. Gdy piszę o naukowej twórczości tych osób, usiłuję również odnaleźć cechy i zdarzenia, które pozwalają p dojrzeć w nich prawdziwych, żywych ludzi. Z drugiej strony, nie Jest moim celem przedstawienie szczegółowych biografii uczonych ani sporządzanie pełnego spisu ich osiągnięć. Książka ta jest przeznaczona dla czytelników zainteresowanych historią idei naukowych,

zagadkami, z jakimi boryka się współczesna nauka, i osobowościami samych uczonych, zwłaszcza tych, których miałem zaszczyt ł przyjemność poznać ł z którymi współpracowałem. Nie zakładam przy tym, że czytelnik dysponuje jakąś szczególną wiedzą, wykraczającą poza program fizyki w szkole średniej. Jak łatwo się przekonać, wybrałem tu osobisty styl wypowiedzi, zwłaszcza gdy mówię o badaniach, w których brałem udział, i spotkaniach z fizykami i astronomami. Chciałbym w związku z tym zacytować profesora Witalija Ginzburga, który tak pisał o jednym z fragmentów swej rozprawy: W literaturze naukowej nie jest przyjęte posługiwanie się zaimkami „ja" i „moje"; dotyczy to w szczególności języka rosyjskiego. To samo odnosi się w zasadzie do literatury popularnonaukowej. Z tego powodu autor mówił o sobie, posługując się zaimkami „my" i „nasze" lub innymi odpowiednimi zwrotami. Byłoby jednak rzeczą trudną i dziwną trzymać się tego stylu w niniejszym paragrafie, mającym w znacznej mierze charakter autobiograficzny [...]. Mam nadzieję zatem, że użycie pierwszej osoby liczby pojedynczej nie wywoła u czytelników reakcji negatywnej. Ja również mam nadzieję, że czytelnicy tej książki nie ocenią mnie zbyt surowo z powodu tego „nieskromnego" sposobu prezentacji własnych myśli i wrażeń.

Pracując nad tym tomem, musiałem wykorzystywać fragmenty moich wcześniejszych artykułów ł książek astrofizycznych; niektóre z nich pisałem wspólnie z innymi autorami, którym chciałbym wyrazić podziękowania. Książka ta zawiera pokaźną liczbę cytatów. Często są to mało znane wypowiedzi dawnych uczonych lub współczesnych naukowców. Jestem głęboko przekonany, że tylko własne słowa tych wybitnych osobistości mogą właściwie przekazać czytelnikom ich myśli (a często również uczucia). Wielki rosyjski poeta Aleksander Puszkin powiedział: „Siedzenie rozumowania wielkiego człowieka jest najbardziej urzekającym i wdzięcznym zajęciem" (Murzyn Piotra Wielkiego). Igor Nowikow Moskwa

PRZEDMOWA DO WYDANIA ANGIELSKIEGO

Rozpocząłem przygotowania do opublikowania tej książki ..w języku angielskim pod koniec 1991 roku; z różnych rodów zajęło mi to kilka lat. Jak powiada wschodnie przysłowie: „Godziny przechodzą, dni biegną, lata przelatują". Słowa te stanowią odbicie naszego subiektywnego sposobu postrzegania odcinków czasu w przeszłości, tak jak pozostały one : w naszej pamięci. Ludzie na ogół przeżywają tym ściślej przemijanie czasu, im większe okresy swego życia obejmują myślą. Teraz czuję wyraźnie, jakbym zaledwie wczoraj napisał tę książkę, choć w rzeczywistości minęło już kilka lat, a w tym czasie wiele się zdarzyło i nastąpiły wielkie zmiany. Zmieniłem pracę - zostałem profesorem astrofizyki Uniwersytetu Kopenhaskiego. Mój rodzinny kraj, dawny ZSRR, niegdyś wielkie imperium, rozpadł się na wiele państw i obecnie usiłuje wydobyć się z historycznej przepaści, w jakiej się znalazł, a towarzyszą temu ogromne cierpienia jego mieszkańców. Mimo że w dalszym ciągu kieruję Wydziałem Astrofizyki Teoretycznej Instytutu Fizyki im. P. Lebiediewa w Moskwie, mieszkam teraz na stałe poza granicami ojczyzny, w zupełnie innym świecie. To niewątpliwie zmieniło mój pogląd na życie, choć w znacznie mniejszym stopniu, niż przewidywałem. Dotyczy to również mego stosunku do tej książki. Wspomnienia z dzieciństwa, które umieściłem w przedmowie do wydania rosyjskiego, będą zapewne bardziej zrozumiałe dla czytelników z Europy Zachodniej, jeśli dodam kilka słów

komentarza. Chciałbym też powiedzieć, że są one raczej typowe dla przedstawicieli mojego pokolenia. Wspomniałem, że ojciec padł ofiarą stalinowskiego reżymu, gdy miałem dwa lata. W ogóle go nie pamiętam. Matka, aresztowana i skazana na zesłanie, ostatecznie wróciła z Gułagu, ale nie wolno jej było zamieszkać w Moskwie. Odwiedzała czasem potajemnie mojego starszego brata i mnie w naszej maleńkiej „komunałce" -trzypokojowym mieszkaniu zajmowanym przez mego ojczyma, babcię, żonę brata i rodzinę ciotki (liczącą cztery osoby; wśród nich był kuzyn chory na gruźlicę). Matka była przerażona całkowicie niezrozumiałym i bezsensownym terrorem stalinowskiego systemu. W latach trzydziestych ta młoda, piękna kobieta została wyrwana z normalnego życia i wtrącona do piekła więzień i obozów Gułagu. W późniejszych latach na próżno usiłowała to zrozumieć. Wciąż zadawała sobie pytania: „Za co? Cóż takiego zrobiłam?". Stale miała w pamięci scenę, kiedy został aresztowany jej pierwszy mąż i ona sama. Była tak przerażona, że w nocy wystarczał niewielki hałas lub stuknięcie do drzwi, by chowała się pod łóżkiem, niemal niedosłyszalnie, histerycznie zawodząc: „Przyszli, przyszli po mnie!" Mój brat i ja nosiliśmy niewidzialne piętno dzieci „wrogów ludu". Ci, którym nigdy nie przylepiono tej sekretnej, rujnującej życie, niczym nie zasłużonej etykiety, oznaczającej wyjęcie spod prawa i wykluczenie ze społeczeństwa, nigdy nie zrozumieją, jakim była obciążeniem. Muszę podkreślić, że nikt z rodziny nigdy nie przejawiał nienawiści do istniejącego systemu politycznego ani nawet nie pozwalał sobie na krytyczne uwagi, w każdym razie nie w obecności dzieci. Zapewne dorośli męczyli się tak bardzo, że chcieli uchronić dzieci przed tą rzeczywistością. Myślę teraz, że po prostu nie potrafiłem sobie wyobrazić, iż można żyć inaczej, w innych warunkach, a zatem zbytnio nie cierpiałem. Nawet naszą biedę uważałem za coś naturalnego. Po śmierci ojczyma zostałem z mamą sam. Nasz miesięczny budżet wynosił około 600 rubli, podczas gdy posiłek w studenckiej stołówce

kosztował od 8 do 10 rubli. Mój brat, który już pracował, pomagał nam w miarę możliwości. Nie były one wielkie: brat musiał

lać swoją rodzinę z pensji inżyniera, która była bardzo skromna. | Wszyscy moi bliscy bez wyjątku podsycali we mnie dziecin-; pasję poznania tajemnic Wszechświata. Uciekałem do inne-i świata, odległego od wszystkich tragedii mojego kraju (a za-nie byłem ich właściwie świadomy), do świata czystych prawd, wolnych od sprzeczności naszej codziennej egzystencji, i zakochałem się w logice związków między owymi czystymi prawdami. Była to zapewne ślepa miłość, ponieważ od najwcześniejszych chwil, jakie pozostały w mojej pamięci, żywiłem absolutne przekonanie, że najważniejsze i najbardziej ukochane przeze mnie prawa dotyczące przestrzeni, czasu i Wszechświata zostały nareszcie (lecz dopiero niedawno!) zrozumiane 11 ustanowione jako ostateczne. Nie dostrzegałem (ani nawet nie próbowałem dostrzec) tkwiącej w tym oczywistej sprzeczności: moje nastawienie oznaczało, że w liczącej tysiące lat historii nauki moment odkrycia najważniejszych prawd o świecie nastąpił niemal dokładnie w dniu moich narodzin. Odkąd zostałem uczonym, muszę zwalczać w sobie tę bardzo szkodliwą i jałową wiarę, że znam - lub potrafię odkryć - ostateczną prawdę. Taka wiara jest niebezpieczna, nie tylko w nauce, ale również w życiu. Tak wyglądały uwarunkowania psychiczne, w których kształtowała się moja miłość Wiedzy, którą utożsamiałem wówczas z umiłowaniem rzeczy Wzniosłych, Tajemniczych (zwłaszcza Tajemniczych) i Wiecznych. Astronomia jako nauka rozwijała się w moim kraju w surowej, drakońskiej rzeczywistości, stworzonej przez Stalina i grono jego oprawców. Oficjalnie cała nauka dzieliła się na dwie kategorie; były to: „postępowa, jedynie prawdziwa nasza nauka marksistowska" oraz „zdegenerowana, stojąca na krawędzi bankructwa ich kapitalistyczna nauka". Brzmi to dziś w Rosji, podobnie jak zawsze brzmiało na Zachodzie, jak kiepski dowcip. Ówczesna rzeczywistość nie miała jednak nic wspólnego z żartami i narzucała nauce swoje reguły. Teoria rozszerzającego się Wszechświata była zakazana. Mój późniejszy profesor i promotor, Abram Leonidowicz Zelmanow, został

zwolniony z pracy, ponieważ był Żydem i zajmował się kosmologią. Był on jednym z twórców matematycznego aparatu, używanego współcześnie w tej dziedzinie wiedzy. Wraz z nim z Instytutu Astronomicznego im. Szternberga w Moskwie wyrzucono innych uczonych. Doskonale pamiętam, jak w młodości niecierpliwie przerzucałem nowy numer pisma „Refieratiwnyj Żurnał", zawierającego streszczenia prac z kosmologii, które ukazały się w zagranicznych periodykach, ze zdumieniem stwierdzając, że streszczenie każdego artykułu kończy się stereotypowym zwrotem: „Autor głosi (lub autorzy głoszą) burżuazyjną teorię rozszerzającego się Wszechświata". W owych czasach uczeni w naszym kraju musieli myśleć przede wszystkim o przeżyciu, równocześnie zajmując się swoimi badaniami. To zapewne cud, że w takiej atmosferze kosmologia nie uległa degeneracji; przeciwnie, uzyskano wtedy wiele bardzo ważnych wyników. Coraz bardziej skłonny jestem uznać, że „podwójne jarzmo" na barkach naszych uczonych w pewien sposób działało stymulujące na poszukiwania nowych prawd, zmuszając naukowców do pracy z czterokrotnie większym wysiłkiem, co przyniosło odpowiednie rezultaty. Przykładem, wstępnie potwierdzającym możliwość takiej reakcji na nieszczęścia, może być współczesny geniusz astronomii i fizyki, Stephen Hawking z Uniwersytetu w Cambridge. Hawking zapadł na przerażającą chorobę, która zmusiła go do korzystania z wózka inwalidzkiego. Z biegiem czasu w coraz mniejszym stopniu mógł kontrolować własne mięśnie, aż wreszcie stracił również mowę. W tym samym czasie jego inteligencja i poczucie humoru rosły. Jak wyraził to jeden z moich kolegów, Hawking został przeniesiony w inny wymiar życia i tam właśnie osiągnął nadzwyczajne wyniki naukowe. Uważam się za eksperta między innymi w dziedzinie fizyki czasu. Wobec tego w książce o czasie nie mogę pominąć pewnych moich doświadczeń, które przeżyłem „płynąc" w rzece czasu -jej nurt unosił

mnie przez wiry XX wieku. Każdy, kto dostatecznie dużo rozmyślał o sensie „istnienia", wcześniej lub później zaczyna wątpić w możliwość „wspięcia się na brzegi rzeki czasu", wyrwania się z jej majestatycznego nurtu, zatrzymania się i przyjrzenia -jeśli tak rzec można - samej istocie tego, co się zdarza. Dążenie takie nie wydaje się tak dziwne, jeśli weźmiemy pod uwagę, że możemy wszak przestać podróżować w przestrzeni i „przejść w stan spoczynku". Dlaczego zatem nie możemy zrobić tego samego w czasie? A może nie jest to wykluczone? Wybiegam tu jednak naprzód. O zagadnieniach tych będzie mowa w dalszej części książki. Przygotowując wydanie angielskie, wprowadziłem do tekstu poważne zmiany. Pewne fragmenty, które sprawiały, że moje wywody wydawały się niejasne, zostały skreślone. Z drugiej strony, dodałem nowy materiał, głównie związany z analizą możliwości skonstruowania wehikułu czasu, a także dotyczący moich dyskusji z kolegami w Rosji i na Zachodzie. Kończąc te wywody, chciałbym nieco rozwinąć użyte w poprzedzającej je przedmowie do wydania rosyjskiego porównanie sztuki i popularyzacji nauki. Można wprowadzić dość prymitywny podział obrazów na realistyczne i abstrakcyjne. Oba rodzaje malarstwa wywołują u widza pewne myśli i uczucia (w przypadku wielkich dzieł te myśli i uczucia bywają bardzo głębokie). Sztuka abstrakcyjna wymaga jednak, aby widz wziął udział w procesie tworzenia obrazu, by przemyślał i przeżył to, co przedstawił artysta. Dzieła realistyczne wzbudzają zupełnie inne skojarzenia, wywołane przez obrazy całkowicie zrozumiałe, którym artysta nadał cechę doskonałości. Wierzę, że opowieść o nauce (a w każdym razie moja opowieść) jest bliższa malarstwu realistycznemu niż abstrakcyjnemu. Nie wykluczam, że można pisać o nauce w stylu będącym odpowiednikiem malarstwa abstrakcyjnego, skłaniając czytelnika, który nie jest ekspertem w danej dziedzinie, aby samodzielnie wyciągał wnioski. Wtedy jednak fantazje i marzenia laika odwiodłyby go zbyt daleko od właściwej drogi. To może być interesujące, a nawet pożądane (niewykluczone, że kiedyś sam spróbuję napisać taką książkę), ale z pewnością nie prowadzi do przedstawienia odbiorcy obecnego stanu nauki. Nauka nie przypomina sennego marzenia, lecz jest konkretną wiedzą na temat rzeczywistości, często wiedzą potrzebną, praktyczną. Nie zapominam jednak o tym, że bez marzeń nie można dokonać ważnych odkryć naukowych. I wreszcie rzecz ostatnia, lecz nie najmniej ważna: w latach, gdy przygotowywałem angielskie wydanie tej książki, pełniłem obowiązki profesora obserwatorium astronomicznego Uniwersytetu Kopenhaskiego i jednocześnie pracowałem jako dyrektor Centrum Astrofizyki Teoretycznej Duńskiej Krajowej Fundacji Badawczej. Obie instytucje wspierały moją pracę finansowo i zachęcały do dalszego trudu, za co jestem im bardzo wdzięczny. Igor Nowikow Kopenhaga, 1997

ROZDZIAŁ

l

POCZĄTKI ROZWAŻAŃ O CZASIE

Od kiedy zacząłem czytać popularne książki o fizyce, zawsze uważałem za rzecz oczywistą, że czas jest równoznaczny z pustym trwaniem, że płynie niczym rzeka i unosi wszystkie bez wyjątku zdarzenia. Rzeka czasu jest niezmienna i nie można jej zatrzymać. Płynie zawsze w tym samym kierunku - od przeszłości ku przyszłości. Wydawało mi się, że biorąc pod uwagę naszą wiedzę o otaczającym nas świecie, musimy nieuchronnie przyjąć taki właśnie pogląd. Dopiero wiele lat później dowiedziałem się, że ludzie bynajmniej nie zawsze wierzyli w takie intuicyjne pojęcie czasu. Pierwszym antycznym myślicielem, który wysunął hipotezę, że wszystko się zmienia i zmienność jest najwyższym prawem natury, był prawdopodobnie Heraklit z Efezu, grecki filozof z VI wieku p.n.e. Heraklit wyłożył swoje poglądy w dziele O naturze, z którego ocalały tylko nieliczne fragmenty (Fragmenty kosmiczne). Heraklit nauczał, że świat jest pełen sprzeczności i ciągle się zmienia. Wszystkie rzeczy ulegają zmianom. Czas nieubłaganie płynie i jego strumień unosi wszystko, co istnieje. Niebo się porusza, poruszają się ciała fizyczne, a także ludzkie uczucia i świadomość. „Niepodobna wstąpić dwukrotnie do tej samej rzeki - twierdził Heraklit - bo już inne napłynęły w nią wody".

Jedne rzeczy ustępują miejsca innym. „Ogień żyje dzięki śmierci ziemi, powietrze żyje dzięki śmierci ognia, woda żyje dzięki śmierci powietrza, ziemia żyje dzięki śmierci wody". Z punktu widzenia współczesnej nauki często odnosimy się z lekceważeniem i ironią do opisanego przez Heraklita ciągu narodzin i śmierci. Należy jednak przyznać, że przedstawił on sugestywny obraz ogólnej zmienności wszystkich rzeczy w czasie: „[...] wszystko się zmienia w obejmującym wszystko obiegu twórczej gry wieczności". W tamtych odległych wiekach nauka dopiero się rodziła. Myśliciele nie znali wówczas jeszcze koncepcji ukierunkowanego, postępowego rozwoju. Ludzie zwracali uwagę raczej na cykliczny przebieg zjawisk w otaczającej ich naturze. Po dniu następuje noc, a po nocy dzień. Kolejne pory roku powtarzają się w stałym cyklu. Ruch źródeł światła na niebie również ma charakter cykliczny. Z powodu stałych obserwacji cyklicznych zjawisk filozofowie przyrody nie postrzegali czasu jako jednokierunkowego przepływu zdarzeń - rzeki czasu. Czas wyobrażano sobie raczej jako cykliczną zmianę przeciwieństw. Grecki matematyk i filozof Anaksymander z Miletu (ok. 610-547 p.n.e.) nauczał, że podstawą wszystkiego, co istnieje, jest „bezkres". Jego wieczny ruch powoduje wyłanianie się przeciwieństw - ciepła i zimna, suchości i wilgoci - po czym wszystko powraca do stanu pierwotnego. Anaksymander stwierdzał: Z czego powstało to, co istnieje, w to samo się też obraca przez zniszczenie według koniecznego prawa. Jedno drugiemu płaci karą i pokutą za niesprawiedliwość w porządku czasu.* Uważam, że jest to bardzo oryginalna interpretacja czasu i zmienności. Anaksymander wiąże te pojęcia z pojęciami sprawiedliwości i równowagi. Przez wiele wieków idea przejściowych, cyklicznych zmian i niezmienności całego istniejącego świata dominowała w koncepcjach myślicieli. Ludzie wierzyli, że wszystkie zjawiska zmieniają się cyklicznie, wracając do swych „właściwych orbit". Interesujące i głębokie koncepcje dotyczące czasu przedstawił Platon, słynny grecki filozof idealistyczny (427-347 p.n.e.). Był on uczniem Sokratesa - „najmądrzejszego z Hellenów" -oraz potomkiem bardzo bogatej, starej rodziny ateńskiej, wywodzącej się od ostatniego króla Aten. Bardzo niewiele wiemy o życiu Platona i innych filozofów owych czasów. Wiarygodne fakty są przemieszane z legendami i niewątpliwie apokryficznymi anegdotami. Wiadomo, że Platon pobierał nauki u naj-

lepszych nauczycieli, co oznacza, że uczył się gramatyki i muzyki oraz uprawiał ćwiczenia fizyczne. Później zajmował się poezją. W 407 roku p.n.e., w wieku dwudziestu lat, Platon poznał Sokratesa i poświęcił się całkowicie filozofii. Sokrates nauczał, prowadząc swobodne dyskusje ze wszystkimi, którzy byli gotowi go słuchać. Władcy miasta zakazali takich rozmów z młodzieżą, ale filozof był wierny swoim zasadom i zignorował to polecenie. Jego dysputy z uczniami zakończyły się tragicznie: został oskarżony o bezbożnictwo i psucie młodzieży i skazany na śmierć. Przyjaciele proponowali, że pomogą mu uciec z więzienia przed wykonaniem wyroku, a uczniowie (w tym również Platon) zebrali pieniądze na kaucję. Sokrates wybrał jednak rozwiązanie, które podsuwała mu duma: odmówił ucieczki z więzienia i wypił kielich trucizny. Po śmierci nauczyciela Platon przeniósł się do Megary i nadal studiował filozofię. Wiele podróżował, próbując namówić władców, by stworzyli „idealne państwo", rządzone przez filozofów. Próby te zakończyły się całkowitym niepowodzeniem. Według niektórych (niepewnych) źródeł, Platon został sprzedany w niewolę, ale uwolnił się i wrócił do Grecji. Po powrocie do Aten w 386 roku p.n.e. założył tam szkołę filozofii, którą nazwał Akademią. Platon nauczał, że świat, który ludzie obserwują i badają, nie jest prawdziwym światem, a tylko jego zewnętrznym przejawem. Zarówno ciała niebieskie, jak i ciała ziemskie są tylko „bladymi cieniami" pewnych idealnych obiektów, z których zbudowany jest prawdziwy świat. Jak pisał: „Cienie te są

zmienne i niedoskonałe". Platon twierdził, że prawdziwy świat składa się z abstrakcyjnych esencji, które nazywał ideami. Idee, wielkości duchowe, są absolutnie doskonałe i niezmienne. Istnieją nie w materialnym Wszechświecie, nie w czasie i przestrzeni, ale w idealnym świecie, doskonałym i wiecznym. Platon uważał, że prawdziwe istnienie to istnienie idealne. W prawdziwym świecie na przykład nie ma konkretnych przedmiotów, powiedzmy: drewnianego stołu o określonym kolorze i kształcie, ale abstrakcyjne pojęcie stołu. Owo pojęcie to właśnie „idea stołu". Rzecz jasna, idee nie mogą się zmieniać. Wieczna niezmienność idei przypomina cechy figur geometrycznych: trójkątów, okręgów, piramid. Ich właściwości również są absolutne, a obiekty geometryczne istnieją w abstrakcyjnym świecie ludzkiego umysłu. Platon twierdził jednak, że ten abstrakcyjny świat stanowi prawdziwą rzeczywistość. Według Platona Stwórca (Demiurg) utworzył widzialny świat, kopiując obiekty idealne. Każde ciało przypomina swój oryginał, ale podlega zmianom, ma początek i koniec. Z tego powodu „blade cienie" nie są wierną repliką ideałów. Ideały są wieczne, podczas gdy widziany przez nas świat nieustannie się zmienia. Aby uporządkować rzeczy i załagodzić sprzeczności, Demiurg wynalazł czas: „[...] utworzył wieczny obraz bytu wiecznego, nieruchomego, jedynego, i sprawił, że postępuje on | według praw matematycznych - nazywamy go Czasem".* Wobec tego, analogicznie do ciał w otaczającym nas świecie, które widzimy i możemy dotknąć, a które są tylko niedoskonałymi kopiami doskonałych oryginałów w świecie idei, czas jest tylko niedoskonałym modelem, obrazem idealnej wieczności. Czas nieustannie płynie i w ten sposób naśladuje niezmienną doskonałość abstrakcyjnej wieczności w abstrakcyjnym świecie idei. Brzmi to bardzo pięknie. Platon wymyślił nawet mechanizm, tłumaczący, w jaki sposób czas powstał w świecie stworzonym przez bogów. Czas - twierdził - narodził się pod wpływem ruchu ciał niebieskich, ciągłego i niezmiennego, cyklicznego ruchu Słońca, Księżyca i planet, które obserwujemy. W istocie Platon utożsamił czas z ruchem cyklicznym. Ponieważ ciała niebieskie poruszają się cyklicznie, również l czas miał charakter cykliczny, biegł po okręgu. Według Platona po odpowiednio długim czasie powtarzają się wszystkie | zdarzenia (Platon nawet określił ów czas - miał on wynosić 36 tysięcy lat). Od czasów antycznych dzieli nas już tyle stuleci, że często bardzo trudno jest uświadomić sobie poziom ówczesnej wiedzy

l zrozumieć sposoby rozumowania typowe dla tamtej kultury. Często okazuje się prawie niemożliwe właściwe ocenienie naukowego geniuszu antycznego myśliciela, który zrobił pierwsze śmiałe kroki na nieskończenie długiej drodze, wiodącej do odkrycia prawdy. Z tego samego powodu, a również wskutek braku godnych zaufania źródeł, jeszcze trudniej jest zrekonstruować skomplikowane, bogate osobowości filozofów oraz ich niebanalne życiorysy. W owym czasie nauka nie była jeszcze podzielona na różne dziedziny i nie można jej było odróżnić od mających uniwersa-listyczne ambicje filozofii, psychologii i etyki. Wiedza, uczucia, pozycja społeczna i poglądy etyczne często splatały się i wpływały na siebie wzajemnie. Platon nadawał swoim dziełom postać dialogów; najprawdopodobniej nie stanowiły one systematycznego wykładu jego poglądów, zgodnego z przyjętym z góry planem. Dialogi powstawały w różnych okresach życia Platona i przynajmniej niektóre z nich zostały napisane pod wpływem debat z sofistami (głoszącymi intelektualną anarchię) lub innymi przeciwnikami, a także jako reakcja na rozmaite problemy, z którymi Platon miał okazję się zetknąć. Główną rolę w dialogach odgrywa zawsze Sokrates. Poglądy Platona zmieniały się z upływem czasu. Gdy był jeszcze uczniem Sokratesa, wierzył, że celem życia filozofa jest poznanie abstrakcyjnych prawd za pomocą czystej refleksji. Poznanie prawdy prowadzi do szczęścia i jest niezależne od okoliczności zewnętrznych. W ślad za Sokratesem Platon uważał, że zło w świecie jest skutkiem ludzkiej niewiedzy, bierze się stąd, iż ludzie nie znają prawdy. Skazanie na śmierć w oczywisty sposób niewinnego Sokratesa stanowiło dla Platona wielki wstrząs i

spowodowało zmianę jego poglądów. Doszedł on do wniosku, że świat do tego stopnia przepełniony złem nie może być prawdziwy. Prawdziwy świat to królestwo doskonałych idei. W tym okresie Platon bardzo sceptycznie oceniał tezę, że zadaniem filozofa jest nauczać ludzi, czym jest dobro. Uznał, że ludzie są niepoprawni. W jednym z dialogów Platon przedstawił portret głównego oskarżyciela Sokratesa. Ów negatywny bohater dialogu twierdził, że prawdzinauczycielami dobra są wyłącznie urzędnicy państwowi, , tak zwani mędrcy to tylko złośliwi sabotażyści, podkopujący ddamenty państwa. W dialogu tym Sokrates pyta oskarżycie-czy zna któregoś z tych mędrców, tamten zaś odpowiada, że t, nigdy żadnego nie poznał i wcale tego nie pragnie. Mimo to się im wyrządzić jak największą krzywdę... W późniejszym okresie życia Platon przedstawił w swych piach model idealnego państwa, rządzonego przez filozofów, liało się ono opierać na systemie niewolniczym i prowadzić Djny; Grecy zostali postawieni ponad innymi ludźmi (barba-Icami). Platon próbował zmienić strukturę społeczeństwa, vając na władców, ale, jak już wspomniałem, próby te za-Iczyły się kompletnym fiaskiem. W swoim późnym dziele, zatytułowanym Prawa, które naj-Jprawdopodobniej napisał pod koniec życia, Platon zdradził cał-1 kowłcie swoje młodzieńcze dążenie do prawdy i sprawiedliwo-lici. Jest to jego jedyna praca, w której wyidealizowany Sokrates nie odgrywa głównej roli; Platon nawet o nim nie Wspomina. Duch Praw jest całkowicie sprzeczny z zasadami Sokratesa. Kodeks praw, który przygotował Platon dla swego przyszłego idealnego państwa na Krecie, przewidywał prześladowanie „magików", karę śmierci dla niewolnika, który nie doniósłby władzom o „naruszeniu harmonii społecznej", a także dla każdego, kto ośmieliłby się krytykować społeczny porządek i urzędową religię. W ten sposób pod koniec życia Platon przeszedł na stanowisko oskarżycieli Sokratesa, których przedtem atakował. Platon był jednym z największych myślicieli w historii. Późniejsze pokolenia często idealizowały obraz tego wielkiego człowieka. A przecież nawet wielcy ludzie nie zawsze zachowują pełną spójność swych poglądów. Najczęściej ich wizja świata jest złożona i wewnętrznie sprzeczna, zmieniając się zależnie od okoliczności zewnętrznych. Wielcy ludzie są po prostu ludźmi. Znany niemiecki filolog klasyczny i znawca Platona D. F. Ast (1778-1841), mając jak najszlachetniejsze intencje, usiłował za wszelką cenę wykazać, że Prawa są niesłusznie przypisywane Platonowi. Niestety, najprawdopodob-

niej jest to jego dzieło. Świadczą o tym słowa Arystotelesa ze Stagiry (384-322 p,n.e.), najsłynniejszego ucznia Platona. Sprzeczności w dziele Platona, jego skomplikowane życie, jawnie reakcyjny charakter niektórych wypowiedzi nie mogą przesłonić faktu, że wniósł on ogromny wkład w rozwój nauki i filozofii. Wróćmy do problemu czasu. Arystoteles, który był jednym z największych uczonych antycznej Grecji, miał taki sam pogląd na naturę czasu jak jego nauczyciel. Wywodził się ze znanej rodziny; jego ojciec, nadworny lekarz króla Macedonii, uczył syna medycyny i filozofii, w nadziei że ten odziedziczy po nim stanowisko. Życie wymusiło radykalną zmianę tych planów. Arystoteles stracił rodziców w stosunkowo młodym wieku i mając osiemnaście lat wyjechał do Aten, gdzie podjął studia w Akademii Platona. Bardzo szybko opanował filozofię mistrza i uniezależnił się od niego. W swoich poglądach poważnie różnił się od Platona. Po jego śmierci Arystoteles wyjechał z Aten. W 343 roku p.n.e. macedoński król Filip powierzył mu pieczę nad edukacją swojego syna Aleksandra, w przyszłości słynnego wodza Aleksandra Wielkiego. Uszlachetniający wpływ Arystotelesa na Aleksandra musiał być silny, mimo że w królewskim pałacu panowała atmosfera spisków i intryg. Filip i Aleksander byli bardzo wdzięczni Arystotelesowi i hojnie wynagrodzili jego usługi, między innym odbudowując z ruin Sta-girę, jego rodzinne miasto. Później, wskutek różnych spisków, przyjacielskie stosunki między Aleksandrem i Arystotelesem uległy pogorszeniu. Zanim do tego doszło, w 334 roku p.n.e. Arystoteles wrócił do Aten i założył tam własną szkołę,

Likejon, zwaną szkołą perypatetycką. Nazwa ta wzięła się ze zwyczaju Arystotelesa, który lubił spacerować podczas dyskusji. Po śmierci Aleksandra zwolennicy niezależności Grecji wystąpili przeciw macedońskim władcom. Uznali oni, iż dawny nauczyciel Aleksandra może wywierać niebezpieczny wpływ, zwłaszcza że Arystoteles cieszył się wielkim poważaniem wśród swoich młodych uczniów. Wobec tego został oskarżony o bezbożność; ten sposób wykorzystywali wrogowie uczonych za-

równo wcześniej, jak i wiele wieków później. Jest on bardzo wygodny, ponieważ takie oskarżenia łatwo akceptuje niewykształcony ogół. Arystoteles zdawał sobie sprawę, że nie ma co liczyć na sprawiedliwy proces i że jeśli nie zdecyduje się na ucieczkę, podzieli los Sokratesa. Opuścił Ateny w wieku 62 lat i wkrótce potem zmarł. Z uwag, jakie pozostawili jego współcześni, wynika, że Arystoteles miał sarkastyczne poczucie humoru i ostry język. W swoich dowcipnych przemówieniach bezwzględnie i złośliwie wyśmiewał przeciwników. Jeśli dodamy do tego, że był niski, pomarszczony i krótkowzroczny, a w dodatku seplenił, to możemy łatwo sobie wyobrazić, iż nie brakowało mu wrogów. Wydaje się, że Arystotelesa nie cechowała delikatność w po-; -letnikach ł że nie rezygnował z wykazywania potęgi swojej inteligencji. Nie wiemy, czy zachowywał się tak celowo, czy nieświadomie. Nawiasem mówiąc, wiele stuleci później inny geniusz, sir Izaak Newton, już we względnie młodym wieku 27 lat sformułował zasadę, iż zbyteczne popisywanie się własną wyższą inteligencją może tylko zaszkodzić podejmowanemu przedsięwzięciu. W liście do znajomego w Cambridge stwierdził, że sprawiając wrażenie, iż jest się mądrzejszym od Innych, można zyskać bardzo niewiele lub zgoła nic. Takie różnice w sposobie zachowania w społeczeństwie nie były zapewne spowodowane upływem prawie dwóch tysięcy lat, lecz wynikały z odmiennych temperamentów. Ludzie genialni, podobnie Jak normalni, bardzo się między sobą różnią. Arystoteles wywarł ogromny wpływ na rozwój filozofii i nauki. W jego pismach znalazł odbicie cały ówczesny stan wiedzy, a sam Arystoteles wniósł poważny wkład do wielu dziedzin. W odróżnieniu od Platona odrzucił on koncepcję niematerialnego, niezależnego od czasu świata idei. Wierzył, że świat przedmiotów, które możemy zobaczyć i dotknąć, jest jak najbardziej rzeczywisty. Fizyka była dla niego nauką o zmiennych obiektach istniejących w rzeczywistym świecie. To odróżnia fizykę od matematyki, która zajmuje się niezmiennymi własnościami figur geometrycznych i liczb. Mimo to fizyka pozostała dla Arystotelesa nauką kontemplacyjną.

Według Arystotelesa podstawowe własności materii tworzą przeciwieństwa - takie jak ciepłe i zimne, suche i wilgotne. Podstawowe elementy to ziemia, powietrze, woda i ogień. Do tych czterech Arystoteles dodał jeszcze piąty, najdoskonalszy: eter. Uważał on, że dwa pierwiastki, ziemia i woda, w naturalny sposób poruszają się w dół, ku środkowi wszechświata (co wyjaśniało problem ciężaru). Dziś powiedzielibyśmy, że na te dwa pierwiastki działa siła skierowana w dół. Natomiast powietrze i ogień ze swej natury dążą w górę (w naszym języku: działa na nie siła skierowana w górę). Interesujące, że ten podział zawartości wszechświata na „fizyczną materię" i „oddziaływania" przetrwał w fizyce do dnia dzisiejszego, choć obecnie pojęcia te oznaczają zupełnie inne rzeczy. Arystoteles nauczał, że Ziemia ma postać pozostającej w stanie spoczynku kuli, umieszczonej w środku wszechświata. Uważał, że Słońce, Księżyc i pozostałe planety są przymocowane do kryształowych sfer i krążą wokół Ziemi po współśrod-kowych okręgach. Źródłem siły napędzającej sfery miał być ruch sfery zewnętrznej, obejmującej gwiazdy zbudowane z eteru. Obszar wewnątrz orbity Księżyca („podksiężycowy") to region, w którym występują rozmaite ruchy niejednostajne. Wszystko poza orbitą Księżyca (obszar „nadksiężycowy") to królestwo wiecznego, doskonałego ruchu jednostajnego. W przeciwieństwie do Platona Arystoteles zakładał, że ruch, nawet najdoskonalszy ruch sfery gwiazd, nie jest tożsamy z czasem. Wierzył, że czas umożliwia mierzenie ruchu, to znaczy „jest liczbą

ruchu" - czymś, co pozwala nam rozstrzygnąć, czy ciało porusza się szybko lub wolno, czy też spoczywa. Niemniej to nie sam ruch, czyli pewien proces dynamiczny, najbardziej interesował Arystotelesa w fizyce, ale stan, w jakim znajdowało się ciało wcześniej i później, zanim nastąpił ruch -czyli, jeśli można tak powiedzieć, stan wyjściowy i stan końcowy. Z tego powodu czas nie miał dla Arystotelesa takiego znaczenia, jakie ma w fizyce współczesnej. W późniejszych wiekach nauki Arystotelesa zostały uświęcone przez Kościół; jego słowa były traktowane jako wyraz jedynej prawdy. Zakaz wprowadzania jakichkolwiek zmian

W tym obrazie świata stał się przeszkodą dla dalszego rozwoju nauki. Chciałbym zakończyć ten rozdział o czasach antycznych słowami Borysa Kuzniecowa o kulturze tamtych czasów: Kultura starożytna jako całość sprawia wrażenie gigantycznego zwrotu w sposobie myślenia i odczuwania, rozszerzenia zakresu pojęć, zasad logicznych i zbioru informacji o faktach, jaki nastąpił w czasach antyku. Gdy patrzymy na posąg Wenus z Milo, jej piękno przejawia się w postaci nieskończenie wielowymiarowego obrazu, który stanowi jednak harmonijną całość. Wrażenie to jest tak silne, jak gdybyśmy widzieli wzięty w nawias cały późniejszy rozwój cywilizacji -tak jak czyjeś dzieciństwo fascynuje nas swą nowością, świeżością i ukrytą w nim tajemnicą, tak i ono jest czymś, co nigdy już nie będzie mogło się powtórzyć.

ROZDZIAŁ 2

NARODZINY NAUKI O CZASIE Renesans, który nastąpił po mrokach średniowiecza, przyniósł nadzwyczajne odkrycia w wielu naukach przyrodniczych. W tym okresie Mikołaj Kopernik (1473-1543) stworzył swoją teorię, która spowodowała dramatyczne zmiany w poglądach człowieka na świat. Przede wszystkim nowa koncepcja zniosła nieprzenikalną barierę między Ziemią i niebem. Wcześniej uważano, że wszystkie zjawiska na niebie są przejawami doskonałego i wiecznego świata ideałów. Ciałom niebieskim przypisywano doskonałość, podobnie jak ich jednostajnym ruchom po okręgach. Owa doskonałość była przeciwieństwem prymitywizmu ziemskiej materii i jej chaotycznych ruchów w przestrzeni podksiężycowej. W modelu Kopernika Ziemia stała się zwyczajną planetą, tak jak inne krążącą wokół Słońca. W 1510 roku Mikołaj Kopernik osiadł we Fromborku, niewielkim mieście nad Zalewem Wiślanym. Korzystając ze spokoju i samotności, w wolnym czasie prowadził badania astronomiczne. Zajmował się również innymi rzeczami: leczył ludzi, opracował traktat o monecie, administrował dobrami kapituły warmińskiej. Kopernik wykazywał wielką ostrożność w sprawie publikowania swoich wyników; zdawał sobie sprawę, że są one sprzeczne z doktryną Kościoła, nauczającego o wyjątkowej pozycji Ziemi i człowieka we wszechświecie. Jego traktat De revo-

lutionibus (O obrotach), dedykowany papieżowi Pawłowi III (kwestia dedykacji została zawczasu uzgodniona ze Stolicą Apostolską), ukazał się dopiero w 1543 roku, na krótko przed śmiercią autora. Kopernik sformułował swoją teorię wiele lat wcześniej. Już w niewielkiej pracy Zarys podstaw astronomii (Commentariolus), która ukazała się około 1510 roku, pisał: Cokolwiek spostrzegamy jako ruch Słońca, nie jest jego własnym ruchem, lecz skutkiem ruchu Ziemi i naszej sfery, z którą się obracamy wokół Słońca podobnie jak każda inna planeta; Ziemia wykonuje zatem kilka ruchów. [...] To, co u planet wydaje się ruchem wstecznym lub posuwaniem się

naprzód, nie pochodzi od nich, lecz od Ziemi. Jej więc ruch sam wystarczy dla wyjaśnienia tak wielu nierówności dostrzeganych na niebie.* Dzisiaj trudno jest nam sobie wyobrazić, jakiej odwagi intelektualnej wymagało wówczas wysunięcie twierdzenia, że Ziemia nie pozostaje w spoczynku. Problem nie polegał wyłącznie na sprzeczności z kościelnymi dogmatami. W ówczesnej nauce dominowała fizyka Arystotelesa, który twierdził, że do podtrzymania ruchu konieczna jest stale działająca siła. Zakładano również, że gdyby Ziemia się obracała, musiałoby to mieć wpływ na ziemskie zjawiska: powietrze dążyłoby do pozostania z tyłu, co powodowałoby huragany, ciało zrzucone z wieży nie spadłoby u jej podstawy, ponieważ ta zdążyłaby się odsunąć, i tak dalej. Wynika z tego, że Kopernik musiał wysunąć argumenty przeciw Arystotelesowskiej koncepcji ruchu, która miała za sobą wielowiekową tradycję. Owe błędne przekonania trudno było odrzucić z jednego jeszcze powodu. Ludzie uważali, że do zdobycia wiedzy o przyrodzie niepotrzebne są żadne doświadczenia ani obserwacje - wystarczy czysty namysł i logiczne wnioskowanie, żeby odkryć prawdę. Wykorzystując obserwacje astronomiczne, Kopernik nie tylko stworzył nowy model Układu Słonecznego, ale również jako pierwszy podważył dogmaty fizyki Arystotelesa. Zrozumiał, że jeśli Ziemia się porusza z powodu bezwładności, to wszystkie zjawiska ziemskie zachodziłyby dokładnie tak samo, gdyby Ziemia pozostawała w spoczynku: Dlaczego nie mamy powiedzieć jasno, że to zjawisko codziennego obrotu jest na niebie czymś

pozornym, a na Ziemi rzeczywistością i że rzecz ma się tutaj tak właśnie, jakby to wyraził Eneasz, gdy mówi u Wergiliusza: „My odbijamy od portu, a ląd się cofa i miasta?" Bo gdy okręt płynie po spokojnym morzu, wszystko, co jest na zewnątrz, widzą płynący na nim ludzie tak, jakby się właśnie to poruszało na podobieństwo ruchów okrętu, a - na odwrót zdaje im się, że sami wraz ze wszystkim, co jest z nimi, stoją w miejscu. Tak samo bez wątpienia może się mieć rzecz w wypadku ruchu Ziemi i sprawiać wrażenie, że to cały obraca się świat. Cóż w takim razie mielibyśmy do powiedzenia o chmurach i wszystkich innych ciałach, które w jakikolwiek sposób utrzymują się w powietrzu, albo opadają i znowu wznoszą się w górę? Czyż nie jest jedynie to, że ów ruch odbywa nie sama tylko Ziemia wraz ze złączonym z nią żywiołem wód, ale także niemała część powietrza i wszystko, co posiada podobne jak ono pokrewieństwo z Ziemią? [...] A zatem spokojne będzie się wydawało powietrze najbliższe Ziemi i wszystko, co się w nim unosi, o ile pod wpływem wiatru albo na skutek jakiegoś innego bodźca nie będzie się poruszać -jak to bywa - to w tę, to w tamtą stronę.* Fragment ten jasno opisuje zasadę względności ruchu i koncepcję bezwładności, którym sto lat później Galileusz nadał ostateczną postać. Zapewne każdy, kto w dzieciństwie lub młodości uczył się praw mechaniki, musiał podjąć świadomy wysiłek, żeby zrozumieć, że ciało zrzucone z pewnej wysokości w poruszającym się wagonie bez okien spadnie dokładnie do stóp eksperymentatora, tak samo jak w wagonie pozostającym w stanie spoczynku. W naszych czasach tak często podróżujemy samochodami, pociągami ł samolotami, że szybko do tego przywykamy. Mimo to doskonale pamiętam, z jakim zdumieniem obserwowałem zachowanie piłki podczas szybkiej jazdy ciężarówką po chersoń-skim stepie. Miałem wówczas dziesięć lat. Wielokrotnie upuszczałem piłkę i przyglądałem się, jak spada prosto w dół, mimo że ciężarówka poruszała się z dużą prędkością, przynajmniej według moich dziecinnych wyobrażeń. Sądziłem, że ciężarówka powinna uciec spod piłki. Nie mogłem zrozumieć, że wskutek

bezwładności po wypuszczeniu z ręki piłka porusza się nadal z taką samą prędkością, jaką miała, gdy trzymałem ją w dłoni, równą prędkości ciężarówki i mojego ciała. Początkowo teoria Kopernika nie wywołała większego poruszenia w Kościele katolickim. Szok został częściowo złagodzony przez nie podpisaną przedmowę do jego dzieła, autorstwa anonimowego teologa. Twierdził on, że autor O obrotach chciał tylko przedstawić matematyczną metodę obliczania pozycji ciał niebieskich i w żadnym wypadku nie twierdził, iż opisuje rzeczywiste ruchy tych ciał. Czytamy tam: „Bo i nie ma potrzeby, aby te hipotezy były prawdziwe lub choćby nawet prawdopodobne, ale wystarcza to jedno, iżby przedstawiały rachunek zgodny z obserwacjami" (przekład Jerzego Dobrzyckiego). Gdy jednak na początku XVII wieku teoria Kopernika zaczęła zdobywać popularność i była interpretowana jako obalenie dogmatów Kościoła, dzieło polskiego astronoma zostało wpisane do „Indeksu ksiąg zakazanych" i pozostało tam przez ponad dwa wieki. W tym czasie Galileusz (1564-1642) opracował zupełnie nową fizykę i stworzył pierwszą naukowo uzasadnioną teorię czasu, którą później wspaniale rozwinął Izaak Newton. Galileusz dokonał wielu ważnych odkryć naukowych, o których bez wątpienia wszyscy wiedzą. Największe znaczenie miało jednak nie jakieś pojedyncze odkrycie, a wprowadzenie nowej metody badań przyrodniczych. Galileusz był przekonany, że badanie natury należy koniecznie rozpoczynać od starannie przemyślanych doświadczeń. Otaczający nas świat można zrozumieć tylko metodą eksperymentalnej weryfikacji hipotez, czyli „zadawania naturze pytań". W tym punkcie wziął rozbrat z Arystotelesem, który uważał, że świat można zrozumieć za pomocą czystego namysłu. Galileusz uważał również, że powierzchowne obserwacje, nie poparte systematyczną analizą danych, mogą doprowadzić do błędnych wniosków. Koncepcje Galileusza złożyły się na nowoczesną, naukową metodę badania przyrody. Einstein stwierdził, że „nauka łącząca teorię z doświadczeniem narodziła się dzięki pracom

Galileusza". Fizyczne odkrycia Galileusza wywodziły się z licznych eksperymentów, które przeprowadził. Z naszego punktu widzenia szczególnie ważne są odkrycia bezwładności i względności ruchu. Codzienne obserwacje, gromadzone od stuleci, przekonały ludzi, że jeśli jakiś czynnik nie podtrzymuje ruchu (gdy na przykład nie popychamy kulki), to ciało przechodzi w stan spoczynku. Arystoteles podsumował te obserwacje w następującym twierdzeniu: „Jeśli na ciało przestaje działać siła, to jego ruch ustaje". Obecnie wiemy, że kulka zatrzymuje się nie z powodu braku siły, ale dlatego, że działają na nią siła tarcia 0 podłoże i siła oporu powietrza. Gdy stopniowo wyrównujemy 1 wygładzamy podłoże oraz usuwamy powietrze, kulka toczy się coraz dalej. Gdybyśmy całkowicie wyeliminowali tarcie i opór, kulka w ogóle by się nie zatrzymała. Galileusz sformułował wniosek, iż „ruch poziomy jest wieczny, gdyż jeśli jest jednostajny, to nic go nie osłabia, nie spowalnia ani nie niszczy". Zasada bezwładności Galileusza stanowi podstawę zasady względności w mechanice. Zasada ta stwierdza na przykład, że niezależnie od tego, czy statek stoi, czy płynie ze stałą prędkością po spokojnym morzu, wszystkie procesy fizyczne w kabinie przebiegają jednakowo. Można spacerować, upuszczać różne przedmioty, muchy mogą bez trudu latać w powietrzu i ruch statku nie ma na to żadnego wpływu. Oto słowa Salviatiego, jednego z protagonistów Dialogu o dwa najważniejszych układach świata, Ptolemeuszowym i Kopemikowym: Zamknijcie się z jakimś przyjacielem w możliwie najobszerniejszym ze znajdujących się pod pokładem pomieszczeń jakiegoś wielkiego okrętu, zabierzcie ze sobą muchy, motyle i inne podobne latające stworzenia, weźcie również spore naczynie z wodą, w którym pływają rybki, i powieście pod pułapem jakieś wiaderko, z którego kropla po kropli spadać będzie woda w wąską gardziel innego naczynia, podstawionego u dołu. Gdy okręt jeszcze stoi, przypatrujcie się uważnie, jak skrzydlate stworzenia z jedną i tą samą prędkością latają w różne strony kajuty. Rybki również będą pływały bez żadnej dostrzegalnej różnicy we wszystkich kierunkach, a kapiące krople spadać będą wszystkie do podstawionego na-

czynią, zaś wy sami rzucając przyjacielowi jakiś przedmiot, nie będziecie zmuszeni do większego wysiłku, w zależności od tego, czy czynicie to w jedną, czy w drugą stronę, o ile odległości będą jednakowe; wy sami również, skacząc złączonymi nogami, osiągniecie jednakowe odległości w każdym kierunku. Dobrze przypatrzcie się tym wszystkim rzeczom -nie ma zresztą wątpliwości, że wszystko to odbywać się musi tak, a nie inaczej, gdy okręt jest nieruchomy. Niech następnie okręt porusza się z dowolną prędkością: o ile tylko ruch ten będzie równomierny i nie będzie podlegał kołysaniu tam i z powrotem, nie zobaczycie wówczas najmniejszej zmiany we wszystkich wyżej wspomnianych zjawiskach i nie zdołacie na podstawie żadnego z nich wywnioskować, czy okręt płynie, czy też stoi nieruchomo. Skacząc po dylu przebywać będziecie te same odległości co przedtem, a nawet gdy okręt ów porusza się z największą prędkością, nie będziecie czynili większego wysiłku, skacząc w kierunku rufy, czy w kierunku dzioba, aczkolwiek w czasie, gdy będziecie w powietrzu, dyl przesunie się pod wami w kierunku przeciwnym waszemu skokowi. Rzucając przyjacielowi jakiś przedmiot, nie będziecie musieli użyć siły większej, jeśli znajduje się on od strony dzioba, a wy od strony rufy, aniżeli wtedy, gdy zamienicie się miejscami. Kropelki będą tak samo trafiały do niższego naczynia, a żadna z nich nie upadnie ku rufie, aczkolwiek w czasie, gdy kropelka jest w powietrzu, okręt przepłynie wiele piędzi. Rybki będą pływały w naczyniu nie z większym wysiłkiem ku przedniej czy ku tylnej jego części, i z taką samą łatwością rzucą się do przynęty, położonej w jakimkolwiek miejscu na jego brzegu, a wreszcie motyle i muchy będą kontynuowały swe loty bez żadnej różnicy we wszystkich kierunkach i nigdy się nie zdarzy, by ograniczyły je do strony bliższej rufy okrętu, jak gdyby zmęczone, usiłując nadążyć dużej chyżości okrętu, od którego oddzielone są przez dłuższy czas znajdując się w powietrzu.*

Ten niezwykle ekspresyjny opis stanowi jedno z pierwszych sformułowań zasady względności ruchu. Proszę zwrócić uwagę, że pisma Galileusza nie są tylko kolekcją klejnotów ludzkiej myśli, ale również wybitnymi dziełami literackimi. Uczniowie we Włoszech zapoznają się z nimi przede wszystkim jako z literackim dziedzictwem swego kraju. Żadne mechaniczne doświadczenia prowadzone w kabinie nie pozwalają określić, czy statek stoi, czy porusza się ze stalą prędkością. Jak już wspomniałem, w naszych czasach nieustannych podróży samochodami, pociągami i samolotami zdążyliśmy się do tego przyzwyczaić. Jest dla nas intuicyjnie li oczywiste, że stwierdzenie „filiżanka pozostaje w spoczynku" nie ma sensu, jeśli nie określimy, względem jakiego ciała filiżanka jest w spoczynku. W samolocie filiżanka może pozostawać w spoczynku w stosunku do pasażerów, lecz porusza się wraz z nimi względem Ziemi, i to z dużą prędkością. Możemy przespacerować się leniwie wzdłuż kabiny samolotu, jednocześnie podróżując z wielką prędkością względem Ziemi. Spoczynek ciała i jego prędkość to pojęcia względne, mają one sens tylko wtedy, gdy wskażemy „laboratorium", w którym posługujemy się tymi pojęciami. Odkrycie Galileusza, że wszystkie zjawiska zachodzą tak samo, niezależnie od jednostajnego ruchu laboratorium, w którym prowadzimy obserwacje, było naukowym argumentem przemawiającym przeciw tezie, iż Ziemia pozostaje w spoczynku we Wszechświecie. W ślad za Kopernikiem Galileusz mówił: „Wybierzmy za podstawę naszego poznania tezę, że niezależnie od tego, jak porusza się Ziemia, mieszkańcy Ziemi nie mogą zaobserwować jej ruchu, jeśli swój sąd opierają na zjawiskach ziemskich". Galileusz zdecydowanie wierzył, że Kopernik ma rację, i był Jego gorącym obrońcą. Jego odkrycia fizyczne i astronomiczne sprawiły, że stał się najsłynniejszym uczonym europejskim. Kościół już w początkowej fazie kariery Galileusza usiłował skłonić go do przyjęcia poglądu, że układ Kopernika stanowi tylko wygodną hipotezę, ułatwiającą obliczanie pozycji ciał niebieskich (jak twierdził Osiander w przedmowie do O obrotach).

Kardynał Robert Bellarmine tak pisał do ojca Foscariniego, który bronił kopernikańskiej teorii: Wydaje mi się, że zarówno Ojciec, jak i signor Galileo wykonalibyście mądry i ostrożny krok, gdybyście zdecydowali się ograniczyć do stwierdzeń suppositione i nie nalegać na twierdzenia absolutne. Słowa Kopernika - oraz, jak zawsze uważałem, jego myśli - są zgodne z takim stanowiskiem. W istocie, gdy ktoś twierdzi, że wszystkich obserwowanych zjawisk można lepiej bronić, zakładając, że Ziemia się porusza, a Słońce spoczywa, niż przyjmując istnienie epicyklów i ekscentryków, twierdzenie to jest dobrze określone i wolne od pułapek, a tylko tego wymaga matematyka. Jeśli jednak ktoś wypowiada opinię, iż Słońce rzeczywiście znajduje się w środku świata i tylko obraca się wokół siebie, ale nie podróżuje ze wschodu na zachód, Ziemia zaś znajduje się w trzeciej sferze niebieskiej (jako trzecia planeta pod względem odległości od Słońca) ł porusza się z dużą prędkością krążąc dookoła Słońca, jest to rzecz bardzo niebezpieczna, nie tylko dlatego, że drażni wszystkich filozofów i uczonych teologów, ale także dlatego, iż szkodzi Świętej Wierze, gdyż z tego twierdzenia wynika, że Pismo Święte kłamie. Radziecki fizyk Witalij Ginzburg zauważył, że łaskawa zgoda na „obronę" zjawisk i uprawianie matematyki, z jednoczesnym unikaniem pytań o rzeczywistość, doprowadziła Galileusza do wściekłości. W liście do księżnej Christiny pisał on: Profesorzy teologii nie powinni przywłaszczać sobie prawa do regulowania swoimi dekretami tych profesji, które nie podpadają pod ich władzę, ponieważ nie można narzucać przyrodnikom opinii o zjawiskach naturalnych [...] Głosimy nowy pogląd nie po to, by zasiać zamęt w ludzkich głowach, ale by je oświecić; nie po to, by zniszczyć naukę, ale by oprzeć ją na solidnych fundamentach. Nasi przeciwnicy jednak nazywają wszystko, czego nie potrafią obalić, kłamstwem i herezją. Ci filistyni uczynili dla siebie tarczę z obludnego religijnego zapału i hańbią Pismo Święte, którym posługują się jako narzędziem do swych

własnych celów. Nakazywanie profesorowi astronomii, by używał swego intelektu w celu uchronienia się przed wynikami własnych obserwacji i przed wyciągniętymi z nich wnioskami, tak jakby to były tylko iluzje i sofizmaty, to żądanie, którego spełnienie jest rzeczą niemożliwą. Równie dobrze można by od nich żądać, aby nie widzieli tego, co widzą, nie rozumieli tego, co jest dla nich jasne, i wyciągali ze swoich badań wnioski będące zaprzeczeniem tego, co jest dla nich oczywiste. Ginzburg dodał, że słowa te brzmią tak, jakby zostały napisane współcześnie. Pozostaje mi podkreślić, że nie każdy ruch laboratorium jest niezauważalny dla ludzi i obiektów zamkniętych wewnątrz. Jeśli na przykład samochód nagle przyspiesza lub gwałtownie skręca, wyraźnie to odczuwamy. Niezauważalny jest tylko ruch jednostajny prostoliniowy. Taki ruch laboratorium lub ciała jest spowodowany jego bezwładnością i występuje wtedy, gdy nie działają żadne siły lub gdy wszystkie siły - popychające, hamujące i powodujące zmianę kierunku - dokładnie się równoważą. Mówimy wtedy, że mamy do czynienia z „inercjalnym układem odniesienia". Rzecz jasna, naturalne laboratoria mogą być inercjalne tylko w większym lub mniejszym przybliżeniu. Statek kołyszący się na łagodnych falach nie jest oczywiście „idealnym inercjalnym układem odniesienia". Kołysanie się okrętu można wykryć. Im jednak mniejsze przyspieszenie oraz łagodniejsze zmiany kierunku ruchu, tym dane laboratorium jest bliższe ideału inercjalnego układu odniesienia. Ziemia również jest laboratorium inercjalnym tylko w przybliżeniu. Wiadomo na przykład, że wiruje wokół własnej osi. Ruch obrotowy Ziemi można wykryć za pomocą specjalnie zaprojektowanych doświadczeń. Większość czytelników zapewne miała okazję zobaczyć wahadło Foucaulta lub przynajmniej słyszała o tym urządzeniu. Wahadło Foucaulta składa się z ciężkiego ciała (kuli), zawieszonego na długiej strunie w bardzo wysokim pomieszczeniu. Gdy wahadło oscyluje, płaszczyzna drgań nie zmienia położenia względem gwiazd. Ponieważ Ziemia i stojący na niej budynek wirują ruchem dobowym, możemy zaobserwować, jak płaszczyzna drgań stopniowo zmienia orientację względem ścian. Taki eksperyment przeprowadził po raz pierwszy francuski uczony Jean Bernard Leon Foucault w 1850 roku, dwa wieki po śmierci Galileusza, zawieszając wahadło pod kopułą Panteonu. Wróćmy jednak do XVII wieku. Prawdziwa wiedza torowała sobie drogę w zaciekłej walce z głęboko zakorzenionymi dogmatami, pokonując poważne trudności, jakie natura zawsze piętrzy na drodze dążących do prawdy, i radząc sobie z konfliktami społecznymi, w których ścierają się interesy wielu ludzi. W jakiś czas po głośnym procesie z 1633 roku, który uczynił z Galileusza „więźnia Inkwizycji", opublikował on Rozmowy i dowodzenia matematyczne w zakresie dwóch nowych umiejętności dotyczących mechaniki i ruchów miejscowych, W dziele tym, w którym przedstawił podstawy dynamiki, napisał również: „Traktat ten tylko otwiera drzwi do dwóch nauk, mających tak bogate zastosowania; w przyszłości dociekliwe umysły rozszerzą je niepomiernie [...] jedna z nich dotyczy wiecznego przedmiotu, mającego fundamentalne znaczenie w przyrodzie". W niecały rok po śmierci Galileusza narodził się kolejny geniusz - Izaak Newton (1642-1727), który dokończył dzieła tworzenia fizyki klasycznej i pierwszej fizycznej teorii czasu (w przyjmowanym przez nas sensie). Odmiennie niż to jest w wypadku filozofów antycznych, życie Newtona znamy dość dobrze. Na pierwszy rzut oka wydaje się ono zaskakująco ubogie w wydarzenia. Borys Kuzniecow zauważył: Nie miał rodziny, nie podróżował, w jego życiu nie nastąpiły żadne poważniejsze zmiany, właściwie nie miał przyjaciół, niemal nie prowadził życia towarzyskiego. Powierzchownie rozumując, można dojść do wniosku, że to wyliczenie pozostaje w rażącej sprzeczności z niewiarygodnym natężeniem twórczości tego myśliciela, z prawdziwymi tragediami procesu poznania. W rzeczywistości jednak te dwie strony jego osobowości tworzą harmonijną całość.

Newton urodził się w Woolsthorpe w Lincolnshire, w rodzinie ziemiańskiej. Jego ojciec zmarł kilka miesięcy przed narodzili nami syna. Chłopiec uczył się w szkole w Grantham, niewielkim mieście w pobliżu Woolsthorpe, a następnie, mając dziewiętnaście lat, rozpoczął studia w Cambridge. Już w tym wieku był człowiekiem pedantycznym, systematycznym i dbałym o porządek. Początkowo pozostawał biednym studentem w Trinity College, jednym z najsłynniejszych kolegiów angielskich. Studia skończył w trzy lata i wkrótce objawił się jako myśliciel obdarzony wyjątkowym geniuszem. W 1669 roku, jako profesor matematyki, objął katedrę, którą Henry Lucas ufundował w 1663 roku; istnieje ona do dziś i jest jedną z najsłynniejszych i najbardziej szanowanych katedr fizyki teoretycznej w całym świecie. W ciągu zaledwie dwóch lat, 1665-1667, podczas pobytu w rodzinnym Woolsthorpe, Newton sformułował podstawowe idee fizyczne, które nadały rozwojowi fizyki nowy impet, chociaż opublikował je znacznie później. W tym okresie w Anglii szalała zaraza. Newton opuścił Cambridge tuż po otrzymaniu stopnia bakałarza nauk i przeprowadził się do Woolsthorpe, gdzie pozostawał przez półtora roku. Pracował bardzo ciężko, usiłując udoskonalić metody szlifowania soczewek, projektując instrumenty naukowe i prowadząc eksperymenty chemiczne. Jednocześnie rozmyślał bardzo intensywnie o głównych problemach fizyki, astronomii i matematyki. Wyniki jego pracy były naprawdę fantastyczne i zasługują na miano objawienia. Podczas pobytu na wsi Newton F sformułował podstawowe prawa fizyki i stworzył teorię powszechnego ciążenia. Według tej teorii ciężar, który powoduje spadanie ciał na ziemię, to ta sama siła, która utrzymuje ciała niebieskie na orbitach; siła ta jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między ciałami. Pod koniec życia Newton wspominał, że pewnego dnia zauważył, jak spada jabłko, co pobudziło go do myślenia o przyczynach spadku wszystkich ciał. Wydawało się, że odpowiedź jest wszystkim znana: przyczyna to ciężar ciała. Czym jednak jest ciężar? Newton doszedł do wniosku, że ciężar to siła, z jaką Ziemia przyciąga wszystkie ciała. Ta sama siła musi działać daleko od Ziemi, utrzymując Księżyc na orbicie i uniemożliwiając mu ucieczkę w przestrzeń kosmiczną pod wpływem bezwładności. Ściśle sformułowane prawa powszechnego ciążenia Newton opublikował wiele lat później w swoim słynnym dziele Philo-sophiae naturalis principia mathematica (1686), nazywanym często po prostu Principia. (Newton zwykle bardzo zwlekał z ogłaszaniem swoich odkryć, choć kwestia pierwszeństwa z pewnością nie była mu obojętna). Dlaczego się wahał? Główną tego przyczyną był zapewne odmienny stosunek do poznania i odmienna opinia co do tego, kiedy dany wynik można uznać za ustaloną prawdę. Jeśli mamy krótko scharakteryzować jego postawę, możemy powiedzieć, że Newton dążył do całkowitego uporządkowania wiedzy o przyrodzie, chciał zyskać wiedzę w pełni zgodną z danymi eksperymentalnymi i sformułowaną zgodnie z zasadami logiki i matematyki. TaMe cele stawia sobie nauka również dzisiaj. Jak wiele innych wielkich idei, także teoria grawitacji miała prekursorów. Na przykład Giovannł Borelli uważał, że wszystkie ciała we Wszechświecie przyciągają się wzajemnie, i przypuszczał, że w ruchu planet wokół Słońca to przyciąganie równoważy siłę odśrodkową, odkrytą przez Christiaana Huygensa. Robert Hooke, który żył w czasach Newtona, doszedł do wniosku, że siła przyciągania między ciałami jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi. Dziś z najwyższym szacunkiem odnosimy się do wizji innych badaczy, ale za prawdziwego odkrywcę grawitacji uważamy Newtona. Dlaczego? Gdyż on i tylko on podał dowód słuszności swoich koncepcji. Zaczął od abstrakcyjnych argumentów, następnie wykonał matematyczne obliczenia, przeprowadził fizyczny eksperyment i odpowiednio zinterpretował obserwacje astronomiczne. W ten sposób narodziła się nowa fizyka.

Wkrótce omówię, jak Newton przedstawił najważniejsze właściwości czasu, który stanowi główny temat tej książki. W tym miejscu chciałbym zauważyć, że odkrycie prawa powszechnego ciążenia miało wielkie znaczenie nie tylko dla rozwoju mechaniki nieba (opisującej siły, które rządzą ruchem wszystkich ciał niebieskich we Wszechświecie), ale również dla zrozumienia zjawiska czasu. Stało to się jasne dopiero w jakiś czas później - trzy stulecia po Newtonie, w XX wieku, gdy się okazało, że grawitacja wpływa na upływ czasu. Wróćmy jednak do XVII wieku. Podczas pobytu w Woolsthorpe w latach 1665-1667 Newton nie zajmował się wyłącznie problemami grawitacji,

lecz również mechaniką, optyką i matematyką, ł we wszystkich tych dziedzinach dokonał fundamentalnych odkryć. Po powrocie do Cambridge, aż do początku lat osiemdziesiątych XVII wieku, Newton zajmował się głównie optyką i eksperymentami chemicznymi. W połowie lat osiemdziesiątych napisał i opublikował największe dzieło swego życia - słynne Principia. W tym traktacie przedstawił owoce rozważań z Woolsthorpe, które rozwinął w późniejszych latach. Od czasu dokonania przez Newtona największych odkryć do momentu opublikowania minęło około dwudziestu lat! Jak już wspomniałem, Newton nigdy nie śpieszył się z ogłaszaniem wyników, zawsze dążył do maksymalnej ścisłości i logicznej doskonałości wywodu. Bodźcem, który go skłonił do napisania Principia mathematica, były następujące wydarzenia. Któregoś dnia na początku lat osiemdziesiątych trzej znani uczeni spotkali się w londyńskim zajeździe, gdzie dyskutowali o problemie ruchu planet wokół Słońca. Byli to Edmond Halley, Robert Hooke i Christopher Wren. W tym czasie wiadomo Już było - wyrażały to prawa Keplera - że planety poruszają się po elipsach. Trzej uczeni zastanawiali się, czy można udowodnić, że jeśli siła, z jaką Słońce przyciąga planety, jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości, to planety muszą krążyć po orbitach eliptycznych. Żaden z nich nie potrafił rozstrzygnąć tego problemu. Wren zasugerował, żeby wyznaczyli symboliczną nagrodę - książkę wartą czterdzieści szylingów -

dla osoby, która to udowodni. Podczas wizyty w Cambridge w 1684 roku Halley opowiedział Newtonowi o tej dyskusji, a wtedy Newton zauważył, że już dawno rozwiązał ten problem! Halley zdołał wtedy przekonać Newtona, że musi napisać książkę, w której przedstawi swój dowód. W ten sposób narodziły się Principia, które Halley zredagował i wydał na własny koszt. Jak wiemy ze wspomnień sekretarza Newtona - który przez przypadek nosił takie samo nazwisko - uczony pracował nad swym dziełem z niezwykłą intensywnością. Wydawało się, że nigdy nie odpoczywa; nie jeździł konno, nie uprawiał żadnych gier, nie przyjmował niemal w ogóle gości, spal co najwyżej pięć godzin na dobę i starał się ograniczyć do minimum czas zużywany na posiłki. Pod jednym względem Newton miał szczęście: prowadził bardzo niewiele wykładów, ponieważ były one tak nudne, że studenci nie przychodzili na zajęcia. Pamiętam, jakie wrażenie wywarły na mnie rozmaite opowieści, stwierdzające bez cienia wątpliwości, że sukces w dowolnej dziedzinie zależy przede wszystkim - więcej niż w 95% -od zdolności danej osoby do ciężkiej pracy. Później zawsze ślepo wierzyłem w tę zasadę, którą potwierdzały liczne zdarzenia z życia moich przyjaciół i znajomych. Staram się przekonywać kolegów i studentów, że należy się nią kierować w życiu. „Dobra praca to ciężka praca" - wydaje mi się, że powiedział to Newton {lub może inny geniusz). Po ukazaniu się dzieła Principia tryb życia Newtona powoli zaczął się zmieniać. W dalszym ciągu zajmował się nauką i osiągał interesujące wyniki, ale inne sprawy również stały się dla niego ważne. Poważnie traktował swoją działalność społeczną i polityczną. Zgodnie z popularną anegdotą, jako członek Parlamentu Newton zabrał głos tylko raz, by zażądać zamknięcia okna z powodu przeciągu. Opowieść ta ma zapewne świadczyć o tym, że Newton był tak zajęty badaniami, iż inne sprawy nie miały dla niego znaczenia. Wydaje się to raczej mało prawdopodobne. Skłonny jestem sądzić, że sprawy nie związane z nauką również traktował bardzo poważnie. Do końca życia (żył 84 lata) Newton niewiele się zmienił. Był raczej niski, krępy, zazwyczaj zamknięty w sobie i pełen rezer-

wy. Ubierał się zupełnie zwyczajnie, tak jak większość Anglików w owym czasie. Jest jednak prawdą, że nie był łatwym człowiekiem. Wspomnieć należy o jeszcze jednej stronie jego osobowości. Newton był człowiekiem głęboko religijnym. W moim kraju -byłym Związku Radzieckim - zazwyczaj przemilczano ten fakt, zwłaszcza w książkach dla młodzieży, a najwyżej wspominano o tym mimochodem, jako o czymś pozbawionym znaczenia. Wyjawienie tego mogłoby zaszkodzić ateistycznej propagandzie, ale ukrywanie pewnych cech i fałszowanie wizerunku wielkiego człowieka wydaje mi się znacznie większym złem, którego nie mogą usprawiedliwić tego rodzaju „dobre" intencje. Tak, Izaak Newton wierzył w Boga. W tym czasie nie było to niczym niezwykłym. Natomiast wskutek trwającej od dziesięcioleci absolutnej supremacji komunistycznej propagandy fakt ten wydawał się dziwny zarówno mnie, jak i moim kolegom w ZSRR. Zgodnie z tamtym systemem wiara religijna była nie tylko rzeczą niepożądaną i ryzykowną ze społecznego punktu widzenia, ale również wskazywała na pewne niedostatki intelektu.

Czytelnicy na Zachodzie mogą uznać taki stosunek do religii w dawnym ZSRR za coś więcej niż tylko osobliwość. Z pewnością nie była to najdziwniejsza rzecz, jaką możemy znaleźć w historii mojego kraju w XX wieku. Ten stosunek do religii jest jeszcze jednym przykładem celowego, bezlitosnego i niczym nie ograniczonego paczenia dusz w bezdusznej epoce bolszewickiej władzy. Dla zachodniego odbiorcy religijność Newtona z pewnością nie jest niczym dziwnym. Znam wielu wybitnych fizyków, którzy są ludźmi wierzącymi, ale ta książka nie jest właściwym miejscem, by wdawać się w tego rodzaju rozważania. Chciałbym tu tylko przypomnieć stanowisko Einsteina, które wydaje się bliskie poglądom wielu naprawdę wybitnych myślicieli naszych czasów. Pisał on: [...] najbardziej wysublimowane i głębokie uczucie, jakie może przeżyć człowiek, to poczucie tajemnicy. Stanowi ono podstawę religii i najgłębszych dążeń w sztuce i nauce. Osoba, która nigdy nie doświadczyła takiego uczucia, wydaje mi

się -jeśli nie martwa - co najmniej ślepa. Zdolność postrzegania tego, co jest niedostępne naszemu rozumowi, co ukrywa się poza naszymi bezpośrednimi doznaniami, czego piękno i doskonałość możemy podziwiać tylko pośrednio - na tym właśnie polega sens religii. W tym sensie rzeczywiście jestem człowiekiem religijnym. Powinniśmy jednak powrócić do Newtona. Prowadził on studia teologiczne i zajmował się historią religii. Wierzył, że Bóg nadał „pierwotny impuls" ciałom niebieskim, wprawiając je w ruch, a wszystkie późniejsze ich poruszenia podlegają ścisłym prawom fizycznym. Od czasu do czasu Bóg musi jednak wtrącać się i korygować „wielki zegar Wszechświata", jeśli „spodziewana jest jakaś nieregularność". W swym obrazie Wszechświata Newton odwoływał się do Boga, ilekroć nie potrafił wyjaśnić jakiegoś zjawiska w sposób naukowy. Tak było w przypadku prób wytłumaczenia pochodzenia Układu Słonecznego oraz początkowych prędkości planet. To samo zdarzyło się, gdy uczony próbował opisać początki historii ludzkości. Przejdźmy teraz do wkładu Newtona w rozwój nauki o czasie i przestrzeni. Zacznijmy od przestrzeni. Newton uczył, że wszystko, co zdarza się we Wszechświecie, zachodzi w pustej przestrzeni, obejmującej wszystkie ciała i wszystkie procesy. Przestrzeń tę należy sobie wyobrażać jako gigantyczne laboratorium, którego ściany, sufit i podłoga zostały odsunięte na nieskończoną odległość. Newton określał tę absolutną, nieograniczoną pustkę mianem absolutnej przestrzeni. Principia zawierają stwierdzenie: .Absolutna przestrzeń, ze swojej istoty, bez względu na jakiekolwiek rzeczy zewnętrzne, pozostaje zawsze niezmienna i nieruchoma". W fizyce Newtona czas to strumień, który unosi wszystkie bez wyjątku procesy. To rzeka czasu, której prąd nie poddaje się żadnym wpływom: Absolutny, prawdziwy, matematyczny czas, sam z siebie i z własnej istoty, upływa równomiernie bez związku z czymkolwiek zewnętrznym i jest nazywany trwaniem. Newtonowski obraz świata jest zatem jasny i oczywisty: ruch ciał niebieskich odbywa się w czasie i w nieskończonej, pustej t przestrzeni. Procesy zachodzące we Wszechświecie mogą być l bardzo skomplikowane, różnorodne i powiązane ze sobą, ale -l niezależnie od ich złożoności - nie wpływają one ani na scenę, czyli przestrzeń, ani na niezmienny upływ czasu. Newton uwa-| żal, że ani przestrzeń, ani czas nie są podatne na żadne wpływy, dlatego nadał im określenie „absolutne". Oto jak podkreślał niezmienność upływu czasu: Wszystkie ruchy mogą być przyspieszone lub opóźnione, natomiast czas - czy też, co równoważne, upływ absolutnego czasu - nie podlega żadnym zmianom. Trwanie lub trwałość istnienia rzeczy w czasie pozostaje takie samo, niezależnie od tego, czy poruszają się one szybko, czy powoli, czy też pozostają w stanie spoczynku. Albert Einstein bardzo obrazowo przedstawił koncepcję Newtona: „Ideę niezależnego istnienia przestrzeni i czasu można wyrazić następująco: gdyby zniknęła materia, pozostałyby tylko przestrzeń

i czas (tworzące rodzaj sceny, na której zachodzą zjawiska fizyczne)". W tym miejscu czytelnicy mogą zapewne wykrzyknąć, że to wszystko jest przecież oczywiste, jasne i proste, że z pewnością wszyscy tak rozumieją pojęcia czasu ł przestrzeni! Uwaga taka jest uzasadniona, ale tylko dlatego, że takie rozumienie czasu ł przestrzeni wynika z obserwacji ruchu ciał, które otaczają nas na Ziemi, gigantycznych ciał niebieskich, oraz z licznych eksperymentów fizycznych. Newtonowskie pojęcia czasu i przestrzeni uważamy za „wrodzone" jedynie z tej przyczyny, że fizyka Newtonowska stanowi uogólnienie wszystkich naukowych doświadczeń związanych z ruchem oraz z tego powodu, że w szkole uczymy się opartej na tych doświadczeniach wiedzy. Nie powinniśmy jednak zapominać, że wszystkie doświadczenia są ograniczone w czasie i przestrzeni. W czasach Newtona, a również przez wiele lat po nim, wszystkie eksperymenty i obserwacje dotyczyły ciał poruszających się raczej powoli, przynajmniej z naszego punktu widzenia. Znane wówczas pola grawitacyjne również należy uznać za słabe, a energia charakterystyczna dla badanych procesów była bardzo niska w porównaniu z energią ciał, jakimi zajmuje się fizyka współczesna. W takich warunkach wszystko, co mówił Newton o czasie i przestrzeni, odpowiada rzeczywistości, a ruch materii nie wpływa na właściwości przestrzeni i czasu. Przekonamy się jednak dalej, że czas i przestrzeń wykazują taką „obojętność" w stosunku do zachodzących w nich zjawisk tylko wtedy, gdy spełnione są wymienione powyżej warunki. To jednak będzie przedmiotem naszych późniejszych rozważań. Teraz chciałbym podkreślić, że teoria Newtona nie daje żadnych podstaw, by rozważać problem szczególnych właściwości lub struktury czasu. Czas jest jednostajną „rzeką", bez początku ł końca, bez „źródła" i „ujścia", która unosi w swym nurcie wszystkie zdarzenia. Czas nie ma żadnych cech poza jedną: zawsze jest takim samym trwaniem. Absolutny czas jest jednakowy w całym Wszechświecie. W Newtonowskim obrazie świata jest najzupełniej jasne, co oznaczają takie słowa, jak „teraz", „wcześniej" i „później", dla wszystkich zdarzeń we Wszechświecie, niezależnie od tego, czy nastąpiły one w tym samym punkcie, czy są oddalone o setki milionów kilometrów. Jeśli moment, w którym nastąpiły wszystkie zdarzenia, określamy za pomocą tego samego absolutnego czasu, to każdy może zrozumieć, co oznacza na przykład stwierdzenie: „W tym momencie nastąpiła eksplozja supernowej w galaktyce w konstelacji Trójkąta". Choć ta galaktyka jest od nas tak daleko, że światło wyemitowane podczas wybuchu dotrze do Ziemi dopiero za miliony lat, nie przeszkadza nam to wyobrażać sobie, że wybuch nastąpił „teraz", w tej właśnie chwili, określonej za pomocą czasu absolutnego. Ustalenie absolutnej koincydencji zdarzeń w czasie i wspólnego czasu dla całego Wszechświata jest możliwe, ponieważ zgodnie z teorią Newtona istnieją sygnały, rozchodzące się „natychmiastowo", czyli z nieskończoną prędkością. Przykładem takiego sygnału jest oddziaływanie grawitacyjne. Gdy zmienia się wzajemna odległość między masami, siły grawitacyjne generowane przez te masy zmieniają się natychmiast w całej i nieskończonej przestrzeni. Gdy ustawienie mas się zmienia, nawet bardzo odległy ob-U serwator „dowiaduje się" o tym natychmiast. Wobec tego pojęcie „teraźniejszości" jest całkowicie jasne. Chociaż siły grawita-1, cyjne w dużej odległości od gwiazdy stają się bardzo słabe l i niemal niewykrywalne, możemy to uważać, jeśli wolno tak powiedzieć, za problem techniczny. Takie techniczne trudności nie wykluczają możliwości natychmiastowego wykrycia zmiany położenia odległych mas. Einstein był zafascynowany jasnością ł prostotą Newtonowskiej wizji świata. Uważał, że owe czasy stanowiły „szczęśliwe dzieciństwo nauki" i pisał, że dla Newtona Natura była otwartą księgą, którą czytał bez trudu. Pojęcia, których używał Newton w swojej teorii, wynikają w naturalny sposób z ludzkich spostrzeżeń i cudownych eksperymentów; opisał on je bardzo szczegółowo i ustawił w starannie obmyślonej kolejności, niczym cenne zabawki. W istocie jednak ten klarowny obraz psuła jedna chmurka, która niewątpliwie niepokoiła Newtona. Problem polegał na tym, że żaden mechaniczny eksperyment nie pozwala określić, czy ciało porusza się ruchem jednostajnym względem przestrzeni, czy pozostaje w spoczynku. Jak pamiętamy, wszystkie procesy w zamkniętej kabinie statku zachodzą tak samo, niezależnie od tego, czy statek stoi,

czy płynie. Czyż nie jest dziwne, że choć istnieje absolutna przestrzeń, nie można wykryć ruchu jednostajnego prostoliniowego względem tej przestrzeni? To jawnie „brzydka", nieestetyczna strona teorii Newtona. Wkrótce się przekonamy, że próby odgonienia tej „brzydkiej" chmury w końcu doprowadziły do podstawowych odkryć fizyki współczesnej. Należy wspomnieć, że w czasach Newtona nie wszyscy podzielali jego poglądy na temat czasu i przestrzeni. Szczególnie interesujące są dla nas koncepcje słynnego niemieckiego filozofa Gottfrieda Leibniza, żyjącego w tym samym okresie co Newton. Leibniz zajmował się nie tylko filozofią, ale również fizyką, matematyką, historią, prawem naturalnym, historią prawoznawstwa, teologią i dyplomacją. Niezwykle szeroki zakres zainteresowań był również przyczyną niekompletności i prowizoryczności jego naukowych dokonań. Leibniz odkrywał nowe podejścia, wprowadzał nowatorskie idee, ale rzadko nadawał im dojrzałą, logiczną i skończoną postać. Usiłował pogodzić najbardziej od siebie odległe przekonania tamtych czasów oraz rozstrzygnąć wszystkie dysputy i sprzeczności. Marzył o pokojowym współistnieniu nauki i religii, katolicyzmu i protestantyzmu, dążył do tego, by nauka miała charakter międzynarodowy i nawet opracował uniwersalny język. Z jego inicjatywy w 1700 roku powstała Akademia Nauk w Berlinie, której został pierwszym prezesem. Walnie przyczynił się do założenia akademii w Wiedniu i Dreźnie; spotkał się z carem Piotrem Wielkim, z którym dyskutował o sposobach zainicjowania rozwoju badań naukowych w Rosji oraz środkach potrzebnych do zorganizowania Akademii Nauk w Sankt Petersburgu. Ten wielki uczony odrzucał Newtonowską ideę absolutnej przestrzeni. Leibniz twierdził, że przestrzeń jest tylko przejawem uporządkowania istniejących rzeczy l zjawisk, że w przyrodzie nie istnieje absolutna przestrzeń pozbawiona ciał fizycznych. Uważał, że przestrzeń ma charakter względny. W tym samym duchu Leibniz krytykował również koncepcję absolutnego czasu, płynącego niezależnie od fizycznych własności ciał. Jego zdaniem świat należy opisywać jako ciąg następujących po sobie zjawisk - i to właśnie ludzie nazywają czasem. Kiedyś, podczas wspólnej pracy z niemieckimi kolegami w Centralnym Instytucie Astrofizycznym w Poczdamie, odbyłem długą rozmowę z zastępcą dyrektora instytutu, profesorem D. Libscherem, o tym, jakie światło na ogólne właściwości czasu rzuca odkrycie czarnych dziur, mających tak niezwykłe cechy. Profesor Libscher zwrócił moją uwagę na zaskakujące podobieństwa między pewnymi przewidywaniami Leibniza sprzed trzech stuleci i naszymi obecnymi poglądami na czas. Szczególnie interesujące wydało mi się twierdzenie Leibniza, że wprowadzony przez Newtona czas absolutny po prostu nie istnieje. Leibniz opracował swoistą teorię względności czasu, przestrzeni i ruchu. Później Libscher i ja napisaliśmy wspólnie artykuł o czasie w czarnych dziurach, opublikowany w numerze rosyjskiego pisma „Priroda" z kwietnia 1985 roku. Wprawdzie Leibniz sformułował te intrygujące koncepcje, ale nie posunął się dalej, ponieważ nie potrafił skonstruować konkretnej teorii fizycznej, opartej na przyjętych tezach filozoficznych. Natomiast koncepcje Newtona wynikały ze ścisłej teorii fizycznej, którą stworzył. Teoria ta stała się podstawą mechaniki, a mechanika stanowiła naukowy fundament nadchodzącej rewolucji przemysłowej. Dzięki temu poglądy Newtona zdobyły dominującą pozycję. Fizyka Newtona wytrzymała próbę czasu. Współczesna fizyka daleko przesunęła granice obszaru, w obrębie którego możemy badać Wszechświat, w porównaniu z możliwościami, jakie istniały w epoce angielskiego uczonego. Nasze poglądy na czas i przestrzeń są obecnie głębsze i bardziej złożone. Niemniej współczesna nauka nie odrzuciła bezwarunkowo żadnego z odkryć Newtona. Właściwości czasu, przestrzeni oraz prawa ruchu, które ustalił on dla znanych sobie zjawisk, są i zawsze będą poprawne. Dziś jednak możemy badać zjawiska, które dla niego były niedostępne. Dzięki temu poznajemy nowe prawa przyrody i nowe, nieoczekiwane właściwości czasu i przestrzeni. Na zakończenie tego rozdziału muszę wspomnieć o jeszcze jednej bardzo ważnej właściwości czasu, na którą zwrócił uwagę filozof John Locke. Locke znał Newtona osobiście i był pod wielkim wpływem

nowej fizyki. Matematycznym obrazem czasu jest linia prosta. W przeciwieństwie do trójwymiarowej przestrzeni (trzy wymiary to: długość, szerokość i wysokość), czas jest jednowymiarowy, ma postać szeregu następujących po sobie zdarzeń. Matematyczny model czasu jako linii prostej okazał się bardzo ważny dla przyszłej ewolucji naszego obrazu Wszechświata.

ROZDZIAŁ 3

ŚWIATŁO

Nie miałem w pełni racji, utrzymując, że w czasach Newtona obserwowano tylko ruch ciał poruszających się ze stosunkowo niewielką prędkością. Byłoby tak, gdybyśmy mówili tylko o ruchu ciał fizycznych. A przecież od niepamiętnych czasów ludzkość znała zjawisko, które rozchodzi się z naprawdę fantastyczną prędkością. Zjawiskiem tym jest światło. Czym jest światło? Już w starożytnej Grecji sformułowano hipotezę, że światło składa się z cząstek emitowanych przez świecące ciała. Tak uważał Arystoteles, a wiele wieków później Newton również był tego zdania. Arystoteles zakładał, że prędkość rozchodzenia się światła jest nieskończona. Ten pogląd dominował aż do połowy XVII wieku. Uważali tak na przykład wielcy uczeni, Johannes Kepler i Descartes, a także wielu innych. Galileusz jako pierwszy spróbował zmierzyć prędkość światła. W tym celu umieścił na dwóch wzgórzach oddalonych o jakieś półtora kilometra dwie pochodnie wyposażone w przesłony. Doświadczenie przebiegało następująco. Pierwszy obserwator odsłonił swoją pochodnię. Gdy wiązka światła dotarła do drugiego obserwatora, ten odsłaniał swoją pochodnię. Pierwszy obserwator miał zmierzyć czas między odsłonięciem swojej pochodni i obserwacją błysku drugiej pochodni. W ten sposób Galileusz chciał

określić czas przelotu światła od jednego wzgórza do drugiego i z powrotem. Doświadczenie się jednak nie powiodło i Galileusz doszedł do wniosku, że jeśli „światło nie rozchodzi się natychmiastowo, to w każdym razie z bardzo dużą prędkością". Rzecz jasna, tak wielkiej prędkości nie można było wyznaczyć za pomocą urządzeń, którymi dysponował Galileusz. Prędkość światła po raz pierwszy określił duński astronom Ole Roemer (1644-1710) w 1676 roku. Dokonał tego w sposób następujący. Włoski astronom Giovanni Cassini, znany z precyzyjnych obserwacji planet, które prowadził, posługując się dużymi teleskopami, w połowie XVII wieku ułożył tablice opisujące ruch księżyców Jowisza, odkrytych wcześniej przez Galileusza. Dalsze badania wykazały, że wynikający z obliczeń czas, kiedy lo, krążący po najbardziej wewnętrznej orbicie księżyc Jowisza, zniknie w cieniu tej wielkiej planety, nie zawsze zgadza się z obserwacjami. W miesiącach, gdy

Ziemia wskutek ruchu orbitalnego jest najbardziej oddalona od Jowisza, zaćmienia lo są opóźnione w porównaniu z przewidywaniami o prawie 22 minuty. Gdy obserwujemy lo w okresie, gdy odległość między Ziemią a Jowiszem jest minimalna, nie rejestrujemy żadnego opóźnienia. Gdy Roemer dowiedział się o tym, wyjaśnił obserwowane opóźnienie, sugerując, że światło potrzebuje dwudziestu dwóch minut, aby pokonać odległość równą średnicy ziemskiej orbity. W tym czasie znano już dość dokładnie średnicę orbity jiaszej planety. Po podzieleniu tej wielkości przez 22 minuty Roemer otrzymał pierwsze ilościowe oszacowanie prędkości światła, która według niego wynosiła około 214 000 km/s. Później stwierdzono, że jego wynik był mniejszy od prawdziwej prędkości światła o mniej więcej jedną trzecią.* Roemer jako pierwszy udowodnił, że światło nie rozchodzi się natychmiast - prędkość światła jest skończona, choć bardzo duża. Dopiero w połowie XIX wieku udało się wyznaczyć prędkość światła nie na podstawie obserwacji astronomicznych, lecz w eksperymencie przeprowadzonym na Ziemi. Metodę tę, będącą w istocie radykalnie zmodernizowaną wersją eksperymentu Galileusza, opracowali dwaj francuscy uczeni, H. L. Fizeau i J. B. L. Foucault. Dzięki niej ustalono, że prędkość światła wynosi około 300 000 km/s. Pod koniec lat siedemdziesiątych XIX wieku problemem pomiaru prędkości światła zainteresował się wybitny amerykański fizyk doświadczalny Albert Michelson (1852-1931). W przeprowadzonym wówczas doświadczeniu otrzymał prędkość 299 910 km/s. Problem ten zajmował Młchelsona do końca życia. W tym okresie okazało się, że prędkość światła odgrywa fundamental-

na rolę w prawach rządzących naszym światem. W 1929 roku w laboratorium Michelsona podjęto kolejną serię eksperymentów, mających na celu zmierzenie prędkości światła. Córka Michelsona wspomina, że w maju 1931 roku, w ostatnich dniach życia, jej ojciec, słynny fizyk ł laureat Nagrody Nobla, niecierpliwie oczekiwał na wyniki pomiarów: Siódmego maja Pease [asystent Michelsona] przyszedł do Michelsona z najnowszymi wynikami pomiarów prędkości światła: 299 774 km/s. Twarz Michelsona rozjaśniła się niczym uradowanego dziecka. Wiedząc, że długo już nie poży-je, powiedział Pease'owi, by przysunął sobie krzesło i otworzył notes, tak by mógł zacząć dyktować pracę „Pomiar prędkości światła w częściowej próżni". Ten wysiłek bardzo go wyczerpał i po podyktowaniu pierwszego paragrafu Michelson spokojnie zasnął [...]. 9 maja 1931 roku w godzinach rannych Michelson zmarł.* Wspomnienia córki świadczą o tym, jakim człowiekiem był Michelson, jeden z wielu uczonych, dla których poznanie Wszechświata było sensem życia. Dzięki takim ludziom udało się nam przeniknąć wiele tajemnic przyrody. Obecnie przyjmowana prędkość światła, wyznaczona za pomocą zegara atomowego, wynosi 299 792,458 km/s. Błąd pomiaru jest mniejszy niż 0,2 m/s. Nazwisko Michelsona nierozerwalnie wiąże się z eksperymentami, które doprowadziły do powstania szczególnej teorii względności. Teoria ta, sformułowana przez Alberta Einsteina w 1905 roku, umożliwiła spojrzenie na właściwości czasu i przestrzeni z zupełnie nowego punktu widzenia. Nim jednak omówimy doświadczenia Michelsona, cofnijmy się o sto lat, do czasów, kiedy fizycy usiłowali zrozumieć naturę światła. Hipotezę, że światło ma naturę falową, pierwszy sformułował czeski uczony Jan Marzi w 1648 roku, ale spójną falową

teorię światła przedstawił dopiero trzydzieści lat później holenderski fizyk Christiaan Huygens. Jego teoria elegancko wyjaśniała wiele efektów obserwowanych podczas odbicia i załamania światła oraz

zjawiska interferencji, dyfrakcji i polaryzacji światła, które teoria korpuskularna mogła wytłumaczyć tylko po przyjęciu bardzo sztucznych założeń, lub zupełnie sobie z nimi nie radziła. Fizycy musieli jednak przyjąć, że jeśli światło jest falą, to fale świetlne muszą się rozchodzić w jakimś ośrodku. Powszechnie królowała koncepcja, że jest nim eter - delikatny, przenikający wszystkie ciała, wypełniający cały Wszechświat. Pod koniec XIX wieku teoria fal świetlnych rozchodzących się w eterze zyskiwała coraz większą popularność. Niestety, fizycy byli zmuszeni przypisać eterowi bardzo zagadkowe cechy. Ośrodek ten musiałby mieć znacznie większą sprężystość niż zwyczajna materia, gdyż tylko wtedy drgania światła mogłyby wędrować z tak wielką prędkością, jaką obserwujemy. Jednocześnie eter musiał mieć zerową lepkość, aby ciała niebieskie mogły się w nim poruszać, nie doznając najmniejszego oporu, co potwierdzały obserwacje. Takie trudności można było jednak zignorować, przyjmując, że eter nie jest zwyczajną materią. Znany angielski uczony, Thomas Young, pisał na początku XIX wieku, że oprócz stałej, ciekłej i gazowej formy materii istnieją również postaci tylko częściowo materialne, odpowiedzialne za zjawiska elektryczne i magnetyczne, oraz eter. Czytelników zapewne zainteresuje to, że Young, jeden z twórców falowej teorii światła, był wyjątkowo utalentowanym człowiekiem. Już w wieku dwóch lat nauczył się płynnie czytać, a dwa lata później recytował liczne zapamiętane wiersze. Gdy miał osiem lat, skonstruował pierwsze instrumenty fizyczne, a następnie szybko opanował rachunek różniczkowy oraz wiele języków, w tym grekę, łacinę i arabski. Później pracował jako lekarz, fizyk i astronom, ale pod koniec życia zajął się układaniem słownika egipskiego. Young przeprowadził liczne doświadczenia, które wykazały, że światło ma naturę falową, i przedstawił wyczerpującą analizę tych eksperymentów. Udowodnił między innymi, że fale rietlne nie są podłużne, tak jak fale akustyczne, lecz pole, podobnie jak fale na powierzchni wody. | Po ukazaniu się prac Younga i innych fizyków uczeni uznali, j falowa natura światła została wykazana ponad wszelką wąt-ć. Teoria eteru była uważana za jedno z najważniejszych dęć fizyki XIX wieku. Fizycy sądzili, że kwestia istnienia L została ostatecznie rozstrzygnięta. Autor hasła „eter", napisanego na samym początku XX wie-do doskonałej i bardzo popularnej encyklopedii rosyjskiej okhausa i Ephrona, stwierdza z całym przekonaniem, że l chwilą gdy eksperymenty potwierdziły słuszność falowej teo-. światła, „istnienie eteru, będącego nośnikiem energii tam, gdzie nie istnieje żadna znana nam postać materii, zostało ^dowodnione i eter przestał być hipotezą". Kilka zdań dalej au-or z żalem zauważa, że „mimo to w naszych czasach wciąż są ysuwane argumenty przeciw istnieniu eteru". Widzimy zatem, iż większość fizyków zdecydowanie wierzyła, istnieje ośrodek przenikający całą przestrzeń. To oznaczało jjednak, że absolutna przestrzeń Newtona nie jest pusta, lecz Iwypełnia ją eter. Było zatem rzeczą naturalną podjęcie próby ^wyznaczenia prędkości Ziemi względem eteru, a tym samym ['względem absolutnej przestrzeni. Gdyby się to udało, newto-|nowska absolutna przestrzeń z czystej abstrakcji, nie przeja-f wiającej się w żadnych doświadczeniach, stałaby się konkret-i nym obiektem badań. Albert Michelson, o którym już pisałem, zainteresował się tym problemem w latach osiemdziesiątych XIX wieku. Zaprojektował doskonały, bardzo dokładny instrument, znany obecnie jako interferometr Michelsona. Z obliczeń wynikało, że interferometr ten powinien umożliwić rozwiązanie problemu eteru. Jak można zmierzyć prędkość Ziemi względem eteru? Ponie-[fważ z definicji wiatr eteru, wywołany ruchem Ziemi, powinien | swobodnie przenikać przez wszystkie ciała - w przeciwieństwie l do zwykłego wiatru - nie wywierając najmniejszego ciśnienia na ciała fizyczne, ruch Ziemi względem eteru można wykryć w na-I stepujący sposób. Doświadczenie wykonujemy w laboratorium poruszającym się względem eteru wraz z Ziemią. Wysyłamy sygnały świetlne w kierunku, w którym porusza się laboratorium. Odbijają się one od lustra i wracają do źródła. Te sygnały będziemy oznaczać

literą A. Drugi pakiet sygnałów świetlnych -oznaczamy go literą B - wysyłamy w kierunku prostopadłym do kierunku ruchu. Sygnały B, po pokonaniu dokładnie takiej samej odległości jak A, również odbijają się od lustra i wracają do źródła. Gdyby Ziemia pozostawała w stanie spoczynku względem eteru, sygnały A i B potrzebowałyby takiego samego czasu na powrót do źródła. Jeśli jednak Ziemia się porusza, to jak łatwo obliczyć - pojawi się niewielka różnica. Sygnał B potrzebuje wtedy nieco mniej czasu na pokonanie drogi do lustra i z powrotem niż sygnał A. Znając rozmiary instrumentu i mierząc opóźnienie sygnału A, można bez trudu wyznaczyć prędkość, z jaką Ziemia porusza się względem eteru. W instrumencie Michelsona światło miało do pokonania odległość około 22 metrów. Jeśli założymy, że prędkość wiatru eteru jest równa prędkości orbitalnej Ziemi, to można obliczyć, że opóźnienie sygnału A powinno wynosić zaledwie trzy dzie-sięciotysięczne jednej bilionowej części sekundy (trzy podzielone przez jedynkę z szesnastoma zerami). Interferometr Michelsona był tak precyzyjny, że pozwalał na wykrycie opóźnienia nawet sto razy mniejszego! Oczywiście, Ziemia porusza się względem eteru nie tylko wskutek ruchu orbitalnego wokół Słońca - Układ Słoneczny jako całość również się porusza. Z tego powodu Michelson i Morley nie znali kierunku wiatru eteru. Eksperymentatorzy wzięli to pod uwagę. Cały instrument, pływający w basenie wypełnionym rtęcią, powoli się obracał, dzięki czemu zmieniała się jego orientacja. Nie można było również z góry wykluczyć, że przypadkowo w chwili pomiaru prędkość orbitalna Ziemi będzie dokładnie kompensowała prędkość Układu Słonecznego. Aby nie doszło do takiego zbiegu okoliczności, pomiary powtarzano co trzy miesiące; w tym czasie kierunek ruchu orbitalnego Ziemi zmienia się w przybliżeniu o 90 stopni. W 1887 roku Michelson i Morley ogłosili wyniki nowych, najdokładniejszych pomiarów, przeprowadzonych za pomocą interferometru. Nie udało się im wykryć wiatru eteru. Michelson napisał wtedy list do słynnego angielskiego fizyka Johna Rayleigha; przedstawił w nim swoje próby wyznaczenia ruchu Ziemi względem eteru, które dały zdecydowanie negatywne wyniki. Rezultaty eksperymentu Michelsona i Morleya stanowiły dla wszystkich zagadkę. Michelson był bardzo rozczarowany. Wielu fizyków usiłowało znaleźć błąd w doświadczeniu lub skorygować teorię eteru; inni powtarzali doświadczenie, aby sprawdzić wynik. Przeprowadzono również pomiary za pomocą | instrumentu ustawionego na szczycie wzgórza, ponieważ, zdaniem niektórych fizyków, w takiej sytuacji wiatr eteru powinien być łatwiej wykrywalny. Wszystko na próżno. Wielkie rozczarowanie Michelsona okazało się jednak jego największym życiowym tryumfem. Negatywny wynik doświadczenia oznaczał, że eter nie tylko nie wpływa na ruch ciał niebieskich (co było oczywiste już wcześniej), ale również nie ma znaczenia dla l eksperymentów ze światłem. Wobec tego eter okazał się czystym wymysłem, fikcją! Eksperyment Młchelsona i Morleya nie tylko był śmierteli nym ciosem zadanym teorii eteru. Jego znaczenie okazało się l znacznie szersze. Otrzymany wynik świadczył o tym, że ruch Ziemi nie wpływa na prędkość światła, która jest zawsze taka sama. Proszę zwrócić uwagę, że ten wniosek nie zależy od tego, jaka jest natura światła. Jeśli Jednak światło nie jest falą drgań pewnego nieznanego ośrodka, przenikającego całą przestrzeń, czyli hipotetycznego eteru, to jaką ma naturę? Pod koniec XIX wieku fizycy mieli już gotową odpowiedź na to pytanie. Z badań Michaela Faradaya, Jamesa Clerka Max-wella i Heinricha Rudolpha Hertza wynikało, że światło to drgania pola elektromagnetycznego, które rozchodzą się w przestrzeni w postaci fal elektromagnetycznych. Fale takie, biegnąc w pustej przestrzeni, nie potrzebują żadnego ośrodka, żadnego eteru. Stało się zatem jasne, że eteru nie ma. Fizycy doszli zatem do wniosku, że światło to fala elektromagnetyczna, rozchodząca się w przestrzeni bez pośrednictwa jakiegokolwiek ośrodka.

Eksperymenty Michelsona i Morleya oraz inne doświadczenia wykazały, że światło ma naprawdę zdumiewające cechy. Okazało się, że niezależnie od tego, czy obserwator porusza się w tym samym kierunku, co wiązka światła, czy też w kierunku przeciwnym, prędkość światła względem obserwatora zawsze pozostaje taka sama! (Proszę zwrócić uwagę na to, że po wynalezieniu lasera stało się możliwe sprawdzenie, iż prędkość światła nie zależy od prędkości jego źródła, z błędem mniejszym niż 0,03 mm/s). W czasach Michelsona było to zupełnie niezrozumiałe. Wydawało się całkiem oczywiste, że jeśli samochód porusza się po szosie z prędkością 60 km/h, a obserwator zbliża się do niego z przeciwnego kierunku z taką samą prędkością, to względna prędkość samochodu i obserwatora wynosi 120 km/h. Tak jest rzeczywiście. W tym przypadku można po prostu dodać prędkości samochodu i obserwatora. Jeśli jednak jeden z samochodów zastąpimy wiązką światła, sytuacja radykalnie się zmienia. Prędkość, z jaką zbliża się świetlny sygnał, nie zależy od prędkości obserwatora. Znany polski fizyk Leopold Infeld napisał, że słynne doświadczenie Michelsona i Morleya „potwierdziło ostatecznie, że nie ma różnych prędkości światła! Są one we wszystkich kierunkach jednakowe, a wartość ich wynosi c, to znaczy równa jest prędkości światła, która w zadziwiający sposób pozostaje sama sobie wierna, zawsze stała, zawsze jednakowa. Wynik ten jest dla mechanistów katastrofalny".* Rzeczywiście, dla powszechnie akceptowanych koncepcji był to cios. Jak się później wyjaśniło (będzie o tym mowa w następnych rozdziałach), eksperyment Michelsona i Morleya nieuchronnie prowadzi do wniosku, że właściwości czasu i przestrzeni zmieniają się, gdy prędkość ciał staje się bardzo duża. Tego rewolucyjnego odkrycia dokonał w 1905 roku Albert Einstein.

CZAS NIE PŁYNIE ZAWSZE Z JEDNAKOWA SZYBKOŚCIĄ!

W tym miejscu zaczyna się historia wspaniałych odkryć naukowych XX wieku. Najbardziej imponującego odkrycia dokonał moim zdaniem Albert Einstein w pierwszych latach naszego stulecia, tworząc teorię względności. Einstein udowodnił, że nie istnieje absolutny czas, nie ma niezmiennej rzeki czasu, która jednakowo unosi wszystkie zdarzenia następujące we Wszechświecie. Akademik A. Aleksandrów z Akademii Nauk ZSRR pisał: „Największe odkrycie Einsteina, które stało się kamieniem węgielnym teorii względności i stanowiło punkt zwrotny w fizycznej i filozoficznej interpretacji przestrzeni i czasu, polegało na wykazaniu, że przyroda nie zna czasu absolutnego". Czas zachowuje się jak rzeka ze stałym, niezmiennym nurtem tylko w sytuacjach, do których jesteśmy przyzwyczajeni -gdy mamy do czynienia z niewielkimi prędkościami i energiami oddziaływań. W innych warunkach czas ma zupełnie inne właściwości! Wniosek, że czas ma względny charakter, wynika z teorii względności, którą Albert Einstein stworzył w 1905 roku. O Einsteinie napisano bardzo wiele książek, z pewnością więcej niż o jakimkolwiek innym uczonym. Stało się tak z kilku powodów. Zacytuję poniżej opinie kilku słynnych uczonych, którzy znali go osobiście, oraz jego własną wypowiedź; źródła

te mogą w pewnej mierze pomóc nam odtworzyć jego osobowość i zrozumieć przyczyny jego ogromnej popularności. Przede wszystkim, Einstein był naprawdę wielkim uczonym, a jego odkrycia dotyczyły najbardziej tajemniczych właściwości czasu i przestrzeni. Aura tajemnicy nieodmiennie przyciąga wszystkich, którzy zastanawiają się nad sensem świata i naszego istnienia (i którzy mają dość sił, by znaleźć na to czas w nieustannym zgiełku dnia codziennego). Radziecki fizyk teoretyk, Igor Tamm, pisał: Einsteina, którego Lenin uważał za jednego z największych rewolucjonistów w naukach przyrodniczych, słusznie po-

równuje się z Newtonem. Moim zdaniem to porównanie jest zasadne nie tylko w tym sensie, że odkrycia Newtona i Einsteina stanowią szczytowe osiągnięcia w ludzkich dążeniach do zrozumienia natury i górują ponad liczącą trzysta lat historią rozwoju nauki, pozostając ze sobą w bezpośrednim związku. Myślę, że Newtona i Einsteina można również porównywać w tym sensie, że Newton stworzył fundamenty nowożytnej nauki, natomiast dzieło Einsteina, teoria względności, stanowi zwieńczenie gmachu fizyki klasycznej. l W czasach władzy radzieckiej odwołanie się do autorytetu Le-rnina było uważane za najwyższą pochwałę. Zdaję sobie też sprawę z tego, że niektórzy radzieccy fizycy cytowali Lenina po to, aby ochronić rozwój ogólnej teorii względności w naszym kraju przed bardzo energicznymi próbami ogłoszenia dzieła Einsteina „burżuazyjną, idealistyczną antynauką"; w pewnym okresie ta groźba wydawała się bardzo realna. Znany astrofizyk z Moskwy, Josif S. Szkłowski, pisał, że „biurokratyczni wojownicy o marksistowską czystość zostali zganieni przez »górę« - kierownictwo zdawało sobie sprawę, że zachowanie potencjału militarnego kraju jest niemożliwe bez prawdziwej fizyki". Należy pamiętać, że w tym okresie w Związku Radzieckim prowadzone były intensywne prace nad skonstruowaniem rakiet i broni jądrowej. Później powrócę jeszcze do odkryć Einsteina. Wielkość jego osiągnięć nie może jednak w pełni wyjaśnić rozmiarów światowej sławy tego uczonego, która trwa przez cały XX wiek. To właśnie jest najbardziej zdumiewające, ponieważ zmienna moda nieustannie stwarza nowych idoli. Decydującym czynnikiem była osobowość Einsteina. Radziecki pisarz Walentin Kawierin powiedział kiedyś: „Najwyżej cenię u innych ludzi odwagę i dobroć. Możemy się chyba zgodzić, że kombinacja tych dwóch cech sprawia, że ktoś jest przyzwoitym człowiekiem. Te dwie cechy muszą określać jego stanowisko moralne". Uważam, że te dwa określenia składają się na krótką charakterystykę „dobrego człowieka". Dość trud-

no jest spełniać te wymagania przez całe życie. Nie każdemu się to udaje, a wielu nawet tego nie próbuje. Albert Einstein był człowiekiem dobrym i odważnym. Ludzie, którzy go znali, uważali, że jego dobroć wywodziła się z nadzwyczajnej jasności umysłu i nie podlegała nagłym przypływom uczuć i emocji. Einstein pomógł bardzo wielu ludziom. Szczególnie bliski był mu los uczonych, którzy cierpieli prześladowania po dojściu Hitlera do władzy. Polski fizyk Leopold Infeld tak pisał w magazynie literackim „Twórczość": Nigdy w życiu nie widziałem tyle dobroci tak oderwanej od jakiegokolwiek tła uczuciowego. Chociaż tylko fizyka i prawa przyrody miały znaczenie w życiu emocjonalnym Einsteina, nigdy nie odmawiał pomocy, jeśli uważał, że pomoc jest potrzebna, i gdy sądził, że może być skuteczna. Pisał tysiące listów polecających, dawał rady setkom ludzi, godzinami rozmawiał z wariatem, którego rodzina napisała do Einsteina, że jest on jedyną osobą, która może choremu pomóc.*

Czyż nie jest to wyjątkowy przykład dobroci i miłosierdzia, którego zazwyczaj brakuje w okrutnym życiu? Owa czystość intencji była tym cenniejsza, że emanowała z człowieka, który na pozór żył w świecie abstrakcyjnych wzorów, oddalonym od normalnego życia. Einstein naprawdę stronił od codziennych problemów - o ile nie chodziło o podstawowe ludzkie wartości. Starał się poświęcać minimum czasu na banalne problemy życiowe, oszczędzając czas na rzeczy naprawdę ważne. Nosił długie włosy, by zminimalizować liczbę wizyt u fryzjera, i chodził w skórzanej kurtce, aby jak najrzadziej kupować nowe ubranie; zrezygnował również ze skarpet, piżamy ł szelek. Pogrążony w myślach, często jadł zupełnie machinalnie, nie zdając sobie sprawy, co zjada. I był odważny! Nigdy nie zawahał się wystąpić w obronie słusznej sprawy, nigdy nie myślał o tym, czy podjęte działania nie przysporzą mu kłopotów. Podczas

pierwszej wojny światowej brał udział w antywojennych demonstracjach. Przez całe życie agitował na rzecz pokoju i jedności między ludźmi. Einstein obawiał się, że hitlerowskie Niemcy mogą skonstruować bombę atomową, toteż doprowadził - wraz z kilkoma innymi uczonymi - do zainicjowania programu budowy bomby w Stanach Zjednoczonych. Zdawał sobie sprawę, jeszcze przed pierwszą próbą nuklearną, jakim zagrożeniem jest nowa broń dla ludzkości i dlatego wypowiadał się na rzecz międzynarodowej kontroli zbrojeń atomowych. Chciałbym tutaj zacytować fragment listu Einsteina do In-felda z 1950 roku; nawet po niemal pięćdziesięciu latach wydaje się on mądry i aktualny: Wie pan, jak bardzo leży mi na sercu dążenie do prawdziwego pokoju. W obecnej okropnej sytuacji proste zamierzenia, które tutaj wchodzą w grę, dlatego nie mają widoków powodzenia, że wszędzie zaufanie do uczciwych zamierzeń drugiej strony jest zachwiane. Nie mam żadnych bezpośrednich propozycji. W tej chwili mogą wchodzić w rachubę pewne pojedyncze kroki różnych obozów, zdolnych powoli przywrócić zaufanie, bez którego nie ma konkretnych sposobów zachowania międzynarodowego bezpieczeństwa.* Wydaje się zatem zaskakujące, że ów człowiek budził nienawiść w ludziach, będących jego przeciwieństwem. Tacy ludzie posunęli się do założenia organizacji zwalczającej Einsteina i wzywali do tego, by go zamordować. W liście do swego przyjaciela, niemieckiego fizyka Maxa Borna, Einstein tak określił swoje stanowisko moralne: „Od człowieka należy wymagać, aby dał przykład czystości zasad etycznych i miał odwagę przestrzegać tych zasad w cynicznym społeczeństwie. Próbowałem tak żyć przez dłuższy czas, z różnym powodzeniem". Max Bom tak skomentował ten list: „mowa o [...] czystości i uczciwości myślenia i odczuwania. Czapki

z głów przed Einsteinem jako wzorem i nauczycielem jednego oraz drugiego". Chciałbym również wspomnieć o stosunku Einsteina do jego niezwykłej sławy - wydaje się, że była mu ona całkowicie obojętna. Raz jeszcze zacytuję Infelda: „Einstein traktował sławę z absolutną obojętnością. Zapewne był Jedynym człowiekiem, na którego największa wyobrażalna chwała nie wywarła najmniejszego wpływu. Jego medal Nagrody Nobla, wraz z licznymi innymi medalami i honorowymi dyplomami, spoczywał w pudle w sekretariacie i jestem przekonany, że Einstein nawet nie wiedział, jak ten medal wygląda". Sława, której Einstein doświadczał za życia, po śmierci uczonego wciąż się umacniała. Po części dlatego, że między jego naukowymi dokonaniami a działaniem na rzecz polepszenia losu ludzkości istniała całkowita harmonia. Połączenie niezwykłych zalet moralnych ze zdumiewającymi odkryciami tajemniczych właściwości czasu i przestrzeni stworzyło trwały fundament sławy Einsteina. Lew Landau, radziecki fizyk teoretyk i laureat Nagrody Nobla, wyjątkowo wysoko oceniał Einsteina. Witalłj L. Ginzburg zapamiętał taką jego wypowiedź: „Landau wprowadził skalę zasług w fizyce. Była to skala logarytmiczna (fizycy klasy 2 osiągnęli w nauce 10 razy mniej niż klasy 1). Z fizyków naszego wieku tylko Einstein zasłużył na ocenę 0,5. Bohr, Di-rac, Heisenberg i paru

innych tworzyło klasę l [...]. Jak widać, Landau umieścił Einsteina ponad wszystkimi innymi fizykami XX wieku i ta opinia jest po prostu niepodważalna". Wspomnienia ludzi, którzy znali Einsteina, oraz wypowiedzi wybitnych fizyków są pełne superlatywów. Pod ich wpływem czytelnik może dojść do wniosku, że Einstein był chodzącym ideałem, pozbawionym jakichkolwiek wad. Czy tak było rzeczywiście? Wydaje się to mało prawdopodobne. Normalni, żywi ludzie nie bywają idealni. Taka jest logika życia. Już od paru lat docierają do mnie opinie moich niemieckich kolegów, że w życiu prywatnym Einsteinowi brakowało sporo do ideału. Ostatnio ukazały się nawet książki, których autorzy, odwołując się do dokumentów, twierdzą, że Einstein miał wiele wad typowych dla zwykłych ludzi. Niełatwo dziś rozstrzygnąć, co

l Jest prawdą, a co plotką lub czczym wymysłem. Wielkie posta-1 cle historyczne zawsze stają się bohaterami mitów. Warto przypomnieć słowa Einsteina z listu do Maurice'a So-I lovine'a z 28 marca 1949 roku: „Często się zdarza, że wybitne } osobistości możemy zobaczyć tylko przez mgłę". Z osobistego doświadczenia wiem, że rekonstrukcja życia l znanej postaci jest szczególnie trudna. Zetknąłem się z tym problemem, gdy wraz z Aleksandrem Szarowem pracowaliśmy | nad biografią Edwina Hubble'a. W pełni się zgadzam z uwagą ; Znanego amerykańskiego astronoma, Alana Sandage'a, którą zacytowaliśmy w tej książce: „Wydaje mi się, że z naukowego punktu widzenia wiemy bardzo dużo o tym, czego on dokonał, i wszystko to jest dobrze udokumentowane w zapiskach i publikacjach. Nie ma żadnych problemów z jego wielkimi odkryciami, natomiast rekonstrukcja jego życia osobistego jest znacznie trudniejsza". Chciałbym zakończyć tę krótką dygresję o osobowości Einsteina, cytując dwa komentarze, które sformułował w liście do Infelda napisanym w 1950 roku. Pierwszy z nich wciąż wydaje się aktualny:

Dawniej człowiek był w gruncie rzeczy tylko piłką w rękach ślepych sił; dzisiaj jest poza tym piłką w rękach biurokratów. Zna pan powiedzenie Lichtenberga: „Człowiek uczy się niewiele przez doświadczenie, gdyż każde nowe głupstwo ukazuje mu się w nowym świetle".*

Drugi fragment charakteryzuje stosunek Einsteina do życia i jasno ukazuje naturalną harmonię jego wewnętrznego świata, zawsze zgodnego z biegiem procesów, którymi rządzi nasza rzeczywistość:

Życie to podniecające i wspaniałe widowisko. Lubię je. Gdybym jednak wiedział, że za trzy godziny mam umrzeć, wywarłoby to na mnie bardzo małe wrażenie. Pomyślałbym,

jak najlepiej wykorzystać owe trzy godziny. Później poskładałbym swoje papiery i położyłbym się spokojnie, by umrzeć.* Taki był twórca teorii względności. A co z niej wynika? Teoria Einsteina opiera się na dwóch postulatach, które stanowią uogólnienie obserwacji. Pierwszy z nich mówi, że jedno-, stajny ruch prostoliniowy nie wpływa w żaden sposób na zjawiska fizyczne. Z tym twierdzeniem spotkaliśmy się już wcześniej, omawiając zasadę względności ruchu Galileusza. Sformułowanie Einsteina stanowi jednak jej ważne uogólnienie. Jak pamiętamy, Galileusz mówił tylko o zjawiskach mechanicznych - ruchu ciał rzuconych, locie much i tak dalej. Na przebieg takich zjawisk nie ma wpływu ruch okrętu. Natomiast Einstein podkreślał, że nie tylko zjawiska mechaniczne, ale wszystkie inne, takie jak elektromagnetyczne, przebiegają w kabinie poruszającego się statku dokładnie tak samo, jak wtedy, gdy statek stoi na kotwicy. Drugi postulat teorii względności stwierdza, że prędkość światła w próżni jest zawsze taka sama, niezależnie od ruchu źródła lub detektora, i wynosi (według współczesnych danych) c = 2 999 792 458 m/s. Pierwszy postulat wydaje się w pełni naturalny, natomiast drugi budzi poważne wątpliwości.

Wyobraźmy sobie, że latarka i obserwator pozostają w spoczynku względem siebie. Obserwator stwierdza, że wiązka światła z latarki rozchodzi się z prędkością c. Wydaje się logiczne, że jeśli obserwator porusza się w kierunku latarki, to mierzona przez niego prędkość światła musi być większa niż c. Liczne doświadczenia wykazały jednak, że to przewidywanie jest błędne i prędkość światła się nie zmienia. Warto omówić tę sytuację nieco dokładniej. Przypuśćmy, że w rakiecie poruszającej się z dużą prędkością obserwator wysyła impuls światła z sufitu do podłogi; po

dbiciu się od lustra umieszczonego na podłodze sygnał wraca sufitu. Obserwator w rakiecie widzi, że wiązka światła po-isza się w obu kierunkach wzdłuż tej samej drogi. Natomiast iłem obserwatora pozostającego w stanie spoczynku na ze-lątrz rakiety światło porusza się wzdłuż trajektorii, mającej ostać litery V, znacznie dłuższej niż prosta trajektoria „w dół |l w górę". Wobec tego obserwator będący w stanie spoczynku r itwlerdza, że prędkość światła jest większa, niż wynika to z po-? mlaru obserwatora w rakiecie. Chwileczkę! Proszę pamiętać, że prędkość jest równa sto-' 0unkowi długości drogi do czasu jej przebycia. Według ze-jHmętrznego obserwatora droga światła jest dłuższa. Czy to znaczą, że prędkość jest również większa? Można by tak [twierdzić, gdyby czas zużyty na pokonanie drogi był jednakowy dla obu obserwatorów. Ale czyż równość ta nie jest oczywista? Przecież w obu przypadkach chodzi o czas wędrówki światła „od sufitu do podłogi i z powrotem". Oczywiście, lecz mierzone interwały czasowe byłyby jednakowe tylko wtedy, gdyby dla obserwatora pozostającego w stanie spoczynku i obserwatora będącego w ruchu czas płynął z taką sarną szybkością. Czy można w to wątpić? Czy czas nie płynie tak samo dla wszystkich? Tu kryje się pułapka. Milcząco zakładamy, że czas płynie z jednakową szybkością dla wszystkich obserwatorów. Na jakiej podstawie akceptujemy to założenie? Czynimy tak na podstawie zgromadzonych doświadczeń. We wszystkich sytuacjach, które kiedykolwiek przeżyliśmy, zegar tykał tak samo (o ile nie był zepsuty), niezależnie od ruchu. Innymi słowy, z naszych spostrzeżeń wynika, że czas płynie zawsze z taką samą szybkością. Dzieje się tak jednak tylko dlatego, że zwykle mamy do czynienia z ciałami poruszającymi się bardzo wolno! Eksperyment Michelsona i Morleya oraz późniejsze doświadczenia dostarczyły pierwszych dowodów na to, że czas nie płynie tak samo dla ciał poruszających się z dużą prędkością. Albert Einstein jako pierwszy zdał sobie z tego sprawę. Nie jest to wcale łatwe. W tym celu trzeba nie tylko przeanalizować wyniki wszystkich doświadczeń, ale - co ważniejsze - należy uwolnić się od stereotypów myślowych, od dawna uznawanych w nauce i na pozór niepodważalnych. Zgodnie z teorią Einsteina sytuacja wygląda następująco. Jeśli obserwator bada procesy zachodzące w układzie, który porusza się z dużą prędkością względem niego, to stwierdza, że toczą się one wolniej niż takie same procesy w jego układzie spoczynkowym. Na przykład zegar w rakiecie poruszającej się z dużą prędkością tyka wolniej niż taki sam zegar w laboratorium. To samo dotyczy skurczów serca astronauty, wszelkich procesów biochemicznych, zachodzących w jego organizmie, oscylacji elektronów w atomach i tak dalej. Wszystkie procesy zachodzą wolniej, a zatem sam czas płynie wolniej. Im większa prędkość rakiety, tym wolniej upływa czas. Gdy prędkość rakiety zbliża się do prędkości światła, szybkość upływu czasu dąży do zera (czas się zatrzymuje) i wszystkie procesy trwają nieskończenie długo. Jeśli prędkość pozostaje mała w porów-

naniu z prędkością światła (sięga na przykład prędkości ciał, z jakimi mamy do czynienia na Ziemi), to spowolnienie czasu Jest tak niewielkie, że nie sposób go zauważyć. Ktoś mógłby podejrzewać, że spowolnienie procesów jest tyl-I ko pozorne i wynika z tego, że rakieta oddala się z dużą prędko-I ścią. Odległość rakiety od obserwatora stale się zmienia, zatem f światło, które dostarcza informacji o procesach zachodzących l w rakiecie, opuszczając rakietę później, ma do

przebycia dłuższą drogę i potrzebuje na to więcej czasu. Czyż nie jest możliwe, że opóźnienie kolejnych sygnałów powoduje zniekształcenie | prawdziwego obrazu przebiegu zjawisk w rakiecie? Nie, wszystko, co powiedzieliśmy o spowolnieniu czasu, doty-I czy rzeczywistego tempa procesów i uwzględnia niejednakową i retardację sygnałów świetlnych, docierających do obserwatora. l Innymi słowy, mamy do czynienia z rzeczywistym spowolnieniem wszystkich zjawisk zachodzących w rakiecie, tak jak je widzi zewnętrzny obserwator. Gdy ktoś słyszy o spowolnieniu czasu po raz pierwszy, zapewne bardzo trudno jest mu się z tym pogodzić. Po raz pierwszy próbowałem to zrozumieć, gdy byłem w piątej klasie, ale minęło wiele lat, nim wszystko stało się dla mnie jasne. Powró-| cę jeszcze do kłopotów ze zrozumieniem teorii względności. Nasuwa się pytanie, czy jakieś obserwacje potwierdzają, że czas rzeczywiście płynie wolniej w szybko poruszającym się układzie? Owszem, wiele faktów świadczy o prawdziwości teorii Einsteina; stanowią one najpoważniejszy dowód słuszności wypływających z niej wniosków. Jak już podkreśliłem, spowolnienie czasu staje się zauważalne tylko wtedy, gdy ciało porusza się z prędkością zbliżoną do prędkości światła. Przyśpieszenie dużego ciała do tak dużej prędkości wymaga ogromnej energii i w ziemskich warunkach jest niewykonalne. Inaczej rzecz się przedstawia z cząstkami elementarnymi. Fizycy już dawno nauczyli się, jak je przyspieszać do prędkości bliskiej prędkości światła za pomocą specjalnych urządzeń, zwanych akceleratorami. Doświadczenia z cząstkami poruszającymi się z bardzo dużą prędkością w zupełności potwierdzają przewidywania wynikające z teorii względności.

Oto jak wygląda jedno z doświadczeń z cząstkami, zwanymi pionami, czyli mezonami n z ładunkiem elektrycznym. Cząstki te są nietrwałe i po powstaniu, w rezultacie pewnych procesów, po krótkim czasie ulegają spontanicznemu rozpadowi. Gdy mamy duży zbiór takich cząstek, poruszających się z niewielkimi prędkościami, po upływie siedemnastu miliardowych części sekundy polowa z nich ulega rozpadowi. Tyle wynosi tak zwany czas połowicznego rozpadu pionów. Po upływie kolejnych siedemnastu miliardowych sekundy rozpada się połowa cząstek, które dotychczas przeżyły, i tak dalej. Jeśli jednak piony poruszają się z prędkością równą około 0,9 prędkości światła, czas dla nich płynie wyraźnie wolniej ł według wskazań naszych zegarów ich życie się wydłuża. Daje się to zaobserwować. Czas rozpadu pionów poruszających się z taką prędkością wynosi trzydzieści dziewięć miliardowych części sekundy, czyli jest ponad dwa razy dłuższy niż czas rozpadu pionów pozostających w spoczynku. Wynik ten doskonale zgadza się z przewidywaniami wynikającymi z teorii względności. Jeszcze jeden przykład. Z przestrzeni kosmicznej nieustannie docierają do nas cząstki, mające bardzo dużą energię kinetyczną. Cząstki te tworzą tak zwane promieniowanie kosmiczne. W wyniku wzajemnego oddziaływania promieniowania kosmicznego i cząstek elementarnych w górnych warstwach atmosfery powstają liczne nowe cząstki elementarne, między innymi mio-ny. Miony również żyją bardzo krótko. Czas połowicznego rozpadu dla mionów wynosi dwie milionowe części sekundy, gdy cząstki te pozostają w spoczynku względem obserwatora. Miony powstające w górnej części atmosfery mają jednak prędkość bliską 0,99 prędkości światła. Gdyby dla mionu czas nie płynął wolniej, mógłby on przebyć zaledwie około sześciuset metrów, po czym uległby rozpadowi. W rzeczywistości z obserwacji wynika, że miony przed rozpadem pokonują odległość wielu tysięcy metrów. Jest to możliwe, ponieważ czas dla cząstek poruszających się z tak dużą prędkością płynie w przybliżeniu siedem razy wolniej niż dla nas. Dzięki temu miony żyją dłużej i mają dość czasu, aby pokonać taką odległość. Mogę przedstawić jeszcze bardziej imponujący przykład. Wśród cząstek promieniowania kosmicznego znajdują się protony (jądra atomów wodoru), które mają tak wielką energię, że Ich prędkość niemal nie różni się od prędkości światła - różnica pojawia się dopiero na dwudziestym (tak!) miejscu po prze-' cinku. Dla takich protonów czas płynie dziesięć miliardów razy wolniej niż dla nas. Jeśli według naszego zegara taki proton potrzebuje stu tysięcy lat, żeby przelecieć przez całą Galaktykę, to według „własnego zegara" pokonuje on tę odległość w zaledwie pięć minut. Ktoś mógłby powiedzieć, że to dotyczy tylko najdrobniejszych fragmentów materii. Czy w

przypadku ruchu ciał makroskopowych udało się kiedykolwiek zaobserwować znaczące spowolnienie czasu? Tak, takie zjawiska są dobrze znane. Obserwują je astronomowie. Pod koniec lat siedemdziesiątych grupa amerykańskich astronomów pod kierunkiem Bruce'a Margona odkryła obiekt, zwany SS 433, z którego są wyrzucane dwie ultrarela-tywistyczne strugi gazu. Układ ten składa się z dwóch gwiazd, połączonych przyciąganiem grawitacyjnym, które krążą wokół wspólnego środka masy. Odległość do tego układu wynosi około 10 tysięcy lat świetlnych. (Rok świetlny to odległość, jaką w ciągu roku pokonuje światło; rok świetlny wynosi w przybliżeniu dziesięć tysięcy miliardów kilometrów). Z powodu bardzo złożonych procesów, których nie będę tu omawiał, z układu są wyrzucane w przeciwnych kierunkach dwie strugi gazu; prędkość gazu wynosi około 80 000 km/s. To niemal jedna trzecia prędkości światła! Aby wyobrazić sobie energię wyrzucanego gazu, proszę wziąć pod uwagę, że w ciągu jednej sekundy każda struga wynosi z układu trylion ton gazu. Skoro gaz ma tak dużą prędkość, dla materii w strudze czas musi płynąć o parę procent wolniej niż dla nas. Spowolnienie czasu nie jest tak dramatyczne, jak w przypadku cząstek elementarnych, ale można je łatwo zmierzyć. Gaz wyrzucany z układu to przede wszystkim gorący wodór. W warunkach ziemskich gorący wodór emituje fale elektromagnetyczne o ściśle określonej częstości. Gdy analizujemy promieniowanie wo-

doru za pomocą spektrometru, przekonujemy się, że ma ono postać dyskretnych linii o określonym kolorze, odpowiadającym dobrze określonej częstości drgań elektronów, emitujących fale elektromagnetyczne. Skoro w szybkich strugach czas ulega spowolnieniu, to częstość linii emisyjnych wodoru zmniejsza się ł linie ulegają przesunięciu ku czerwieni. I to zjawisko obserwujemy. Proszę zwrócić uwagę, że gdy źródło światła porusza się względem obserwatora, częstość światła, a zatem również jego kolor, zmienia się z powodu nie mającego bezpośredniego związku z teorią względności. Mam na myśli zjawisko Dopplera, które znamy ze szkoły: gdy źródło zbliża się do obserwatora, częstość rejestrowanych fal wzrasta, a kolor przesuwa się ku fioletowi. Gdy źródło się oddala, światło ulega poczerwienieniu. Nie ma wątpliwości, że to zjawisko nie jest związane ze spowolnieniem czasu. W przypadku promieniowania z SS 433 obserwujemy również zwykły efekt Dopplera. Układ ten jest jednak tak zorientowany, że kierunek strug stale się zmienia, przy czym okres wynosi 164 dni. Dwa razy w ciągu jednego cyklu strugi poruszają się dokładnie pod kątem prostym do kierunku obserwacji. W tym momencie gaz ani się nie przybliża, ani nie oddala od Ziemi, a zatem zwykły efekt Dopplera nie powoduje zmian częstości promieniowania. (Pomijam tu stosunkowo małą prędkość ruchu SS 433 względem Układu Słonecznego). Obserwowane wówczas przesunięcie ku czerwieni linii widmowych wodoru jest spowodowane wyłącznie przez relatywistyczne spowolnienie czasu. Należy wspomnieć, że spowolnienie czasu wskutek ruchu z dużą prędkością udało się również zmierzyć za pomocą bardzo dokładnego zegara atomowego, umieszczonego w zwykłym samolocie pasażerskim. W takim przypadku trzeba było również wziąć pod uwagę inne subtelne efekty, wpływające na chód zegara. A zatem, chociaż wniosek, wypływający z teorii Einsteina -że z punktu widzenia obserwatora pozostającego w stanie spoczynku czas w poruszającym się układzie ulega spowolnieniu -

iaje się paradoksem, został on sprawdzony i potwierdzony i bardzo licznych doświadczeniach i obecnie nie ma najmniej -ch wątpliwości, że tak jest rzeczywiście. Czas ma zatem rakter względny. Czas absolutny nie istnieje. H Przekonaliśmy się już, że prędkość światła odgrywa wyjąt-rolę w teorii Einsteina. Z taką prędkością rozchodzą się l próżni wszystkie fale elektromagnetyczne, niezależnie od Bstości - od fal radiowych o niskiej częstości przez światło izialne i promieniowanie rentgenowskie do wysokoenerge-lego promieniowania y. Fale elektromagnetyczne biegną Itaką samą prędkością

względem każdego obserwatora. Z teorii względności wynika, że prędkość światła jest maksy-lą dopuszczalną prędkością, jaką spotykamy w przyrodzie, powiedział radziecki astrofizyk A. Czernin: „to absolutny Drd prędkości". Jaka przyczyna uniemożliwia przyspieszenie ciała do jeszcze ekszej prędkości? Prześledźmy, co się dzieje, gdy na ciało działa stała siła, któ-, powoduje, że ciało nieustannie przyspiesza i jego prędkość ista. Izaak Newton zakładał, że jeśli siła działa dostatecz-: długo, ciało może uzyskać dowolnie dużą prędkość. Z teorii isteina wynika natomiast, że gdy wzrasta prędkość ciała, sta również jego masa, będąca miarą bezwładności, czyli jjśoporu", jaki stawia ciało, gdy działa na nie pewna siła. Wzrost r jest konsekwencją słynnego odkrycia Einsteina, że masa i energia są równoważne. Gdy wzrasta prędkość ciała, wzrasta jtgo energia kinetyczna, a tym samym również masa. Jeśli jed-fnak wzrasta masa, to maleje przyspieszenie, powodowane l przez daną siłę. Gdy prędkość zbliża się do prędkości światła, masa wzrasta do nieskończoności i żadna siła nie może sprawić, że cząstka pokona barierę, jaką jest prędkość światła. Prędkość światła określa maksymalną prędkość, z jaką mogą rozchodzić się jakiekolwiek oddziaływania i sygnały przenoszące informacje. Musimy omówić jeszcze jedną cechę czasu, odkrytą przez Einsteina. Wyobraźmy sobie pociąg jadący z dużą prędkością. Pierwszy fizyk stoi w środku pociągu na otwartej platformie.

Drugi znajduje się na peronie i obserwuje przejeżdżający pociąg. Z przodu i z tyłu platformy umieszczone są lampy, które można włączyć w dowolnej chwili. W naszym doświadczeniu włączamy je w tak wybranej chwili, że światło obu lamp dociera do fizyka na platformie równocześnie, w chwili gdy mija on fizyka stojącego na peronie. Obaj fizycy dostrzegają światła obu lamp w tym samym momencie. Kiedy - ich zdaniem - zostały włączone lampy? Fizyk na platformie rozumuje następująco: „Stoję w środku platformy, w równej odległości od obu jej końców. Widziałem błyski obu lamp równocześnie, a skoro prędkość światła jest zawsze taka sama i wynosi c, to jest rzeczą oczywistą, że obie lampy zostały włączone równocześnie". Fizyk na peronie dochodzi natomiast do odmiennego wniosku: „Widziałem błyski obu lamp równocześnie, gdy mijał mnie środek platformy. Światło potrzebowało pewnego czasu, żeby do mnie dotrzeć, a w tym czasie pociąg się poruszał. Wobec tego tylna lampa znajdowała się w momencie włączenia w większej odległości niż przednia. Wynika z tego, że światło tylnej lampy miało do pokonania większą odległość. Prędkość światła jest zawsze taka sama i wynosi c. Widziałem błyski obu lamp równocześnie, a zatem sygnał z tylnej lampy musiał być wysłany wcześniej niż z przedniej. Obie lampy zostały włączone w różnych momentach". Z tego doświadczenia wynika, że według obserwatora pozostającego w spoczynku zdarzenia równoczesne w układzie poruszającym się z dużą prędkością nie są równoczesne. Okazuje się zatem, że na pozór proste i jasne pojęcie równoczesności nie jest wcale takie oczywiste. Nie istnieje równoczesność absolutna. Pojęcie równoczesności jest względne i zależy od ruchu układu odniesienia, w którym rozważamy zdarzenia. Jeśli zdarzenia zachodzą równocześnie i niezbyt daleko od siebie w przestrzeni, to nawet gdy rozpatrujemy je z układu odniesienia, poruszającego się z dużą prędkością, różnica czasu między dwoma zdarzeniami jest bardzo niewielka. Z tego powodu w codziennej praktyce równoczesność wydaje się pojęciem absolutnym, oczywistym i niezależnym od ruchu. Na przykład

twierdzenie, że pociąg opuścił stację w tej samej chwili, kiedy |zegar na wieży ratusza pokazywał godzinę dwunastą, wydaje | Się najzupełniej jasne zarówno dla obserwatora stojącego w pobliżu peronu, jak ł dla przejeżdżającego samochodem plac. Inaczej wygląda sytuacja, gdy zdarzenia są bardzo iległe w przestrzeni, a obserwatorzy poruszają się z dużą rędkością względem siebie. Gdy na przykład obserwator na Hemi stwierdza, że w południe w konstelacji Trójkąta nastąpił yrbuch supernowej, obserwator w rakiecie może być innego zdania. Z teorii względności wynika, że pojęcia „teraz", „wcześniej" |i .później" mają proste znaczenie tylko dla zdarzeń następują-pch w niewielkiej odległości od siebie. Dla zdarzeń bardzo ległych w przestrzeni

znaczenie tych pojęć jest dokładnie plkreślone tylko wtedy, gdy od jednego zdarzenia do drugiego Dżna przesłać sygnał, rozchodzący się z prędkością światła. }dy staje się to niemożliwe, określenie, które zdarzenie |nastąpiło wcześniej, a które później, zależy od prędkości ob-erwatora. To, co według jednego obserwatora nastąpiło ześniej, według drugiego, poruszającego się względem iterwszego, może być późniejsze. Między takimi zdarzeniami tle można ustalić relacji przyczynowej, a zatem nie mogą one siebie wpływać. W przeciwnym razie określenie, które zda-enie jest przyczyną, a które skutkiem, zależałoby od ruchu | obserwatora. Te właściwości czasu są bezpośrednio związane z faktem, że ||>rędkość światła w próżni jest zawsze taka sama i nie zależy lód ruchu obserwatora, a zarazem stanowi maksymalną możli-fwą prędkość. Nic w przyrodzie nie porusza się szybciej niż | światło w próżni. Na koniec chciałbym wspomnieć o jeszcze jednej konse-fltwencji teorii względności. Ciała poruszające się z dużą pręd-|Ilością ulegają skróceniu w kierunku ruchu, natomiast wymia-Wjr prostopadłe do kierunku ruchu ciała się nie zmieniają. Gdy [prędkość ciała jest niewielka, skrócenie jest niezauważalne, gdy prędkość zbliża się do prędkości światła, efekt ten sta-i się bardzo duży.

Z uwagi na swoje konsekwencje teoria względności radykalnie zmieniła nasze poglądy na czas i przestrzeń. W tym miejscu nasuwa się pytanie: „Co przeżywa astronauta, który siedzi w rakiecie, lecącej z dużą prędkością? Jak będzie postrzegał zmiany czasu i długości, które są tak oczywiste dla zewnętrznego obserwatora?" Odpowiedź jest oczywista: astronauta nie zauważy niczego dziwnego! Z punktu widzenia zewnętrznego obserwatora puls astronauty, tykanie zegara i wszystkie inne procesy zachodzące w rakiecie ulegają jednakowemu spowolnieniu. Wobec tego względna częstość pulsu astronauty i tyknięć zegara nie ulega zmianie. Powiedzmy, że serce astronauty wykonuje jeden skurcz na sekundę. Według czasu astronauty (tak zwanego czasu własnego) wszystkie procesy zachodzą z taką samą szybkością, jakby rakieta spoczywała. Natomiast wedle obserwatora zewnętrznego czas własny astronauty biegnie wolniej niż czas laboratoryjny. Nie ulega zatem wątpliwości, że rzeka czasu nie płynie wszędzie z taką samą prędkością. Astronauta nie może również wykryć skrócenia podłużnych rozmiarów rakiety. Każda miarka lub inny wzorzec odległości, którym mógłby się posłużyć, ulega takiemu samemu skróceniu jak rakieta, a zatem długość rakiety wyrażona za pomocą takich jednostek nie ulega zmianie po tym, jak rakieta nabrała wielkiej prędkości. Astronauta nie obserwuje zatem nic szczególnego! Nie odczuwa ruchu z wielką prędkością. Rzecz jasna, ten wniosek pozostaje w pełnej zgodzie z pierwszym postulatem teorii względności, który stwierdza, że wszystkie zjawiska w poruszającej się rakiecie zachodzą dokładnie tak samo, jak w rakiecie w stanie spoczynku. Skoro ruch jednostajny prostoliniowy jest względny i nie istnieje ruch absolutny, to astronauta ma pełne prawo uważać, że to on spoczywa, a obserwator na Ziemi leci w przeciwnym kierunku. Astronauta dochodzi wówczas do wniosku, że czas na Ziemi płynie wolniej niż w jego rakiecie. Czytelnik, dla którego jest to pierwszy kontakt z teorią względności i który zapomniał, co mówił mu nauczyciel fizyki w szkole, ma prawo zadać nastę-

pujące pytanie: „Jak to możliwe? Ziemski obserwator uważa, że wolniej płynie czas astronauty, natomiast astronauta twierdzi, Iż jest odwrotnie. Jak jest naprawdę? Mogę uwierzyć, że czas ulega spowolnieniu, choć niełatwo mi to przełknąć, ale czy wolniej płynie czas astronauty, czy obserwatora na Ziemi? Jak powiedział Kubuś Puchatek: »Zwykle tak bywa, że ogon jest albo go nie ma. Co do tego nie można się pomylić!*"* W rzeczywistości - choć to zapewne wydaje się dziwne - tak być nie musi. Nietrudno jest to wyjaśnić. Dla porównania przypomnijmy argument Galileusza na temat spadania ciał w kabinie poruszającego się statku. Zdaniem pasażera w kabinie upuszczony przedmiot spada prosto do jego stóp. Według obserwatora zewnętrznego spadający przedmiot porusza się wraz ze statkiem i jego

trajektoria ma kształt parabolł. Ktoś mógłby zapytać: jak ostatecznie porusza się ten przedmiot, po prostej czy po paraboli? Jest oczywiste, że pytanie o prawdziwy kształt trajektorii nie ma sensu. Kształt trajektorii zależy od przyjętego układu odniesienia. Trajektoria jest „naprawdę" prosta dla obserwatora na statku i „naprawdę" paraboliczna dla obserwatora na brzegu. Nie ma tu żadnej sprzeczności. Podobnie wygląda problem spowolnienia czasu. Czas astronauty płynie „naprawdę" wolniej dla obserwatora na Ziemi, natomiast według astronauty „naprawdę" wolniej zachodzą wszystkie procesy na Ziemi. Nie ma tu żadnej sprzeczności. Ten wniosek wypływa z teorii względności. Rzecz jasna, nie jest łatwo się z tym wszystkim pogodzić. Teoria Einsteina w nieuchronny sposób wynika jednak z obserwacji i eksperymentów. W takiej sytuacji warto przypomnieć sobie jedno z powiedzeń Sherlocka Holmesa: „Wyeliminuj wszystkie inne możliwości, a to, co ci zostanie, będzie prawdą".** Czytelnicy, którzy nie w pełni to wszystko zrozumieli, nie powinni wpadać w rozpacz. Po tym, jak Einstein ogłosił swoją

teorię, całkiem liczna grupa wybitnych fizyków potrzebowała długiego czasu, aby ją zrozumieć. Przeciętni uczeni, nie mówiąc już o ludziach nie znających fizyki, mieli ogromne trudności z zaakceptowaniem teorii, która obaliła wszystkie koncepcje czasu i przestrzeni, do których nawykli. Wielu z nich próbowało znaleźć błędy i sprzeczności w teorii Einsteina. Tego rodzaju próby nie ustały nawet po kilkudziesięciu latach od powstania teorii względności. Na przykład w 1931 roku, ćwierć wieku od opublikowania pracy Einsteina o teorii względności, w Lipsku została wydana książka, zatytułowana 100 autorów przeciw Einsteinowi. Stu ekspertów całkowicie odrzuciło teorię względności i wynikające z niej wnioski. Anegdota głosi, że gdy Einstein dowiedział się o tej książce, uśmiechnął się i powiedział z typową dla siebie flegmą, iż gdyby teoria była błędna, wystarczyłyby argumenty jednego eksperta. Warto wspomnieć, że obecnie uczniowie i studenci nie mają większych trudności z opanowaniem teorii Einsteina; zwykle przychodzi to im łatwiej niż fizykom z początku XX wieku, a nawet ludziom z mojego pokolenia, którzy się urodzili bliżej połowy tego stulecia. Dzieje się tak z oczywistego powodu: w ostatnich latach XX wieku styl naukowego rozumowania uległ wielkiej zmianie. Jak już wspomniałem, w czasach zbliżającego się przełomu w nauce zazwyczaj kilku uczonych jednocześnie jest bliskich sformułowania nowych zasad, aż wreszcie pojawia się prawdziwy geniusz, który nadaje im ostateczną postać. Podobnie rzecz się miała z teorią względności. Niektóre matematyczne wzory tej teorii były już znane pod koniec lat osiemdziesiątych XIX wieku. Holenderski fizyk Hendrik Lorentz i francuski matematyk Henri Poincare byli bardzo bliscy stworzenia teorii względności. Niemniej najważniejszy krok, który wymagał największej odwagi ł który zrewolucjonizował nasze poglądy na temat czasu i przestrzeni, zrobił dopiero Albert Einstein. W 1912 roku Hendrik Lorentz wspominał, jak przed 1905 rokiem (kiedy to została opublikowana praca Einsteina o teorii względności) usiłował wyjaśnić sprzeczności, wynikające z obserwacji. W pracy z 1904 roku nie udało mu się wyprowadzić reguł prze-

kształceń teorii względności w całkowicie satysfakcjonujący sposób; zamiast tego podał słabe argumenty. Lorentz dodał następnie, że wielkie osiągnięcie Einsteina polegało na tym, iż jako pierwszy przedstawił teorię względności w postaci ogólnego i ścisłego prawa. Nie mogę się powstrzymać od jeszcze jednej uwagi. Poczynając od 1990 roku kilku autorów usiłowało potwierdzić plotki, jakoby pierwsza żona Einsteina, Milewa Marić, odegrała istotną rolę w stworzeniu teorii względności. Nie sądzę, aby te plotki miały jakiekolwiek podstawy. Chciałbym tu zacytować opinię eksperta w dziedzinie historii nauki, profesora Uniwersytetu Harvarda, Geralda Holtona: Staranne badania znanych historyków fizyki, w tym Johna Stachela, Jurgena Renna, Roberta

Schulmana i Abrahama Paisa, wykazały, że naukowa współpraca między Milewa i Albertem była minimalna i jednostronna. Ożywiona dyskusja na ten temat, która wybuchła na początku lat dziewięćdziesiątych, była zapewne wywołana zapotrzebowaniem części czytelników na sensacje z dziedziny historii nauki.

ROZDZIAŁ 5

WEHIKUŁ CZASU

K toż z nas nie zaczytywał się w młodości słynną powieścią Wehikul czasu Herberta Wellsa? Bohater tej powieści korzysta z urządzenia do podróży w czasie, by odwiedzić Ziemię w odległej przyszłości. Wells obdarzył to urządzenie również zdolnością do podróżowania w przeszłość. Istnieje wiele książek, poświęconych fantastycznym rozważaniom na temat swobodnych podróży w przeszłość i przyszłość. Najprawdopodobniej autorzy nie mieli najmniejszych wątpliwości co do tego, że ich pomysły są dziełem czystej wyobraźni, i używali tej koncepcji jako swoistego chwytu literackiego. Wszystkie zgromadzone doświadczenia ludzkości i cała wiedza naukowa prowadziły do nieuchronnego wniosku, że podróże w czasie są niemożliwe. Dopuszczalny jest ruch w przestrzeni. Na przykład na Ziemi możemy wybrać się w podróż w dowolnym kierunku i później wrócić do punktu wyjścia. Natomiast wydawało się oczywiste, że nie jesteśmy w stanie wybrać kierunku ruchu w czasie; jesteśmy biernie „unoszeni" przez rzekę czasu. Zakładano, że tu właśnie kryje się różnica między czasem i przestrzenią. Gdy w 1905 roku Einstein odkrył zaskakujące właściwości czasu, wykazał jednocześnie fałsz twierdzenia, że jesteśmy

więźniami rzeki czasu i nie możemy sterować, gdy unosi nas jej nurt. Wcześniejsze przekonanie okazało się owocem ignorancji, konsekwencją ograniczonych możliwości w przeszłości. Czy to jednak oznacza, że możemy swobodnie buszować w czasie? Tak i nie! Teoria Einsteina rozwiązała, jeśli tak można powiedzieć, tylko połowę problemu. Okazało się, że potrafimy przyspieszyć „w dół rzeki", w kierunku przyszłości, zostawiając za sobą przeszłość. Z teorii względności nie wynika jednak, w jaki sposób można by podróżować „w górę rzeki", wracając do przeszłości. Jak dotrzeć do przyszłości, wyprzedzając czas? W tym celu bohater Wellsa wskoczył po prostu do wehikułu czasu, nacis-

nął dźwignię, machina zatrzęsła się i następnie przeniosła do innej epoki, znikając z teraźniejszości wraz z kierowcą. Z teorii względności wynika, że takie podróże w czasie są zakazane. Aby wędrować w czasie, należy również ruszać się w przestrzeni. By dotrzeć do przyszłości planety, należałoby wsiąść do rakiety z napędem fotonowym, przyspieszyć do prędkości bliskiej prędkości światła, przez jakiś czas podróżować przez przestrzeń (powiedzmy, przez rok), po czym powrócić na Ziemię. Z punktu widzenia ludzi na Ziemi czas w rakiecie poruszającej się z dużą prędkością płynie wolniej niż ich czas. Gdy załoga rakiety powróci wreszcie do domu, czas, jaki upłynął na Ziemi, będzie dłuższy niż okres, który przeżyli astronauci, a zatem dotrą oni do przyszłości naszej planety. W 1911 roku francuski fizyk Paul Langevin rozważał następujący eksperyment myślowy. Wyobraźmy sobie dwóch braci bliźniaków. Jeden z nich wyrusza w podróż rakietą kosmiczną, a drugi pozostaje na Ziemi. Gdy podróżnik wraca do domu, jest młodszy od swego brata bliźniaka. Dla astronauty stanowi to jawny dowód na to, że odbył podróż w przyszłość. Zdaniem niektórych teoretyków jest to niemożliwe. Twierdzą oni, że z teorii Einsteina wynika względność ruchu. Wobec tego astronauta może uważać, że to on pozostaje w spoczynku, a Ziemia wraz ze wszystkimi ludźmi ucieka w kosmos w przeciwnym kierunku. Z jego punktu widzenia zegary na Ziemi tykają wolniej niż zegar pokładowy. Astronauta wyciąga zatem wniosek, że gdy dojdzie do ponownego spotkania, brat bliźniak będzie młodszy. Otrzymujemy w ten sposób jawny paradoks. Obaj bracia twierdzą, że to ten drugi będzie młodszy. Który z nich ma rację? Gdy dojdzie do spotkania, zapewne wystarczy, by spojrzeli na siebie, a dowiedzą się prawdy. To właśnie jest ów słynny „paradoks bliźniąt". Specjaliści bardzo szybko wyjaśnili ten problem, ale dla niewtajemniczonych paradoks bliźniąt był dowodem niepopraw-ności teorii względności jeszcze przez wiele lat. Niestety, takie wywody wciąż można spotkać w literaturze. Który z braci jest starszy i dlaczego? Sedno sprawy kryje się w tym, że argumenty dotyczące spowolnienia czasu są ważne tylko w układach odniesienia poruszających się ze stałą prędkością. Fizycy mówią, że wzory Einsteina obowiązują (w takiej postaci, jaką on im nadał) tylko w inercjalnych układach odniesienia. Pasażer nie zauważa ruchu statku lub rakiety tylko wtedy, gdy pojazd ani nie przyspiesza, ani nie zwalnia. Nie ma natomiast wątpliwości, że astronauta czuje przyspieszenie podczas startu. Zapewne wszyscy słyszeli o przeciążeniu, jakiemu podlegają astronauci podczas startu i lądowania. Nie ma zatem wątpliwości, że sytuacja brata na Ziemi nie jest równoważna sytuacji astronauty w rakiecie. Ziemię można uważać, w pewnym przybliżeniu, za inercjalny układ odniesienia, natomiast astronauta, by powrócić do domu, musi wpierw wyhamować rakietę, następnie zawrócić i przyspieszyć do dużej prędkości, po czym raz jeszcze wyhamować, by bezpiecznie wylądować. Rzecz jasna, podczas hamowania i przyspieszania układ związany z rakietą nie jest inercjalny i astronauta odczuwa przeciążenie. W tym okresie nie obowiązują wzory Einsteina, dostosowane do układów inercjalnych, ł astronauta nie ma podstaw, by uznać, że to zegary na Ziemi chodzą wolniej. Nie będę tu szczegółowo analizował całego doświadczenia. Teoretycy wiedzą, jak obliczyć upływ czasu w układzie odniesienia poruszającym się z przyspieszeniem. Okazuje się, że nie ma tu żadnych sprzeczności i rację ma brat, który pozostał na Ziemi, ponieważ przez cały czas znajdował się w inercjalnym układzie odniesienia, podczas gdy rakieta poruszała się z przyspieszeniem. „Naiwne" przekonanie astronauty, że w tym okresie zegar na Ziemi chodził wolniej, jest błędne. Wobec tego astronauta po powrocie do domu przekona się, że dotarł do przyszłości. Im większa prędkość rakiety i im dłuższa podróż, w tym bardziej odległej przyszłości wyląduje astronauta. Możliwość odwiedzenia przyszłości wydaje się zdumiewająca dla każdego, kto po raz pierwszy czyta o teorii względności. Gdy byłem studentem trzeciego roku na Wydziale Astronomii Uniwersytetu Moskiewskiego, przypadkiem zauważyłem

„paradoks bliźniąt" na liście proponowanych tematów prac semestralnych. Później dowiedziałem się, że opiekunem naukowym, który zaproponował ten temat, był znany radziecki kosmolog A. Zelmanow.

W tym czasie teoria względności nie znalazła się jeszcze w programie fizyki w szkołach średnich. Mimo to przeczytałem kilka popularnych książek o teorii Einsteina i sądziłem, że mam pewne wyobrażenie o tym paradoksie. Nie znałem szczegółowo teorii względności, która, jak pamiętam, cieszyła się nie najlepszą reputacją, jako coś wyjątkowo skomplikowanego. Wątpiłem, czy sam będę w stanie cokolwiek obliczyć, ale aura tajemnicy była tak pociągająca, że udałem się do Zelmanowa. Zelmanow był człowiekiem cichym i wrażliwym, mającym ogromną wiedzę. Jego styl pracy był raczej typowy dla „starej szkoły" z końca XIX wieku. Mam tu na myśli brak pośpiechu, pełne namysłu pedantyczne rozważania, trwające całe lata, wielokrotne powtarzanie dokładnych obliczeń i wieloletnią pracę nad przygotowaniem pracy do druku. Ten styl był zupełnie inny od obowiązującego w nauce obecnie, zmuszającego wszystkich do ogromnego pośpiechu. Zelmanow już wcześniej sporo wycierpiał z powodu nieograniczonej, woluntarystycznej władzy przełożonych, którzy - choć całkowicie pozbawieni kompetencji naukowych - rządzili nauką i decydowali o jej losach. Kierownictwo uznało, że kosmologia -nauka o strukturze całego Wszechświata, opisująca między innymi jego rozszerzanie -jest pseudonauką, sprzeczną z zasadami dialekryki marksistowskiej. Na początku lat pięćdziesiątych Zelmanow został zwolniony z pracy w Instytucie Astronomicznym im. P. K. Szternberga w Moskwie. Gdy go poznałem, sytuacja już się poprawiła i Zelmanow wrócił do instytutu. Podczas naszej pierwszej rozmowy Zelmanow wyjaśnił mi dokładnie, czego ode mnie oczekuje. Miałem obliczyć, jak chodzi zegar na Ziemi według astronauty, jak wygląda Wszechświat oglądany przez okno w kabinie rakiety i tak dalej. Niewiele rozumiałem z tego, co do mnie mówił, przeto zacząłem pracę od przestudiowania słynnego podręcznika fizyki teoretycznej Lwa Landaua i Jewgienija Lifszyca, który polecił mi

Zelmanow jako dobre przygotowanie do pracy nad moim problemem. Po kilku tygodniach uznałem, że już dobrze rozumiem odpowiednie rozdziały podręcznika, i ponownie poszedłem na rozmowę z Zelmanowem. Wysłuchał mnie i powiedział: „Doskonale, teraz możesz zacząć liczyć". To była dla mnie niespodzianka. Zacząć liczyć? Jak? Nie miałem zielonego pojęcia, od czego zacząć. Zelmanow był jednak bardzo mądrym opiekunem. Natychmiast zrozumiał moje problemy i w paru słowach wskazał, jak powinienem zabrać się za obliczanie efektów związanych z ruchem układu odniesienia astronauty. Zacząłem liczyć. Później Zelmanow poradził mi, bym przeczytał dość trudną monografię W. A. Focka Teoria przestrzeni, czasu i grawitacji. Dzięki temu zrozumiałem kilka problemów i praca zaczęła się posuwać zdecydowanie szybciej, udało mi się nawet skończyć ją na czas. To była moja pierwsza praca z fizyki teoretycznej; parę lat później nawet opublikowałem uzyskane wyniki. Mój artykuł był interesujący głównie ze względów metodologicznych, ale zawierał kilka oryginalnych rezultatów. Najpierw rozważałem w nim problem, jak wygląda Wszechświat oglądany z okna rakiety laboratorium, pędzącej przez przestrzeń i czas. Astronauta zauważa dwa efekty. Pierwszy to dobrze znany efekt Dopplera, który sprawia, że gdy zbliżamy się do źródła, widzimy światło o barwie przesuniętej ku fioletowi, a gdy się oddalamy obserwujemy przesunięcie barwy ku czerwieni. To jednak nie wszystko. Gdy układ odniesienia porusza się z dużą prędkością, zmienia się również obserwowane położenie odległych gwiazd. Jaka jest tego przyczyna? Proszę sobie przypomnieć jazdę samochodem lub pociągiem podczas deszczu. Gdy samochód stoi, krople zostawiają na szybach pionowe ślady. Gdy jedzie, ślady biegną na skos, pochylając się w kierunku ruchu. Podobnie rzecz się ma ze światłem. Gdy obserwator porusza się z dużą prędkością, promienie światła pochylają się w kierunku ruchu. Wobec tego astronauta widzi, jak gwiazdy skupiają się w otoczeniu punktu, do którego leci. Zjawisko to jest znane

jako aberracja światła. Zmiany położenia gwiazd na niebie są oczywiście tym większe, im większa jest prędkość rakiety.

W swojej pracy obliczyłem, jak powinno wyglądać niebo z rakiety poruszającej się z prędkością 250 000 km/s. Rysunek 5.2 przedstawia widok z okna rakiety. Według astronauty gwiazdy dążą do punktu przeznaczenia rakiety. Gęstość gwiazd z przodu jest znacznie większa niż z tyłu rakiety, gdzie ich prawie nie widać. Wskutek zjawiska Dopplera zmianie ulega również kolor gwiazd. Przed sobą astronauta widzi niebieskawe gwiazdy o zwiększonej jasności, a z tylu może dostrzec tylko nieliczne, ciemne, czerwonawe punkciki. Jak wygląda rozkład lotu? W przypadku, który wówczas rozważałem, astronauta leciał do najbliższej gwiazdy (pomijając Słońce), czyli do gwiazdy Proxima Centauri. Odległość do niej wynosi czterdzieści tysięcy miliardów kilometrów (około 4,3 roku świetlnego). W przyjętym przeze mnie scenariuszu przez cztery i pół miesiąca rakieta poruszała się z przyśpieszeniem 3g, aż wreszcie osiągnęła prędkość 250 000 km/s. W tym momencie silniki zostały wyłączone i dalej rakieta leciała wskutek bezwładności. W tym okresie załoga mogła podziwiać ów niezwykły widok nieba. Po osiągnięciu odpowiedniej odległości astronauci włączyli silniki hamujące. Rakieta zwolniła, zatrzymała się, po czym zaczęła powrót, przyspieszając w kierunku Słońca. W odpowiedniej chwili astronauci znów zaczęli hamowanie i wylądowali na Ziemi. Według zegara na Ziemi cała podróż trwała dwanaście lat, natomiast według zegara pokładowego tylko siedem. Po powrocie na Ziemię astronauci przekonali się, że wykonali skok w przyszłość o pięć lat! W ten sposób działa kosmiczny wehikuł czasu. Jest oczywiste, że jeśli nawet pojazd porusza się z dużą prędkością i podróż kosmiczna trwa stosunkowo długo, to skok w czasie nie jest duży. Skok ten jednak jest czymś jak najbardziej rzeczywistym (a raczej: będzie w przyszłych podróżach kosmicznych). W zasadzie zjawisko to zachodzi zawsze, nawet jeśli układ porusza się z niewielką prędkością, ale normalnie można nie brać go pod uwagę. Gdy na przykład załoga radzieckiej stacji orbitalnej Salut powróciła na Ziemię w 1988 roku, po rocznym locie z prędkością 8 km/s po orbicie wokół Ziemi, wyprzedziła ona czas ziemski zaledwie o jedną setną sekundy. W przyszłości rakiety napędzane silnikami fotonowymi będą mogły osiągnąć prędkość bardzo bliską prędkości światła, znacznie bliższą niż w opisanym przykładzie, w którym przyjąłem, że prędkość rakiety wynosi 80% prędkości światła. Wtedy skok w przyszłość będzie znacznie większy. Przypuśćmy na przykład, że astronauci wybrali się rakietą fotonową do centrum Galaktyki i z powrotem (będzie to podróż w czasie i przestrzeni). Przyjmijmy, że przez pół drogi poruszają się z przyspieszeniem 2g, a przez drugą połowę hamują z takim samym przyspieszeniem. Tak samo przebiega droga powrotna. Według zegara ziemskiego taka podróż zajęłaby około sześćdziesięciu tysięcy lat. W tym czasie na Ziemi przeminęłoby wiele pokoleń. Natomiast według zegara pokładowego podróż trwałaby tylko

czterdzieści lat! Taki czas z pewnością jest krótszy od okresu aktywnego życia ludzkiego, a zatem astronauci, którzy wyruszyli w podróż, mogliby dożyć jej zakończenia. Po powrocie znaleźliby się jednak w bardzo odległej przyszłości naszej planety. Jaką sytuację zastaliby po powrocie? To już domena książek fantastycznonaukowych. Z pewnością pojawiłyby się liczne problemy, mające raczej charakter społeczny i psychiczny, a nie techniczny, o których niczego gruntownego nie możemy powiedzieć. Stanisław Lem, polski autor powieści fantastycznonaukowych, w książce Powrót z gwiazd przedstawił poruszający opis przeżyć ludzi, którzy zostali wyrzuceni w inną epokę i znaleźli się w zupełnie odmiennym świecie niż ten, do którego przywykli. Chciałbym również zwrócić uwagę na jeszcze jedną szczególną cechę podróży międzygwiezdnych. Na pierwszy rzut oka wydaje się, że ludzkość jest więźniem przestrzeni. Na pozór jednostka nie może oddalić się od miejsca urodzenia, tak jakby była do niego uwiązana na niewidzialnym łańcuchu czasu. Skoro nic nie może poruszać się z prędkością większą niż światło, to wydaje się, że w ciągu całego życia nie da się pokonać odległości większej niż, powiedzmy, sto lat świetlnych. W takiej odległości znajduje się tylko kilka najbliższych gwiazd.

W rzeczywistości jednak ta naiwna ocena opiera się na poważnym błędzie - pomija spowolnienie czasu w trakcie podróży. Gdy weźmiemy pod uwagę to zjawisko, przekonamy się, że statek kosmiczny może dolecieć do bardzo odległych zakątków Wszechświata. Czyż zatem perspektywy podróży międzygwiezdnych nie wydają się fascynujące? Naprawdę pomysłowi wynalazcy ukazują jednak perspektywy, które jeszcze bardziej zapierają dech w piersiach. Czy rzeczywiście trzeba przemierzać przestrzeń, decydując się na bardzo długi i wyczerpujący lot do odległych gwiazd? Czy nie można znaleźć jakiegoś skrótu? Proszę o cierpliwość, wkrótce wrócę do tego zagadnienia. Teraz chciałbym tylko zacytować wypowiedź jednego ze słuchaczy mojego wystąpienia na temat możliwości znalezienia takich skrótów, co miało miejsce podczas kolokwium w Instytucie Fizyki Teoretycznej ł Doświadczalnej w Moskwie. Lew Okuń, światowej sławy teoretyk, powiedział wtedy coś takiego: „Wiele lat temu, pewnej gwiaździstej nocy, wybrałem się na spacer z jednym z naszych najbardziej znanych fizyków. Patrząc na niebo, powiedziałem, że po prostu musi istnieć jakiś sposób, żeby dotrzeć do tych gwiazd, inny niż banalny, nie mający końca lot przez przestrzeń kosmiczną. Mój towarzysz spojrzał na mnie sceptycznie i rzekł: »Skończ z tym bezpodstawnym fantazjowaniem - to wszystko bajki«. Czyż nie jest cudowne, że dziś otwierają się przed nami takie możliwości? Rzecz jasna, tylko w teorii, ale jednak jest to możliwe". Okuń był bardzo zadowolony. Chciałbym dodać do jego wypowiedzi, że nauka zmusza nas do poważnego traktowania nawet najbardziej ekstrawaganckich przewidywań teoretycznych. Nie brakuje przykładów realizacji na pozór zupełnie nieprawdopodobnych marzeń, takich jak uwolnienie energii atomowej oraz podróże kosmiczne. Idee, którymi jeszcze wczoraj teoretycy zajmowali się w swoich pracach, jutro mogą stać się rzeczywistością. Musimy zatem pilnie śledzić przewidywania fizyków, nawet jeśli wydają się zupełnie fantastyczne. Na razie poprzestańmy na tych uwagach. W dalszej części książki wrócę do poszukiwań nowych dróg do gwiazd. Chciałbym poruszyć jeszcze jedną sprawę. Teoria względności otworzyła drogę do przyszłości. A co z przeszłością? Czy możemy powrócić do tego, co minęło? Czy możemy odwiedzić dawne epoki w historii Ziemi? Jak już wspomniałem, teoria względności nie przewiduje żadnej możliwości powrotu do przeszłości. A co z innymi teoriami, które powstały później? Czy może one rokują jakieś nadzieje? Znów muszę prosić czytelników o cierpliwość. Na razie zajmę się nieco innym pytaniem: czy przeszłość można zobaczyć? Radziecki fizyk i znany popularyzator nauki A. Czernin powiedział kiedyś, że „jeśli w ogóle cokolwiek można zobaczyć, to tylko przeszłość". W pierwszej chwili ta nieoczekiwana odpowiedź wydaje się bezsensowna. 96 •

RZEKA CZASU

W rzeczywistości jednak sprawa jest bardzo prosta. Obserwujemy otaczający nas świat, rejestrując promienie światła. Światło potrzebuje pewnego czasu, by dotrzeć do oka od obiektu, który oglądamy. Widzimy zatem ten obiekt w takim stanie, w jakim był, gdy opuściły go rejestrowane przez nas promienie światła. Rzecz jasna, ponieważ światło rozchodzi się z ogromną prędkością, a w życiu codziennym mamy do czynienia z obiektami położonymi w niewielkiej odległości, czas, jakiego potrzebuje światło na dotarcie do oka, nie jest brany pod uwagę. W każdym razie widzimy przedmioty w takim stanie, w jakim były chwilę wcześniej, gdy światło wyruszyło w drogę, a zatem oglądamy przeszłość! Nie bardzo odległą przeszłość, ale zawsze przeszłość. Sytuacja wygląda inaczej, gdy badamy obiekty na niebie. Światło potrzebuje ośmiu minut, żeby dotrzeć do nas ze Słońca. Światło innych gwiazd wędruje wiele lat, a światło galaktyk dociera do nas po milionach, a nawet miliardach lat. Takie obiekty obserwujemy w stanie, w jakim były w bardzo odległej przeszłości. W tym czasie mogły narodzić się i umrzeć nowe gwiazdy, mogły nawet powstać i ewoluować całe galaktyki. Ciała niebieskie, które leżą w różnych odległościach, obserwujemy zatem w różnych epokach: im dalej znajduje się obiekt, tym więcej czasu potrzebuje światło, żeby do nas dotrzeć,

a zatem widzimy ów obiekt w stanie, w jakim był w bardziej odległej przeszłości. Fakt ten jest źródłem poważnych trudności, z jakimi muszą sobie radzić astronomowie, gdy obserwują galaktyki leżące w różnych odległościach - obiekty te są w różnych fazach ewolucji. Porównując je, należy wziąć pod uwagę wpływ ewolucji w długim czasie. Nie jest to łatwe, ponieważ nie znamy w pełni praw rządzących ewolucją galaktyk i układów gwiezdnych, a zatem możemy się natknąć na najróżniejsze niespodzianki. Pozostawiam jednak takie trudności ekspertom i powracam do głównego tematu tej książki.

ROZDZIAŁ

6

CZAS, PRZESTRZEŃ I GRAWITACJA

Przestrzeń ma trzy wymiary, czyli można ją scharakteryzować, podając długość, szerokość i wysokość. To samo dotyczy ciał fizycznych w przestrzeni. Innymi słowy, aby określić położenie dowolnego punktu w przestrzeni, trzeba podać trzy liczby, tak zwane współrzędne punktu. Własności linii, płaszczyzn i bardziej skomplikowanych krzywych w przestrzeni opisuje geometria. Prawa geometrii są znane od starożytności; już w III wieku p.n.e. grecki matematyk Euklides zebrał je w systematyczny wykład. Geometria Euklidesa, której do dziś uczymy się w szkołach, stanowi harmonijny system aksjomatów i twierdzeń, które opisują wszystkie własności linii, powierzchni i brył. Jeśli chcemy badać nie tylko położenie ciał, ale również procesy w trójwymiarowej przestrzeni, musimy wziąć pod uwagę jeszcze czas. Zdarzenie zachodzące w pewnym punkcie można opisać, podając trzy współrzędne przestrzenne tego punktu oraz czwartą liczbę, określającą czas zdarzenia - czwartą współrzędną. W tym sensie można powiedzieć, że nasz świat jest czterowymiarowy. To wszystko jest, rzecz jasna, najzupełniej oczywiste. Dlaczego zatem przed odkryciem teorii względności nikt nie traktował takiego czterowymiarowego obrazu Wszechświata po-

ważnie i nie zwrócił uwagi, że wynikają z niego nowe prawa? Problem polegał na tym, że - jak się wydawało - przestrzeń i czas mają zupełnie odmienne właściwości. Gdy mówimy o przestrzeni, wyobrażamy sobie statyczny układ ciał lub geo metrycznych figur w przestrzeni, w ustalonej chwili. Natomiast czas nieustannie płynie (zawsze od przeszłości ku przyszłości) 1ciała zmieniają swojej położenie. Przestrzeń jest obiektem trójwymiarowym, a czas jednowymiarowym. Już starożytni filozofowie

porównywali czas do nieskończonej linii prostej, ale wydawało się to tylko użytecznym obrazem, pozbawionym głębszego znaczenia. Sytuacja zmieniła się radykalnie po odkryciu teorii względności. W 1908 roku niemiecki matematyk Hermann Minkowski, który rozwinął koncepcje Einsteina, powiedział: „Od tej chwili przestrzeń i czas, rozważane oddzielnie, muszą odejść w niebyt, a tylko pewna synteza tych wielkości staje się niezależną rzeczywistością". Co miał na myśli Minkowski, wyrażając tę śmiałą i kategoryczną opinię? Minkowski chciał podkreślić dwa aspekty czasu i przestrzeni. Po pierwsze, interwały czasu i odległości przestrzenne mają charakter względny, to znaczy zależą od wyboru układu odniesienia. Po drugie - i to miało największe znaczenie - czas i przestrzeń tworzą nierozdzielną całość, czterowymiarową czasoprzestrzeń. Przed Einsteinem fizycy nie zdawali sobie sprawy z istnienia ścisłego związku między czasem i przestrzenią. W jaki sposób objawia się ten związek? Najważniejszym jego przejawem jest możliwość określenia odległości przestrzennych za pomocą pomiaru czasu, jakiego potrzebuje światło lub inna fala elektromagnetyczna, by pokonać mierzoną odległość. Na tej metodzie opiera się działanie radaru. Sedno sprawy polega na tym, że prędkość fal elektromagnetycznych nie zależy od ruchu źródła lub ciała, od którego odbijają się fale, i zawsze wynosi c. Wobec tego odległość do danego ciała możemy znaleźć, mnożąc po prostu czas rozchodzenia się sygnału elektromagnetycznego przez stałą prędkość c. Przed odkryciem teorii względności fizycy nie wiedzieli, że prędkość światła jest stała i dlatego uważali, że ta metoda jest błędna. Rzecz jasna, można wybrać odwrotne podejście, czyli mierzyć czas, obserwując sygnał świetlny, który pokonuje znaną odległość. Jeśli na przykład sygnał świetlny oscyluje między dwoma lustrami oddalonymi o trzy metry, to każdy przeskok będzie trwał jedną stumilionową sekundy. Licząc wahnięcia tego niezwykłego wahadła świetlnego, można mierzyć czas w jednostkach równych jednej stumilionowej sekundy. Te przykłady ilustrują związek między czasem i przestrzenią. Odpowiednie interwały różnią się tylko stałym, dobrze znanym czynnikiem c. Innym, co najmniej równie ważnym przejawem związku między czasem i przestrzenią jest to, że w miarę jak wzrasta

prędkość ciała, szybkość upływu czasu własnego tego ciała maleje w takim samym stopniu, w jakim skróceniu ulegają jego rozmiary w kierunku ruchu. Z uwagi na tę zależność między odległością w przestrzeni pomiędzy dwoma zdarzeniami (na przykład błyskami dwóch lamp) i dzielącym je interwałem czasowym, można łatwo dowieść, że istnieje pewna wielkość stała dla wszystkich obserwatorów i niezależna od ich prędkości. Wielkość ta pełni rolę odległości w czasoprzestrzeni. Czasoprzestrzeń stanowi właśnie „syntezę" czasu i przestrzeni, o której mówił Minkowski. Nie jest zapewne trudno zrozumieć formalną unifikację czasu i przestrzeni. Znacznie trudniej wyobrazić sobie czterowy-miarowy świat. Nie ma w tym nic dziwnego. Gdy rysujemy figury geometryczne na płaszczyźnie, zazwyczaj nie mamy trudności z przedstawieniem naszych koncepcji, ponieważ figury te są dwuwymiarowe. Wiele osób ma trudności z wyobrażeniem sobie trójwymiarowych brył w przestrzeni - piramid, stożków, przecinających je płaszczyzn i tak dalej. Wyobrażenie sobie brył czterowymiaro-wych jest bardzo trudnym zadaniem nawet dla ekspertów, którzy nieustannie zajmują się teorią względności. Chciałbym tu zacytować wypowiedź słynnego angielskiego fizyka teoretyka, Stephena Hawkinga, eksperta w zakresie teorii względności. W swojej słynnej książce Krótka historia czasu. Hawking stwierdza: „Osobiście trudno jest mi wyobrazić sobie przestrzeń trójwymiarową!" To dowodzi, że czytelnicy, którzy nie potrafią wyobrazić sobie przestrzeni czterowymiarowej, nie powinni czuć się nieszczęśliwi. Eksperci posługują się pojęciem czasoprzestrzeni z dużym powodzeniem. Na przykład ruch ciała można przedstawić w postaci linii w czasoprzestrzeni. Na rysunku 6.2 na osi poziomej została odłożona odległość w jednym kierunku, a na osi pionowej

czas. Zaznaczamy na wykresie położenie ciała w każdej chwili. Jeśli ciało spoczywa w laboratorium to znaczy jeśli jego położenie w wybranym układzie odniesienia nie ulega zmianie - wykres ma postać pionowej linii. Jeśli ciało porusza się ze stałą prędkością, otrzymujemy linię prostą pochyloną pod pewnym kątem. Jeśli

ciało porusza się w bardziej skomplikowany sposób, otrzymujemy pewną krzywą. Trajektorię ciała w czasoprzestrzeni przyjęto nazywać jego linią świata. Zasadniczo powinniśmy sobie wyobrażać, że ciało porusza się również w dwóch pozostałych wymiarach, a nie tylko wzdłuż jednej wybranej osi. Linia świata przedstawia całą historię ciała w czasoprzestrzeni. Rysunek 6.2 ukazuje, że przestrzeń i czas mają taki sam status, a tylko odpowiednie współrzędne, przestrzenną i czasową, odkładamy na różnych osiach. Między czasem i przestrzenią istnieje jednak ważna różnica: możemy się zatrzymać w przestrzeni, ale nie w czasie. Na naszym rysunku linia świata ciała ciągnie się pionowo; przepływ czasu unosi ciało, nawet jeśli spoczywa ono w przestrzeni. Dzieje się tak dla wszystkich obiektów we Wszechświecie: linia świata żadnego ciała nie może się po prostu skończyć, urwać w pewnej chwili, ponieważ czas nigdy nie zamarza. Dopóki ciało istnieje, jego linia świata stale się wydłuża.

Jak widzimy, w pojęciu fizycznej czasoprzestrzeni nie kryje się żadna mistyczna tajemnica. Albert Einstein kiedyś zauważył, że człowiek nie znający matematyki odczuwa mistyczne drżenie, słysząc słowo „czterowymiarowa" -jest to uczucie podobne do tego, jakie wywołują duchy w teatrze, podczas gdy w rzeczywistości trudno o bardziej banalne stwierdzenie niż to, że świat wokół nas jest czterowymiarowa czasoprzestrzenią. Nie ma wątpliwości, że potrzeba czasu, by wszyscy mogli się przyzwyczaić do nowego pojęcia. Fizycy teoretycy posługują się pojęciem czterowymiarowego świata jako zwykłym narzędziem, manipulują liniami świata różnych ciał, obliczają ich długość, szukają punktów przecięcia i tak dalej. Do opisu tego świata służy czterowymiarowa geometria, podobna do geometrii Euklidesa. Na cześć Hermanna Minkowskiego taki czterowymia-rowy świat nazwano czasoprzestrzenią Minkowskiego. Po stworzeniu teorii względności w 1905 roku Albert Einstein przez dziesięć lat ciężko pracował, usiłując uzgodnić prawo grawitacji ze swoją teorią. Prawo powszechnego ciążenia Newtona jest nie do pogodzenia z teorią względności. Zgodnie z twierdzeniem Newtona siła przyciągania między dwoma ciałami jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi. Jeśli pozycja jednego ciała nagle się zmienia, to zmianie ulega również odległość między ciałami, co powoduje natychmiastową zmianę siły działającej na drugie ciało. Widzimy zatem, że według Newtona siła ciążenia rozchodzi się w przestrzeni z nieskończoną prędkością. Teoria względności stwierdza natomiast, że jest to po prostu niemożliwe. Prędkość rozchodzenia się wszelkich oddziaływań i sygnałów nie może być większa od prędkości światła, a zatem grawitacja nie jest w stanie działać natychmiastowo! W 1915 roku Einstein skończył pracę nad teorią, która stanowi połączenie teorii względności i teorii grawitacji. Nazwał ją ogólną teorią względności. Z tego powodu teorię z 1905 roku, która nie obejmuje grawitacji, przyjęto nazywać szczególną teorią względności. Matematyczny formalizm nowej teorii był bardzo skomplikowany i nieortodoksyjny dla ówczesnych fizyków. Z tego powodu wielu teoretyków nie zrozumiało i nie zaakceptowało od ra-] zu nowej teorii. Mimo matematycznej złożoności, podstawowe idee ogólnej l teorii względności są proste (jak wszystko, co jest naprawdę ważne), choć niezwykle śmiałe. Zmieniły one nasze poglądy na czas i przestrzeń w jeszcze większym stopniu niż szczególna teoria względności. Izaak Newton zdawał sobie świetnie sprawę z tego, że potra-| fił jedynie opisać działanie siły ciążenia, ale nie umiał wyjaśnić, jak siła grawitacji jest przenoszona między ciałami, czyli jaki jest mechanizm

działania grawitacji. Jak pisał: „Dotychczas nie zdołałem wywnioskować ze zjawisk przyczyny tych własności ciążenia i nie przedstawiam tu żadnych hipotez (Hypotheses nonfingo); wszystko bowiem, co nie wynika ze zjawisk, należy nazwać hipotezą". Newton zadowolił się stwierdzeniem, że grawitacja istnieje i działa zgodnie ze sformułowanymi przez niego prawami, które wyjaśniały ruch ciał niebieskich oraz pływy morza. Ogólna teoria względności Einsteina tłumaczy mechanizm działania grawitacji. Według tej teorii grawitacja radykalnie się różni od wszystkich innych sił przyrody. Aby wyjaśnić tę sprawę, skorzystajmy z następującej analogii. Kula tocząca się po płaszczyźnie porusza się po linii prostej, która stanowi najkrótszą drogę między dwoma punktami. Jeśli kula porusza się po zakrzywionej powierzchni, musi toczyć się wzdłuż krzywej linii, ponieważ na takiej powierzchni nie można wyznaczyć linii prostej. Jeśli na przykład kulka toczy się po powierzchni Ziemi (zakładamy, że Ziemia jest doskonałą kulą, bez żadnych gór, dolin i innych przeszkód), to porusza się po najkrótszej linii na sferze (takie linie na dowolnej zakrzywionej powierzchni nazywamy geodezyjnymi). Według teorii względności ciała powodują zakrzywienie czasoprzestrzeni w swoim otoczeniu. Wspominałem już o trudnościach z wyobrażeniem sobie czterowymiarowej czasoprzestrzeni, a jeśli jeszcze ma ona krzywiznę... Matematycy i fizycy mogą jednak żyć bez prób wizualizacji stosowanych pojęć. Dla nich krzywizna czasoprzestrzeni przejawia się w postaci zmian

w geometrycznych własnościach figur i brył. Na przykład stosunek długości obwodu okręgu do promienia dla koła na płaszczyźnie wynosi 2n, natomiast dla koła w zakrzywionej przestrzeni wielkość ta może mieć dowolną wartość. W zakrzywionej przestrzeni obowiązują inne prawa geometryczne niż w geometrii Euklidesa. Eksperci, znający te prawa, mogą swobodnie posługiwać się pojęciem zakrzywionej przestrzeni. Na początku XIX wieku rosyjski matematyk Nikołaj Łoba-czewski i Węgier Janos Bolyai, niezależnie od siebie, odkryli, że trójwymiarowa przestrzeń może być zakrzywiona. W połowie stulecia niemiecki matematyk Georg Riemann wprowadził pojęcie zakrzywionej przestrzeni o dowolnej liczbie wymiarów. Od tej pory geometrię zakrzywionej przestrzeni przyjęło się nazywać geometrią nieeuklidesową. Odkrywcy nieeuklidesowych geometrii nie wiedzieli, w jakich konkretnych warunkach mogą one się przejawiać, choć przedstawili kilka przypuszczeń. Matematyczny formalizm, który stworzyli Łobaczewski, Bolyai i Riemann oraz ich następcy, został później wykorzystany do sformułowania ogólnej teorii względności. Najważniejsza idea Einsteina polegała na przyjęciu, że ciała fizyczne powodują zakrzywienie czasoprzestrzeni. Zastanówmy się, jak w takiej czasoprzestrzeni poruszają się ciała o bardzo małej masie (fizycy nazywają je ciałami próbnymi). Z całą pewnością po geodezyjnych. W płaskiej czasoprzestrzeni geodezyjne to linie proste, natomiast w czasoprzestrzeni zakrzywionej są to pewne linie krzywe. Odchylenie takiej trajektorii od linii prostej interpretujemy jako skutek działania sił grawitacyjnych. Pole grawitacyjne ma zatem postać krzywizny czasoprzestrzeni. Wybitni amerykańscy fizycy Charles Misner, Kip Thorne i John Wheeler rozpoczęli swoją obszerną (1279 stron dużego formatu) monografię Grauttatton, wydaną w 1973 roku, następującą zabawną opowieścią: Pewnego razu student leżał w ogrodzie pod jabłonią, zastanawiając się nad różnicą między poglądami Einsteina i Newtona na grawitację. Nagłe w pobliżu spadło jabłko. Gdy spoj-

rżał na nie, zauważył, że po jego powierzchni biegają mrówki. Rozbudziło to ciekawość studenta, który postanowił zbadać zasady, jakimi kierują się mrówki, gdy wybierają drogę [...]. Jego wzrok padł na dwie mrówki, startujące z tego samego punktu P w nieco odmiennych kierunkach. Wybrane przez nie drogi przechodziły w pobliżu zagłębienia przy ogonku, po jego obu stronach. Każda mrówka poruszała się dokładnie po geodezyjnej. Każda szła po powierzchni jabłka, wybierając najprostszą

możliwą drogę. Jednakże z powodu zakrzywienia powierzchni jabłka w okolicy ogonka dwie trajektorie nie tylko się przecięły, ale nawet poprowadziły w zupełnie odmiennych kierunkach. - Czyż można prosić o lepszą ilustrację geometrycznej teorii grawitacji Einsteina? - mruknął student. Mrówki poruszają się tak, jakby przyciągał je ogonek jabłka [...]. Teraz lepiej rozumiem, o co chodzi w tej książce. Autorzy zakończyli wnioskiem: Przestrzeń działa na materię, mówiąc jej, jak się ma poruszać. I odwrotnie, materia działa na przestrzeń, mówiąc jej, jak ma być zakrzywiona. Wszystkie elementy tej opowieści są niezwykłe: czterowymiaro-wa zakrzywiona czasoprzestrzeń, której nie można sobie wyobrazić, interpretacja siły grawitacji za pomocą geometrii. W teorii względności fizyka została po raz pierwszy bezpośrednio powiązana z geometrią. Gdy przyglądamy się kolejnym sukcesom fizyki, przekonujemy się, że w miarę jak zbliżamy się do naszych czasów, odkrycia fizyczne stają się coraz bardziej niezwykłe, a stosowane pojęcia coraz trudniej sobie wyobrazić. Nie można na to nic poradzić: przyroda jest bardzo skomplikowana i musimy się pogodzić z tym, że zgłębianie jej tajemnic wymaga coraz większego wysiłku, w tym również wysiłku wyobraźni. Słowo „pogodzić się" nie jest tu właściwe - należałoby raczej podkreślić, że badanie tajemnic natury jest coraz bardziej fascynujące, nawet jeśli staje się coraz trudniejsze.

Czytelnikom przydadzą się jeszcze dwie informacje o teorii grawitacji Einsteina. W teorii Newtona pole grawitacyjne jest określone przez masę ciała, będącego jego źródłem. Zgodnie z teorią Einsteina wszystkie rodzaje energii są źródłem pola grawitacyjnego, w tym również energia związana z ciśnieniem i naprężeniem w ciałach oraz energia pola elektromagnetycznego. Z ogólnej teorii względności wynika również ważny wniosek, że gdy przyciągające się masy poruszają się z przyspieszeniem, emitują fale grawitacyjne, podobnie jak poruszające się z przyspieszeniem ładunki elektryczne są źródłem fal elektromagnetycznych. (Bardzo żałuję, że nie mogę tu dokładniej opowiedzieć, czym są fale grawitacyjne). Te dwa zjawiska są charakterystyczne dla teorii Einsteina, ale można je zaobserwować tylko w bardzo egzotycznych warunkach; w typowych sytuacjach różnice między przewidywaniami wynikającymi z teorii Einsteina i teorii Newtona stają się bardzo niewielkie i trudne do wykrycia. W takich okolicznościach obie teorie są właściwie nie do odróżnienia. Teoria Einsteina prowadzi natomiast do zupełnie innych przewidywań niż teoria Newtona, gdy mamy do czynienia z silnymi lub szybko zmieniającymi się polami grawitacyjnymi. Natychmiast po sformułowaniu ogólnej teorii względności Einstein wskazał na trzy zjawiska, które - choć bardzo słabe -pozwoliłyby jednak potwierdzić lub obalić nową teorię za pomocą obserwacji astronomicznych. Pierwsze dwa z tych zjawisk polegają na niewielkich odchyleniach od obliczonych na podstawie teorii Newtona trajektorii planet, krążących dookoła Słońca, oraz promieni światła, przechodzących tuż przy jego powierzchni. Obserwacje wykazały, że zjawiska te rzeczywiście mają miejsce i są zgodne z przewidywaniami nowej teorii. Był to równocześnie dowód na to, że przestrzeń wokół Słońca jest lekko zakrzywiona, a jej geometria różni się od geometrii Euklidesa. Trzecie zjawisko dotyczy czasu i dlatego omówię je bardziej szczegółowo. Z teorii Einsteina wynika, że w silnym polu grawitacyjnym czas ulega spowolnieniu. Oznacza to na przykład, że zegar na

powierzchni Słońca chodziłby nieco wolniej niż na Ziemi, po. nieważ grawitacyjne przyciąganie Słońca jest znacznie większe niż Ziemi. Z tego samego powodu wysoko ponad powierzchnią Ziemi zegar tykałby nieco szybciej niż zegar na poziomie morza. Fizycy przeprowadzili wiele eksperymentów, których celem było wykrycie i zmierzenie tego efektu; poniżej opiszę jedno z tych doświadczeń. Zacznijmy od grawitacyjnego spowolnienia czasu na powierzchni Słońca.

Obiektami, które pełniły na Słońcu rolę „zegarów", były atomy pierwiastków chemicznych. Linie absorpcyjne w widmie słonecznym odpowiadają pewnym częstościom drgań elektronów, przeskakujących między poziomami energii w atomach. Jeśli czas na Słońcu rzeczywiście płynie wolniej, to częstości tych drgań są mniejsze, a linie w widmie są przesunięte ku czerwieni. Przesunięcie to jest bardzo małe, ponieważ czas na powierzchni Słońca ulega spowolnieniu o czynnik równy jednej dwumilionowej. Takie jest też względne przesunięcie częstości linii widmowej. Zjawisko to nazywamy poczerwienieniem grawitacyjnym. Celem doświadczenia było zmierzenie tego przesunięcia, choć utrudniały jego realizację ruchy dużych mas gazu na powierzchni Słońca. Turbulentne ruchy gazu powodują wystąpienie zjawiska Dopplera, które zaciera efekt grawitacyjny. Pierwsze próby, podjęte wkrótce po sformułowaniu owych przewidywań, zakończyły się niepowodzeniem. Dopiero niedawno analizy widma słonecznego w pełni potwierdziły przewidywania wynikające z ogólnej teorii względności. W 1968 roku amerykański fizyk Irving Shapiro zmierzył spowolnienie czasu na powierzchni Słońca, posługując się bardzo pomysłową metodą. Shapiro rejestrował czas przejścia wiązki radarowej odbijającej się od Merkurego, gdy planeta ta znajdowała się po przeciwnej stronie Słońca niż Ziemia. Wiązka radaru musiała przelecieć dwukrotnie w pobliżu Słońca, a zatem potrzebowała nieco więcej czasu na pokonanie tej drogi niż wtedy, gdy Merkury nie kryje się za Słońcem. W doświadczeniu udało się dokładnie zmierzyć opóźnienie sygnału, równe około jednej dziesięciotysięcznej sekundy.

Astronomowie znają gwiazdy, które mają znacznie większą gęstość niż Słońce - są to gwiazdy neutronowe i białe karły. Pole grawitacyjne na powierzchni tych gwiazd jest znacznie silniejsze niż na powierzchni Słońca. Pomiary grawitacyjnego poczerwienienia widma takich gwiazd również potwierdziły teoretyczne przewidywania. Proszę zwrócić uwagę, że czas na powierzchni gwiazdy neutronowej płynie dwa razy wolniej niż na Słońcu! Szczególnie duże wrażenie robi to, że grawitacyjne spowolnienie czasu udało się również zmierzyć na Ziemi, w warunkach laboratoryjnych. Dokonali tego amerykańscy fizycy, Robert Pound i Glen Rebka, w 1960 roku. Porównywali oni szybkość upływu czasu u podstawy wieży i na wysokości 22,6 metra, gdzie zegar powinien tykać nieco szybciej. Ich „zegarem" był w rzeczywistości bardzo skomplikowany zestaw precyzyjnych instrumentów, wykorzystujących jako wzorzec linię emisyjną promieniowania y o dokładnie znanej częstości. Z teorii wynika, że różnica czasu między dwoma zegarami powinna być fantastycznie mała - zaledwie trzy dziesięcio-tysięczne jednej miliardowej części sekundy. Mimo to udało się ją zmierzyć i wynik potwierdził przewidywania teoretyczne! Szesnaście lat później podobne eksperymenty zostały powtórzone w zupełnie innych warunkach. W jednym z doświadczeń nadajnik emitujący fale o dokładnie znanej częstości został wyniesiony przez rakietę na wysokość 10 tysięcy kilometrów. Na takiej wysokości czas biegnie szybciej niż na powierzchni Ziemi; różnica jest bardzo mała, ale jednak sto tysięcy razy większa niż ta, którą mierzyli Pound i Rebka. Eksperyment (lot rakiety) trwał dwie godziny, ale przygotowania do niego zajęły pięć lat ciężkiej pracy. Przewidywania Einsteina zostały potwierdzone z błędem mniejszym niż dwie setne procent! Mniej więcej w tym samym czasie przeprowadzono bezpośrednie eksperymenty z superdokładnymi zegarami atomowymi. Fizycy włoscy wywieźli kilka takich zegarów na ciężarówce wysoko w góry, a po kilku godzinach sprowadzili je z powrotem do laboratorium, by porównać ich wskazania z zegarem, który

pozostawał tam przez cały czas. Okazało się, że zegar laboratoryjny spóźniał się, w pełnej zgodzie z przewidywaniami wynikającymi z ogólnej teorii względności (różnica była rzędu nano-sekundy, czyli jednej miliardowej sekundy). W podobnym doświadczeniu, przeprowadzonym w Stanach, zegar atomowy został umieszczony na pokładzie samolotu, który przez czternaście godzin latał na wysokości dziewięciu kilometrów. Po wylądowaniu porównano wskazania zegara z samolotu ze wskazaniami zegara laboratoryjnego. Słuszność teorii względności została raz jeszcze potwierdzona.

Obecnie nie ma najmniejszych wątpliwości, że czas ulega spowolnieniu w polu grawitacyjnym. W większości przypadków zmiany są tak małe, że trudno je zmierzyć, ale astronomowie i fizycy znają sytuacje, w których spowolnienie czasu jest bardzo duże. Ogólna teoria względności całkowicie zmieniła nasze poglądy na czas i przestrzeń. Czasoprzestrzeń nie jest niezmienną sceną, na której toczy się dramatyczna historia Wszechświata. Przestrzeń nie przypomina nieskończonej, sztywnej sieci krystalicznej. Ruch materii powoduje zakrzywienie czasoprzestrzeni i nieustannie zmienia jej geometryczne własności. Naiwne wyobrażenia naszych przodków na temat ogarniającej wszystkie zdarzenia, niezmiennej rzeki czasu stopniowo ustępują miejsca nowym koncepcjom. Czas nie płynie wszędzie Jednakowo, w niektórych miejscach jego nurt przyspiesza, gdzie indziej zwalnia. Jak się wkrótce przekonamy, rzeka czasu rozdziela się na mniejsze strumyki i potoki, które płyną z różną prędkością, zależną od lokalnych warunków.

ROZDZIAŁ

7

DZIURY W PRZESTRZENI I CZASIE

Gdy zacząłem poważnie studiować ogólną teorię względności (było to pod koniec lat pięćdziesiątych), nikt dobrze nie wiedział, czym jest czarna dziura. Nawet nazwa ta jeszcze się nie pojawiła: ani w ściśle naukowych, ani w popularnych publikacjach. Obecnie sytuacja wygląda zupełnie inaczej - niemal wszyscy czytali lub przynajmniej słyszeli o czarnych dziurach. Czarne dziury powstają pod wpływem ogromnych sił grawitacyjnych. Obiekty takie tworzą się, gdy wskutek procesu zapadania się materii pole grawitacyjne staje się tak silne, że nic, nawet światło, nie jest w stanie go opuścić. Dowolne ciało może wpaść w czarną dziurę, ale żadna droga nie prowadzi z niej na zewnątrz. Ż silnymi polami grawitacyjnymi zapoznałem się, przerabiając podręcznik Landaua i Lifszyca, o którym już wspomniałem. Czytałem go podczas studiów, pod kierunkiem Zelmanowa. Podręcznik ten zawiera bardzo krótkie, ale nad wyraz jasne omówienie własności grawitacyjnych sferycznej masy o bardzo dużej gęstości. Rozwiązanie równania Einsteina dla takiego przypadku znalazł niemiecki astronom Karl Schwarzschild; z tego powodu mówimy o czasoprzestrzeni lub czarnej dziurze Schwarzschilda.

Pamiętam, że ten rozdział podręcznika niezbyt mnie zainteresował. Mimo to wykonałem pewne obliczenia, wykorzystując podane w nim wzory oraz to, czego się dowiedziałem od Abra-ma Zelmanowa. Chciałbym przypomnieć, że obliczenia w teorii Einsteina są na ogół bardzo skomplikowane i często się zdarza, że w gąszczu wzorów ginie fizyczne znaczenie ostatecznego wyniku. Zelmanow uczył mnie podstaw tej nauki, czyli rozumienia znaczenia matematycznych wywodów. Wydaje mi się, że

najtrudniejszym zadaniem w tej najbardziej złożonej współczesnej teorii fizycznej jest „wydestylowanie" fizycznej treści z przeprowadzonych obliczeń. Jestem bardzo wdzięczny mojemu mentorowi za nauczenie mnie podstaw tej trudnej sztuki.

Obliczyłem wówczas siłę, z jaką masa centralna przyciąga ciało umieszczone na jej powierzchni. Wynik był dość dziwny. Jeśli promień sferycznej masy jest duży, to otrzymujemy taką samą siłę, jaką opisuje klasyczny wzór Newtona. Gdy jednak promień ciała centralnego się kurczy, pojawiają się odchylenia od tego prawa. Siła przyciągająca okazuje się większa niż wynika z prawa powszechnego ciążenia, choć początkowo różnica jest bardzo mała - staje się ona znacząca dopiero wtedy, gdy gęstość materii bardzo wzrasta. Dla mnie najważniejsze było odkrycie, że dla każdej masy istnieje pewien promień krytyczny, przy którym siła przyciągania staje się nieskończona! Promień ten przyjęto nazywać promieniem Schwarzschilda. Im większa masa, tym większy promień Schwarzschilda, ale jest on stosunkowo mały nawet dla ciał niebieskich: dla Ziemi wynosi zaledwie jeden centymetr, a dla Słońca trzy kilometry! Natychmiast zacząłem się zastanawiać, co się dzieje, gdy promień ciała jest mniejszy od promienia Schwarzschłlda? Na pierwszy rzut oka wydawało się, że siła przyciągania staje się wtedy nieskończona, ale ten absurdalny wniosek nie mógł być poprawny. Poszedłem z tym do swojego profesora, który jednak powiedział mi tylko, że istnienie takich ciał uważa się powszechnie za fizycznie niemożliwe, chociaż nigdy nie spotkał się z wyjaśnieniem tego założenia. Później się przekonałem, że nie tylko Zelmanow, ale również żaden inny fizyk nie zadał sobie trudu, by rozwiązać ten problem. Zagadnienie to po prostu pozostało na uboczu głównego nurtu nauki. Nigdzie we Wszechświecie astronomowie nie znaleźli takich gęstych obiektów. Wszystkie dyskusje w tej dziedzinie uważano za jałowe spory, a poza tym w owych czasach bardzo nieliczni fizycy dobrze znali ogólną teorię względności. Astronomowie uważali, że jest ona bezużyteczna, ponieważ dotyczy tylko silnych pól grawitacyjnych, których nigdzie nie zaobserwowano. Zapamiętałem jednak ten problem i po skończeniu studiów postanowiłem się nim zająć na serio. Początkowo sądziłem, że rzeczywiście żadne ciało nie może się zapaść do rozmiarów mniejszych niż promień Schwarzschilda, ale wkrótce się przekonałem, że popełniłem błąd. W 1939 roku dwaj amerykańscy fizycy, Robert Oppen-leimer (który później kierował budową bomby atomowej) oraz Hartland Snyder, podali dokładny matematyczny opis ,'procesu grawitacyjnego zapadania się sferycznej masy pod iWpływem własnego pola grawitacyjnego. Jeśli sferyczna masa Skurczy się do rozmiarów mniejszych od promienia Schwarz-[ schłlda, to żadna siła nie może już powstrzymać procesu zapa-I dania się ciała. Gdyby proces zapadania zatrzymał się w chwi-l U zrównania promienia ciała z promieniem Schwarzschilda, [•Siła grawitacyjna na jego powierzchni byłaby nieskończona li nic nie mogłoby jej zrównoważyć, a zatem proces zapadania musiałby się toczyć dalej. Ale gdy materia swobodnie spada w kierunku środka, nie odczuwa siły grawitacji. Jak dobrze wiadomo, każde swobodnie spadające ciało znaj-: duje się w stanie nieważkości. Dotyczy to również zapadającej się materii: gdy sferyczne ciało zapada się pod działaniem własnej grawitacji, na jego powierzchni nie odczuwa się siły grawitacji. Gdy ciało przekroczy promień Schwarzschilda, nic już nie może powstrzymać dalszego zapadania. Materia nieuchronnie spada do środka i w ten sposób powstaje czarna dziura. Wewnątrz sfery o promieniu równym promieniowi Schwarzschilda siła grawitacji jest tak wielka, że nawet światło nie może uciec z tego obszaru. Nazwę „czarna dziura" wprowadził w 1968 roku John Archi-bald Wheeler. Okazała się nad wyraz udana i natychmiast się przyjęła. Granice czarnej dziury określa się mianem horyzontu zdarzeń. Nazwę tę można łatwo zrozumieć, ponieważ żaden sygnał, niosący informacje o zdarzeniach wewnątrz czarnej dziury, nie może przekroczyć horyzontu i dotrzeć do zewnętrznego obserwatora. Wobec tego taki obserwator nigdy się nie dowie, jakie procesy zachodzą w czarnej dziurze. W otoczeniu czarnej dziury istnieje niezwykle silne pole grawitacyjne, ale na rym sprawa się nie kończy. Jak pamiętamy, w silnym polu grawitacyjnym zmianie ulegają geometryczne właściwości przestrzeni i następuje spowolnienie czasu.

W pobliżu horyzontu zdarzeń przestrzeń ma bardzo dużą krzywiznę. Zakrzywienie przestrzeni można obliczyć w nastę-

pujący sposób. Zastąpmy trójwymiarową przestrzeń dwuwymiarową płaszczyzną - będzie nam łatwiej wyobrazić sobie krzywiznę (rys. 7.2). Pustą przestrzeń przedstawia płaszczyzna (a). Gdy umieścimy w przestrzeni masywną sferę, przestrzeń wokół niej ulegnie zakrzywieniu. Załóżmy teraz, że sfera się kurczy, a zatem pole grawitacyjne na jej powierzchni staje się coraz silniejsze. Przedstawia to rysunek 7.2b, gdzie oś czasu, mierzonego przez obserwatora na powierzchni sfery, jest narysowana prostopadle do płaszczyzny reprezentującej przestrzeń. W miarę jak pole grawitacyjne staje się coraz silniejsze, wzrasta krzywizna przestrzeni. Wreszcie, gdy sfera znika pod horyzontem zdarzeń, powstaje czarna dziura, a krzywizna powoduje, że „ściany" ustawiają się pionowo. Geometria takiej zakrzywionej powierzchni w pobliżu czarnej dziury jest zupełnie inna niż euklidesowa geometria płaszczyzny. Widzimy, że z punktu widzenia geometrii przestrzeni czarna dziura rzeczywiście wygląda jak dziura w przestrzeni. Przyjrzyjmy się teraz, jak płynie czas. Z punktu widzenia zewnętrznego obserwatora, im bliżej horyzontu zdarzeń, tym wolniej czas upływa. Na granicy czarnej dziury upływ czasu zamiera. Sytuacja przypomina przepływ wody przy brzegu rzeki, gdzie prąd niemal się zatrzymuje. To barwne porównanie zaproponował profesor Libscher, z którym kiedyś napisałem artykuł o własnościach czarnych dziur. Obserwator, który wybierze się w podróż do czarnej dziury na pokładzie statku kosmicznego, zaobserwuje zupełnie inny przebieg zdarzeń. Potężne pole grawitacyjne w pobliżu czarnej dziury sprawia, że statek porusza się z prędkością zbliżoną do prędkości światła. Mimo to odległy obserwator uważa, że statek zwalnia i zatrzymuje się na horyzoncie. Z jego punktu widzenia na horyzoncie czas przestaje płynąć. Gdy prędkość statku zbliża się do prędkości światła, czas na statku również płynie coraz wolniej, jak w każdym poruszającym się układzie odniesienia. Z punktu widzenia zewnętrznego obserwatora czas spadku statku na horyzont jest nieskończony, natomiast znajdujący się na pokładzie statku obserwator, który posługuje się rozciągniętymi sekundami, stwierdza, że

czas ten równa się skończonej liczbie takich jednostek. Według obserwatora zewnętrznego czas spadania jest nieskończony, dla obserwatora na statku zaś - skończony i bardzo krótki. To, co jednemu obserwatorowi wydaje się nieskończone, dla innego może być skończone. Mamy tu zatem przykład fantastycznej zmiany postrzegania upływu czasu. To, co powiedziałem o obserwatorze na pokładzie statku, dotyczy w równym stopniu obserwatora na powierzchni zapadającej się sfery podczas procesu powstawania czarnej dziury. Prawdopodobnie czytelnicy już rozumieją, na czym polegał mój błąd, gdy doszedłem do wniosku, że powstanie czarnej dziury jest niemożliwe. Śledziłem przebieg tego procesu, posługując się czasem odległego obserwatora, i stwierdziłem, że powstanie czarnej dziury trwałoby nieskończenie długo. W rzeczywistości należy tu użyć czasu obserwatora poruszającego się wraz z materią. Według jego zegara proces zapadania się ciała nie tylko nie wymaga nieskończonego czasu, ale nawet zachodzi bardzo szybko. Obserwator połknięty przez czarną dziurę nigdy nie zdoła się z niej wydostać, niezależnie od mocy silników jego statku kosmicznego. Nie będzie również w stanie wysłać żadnych wiadomości, żadnych sygnałów. Nawet najszybszy sygnał - światło - nie potrafi uciec z czarnej dziury. Zdaniem zewnętrznego obserwatora, który mierzy czas, posługując się swoim zegarem, statek kosmiczny spada w czarną dziurę nieskończenie długo. Wobec tego los swobodnie spadającego obserwatora i statku kosmicznego po przekroczeniu horyzontu zdarzeń leży poza czasem zewnętrznego obserwatora. W tym

sensie czarne dziury stanowią dziury w czasie Wszechświata. Muszę natychmiast dodać, że nie oznacza to, iż wewnątrz czarnej dziury czas przestaje płynąć. Czas płynie dalej, ale jest to inny czas i biegnie on inaczej niż czas zewnętrznego obserwatora. Parę lat po studiach napisałem pracę o tym „innym" czasie i wciąż jest to jedna z moich ulubionych prac. Sedno mojego odkrycia polega na stwierdzeniu, że gdy przechodzimy z prze-

scni na zewnątrz czarnej dziury do przestrzeni w jej wnę-U, współrzędna czasowa i mierzona wzdłuż promienia czar-| dziury (radialna) zamieniają się miejscami. Innymi słowy, i zmienia się we współrzędną radialną, a odległość radialna hienia się w czas! p Procesy te można w pewnym stopniu zrozumieć, przygląda-: się rysunkowi 7.2b. Przestrzeń, która była zakrzywiona dczas powstawania czarnej dziury, staje się pionowa na jej rdnicy (najwyższa powierzchnia na rys. 7.2b); ponieważ czas dkładamy wzdłuż osi pionowej, przestrzeń (współrzędna ra-lalna) ulega przemianie w czas. Z teorii Einsteina wynikają paprawdę fascynujące rzeczy! p Gdy wypisałem odpowiednie równania (ostateczny wynik jBajmował tylko jedną linijkę), poszedłem, jak to było w zwycza-|u, pokazać je Zelmanowowi. Wystarczyło mu jedno krótkie •Spojrzenie i natychmiast wszystko zrozumiał. Po paru sekun-Sdach powiedział: „Opublikuj to, i to jak najszybciej". Był to Ogromny komplement z ust uczonego, który zazwyczaj nalegał, | by wszystko wielokrotnie przemyśleć i obliczyć, i który własne \ artykuły szlifował latami. W ten sposób rozpocząłem swoje badania fizyki czarnych dziur. Pod koniec lat pięćdziesiątych kilku młodych fizyków z innych krajów zainteresowało się problemem własności wnętrza czarnych dziur; należeli do nich: D. Finkelstein, M. Kruskal i inni. W początkowej fazie moich badań nie znałem jednak ich prac i samodzielnie posuwałem się naprzód. Udało mi się obliczyć, jak poruszałoby się swobodne ciało pod horyzontem zdarzeń. Nazwałem ten obszar, w którym żadne ciało nie może pozostawać w spoczynku i gdzie wszystkie ciała spadają do środka, T-obszarem. Nazwa ta podkreśla obowiązkową zależność wielkości fizycznych od czasu T. Jeszcze dziś często spotyka się tę nazwę. Wiadomo, że uczeni bardzo się przywiązują do wymyślonych przez siebie terminów i czują coś w rodzaju zazdrości, gdy ktoś, posługując się danym terminem, nie wspomni nazwiska autora. Na pierwszy rzut oka wydaje się to dziwne. Czyż nie jest oczywiste, że otrzymanie jakiegoś niebanalnego wyniku

teoretycznego jest trudnym zadaniem, i jeśli komuś udało śle zrobić coś ważnego, to powinien cieszyć się z tego bardziej nił ze znalezienia trafnej i popularnej nazwy? W rzeczywistości często bywa jednak odwrotnie, znam tego liczne przykłady. Po dejrzewam, że fizycy nieświadomie przejmują się faktem, że istnieje wiele dobrych prac teoretycznych, podczas gdy tylko nieliczne dobre terminy zyskały powszechne uznanie. Coś podobnego przydarzyło się także mnie. W jednej z moich prac wielokrotnie cytowałem znanego radzieckiego astrofizyka Josifa Szkłowskiego, jednego z moich nauczycieli i starszych kolegów; stosunki między nami były dość serdeczne. W pracy tej wspomniałem o promieniowaniu, które przetrwało do dziś z wczesnych etapów ewolucji Wszechświata. W tym czasie na Zachodzie (a czasami również w ZSRR) posługiwano się powszechnie niezbyt zręczną nazwą „mikrofalowe promieniowanie tła", natomiast Szkłowski wprowadził termin „promieniowanie reliktowe". Nazwa ta spodobała się wielu astrofizykom; ja również zawsze jej używam. Po przeczytaniu mojego artykułu Szkłowski zadzwonił do mnie, jawnie poirytowany, i spytał, dlaczego nie wspomniałem, że to on wprowadził tę nazwę. Usiłując się wytłumaczyć, zupełnie szczerze, lecz raczej bezładnie wyjaśniałem, że termin ten jest znany od wielu lat, był używany w licznych pracach i że cytowanie jego nazwiska w tak drobnej sprawie byłoby poniżej jego międzynarodowej pozycji w nauce. Szkłowski jednak uważał, że takie drobnostki nie są pozbawione znaczenia. Dziś myślę, że miał rację. Trafny, budzący emocje termin łatwiej pozwala zwrócić uwagę innych

uczonych na dany problem, przyciąga zarówno młodych ludzi, jak i dojrzałych uczonych, a nawet działa zachęcająco na naukowców zajmujących się już tym zagadnieniem. To reklama problemu, a wszyscy pracujący w agencjach reklamowych wiedzą, jak ważny jest celny slogan. John Wheeler, który wymyślił określenie „czarna dziura", przyczynił się w ten sposób do spopularyzowania zagadnienia niestabilności grawitacyjnej wśród specjalistów i wszystkich ludzi zainteresowanych problemami naukowymi.

Dhciałbym teraz powiedzieć kilka słów na temat możliwości Wrzenia czarne] dziury. Na pierwszy rzut oka problem ten ( wydaje się diabelnie trudny: wystarczy wziąć odpowiednie iło i ścisnąć je do rozmiarów mniejszych od promienia hwarzschilda. To prawda, ale sęk w tym, że promień warzschilda ma bardzo małą wartość nawet dla ciał o sto-inkowo dużej masie. Na przykład przeciętną górę należałoby iisnąć do rozmiarów jądra atomowego! Wobec tego nie ma asu zastanawiać się nad możliwością sztucznego stworzenia •szarnej dziury w ziemskich laboratoriach, ani teraz, ani pr przewidywalnej przyszłości. Okazało się jednak, że przyroda j»ama podjęła trud stworzenia czarnych dziur, tyle że są to wyłącznie czarne dziury o dużej masie. Takie obiekty powstają l JK>d koniec ewolucji gwiazd o dostatecznie dużej masie. • Nie będę tu szczegółowo omawiał ewolucji gwiazd i ich losu • u kresu cyklu ewolucyjnego. Dość powiedzieć, że jeśli pod koł nieć życia, po zużyciu paliwa jądrowego, gwiazda ma masę J dziesięciu Słońc lub większą, to najprawdopodobniej zapadnie się pod własnym ciężarem do rozmiarów mniejszych od promienia Schwarzschilda i zmieni się w czarną dziurę. Astronomowie są niemal pewni, że takie czarne dziury zostały już zidentyfikowane. Nie mają też wątpliwości, że w jądrach ogromnych układów gwiazd, czyli galaktyk, rodzą się bardzo masywne czarne dziury, o masie od stu tysięcy do miliarda razy przewyższającej masę Słońca lub nawet większej. Takie wyjątkowo masywne czarne dziury powstają wskutek kompresji ogromnej ilości gazu, który zbiera się w jądrze galaktyki w rezultacie działania siły grawitacji. Supermasywne czarne dziury mogą powstać również w konsekwencji zapadnięcia się całych gromad gwiazd, które istnieją w pobliżu jądra. Nie można także wykluczyć, że we Wszechświecie istnieją jeszcze czarne dziury zupełnie innego rodzaju. Gdy w latach sześćdziesiątych astrofizycy na serio zainteresowali się czarnymi dziurami, przed teoretykami stanęło nowe i trudne zadanie. Robert Oppenheimer i Hartland Snyder opisali narodziny czarnej dziury wskutek zapadnięcia się ciała sferycznie symetrycznego. A przecież w naturze ciała doskona-

le sferyczne nie istnieją. Co się dzieje, gdy zapadające się ciało nie jest sferycznie symetryczne? Zainteresowałem się tym problemem po skończeniu studiów doktorskich ł przyłączeniu się do grupy profesora Jakowa Zeldowicza. Pracowaliśmy razem - nasz szef, ja oraz mój przyjaciel i rówieśnik, Andrłej Doroszkiewicz. Otrzymaliśmy dość1 zaskakujący wynik. Z obliczeń wynikało, że wskutek zapadania się niesferycznego, nie obracającego się ciała powstajr czarna dziura, która bardzo szybko staje się doskonale symetryczna. Wszystkie odchylenia od symetrii znikają pod wpływem emisji fal grawitacyjnych w trakcie powstawania czarnej dziury. Ostatecznie granica czarnej dziury, czyli horyzont zdarzeń, jest idealnie sferycznie symetryczny. Przedstawiłem ten wynik podczas międzynarodowej konferencji poświęconej grawitacji latem 1965 roku. Była to moja pierwsza podróż za granicę i pierwsza okazja do poważnej rozmowy o fizyce z zachodnimi specjalistami. Prócz tego podczas tej konferencji niedawno zorganizowana grupa akademika Zeldowicza po raz pierwszy prezentowała swoje wyniki na forum międzynarodowym. Debiut był udany. Stało się dla mnie jasne, że dzięki niezwykłej intuicji fizycznej Zeldowicza, jego wytrwałości, energii, wynikającej z niemal dziecinnego zaciekawienia sekretami przyrody, która tak fascynowała studentów, nasza niewielka grupa zaczęła odgrywać wiodącą rolę w nowej dziedzinie nauki - tak zwanej astrofizyce relatywistycznej (określenie „relatywistyczna"

przypomina tu o teorii Einsteina). Po referacie otoczyli mnie liczni koledzy, którzy chcieli poznać szczegóły obliczeń. Wśród entuzjastów od razu zauważyłem wysokiego, szczupłego, rudowłosego młodego mężczyznę, który wydał mi się typowym Amerykaninem. W gruncie rzeczy zwróciłem na niego uwagę już wcześniej - był on pierwszym kolegą z Zachodu, którego krótkiego wystąpienia wysłuchałem w Londynie. O ile pamiętam, mówił o polu grawitacyjnym wokół cylindra. Referat bardzo mnie zainteresował, ponieważ jego podejście do problemu wydawało mi się podobne do mojego, choć początkowo nie potrafiłem powiedzieć, na czym polegało to podobieństwo. Po moim wykładzie Kip Thorne - bo tak na-

t Się ten młody uczony - pomógł mi porozumieć się z kole-, którzy chcieli porozmawiać o moich wynikach (moja an-czyzna była wówczas zdecydowanie poniżej poziomu, któ-ożna by określić zwrotem „daleka od doskonałości"). ;j kontynuowaliśmy rozmowę. Wkrótce stwierdziliśmy, że sują nas podobne zagadnienia naukowe i, co ważniejsze, f podobne poglądy na świat (Rosjanie mówią w takiej sy-|i o pokrewieństwie dusz). Wkrótce bardzo się zaprzyj aźni-Jr. Pomimo dużej odległości (Moskwę i Kalifornię, gdzie •zka Thome, dzieli jedenaście stref czasowych) i trwającego • braku osobistego kontaktu, nasza przyjaźń pozostała żyli Czytając niedawno książkę Thorne'a Black Holes and Time ps przekonałem się, że i on podobnie zapamiętał nasze •pikanie. p Kip i ja często w ten sam sposób ocenialiśmy zjawiska sporne, często podobały się nam te same kobiety i było najzu-niej oczywiste, że wkrótce będziemy się zajmować tymi sa-lymi problemami. Podczas jednej z moich wizyt w pracowni horne'a (jest on profesorem w California Institute of Techno-gy) w swoim wystąpieniu seminaryjnym zacząłem krytyko-ać dowód pewnego twierdzenia, które niedawno zostało opu-kowane. Ledwo zacząłem formułować swoje argumenty, gdy iprzerwał mi Kip, który również czytał tę pracę: „Igor, wiem, co Izamierzasz powiedzieć". Porównaliśmy nasze argumenty - były ['Identyczne. To było naprawdę niezwykłe. Wstrząśnięty, spytała tem go, jak wytłumaczy taką zbieżność myśli? Thorne • uśmiechnął się i powiedział: „Mamy takie samo zaplecze. Znamy się od dwudziestu pięciu lat i dokładnie zapoznaliśmy się ze swoimi pracami". (Kip redagował przekłady książek z astrofizyki, które napisałem razem z Zeldowiczem, ja zaś redagowałem rosyjskie wydania jego książek). W 1990 roku, podczas pobytu w Kopenhadze, miałem atak serca. Kardiolodzy poradzili mi, abym poddał się szczegółowym badaniom. Po powrocie do Moskwy udałem się do specjalistów. Potwierdzili oni, że sprawa jest poważna, ale z ciężkim westchnieniem przyznali, że nie mogą mi zalecić, bym poddał się w ZSRR badaniom specjalistycznym, nie mówiąc już o ope-

racji naczyniowej. „To zbyt niebezpieczne. Nasi chirurdzy sii wprawdzie doskonali, ale cała reszta... Z badań statystycznych wynika, że oczekiwany czas życia pacjentów, którzy przes/.ll operację, nie jest dłuższy niż tych, którzy nie byli operowani". Wiedziałem, że znany teoretyk Lifszyc niedawno zmarł po po dobnej operacji. Co miałem robić? Nie dysponowałem pieniędzmi, którymi mógłbym zapłacić za operację na Zachodzie. Moja żona napl sała do Kipa, który natychmiast zorganizował wizytę u najlepszych specjalistów w Los Angeles. Miesiąc później, po kolejne) konferencji w USA, znalazłem się w domu Kipa w Pasadenie. Badania wykazały, że operacja będzie poważniejsza, niż przy puszczali lekarze w Moskwie, i należy ją przeprowadzić jak najszybciej. Kip rzucił wszystko, czym się zajmował, i wrax z Carolee, swoją żoną, nie odstępował mnie ani na chwilę. Wprawdzie kardiolog, chirurg i główny anestezjolog z Hunting-ton Memoriał Hospital postanowili zrezygnować z honorarium, osobiste środki Kipa i tak nie wystarczały na operację. W tej sytuacji napisał on do fizyków i astrofizyków, którzy mnie znali. Kilkudziesięciu kolegów przysłało pieniądze na operację. Byłem operowany, jeszcze zanim zebrano pieniądze. Wielogodzinna operacja przebiegła pomyślnie. Gdy odzyskałem przytomność, pierwszy dźwięk, jaki do mnie dotarł, był głosem Kipa, który mówił po rosyjsku: „Igor, wszystko w porządku, wszystko w porządku". Choć obok łóżka siedziała moja córka, która zawsze była mi bliska i która zrobiła wiele, abym odzyskał zdrowie, wydawało mi się rzeczą oczywistą, że po powrocie do życia najpierw usłyszałem głos Kipa.

Wielki fizyk Lew Landau padł ofiarą okropnego wypadku samochodowego. Po tym, jak dzięki ogromnemu wysiłkowi lekarzy, fizyków i wielbicieli jego talentu został przywrócony do życia (niestety, do fizyki już nie wrócił), miał on podobno powiedzieć: „Szkoda, że wcześniej miałem znacznie gorszą opinię o ludziach niż obecnie". Nie mogę powiedzieć, abym przed tymi wydarzeniami szczególnie nisko oceniał ludzkość, ale wydaje mi się, że chłodno konstatowałem, iż ludzie na ogół koncentrują się wyłącznie na własnych problemach i kierują się

ką typu „życie jest ciężkie i nie można przejmować się systkimi". Myliłem się. Jestem szczęśliwy, że mogłem się ekonać, iż ludzie zdecydowanie wykraczają ponad takie prednione" kryteria, które uważałem za właściwe. pSawdzięczam życie wspaniałej przyjaźni Kipa i jego żony órzy tworzą cudowną, harmonijną parę), bezinteresownej r wybitnych amerykańskich lekarzy oraz pomocy wielu fi-v i astrofizyków. Cieszę się doskonałym zdrowiem, upra-u mój ulubiony sport (jazdę na nartach wodnych) i, co naj-niejsze, nadal zajmuję się fizyką. Dziękuję za to całemu Watu. Wróćmy do lat sześćdziesiątych. Trzy lata po londyńskiej nferencji Kip przyjechał do ZSRR, by wziąć udział w konfe-ticji w Tbilisi (obecnie w Republice Gruzji). Powiedział mi vczas, że mimo dużego zainteresowania, jakie wzbudziła »za praca o zapadaniu się grawitacyjnym ciał nie mających etrii sferycznej, nie wszyscy zachodni teoretycy zaakcepto-prali wniosek, iż również w takim przypadku powstaje czarna | dziur a. Do sceptyków należał również znany uczony Werner iisrael. Thorne oświadczył, że przyczyną wątpliwości było przy-Ijęte przez nas założenie, iż podczas grawitacyjnego zapadania F się ciała amplituda małych odchyleń od sferycznej symetrii nie l może wzrosnąć do nieskończoności. Intuicja fizyczna, którą f zaszczepił nam Zeldowicz, podpowiadała mi, że to założenie ': Jest oczywiste, ale skoro matematycy chcieli zobaczyć dowód, ; zająłem się tym problemem. Rok później, gdy Kip Thorne znowu przyjechał do ZSRR, by przez sześć tygodni pracować z naszą grupą, mogłem mu już przekazać gotową pracę, zawierającą wymagany dowód. O ile ml wiadomo, został on powszechnie zaakceptowany. W pracy tej wykazałem, że jeśli powierzchnia sferycznego ciała jest nieco „pomarszczona" i jeśli ciało to zapada się do rozmiarów mniejszych niż promień Schwarzschilda, to amplituda „zmarszczek" trochę wzrasta, ale pozostaje mała. W naszym pierwszym artykule brakowało właśnie dowodu, że amplituda zaburzeń pozostaje niewielka. Znalazłem matematyczny dowód, który wydawał mi się bardzo prosty, niemal banalny. Ku

mojemu zdziwieniu koledzy z Zachodu uznali moją pracę za przełomową. Najprawdopodobniej udało mi się odkryć stosunkowo prosty dowód, ponieważ znalem wyniki badań nad matematycznymi metodami konstruowania tak zwanych ogólnych rozwiązań w teorii Einsteina. Metody te stworzyli radzieccy fizycy, Jewgienij Lifszyc i Izaak Chalatnikow. Znalem również prace radzieckiego matematyka Aleksieja Petrowa, a zatem musiałem tylko te koncepcje nieco zmodyfikować, rozwinąć i zastosować do badanego problemu.* Przytoczony przykład świadczy o tym, jak ważne jest śledzenie wyników otrzymanych w „przyległych" dziedzinach nauki. W ten sposób moja opowieść dotarła do końca lat sześćdziesiątych. W tym okresie wzajemne wizyty radzieckich i amerykańskich fizyków zdarzały się znacznie rzadziej niż obecnie. Każdy wyjazd był ważnym wydarzeniem, szczegółowo omawianym na seminariach. Proszę pamiętać, że w tamtych czasach w moim kraju nie było faksów, poczty elektronicznej, a wszystkie nasze zagraniczne rozmowy telefoniczne kontrolowano. Wracaliśmy z wyjazdów, przywożąc najnowsze informacje o tym, czym zajmują się nasi koledzy. Co najmniej równie ważne było to, że dzięki wyjazdom uczyliśmy się nowych metod, poznawaliśmy nowy styl badań, często bardzo odmienny od naszego. Nic nie jest bardziej szkodliwe dla rozwoju nauki niż izolacja, brak kontaktu z międzynarodową społecznością uczonych, trudności ze swobodnym przekazem informacji. Ludzie nie zajmujący się nauką zapewne nie zdają sobie sprawy z tego, w jakim stopniu badania są stymulowane przez dyskusje, wymianę opinii i zwykłe kontakty z kolegami z innych szkół naukowych, znających odmienne metody i techniki

badawcze (zakładam tu, że owi koledzy zajmują się najnowszymi problemami naukowymi). W lutym 1967 roku wróciłem do Moskwy z mojej pierwszej podróży do Stanów Zjednoczonych, gdzie brałem udział w Tek-

Bkim Sympozjum Astrofizyki Relatywistycznej. (Nazwa ta po-stąd, że pierwsze z tych sympozjów odbyło się w Teksa-e). Tym razem spotkanie zostało zorganizowane w Nowym orku. Było to drugie sympozjum z tej dziedziny, a jego prze-jleg wymownie świadczył o ogromnej zmianie, jaka nastąpiła ' astrofizyce teoretycznej i obserwacyjnej. Wielu astrofizyków przeczuwało wówczas, że przyroda skry-przed nami ciała bardzo różniące się od obiektów, jakie ześniej badali astronomowie. Wiadomo było, że obiekty te są apełnie inne niż zwyczajne gwiazdy, planety czy obłoki gazu i że są źródłem bardzo silnych pól grawitacyjnych, które opisu-i ogólna teoria względności. Z tego powodu przyjęło się mówić „obiektach relatywistycznych" i „astrofizyce relatywistycz-Jnej". Wygłaszane na sympozjum referaty były poświęcone jesz-|cze nie odkrytym gwiazdom neutronowym i czarnym dziurom. W skład delegacji radzieckiej Akademii Nauk weszły tylko t trzy osoby: Witali] Ginzburg, Josif Szkłowski i ja, a w sympo-jrzjum wzięło udział kilkuset uczonych. Mimo naszych rozpaczliwych wysiłków, aby zebrać jak najwięcej informacji i porozmawiać z jak największą liczbą kolegów, nie mieliśmy żadnych szans, by wysłuchać wszystkich interesujących referatów. l Choć od tego czasu minęło już trzydzieści lat i wiele rzeczy zmieniło się na lepsze, radzieckie delegacje na międzynarodowe konferencje w dalszym ciągu były mniej liczne niż delegacje ze Stanów Zjednoczonych, a nawet z mniejszych i mniej rozwiniętych krajów. Taka „oszczędnościowa" polityka bardzo szkodziła nauce światowej (w wielu dziedzinach nasi fizycy i astronomowie są najwybitniejszymi specjalistami). W ostatnich latach, czyli w połowie lat dziewięćdziesiątych, wielu uczonych z byłego Związku Radzieckiego wyjeżdżało za granicę wyłącznie dzięki pomocy z Zachodu. Po sympozjum zostaliśmy zaproszeni do wielu ośrodków na-I ukowych. Ja pojechałem do Princeton, do Institute for Advan-ced Study, gdzie Albert Einstein spędził ostatnie kilkadziesiąt lat życia. Wraz z Kipem Thorne'em byliśmy gośćmi Johna Ar-chibalda Wheelera i mieszkaliśmy w jego domu (Thorne obronił kiedyś pod kierunkiem Wheelera doktorat). Te bliskie koń-

takty z fizykami należącymi do różnych pokoleń stanowiły dla mnie dowód, że uczeni z Zachodu bardzo poważnie traktują poszukiwania obiektów relatywistycznych. Chciałbym podkreślić, że w połowie lat sześćdziesiątych Jaków Zeldowicz i Oktaj Gusejnow, bardzo młody astrofizyk z Azerbejdżanu, który dołączył do naszego zespołu, przeprowadzili pionierskie badania możliwości zaobserwowania obiektów relatywistycznych. j Teoretycy znali wówczas dwa rodzaje obiektów relatywi-| stycznych: gwiazdy neutronowe i czarne dziury. Promień i gwiazdy neutronowej wynosi zaledwie około dziesięciu kilome-\j trów, toteż emituje ona niewiele światła, nawet jeśli jest bardzo gorąca. Natomiast czarne dziury z założenia nie promieniują w ogóle. Nie możemy zatem liczyć, że uda się nam bezpośrednio zaobserwować takie obiekty z dużej odległości. Jak zatem można je wykryć? Radzieccy fizycy, Władimir Bragiński i Aleksander Połnarew, zauważyli kiedyś żartobliwie, że dyskusje na ten temat przypominają czasem rozmowę między Królem i Alicją z Po drugiej stronie lustra Lewisa Carrolla:  Wyjrzyj na drogę i powiedz mi, czy któregoś z nich nie wi dać.  Czy widzę kogoś na drodze? Nikogo! - rzekła Alicja.  Ach, żebym ja miał taki wzrok - powiedział z żalem Król. Nikogo! Na taką odległość! Ja przy tym świetle widzę tylko tych, co istnieją.*

Zeldowicz i Gusejnow zwrócili uwagę na to, że niewidzialne obiekty relatywistyczne wytwarzają bardzo silne pole grawitacyjne, dzięki czemu można je wykryć. Zaproponowali oni, by szukać relatywistycznych obiektów należących do układów podwójnych, w których pole grawitacyjne niewidzialnego towarzysza wpływa na ruch zwyczajnej gwiazdy. Obecność niewi-

sz

tiego towarzysza można wykryć, śledząc orbitę widocznej gwiazdy. |'Po zapoznaniu się z pracami zespołu Zeldowicza, Kip Thorne [ się do pomysłu szukania relatywistycznych obiektów we chświecie. Thorne i Yirginia Trimble opublikowali katalog i, które podejrzewali o to, że w ich otoczeniu kryje się nie-ny towarzysz, wytwarzający silne pole grawitacyjne. Nie-y, dokładna analiza zachowania gwiazd z ich listy, a także pokazanych przez innych astronomów, nie doprowadziła do akiego odkrycia relatywistycznych ciał niebieskich. jr W 1967 roku angielscy radioastronomowie przypadkowo od-yli gwiazdy neutronowe, rejestrując ich charakterystyczne omieniowanie radiowe. Na odkrycie czarnych dziur trzeba io poczekać nieco dłużej. W 1966 roku Zeldowicz i ja, p w 1967 roku Josif Szkłowski, zwróciliśmy uwagę na to, że : dziury (i gwiazdy neutronowe) mogą być niezwykle sil-l źródłami promieniowania rentgenowskiego. Dzieje się tak t tedy, gdy czarna dziura krąży w niewielkiej odległości od liewyczajnej gwiazdy. Według powszechnie dziś akceptowanego ftcenarłusza pod wpływem pola grawitacyjnego materia prze-I pływa ruchem spiralnym z gwiazdy na czarną dziurę, tworząc | płaski dysk gazowy. Wskutek tarcia między warstwami gazu j temperatura dysku wzrasta do kilkudziesięciu milionów stopni. Gorący gaz, nim przekroczy horyzont, emituje promienio-: wanie rentgenowskie, dzięki czemu czarna dziura staje się widoczna. Aktywne rentgenowsko układy podwójne zostały odkryte w 1972 roku. Niektóre z nich zawierają gwiazdy neutronowe, inne, zdaniem ekspertów, składają się z czarnych dziur i zwyczajnych gwiazd. Na krótko przed tymi wydarzeniami poznałem angielskiego fizyka Stephena Hawkinga, który później został jednym z najwybitniejszych teoretyków i ekspertów od czarnych dziur. Obecnie każdy człowiek choć trochę interesujący się fizyką zna jego nazwisko, ponieważ napisał on światowy bestseller Krótka historia czasu. Powstało o nim kilka książek i wiele artykułów prasowych. Nie mam wątpliwości, że doskonale znają go wszyscy czytelnicy tej książki (bo przecież sięgnęły po nią osoby za-

interesowane fizyką i astronomią, czyż nie?). Mimo to chciał bym krótko opisać moje wrażenia, ukształtowane pod wpływem jego odkryć i osobistych z nim spotkań. Hawkinga pozna łem w 1972 roku, podczas kongresu Międzynarodowej Unii Astronomicznej w Brighton, na południowym wybrzeżu Anglii. Młody angielski astronom Malcolm Longair, przyszły Astronom Królewski, który spędził sporo czasu w Moskwie, odbywając staż w grupie Zeldowicza, zaprosił radzieckich delegatów, by odwiedzili Instytut Astronomii i słynne obserwatorium radio-astronomiczne w Cambridge. To właśnie tam trzy lata wcześniej młoda doktorantka S. J. Bell i jej opiekun A. Hewish odkryli gwiazdy neutronowe, rejestrując rytmiczne impulsy promieniowania radiowego. Oglądałem ich niezwykły radioteleskop, który posłużył do odkrycia gwiazd neutronowych, z prawdziwym i nie skrywanym zaciekawieniem. Przede mną rozpościerało się rozległe pole (cztery akry) z wbitymi w ziemię tyczkami, między którymi rozciągnięto poziomo druty, tworzące antenę. Radioteleskop zaprojektował i skonstruował Hewish. Większość pracy wykonali jego asystenci z obserwatorium i studenci. Ta osobliwa „maszyna" umożliwiła odkrycie ciał niebieskich, których pole grawitacyjne jest tak silne, że wydostanie się z jego więzów wymaga prędkości niemal równej prędkości światła. Gwiazdy neutronowe okazały się świetnym poligonem do badania różnych zagadkowych zjawisk. Na przykład ich pole magnetyczne jest tak silne, że energia pola zgromadzona w jednym centymetrze sześciennym w pobliżu powierzchni gwiazdy odpowiada stu gramom materii! Gęstość materii, która jest równoważna energii pola, przewyższa zatem stokrotnie gęstość wody; w rzeczywistości w naturalnych warunkach na Ziemi żaden pierwiastek ani związek chemiczny nie ma tak dużej gęstości. Proszę zwrócić uwagę, że chodzi tu wyłącznie o energię pola magnetycznego, które zazwyczaj traktujemy jako coś efemerycznego. Silne pole grawitacyjne powoduje, że czas na powierzchni gwiazdy neutronowej płynie półtora rażą wolniej niż w naszym świecie, a w środku gwiazdy - dwa i pół razy wolniej.

j,. Jeszcze w drodze do Cambridge umówiłem się z Longairem, i odwiedzimy Stephena Hawkinga w jego domu. Musieliśmy : do niego, ponieważ Hawking już wtedy poważnie chorował . stwardnienie zanikowe boczne (ALS), znane również jako oroba Lou Gheriga. Choroba ta atakuje centralny układ ner-_' i powoduje stopniową atrofię mięśni, co po kilku latach owadzi do śmierci. Hawking zachorował na ALS, gdy miał adzieścia kilka lat i pracował nad doktoratem. Nic dziwne-0, że wiadomość podziałała na niego przygniatająco; uznał, że : ma sensu kończyć rozprawy, przestał zajmować się nauką •.zaczął pić. Na szczęście tempo rozwoju choroby uległo spo-yolnieniu, a los zgotował mu nieoczekiwany dar: poznał czaru-ą młodą damę, Jane, z którą się wkrótce zaręczył. To był rotny punkt w jego życiu. Jak później wspominał: „Jeśli linieliśmy się pobrać, to musiałem znaleźć pracę. By dostać rpracę, musiałem skończyć doktorat. Po raz pierwszy w życiu l zacząłem ciężko pracować. Ku mojemu zdziwieniu, przekona-płem się, że to mi odpowiada". W czasie gdy po raz pierwszy odwiedziłem Cambridge, Hawking był już znany ze swej analizy początkowej fazy ekspansji Wszechświata (będzie o tym mowa dalej). Wykazał on, że ewolucja Wszechświata rozpoczęła się od stanu o niezwykle dużej gęstości i skrajnie silnego pola grawitacyjnego; fizycy mówią, że Wszechświat rozpoczął się od osobliwości. Z wielką niecierpliwością czekałem na spotkanie z tym uczonym. Hawking zawsze wywiera wielkie wrażenie na ludziach, którzy nie znali go wcześniej. Wystarczy kilka minut, by zapomnieć, że jest on ciężko chorym człowiekiem, który prawie nie może się poruszać. Ma fascynujące, lśniące oczy, w których natychmiast można dostrzec nieskończoną głębię jego inteligencji. Nie było mi łatwo zrozumieć, co Hawking mówi, ponieważ wypowiadał się z dużym trudem, ale pomógł mi w tym Longair, który znał go od wielu lat. Opowiedziałem Hawkingowi o tym, co Zeldowicz i ja usiłowaliśmy w tym czasie zrobić. Nie przypuszczałem, by interesowały go matematyczne szczegóły, więc zaznaczyłem, że je pominę. Hawking uśmiechnął się i powie-

dział, że takie szczegóły są najważniejsze. W tym okresie obaj poświęcaliśmy dużo uwagi kosmologii, ale podczas rozmowy czułem, że Hawking zmienił zainteresowania i zaczął rozmyślać o czarnych dziurach. Sam zawsze uważałem, że czarne dziury kryją w sobie klucz do zrozumienia wielu tajemnic przyrody. Na szczęście z upływem lat stan zdrowia Hawkinga w pewnej mierze się ustabilizował. Mimo początkowych groźnych zapowiedzi lekarzy (i, oczywiście, dzięki ich opiece oraz sile woli Hawkinga) żyje on nadal i pozostaje aktywny naukowo. Moim zdaniem jego intelekt jeszcze się pogłębił, choć obecnie uczony stracił niemal całkowicie kontrolę nad mięśniami. Hawking może się poruszać tylko za pomocą specjalnego fotela na kółkach, którym kieruje palcami lewej dłoni. Stracił mowę, toteż rozmawia z ludźmi wyłącznie za pomocą komputera. Mimo to nie stracił poczucia humoru, jest aktywny i wesoły, bierze udział w wycieczkach, chodzi do teatru i restauracji, zaprasza do siebie gości i jest zawsze otoczony ludźmi. Dla nas najważniejsze jest jednak to, że Hawking wciąż pracuje, i to jak nikt inny. Świat nauki podziwia jego głębokie idee, które rodzą się w umyśle uczonego jedna po drugiej. Zawsze są nadzwyczajne. Hawking wielokrotnie przyjeżdżał do byłego ZSRR. Po raz ostatni odwiedził on Rosję w 1988 roku. Uczestniczył wtedy w międzynarodowej konferencji w Leningradzie (obecnie Sankt Petersburg), zorganizowanej dla uczczenia setnej rocznicy urodzin Aleksandra Friedmanna, twórcy teorii rozszerzającego się Wszechświata. Hawking wygłosił wykład, wziął udział w kilku wycieczkach i zwiedził miasto. Podczas pobytu przeprowadziłem z nim wywiad dla radzieckiej telewizji. Hawking ma troje dzieci - dwóch synów i córkę. Nawiasem mówiąc, urodził się on 8 stycznia 1942 roku, dokładnie trzysta lat po śmierci Galileusza (sam o tym często wspomina). Tak mówi o swoim życiu: Pecha w życiu miałem tylko pod jednym względem: zachorowałem na ALS, czyli stwardnienie zanikowe boczne. Poza tym jestem szczęściarzem. Pomoc i wsparcie, jakie otrzymu-

je od mojej żony Jane oraz dzieci: Roberta, Lucy i Tima, umożliwiły mi prowadzenie w miarę normalnego życia i odniesienie sukcesów zawodowych. Miałem szczęście, że wybrałem teoretyczną fizykę, ponieważ polega ona na czystym myśleniu, a zatem inwalidztwo nie było poważnym utrudnieniem w jej uprawianiu. Bardzo pomocni byli mi zawsze wszyscy, bez wyjątku, moi koledzy.* f Po raz drugi spotkałem Hawkinga w 1972 roku, kiedy zostaliśmy obaj zaproszeni w charakterze wykładowców do Międzyna-f rodowej Szkoły Fizyki w Les Houches w Alpach Francuskich, gdzie mieliśmy mówić o czarnych dziurach. Hawking przyjechał i ze swoją czarującą żoną i dwojgiem dzieci, które były wówczas i jeszcze małe. Jane nie zapomniała moich opowieści o tym, jak mój syn namiętnie lubi samochody zabawki i przywiozła specjalnie dla niego mały samochodzik (wówczas w ZSRR była to niezwykła rzadkość). W tamtych czasach Hawking jeszcze wy-I kładał, posługując się własnym głosem, choć wymagało to z je-I go strony dużego wysiłku. Zawczasu dyktował główne myśli swoim asystentom, którzy prezentowali je na przezroczach, natomiast Hawking tylko je komentował i wyjaśniał. Wieczorami często siadywaliśmy razem w przytulnych zakątkach szkoły, by rozmawiać o życiu i fizyce. Hawking wspominał, jak w młodości lubił jazdę figurową na lodzie. Czułem ból patrząc, jak okrutnie los potraktował tego pełnego energii, uśmiechniętego, dowcipnego człowieka. Nawet wówczas Hawking przewyższał żywotnością młodego i pełnego wigoru włoskiego profesora Remo Ruffiniego, który również wykładał w Les Houches. Nasze wykłady zostały następnie opublikowane w postaci książki, która stała się pierwszą ogólną monografią na temat czarnych dziur i posłużyła za punkt wyjścia wielu dalszych badań. Ważną cechą nowego podejścia do problemu czarnych dziur było to, że fizycy przestali traktować je jako coś w rodzaju

cmentarza grawitacyjnego, gdzie materia może tylko znikać z pola widzenia obserwatora. Potężne pole grawitacyjne w otoczeniu czarnej dziury powoduje, że zachodzą tam liczne bardzo gwałtowne procesy. Rufflni zwykł mówić, że czarne dziury są „pełne życia". Na przykład rozgrzany gaz w dysku, spadający po spirali na czarną dziurę w układzie podwójnym, emituje promieniowanie rentgenowskie o bardzo dużym natężeniu. Jak już wspomniałem, pierwsze aktywne pod względem promieniowania rentgenowskiego układy podwójne zostały odkryte w 1972 roku. Parametry jednego z tych źródeł, oznaczanego Cygnus X-l (X oznacza promieniowanie rentgenowskie, Cy-gnus to łacińska nazwa konstelacji Łabędzia, a l to numer źródła) wskazują, że jest to układ podwójny zawierający czarną dziurę o masie dziesięciu Słońc. W Les Houches spędziliśmy, rzecz jasna, wiele czasu na rozmowach o nowych odkryciach. Wydawało się, że już niebawem astronomowie znajdą dziury w czasie i przestrzeni. Nasza grupa podzieliła się na optymistów i sceptyków. Optymiści zdecydowanie twierdzili, że odkrycie czarnych dziur jest już faktem. Sceptycy zalecali ostrożność i nalegali, by to raz jeszcze sprawdzić. Ja zaakceptowałem odkrycie całym sercem. Z dzisiejszej perspektywy mogę powiedzieć, że intuicja raczej mnie nie zawiodła, choć z biegiem lat stałem się ostrożniejszy. Thorne, który również był jednym z wykładowców zaproszonych do Les Houches, wyrażał podobną opinię, ale sądził, że potrzebna jest jeszcze weryfikacja obserwacji. Dwa lata później, po zebraniu dodatkowych informacji o źródle w gwiazdozbiorze Łabędzia, Thorne napisał, iż nowe dane przekonały jego i innych astronomów, że w źródle Cygnus X-l znajduje się czarna dziura. Stephen Hawking był ostrożniejszy. Wspominając te lata, w 1988 roku napisał:

Czarna dziura wydaje się jedynym naturalnym, zgodnym z rzeczywistością wyjaśnieniem wyników obserwacji. Mimo to założyłem się z Kipem Thorne'em, że w źródle Cygnus X-1

; llie ma czarnej dziury! Zakład ten jest dla mnie rodzajem ||y polisy ubezpieczeniowej. Włożyłem wiele

pracy w badania ip czarnych dziur i poszłaby ona na marne, gdyby się okazało, ' że czarne dziury nie istnieją. Ale w takim wypadku na pocieszenie wygrałbym zakład, co zapewniłoby mi czteroletnią prenumeratę pisma „Private Eye". Jeśli czarne dziury istnieją, Kip będzie przez rok otrzymywać „Penthouse'a". Gdy zakładaliśmy się w 1975 roku, mieliśmy 80% pewności, że w źródle Cygnus X-l kryje się czarna dziura; powiedziałbym, że obecnie pewność wzrosła do 95%, ale zakład nie został jeszcze rozstrzygnięty.

Zakład został zawarty zgodnie ze wszystkimi regułami i nawet ogłoszony publicznie. By czytelnicy mogli lepiej docenić jego humorystyczną stronę, powinienem zapewne wspomnieć, że f oba pisma wymienione w warunkach zakładu są odległe od nauki o wiele lat świetlnych. Mówiąc poważnie, uważam, że podana przez Hawkłnga ocena wiarygodności wiadomości o odkryciu czarnej dziury jest bardzo rozsądna. Powiedziałbym nawet, że moim zdaniem wiarygodność można ocenić nawet na 99%. Oczywiście, astronomowie są bardzo ostrożni, ponieważ chodzi tu nie o odkrycie jeszcze jednego ciała niebieskiego, lecz o dowód istnienia dziur w czasie i przestrzeni. To jeszcze nie koniec tej historii. Faksymile zakładu Thorne^ z Hawkingiem zostało opublikowane w 1987 roku w artykule Wernera Israela we wspomnianej już książce 300 Years of Grauitation, gdzie autor opatrzył je następującym podpisem: „Zakład między Stephenem Hawkingiem i Kipem Thorne'em, przyjęty w grudniu 1974 roku; żadna ze stron nie zainkasowa-ła wygranej". Późną jesienią 1991 roku zadzwoniłem do Thorne^ z pytaniem: „Kip, nie sądzisz, że już wygrałeś zakład? Minęło już niemal dwadzieścia lat od odkrycia źródła Cygnus X-l. Wszystko wskazuje na to, że jest to czarna dziura, i nic temu nie przeczy. Znaleziono inne obiekty, które zapewne również są czarnymi dziurami. Dość ostrożności! To zaczyna przypominać filozoficzne stanowisko solipsysty, który wątpi w istnienie otaczającego go świata, ponieważ nie może czysto

logicznymi metodami wykazać, że zewnętrzny świat nie jest tylko wizją, stworzoną przez świadomy umysł jednostki". Kip zaśmiał się i powiedział, że już otrzymał wygraną! Haw-king zaprenumerował dla niego pismo i sekretarka Kipa przeżyła szok, gdy zaczęło ono nadchodzić. Byłem bardzo zaskoczony: „Czy chcesz powiedzieć, że Ste-phen przyznał, iż czarne dziury zostały odkryte, i potwierdza to oficjalnie, choć w dość nieortodoksyjny sposób?" Kip ostrożnie stwierdził, że nie ma pewności, ale jest to bardzo prawdopodobne, ponieważ otrzymał notatkę, napisaną w imieniu Hawkinga, w której ten uznaje, że przegrał zakład. Kip zawsze wykazywał wielką pedanterię przekazując słowa innych. - Doskonale - powiedziałem. - A jak ty uważasz? Czy sądzisz, że udało się odkryć czarną dziurę? Kip odpowiedział z taką samą ostrożnością prawdziwego teoretyka, że w ciągu ostatnich trzech lat nie pojawiły się nowe istotne dane dotyczące źródła Cygnus X-l, a zatem jego ocena prawdopodobieństwa, że jest to czarna dziura, nie uległa zmianie i wynosi 95%. Jeśli jednak mówimy o łącznym prawdopodobieństwie istnienia czarnej dziury w Cygnus X-1 i w którymś z nowych, niedawno odkrytych obiektów, to jest on skłonny podnieść swe oszacowanie. - W porządku - odrzekłem. - Przygotowuję teraz angielski przekład mojej popularnonaukowej książki Rzeka czasu. Czy przyślesz mi na piśmie swoją obecną ocenę prawdopodobieństwa, bym mógł ją umieścić w książce i tym samym zapisać to na kartach historii? Oto deklaracja, którą otrzymałem: Oceniam prawdopodobieństwo, że źródło Cygnus X-1 zawiera czarną dziurę, na 95%; prawdopodobieństwo zaś, że któryś z nowych obiektów, kandydatów na czarne dziury, rzeczywiście jest czarną dziurą, wynosi moim zdaniem 99%. Najlepsze życzenia Kip PS. Nie pytaj mnie, KTÓRY z innych kandydatów jest czarną dziurą. Nie wiem!

Czyż nie należy w tym miejscu przypomnieć rady, jakiej udzielił młody Izaak Newton swojemu przyjacielowi Astonowi: w podróży zadawaj pytania i wyrażaj wątpliwości, ale unikaj j definitywnych stwierdzeń i nie dawaj się wciągać w dyskusje. ( Wróćmy teraz do fizyki tych fascynujących obiektów. Zajmiemy się głównie kwestią upływu czasu w czarnych dziurach. Jak już wspomniałem, według zewnętrznego obserwatora E przy granicy czarnej dziury czas zwalnia, podobnie jak zamiera nurt rzeki w pobliżu jej brzegów. _. Mogłoby się wydawać, że zdarzenia zachodzące wewnątrz l, czarnej dziury powinny być nam obojętne. Nie możemy przecież p zajrzeć do środka ani wydobyć stamtąd jakichkolwiek informacji. Wydaje się zatem, że wnętrze czarnej dziury jest oddzielone |, od reszty świata nieprzenikalną barierą. W rzeczywistości to stwierdzenie jest tylko częściowo prawdą. Granica czarnej dziury stanowi barierę półprzepuszczalną - ciała mogą spadać na czarną dziurę, ale nie mogą się z niej wydostać. Co stanie się z obserwatorem na statku kosmicznym, który przekroczy horyzont zdarzeń? Wiemy, że nie może uciec - siła grawitacji niepowstrzymanie przyciąga go do środka czarnej dziury... Jeszcze niedawno teoretycy zakładali, że po przekroczeniu Ł gardzieli czarnej dziury obserwator wyłoni się z innej gardzieli w przestrzeni, daleko od czarnej dziury (rys. 7.3a), lub nawet znajdzie się nagle w innym wszechświecie (rys. 7.3b). Gdyby było to możliwe, we Wszechświecie istniałyby nie tylko czarne dziury, ale również białe owe inne gardziele, wypluwające obserwatorów. Dowolne ciało może zostać wyrzucone z białej dziury, ale nie może na nią spaść. Białe i czarne dziury przypominają jednokierunkowe ulice, a gardziele często określa się mianem tuneli. Należy jednak pamiętać, że są to przejścia w czasie! Odkryłem białe dziury w 1963 roku, na podstawie czysto matematycznego rozumowania, gdy usiłowałem znaleźć źródło ogromnej energii emitowanej przez kwazary (ąuasi-gwłazdowe źródła promieniowania radiowego; są to aktywne jądra galaktyk, emitujące promieniowanie o niezwykłej energii). Rok później opublikowałem artykuł o białych dziurach; niezależnie ode

mnie odkrył je także izraelski fizyk Yuval Ne'eman, który Wniósł ważny wkład w rozwój fizyki cząstek elementarnych. Później Ne'eman zajął się jednak innymi sprawami i stał się Ważną figurą polityczną w swoim kraju. Z tego powodu nigdy ; nie miałem okazji porozmawiać z nim o białych dziurach. Problem tuneli łączących dziury sformułował (na długo |p przedtem, nim opublikowałem swoją pracę o białych dziurach) i omówił John Archibald Wheeler ze swoimi studentami. Wrócę do tego aspektu zagadnienia w rozdziale „Pod prąd". Moje prace z tego okresu na temat gardzieli spodobały się profesorowi Andriejowi Dmłtriewiczowi Sacharowowi, który stopniowo coraz bardzie] interesował się zagadnieniami grawitacji i kosmologii. Obecnie wszyscy kojarzą nazwisko tej znakomitości XX wieku, ale wówczas był on znany tylko niewielkiej grupie uczonych, wciągniętych w prace nad bronią jądrową. W tym okresie Andriej Sacharow zajmował się koncepcjami kosmologicznymi, które miały punkty wspólne z moimi badaniami. Wielokrotnie dyskutowaliśmy o tych problemach między sobą i z Jakowem Zeldowiczem. W rezultacie opublikowaliśmy razem pracę Grawitacyjne zapadanie się ciai i topologiczna struktura Wszechświata, która ukazała się w 1970 roku. Jestem z niej bardzo dumny. W pracy tej Andriej Dmitriewicz rozważał proces powstawania czarnej dziury wskutek zapadania się materii i następującej później fazy ekspansji „innego" wszechświata -jak powiedział - „zaproponowany przez I. Nowikowa". Wkrótce po ukazaniu się tej pracy Sacharow został oficjalnym recenzentem mojej rozprawy doktorskiej. Później powrócę do koncepcji Sacharowa na temat czasu. Teraz chciałbym dodać kilka pociągnięć pędzlem do jego portretu. Spotkałem go po raz pierwszy w 1963 roku. Jego maniery ł wygląd zupełnie nie pasowały do

wielkiego uczonego czy choćby wysokiej klasy fizyka. Od tamtej pory poznałem wielu wybitnych fizyków, którzy byli bardzo różnymi ludźmi. Mój pierwszy mentor, Abram Zelmanow, był człowiekiem dość pedantycznym, powolnym i dystyngowanym, zarówno w gestach,

jak i w zachowaniu - klasycznym książkowym uczonym starej daty. Wioch Remo Rufflni, wybuchowy południowiec, w 1972 roku wygłaszał swoje wykłady w Les Houches „na pełnym gazie", z ogniem w oczach, koszulą mokrą od potu i obsypaną kredą, skacząc od jednego końca tablicy do drugiego. Kip Thorne imponował wszystkim luźnymi manierami i nienagannie precyzyjnymi wykładami. Pamiętam, że gdy po raz pierwszy słuchałem wykładu Gell-Manna w 1967 roku w Filadelfii, wydał mi się nadmiernie błazeński. Wykłady Feynmana były zawsze czarującymi popisami aktorskimi; podczas wspólnej wycieczki do Disneylandu bębnił na bongo i wyglądał dokładnie tak, jak na słynnym zdjęciu z bębnem. To było coś niezwykłego jak na fizyka, zwłaszcza laureata Nagrody Nobla. Myślę jednak, że ta rozmaitość charakterów nie przeszkadza fizykom rozpoznawać kolegów na pierwszy rzut oka. Jak mówi rosyjskie przysłowie „rybak rybaka rozpozna z daleka". Z pewnością tak nie było w przypadku Andrieja Sacharowa. W dniu naszego spotkania zapukał on dość nieśmiało do drzwi Wydziału Astrofizyki (wydział mieścił się w jednym pokoju), niedawno stworzonego przez Jakowa Zeldowicza w ramach Oddziału Matematyki Stosowanej Instytutu Matematyki w Moskwie. Oddziałem kierował Mścisław Kiełdysz, pełniący wówczas funkcję prezesa Akademii Nauk. W rzeczywistości był to ogromny instytut naukowy, gdzie prowadzono niemal wyłącznie ściśle tajne (po rosyjsku - „zamknięte tematy") badania dla wojska. Wydział Astrofizyki, nie mający bezpośrednich związków z resztą Instytutu, został stworzony po pierwsze dlatego, że Zeldowicz, bardzo „tajny uczony", koniecznie chciał zająć się tą problematyką, a po drugie - ponieważ Kiełdysz ogromnie cenił prace Zeldowicza i z radością zaprosił go do Instytutu. Wracam do wizyty Sacharowa. Pod koniec dnia pracy zobaczyłem, jak do pokoju wchodzi wysoki, szczupły nieznajomy w dość znoszonym i niezbyt czystym płaszczu zimowym. Byłem przykuty do obliczeń, moje myśli krążyły bardzo daleko od przyziemnych spraw i niespodziewana wizyta dość mnie zirytowała. Nieznajomy wydawał się dziwny, a najdziwniejsze były

go oczy. Przed przyłączeniem się do grupy Zeldowicza dość ótko pracowałem w Instytucie Astronomicznym w Moskwie, stytucji całkowicie „otwartej", w której nie prowadzono żad-i tajnych badań. Instytut Astronomii był skrajnym przeci-leństwem Oddziału Matematyki Stosowanej. Przychodzili i często miłośnicy astronomii, by przedstawić swoje własne •teorie, mające stanowić klucz do zrozumienia pochodzenia 'Układu Słonecznego lub nawet całego Wszechświata. W najlepszym wypadku teorie te były na poziomie fizyki ze szkoły średniej, na ogół jednak ludzie ci nie mieli pojęcia, na czym po-:lega nauka, choć szczerze entuzjazmowali się swymi pomysła-| ml, a czasami mieli na ich punkcie prawdziwą obsesję. Coś w wyglądzie Sacharowa, a zwłaszcza w jego oczach, i przywiodło mi na myśl tych niepożądanych gości. Nie chcę w ten sposób dać do zrozumienia, że w jego wyglądzie było coś nienormalnego. Bynajmniej! Jednak sposób, w jaki patrzył, sugerował, że Sacharow widział coś więcej niż tylko zwykły świat wokół nas. Później zdałem sobie sprawę, że jedyną jego cechą, która mogła mi przypomnieć o nawiedzonych miłośnikach astronomii, był niekonwencjonalny wyraz jego oczu i całej twarzy, no i pewna niedbałość stroju. Ośmieliłbym się nawet powiedzieć, że jego spojrzenie było równie niezwykłe jak Mony Lisy Leonarda da Vinci, choć na twarzy Sacharowa nie widać było nawet śladu enigmatycznego uśmiechu. Jak już powiedziałem, byłem zirytowany, że ktoś przeszkadza mi w pracy, a także perspektywą długiej ł żmudnej rozmowy z kolejnym miłośnikiem jakiejś zwariowanej hipotezy. Irytacja sprawiła, że nie pomyślałem nawet, iż żaden amator nie zostałby wpuszczony do tego „zamkniętego" Instytutu. Gdy nieznajomy cicho spytał, czy to wydział Zeldowicza, zażądałem w odpowiedzi, by zszedł na dół i zostawił płaszcz w szatni, a dopiero później tu wrócił. „Tak, oczywiście" - odpowiedział tamten swoim

cichym głosem, po czym wyszedł. Kiedy zamknął za sobą drzwi, mój rówieśnik i kolega, Andrej Doroszkiewicz, który poznał Sacharowa w czasie gdy również pracował w absolutnie tajnym ośrodku, spytał z oburzeniem: „Czyś ty zwariował? Jak możesz w taki sposób traktować Sacharowa?"

Byłem naprawdę wstrząśnięty. Sacharow zajmował się prawie wyłącznie tajnymi badaniami, toteż niewiele wiedziałem o jego osiągnięciach naukowych. W tym czasie nie zaangażował się jeszcze w heroiczną obronę praw człowieka, która później uczyniła z niego symbol prawości i odwagi. Choć wiedziałem 0 nim niewiele, było to dosyć, by myśleć o nim z podziwem. Zda jąc sobie sprawę z popełnionej gafy, mocno się zarumieniłem. Później Sacharow często odwiedzał naszą pracownię, by porozmawiać o fizyce z Jakowem Zeldowiczem. Doroszkiewicz 1 ja, jako bardzo młodzi współpracownicy Zeldowicza, byliśmy obecni przy tych rozmowach, ale na ogół się nie odzywaliśmy. Niewiele zresztą rozumieliśmy z tego, o czym rozprawiał Sa charow. Moim zdaniem (a podobnie zapewne myśleli inni), pro blemy, o których mówił, były bardzo abstrakcyjne i odległe od rzeczywistości. Dziś cały świat zna bezkompromisowość Sacharowa w zasadniczych sprawach społecznych. Taką samą niezależność od zewnętrznych nacisków można było dostrzec w ewolucji jego poglądów naukowych. Wydaje mi się, że nigdy nie zaakceptował on żadnego kompromisu, który mógłby zła godzić nieortodoksyjność jego poglądów. Jego podejście do problemów naukowych cechowało jednak coś więcej niż tylko brak ortodoksyjności. Sacharow zasugerował na przykład, by obliczyć teoretycznie stałą grawitacji - jedną z kilku podstawowych stałych fizycznych - zakładając, że opisuje ona „sprężystość próżni". Dziwne, nieprawdaż? Jednakże z punktu widzenia współczesnej fizyki (kilkadziesiąt lat po sformułowaniu tej koncepcji przez Sacharowa) idea ta nie wydaje się już tak szalona. Nie wiem, czy tego rodzaju podejście do problemów naukowych jest owocne, ale nie mam wątpliwości, że nikt prócz niego nie mógłby pracować w taki sposób. Być może pod tym względem Sacharow przypominał Einsteina, ale wolałbym nie ryzykować formułowania własnej opinii w tej sprawie. Gdy Sacharow przeszedł od fizyki cząstek elementarnych i teorii pola, dwóch dziedzin, o których niewiele wiedziałem, do fizyki czarnych dziur, gdzie czułem się znacznie pewniej, łatwiej mi było go zrozumieć. Niemniej nawet wtedy logika jego

rodów często wydawała mi się zagadkowa. W rzeczywistości ile tylko mnie. Przypomina mi się następująca historia. Sacharow wygłaszał referat na naszym seminarium o możli-.._ ch właściwościach gardzieli w przestrzeni (wspominałem już |0 nich). W rym czasie w skład naszej grupy wchodziło dziesię-|ciu młodych uczonych. Słuchaliśmy go w milczeniu. Jaków eldowicz zawsze odnosił się do tego problemu, mówiąc deli-.„atnie, z dezaprobatą. Ponadto irytowało go oryginalne podej-iście Sacharowa. W pewnej mierze dziwność rozumowania Sa-jcharowa została zwielokrotniona przez dziwność samego J problemu. Zeldowicz uważał, że to prowadzi do perwersji w fi-izyce. W jakiś czas po tym, jak Sacharow rozpoczął swoje wy-|j stąpienie, Zeldowicz zaczął zdradzać oznaki zniecierpliwienia. ' Nie przerywał mu jednak, choć pytania i długie dyskusje w trakcie referatu były rzeczą normalną na naszym seminarium. Często spory trwały dłużej niż wystąpienie mówcy. Dziwna była raczej cisza panująca na sali, a zwłaszcza milczenie Zeldowicza. Wreszcie Zeldowicz podniósł się, stanął za krzesłem i oparł się o nie rękami. Sacharow spojrzał na niego pytająco, ale Zeldowicz tylko machnął ręką, by ten

kontynuował. Sacharow skończył referat. „Czy to wszystko?" - spytał Zeldowicz. „Tak, to wszystko, co chciałem powiedzieć" - odrzekł cicho Sacharow i zamrugał. Zeldowicz natychmiast zażądał gazety, starannie rozłożył ją na podłodze i podczas gdy my patrzyliśmy na to nie wierząc własnym oczom, ukląkł przed Sacharowem, złożył ręce jak do modlitwy i powiedział: „Andrie-ju Dmitriewiczu, błagam was, przestańcie zajmować się tymi bzdurami!" Stosunki między Sacharowem i Zeldowiczem nie zawsze były takie serdeczne. Zeldowicz czasami nie aprobował działań Sacharowa podczas jego kampanii w obronie praw człowieka. Na pogrzebie Zeldowicza Andriej Dmitriewlcz powiedział: „Przeżyliśmy okresy przyjaźni i okresy obcości. Było jak było..." Chciałbym jednak podkreślić, że choć Zeldowicz czasem się nie zgadzał z niektórymi ideami naukowymi Sacharowa, zawsze uważał go za wielkiego uczonego. Andriej Dmitriewicz również podziwiał geniusz Zeldowicza.

Sacharow zarówno w nauce, jak i w działalności społecznej wydawał mi się kimś w rodzaju świętego (przynajmniej takim go zapamiętałem), który unosi się ponad banalnymi problemami codziennego życia (banalnymi dla niego, ale nie dla nas, zwykłych śmiertelników). Nie traktował takich problemów obojętnie; raczej patrzył ponad nimi i zastanawiał się, dokąd powinniśmy zmierzać. Nigdy nie spotkałem nikogo innego, ani w zwykłym życiu, ani w nauce, kto wykazywałby większy wewnętrzny spokój, zdecydowanie ł poczucie pewności niż Sacharow. Zapewne najlepiej można opisać jego spojrzenie, od którego rozpocząłem tę opowieść, mówiąc, że patrzyliśmy w oczy świętego. Moje wrażenia przypominają mi opinię wyrażoną przez mojego profesora i starszego kolegę Josifa Szkłowskiego o jednym z amerykańskich kolegów Sacharowa, który, podobnie jak on, brał udział w pracach nad skonstruowaniem bomby atomowej: Mam na myśli Phila Morrisona, obecnie jednego z wybitnych amerykańskich astrofizyków. Morrison, człowiek poważnie chory, niemal inwalida, już w latach czterdziestych zdał sobie sprawę, że naukowa uczciwość i honor nie pozwalają służyć bogom wojny. Wywołał wtedy skandal, odchodząc z Los Alamos i głośno trzaskając przy tym drzwiami. Poniósł poważne konsekwencje, ale nie został zniszczony. Siedziałem z nim w meksykańskiej restauracji, w starszej części Al-buąuerąue, jakieś sto mil od Los Alamos, i patrzyłem w jego niebieskie, dziecinne, jasne oczy - oczy człowieka o krystalicznie czystym sumieniu. Zrobiło mi się ciepło na sercu. Czy można znaleźć jakieś stwierdzenie Sacharowa, które było nie tylko niezrozumiałe, ale po prostu błędne? Każdemu, kto ma kontakty z nauką, to pytanie z pewnością wyda się dziwne. Każdy uczony, choćby nie wiem jak doskonały, od czasu do czasu popełnia błąd. Większość ludzi, którzy nie wiedzą, jak w rzeczywistości wyglądają badania naukowe, uważa, że geniusz wszystko rozumie i wyraża tylko najwyższe prawdy. To fałsz. Żaden uczony, nawet genialny, nie jest prorokiem. Poszu-

kując prawdy, musi popełniać błędy. Poszukiwanie prawdy to ciężka praca, wymagająca długich rozważań, obliczeń i refleksji. To równocześnie rozkosz i tortura. Błędy są po prostu nieuniknione. W nauce nie zdarza się objawienie w czystej postaci. Owszem, Sacharow również popełniał błędy, ale - jak wszystko, co z nim się wiązało - nie były to zwyczajne pomyłki. Kiedyś podczas dyskusji o losie zwyczajnej materii i czarnych dziur we Wszechświecie, Sacharow powiedział, że wcześniej czy później cała materia znajdzie się w czarnych dziurach, rozrzuconych w kosmicznej przestrzeni. Szczęka opadła mi ze zdziwienia. Zeldowlcz również był zaskoczony: „Andrieju Dmitriewiczu, przecież Wszechświat się rozszerza, wszystkie ciała oddalają się od siebie i prawdopodobieństwo zderzenia ciał niebieskich i atomów gazu rniędzygalaktycznego z czarną dziurą stale maleje. Tylko nieliczne z nich mają szansę na to, że wpadną do czarnej dziury". Sacharow odpowiedział żartobliwie: „Nie mogę śledzić losu każdej pojedynczej cząstki, tak samo jak

generał nie może zajmować się losem pojedynczych żołnierzy. Śledzę tylko strategię". W takich sytuacjach z reguły żartował. Lew Okuń, teoretyk z Moskwy, opisał w swych wspomnieniach jedną z takich sytuacji. Rozmawiałem z Andriejem Dmitriewiczem Sacharowem o pracy, którą M. B. Wołoszyn, I. Kobzarew i ja wysłaliśmy do publikacji. W pracy chcieliśmy przede wszystkim zwrócić uwagę na to, że próżnia może być niestabilna. W naszej pracy opisaliśmy na przykład, jak próżnia może spontanicznie przejść do nowego, stabilnego stanu, gdy wskutek kwantowego tunelowania powstaje mikroskopijny bąbel nowej fazy. Wewnątrz bąbla mamy nową próżnię, na zewnątrz starą. Po powstaniu bąbel błyskawicznie się rozszerza, a jego otoczka, mająca gęstość znacznie większą od gęstości materii jądrowej, nabiera prędkości zbliżonej do prędkości światła. Eks-. pansja bąbla powoduje zniszczenie całego Wszechświata. Gdy po raz pierwszy pomyślałem, że taki bąbel może powstać, kiedy wiązka cząstek rozpędzonych do bardzo dużej prędkości za pomocą akceleratora zderza się z tarczą lub drugą wiązką, poczułem dreszcz na plecach. W tym momencie Andriej Dmitriewicz mi przerwał. - Takie teoretyczne badania powinny być zakazane - powiedział. Sprzeciwiłem się, mówiąc, że akceleratory będą pracować nadal, niezależnie od wyników teoretycznych badań. Prócz tego, dodałem, gdyby Wszechświat rzeczywiście był w stanie metastabilnym, już dawno przeszedłby do stanu stabilnego, ponieważ we wczesnym okresie jego historii miały miejsce wszelkie możliwe zderzenia. - Ale w tym czasie nikt nie powodował zderzeń między jądrami ołowiu - odparł Sacharow.* Myślę, że najlepiej można scharakteryzować Sacharowa jako uczonego, cytując słowa Jamesa Gleicka z artykułu opublikowanego w „The New York Times" o geniuszach, poświęconego niedawno zmarłemu słynnemu fizykowi Richardowi Feynma-nowi: : Hans Bethe z Uniwersytetu Cornella, parafrazując słowa matematyka Marka Kaca, powiedział, że geniusze występują w dwóch rodzajach. Zwyczajnie geniusze dokonują wielkich odkryć, ale zwykli fizycy czują, że mogliby zrobić coś takiego, gdyby tylko ciężej pracowali. Inni to magicy: „Magik robi rzeczy, których nie mógłby zrobić nikt inny i które często wydają się zupełnie nieoczekiwane - powiedział Bethe. - Takim magikiem był Feynman". Mógłbym powiedzieć w ślad za Bethe'em, że magikiem był również Sacharow, ponieważ jego idee i wyniki badań mają taki właśnie magiczny charakter. Aby wykazać, że białe dziury i tunele łączące je z czarnymi dziurami mogą istnieć, trzeba było udowodnić, że są one, jak mówią fizycy, stabilne. Po pierwsze, należało sprawdzić, czy1 obiekty te nie inicjują procesów, które powodują ich znlszcze-i nie. Po drugie, trzeba było wykazać, że zaburzenia zewnętrzne, na przykład promienie światła, wchodzące do gardzieli, nie powodują jej zniszczenia. Pierwsze wątpliwości co do stabilności gardzieli przedstawił angielski fizyk teoretyk Roger Penrose. Wskazał on na następujący fakt. Przyjmijmy, że światło wpada przez gardziel do czar-|? nej dziury. Przyciąganie grawitacyjne powoduje wzrost energii fv kwantów światła. Ponadto energia światła jest skoncentrowana w bardzo małej objętości. Penrose przypuszczał, że pole grawitacyjne generowane przez taką skupioną energię spowoduje zniszczenie gardzieli. Wielu uczonych usiłowało sprawdzić to przypuszczenie. Ja zainteresowałem się tym zagadnieniem pod koniec lat siedemdziesiątych, mimo że nie znałem wcześniejszych prac Penrose'a. Udało mi się wciągnąć do tej pracy trzech młodych uczonych: doktoranta Zeldowicza, Aleksandra Staro-błńskiego, oraz dwóch studentów Thorne'a, Yekte Giirsela i Yernona Sandberga. W 1978 roku, podczas mojej wizyty w Caltech, intensywnie szukaliśmy rozwiązania. Mieliśmy mało czasu, toteż często pracowaliśmy do późnej nocy. Nasze wyniki potwierdziły przypuszczenie Penrose'a, ale odkryliśmy również coś nowego: nawet pojedyncza, dowolnie słaba fala świetlna pochłonięta przez czarną dziurę wyzwala niestabilność, która

powoduje zamknięcie gardzieli. Z obliczeń wynikało, że wskutek wzrostu energii promieniowania powstaje tak silne pole grawitacyjne, iż gardziel zamyka się, nim jeszcze w pełni powstanie. Zamiast wejścia do tunelu powstaje osobliwość, przez którą nie można się przedostać. Później słynny hinduski fizyk Subrahmanyan Chandrase-khar i Amerykanin James Hartle opracowali pełną teorię tych procesów, a Starobiński i ja opisaliśmy kwantowe zjawisko produkcji cząstek w silnym polu grawitacyjnym wewnątrz czarnej dziury; ono również powoduje powstanie osobliwości zamiast tunelu. Białe dziury także okazały się niestabilne. Amerykanin Doug Eardley, Rosjanin Walery Frołow i paru innych fizyków wykazało, że wskutek oddziaływania z materią z otoczenia biała dziura szybko zmienia się w czarną. Z drugiej

strony, Zeldowlcz, Starobinski i ja udowodniliśmy, że kwantowe procesy wewnątrz białej dziury powodują powstanie mato rii, a zatem pole grawitacyjne wytwarzane przez tę materię powoduje przekształcenie białej dziury w czarną. Podsumowując, należy stwierdzić, że zarówno białe dziury, jak i tunele okazały się skrajnie niestabilne i wobec tego w normalnych warunkach nie mogą one istnieć. O tym, czy tunel da się sztucznie stabilizować, opowiem w rozdziale „Pod prąd". Wróćmy jednak do czarnych dziur i prób zrozumienia, co stanie się z obserwatorem, który ośmielił się wybrać w podróż do wnętrza czarnej dziury. Siły grawitacyjne powodują, że statek kosmiczny stopniowo wchodzi w obszar, gdzie działają coraz większe siły. Na samym początku spadania (załóżmy, że silniki statku są wyłączone) astronauta znajduje się w stanie nieważkości i nie czuje nic nieprzyjemnego, ale ta sytuacja drastycznie się zmienia w miarę zbliżania się do środka czarnej dziury. Aby to zrozumieć, przypomnijmy sobie pojęcie sił przypływowych. Siły te pojawiają się dlatego, że na fragmenty ciała położone w mniejszej odległości od środka czarnej dziury działa większa siła niż na fragmenty położone nieco dalej. Ciało zostaje zatem rozciągnięte wzdłuż kierunku ruchu (siła przypływowa wywołana przyciąganiem Księżyca powoduje pływy na Ziemi). Początkowo siły przypływowe nie odgrywają roli, ale w miarę spadania szybko rosną. Z teorii wynika, że dowolny obiekt spadający na czarną dziurę dociera do obszaru, gdzie siły przypływowe są nieskończone. Powodują one rozerwanie każdego ciała, nawet cząstki elementarnej. Ciała te przestają istnieć. Nie można przedostać się przez osobliwość, unikając zniszczenia. Nie było rzeczą łatwą wykazać, że w czarnej dziurze zawsze kryje się osobliwość. Decydujący krok w tym kierunku uczynił Roger Penrose w 1965 roku. Dowiedziałem się o jego pracach od Jewgienija Lifszyca, gdy razem z Andriejem Dorosz-kiewiczem poszedłem do niego, aby pokazać swoje obliczenia dotyczące procesu powstawania czarnych dziur wskutek zapadania się ciała o zaburzonej symetrii sferycznej. Lifszyc

Izo się tym zainteresował. „Chcecie dowieść, że proces piwitacyjnego zapadania się nie w pełni sferycznie syme-p e g o ciała powoduje powstanie takiej samej czarnej .Mury, jak wtedy, gdy zapada się ciało doskonale symetrycz-I? Równie ważne jest jednak poznanie ostatecznego stanu ała wewnątrz czarnej dziury. Właśnie przejrzałem pracę arose'a na ten temat" - powiedział, podając mi krótki artyangielskiego matematyka. f W pracy tej Penrose podał niezwykle elegancki dowód na to, _.! gdy już powstanie czarna dziura, z której nie może wydostać nie nawet światło, w jej wnętrzu musi znajdować się obszar, udzie działają nieskończenie duże siły grawitacyjne, czyli tak pwana osobliwość. Pamiętam, że czułem w tym momencie rów-nocześnie zachwyt i rozczarowanie. Ja również usiłowałem to | wykazać, ale na próżno. Czułem radość, że moje przypuszcze-nią zostały potwierdzone, ale przeżywałem także w pełni zrozu-I miałe rozczarowanie, iż ten piękny dowód znalazł ktoś inny.

Pod koniec lat siedemdziesiątych Penrose i Hawking udowodnili wiele ważnych twierdzeń na temat osobliwości w czarnych dziurach. Spadające ciało nieuchronnie zderza się z osobliwością w czarnej dziurze. Proszę pamiętać, że wewnątrz czarnej dziury współrzędna radialna i czas zamieniają się rolami. Odległość od horyzontu do środka czarnej dziury jest skończona. Wobec tego czas, przez jaki może istnieć ciało w czarnej dziurze, jest również skończony, a w rzeczywistości bardzo krótki. Na przykład dla czarnej dziury o masie kilkunastu Słońc czas ten wynosi jedną dziesięciotysięczną sekundy. Dla ogromnych czarnych dziur, mających masę miliard razy większą od Słońca (takie czarne dziury istnieją zapewne w jądrach galaktyk), czas ten wynosi kilka godzin. Wszystkie linie czasowe wewnątrz czarnej dziury spotykają się w osobliwości i tam ulegają zniszczeniu wszystkie ciała. Jeśli jednak taki los czeka nieuchronnie wszystkie obiekty, które znalazły się w czarnej dziurze, oznacza to, że czas kończy się w osobliwości. „Ale co dzieje się później? - mógłby ktoś spytać. - Przecież po takiej katastrofie muszą pozostać kawałki

zniszczonych ciał. Wobec tego czas biegnie dalej, choć miały miejsce tak gwałtowne procesy, prawda?" Nieprawda. Proszę pamiętać, że właściwości czasu zależą od procesów, które zachodzą w czasoprzestrzeni. Z teorii wynika, że właściwości czasu ulegają w osobliwości takim zmianom, że przestaje on płynąć w ciągły sposób i rozpada się na kwanty. Trzeba zdawać sobie sprawę z tego, że zgodnie z ogólną teorią względności czas i przestrzeń musimy traktować łącznie, jako jedną wielkość. Należy zatem powiedzieć, że to czasoprzestrzeń rozpada się na kwanty. Jak dotychczas, nie znamy ścisłej teorii tego procesu. Potrafimy powiedzieć tylko w dużym przybliżeniu, jak powinien przebiegać. Najważniejsze jest pytanie: jak duże lub jak małe są te kwanty czasoprzestrzeni? Okazuje się, że na to pytanie można odpowiedzieć, nie znając skomplikowanej teorii kwantowej czasoprzestrzeni. Max Pianek, który wprowadził do fizyki koncepcję kwantyzacji procesów fizycznych, wysunął również hipotezę, że jeśli mamy do czynienia z procesem kwantowym zachodzącym w bardzo silnym polu grawitacyjnym, a biorące w nim udział ciała poruszają się z prędkością bliską prędkości światła, to najkrótszy możliwy interwał czasowy można określić znając wartości prędkości światła, stałej grawitacji Newtona oraz stałej, znanej obecnie jako stała Plancka. Tak zwany czas Plancka jest niewiarygodnie krótki -jeśli wyrazimy go w sekundach, to jest on równym ułamkowi, w którym w liczniku stoi jedynka, a w mianowniku jedynka z czterdziestoma czterema zerami. Czas i przestrzeń tworzą nierozdzielną czasoprzestrzeń, a zatem możemy również mówić o przestrzennym wymiarze tych niezwykłych kwantów. Długość Plancka wyrażona w centymetrach ma postać ułamka z jedynką w liczniku i jedynką z trzydziestoma trzema zerami w mianowniku. Wydaje się prawdopodobne, że interwały czasu krótsze od czasu Plancka są fizycznie niemożliwe. Jak wiemy z fizyki kwantowej, istnieje kwant ładunku elektrycznego oraz minimalna energia światła dla fali o ustalonej częstości - jest to energia jednego kwantu.

Istnienie kwantów czasu nie jest szczególną niespodzianką. l W XX wieku cuda nauki stały się niemal rzeczą codzienną. ' Proszę zwrócić uwagę, że takie rozumienie czasu wynika stąd, f że w otoczeniu osobliwości wszystkie zjawiska muszą mieć nie-' uchronnie kwantowy charakter. W sytuacji, w której dominującą rolę odgrywają kwantowe własności materii, czas również musi nabrać cech kwantowych, choć tylko w bardzo małej skali. Z tego punktu widzenia, na pozór ciągły przepływ czasu jest przejawem nie dającego się zaobserwować procesu dyskretnego. Z czymś podobnym mamy do czynienia, gdy oglądamy z daleka ciągły strumyczek piasku, sypiącego się w klepsydrze, który w rzeczywistości składa się z pojedynczych ziarenek. W osobliwości wewnątrz czarnej dziury czas rozpada się na dyskretne kwanty; okazuje się zatem, że gdy jakieś ciało zbliża się do osobliwości na odległość Plancka, nie ma już sensu pytać, co się stanie,

gdy na zegarze obserwatora spadającego do czarnej dziury upłynie jeszcze trochę czasu. Czasu Plancka nie można podzielić na jeszcze krótsze części, podobnie jak nie można podzielić na porcje energii fotonu. Pojęcia „wcześniej" ł „później" stają się bezsensowne, a zapewne dotyczy to również pytania: „Co stanie się po osobliwości?" Aby wyjaśnić tę uwagę, możemy uciec się do następującej analogii. Jak pamiętamy, elektron w atomie znajduje się na jednej ze stacjonarnych orbit. Posługując się językiem fizyki klasycznej, powiedzielibyśmy, że elektron „porusza się" po orbicie. Natomiast w mechanice kwantowej słowo „ruch" nie jest tu odpowiednie. Poprawniej jest powiedzieć, że elektron jest w pewnym konkretnym stanie, opisanym przez taką to a taką funkcję falową. Funkcja falowa umożliwia obliczenie prawdopodobieństwa znalezienia elektronu w konkretnym miejscu. Wydaje się bardzo prawdopodobne, że „upływ czasu" w kwantowej teorii osobliwości również zostanie opisany za pośrednictwem czegoś podobnego do fali lub funkcji probabilistycznej, choć wyrażenie „prawdopodobieństwo, że minie następujący łnterwał czasowy" wydaje się obecnie dość zagadkowe.

Podsumujmy to wszystko, co zostało dotychczas powiedziane. W osobliwości własności czasu ulegają radykalnej zmianie; czas nabiera cech kwantowych. Rzeka czasu rozpada się na niepodzielne kwanty. Byłoby błędem twierdzić, że osobliwość jest granicą w czasie, poza którą materia istnieje w stanie bez-czasowym. Należy raczej powiedzieć, że czasoprzestrzenne rodzaje istnienia materii zmieniają się i ustępują miejsca czemuś tak nadzwyczajnemu, że nasze pojęcia stają się bezsensowne. Obecnie możemy tylko się domyślać, jakie prawa rządzą zachowaniem osobliwości. Informacje o osobliwościach w czarnych dziurach, które tu przedstawiłem, to tylko wnioski teoretyka, oparte, rzecz jasna, na wynikach współczesnej fizyki. Z pewnością wiele rzeczy w tej dziedzinie ulegnie jeszcze zmianie. Nie należy jednak zapominać, że czarne dziury, zawierające osobliwości, które blokują upływ czasu, to rzeczywiste obiekty istniejące we Wszechświecie. Astrofizycy już odkryli - z dużą dozą pewności - wiele takich obiektów. Znaleźliśmy coś, co można uznać za ujścia rzeki czasu - ogromne wiry, które wciągają wszystko, co znajdzie się w ich zasięgu.

ROZDZIAŁ 8

CZARNA DZIURA JAKO ŹRÓDŁO ENERGII

Opowieść o dziurach w czasie i przestrzeni nie byłaby kompletna, gdybym nie wspomniał, że czarne dziury f nieustannie emitują energię. Cecha ta jest jednym z przejawów l wciąż nie wyjaśnionego związku między czasem i energią, l Związek ten jest widoczny szczególnie wyraźnie, gdy dominującą rolę odgrywają zjawiska kwantowe.

Chciałbym jednak zacząć od krótkiego omówienia kwantowych własności pustej przestrzeni. Zgodnie z fizyką współczesną próżnia nie jest zupełną pustką, „absolutną nicością". Wypełniają ją wirtualne cząstki i anty-cząstki, które nie mogą przekształcić się w cząstki rzeczywiste. Wirtualne pary cząstka-antycząstka nieustannie pojawiają się na chwilę, po czym znikają. Nie mogą się zmienić w cząstki rzeczywiste, ponieważ oznaczałoby to stworzenie energii z nicości. Tak zwana zasada nieoznaczoności pozwala wirtualnym parom pojawić się tylko na bardzo krótki moment. Zasada ta stwierdza, że iloczyn czasu życia danej pary i jej energii musi być rzędu stałej Plancka. Cząstki rzeczywiste zawsze można usunąć z pewnego obszaru przestrzeni, natomiast cząstek wirtualnych usunąć nie sposób - nawet teoretycznie jest to niemożliwe. Tak wygląda próżnia według teorii kwantów. Jeśli w próżni istnieje silne pole, to niektóre cząstki wirtualne mogą zyskać

dostateczną energię, by zmienić się w cząstki rzeczywiste kosztem energii pola zewnętrznego. W ten sposób z próżni mogą powstawać rzeczywiste cząstki, o ile istnieje zewnętrzne pole, będące źródłem energii. Te fakty były już znane od bardzo dawna. Na przykład w silnym polu elektrycznym powstają pary cząstek z ładunkiem, takie jak para elektron-pozyton. Wróćmy do czarnych dziur. W 1971 roku Jaków Zeldowicz i Aleksander Starobińskł zbadali procesy zachodzące w próżni w otoczeniu wirującej czarnej dziury. Podczas procesu zapadania się obracającego się ciała i powstawania czarnej dziury pole grawitacyjne nie tylko przyciąga materię do środka, ale również

H zmusza wszystkie poruszające się obiekty, by krążyły wokół czarnej dziury - innymi słowy, pole grawitacyjne przypomina wir. Takie czarne dziury nazywamy wirującymi czarnymi dziurami. Zeldowicz i Starobiński wykazali, że kosztem energii kinetycznej ruchu obrotowego w otoczeniu czarnej dziury powstają kwanty promieniowania. Proces ten powoduje, że energia czarnej dziury stopniowo przekształca się w energię promieniowania. Przemiana ta następuje bardzo wolno. Na przykład czarna dziura o masie takiej jak Słońce, wirująca z maksymalną dopuszczalną prędkością, w ciągu całego okresu istnienia Galaktyki (około 10 miliardów lat) emituje promieniowanie o energii zaledwie kilku setnych części erga. Taka energia zupełnie się nie liczy. Jesienią 1973 roku, podczas wizyty Hawkinga w Moskwie, Zeldowicz i Starobiński opowiedzieli mu o swoich wynikach. Po powrocie do Cambridge Hawking zaczął je sprawdzać, posługując się własnymi metodami matematycznymi. Później wspominał: Gdy ukończyłem obliczenia, okazało się jednak, ku memu zdziwieniu i złości, że nawet nie obracające się czarne dziury powinny tworzyć i wysyłać cząstki w stałym tempie. Początkowo sądziłem, że pojawienie się tego promieniowania wskazuje na niepoprawność jednego z użytych przybliżeń [...]. Im dłużej jednak myślałem o swych obliczeniach, tym mocniej byłem przekonany, że wszystko jest w porządku i użyte przybliżenia są poprawne [...]. W latach następnych wielu fizyków obliczyło natężenie promieniowania czarnych dziur na wiele różnych sposobów. Wszyscy otrzymali ten sam wynik: czarna dziura powinna emitować cząstki, tak jakby była zwyczajnym gorącym ciałem, a jej temperatura zależała wyłącznie od masy - im większa masa, tym niższa temperatura.* To było wspaniałe odkrycie.

Spróbuję wyjaśnić, przynajmniej w przybliżeniu, w jaki sposób emitowane jest promieniowanie. Rzecz istotną stanowi kwantowy charakter tego procesu. Wirtualne cząstki powstają w próżni w pewnej odległości od siebie. W polu grawitacyjnym czarnej dziury może się zdarzyć, że jedna cząstka

pojawia się pod horyzontem, a druga poza nim. Cząstka, która powstała na zewnątrz, może uciec w przestrzeń kosmiczną, natomiast druga spada do środka i nigdy nie dociera do zewnętrznego obserwatora. Cząstki tworzące parę nigdy nie spotkają się ponownie i nie ulegną anihilacji, jak to się dzieje z wirtualnymi cząstkami w zwykłej próżni. W ten sposób powstaje strumień cząstek ulatujących z czarnej dziury. Czarna dziura traci energię i jej masa maleje. Stephen Hawking wykazał, że czarna dziura promieniuje tak, jakby jej powierzchnia miała pewną temperaturę. Muszę od razu podkreślić, że temperatura czarnej dziury o masie porównywalnej z masą gwiazdy jest bardzo mała. Jeśli na przykład masa czarnej dziury dziesięciokrotnie przewyższa masę Słońca, to ma ona temperaturę zaledwie jednej dziesię-ciomilionowej kelwina. Im większa masa, tym niższa temperatura czarnej dziury, a zatem temperatura supermasywnych czarnych dziur jest zupełnie znikoma. Z drugiej strony, im mniejsza masa, tym większa temperatura czarnej dziury i tym szybciej zachodzi proces przemiany jej masy w promieniowanie. Jak już wspomniałem, czarne dziury o masie kilku Słońc emitują nie liczącą się ilość masy. W naturalnych warunkach absorbują one znacznie więcej energii w postaci promieniowania i rozrzedzonej materii. Jednakże czarne dziury o dostatecznie małej masie emitują energię z dużą szybkością i dlatego należy je poważnie traktować jako źródło energii. Na przykład czarna dziura o masie miliarda ton (taką masę ma niewielka góra) przez dziesięć miliardów lat emituje promieniowanie o mocy stu tysięcy bilionów ergów na sekundę. W rym czasie jej temperatura wynosi około stu miliardów kelwinów. Proszę zwrócić uwagę, że jest to dziesięć tysięcy razy więcej niż temperatura w środku Słońca. Taka czarna dziura ma bardzo małe rozmiary -jej średnica odpowiada średnicy jądra atomu.

, Ten bardzo powolny proces utraty energii przez czarną dziu-[ rę wskutek promieniowania znany jest jako parowanie czar-; nych dziur, ale w przypadku czarnej dziury o małej masie ma-i my do czynienia nie tyle z parowaniem, co z bardzo mocnym źródłem promieniowania. Wskutek promieniowania masa czarnej dziury coraz szybciej maleje. Gdy wynosi już tylko milion ton, temperatura wzrasta do stu miliardów kelwinów. Proces emisji promieniowania zmienia się w eksplozję. Ostatnie dziesięć tysięcy ton materii eksploduje w ciągu jednej dziesiątej sekundy, uwalniając energię równoważną wybuchowi miliona megatonowych bomb wodorowych. Produkcja energii przez czarną dziurę o małej masie jest zatem bardzo wydajnym procesem. Jak jednak może powstać taka czarna dziura? Jak już wspomniałem, produkcja czarnych dziur w laboratorium jest całkowicie wykluczona, przynajmniej w przewidywalnej przyszłości. Czy takie obiekty mogły powstać w sposób naturalny? Wkrótce się przekonamy, że odpowiedź na to pytanie jest pozytywna. Małe czarne dziury mogły powstać we wczesnym okresie rozszerzania się Wszechświata. Dlaczego nie powstają w obecnej fazie ewolucji Wszechświata i dlaczego tak trudno wyprodukować je w laboratorium? Problem polega na tym, że stworzenie niewielkiej czarnej dziury wymaga ściśnięcia materii do niezwykle dużej gęstości. Aby zmienić Słońce w czarną dziurę, należałoby ścisnąć całą jego masę do takiej gęstości, jaką ma materia w jądrze atomowym. Przemiana Ziemi w czarną dziurę wymagałaby osiągnięcia gęstości sto miliardów razy większej. Sprowadzenie materii do takiej gęstości wymaga ogromnego ciśnienia. W przypadku gwiazd o dużej masie źródłem ciśnienia jest ich własna grawitacja. W przypadku ciała o małej masie siła grawitacji w oczywisty sposób nie wystarcza, a zatem potrzebne jest ogromne ciśnienie zewnętrzne. Takie siły nie występują w przyrodzie ani nie można ich wytworzyć (przynajmniej na razie) w laboratoriach. Jeśli jednak cofniemy się do wczesnej historii Wszechświata, to z łatwością się przekonamy, że około 15 miliardów lat

temu, w początkowej fazie ekspansji, panowały warunki sprzyjające powstawaniu małych czarnych dziur. W tym okresie materia miała ogromną gęstość i nie było potrzebne żadne dodatkowe ciśnienie. Jednocześnie jednak Wszechświat się rozszerzał z ogromną prędkością. Czarna dziura mogła zatem

powstać tylko wtedy, gdy pewien obszar przestrzeni rozszerzał się wolniej niż otoczenie lub gdy zawierał nieco więcej materii niż obszary o takiej samej objętości w jego sąsiedztwie. W takim wypadku siła grawitacji mogła powstrzymać ekspansję tego obszaru i następnie spowodować jego zapadnięcie się i powstanie czarnej dziury. Zeldowicz i ja zwróciliśmy uwagę na tę możliwość w 1966 roku, a Hawking zasugerował ten mechanizm powstawania małych czarnych dziur w 1971 roku. W literaturze naukowej teoretyczne odkrycie możliwości powstawania takich pierwotnych czarnych dziur, zwłaszcza 0 masie mniejszej od masy Słońca, przypisuje się z reguły Stephenowi Hawkingowi. Wydaje mi się, że dzieje się tak dlatego, iż wprawdzie wraz z Zeldowiczem rozumieliśmy tę możliwość 1 często wspominaliśmy o niej w latach przed ukazaniem się pracy Hawkinga, ale nigdy nie wykazaliśmy dostatecznie ja sno i przekonująco, iż w ten sposób mogły powstać czarne dziury o masie mniejszej od masy Słońca. Uważam, że taka ja sność jest konieczna, jeśli autorzy chcą, by inni ich rozumieli, bo w przeciwnym razie ich wypowiedzi mogą pozostać zrozu miałe tylko dla nich samych. Widzimy zatem, że w początkowej fazie ewolucji Wszechświata mogły istnieć czarne dziury o masie znacznie mniejszej od masy typowej gwiazdy. Jaki był ich los? Losy małych czarnych dziur zależą od ich masy. Małe czarne dziury tracą masę wskutek kwantowego promieniowania. Z obliczeń wynika, że wszystkie czarne dziury, które miały masę początkową mniejszą niż miliard ton, zdążyły już całkowicie „wyparować". Czarne dziury o większej masie przetrwały do dzisiaj. Jeśli założymy, że rzeczywiście istnieją, to czy można je wykryć metodami astronomicznymi? Najbardziej bezpośrednia metoda polega na poszukiwaniu emitowanych przez czarne dziury kwantów promieniowania dużej energii. Wykrycie takich kwantów pomogłoby w identyiflkacji pierwotnych czarnych dziur. Niestety, na razie nie udało się w ten sposób znaleźć żadnej czarnej dziury. Możemy na »tej podstawie stwierdzić, że liczba czarnych dziur o masie oko-Iło miliarda ton jest mniejsza niż tysiąc sztuk na sześcienny I rok świetlny. Gdyby ich liczba była większa, zarejestrowalibyś-I my ich promieniowanie. Tysiąc czarnych dziur to na pozór du-J źo, ale nie należy zapominać, że ich całkowita masa nie liczyła-| by się w porównaniu z masą gwiazd. Konieczne są dalsze obserwacje, które rozstrzygną, czy małe czarne dziury istnieją. Z tego, co zostało dotychczas powiedziane, wynika, że we Wszechświecie istnieją czarne dziury, które powstały z gwiazd, oraz supermasywne czarne dziury w jądrach galaktyk, a niewykluczone, iż także pierwotne małe czarne dziury. Wszystkie czarne dziury mogą posłużyć w przyszłości jako źródła energii. W przypadku czarnych dziur o dużej masie należałoby wykorzystać ich ogromną energię grawitacyjną. Nie będę opisywał, jak to można zrobić, przynajmniej teoretycznie, gdyż odwiodłoby to nas zbyt daleko od głównego tematu. Natomiast małe czarne dziury nieustannie emitują energię w postaci promieniowania. Energię tę dałoby się wykorzystać na wiele sposobów. Na przykład możemy sobie wyobrazić, że odpowiednia liczba małych czarnych dziur krąży po orbicie wokół Ziemi i emituje promieniowanie. Jak jednak umieścić czarną dziurę na orbicie okołoziemskłej? W jaki sposób transportować czarną dziurę? Nie jest to normalne ciało, nie ma powierzchni z materii, nie można go wziąć na hol i zaciągnąć na właściwe miejsce. Nie sposób przymocować do czarnej dziury silnika rakietowego, by popchnąć ją w odpowiednim kierunku. Nie można również zamknąć jej w jakimś pojemniku. Wprawdzie mała czarna dziura ma masę taką jak góra, ale jest wielkości jądra atomowego. Czarna dziura może z łatwością przeniknąć przez każdą przeszkodę, przewiercić się przez glob ziemski. Czy istnieje jakiś sposób zmuszenia małej czarnej dziury, aby poruszała się w pożądanym kierunku, oraz zwiększenia

lub zmniejszenia jej prędkości? Pofantazjujmy na ten temat. Jak sprawić, aby czarna dziura słuchała naszych poleceń? Jedna metoda polega na wykorzystaniu pola grawitacyjnego. Czarna dziura podlega takim samym prawom grawitacji jak wszystkie ciała. W zewnętrznym polu grawitacyjnym czarna dziura spada z takim samym przyspieszeniem jak inne ciała i porusza się po takiej samej trajektorii. Najprościej zatem można kierować czarną dziurą, posługując się polem grawitacyjnym. Możemy to zrobić na przykład w taki sposób (rys. 8.2). Przysuwamy w pobliże małej czarnej dziury dostatecznie masywne ciało, powiedzmy jakąś planetoidę o masie większej od masy czarnej dziury. Możemy to zrobić za pomocą silników rakietowych, zainstalowanych na planetoidzie. Pod wpływem pola grawitacyjnego czarna dziura zaczyna spadać na planetoidę. Chwilkę czekamy, by czarna dziura nabrała odpowiedniej prędkości we właściwym kierunku, po czym usuwamy planetoidę z drogi, a czarna dziura porusza się dalej ruchem jednostajnym prostoliniowym. Oczywiście, jeśli użyjemy planetoidy o niewielkiej masie i ty-p ^ c h rozmiarach, to nie uzyskamy zbyt dużego przyspiesze-nla, a zatem czarna dziura nie będzie się poruszać z dużą [[prędkością: planetoida o promieniu sto razy mniejszym od . promienia Ziemi mogłaby nadać małej czarnej dziurze pręd-|kość około stu metrów na sekundę. l Metodę tę da się jednak ulepszyć. Przykładowo, można tak l zaprogramować silniki rakietowe na planetoidzie, aby w odpo-jf wiednim momencie zaczęła ona uciekać przed czarną dziurą, | poruszając się z przyspieszeniem równym temu, z jakim spada l czarna dziura. W takim przypadku prędkość układu wzrasta1 łaby wprawdzie powoli, ale stale. i W podobny sposób, przysuwając planetoidę z odpowiedniej l strony, można zahamować czarną dziurę lub zmienić kierunek jej ruchu. A oto jeszcze inna, podobna metoda transportowania czarnej dziury. Możemy zaprogramować manewry planetoidy o dużej masie w taki sposób, aby czarna dziura weszła na orbitę kołową wokół niej {rys. 8.3a). Następnie za pomocą silników rakietowych nadajemy planetoidzie niewielkie przyspieszenie.

Jeśli jest ono wystarczająco delikatne, czarna dziura pozostanie na orbicie wokół planetoidy. W tym celu jej przyspieszenie musi być mniejsze niż przyspieszenie podczas swobodnego spadku czarnej dziury na planetoidę. Obie naszkicowane metody wymagają użycia ciała o bardzo dużej masie. Czy można tego uniknąć? Okazuje się, że tak. Jedną z takich metod przedstawia rys. 8.3b. Rakieta z włączonym silnikiem „wisi" nad czarną dziurą. Gorący gaz, poruszający się z dużą prędkością, z reguły przelatuje obok czarnej dziury, ale część gazu wpada do środka. Dzięki temu cały układ „rakieta plus czarna dziura" zyskuje prędkość skierowaną ku przodowi rakiety i stopniowo przyspiesza. Im mniejsza odległość między rakietą i czarną dziurą, tym większy musi być ciąg silnika rakietowego, aby rakieta nie spadła na czarną dziurę, i większe przyspieszenie układu. Rysunek 8.4 przedstawia jeszcze jedną metodę przyspieszania czarnej dziury, tym razem bez użycia rakiet czy pola grawitacyjnego. Można napromieniować czarną dziurę zogniskowaną wiązką promieniowania; gdy czarna dziura je pochłania, zyskuje pęd promieniowania i zaczyna się poruszać. Można

powiedzieć, że czarna dziura porusza się pod wpływem ciśnienia promieniowania. Czyż nie jest czymś nadzwyczajnym, że promieniowanie może wywierać ciśnienie na próżnię, a raczej na punkt skupienia pola grawitacyjnego (bo tym jest czarna dziura)? Zakończmy to fantazjowanie (na razie bowiem wciąż jest to fantazjowanie). Głównym celem tego rozdziału było wykazanie, że dziury w czasie i przestrzeni nie są wieczne. Parowanie Hawkinga sprawia, że dziury znikają. Nie wiemy jeszcze, jakie znaczenie należy przypisać tej teorii czasu. Wydaje się jednak oczywiste, że czarne dziury, działające jako swoiste ujścia rzeki czasu, stopniowo znikają. Rosyjski uczony M. Marków uważa, że w wyniku parowania powstaje elementarna czarna dziura, czyli cząstka o masie jednej stutysięcznej części grama. Różne aspekty fizyki czarnych dziur są nadal przedmiotem intensywnych badań teoretyków.

PODRÓŻ DO ŹRÓDEŁ RZEKI CZASU

Przekonaliśmy się już, że czas nie płynie zawsze z jednakową szybkością. Rzeka czasu ma swoje odnogi i ujścia. 1 Czy istnieje jej źródło? Teraz, gdy wiadomo, że właściwości czasu zależą od fizycznych procesów zachodzących w naturze, pytanie to nie jest już tak absurdalne jak kiedyś. Filozofowie od dawna zastanawiają się nad tym problemem. Spektakularne sukcesy mechaniki Newtona sprawiły jednak, że powszechnie zaakceptowano jego koncepcję wiecznego i niezmiennego czasu, a w konsekwencji wszyscy przywykli do myśli, iż źródłem czasu jest nieskończenie odległa przeszłość. Czas uważano za jednorodną rzekę lub idealnie prostą drogę wiodącą od przeszłości w przyszłość. W XX wieku okazało się jednak, że uczeni muszą wrócić do zagadnienia początku czasu. Przyczyną tego było odkrycie rozszerzania się Wszechświata. Historia ta rozpoczęła się pod koniec XIX wieku. Bogaty amerykański astronom Percival Lowell zbudował dla siebie prywatne obserwatorium na pustyni w Arizonie. Zdecydował się na to, ponieważ ogromnie zainteresowały go obserwacje włoskiego astronoma Giovanniego Schiaparellego, który odkrył tajemnicze linie na powierzchni Marsa. Schiaparelli uważał, że są to kanały. Lowell interesował się również pochodzeniem

Układu Słonecznego. Był przekonany, że niektóre mgławice to właśnie powstające układy planetarne. Do takich obiektów zaliczał również mgławicę w gwiazdozbiorze Andromedy. Dziś wiemy, że Wielka Mgławica w Andromedzie, przypominająca zwijającą się do środka spiralę, to w rzeczywistości

najbliższa galaktyka spiralna. W czasach Lowella astronomowie nie zdawali sobie jednak sprawy z ogromnych odległości dzielących nas od mgławic. Lowell zaproponował młodemu astronomowi Vesto MeMno-wi Slipherowi, którego nieco wcześniej zatrudnił w swym obserwatorium, by zajął się badaniami widma mgławicy w Andromedzie. Nie było to łatwe zadanie. Wielka Mgławica jest

bardzo słaba - z trudem można ją dostrzec gołym okiem. W tamtych czasach płyty fotograficzne używane do rejestrowania widma miały małą czułość, a na dokładkę Slipher dysponował bardzo skromnym teleskopem, przynajmniej według naszych standardów. Używał on refraktora o średnicy zaledwie 60 centymetrów. W nocy 17 września 1912 roku Slipher otrzymał widmo Wielkiej Mgławicy w Andromedzie, naświetlając zdjęcie przez siedem godzin. Dzięki temu, korzystając z efektu Dopplera, mógł wyznaczyć jej prędkość. Początkowo nie wierzył własnym oczom: okazało się, że mgławica pędzi w naszym kierunku z ogromną prędkością 300 km/s. Slipher wykonał jeszcze kilka zdjęć widma, które potwierdziły ten wynik, po czym wreszcie opublikował swoje rezultaty. Z pomiarów wynikało, że Wielka Mgławica w Andromedzie porusza się dziesięć razy prędzej niż typowa gwiazda w Galaktyce. Slipher zdawał sobie sprawę, że odkrył coś nadzwyczajnego. W swoim artykule stwierdził: „Rozszerzenie tych badań na inne obiekty powinno przynieść wyniki o fundamentalnym znaczeniu". Slipher naszkicował plan obserwacji ł zaczął go realizować. To było nadzwyczaj złożone zadanie. Inne mgławice są tak słabe, że pomiar widma wymagał wielogodzinnego naświetlania kliszy. Slipher prowadził swe obserwacje każdej nocy. Po dwóch latach ciężkiej pracy znał już prędkości piętnastu mgławic, ale nie przerywał obserwacji. Wyznaczone prędkości były ogromne. Okazało się, że niemal wszystkie badane mgławice, z wyjątkiem Wielkiej Mgławicy w Andromedzie, oddalają się od Drogi Mlecznej. Największa zmierzona prędkość wynosiła 1100 km/s. W 1917 roku Yesto Slipher przedstawił podsumowanie swoich żmudnych obserwacji. Stwierdził, po pierwsze, że mgławice nie są powstającymi właśnie układami planetarnymi. Po drugie, na podstawie znajomości prędkości dwudziestu pięciu mgławic tak sformułował swój główny wynik: Biorąc pod uwagę znak, średnia prędkość jest dodatnia; świadczy to o tym, że mgławice oddalają się z prędkością około 500 km/s. To mogłoby oznaczać, że mgławice spiralne

oddalają się od nas, ale ich rozkład na niebie nie zgadza się z tą interpretacją, ponieważ mają one tendencję do tworzenia skupisk. Tak wyglądało pierwsze, próbne i opatrzone zastrzeżeniami j sformułowanie przypuszczenia, że świat mgławic się rozszerza. | W rym czasie nikt nie wiedział na pewno, że mgławice to po-I dobne do Drogi Mlecznej układy gwiazdowe, czyli galaktyki. l Kilka lat później inny Amerykanin, Edwin Hubble, udowodnił, że galaktyki składają się z gwiazd, i zmierzył odległość do [ nich. Stwierdził, że mgławice są położone w ogromnej odległości od Drogi Mlecznej i stanowią wielkie układy gwiazd. Następnie Hubble dokonał naprawdę przełomowego odkrycia. W 1929 roku, analizując zależność prędkości oddalania się galaktyk od odległości, Hubble zauważył, że prędkość galaktyk jest proporcjonalna do odległości. Prawo to zostało nazwane jego nazwiskiem. Oczywiście, galaktyki oddalają się nie tylko od nas (czyli od Drogi Mlecznej), ale również od siebie nawzajem; innymi słowy, cały Wszechświat się rozszerza. Hubble dokonał swego odkrycia wkrótce po ukazaniu się prac teoretycznych, których celem było opisanie Wszechświata w ramach nowych teorii fizycznych. Najważniejszą z tych teorii była ogólna teoria względności Einsteina, która wiąże grawitację z geometrycznymi właściwościami przestrzeni i spowolnieniem czasu w silnym polu grawitacyjnym. Wkrótce po sformułowaniu ogólnej teorii względności Einstein skonstruował na jej podstawie nowy

model kosmologiczny. W tym czasie nie istniały żadne dowody systematycznego ruchu odległych światów. Z tego powodu Einstein założył, że po uśrednieniu w dostatecznie dużej skali ruchów pojedynczych obiektów, których prędkości są stosunkowo małe (kilkadziesiąt kilometrów na sekundę), okaże się, iż materia pozostaje w spoczynku. Wkrótce przekonał się jednak, że to założenie jest sprzeczne z jego teorią grawitacji! Jedyne siły, jakie działają w skali całego Wszechświata, to siły grawitacji. Wobec tego, jeśli nawet założymy, że w pewnej

chwili ogromne masy we Wszechświecie pozostają względem siebie w spoczynku, to po chwili zaczną się one do siebie zbliżać. Do tego wniosku doszedł Już Izaak Newton. Tak samo wygląda sytuacja w świetle nowej teorii Einsteina. Materia w skali całego Wszechświata zaczyna się zapadać. Ogromne światy gwiazd - galaktyki - można uważać za „cząstki" tej materii, a zatem odległość między galaktykami zaczyna się zmniejszać. Einstein jednak w to nie wierzył. Wiedział, że z żadnych obserwacji astronomicznych nie wynika, by galaktyki poruszały się w ten sposób (było to parę lat wcześniej, nim Hubble odkrył rozszerzanie się Wszechświata). Einstein założył zatem, że oprócz przyciągającej siły ciążenia musi w przyrodzie istnieć dotychczas nie znana, hipotetyczna siła odpychająca. Wobec tego wprowadził on do swojego równania pola nowy wyraz, tak zwany człon kosmologiczny, opisujący ową kosmiczną siłę odpychającą. Zgodnie z koncepcją Einsteina siła ta była niezwykle słaba i mogła się przejawiać tylko w skali kosmicznej, natomiast w skali laboratoryjnej lub nawet skali całego Układu Słonecznego absolutnie się nie liczyła. Jej zadanie polegało na zrównoważeniu siły grawitacji i umożliwieniu istnienia statycznego Wszechświata. Zrównoważenie siły grawitacji kosmiczną siłą odpychającą nie wystarczy jednak, by uzyskać statyczny Wszechświat. Musi on powracać do stanu równowagi po każdym zaburzeniu, spowodowanym przez lokalne zmiany prędkości i gęstości materii. Jak mówią fizycy, równowaga musi być trwała. Ten obraz wydawał się nieco zbyt spekulatywny, ale w tym czasie tylko kilku wybitnych teoretyków dobrze rozumiało skomplikowaną teorię Einsteina. Paru z nich, między innymi znany angielski astrofizyk Arthur Eddington, zainteresowało się problemami kosmologicznymi. Tymczasem rozwiązanie tych teoretycznych problemów nadeszło w połowie lat dwudziestych z Rosji radzieckiej. Aleksander Friedmann, matematyk z Piotrogrodu (obecnego Sankt Petersburga), znalazł rozwiązanie równania Einsteina, które opisuje ruch materii w skali całego Wszechświata. Z tego rozwiązania wynikają nadzwyczaj ważne wnioski.

Friedmann wykazał, że niezależnie od tego, czy istnieje postulowana przez Einsteina kosmologiczna siła odpychająca, czy też tylko grawitacja, Wszechświat nie może być statyczny. Siły odpychające i przyciągające mogą się równoważyć tylko wtedy, gdy gęstość materii we Wszechświecie ma pewną dokładnie określoną wartość. Nawet drobne odchylenie od tego stanu powoduje, że któraś z sił przeważa i Wszechświat zaczyna się rozszerzać lub kurczyć. Wobec tego to warunki początkowe decydują, czy Wszechświat będzie się rozszerzał, czy kurczył. Nawet jeśli nie istnieje hipotetyczna siła odpychająca, Wszechświat może się rozszerzać, pod warunkiem że początkowo masy oddalały się od siebie (w dalszej części książki wrócimy do problemu, jaki czynnik określił prędkość początkową, z jaką rozszerzał się Wszechświat). Przyciąganie grawitacyjne następnie spowodowało zmniejszenie tempa ekspansji Wszechświata. To, czy Wszechświat będzie się zawsze rozszerzał, czy kiedyś zacznie się zapadać, zależy od procesów, które określiły prędkość początkową materii, a także od jej obecnej gęstości. Równania wyprowadzone przez Friedmanna opisują nie tylko ruch materii we Wszechświecie, ale również geometryczne cechy przestrzeni. Matematycy mówią, że określają one krzywiznę przestrzeni, która zmienia się w czasie, w miarę ekspansji Wszechświata. Einstein początkowo odrzucił wnioski Friedmanna, ale później, po otrzymaniu dodatkowych

wyjaśnień, publicznie przyznał, że Friedmann miał rację. Trudno natomiast zrozumieć dalszy bieg wydarzeń. Choć artykuły Friedmanna zostały opublikowane w powszechnie czytanym niemieckim czasopiśmie, gdzie również ukazała się notatka Einsteina, w której przyznał, że początkowo błędnie ocenił tę pracę, nie wzbudziły one najmniejszego zainteresowania nie tylko astronomów (w tym nie ma nic dziwnego: astronomowie zazwyczaj mają trudności ze śledzeniem najnowszych osiągnięć fizyki teoretycznej; niestety, tak jest również obecnie), lecz również fizyków teoretyków. Niełatwo to wytłumaczyć. Mimo to przedstawię pewną hipotezę, która, być może, pozwoli zrozumieć, co się stało.

Na Zachodzie teoria rozwijała się w znacznej mierze niezależnie. Już w 1917 roku holenderski fizyk Willem de Sitter zbadał model wszechświata niemal pozbawiony materii - czyli właściwie pusty i całkowicie zdominowany przez wprowadzoną przez Einsteina kosmiczną siłę odpychającą. Sześć lat później niemiecki matematyk Hermann Weyl zauważył, że jeśli gęstość galaktyk w takim wszechświecie jest na tyle mała, iż można pominąć ich wzajemne przyciąganie w porównaniu z siłą odpychającą, to galaktyki oddalają się od siebie z prędkością proporcjonalną do odległości między nimi (pod warunkiem że odległość ta nie jest zbyt duża). Pięć lat później inny teoretyk, Howard Robertson, doszedł do tego samego wniosku. Porównał on wyznaczone przez Hub-ble'a odległości do galaktyk z prędkościami zmierzonymi przez Sliphera i zauważył, że w przybliżeniu są one do siebie proporcjonalne. Nieco później Hubble udowodnił, że prędkości galaktyk są rzeczywiście proporcjonalne do odległości. Mniej więcej rok przed Robertsonem Georges Lemaitre, student Arthura Eddingtona, ponownie wyprowadził równania, które pięć lat wcześniej otrzymał Friedmann. W odróżnieniu od niego, Lemaitre zwrócił jednak uwagę na obserwacje astronomiczne odległych galaktyk, które mogły potwierdzić słuszność jego teorii. Zapewne jednym z czynników, które spowodowały brak reakcji na prace Frłedmanna, było to, że Friedmann nie wspomniał o możliwościach obserwacyjnego sprawdzenia jego teorii. Natomiast autorzy innych prac omawiali ten aspekt, przemawiający do wyobraźni astronomów, którzy zajmowali się obserwacjami. Z tego powodu zwracali oni większą uwagę na prace, których autorzy omawiali testy obserwacyjne. Początkowo ani Hubble, ani inni uczeni biorący udział w dyskusjach na temat jego odkrycia nie znali lub nie zwracali uwagi na pierwsze publikacje teoretyczne, nie mówiąc już o pracach Friedmanna. Najprawdopodobniej skłaniali się oni wówczas ku modelowi de Sittera, opisującemu ucieczkę galaktyk w niemal pustym Wszechświecie, oraz statycznemu Wszechświatowi Einsteina.

Wydaje się, że jedną z przyczyn tego stanu rzeczy może być fakt, że nowe kosmologiczne modele opierały się na ogólnej teorii względności, która jest teorią bardzo skomplikowaną nie tylko matematycznie, ale również - co ważniejsze - wymaga zaakceptowania nowych, trudnych pojęć czasu, przestrzeni i oddziaływań grawitacyjnych. Nie tylko astronomowie zajmujący się obserwacjami, ale również fizycy teoretycy potrzebowali dużo czasu, żeby zrozumieć nowe idee Einsteina, i z pewnością nie śpieszyli się, by zastosować je w swoich badaniach. Za pierwszą przyczynę można zatem uznać przepaść między teoretykami i obserwatorami. Druga przyczyna miała charakter psychologiczny i wiązała się z niezwykłymi wnioskami, jakie wynikają z ogólnej teorii względności: na przykład możliwością istnienia zamkniętego Wszechświata i ewolucją Wszechświata w czasie. Astronomowie, którzy zajmowali się badaniem coraz bardziej odległych obszarów Wszechświata za pomocą swych potężnych teleskopów, nie mogli się pogodzić z myślą, że takie wnioski będą wymagały radykalnej zmiany obrazu kosmosu. Pozostawmy jednak te spekulacje i wróćmy do sytuacji, jaka istniała w astronomii po dokonaniu tych odkryć. W latach dwudziestych teoretycy i obserwatorzy stwierdzili, że żyjemy w rozszerzającym się Wszechświecie, który „eksplodował" w pewnej określonej chwili w przeszłości. Odkrycie to

spowodowało odrzucenie koncepcji Wszechświata jako pewnej ogromnej struktury, która - po uśrednieniu - jest niezmienną sceną wiecznego cyklu przemian materii. Nie ma najmniejszych wątpliwości, że tak ważne idee powinny mieć decydujący wpływ na zrozumienie natury czasu. Od odkrycia Hubble'a minęło sześćdziesiąt lat. Wciąż trwają rozpoczęte przez niego badania ekspansji Wszechświata. Jak powiedział słynny włoski filozof Giordano Bruno, „wola dążąca do zrozumienia nigdy nie zadowala się skończoną pracą". Instrumenty badawcze współczesnych obserwatorów - teleskopy i detektory - są bez porównania lepsze niż wszystko, czym dysponowali dawni astronomowie. Obecnie astronomowie badają galaktyki, od których dzieli nas dziesięć miliardów lat świetlnych i które oddalają się z prędkością bliską prędkości świa-

tła. Na przykład prędkość najbardziej odległego kwazara (aktywnego jądra galaktyki) jest tak duża, że wskutek zjawiska Dopplera długość fali emitowanego przez ten kwazar promieniowania ulega pięciokrotnemu zwiększeniu. Znamy dziś wiele obserwacyjnych dowodów, potwierdzających słuszność teorii rozszerzającego się Wszechświata. Z teorii tej wynikają również liczne bardzo ważne wnioski. Jeden z nich dotyczy krzywizny trójwymiarowej przestrzeni. Z teorii Friedmana wynika, że jeśli ilość materii we Wszechświecie jest na tyle duża, by uśredniona gęstość materii przewyższała pewną wielkość krytyczną, to grawitacja powoduje, iż trójwymiarowa przestrzeń ma krzywiznę przypominającą krzywiznę sfery. Różnice spowodowane są tym, że sfera jest obiektem dwuwymiarowym, a przestrzeń ma trzy wymiary. Sfera jest zakrzywiona i zamknięta, a jej powierzchnia - skończona. Podobnie trójwymiarowa przestrzeń może być zamknięta i ma wtedy skończoną objętość. Oczywiście, bardzo trudno sobie wyobrazić taki zamknięty świat. Jak powiedział słynny filozof francuski Blaise Pascal: „wyobraźnia szybciej się zmęczy próbami zrozumienia zjawisk, niż natura znuży się ich dostarczaniem". Nauka zmusiła nas do pogodzenia się z istnieniem zjawisk, których nie można wyjaśnić w prosty, poglądowy sposób. Jeśli średnia gęstość materii we Wszechświecie jest równa lub mniejsza od wielkości krytycznej, mamy do czynienia z przestrzenią nieskończoną. Dobrze, ale jak wygląda rzeczywistość: czy przestrzeń jest skończona, czy nieskończona? Nie znamy ostatecznej odpowiedzi na to pytanie. Krytyczną gęstość materii we Wszechświecie można obliczyć na podstawie pomiarów tempa ekspansji. Przybliżona wartość gęstości krytycznej jest taka, jakby w sześcianie o boku tysiąca lat świetlnych znajdowała się materia o masie pięciu Słońc. Natomiast wyznaczenie rzeczywistej gęstości materii i porównanie jej z wartością krytyczną jest rzeczą niezmiernie trudną. Dzieje się tak dlatego, że wokół galaktyk i w przestrzeni międzygalak-tycznej najprawdopodobniej znajduje się dużo bardzo ciemnej lub zupełnie niewidocznej materii. Astronomowie określają ją mianem ciemnej materii. Wykrycie tej materii lub wzięcie jej pod uwagę w obliczeniach stanowi bardzo trudne zadanie. Wszystkie widoczne gwiazdy, planety oraz gaz w przestrzeni kosmicznej dają po uśrednieniu gęstość trzydzieści razy mniejszą od gęstości krytycznej. Ciemna materia ma gęstość w przybliżeniu trzydzieści razy większą od materii widocznej. Wobec tego nie wiadomo, czy całkowita średnia gęstość materii we Wszechświecie jest większa czy mniejsza od gęstości krytycznej, a zatem czy Wszechświat jest skończony, czy nieskończony. Jedno jest jednak jasne. Nawet jeśli żyjemy we Wszechświecie skończonym, to z pewnością ma on ogromne rozmiary. Promień Wszechświata jest znacznie większy niż odległość do najdalszych widocznych galaktyk, czyli niż dziesięć miliardów lat świetlnych. Kolejny wniosek, który wynika z teorii rozszerzającego się Wszechświata, jest szczególnie ważny dla rozstrzygnięcia problemu źródeł rzeki czasu. Skoro Wszechświat się rozszerza, to w przeszłości galaktyki znajdowały się bliżej siebie niż obecnie. Jeszcze wcześniej nie mogły istnieć ani galaktyki, ani żadne ciała niebieskie. W tym okresie kosmos wypełniała gęsta, rozszerzająca się materia, z której znacznie później wyłoniły się oddzielne ciała niebieskie. Jeszcze wcześniej, w bardzo odległej przeszłości, w pewnej chwili gęstość materii była nieskończona, przynajmniej z formalnego punktu

widzenia. W tym momencie rozpoczęła się ekspansja Wszechświata. Taki stan nazywamy osobliwością początkową. Od jak dawna trwa rozszerzanie się Wszechświata? Z obliczeń opartych na zmierzonej prędkości oddalania się galaktyk wynika, że ich ruch rozpoczął się około 15 miliardów lat temu. Jak wyglądał ów moment początkowy? Co było „wcześniej"? Jakie własności miała czasoprzestrzeń w otoczeniu osobliwości? Oto wielkie tajemnice Wszechświata. W XX wieku nauka posunęła się daleko naprzód w próbach zrozumienia problemu osobliwości. Teoria Friedmanna opisuje, w jaki sposób grawitacja wpływa na rozszerzanie się Wszechświata. Galaktyki oddalają się od siebie wskutek bezwładności,

natomiast wzajemne przyciąganie powoduje, że ich prędkość stopniowo maleje, a tym samym maleje szybkość ekspansji Wszechświata. Porównanie wniosków teoretycznych z danymi obserwacyjnymi wskazuje, że ekspansja rozpoczęła się około 15 miliardów lat temu. Teoria nie wyjaśnia jednak, co zainicjowało ekspansję ani dlaczego materia, z której następnie powstały galaktyki, miała akurat taką prędkość początkową. Astrofizycy żywili nadzieję, że dokonane w 1965 roku odkrycie pozwoli udzielić odpowiedzi na wszystkie te pytania. Radio-astronomowie zarejestrowali wówczas bardzo słabe promieniowanie elektromagnetyczne, mające temperaturę około trzech kelwinów, które wypełnia cały Wszechświat. Promieniowanie elektromagnetyczne istniało w kosmosie od samego początku ekspansji; jak już wiemy, Szkłowski nadał mu nazwę promieniowania reliktowego. Podczas ekspansji Wszechświata promieniowanie to ostygło do temperatury, jaką ma obecnie, natomiast w przeszłości zarówno promieniowanie, jak i materia miały bardzo wysoką temperaturę. Wszechświat był bardzo gorący i wypełniała go w sposób niemal idealnie równomierny materia o ogromnej gęstości i ciśnieniu. Na pierwszy rzut oka wydaje się, że wysokie ciśnienie ma podstawowe znaczenie dla wyjaśnienia wybuchowego rozszerzania się Wszechświata. Proszę sobie przypomnieć, jak przebiega eksplozja bomby: materiał wybuchowy rozgrzewa się i wytwarza gorący gaz, który gwałtownie się rozszerza i następuje wielkie bum! Ktoś mógłby pomyśleć, że tak samo rozpoczęła się ekspansja Wszechświata, czyli że spowodowały ją wysoka temperatura i kolosalne ciśnienie materii. Taki wniosek byłby błędny. Te dwa zjawiska różnią się pod jednym bardzo istotnym względem. Eksplozja zwykłego materiału wybuchowego powoduje powstanie różnicy ciśnień: w kuli gorącego gazu panuje bardzo duże ciśnienie, a na zewnątrz, w atmosferze, stosunkowo niewielkie. To różnica ciśnień sprawia, że pojawiają się siły, które rozrzucają materię, nie zaś samo ciśnienie. Gdyby ciśnienie na zewnątrz było takie samo jak wewnętrzne ciśnienie gazu, materia nie zostałaby rozrzucona wokół centrum wybuchu. Ponadto gęstość rozszerzającego się gazu nie jest wszędzie jednakowa - ma wartość maksymalną w środku i maleje w miarę wzrostu odległości. Różnica gęstości i temperatury powoduje wystąpienie różnicy ciśnień, za której przyczyną gaz się rozszerza. Początkowe chwile ekspansji Wszechświata wyglądały zupełnie inaczej. Nim powstały pojedyncze obiekty, materia wypełniała całą przestrzeń w sposób niemal idealnie jednorodny. Temperatura materii była rzeczywiście bardzo wysoka, ale wszędzie taka sama. Nie istniały różnice gęstości i ciśnienia, a zatem nie mogły wystąpić siły wymuszające rozszerzanie się w znany nam sposób. Wobec tego to nie duża gęstość gorącego gazu spowodowała ekspansję Wszechświata. Czym był zatem ten pierwszy impuls, który nadał materii prędkość początkową? Aby to zrozumieć, trzeba powrócić do samego początku. W tym celu najpierw musimy poznać własności materii mającej bardzo dużą gęstość i temperaturę.

NIEZWYKŁE GŁĘBINY

W naszej podróży do źródeł rzeki czasu musimy wziąć pod uwagę fakt, że im bardziej zbliżamy się do osobliwości, tym wyższa jest temperatura Wszechświata, czyli tym większa energia cząstek elementarnych. Jakie procesy zachodzą w świecie, w którym cząstki mają tak ogromną energię? Aby zrozumieć ten aspekt procesów zachodzących we wczesnym Wszechświecie, musimy porzucić na chwilę kosmologię i wybrać się w podróż do mikrośwlata - czyli świata współczesnej fizyki cząstek elementarnych. Podróż ta będzie dość krótka; jej celem jest wyłącznie zapoznanie się z podstawowymi faktami, mającymi znaczenie dla zrozumienia procesów zachodzących we wczesnym Wszechświecie. W ciągu ostatnich dwudziestu pięciu lat w fizyce cząstek elementarnych nastąpiła prawdziwa rewolucja. Obecnie wiadomo, że wszystkie cząstki elementarne, z których zbudowana jest materia, takie jak proton i neutron, nie są wcale „elementarnymi cegiełkami"; to układy złożone z cząstek, zwanych kwarkami. Fizycy wykazali, że istnieje cała klasa nowych cząstek, mających niezwykłe cechy. Ale najważniejszym odkryciem kamieniem milowym na drodze do zrozumienia mikro-świata - było stwierdzenie jedności rozmaitych oddziaływań

elementarnych, które jeszcze niedawno uważano za najzupełniej różne. Jedność ta przejawia się wtedy, gdy cząstki mają bardzo dużą energię, a zatem odgrywa szczególnie dużą rolę fw zrozumieniu początku ekspansji Wszechświata. W przeszłości zdarzało się już, że fizycy stwierdzali, iż siły, ! na pozór bardzo odmienne, są w istocie różnymi przejawami i tego samego oddziaływania. Tak było na przykład z siłami elektrycznymi i magnetycznymi. Zjawiska elektryczne i magnetyczne były znane od niepamiętnych czasów, ale wszyscy zakładali, że magnesy nie wpływają na ładunki elektryczne i na odwrót. Eksperymenty Andre-Marie Ampere'a, Michaela Fara-

daya i innych fizyków wykazały jednak, że poruszające się ładunki wytwarzają pole magnetyczne, natomiast ruch magnesu powoduje występowanie sił elektrycznych. Pięćdziesiąt lat później James Clerk Maxwell stworzył teorię elektromagnetyczną i udowodnił, że te na pozór tak różne oddziaływania są konsekwencją istnienia jednego obiektu fizycznego - pola elektromagnetycznego. Pole to rozpada się na pole elektryczne i pole magnetyczne tylko w szczególnych warunkach, gdy owe pola nie zależą od czasu. W jakiś czas po stworzeniu ogólnej teorii względności Einstein rozpoczął tytaniczne próby połączenia grawitacji i elektromagnetyzmu, czyli dwóch znanych wówczas oddziaływań. Einstein do końca życia próbował zrealizować ten program, ale ówczesna nauka nie była jeszcze gotowa do

podejmowania takich prób, a nawet do właściwego ocenienia ich wagi i znaczenia. Wielu fizyków odnosiło się do wysiłków Einsteina w bardzo sceptyczny sposób. Na przykład słynny teoretyk Wolfgang Pauli zwykł mawiać metaforycznie, że „co Bóg rozłączył, tego człowiek nie połączy". Gdy w późniejszym okresie niektórzy fizycy znów podjęli próby znalezienia jednolitej teorii wszystkich sił, ich wysiłki spotykały się często z takim samym sceptycyzmem. Wiosną 1988 roku, podczas pobytu w Trieście, spytałem dyrektora Międzynarodowego Ośrodka Badawczego, znanego pakistańskiego fizyka Abdusa Salama, o najwcześniejsze próby stworzenia jednolitych teorii oddziaływań elementarnych. Sa-lam powiedział mi, że trzydzieści lat temu niemal nikt nie wierzył w te teorie i opowiedział mi o liście, jaki otrzymał od Pau-liego w 1957 roku. Pauli pisał mniej więcej tak: „Czytam właśnie pańską pracę (na brzegu jeziora w Zurychu, pod jasno świecącym słońcem). Tytuł The UnWersal Fermi Interaction (Uniwersalne oddziatywanie Fermiego) bardzo mnie zdziwił, a to dlatego, że już od pewnego czasu obserwuję następującą regułę: jeśli teoretyk używa określenia »uniwersalne«, to wypisuje czyste bzdury". Od pierwszych prób Einsteina minęło wiele lat i fizyka bardzo się zmieniła. Obecnie znamy cztery oddziaływania elemen|. tarne: grawitację, elektromagnetyzm oraz słabe i silne oddziaływania jądrowe. Dotychczas mówiliśmy głównie o grawitacji, która rządzi zachowaniem ciał niebieskich, a którą w świecie cząstek elementarnych można całkowicie pominąć. Wyjaśnienia domagają się natomiast pozostałe trzy oddziaływania elementarne. Przykładem procesu, który zachodzi dzięki oddziaływaniom elementarnym, jest rozpad neutronu na proton, elektron i an-tyneutrino. Istnieje zasadnicza różnica między tymi oddziaływaniami a przejawami działania sił grawitacyjnych, które omawialiśmy wcześniej. W oddziaływaniach grawitacyjnych, przynajmniej o ile ciała poruszają się z niewielką prędkością, zmianie ulega tylko ich ruch, natomiast w oddziaływaniach słabych zmienia się natura cząstek - neutron zostaje zastąpiony protonem, elektronem i antyneutrinem. Silne oddziaływania powodują rozmaite reakcje jądrowe (na przykład reakcje termojądrowe, czyli reakcje syntezy) i wiążą protony i neutrony w jądrach atomowych. Oddziaływania elektryczne i magnetyczne znamy z wielu szkolnych doświadczeń, a zatem wszelkie komentarze są tu zbyteczne. Wszystkie procesy we Wszechświecie zachodzą wskutek tych czterech oddziaływań. Co w rzeczywistości się dzieje, gdy cząstki ze sobą oddziałują? Jaka jest najważniejsza cecha oddziaływań? Otóż cząstki oddziałują, wymieniając między sobą inne cząstki - cząstki przenoszące oddziaływania. Każde z czterech oddziaływań elementarnych jest przenoszone przez inne cząstki. Nośnikiem oddziaływań elektromagnetycznych jest foton, a oddziaływań grawitacyjnych grawiton. Grawitony i fotony zawsze poruszają się z prędkością światła i mają zerową masę spoczynkową. Cząstkami przenoszącymi oddziaływania słabe są tak zwane bozony wektorowe. (Nie będę tu wyjaśniał znaczenia i pochodzenia tej nazwy). Istotna różnica między bozonem wektorowym a fotonem i grawitonem polega na tym, że bozon ma bardzo dużą masę, w przybliżeniu sto razy większą niż proton. Ponieważ cząstki przenoszące oddziaływania słabe są obdarzo-

ne tak dużą masą, oddziaływania słabe mają bardzo mały za sięg. Zasięg ten jest około tysiąca razy mniejszy niż średnica jądra atomowego. Proszę pamiętać, że średnica jądra jest około stu tysięcy razy mniejsza od średnicy atomu. Dlaczego oddziaływania słabe mają tak mały zasięg? Dzieje się tak z następującego powodu: aby wyemitować ciężką cząstkę, przenoszącą oddziaływania, cząstka zużywa dużo energii, którą musi pożyczyć. W świecie cząstek elementarnych obowiązuje zasada nieoznaczoności, o której wspominałem już w rozdziale „Czarna dziura jako źródło energii". Zgodnie z tą zasadą cząstka lub układ mogą czerpać energię „znikąd", ale tylko przez bardzo krótki czas. Im większa energia, tym krótszy okres, na jaki można ją „pożyczyć". Cząstka musi następnie zwrócić „pożyczoną" energię,

gdyż inaczej byłoby to sprzeczne z jedną z podstawowych zasad przyrody - z zasadą zachowania energii. Wobec tego cząstka może wyprodukować bozon wektorowy, przenoszący oddziaływania słabe, pożyczając energię „znikąd" tylko w czasie jednej kwadrylionowej części sekundy. Tyle czasu może upłynąć między emisją bozonu wektorowego i jego absorpcją. Nic zatem dziwnego, że nawet jeśli bozon porusza się z prędkością bliską prędkości światła, to w tym czasie może przebyć tylko bardzo niewielką odległość, równą jednej tysięcznej średnicy jądra atomowego. Taki jest zatem zasięg oddziaływań słabych. Ten przykład ilustruje szczególny związek między czasem i energią w świecie cząstek elementarnych. Ilość energii pożyczonej „znikąd" i czas, po jakim owa „pożyczka" musi zostać zwrócona, są związane ścisłym wzorem matematycznym. Im większa energia, tym krótszy czas. Proszę zwrócić uwagę na to, że dużą energię można „pożyczyć" tylko na bardzo krótki okres. Musimy tu wspomnieć o jeszcze jednym przejawie związku między energią i czasem - mam na myśli zasadę zachowania energii, znaną fizykom już od dawna. Fizycy przyjęli, że energia nie może się pojawiać „znikąd" na dłuższy czas (a nie tylko na bardzo krótko, jak to omówiliśmy powyżej) po tym, jak trwające od stuleci próby skonstruowania wiecznie poruszającej się maszyny zakończyły się niepowodze-

jliem. Prawo zachowania energii pierwszy sformułował nie-piiecki lekarz Julius Mayer w 1842 roku. Ciekawe, że Mayer doszedł do tego prawa po podróży na Jawę w charakterze leka-laa okrętowego. Badania krwi żylnej marynarzy doprowadziły go do wysunięcia hipotezy, że możliwa jest przemiana pracy mechanicznej w ciepło i odwrotnie. W 1842 roku Mayer opublikował artykuł zatytułowany Uwagi na temat sil w materii '^nieożywionej, w którym sformułował swoje prawo zachowania 'i przemiany energii. Kilka lat później prawo to ponownie od-'; kryli James Joule i Hermann Helmholtz. Praca Mayera nie zo-• stała zauważona. Usiłował on bronić swego pierwszeństwa, co l doprowadziło go do poważnego rozstroju nerwowego. W 1862 roku Rudolf Clausius i John Tyndall zwrócili uwagę na jego artykuł i dzięki temu pierwszeństwo Mayera zostało uznane. Zasada zachowania energii stwierdza, że energia układu zamkniętego i nie oddziałującego z otoczeniem nigdy się nie zmienia, to znaczy nie zależy od czasu. W 1918 roku niemiecka matematyczka Emma Noether wykazała, jak głęboki charakter ma ta podstawowa zasada fizyczna. Noether udowodniła, że zasada zachowania energii jest konsekwencją jednorodności czasu. Zgodnie z zasadami fizyki Newtona wszystkie chwile czasu są równoważne. Noether z absolutną ścisłością wykazała, że z tego założenia wynika zasada zachowania energii. Twierdzenie Noether zapoczątkowało nowe podejście do praw fizyki, polegające na badaniu symetrii układów; w przypadku energii chodzi o symetrię ze względu na przesunięcie w czasie. Z twierdzenia tego wynika również, że zasady zachowania innych wielkości fizycznych, takich jak pęd i moment pędu, także są związane z odpowiednimi symetriami: symetrią ze względu na przesunięcia i obroty w przestrzeni. To odkrycie stanowiło pierwszy krok na drodze do poznania związków między właściwościami układów fizycznych i symetriami czasu i przestrzeni. Jak się przekonamy poniżej, zastosowanie idei symetrii jest jedną z najważniejszych koncepcji współczesnej fizyki. Przejdźmy teraz do silnych oddziaływań. Silne oddziaływania są przenoszone przez gluony, Gluony są emitowane i ab-

sorbowane przez kwarki, które tworzą protony, neutrony i inne cząstki elementarne. Podobnie jak fotony, gluony mają zerową masę spoczynkową. W przypadku oddziaływań elektromagnetycznych fotony są emitowane i absorbowane przez cząstki z ładunkiem elektrycznym. Natomiast kwarki, które emitują i absorbują gluony, mają szczególny ładunek, określany jako „kolor". Ładunek ten występuje w trzech rodzajach: czerwonym, żółtym i niebieskim. Każdy kwark ma jeden z trzech kolorów. Trzeba przy tym pamiętać, że te nazwy to tylko etykiety, nie mające nic wspólnego ze zwykłymi

kolorami, które postrzegamy. Silne oddziaływania różnią się od elektromagnetyzmu również tym, że gluony mają określony kolor, natomiast fotony, przenoszące oddziaływania elektromagnetyczne, posiadają zerowy ładunek. Mogłoby się wydawać, że w naszej podróży po mikroświecie moglibyśmy się tu zatrzymać, skoro poznaliśmy już najmniejsze znane obecnie cząstki materii. W rzeczywistości jednak te dobrze potwierdzone fakty stanowią tylko wprowadzenie do naprawdę zdumiewającego świata zjawisk zachodzących w nieskończenie małej skali. Cechy tego świata są ściśle związane z własnościami nieskończenie wielkiego Wszechświata. Podstawowe informacje, podane w tym rozdziale, można uważać za wierzchołek góry lodowej, który widzimy, obserwując zjawiska zachodzące wówczas, gdy energia cząstek jest stosunkowo mała. Teraz musimy przyjrzeć się dokładniej podwodnej części owej góry lodowej. Muszę od razu ostrzec czytelników, że liczne cechy struktury warstw „zanurzonych" pozostają niejasne nawet dla ekspertów, a im głębiej sięgamy, tym bardziej hipotetyczne są wszystkie dane i stwierdzenia. Wiadomości te są jednak tak ważne, że, moim zdaniem, trzeba je przedstawić choćby pobieżnie, zwłaszcza że jestem przekonany, iż podstawowe cechy zjawisk zostały opisane w miarę poprawnie.

ROZDZIAŁ

ll

WIELKA UNIFIKACJA

Gdy w rozdziale „Czarna dziura jako źródło energii" omawiałem cechy próżni, czyli pustki, podkreślałem, że próżnia jest w istocie wypełniona nieustannie powstającymi i znikającymi parami cząstek wirtualnych. Próżnia okazała się bardzo skomplikowanym obiektem. Jest to w rzeczywistości bardzo złożony stan, gdyż w przestrzeni „wrą" wirtualne pary cząstek wszystkich znanych rodzajów. Czytelnika zapewne nie zdziwi fakt, że właściwości tego stanu - próżni - zależą od sposobu jego przygotowania. To oznacza, że możliwe są różne stany próżni, odmienne rodzaje pustki! Wkrótce zapoznamy się z przykładami różnych stanów próżni. Na razie jednak zastanówmy się nad pytaniem, czy procesy zachodzące w próżni („wrzenie" cząstek i anty-cząstek) powodują, że ma ona pewną niezerową gęstość energii? Rzeczywiście, próżnia może mieć niezerową gęstość energii. Zeldowicz zwracał na to uwagę już w latach sześćdziesiątych. Z uwagi na równoważność masy i energii oznacza to, że próżnia ma również pewną gęstość. Czy to oznacza, że istnieje jakiś uniwersalny ośrodek, nowy eter? Gdyby tak było, ośrodek ten mógłby posłużyć do ponownego wprowadzenia koncepcji absolutnego spoczynku i absolutnego ruchu. Ruch wobec tego

ośrodka byłby równoznaczny z ruchem względem próżni, czyli względem absolutnej przestrzeni. Wydaje się, że gdybyśmy poruszali się względem nowego eteru, powinniśmy odczuwać jego strumień, czyli wiejący nam w twarz „wiatr eteru". Właśnie tego efektu poszukiwał Michel-son jeszcze w XIX wieku, gdy próbował wykryć ruch Ziemi względem eteru w doświadczeniach, które opisałem wcześniej. Jak pamiętamy, eksperymenty te dały negatywny wynik. Gdyby nowy eter przypominał zwykły ośrodek, rzeczywiście moglibyśmy wykryć wiatr eteru. Próżnia jest jednak niezwykłym ośrodkiem. Charakteryzuje ją nie tylko gęstość energii, ale również naprężenie, podobne do naprężenia w ciele stałym poddanym sile rozciągającej. Naprężenie to jest równoważne ujemnemu ciśnieniu, w związku z czym często mówi się po prostu, że próżnia ma ujemne ciśnienie. W zwykłych ośrodkach ciśnienie i naprężenie stanowią tylko niewielki ułamek całkowitej gęstości energii (która obejmuje masę spoczynkową). Ujemne ciśnienie próżni jest ogromne -jego wartość odpowiada wartości gęstości energii. Ta niezwykła własność sprawia, że próżnia bardzo się różni od zwykłych ośrodków. Gdy obserwator porusza się przez próżnię, rzeczywiście napotyka strumień energii i mogłoby się wydawać, że dałoby się go wykryć (to właśnie byłby ów wiatr). Istnieje jednak jeszcze jeden strumień energii, związany z ujemnym ciśnieniem. Ten strumień ma taką samą wielkość bezwzględną jak strumień związany z gęstością energii, ale przeciwny znak, a zatem dokładnie go neutralizuje. Z tego powodu wiatr nie istnieje. Niezależnie od tego, z jaką prędkością porusza się dany obserwator inercjalny, zawsze jego pomiary wykazują taką samą gęstość energii próżni ł takie samo ujemne ciśnienie, a zatem ruch nie doprowadza do powstania wiatru. Próżnia wygląda tak samo dla wszystkich obserwatorów inercjalnych. Do problemów próżni jeszcze powrócimy, ale teraz zajmiemy się cząstkami elementarnymi. Jak wspomniałem, oddziaływania elektromagnetyczne między cząstkami z ładunkiem elektrycznym polegają na wymla-

nie fotonu. Oddziaływania słabe również są związane z pew-rm ładunkiem. Istotna różnica między oddziaływaniami elektromagnetycznymi i słabymi polega na tym, że te ostatnie mają ibardzo mały zasięg. Jak już się przekonaliśmy, odpowiada za to ogromna masa bozonów wektorowych, przenoszących oddziaływania słabe. Oddziałujące cząstki mogą „pożyczyć" ener-• gię na stworzenie i wymianę bozonu jedynie na bardzo krótki i czas. Wobec tego mogą oddziaływać w ten sposób tylko wtedy, gdy są bardzo blisko siebie. Co by się stało, gdyby wszystkie cząstki przenoszące oddziaływania miały zerową masę? Lub

inaczej: co działoby się w tak wysokiej temperaturze, że tworzenie się bozonów byłoby równie łatwe jak fotonów? W wysokiej temperaturze wszystkie cząstki mają dużą energię, a zatem nie muszą „pożyczać" energii na wyprodukowanie masywnych bozonów. Cząstki już dysponują dostateczną energią. Wymiana bozonów zachodzi zatem równie łatwo jak fotonów; między oddziaływaniami słabymi i elektromagnetycznymi pojawia się jawna symetria. Okazuje się, że w takich warunkach (tzn. gdy cząstki mają bardzo dużą energię) następuje unifikacja tych oddziaływań - mamy wówczas do czynienia z oddziaływaniami elektrosłabymi. W dostatecznie wysokiej temperaturze pojawiają się zatem oddziaływania elektrosłabe (z obliczeń wynika, że powinno to nastąpić w temperaturze tysiąca bilionów kelwinów). Cząstki przenoszące oddziaływania bozony wektorowe i fotony - mają wtedy zerową masę spoczynkową i występują w dużych ilościach. Okazuje się jednak, że w takich warunkach znika masa spoczynkowa nie tylko bozonów wektorowych, ale również pozostałych cząstek elementarnych - kwarków, elektronów i innych! W tym sensie upodabniają się one do fotonów. Co stanie się, gdy temperatura opadnie? Jawna symetria oddziaływań elektromagnetycznych i słabych zostaje wtedy złamana. Dlaczego tak się dzieje? W łamaniu symetrii oddziaływań zasadniczą rolę odgrywają nowe pola i ich kwanty, czyli cząstki, o

których jeszcze nic nie wiemy. Są to tak zwane cząstki Higgsa, od nazwiska pomysłodawcy. Cząstki te naruszają symetrię. Gdyby nie cząstki Higgsa,

wszystkie cząstki miałyby zerową masę spoczynkową i symetria przetrwałaby również w niskiej temperaturze. Nim jednak omówię rolę cząstek Higgsa w mechanizmie spontanicznego łamania symetrii oddziaływań słabych i elektromagnetycznych, chciałbym przypomnieć czytelnikom prosty eksperyment. Wyobraźmy sobie kulkę staczającą się po sferycznym zagłębieniu. Niezależnie od tego, gdzie ją umieścimy na początku, kulka stacza się i po kilku wahnięciach zatrzymuje w najniższym punkcie. Jak wiadomo, im wyżej znajduje się ciało ponad najniższym możliwym położeniem, tym większa jest jego grawitacyjna energia potencjalna, która pozostaje proporcjonalna do wysokości. A zatem gdy kulka znajduje się gdzieś na zboczu zagłębienia, daleko od jego osi symetrii, jej energia potencjalna jest wyższa niż wówczas, gdy tkwi w najniższym punkcie. Kiedy kulka ma najniższą możliwą energię potencjalną, mówimy, że znajduje się na dnie studni potencjału. Na razie wszystko jest proste. Zastanówmy się teraz, czy jeśli zagłębienie ma symetrię osiową, to kulka zawsze zatrzyma się na osi symetrii? Nie, tak być nie musi. Wyobraźmy sobie, że w samym środku zagłębienia znajduje się małe wzniesienie. Gdziekolwiek teraz umieścimy kulkę, zatrzyma się ona nie w punkcie symetrii na osi, lecz w jednym z najniższych punktów z boku wzniesienia. Jej położenie końcowe łamie symetrię, mimo że zagłębienie jest idealnie symetryczne. Gdy umieścimy kulkę dokładnie na szczycie wzniesienia, pozostanie ona w rym symetrycznym położeniu. Stan taki nie może jednak trwać długo, ponieważ nie jest to położenie równowagi trwałej, i najmniejsze zaburzenie spowoduje, że kulka stoczy się ze wzniesienia. Wynika stąd, że stan równowagi idealnie symetrycznego układu, który w chwili początkowej był symetryczny (kulka na szczycie wzniesienia), może okazać się jawnie niesymetryczny. Moment naruszenia symetrii oraz wybór punktu u stóp wzniesienia są kwestią przypadku i dlatego mówimy tu o spontanicznym łamaniu symetrii. Wróćmy teraz do cząstek i pól. Z oddziaływaniami pól również związana jest pewna energia potencjalna. Energię tę można opisać, korzystając z analogii z położeniem kulki w zagłę-' bieniu - czyli posługując się pojęciem studni potencjału. Za-f leżnie od sytuacji studnia potencjału może mieć centralne p wzniesienie lub nie. Nie jest zapewne łatwo dostrzec analogię między zachowaniem pól ł kulki w zagłębieniu, ale abstrakcyj-I ne przykłady są powszechnie używane w nauce. W tym konkretnym przypadku wysokość, na jakiej znajduje się kulka, |, opisuje energię potencjalną pola. Pole Higgsa może istnieć w dwóch stanach. W temperaturze powyżej tysiąca bilionów kelwinów pole ma postać pojedynczych cząstek elementarnych. Gdy temperatura opada poniżej tej wielkości krytycznej, następuje, jak to określają fizycy, przemiana fazowa - cząstki ulegają „kondensacji", niczym przegrzana para po ochłodzeniu. Własności „kondensatu" cząstek Higgsa nie zależą ani od położenia, ani od czasu. W nowych warunkach nie można go w żaden sposób usunąć. Innymi słowy, jest to próżnia. Tak właśnie mówią fizycy: przemiana fazowa powoduje powstanie „nowej próżni". Położenie kulki na szczycie wzniesienia odpowiada „starej próżni". W wysokiej temperaturze ściany studni potencjału wznoszą się od razu do góry i najniższy punkt leży na osi symetrii. Wobec tego punkt ten stanowi punkt równowagi trwałej. O starej próżni mówi się czasem „fałszywa próżnia" lub „stan podobny do próżni". Gdy temperatura spada, kształt studni potencjału ulega zmianie i w środku pojawia się wzniesienie. Pojawienie się nowej próżni przypomina staczanie się kulki do najniższego stanu, czyli do jednego z punktów odpowiadających najniższej energii potencjalnej w dolinie, która otacza wzniesienie centralne. Stan ten łamie symetrię. Pole Higgsa rozdziela się wówczas na składowe o odmiennych własnościach. Jedna składowa odpowiada cząstce o zerowym spinie i dużej masie, a druga zostaje zaabsorbowana przez cząstki

przenoszące oddziaływania, wskutek czego bozo-ny wektorowe zyskują masę. (Nie będę próbował wyjaśnić, dlaczego tak się dzieje). Równocześnie masę zyskują cząstki materii: kwarki, elektrony itp. Przyczyną tego są ich oddziały-

wania z niesymetrycznym kondensatem pola Higgsa, który utworzył nową (niesymetryczną) próżnię. (Również tego procesu nie będę tu wyjaśniał, gdyż jest to bardzo skomplikowane, a czytelnicy i tak mają już dość skomplikowanych problemów). Proszę zwrócić uwagę na to, że foton, czyli cząstka przenosząca oddziaływania elektromagnetyczne, w dalszym ciągu ma zerową masę spoczynkową. Wszystkie te skomplikowane i różnorodne zjawiska są spowodowane spontanicznym złamaniem symetrii, czyli „stoczeniem się" pola Higgsa w niskiej temperaturze do niesymetrycznego stanu nowej próżni. Szczegóły tego procesu - pojęcie symetrycznego i niesymetrycznego położenia kulki - mogą się wydawać zbyt abstrakcyjne i wydumane. Niestety, nic nie można na to poradzić; nawet najprostsze wyjaśnienia wymagają od czytelników pewnej uwagi i wyobraźni. Po „stoczeniu się" pola Higgsa do niesymetrycznej próżni, cząstki przenoszące oddziaływania słabe zyskują dużą masę, a zatem oddziaływania te mają bardzo krótki zasięg; natomiast zerowa masa fotonu powoduje, że zasięg oddziaływań elektromagnetycznych jest nieskończony. Pierwotna symetria oddziaływań zniknęła. Symetria, tak oczywista i widoczna w wysokiej temperaturze, teraz jest złamana i ukryta. To wyjaśnia, dlaczego fizykom tak trudno było wykryć tę symetrię w warunkach panujących obecnie we Wszechświecie. Mimo to zdołali tego dokonać! W 1979 roku Steven Weinberg, Sheldon Glashow i Abdus Salam otrzymali Nagrodę Nobla za stworzenie jednolitej teorii oddziaływań elektrosłabych. Teorię procesów zachodzących w bardzo wysokiej temperaturze w początkach rozszerzania się Wszechświata sformułował moskiewski teoretyk Dawid Kirżnic, a następnie rozwinął ją we współpracy z młodszym kolegą, Andriejem Linde. Nie wszystkie szczegóły naszkicowanego tutaj obrazu zostały równie dobrze potwierdzone. Na przykład nie udało się dotąd wykryć masywnych cząstek Higgsa. Zgodnie z teorią co najmniej jedna taka cząstka musiała przetrwać wszystkie przemiany fazowe i powinna istnieć w obecnym Wszechświecie. Zarejestrowanie tej cząstki jest zadaniem niezmiernie

; trudnym, ale fizycy wierzą, że poszukiwania ostatecznie za-; kończą się sukcesem. Przejdźmy teraz do silnych oddziaływań. Cząstki oddziałujące silnie - kwarki - oraz te, które nie oddziałują - na przykład elektrony - wydają się zupełnie różne i przemiana jednych w drugie wydaje się niemożliwa. Jak już wspomniałem, przywrócenie symetrii między oddziaływaniami słabymi i elektromagnetycznymi wymaga temperatury tysiąca bilionów kelwinów. W niższej temperaturze symetria ulega złamaniu i obserwujemy oddziaływania słabe oraz elektromagnetyczne, które na pierwszy rzut oka wydają się bardzo różne. Silne oddziaływania (kolorowe) nawet w takiej temperaturze trzymają się z daleka od oddziaływań elektrosłabych i mają zupełnie inne właściwości. W oddziaływaniach elektrosłabych biorą udział wszystkie cząstki, natomiast w oddziaływaniach silnych tylko kwarki. W żadnym z omawianych dotychczas procesów nie następuje przemiana kwarka w elektron lub kwarka w antykwark. Oczywiście, w zderzeniach elektronów mających dostatecznie dużą energię powstają kwarki, ale zawsze tworzą one pary z anty-kwarkami, tak że całkowita liczba kwarków i antykwarków jest taka sama. Podobnie zderzenie kwarka z antykwarkiem powoduje ich anihilację i kreację wielu nowych cząstek, ale zawsze znika para kwark-antykwark, nigdy zaś pojedyncza cząstka. Widzimy zatem, że w procesach naturalnych zostaje zachowana różnica liczby kwarków i antykwarków. Różnica ta jest znana jako liczba barionowa (ściśle mówiąc, liczba barionowa równa się tej różnicy podzielonej przez 3). Jak dotychczas, wszystkie doświadczenia wskazują na to, że liczba barionowa podlega zasadzie zachowania. Czyż nie jest jednak możliwe, że przy znacznie większych energiach cząstek zachodzą reakcje, które naruszają zasadę zachowania? A bariera

energetyczna powoduje, że fizycy nie mogą ich zaobserwować. Z teorii wynika, że takie procesy rzeczywiście są możliwe, ale wymagają fantastycznie dużej energii. Dotychczas rozważaliśmy cząstki mające temperaturę tysiąca bilionów kelwinów. Teraz musimy zająć się cząstkami

w temperaturze bilion razy wyższej. Jakie procesy zachodzą, gdy cząstki mają tak dużą energię? Proszę przede wszystkim zwrócić uwagę na to, że im większa energia, tym mniejsza odległość, na jaką mogą się zbliżyć cząstki w czasie zderzenia. Wiadomo, że gdy odległość między cząstkami jest tysiąc bilionów razy mniejsza od średnicy jądra atomowego (co odpowiada temperaturze tysiąca kwadrylionów kelwinów), wszystkie trzy oddziaływania - elektromagnetyczne, słabe i silne - przestają się od siebie różnić; istnieje wówczas tylko jedno uniwersalne oddziaływanie. W tak dużej temperaturze powstaje bardzo wiele cząstek, przenoszących uniwersalne oddziaływanie. Mają one masę bilion razy większą niż bozony wektorowe, przenoszące oddziaływania słabe. Cząstki o tak dużej masie mogą powstawać tylko wtedy, gdy typowa energia cząstek jest jeszcze większa. Dotychczas o nich nie wspominaliśmy, ponieważ rozważaliśmy procesy zachodzące w znacznie mniejszych energiach. Cząstki przenoszące uniwersalne oddziaływanie mają zdumiewające własności: powodują wzajemną przemianę kwarków w elektrony oraz kwarków w antykwarki. W takich warunkach znikają różnice między kwarkami, elektronami i neutrinami, które są tak wyraźne w niskiej temperaturze. Wszystkie te cząstki stanowią różne wersje jednej „supercząstki". Oznacza to pojawienie się nowej, bardziej symetrycznej fazy materii, tak zwanej fazy wielkiej unifikacji. Oprócz cząstek, z którymi już mieliśmy do czynienia, w tak wysokiej temperaturze istnieje jeszcze jeden zbiór cząstek Higgsa, odmiennych od tych, które omawialiśmy powyżej. Gdy temperatura opada poniżej temperatury krytycznej, znany nam już mechanizm spontanicznego łamania symetrii powoduje złamanie symetrii wielkiej unifikacji. Różnica polega tylko na tym, że wymaga to nowego zbioru cząstek Higgsa o znacznie większej masie. W temperaturze powyżej temperatury wielkiej unifikacji istniały oddzielne cząstki Higgsa. Gdy temperatura opada poniżej temperatury krytycznej, powstaje nowy kondensat tych cząstek; w takim stanie układ ma najniższą energię. Jest to kolej-

ny rodzaj próżni - już trzeci, z jakim spotkaliśmy się w tej książce. Różne stany próżni mają różną gęstość energii. Wskutek powstania kondensatu cząstek Higgsa cząstki przenoszące uniwersalne oddziaływania zyskały bardzo dużą masę; dlatego też nie powstają one w niskiej temperaturze. Uniwersalne oddziaływanie rozpada się na oddziaływania silne i elektrosłabe. Widzimy zatem, że wraz ze wzrostem energii (i temperatury) oddziaływania, które w zwyczajnych warunkach są zupełnie odmienne, upodabniają się do siebie i łączą w jedno, uniwersalne oddziaływanie. W naszych czasach spełnia się zatem marzenie Einsteina o ujednoliceniu opisu wszystkich sił działających we Wszechświecie. Oddziaływania elektromagnetyczne, słabe i silne, stapiają się w jedno uniwersalne oddziaływanie. Jedyna siła, która pozostaje niezależna, to grawitacja, działająca na wszystkie rodzaje materii. Wydaje się, że jesteśmy już blisko celu - pozostało nam jeszcze połączyć przy pewnej niezwykle dużej energii grawitację z uniwersalnym oddziaływaniem opisywanym przez teorię wielkiej unifikacji. Niestety, ten ostatni krok okazał się najtrudniejszy. Zanim przejdziemy do omówienia najnowszych prób sformułowania jednolitej teorii wszystkich oddziaływań elementarnych, warto przypomnieć sobie, że pole grawitacyjne ma charakter geometryczny - pole grawitacyjne to krzywizna czasoprzestrzeni. Prócz tego trzeba koniecznie pamiętać, że w odpowiednich warunkach pole grawitacyjne, podobnie jak elektromagnetyczne, wykazuje właściwości kwantowe. Jak wiadomo, kwanty pola elektromagnetycznego to fotony. Kwanty pola grawitacyjnego to grawitony

-jeszcze nie zaobserwowane hipotetyczne cząstki, przenoszące oddziaływania grawitacyjne. Podobnie jak fotony, grawitony mają zerową masę spoczynkową i zawsze poruszają się z prędkością światła. Albert Einstein był przekonany, że pole elektromagnetyczne również ma charakter geometryczny. Drugą połowę swego życia poświęcił na poszukiwania geometrycznej reprezentacji pola elektromagnetycznego, która - jak miał nadzieję - pozwoliła-

by jednocześnie wyjaśnić makroskopowe właściwości materii. Z jednej strony równania pola grawitacyjnego Einsteina usytuowane są wielkości opisujące krzywiznę czasoprzestrzeni (tak zwany tensor krzywizny), a z drugiej strony - źródła grawitacji i krzywizny, czyli wielkości opisujące materię i pola niegrawita-cyjne (tak zwany tensor energii-pędu materii). Einstein uważał, że taki dualizm jest czymś obcym i nienaturalnym i że w nowej teorii powinien on zniknąć. Jeśli z lewej strony mamy wielkości geometryczne, to również prawa strona musi mieć taki sam charakter fizyczny, czyli geometryczny. Dla Einsteina oznaczało to, że materię i pola należy opisać za pomocą pojęć geometrycznych. Infeld wspomina, jak Einstein mówił o tym dualizmie: Teoria względności spoczywa na dwóch kolumnach. Jedna z nich jest silna i piękna, jakby zrobiona z marmuru. To jest ten tensor krzywizny. Druga jest słaba, jakby ze słomy. To jest ów tensor energii-pędu [...] Musimy pozostawić to zagadnienie do rozstrzygnięcia przyszłości.* Po przeszło trzydziestu latach pracy Einstein sądził, że już niemal rozwiązał ten problem. W 1945 roku napisał w liście do Infelda, że ma nadzieję, iż odkrył, w jaki sposób grawitacja i elektromagnetyzm są powiązane ze sobą, choć uważał, że daleko mu jeszcze do podania fizycznego uzasadnienia swej teorii. W swej jednolitej teorii grawitacji i elektromagnetyzmu Einstein wykorzystał czasoprzestrzeń ze „skręceniem", które miało opisywać zjawiska elektromagnetyczne. Niestety, ta próba również zakończyła się porażką i Einstein nigdy nie stworzył jednolitej teorii pola. W latach dwudziestych Niemiec Theodor Kałuża i Szwed Oskar Klein podjęli zupełnie nową próbę sformułowania jednolitej, geometrycznej teorii grawitacji i elektromagnetyzmu. Założyli oni, że czasoprzestrzeń nie ma czterech wymiarów (trzy przestrzenne i jeden czasowy), lecz pięć - dodali jeszcze jeden

wymiar przestrzenny. Następnie napisali równanie, określające krzywiznę tej pięciowymiarowej czasoprzestrzeni, bardzo podobne do równania Einsteina. Okazało się wtedy, że dodatkowe składowe tego równania, które pojawiły się wskutek uzupełnienia o piąty wymiar, to właśnie równania elektrodynamiki Maxwella. W ten sposób Kałuża i Klein zdołali podać geometryczną interpretację elektromagnetyzmu, która jednak miała niezwykły charakter - wymagała wprowadzenia piątego wymiaru. Teoria Kałuży ł Kleina miała jednak słabe strony. Oprócz licznych trudności, których nie będę tu opisywał, ich teoria

wymagała wyjaśnienia oczywistego problemu: dlaczego w rzeczywistości nie obserwujemy piątego wymiaru? Dlaczego możemy poruszać się w trzech wymiarach przestrzennych, ale nie w dodatkowym, hipotetycznym wymiarze? W celu pokonania tej trudności Kałuża i Klein musieli wprowadzić wiele bardzo sztucznych założeń, których sens w istocie polegał na tym, iż zakazywały one ruchu w nowym wymiarze. Widzimy zatem, że pierwsze próby znalezienia jednolitej teorii oddziaływań miały w najlepszym razie wstępny charakter. Jak już wiemy, w połowie wieku wielu fizyków odnosiło się do nich bardzo sceptycznie.

Powróćmy do naszych czasów. Wyjaśniłem już, w jaki sposób fizykom udało się opisać w jednolity sposób różne oddziaływania w zakresie dużych energii. Takie teorie również opierają się na ideach geometrycznych - na zasadach symetrii. Symetrie te jednak dotyczą nie zwykłej, fizycznej czasoprzestrzeni, lecz abstrakcyjnej przestrzeni, reprezentującej różne stany cząstek ł pól, czyli abstrakcyjnej przestrzeni wewnętrznych stopni swobody cząstek. Gdy chcemy teraz przejść do jednolitego opisu wszystkich oddziaływań, łącznie z grawitacją, musimy pamiętać, że grawitacja jest związana z krzywizną rzeczywistej czasoprzestrzeni. Wobec tego powinniśmy w jakiś sposób połączyć wielkości geometryczne, charakteryzujące czterowymiarową czasoprzestrzeń, z wielkościami z przestrzeni stanów wewnętrznych. Jak można to osiągnąć? Jaki jest cel takich prób? Zanim podejmiemy ten temat, chciałbym wskazać na jeszcze jedną sprawę. Cząstki elementarne dzielimy na dwie główne klasy - cząstki materii i cząstki przenoszące oddziaływania. Cząstki należące do tych klas mają bardzo odmienne cechy i spełniają zupełnie inne zadania. Można powiedzieć, że cząstki przenoszące oddziaływania „obsługują" cząstki materii. Nigdy się nie zdarza, żeby cząstka należąca do jednej klasy uległa przemianie w cząstkę należącą do innej klasy. Jeśli jednak dążymy do unifikacji wszystkich oddziaływań w ramach pewnej jednolitej teorii, to nasuwa się myśl, czy nie można uznać, że cząstki materii i cząstki przenoszące oddziaływania są róż-

nymi aspektami jednej cząstki, być może różnymi stanami takiego obiektu? Jeśli wziąć pod uwagę, że współczesna fizyka połączyła tak różne wielkości, jak czas i przestrzeń oraz oddziaływania słabe i elektromagnetyczne, to koncepcja unifikacji cząstek materii i cząstek przenoszących oddziaływania przestaje się wydawać zupełnie absurdalna. I rzeczywiście, okazało się, że pewna koncepcja unifikacji grawitacji z pozostałymi oddziaływaniami prowadzi również do unifikacji cząstek materii i cząstek przenoszących oddziaływania; owe cząstki zgodnie z teorią supersymetrii - mogą przekształcać się jedne w drugie. Oczywiście, supersymetria wszystkich oddziaływań i cząstek może się przejawiać tylko wtedy, gdy cząstki mają bardzo dużą energię, natomiast w normalnych warunkach jest złamana i ukryta, tak że cząstki materii nie przypominają cząstek przenoszących oddziaływania, a poszczególne oddziaływania wydają się zupełnie różne. Jak duża musi być energia, aby zaczęła się przejawiać jednolita natura wszystkich oddziaływań? Okazuje się, że energia ta jest sto tysięcy razy większa niż energia wielkiej unifikacji; ową energię nazywa się czasem energią superunifikacji. Odpowiada jej temperatura stu tysięcy trylionów stopni. Chciałbym tu ograniczyć się do bardzo krótkich komentarzy na temat najnowszych wersji superunifikacji, a to z kilku powodów. Po pierwsze, jest rzeczą niezwykle trudną wyjaśnić je bez korzystania z matematyki, a niniejsza dygresja musi być bardzo krótka, gdyż problem ten leży nieco na uboczu naszych rozważań o czasie. Po drugie, eksperci nie są jeszcze pewni, czy poprawnie rozumieją nawet podstawowe cechy zjawisk opisywanych przez owe teorie i obecnie prowadzi się badania w bardzo różnych kierunkach. Jak pamiętamy, Kałuża i Klein podjęli próbę sformułowania jednolitej teorii grawitacji i elektromagnetyzmu, której zasadnicza idea polegała na wprowadzeniu piątego wymiaru. Obecnie dążymy do włączenia grawitacji do zunifikowanej teorii wszystkich oddziaływań i cząstek. Nasuwa się pomysł, by spróbować to osiągnąć, wprowadzając więcej dodatkowych wy-

miarów przestrzennych. Idea ta okazała się bardzo owocna. Dziś uczeni rozważają teorie, w których czasoprzestrzeń ma dziesięć, jedenaście lub nawet dwadzieścia sześć wymiarów zamiast zwykłych czterech. (Obecnie największą popularnością wydaje się cieszyć teoria z dziesięciowymiarową czasoprzestrzenią). Geometryczne właściwości dodatkowych wymiarów pozwalają opisać wszystkie cząstki przenoszące oddziaływania oraz cząstki materii w ramach jednego systemu pojęciowego. W ten sposób można

zrealizować marzenia Alberta Einsteina. Do rozstrzygnięcia pozostaje natomiast pytanie, które sformułowaliśmy już wcześniej: dlaczego w rzeczywistości nie dostrzegamy tych dodatkowych wymiarów, dlaczego nie możemy się w nich poruszać, jak to często opisują autorzy powieści fantastyczno-naukowych? Trudność tę można rozwiązać za pomocą idei kompaktyfika-cji. Zgodnie z tą koncepcją, dodatkowe wymiary przestrzenne są zwinięte (podobnie jak jeden wymiar kartki zwiniętej w rulonik). Kompaktyfikacja następuje wtedy, gdy energia cząstek spada poniżej energii Plancka. Promień skompaktyfłkowanych wymiarów jest rzędu długości Plancka, czyli sto trylionów razy mniejszy niż średnica jądra atomowego. Rzecz jasna, skoro dodatkowe wymiary są tak małe, to nie można ich wykryć w typowych warunkach, gdy cząstki mają stosunkowo niewielką energię. Wymiary te przejawiają się tylko w jeden sposób: określają one oddziaływania i ładunki cząstek. Supersymetria prowadzi do wniosku, że powinna istnieć duża rodzina nowych cząstek. Żadna z nich nie została jeszcze odkryta. Obecnie znamy wiele teorii, z których wynika, że powinny istnieć liczne egzotyczne cząstki. Niestety, muszę już kończyć tę fascynującą podróż przez obszary, które w znacznej mierze pozostają jeszcze nie zbadane. Ta wycieczka do cudownego mikroświata pozwoli nam lepiej zrozumieć, co działo się w początkowej fazie rozszerzania się Wszechświata, czyli zbadać przebieg wybuchu, który doprowadził do jego powstania.

W dwóch poprzednich rozdziałach obszernie omówiliśmy osiągnięcia współczesne] fizyki i astrofizyki, ale rzadko kiedy wspominaliśmy o czasie. Na pierwszy rzut oka - ale tylko na pierwszy może się to wydać nieco dziwne, skoro głównym tematem tej książki jest właśnie czas. Badając procesy zachodzące w głębi mikroświata i nieskończonej przestrzeni kosmicznej, mamy szansę poznać uderzające właściwości czasu. Nie moglibyśmy kontynuować naszej opowieści o czasie, nie zapoznawszy się najpierw z tymi procesami.

ŹRÓDŁA

Tsraz rozpoczniemy poszukiwania źródeł rzeki czasu. Jak wyglądał początek czasu? Co wywołało rozszerzanie się Wszechświata? W rozdziale „Podróż do źródeł rzeki czasu" przekonaliśmy się, że ogromne ciśnienie gorącej materii w chwili początkowej nie mogło być przyczyną dużej prędkości ekspansji materii, ponieważ w jednorodnym Wszechświecie nie występowały różnice ciśnienia, a tylko takie różnice mogą spowodować

ekspansję. Co zatem ją spowodowało? Kluczem do zrozumienia „pierwotnego impulsu" jest istnienie szczególnego stanu próżni, w którym materia ma ogromną gęstość i temperaturę. W rozdziale o wielkiej unifikacji zapoznaliśmy się z koncepcją różnych możliwych stanów próżni. Teoretycy uważają, że w temperaturze „superunifikacji" próżnia miała ogromną gęstość energii i tym samym ogromną gęstość materii. Gdybyśmy wyrazili tę gęstość w gramach na centymetr sześcienny, otrzymalibyśmy jedynkę z dziewięćdziesięcioma czterema zerami (!). Wielkość tej liczby przekracza wyobraźnię. Jak już wspomnieliśmy w poprzednim rozdziale, jeśli stan próżni ma niezerową gęstość energii, to ma również ogromne ujemne ciśnienie.

Zgodnie z teorią Einsteina źródłem grawitacji jest nie tylko masa, ale również ciśnienie. Ciśnienie zazwyczaj ma małą wartość i dlatego generowana przez nie siła ciążenia nie jest brana pod uwagę. W przypadku próżni sytuacja wygląda inaczej, ponieważ ciśnienie ma ogromną wartość i wytwarza silniejsze pole grawitacyjne niż masa. Jednak ciśnienie próżni jest ujemne, a zatem powoduje grawitacyjne odpychanie! Tu tkwi sedno sprawy. Zjawisko to jest kluczem do wyjaśnienia pierwotnego impulsu. Skoro początkowo materia miała olbrzymią gęstość i temperaturę, to siły antygrawitacyjne spowodowały niezwykle potężne wzajemne odpychanie wszystkich cząstek materii. Cząstki zyskały bardzo dużą prędkość początkową. Z tego po-

wodu proces ogromnie szybkiej ekspansji Wszechświata w tym okresie został nazwany „inflacją". Równie ważne jest to, że pierwotna próżnia była niestabilna. Stan ten istniał tylko przez jedną setną jednej kwintupolowej części sekundy! Próżnia następnie uległa rozpadowi, a zawarta w niej energia została zużyta na kreację zwyczajnych cząstek elementarnych, takich jak te, o których mówiliśmy w poprzednich rozdziałach. W ten sposób z próżni narodził się gorący Wszechświat, mający temperaturę rzędu tysiąca kwadrylionów kelwinów. Z powodu działania sił antygrawitacyjnych materia, która powstała z próżni, miała ogromną prędkość ekspansji. Gdy jednak „superpróżnia" rozpadła się, siły te zniknęły i zamiast nich zaczęły działać zwykłe siły grawitacyjne. Materia, która początkowo była bardzo gęsta i gorąca, wskutek ekspansji ostygła do bardzo niskiej temperatury i uległa ogromnemu rozrzedzeniu. W późniejszym okresie z materii tej powstały galaktyki, gwiazdy i układy gwiazd. W wielu książkach, w tym również popularnych, można znaleźć szczegółowe omówienie procesów fizycznych zachodzących w czasie ewolucji Wszechświata. Z tego powodu poświęcę im tutaj tylko kilka słów. Gdy w rezultacie rozpadu „fałszywej próżni" Wszechświat rozgrzał się do bardzo wysokiej temperatury, całą przestrzeń wypełniała niezwykle gorąca plazma, złożona z cząstek i anry-cząstek elementarnych wszystkich możliwych typów. Cząstki te bardzo silnie oddziaływały między sobą. Rozszerzając się, Wszechświat stygł. Po około jednej dziesiątej sekundy od początku ekspansji temperatura opadła do trzydziestu miliardów kelwinów. Gorąca materia zawierała bardzo dużo wysokoenergetycznych fotonów. Ich gęstość i energia były tak duże, że wskutek oddziaływań między fotonami powstawały pary elektron-pozyton. W konsekwencji anihilacji takich par powstawały fotony i pary neutrino-antyneutrino. W tym gorącym tyglu znajdowała się również zwykła materia, ale w tak wysokiej temperaturze nie mogły istnieć złożone jądra atomowe, gdyż powstające jądra były natychmiast rozbijane przez wysokoenergetyczne

cząstki. Materia miała zatem postać swobodnych protonów i neutronów. Wskutek oddziaływań z innymi cząstkami następowały wzajemne przemiany neutronów w protony, ale nie mogły powstać złożone jądra atomowe. Wysoka temperatura uniemożliwiała zatem syntezę jąder helu ł innych cięższych

pierwiastków. Kilka minut po rozpoczęciu się ekspansji temperatura Wszechświata spadła poniżej miliarda kelwinów. Teraz neutrony mogły łączyć się z protonami i tworzyć jądra deuteru. Nowe jądra brały udział w kolejnych reakcjach, aż powstały jądra helu. Na tym zakończył się proces nukleosyntezy we wczesnym Wszechświecie. Z obliczeń wynika, że pierwotna materia zawierała 25% helu i 75% wodoru. Badania składu chemicznego najstarszych gwiazd potwierdziły te przewidywania. Jądra cięższych pierwiastków powstały w rezultacie reakcji jądrowych, które zachodziły w gwiazdach w znacznie późniejszym okresie historii Wszechświata. Reakcje jądrowe we wczesnym Wszechświecie ustały mniej więcej po pięciu minutach od początku ekspansji. W tym momencie zakończyły się wszystkie interesujące procesy z udziałem cząstek elementarnych; następnie przez bardzo długi okres we Wszechświecie nie działo się nic szczególnego. W tym okresie materia wypełniająca rozszerzający się Wszechświat wciąż miała tak wysoką temperaturę, że była zjo-nizowana. Materia w takim stanie jest znana jako plazma. Gęsta plazma jest nieprzezroczysta, a zatem głównym źródłem ciśnienia w plazmie jest promieniowanie. W tej mieszaninie plazmy i promieniowania rozchodziły się zaburzenia gęstości o niewielkiej amplitudzie (fale dźwiękowe). Poza tym nic się nie działo. Dopiero po 300 tysiącach lat takiego nudnego istnienia plazma ostygła do temperatury czterech tysięcy stopni. W takiej temperaturze jądra połączyły się z elektronami (tzw. rekombinacja) i plazma zmieniła się w gaz elektrycznie obojętnych atomów. Taki gaz jest przezroczysty dla promieniowania. Ciśnienie promieniowania zniknęło i pozostało tylko ciśnienie związane z ruchem atomów. Sprężystość gazu gwałtownie

zmalała i dużego znaczenia nabrała tak zwana grawitacyjna niestabilność. Teorię tych procesów opracował w 1946 roku moskiewski fizyk Jewgienij Lifszyc. Na dostatecznie dużych obszarach, gdzie z powodu fal dźwiękowych gęstość materii była nieco większa od średniej, pod wpływem grawitacji gęstość materii zaczęła narastać. Materia z takich obszarów utworzyła ogromne obłoki, z których następnie powstały galaktyki i gromady galaktyk. Z kolei w galaktykach uformowały się gwiazdy. To jednak nie należy do tematu tej książki. Wróćmy do problemu początku Wszechświata. Przekonaliśmy się już, jak siły antygrawitacyjne generowane przez fałszywą próżnię nadały materii pierwotny impuls. Zdaniem współczesnych astrofizyków, na tym właśnie polega sekret narodzin Wszechświata. E. Gliner, fizyk z Sankt Petersburga, jako pierwszy wysunął hipotezę, że w supergęstej materii na samym początku ekspansji Wszechświata może powstać fałszywa próżnia i tym samym mogą wystąpić siły antygrawitacyjne. Pod koniec lat sześćdziesiątych przyjechał on do Moskwy, aby przedstawić swoją hipotezę „możnym" ówczesnej kosmologii i nauk pokrewnych. Niestety, nie został zrozumiany. Podobnie jak inni, ja również nie zrozumiałem jego koncepcji. Uważałem, że w naturze nie może powstać wysokie ujemne ciśnienie, a zatem wszystkie rozważania na temat sił antygrawitacyjnych są bezsensowne. Niemal wszyscy rozumowali podobnie. Zabrakło mi wyobraźni. Jednak na początku 1972 roku dwaj moskiewscy fizycy, Dawid Kirżnic i Andriej Linde, wykazali, że w rozszerzającym się Wszechświecie rzeczywiście materia może się znaleźć w takim stanie. Nieco później idee te rozwinęli i zastosowali w kosmologii E. Gliner, L. Gurewicz i I. Dymnikowa z Leningradu. A. Guth, A. Albrecht i P. Steinhart z USA oraz A. Linde i A. Starobiński z Rosji nadali im nową postać, korzystając z najnowszych osiągnięć fizyki wysokich energii. W tym miejscu nasuwa się wiele kwestii, z których najważniejszą jest oczywiście pytanie: co działo się przed fazą inflacji? To trudne pytanie. Kilkadziesiąt lat temu nie znaliśmy na nie odpowiedzi. Ponadto w

okresie kiedy zaczynałem zajmować się

nauką, niektórzy radzieccy filozofowie uważali to pytanie za an-tynaukowe i antymarksistowskie: Nonsens! Czy twierdzicie, że Wszechświat miał początek? A zatem stworzył go Bóg? - i tak dalej. Wkrótce po przyłączeniu się do zespołu akademika Jakowa Zeldowicza popadłem z tego powodu w poważne kłopoty. W naszym laboratorium pojawił się dziennikarz z „Komso-molskiej Prawdy", aby przeprowadzić wywiad na temat współczesnej kosmologii. Rozmawialiśmy przez jakiś czas i dziennikarz wyszedł ogromnie podniecony kwestią początku ekspansji Wszechświata (w tym czasie prawie nic nie było wiadomo na ten temat). Obiecał, że przed opublikowaniem artykułu przyjdzie go nam pokazać. Wszyscy wiemy, że styl, w jakim piszą dziennikarze o nauce, często bardzo odbiega od stylu charakterystycznego dla naukowców. W rzeczywistości jednak redakcja nie pofatygowała się, by przedstawić tekst do autoryzacji i wywiad ukazał się opatrzony wielkim tytułem „Gdy Wszechświat jeszcze nie istniał". Oczywiście, wiele kwestii zostało przedstawionych błędnie, a trudny do wytłumaczenia kategoryczny tytuł ściągnął na nas kłopoty. Zostaliśmy zaatakowani nie tylko przez „materialistycznych" filozofów, ale również przez funkcjonariuszy, którzy uważali taki atak za swój obowiązek. Konsekwencje presji ze strony strażników ideologicznej czystości dialektycznego materializmu mogły być bardzo poważne, ale uratowała nas wyjątkowa pozycja profesora Jakowa Zeldowicza - akademika i trzykrotnego Bohatera Pracy Socjalistycznej. Takie zakazy i próby zastraszenia uczonych nie mogą rzecz jasna powstrzymać rozwoju nauki. Dzięki intensywnym badaniom, prowadzonym w ostatnim ćwierćwieczu, powoli zbliżamy się do zrozumienia problemu początku Wszechświata i udzielenia odpowiedzi na pytanie: co było przedtem? Jak już powiedziałem, ekspansja Wszechświata rozpoczęła się najprawdopodobniej od stanu próżni o bardzo dużej temperaturze i gęstości energii. W tym czasie krzywizna czasoprzestrzeni i opisywane przez nią siły przypływowe były tak duże, jak w osobliwości w czarnej dziurze. Osobliwość w początkowej chwili istnienia Wszechświata (tak zwana osobliwość kosmolo-

giczna) jest pod wieloma względami bardzo podobna do osobliwości w czarnych dziurach, ale są też między nimi istotne różnice. Po pierwsze, osobliwość kosmologiczna występuje w całym Wszechświecie, nie zaś w jakiejś jego części, jak w przypadku czarnej dziury. Po drugie, osobliwość kosmologiczna jest początkiem fazy ekspansji, nie zaś zakończeniem procesu zapadania się ciała. Ta druga różnica jest szczególnie ważna. Przebywając na zewnątrz horyzontu zdarzeń nie możemy zobaczyć osobliwości w czarnej dziurze i nie wpływa ona w żaden sposób na zdarzenia zachodzące na zewnątrz horyzontu. (Angielski teoretyk Ro-ger Penrose nazwał tę cechę czarnych dziur zasadą kosmicznej cenzury). Natomiast osobliwość kosmologiczna była źródłem wszystkich procesów zachodzących w rozszerzającym się Wszechświecie. Wszystko, co dziś obserwujemy, jest konsekwencją kosmologicznej osobliwości. W tym sensie możemy badać kosmologiczną osobliwość, analizując jej skutki - możemy ją sobie wyobrazić. Moskiewscy fizycy: Władimir Bieliński, Jewgienij Lifszyc i Izaak Chałatnikow podali najbardziej ogólne rozwiązanie równań opisujących zachowanie materii w pobliżu osobliwości. Wszystko, co powiedzieliśmy o osobliwościach w czarnych dziurach, dotyczy także osobliwości kosmologicznej. Co istniało przed osobliwością? Czy cała materia była przedtem ściśnięta i czy tykał zwykły czas? Wciąż nie znamy odpowiedzi na te pytania. Większość specjalistów jest jednak zdania, że nie istniała wcześniejsza faza, w której materia była niezwykle ściśnięta i że kosmologiczna osobliwość jest źródłem rzeki czasu w takim samym sensie, w jakim osobliwości w czarnych dziurach stanowią ujścia „strumyczków czasu". To oznacza, że w osobliwości kosmologicznej czas rozpada się na kwanty, a zatem pytanie: „co było przed osobliwością?" staje się bezsensowne. Wiele zagadnień z tej dziedziny pozostaje jeszcze do rozstrzygnięcia. Wydaje się prawdopodobne, że

w pobliżu osobliwości, w skali Plancka, istnieje coś w rodzaju „piany" kwantów czasoprzestrzeni; fizycy mówią, że na tym obszarze występują

kwantowe fluktuacje czasu i przestrzeni. Nieustannie pojawiają się i natychmiast znikają maleńkie wirtualne zamknięte światy, czarne dziury i białe dziury. Mikroskopowe „wrzenie" czasoprzestrzeni przypomina procesy kreacji i anihilacji wirtualnych cząstek i antycząstek w próżni, o których mówiliśmy na stronie 181. Jak już wiemy, w bardzo małej skali, gdy energia jest bardzo duża, może się okazać, że przestrzeń ma więcej niż trzy wymiary. Te dodatkowe wymiary uległy „zwinięciu" lub, inaczej mówiąc, kompaktyfikacji, natomiast trzy wymiary przestrzenne zaczęły się rozszerzać, tworząc znaną nam przestrzeń. Tego typu problemy bardzo zainteresowały Andrieja Dmi-triewicza Sacharowa w pierwszej połowie lat osiemdziesiątych. Rozważał on możliwość, iż wskutek pewnych procesów kwantowych Wszechświat powstał z jakiegoś egzotycznego stanu materii, w którym istniał więcej niż jeden wymiar czasowy (jak w obecnym Wszechświecie) lub nawet istniała tylko przestrzeń (o większej liczbie wymiarów niż trzy) bez czasu. Sacharow również przypuszczał, że na bardzo małych obszarach obecnego Wszechświata, które można by zbadać tylko za pomocą cząstek mających energię wiele rzędów wielkości większą niż uzyskiwana za pomocą największych akceleratorów, czas ma wiele wymiarów i istnieje w postaci „splecionej" w superskompaktyfikowanych „warkoczach", które określają właściwości cząstek elementarnych. Czy czas powstał w chwili Wielkiego Wybuchu, czy też istniał już przed narodzinami Wszechświata? Jesienią 1988 roku odbyłem ciekawą rozmowę na ten temat z dwoma znanymi uczonymi: Remo Ruffinim i G. V. Coyne'em, dyrektorem Obserwatorium Watykańskiego. Nikt nie powinien się dziwić, że w Watykanie pracują astronomowie zajmujący się najbardziej zaawansowanymi badaniami, z którymi często dyskutujemy na różne tematy. Jeden z najbardziej znanych kosmologów, Belg Georges Lemaitre, który wniósł wielki wkład w rozwój teorii Friedmanna i powiązanie jej z obserwacjami, był księdzem i rektorem Akademii Papieskiej w latach 1960-1966.

Współczesny świat jest bardzo złożony i różnorodny, a stopniowo staje się również coraz bardziej otwarty i pełen wzajemnych zależności. Papież Jan Paweł II aktywnie wspiera dążenia pokojowe na całej kuli ziemskiej. Jakiś czas temu spotkał się on na audiencji z grupą astronomów i ludzi zajmujących się badaniami kosmicznymi. Czułem się nieco nieswojo, słuchając przemówienia papieża w sali przyjęć w Watykanie. Papież wzywał do pokojowego wykorzystania przestrzeni kosmicznej, połączenia sił wszystkich ludzi i dalszego rozwoju nauki. Przemówienie wywołało we mnie bardzo skomplikowane uczucia i refleksje na temat wiary i nauki. O ile wiem, moi koledzy zareagowali podobnie. Gdy ponownie spotkałem G. V. Coyne'a w Moskwie, postanowiłem go zapytać, co sądzi o czasie, dlaczego czas płynie z przeszłości w przyszłość. Nie byłem szczególnie zaskoczony tym, że moje pytanie sprawiło mu kłopot, bo tak reaguje na nie niemal każdy. W istocie, jest to jedno z najprostszych, „dziecinnych" pytań, na które wyjątkowo trudno odpowiedzieć. Po krótkim namyśle Coyne powiedział, że mógłby powtórzyć dobrze znane stwierdzenia z zakresu fizyki, które z pewnością są mi znane, ale woli zwrócić moją uwagę na wypowiedzi św. Augustyna na temat czasu. Pod koniec pierwszego rozdziału cytowałem już św. Augustyna. Coyne przypomniał mi, że Augustyn zawsze twierdził, iż czas został stworzony razem ze Wszechświatem. Wobec tego pytanie, co istniało przedtem, nim został stworzony Wszechświat, jest bezsensowne, gdyż nie było ani żadnego „przedtem", ani czasu. To bardzo głębokie stwierdzenie. Z punktu widzenia współczesnej wiedzy musimy powiedzieć, że własności czasu ulegają drastycznej

zmianie w osobliwości i początek ekspansji Wszechświata jest też źródłem ciągłego przepływu czasu. Czy możemy powiedzieć coś więcej o super-gęstym, osobliwym stanie początkowym? Amerykański fizyk John A. Wheeler już od kilkudziesięciu lat pracuje nad koncepcją, zgodnie z którą w takim egzotycznym stanie czas i przestrzeń mają charakter kwantowy. John Wheeler jest jednym z patriarchów współczesnej fizyki teoretycznej. Mimo zaawansowanego wieku pozostaje bardzo aktywny, jeździ po ca-

łym świecie, bierze udział w konferencjach naukowych, dyskutuje z kolegami i wciąż wykazuje wspaniałe, spontaniczne poczucie humoru. Latem 1992 roku przyjechał na parę dni do Kopenhagi, gdzie obecnie mieszkam. Jego przyjazd nie był oczywiście niespodzianką. Niemal spadłem z krzesła, gdy siedem miesięcy wcześniej czytałem jego list, w którym prosił mnie o spotkanie i pytał, czy będę miał wolną godzinę około godz. 9:30 w piątek 5 czerwca 1992 roku. Ta precyzja w określeniu czasu nie była bynajmniej żartem, Wheeler pytał całkowicie poważnie. Odpisałem mu, że postaram się być na miejscu, choć nie miałem pojęcia, co będzie się działo za pół roku. Dodałem, że mogę tylko zazdrościć i bić brawo człowiekowi, który jest tak zajęty, a jednocześnie potrafi zaplanować swoje zajęcia na pół roku naprzód. Rzeczywiście spotkaliśmy się wtedy i odbyliśmy ożywioną dyskusję na temat fizyki czarnych dziur, ponieważ w tym okresie razem z kolegą i przyjacielem Walerym Frołowem pracowaliśmy nad nowym wydaniem naszej monografii na ten temat. Nim Wheeler wyszedł, powiedziałem: „John, dokonałeś wielu pionierskich odkryć w fizyce i prócz tego jesteś znany z celnych i zwięzłych definicji najtrudniejszych pojęć fizycznych. Czy mógłbyś spróbować powiedzieć, czym jest czas? Potrzebuję odpowiedniej definicji do angielskiego wydania mojej książki popularnonaukowej". John długo się nad tym zastanawiał. Zacząłem nawet podejrzewać, że zasnął, bo niedawno skończyliśmy doskonały lunch. W rzeczywistości John myślał. W końcu otworzył oczy i powiedział poważnie: „Pomyślę o tym i napiszę do ciebie". Przez następny miesiąc John jeździł po Europie, ale po powrocie do Stanów nie zapomniał o mojej prośbie. Oto co znalazłem w liście (z dołączonym egzemplarzem jego książki Frontiers oj Time, z ręcznie wpisaną dedykacją „Igorowi - obyś był bezcza-sowy - John, 25 IX 92"): „Prosiłeś mnie o definicję. Na ścianie toalety w Austin w Teksasie zauważyłem graffitti: »Czas to sposób natury, by wszystko nie stało się jednocześnie*". Wróćmy do koncepcji kwantowej piany czasu i przestrzeni w otoczeniu osobliwości. Jest to bardzo złożony konglomerat

powstających i znikających czarnych dziur, białych dziur, bardzo małych zamkniętych wszechświatów i jeszcze bardziej złożonych struktur. Według hipotezy sformułowanej przez Andrieja Lindego (obecnie profesora Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley), z którym już się spotkaliśmy, Wszechświat powstał z jednego z takich niewielkich bąbli w kwantowej pianie. Wskutek przypadkowej fluktuacji gęstość energii w bąblu spadła do wartości znacznie mniejszej niż początkowa (choć w dalszym ciągu niewyobrażalnie większej od gęstości, z jakimi mamy zazwyczaj do czynienia). To spowodowało, że siły anty-grawitacyjne przeważyły nad przypadkowymi fluktuacjami kwantowymi, bąbel zaczął się gwałtownie powiększać i tak powstał Wszechświat. Należy jednak pamiętać, że takie zdarzenia są bardzo rzadkie i ogromna większość bąbli znika natychmiast po powstaniu. Jak pamiętamy, skala czasowa takich procesów jest infinitezymalnie krótka. Zgodnie z tą hipotezą, wszechświaty powstają wskutek bardzo rzadkich eksplozji we „wrzącej pianie". Wszechświaty najprawdopodobniej bardzo się między sobą różnią pod wszystkimi względami, w tym również liczbą wymiarów, właściwościami czasu, prawami przyrody... Żyjemy w jednym z tych wszechświatów, w którym przypadkowo zaistniały warunki powstania, wskutek ewolucji, inteligentnych stworzeń. Muszę podkreślić, że główna część „pramaterii" poza granicami naszego bąbla (czyli naszego Wszechświata) pozostaje nadal, tak jak była zawsze, w stanie kwantowego wrzenia. Nie należy

zapominać, że pojęcia „teraz" i „zawsze" mają charakter warunkowy. Tak zatem wygląda świat według Lindego: wiecznie powstają i giną nowe wszechświaty. To obraz eksplodującej wieczności. Rozszerzający się Wszechświat, odkryty przez Friedmana i Hubble'a, nasz Wszechświat, który jeszcze niedawno wydawał się niezmiernie skomplikowany i przekraczający granice ludzkiej wyobraźni, teraz przypomina niewielkie ziarnko piasku w burzliwej rzece czasu, pędzącej pokrętnym i pełnym niebezpieczeństw korytem.

ROZDZIAŁ

l3

DLACZEGO CZAS PŁYNIE I DLACZEGO TYLKO W JEDNYM KIERUNKU?

Współczesna nauka doprowadziła do odkrycia związku między czasem i procesami fizycznymi, dzięki czemu stało się możliwe poszukiwanie pierwszych ogniw łańcucha czasu w przeszłości i przewidywanie jego właściwości w dalekiej przyszłości. W jaki jednak sposób współczesna nauka wyjaśnia, dlaczego czas w ogóle płynie i dlaczego tylko z przeszłości w przyszłość? Muszę od razu stwierdzić, że wciąż nie znamy jasnej, wyczerpującej i powszechnie akceptowanej odpowiedzi na to pytanie. W tej dziedzinie również dokonał się znaczny postęp. Przyjrzyjmy się niektórym osiągnięciom nauki o czasie. Po powstaniu mechaniki Newtona fizycy często podkreślali zaskakującą cechę praw przyrody: nie wyróżniają one w żaden sposób jednego kierunku upływu czasu, od przeszłości do przyszłości. Można to łatwo stwierdzić, rozważając najprostsze zagadnienia z zakresu mechaniki. Na przykład wyobraźmy sobie, że piłka toczy się po powierzchni, uderza w ścianę pod pewnym kątem, odbija i toczy się dalej. Możemy teraz wyobrazić sobie, że zmienia się kierunek upływu czasu. Piłka toczy się w odwrotnym kierunku, przechodząc przez wszystkie punkty poprzedniej drogi w odwrotnej kolejności. Wygląda to tak, jakbyśmy

sfilmowali eksperyment i puścili film, zaczynając od ostatniej klatki. Wszystkie prawa mechaniki poprawnie opisują ruch piłki, gdy czas płynie normalnie i gdy płynie wstecz. Rozpatrzmy teraz bardziej skomplikowany przykład. Rozważmy ruch planety dokoła Słońca. Planeta porusza się zgodnie z prawami odkrytymi przez Johannesa Keplera. Jeśli odwrócimy kierunek upływu czasu (fizycy mówią, że zmieniamy znak czasu z plusa na minus), to planeta będzie poruszać się po tej samej orbicie, lecz w przeciwnym kierunku. Planeta w dalszym ciągu będzie wędrować zgodnie z prawami Keplera.

Prawa fizyki Newtona opisują równie dobrze oba kierunki upływu czasu, nie czyniąc między nimi żadnej różnicy. Prawa

te nie wymagają, by czas płynął od przeszłości ku przyszłości. U Fizycy określają tę własność jako symetrię T lub niezmienniczość ze względu na T, gdzie T oznacza operację inwersji czasu. Tę samą własność mają także równania elektrodynamiki oraz szczególnej i ogólnej teorii względności. Niezmienniczość ze względu na inwersję czasu oznacza, że można obliczać przebieg dowolnego procesu zarówno w przeszłości, jak i w przyszłości. Na przykład prawa mechaniki nieba pozwalają przewidywać przyszły ruch ciał niebieskich, powiedzmy - powroty komety Halleya. Z taką samą precyzją możemy obliczyć, kiedy kometa ta zbliżała się do Słońca w przeszłości. Obserwacje i relacje historyczne potwierdzają dokładność tych obliczeń. W XVIII wieku i w pierwszej połowie XIX stulecia uczeni na ogół uważali, że wszystkie zjawiska naturalne można zredukować do mechanicznego ruchu i oddziaływań cząsteczek, to znaczy działających między nimi sił przyciągających i odpychających. Gdyby tak było, to znając prawa określające te siły, można by w zasadzie obliczyć ruch ciał w przeszłości i w przyszłości. Wobec tego z równą pewnością można obliczyć całą przeszłość i całą przyszłość Wszechświata. Są one w pełni określone przez położenia i prędkości wszystkich cząsteczek we Wszechświecie w pewnej ustalonej chwili. Taki pogląd głosił jeden z twórców mechaniki nieba, francuski astronom i matematyk Pierre Simon de Łapiące (1749-1827). Pisał on, że [...] musimy uważać obecny stan Wszechświata za konsekwencję jego poprzedniego stanu i przyczynę następnego. Inteligentny umysł, który znałby wszystkie siły działające w przyrodzie i względne położenie wszystkich jej części w pewnej chwili, i który byłby dostatecznie potężny, aby poddać tę wiedzę analizie, mógłby ująć w jednym wzorze ruch największych ciał we Wszechświecie i najmniejszych atomów; nie pozostałyby żadne tajemnice i mógłby on oglądać zarówno przyszłość, jak i przeszłość.*

Artur Czernin, fizyk z Sankt Petersburga, powiedział kiedyś: „Gdyby człowiek współczesny chciał poprzeć pogląd Laplace'a, mógłby powiedzieć, że przyszłość wygląda tak, jakby była nagrana na film, który jest właśnie wyświetlany w już ostatecznej postaci. Film ten można oglądać zarówno do przodu (ku przyszłości), jak i do tyłu (ku przeszłości)". Czy zatem prawa fizyczne nie rozróżniają przeszłości i przyszłości? Czy w takim samym stopniu dopuszczają ruch ciał, gdy czas płynie w przyszłość, jak i wtedy, gdy płynie w przeszłość? Dlaczego więc czas płynie tylko w jednym kierunku? Wiemy przecież doskonale, że tak jest. Pamiętamy zdarzenia z przeszłości. Nawet bardzo odległe w czasie zdarzenia pozostawiają ślady w naszej pamięci. Natomiast nie pamiętamy zupełnie nic z przyszłości! Przeszłość jest poza nami, nie można jej w żaden sposób zmienić, natomiast na przyszłość można wpływać. Wiemy to wszystko zarówno na podstawie zgromadzonej wiedzy naukowej, jak ł z codziennej praktyki. W przyrodzie nie obowiązuje symetria ze względu na kierunek upływu czasu. Faktu tego nie uwzględniają jednak prawa ruchu materii. Muszę w tym miejscu poczynić jedno ważne zastrzeżenie. W 1964 roku amerykańscy fizycy J. Cronłn i W. Fitch odkryli proces, który nie jest T niezmienniczy. Inaczej mówiąc, proces ten wyróżnia jeden kierunek upływu czasu. Szesnaście lat później otrzymali oni za to odkrycie Nagrodę Nobla. Cronin i Fitch stwierdzili, że neutralny mezon K rozpada się w sposób, który zależy od kierunku upływu czasu. Czy tu kryje się wyjaśnienie zagadki? Jeśli istnieją procesy, które nie są T niezmiennicze, to czy nie określają one kierunku i szybkości upływu czasu? Niestety, wydaje się mało prawdopodobne, aby odkrycie Cronina i Fitcha pozwoliło wyjaśnić tajemnicę czasu. Rozpady łamiące T niezmienniczość są bardzo rzadkie i ulegają im tylko pewne

egzotyczne cząstki elementarne. Natomiast jednokierunkowy upływ czasu jest widoczny zawsze ł wszędzie, we wszystkich zjawiskach zachodzących we Wszechświecie. Nie potrafimy wyjaśnić (w każdym razie nie potrafimy obecnie), w jaki sposób takie rzadkie i egzotyczne procesy mogły -

by zdeterminować uniwersalny, jednokierunkowy upływ czasu. A zatem te rzadkie rozpady nie są istotnym czynnikiem. Jaka więc przyczyna sprawia, że czas płynie w jednym kierunku? Wprawdzie fizycy podkreślają odwracalność czasu w procesach elementarnych, ale od dawna wiedzą, że w procesach złożonych czas jest nieodwracalny; takie procesy nazywa się zatem nieodwracalnymi. Ten fakt zrozumiano już w XIX wieku. Rozważmy prosty przykład kropli atramentu w słoiku z wodą. Atrament szybko rozchodzi się w całym naczyniu i roztwór przybiera jednorodny kolor. Każdy może z łatwością zaobserwować to zjawisko. Nikomu natomiast nie udało się zaobserwować procesu przebiegającego w odwrotnym kierunku - to znaczy zobaczyć, jak cząsteczki atramentu zbierają się z całego naczynia ł tworzą pojedynczą kroplę. Dlaczego? Prawa rządzące ruchem oraz oddziaływaniami cząsteczek wody i atramentu są T niezmiennicze, nieprawdaż? Gdyby w pewnej chwili zmienić (odwrócić) prędkości wszystkich cząsteczek i wyeliminować oddziaływania z otoczeniem, to zdarzenia w naczyniu zostałyby odtworzone w odwróconej kolejności i cząsteczki atramentu zebrałyby się w jednym miejscu, A zatem jest to możliwe! Tak, w zasadzie jest to możliwe, ale nigdy się nie zdarza. Cząsteczki atramentu mogą się zebrać w jednym miejscu i utworzyć kroplę, ale prawdopodobieństwo takiego zdarzenia jest niewiarygodnie małe. Nim rozpatrzymy to bardziej szczegółowo, przypomnijmy szkolny eksperyment z lekcji fizyki. Bierzemy żelazny pręt, rozgrzewamy go i wkładamy do naczynia z zimna wodą. Pręt stygnie, woda się ogrzewa, aż wreszcie ich temperatury się wyrównają. Proces ten zawsze zachodzi w ten sposób. Ciepło nigdy nie przepływa z zimnej wody do gorącego pręta, zwiększając jego temperaturę. Dlaczego jednak jest to niemożliwe? Przepływ ciepła od ciała zimniejszego do cieplejszego nie narusza zasady zachowania energii. Energia cieplna jest zachowana, a tylko przepływa od jednego ciała do drugiego. Z jakiegoś powodu przepływ zachodzi jednak tylko w jednym kierunku - od ciała gorącego do zimnego.

Przepływ ciepła jest również zjawiskiem nieodwracalnym, podobnym do rozchodzenia się atramentu w wodzie. Przykłady te są bardzo do siebie podobne. Wiemy, że ciepło polega na chaotycznym ruchu cząsteczek. Jeśli zatem zmienimy kierunek prędkości wszystkich cząsteczek wody i żelaza oraz wyeliminujemy oddziaływania z otoczeniem, to całe zjawisko będzie przebiegać w odwrotnym kierunku w czasie (ruch cząsteczek opisują przecież Tniezmiennicze prawa!). Wobec tego ciepło przepłynie z ciała zimnego do gorącego. W rzeczywistości jednak nigdy się to nie zdarza. Dlaczego takie procesy są zawsze nieodwracalne, nawet jeśli dany układ fizyczny składa się z cząsteczek, których ruch z pewnością jest odwracalny w czasie? Gdzie i jak znika od-wracalność? Ta zagadka została wyjaśniona już w XIX wieku. W 1850 roku niemiecki fizyk Rudolf Clausłus, a w 1851 roku, niezależnie od niego, angielski fizyk William Thomson, czyli lord KeMn, odkryli prawo znane jako druga zasada termodynamiki. Prawo to stanowi w istocie uogólnienie eksperymentów opisanych powyżej. Można je przedstawić jako wniosek, że ciepło zawsze przepływa od ciała gorącego do zimnego. Oto jak Thomson sformułował tę zasadę: niemożliwy jest jakikolwiek proces naturalny, którego jedynym wynikiem byłaby przemiana w pracę mechaniczną ciepła pobranego ze zbiornika. Z twierdzenia tego natychmiast wynika, że niemożliwa jest przemiana całego ciepła w energię mechaniczną lub jakąkolwiek inną postać energii. Oznacza to, że gdy układ jest odizolowany od otoczenia, ostatecznie cała energia tego układu przybierze postać ciepła, wszystkie części układu będą miały taką samą temperaturę i układ przejdzie do tak zwanego stanu równowagi termodynamicznej. Wiemy doskonale, jak druga zasada termodynamiki przejawia się w rzeczywistości. Na przykład tarcie w układach mechanicznych powoduje przemianę energii mechanicznej w ciepło. W silnikach cieplnych następuje przemiana ciepła w energię mechaniczną, ale jest to możliwe tylko wtedy, gdy utrzymujemy różnicę temperatur między kotłem i chłodnicą,

inaczej silnik nie może działać. To wymaga energii, która ulega przemianie w ciepło, ale następnie tylko część tego ciepła zostaje przetworzona w energię mechaniczną w silniku. Z drugiej zasady termodynamiki wynika, że nieustannie zachodzą procesy przemiany wszystkich rodzajów energii w ciepło. Później Clausius podał matematyczne sformułowanie tej zasady. Termodynamiczne idee Clausiusa i Thomsona rozwinął następnie Ludwig Boltzmann, który odkrył prawdziwy sens drugiej zasady termodynamiki. Ciepło to rzeczywiście chaotyczny ruch atomów i cząsteczek, z których zbudowane są ciała makroskopowe. Wobec tego przemiana energii mechanicznej poszczególnych elementów układu w ciepło polega na przejściu od uporządkowanego ruchu elementów makroskopowych do chaotycznych ruchów najmniejszych cząsteczek. Ponieważ cząsteczki poruszają się w sposób przypadkowy, prowadzi to do nieuchronnego wzrostu chaosu, chyba że działa jakiś czynnik zewnętrzny, który podtrzymuje porządek. Boltzmann udowodnił, że miarą nieuporządkowania danego układu jest entropia, wielkość termodynamiczna wprowadzona przez Clausiusa. Im większe nieuporządkowanie, tym większa entropia. Przemiana energii makroskopowego ruchu ciał w ciepło związana jest ze wzrostem entropii. Gdy wszystkie postaci energii ulegną przemianie w ciepło, które jest rozłożone równomiernie w całym układzie, powstaje stan maksymalnie nieuporządkowany, który przestaje się zmieniać. W tym stanie entropia ma wielkość maksymalną. Tu kryje się sedno sprawy! W czasie ewolucji układów złożonych z wielu cząsteczek lub z innych elementów nieuporządkowanie nieuchronnie wzrasta wskutek przypadkowych oddziaływań. Entropia jest właśnie miarą nieuporządkowania. Oczywiście, nieuporządkowanie wzrasta tylko wtedy, gdy nie podejmujemy odpowiednich kroków, by podtrzymać porządek. Wtedy jednak musimy śledzić ewolucję układu i wpływać na niego z zewnątrz. Dlatego w omawianych przykładach podkreślałem, że nie ma takich zewnętrznych czynników. W przypadku gorącego pręta z żelaza i zimnej wody jest znacznie bardziej prawdopodobne, że cząsteczki gorącego żela-

za, mające większą energię, przekażą ją cząsteczkom wody, obdarzonym znacznie mniejszą energię, niż że zajdzie proces odwrotny. Gdy w całym naczyniu panuje taka sama temperatura, stan ten oczywiście jest bardziej nieuporządkowany, niż gdy dysponujemy „gorącymi" cząsteczkami skupionymi w jednym miejscu, a „zimne" w innym. Z tego powodu wszystkie procesy naturalne mają tendencję do wyrównania różnic temperatury. Jak już wspomniałem, odpowiada to przejściu do stanu o maksymalnej entropii. To samo można powiedzieć o doświadczeniu z kroplą atramentu. Jest znacznie bardziej prawdopodobne, że przypadkowe oddziaływania między cząsteczkami spowodują rozprzestrzenienie się cząsteczek atramentu w całym naczyniu, niż że zbiorą się one i utworzą kroplę. Jednorodny rozkład cząsteczek atramentu w naczyniu odpowiada maksymalnemu nieuporządkowaniu układu. Jeśli układ w chwili początkowej był częściowo uporządkowany, to - o ile nie działają żadne czynniki zewnętrzne - w toku ewolucji zmierza on do stanu całkowicie nieuporządkowanego. Jeśli chcemy doprowadzić do wzrostu uporządkowania układu, musimy zastosować pewne czynniki zewnętrzne. Na przykład możemy wymusić przepływ ciepła od ciała zimniej-szego do cieplejszego. To właśnie dzieje się w lodówce: lodówka przepompowuje ciepło z zimniejszej komory do cieplejszego otoczenia. To jednak wymaga pracy i energii. Należy koniecznie pamiętać, że gdy w pewnym układzie tworzymy bardziej uporządkowany stan, wpływając na niego z zewnątrz, to nieuchronnie powodujemy wzrost nieuporządkowa-nia w otoczeniu, czyli w układzie większym. Na przykład pompując ciepło z lodówki do atmosfery silnik generuje dodatkowe ciepło, które rozprasza się w atmosferze, podgrzewając ją jeszcze bardziej i powodując wzrost nieuporządkowania w ruchu cząsteczek. Z drugiej zasady termodynamiki wynika, że wzrost nieuporządkowania dużego układu jest zawsze większy niż wzrost porządku w podukładzie. Wobec tego

nieuporządko-wanie całego świata zawsze wzrasta, nawet jeśli na niewielkich jego obszarach powstaje porządek.

K, Thomson

i Clausius zauważyli, że nowe prawo termodyna-p miki ma bardzo duże znaczenie dla ewolucji Wszechświata. Skoro niemożliwa jest wymiana energii między Wszechświatem i „otoczeniem", to Wszechświat należy traktować jak układ izolowany. Wobec tego cała energia Wszechświata musi ostatecznie ulec przemianie w ciepło, przy czym ciepło musi był rozłożone równomiernie w całej materii. Wtedy wygasną wszystkie ruchy makroskopowe. Choć zasada zachowania energii nie jest naruszona, energia nie znika l pozostaje w postaci ciepła, „traci siłę" i nie może już spowodować jakichkolwiek zmian ani wykonać pracy. Przyjęło się mówić, że w przyszłości Wszechświat czeka „cieplna śmierć". Zapewne wszyscy się zgodzą, że ta nazwa doskonale charakteryzuje istotę tego stanu. Obecnie wiemy, że wniosek Thomsona i Clausiusa o śmierci cieplnej Wszechświata jest błędny, ponieważ nie wzięli oni pod uwagę dwóch czynników. Po pierwsze, Wszechświat nie jest stacjonarny, lecz rozpoczął się od Wielkiego Wybuchu. Po drugie, ważnym czynnikiem we wszystkich procesach zachodzących we Wszechświecie jest grawitacja. Twórcy termodynamiki nie mogli uwzględnić tych dwóch faktów. Powyżej szczegółowo opisaliśmy ewolucję Wszechświata. Nawet teraz, gdy opowiadamy tę historię, rodzą się i giną nowe wszechświaty. Należy jednak podkreślić, że w toku ewolucji Wszechświata entropia stale rośnie. Nieodwracalne procesy zachodzące we Wszechświecie powodują wzrost entropii. Czy ten proces może określić kierunek upływu czasu? Nie ma wątpliwości, że kierunek zachodzenia nieodwracalnych procesów, jako ogólna tendencja widoczna we wszystkich zjawiskach we Wszechświecie, ma coś wspólnego z kierunkiem rzeki czasu. Proszę jednak pamiętać, że czas „biegnie" we wszystkich procesach, również najbardziej elementarnych. Zwróćmy również uwagę, że we wszystkich takich procesach, nawet zachodzących w odległych miejscach, czas płynie -o ile wiemy - w tym samym kierunku i z taką samą szybkością. Jaka jest przyczyna takiej synchronizacji? Czy na czas wpływa ogólny wzrost entropii w całym Wszechświecie? Być może, ale -jak dotychczas - nie wiemy nic o takim wpływie.

Gdy w poszukiwaniach przyczyny upływu czasu w jednym kierunku zwrócimy się ku zjawiskom globalnym, to najbardziej prawdopodobnym kandydatem wydaje się ekspansja Wszechświata. Czy jest możliwe, że kierunek upływu czasu związany jest z kierunkiem procesu wzrostu odległości między galaktykami, czyli z ekspansją Wszechświata? Taką hipotezę wysunął angielski teoretyk Fred Hoyle. Arthur Eddington wprowadził nawet specjalny termin, oznaczający jednokierunkowość upływu czasu: „strzałka czasu". Eddington, Hoyle i paru innych uczonych uważało, że strzałka czasu istnieje, ponieważ Wszechświat się rozszerza. Ich zdaniem, gdy kiedyś Wszechświat zacznie się zapadać, strzałka czasu się odwróci. Hipoteza ta zasługiwałaby na omówienie, gdyby ekspansja Wszechświata i ucieczka galaktyk miały wpływ na zjawiska zachodzące lokalnie, w danym punkcie przestrzeni. Na przykład gdyby ekspansja powodowała rozciąganie wszystkich ciał, gdyby rozszerzanie się Wszechświata powodowało wzrost rozmiarów gwiazd, planet, naszych ciał, atomów i jąder atomowych. Jednak nikomu nie udało się zaobserwować takich zjawisk. Wzrost odległości między galaktykami w obecnym Wszechświecie nie ma wpływu na procesy zachodzące w gwiazdach, nie ma znaczenia dla rozmiarów gwiazd, innych ciał niebieskich i atomów. Skoro nie obserwujemy żadnych tego rodzaju efektów fizycznych, to trudno przyjąć, że ucieczka galaktyk ma wpływ na bieg czasu, na przykład w procesach zachodzących na planetach lub w reakcjach między cząstkami elementarnymi. Przeciw wiązaniu strzałki czasu z ekspansją

Wszechświata wypowiadał się między innymi Jaków Zeldowicz. Następujący przykład pochodzi z monografii Struktura i ewolucja Wszechświata, którą wspólnie napisaliśmy z Zeldowiczem: Proszę sobie wyobrazić rakietę, wystrzeloną z prędkością mniejszą od prędkości kosmicznej [...] Rakieta najpierw porusza się do góry, oddalając się od Ziemi, osiąga maksymalną wysokość, po czym zaczyna spadać. Jest oczywiste, że w czasie lotu w rakiecie nie następują żadne drastyczne zmiany praw fizycznych: zegar pokładowy monotonnie tyka itd. Przejście od fazy ekspansji do kurczenia się zamkniętego Wszechświata ma charakter bardzo podobny do przejścia od fazy wznoszenia się rakiety do fazy spadania. Jest zatem najzupełniej jasne, że w momencie maksymalnej ekspansji Wszechświata nie następuje zmiana kierunku strzałki czasu. Gdyby strzałka czasu zmieniła kierunek, gwiazdy nie emitowałyby promieniowania, które ginęłoby w przestrzeni kosmicznej, lecz przeciwnie, promienie światła w kurczącym się Wszechświecie ogniskowałyby się na gwiazdach. Można podać więcej takich jawnie bezsensownych przykładów [...] w rzeczywistości, gęstość promieniowania we Wszechświecie pozostanie bardzo mała jeszcze długo po zakończeniu się ekspansji, gdy Wszechświat już się kurczy. Gwiazdy będą nadal emitowały światło i wszystkie lokalne procesy we Wszechświecie będą zachodziły w tym samym kierunku co przedtem. Związek między strzałką czasu i ekspansją jest bez wątpienia bardzo ważną cechą Wszechświata w chwili obecnej, ale nie możemy jej wykorzystać do określenia strzałki czasu w przyszłości. To rozumowanie jest najzupełniej elementarne. Przedstawiamy je tutaj tylko dlatego, że taki błędny pogląd jest uporczywie powtarzany w literaturze. W naturze istnieje jeszcze jeden rodzaj procesów, które „wyczuwają", że czas płynie w jednym kierunku. Są to procesy psychiczne, które pozwalają nam stwierdzić, że czas płynie od przeszłości ku przyszłości. Kierunek psychologicznej strzałki czasu bierze się stąd, że pamiętamy przeszłość, ale nie przyszłość. Zapoznaliśmy się zatem z trzema rodzajami zjawisk naturalnych, które są jawnie asymetryczne w czasie i zachodzą tylko w jednym kierunku, przynajmniej w obecnym Wszechświecie. Pierwszą klasę tworzą procesy termodynamiczne. Zachodzą one w taki sposób, by wzrastała entropia i nieuporządkowanie. Takie procesy definiują termodynamiczną strzałkę czasu.

Druga klasa obejmuje jedno zjawisko: ekspansję Wszechświata, która określa kosmologiczną strzałkę czasu. Trzecią klasę tworzą procesy psychiczne, które sprawiają, że subiektywnie odczuwamy upływ czasu. Pamięć przeszłości i nieznajomość przyszłości składają się na psychologiczną strzałkę czasu. Zaskakujące jest to, że w obecnym Wszechświecie wszystkie trzy strzałki wskazują w tym samym kierunku. Problem ten omówił Stephen Hawking w swojej słynnej książce Krótka historia czasu, opublikowanej w 1988 roku. Przedstawię tu jego argumenty, nieco je modyfikując, tak aby pasowały do kontekstu tej książki. Zacznijmy od termodynamicznej strzałki czasu. Jak już wiemy, strzałka ta zawsze wskazuje w kierunku wzrastającego nieuporządkowania, ponieważ liczba dróg wiodących do takiego stanu jest zawsze bez porównania większa niż liczba możliwości prowadzących do stanu porządku. Można wykazać, że psychologiczna strzałka czasu musi wskazywać w tym samym kierunku co termodynamiczna. Przyjrzyjmy się, jak nasz mózg, lub raczej jego uproszczony model komputerowy, zapamiętuje informację. Komputer jest urządzeniem bez porównania prostszym od mózgu, zatem zajmijmy się działaniem jego pamięci. Pamięć komputerowa składa się z ogromnej liczby elementów, które mogą istnieć w dwóch stanach. Proszę sobie wyobrazić urządzenie przypominające wielkie liczydło, z poziomymi drutami i jednym koralikiem na każdym drucie. Koral może znajdować się w jednym z dwóch

położeń - po lewej stronie lub po prawej. Jak wiadomo, każdą informację, każdy komunikat można zapisać w postaci łańcucha zer i jedynek. Załóżmy, że koralik z lewej strony reprezentuje zero, a z prawej jedynkę. Widzimy, że jeśli liczydło jest dostatecznie duże, to możemy na nim zapisać dowolne informacje, odpowiednio ustawiając koraliki (po lewej lub prawej stronie). W ten sposób można przechowywać dane, a zatem jest to pewnego rodzaju pamięć. Oczywiście, prawdziwe komputery i mózg pod względem budowy bardzo się różnią od naszego urządzenia, ale podstawy ich działania są jednakowe, a tylko tego nam tu trzeba. .

Aby zapisać pewną informację w pamięci, musimy odpowiednio poprzesuwać koraliki na drutach i upewnić się, że ich ustawienie jest właściwe. To wymaga energii, która ulega dyssypacji, czyli zmienia się w ciepło (elektroniczny komputer wydala ciepło podczas pracy i podczas chłodzenia). Ciepło, wydzielone wskutek „zapamiętywania", powoduje wzrost temperatury otoczenia i wobec tego przyczynia się do wzrostu nieuporządkowania (entropii) Wszechświata. Wzrost entropii otoczenia jest zawsze większy niż redukcja entropii komputera podczas zapisywania informacji. Hawking podaje następujący przykład. Nauczenie się na pamięć takiej książki jak ta wymaga utrwalenia w mózgu około dwóch milionów bitów informacji. Taka jest miara porządku, który powstał w mózgu. Jednak podczas czytania książki co najmniej tysiąc kalorii uporządkowanej energii zmagazynowanej w jedzeniu ulega przemianie w ciepło, które rozprasza się w atmosferze. To powoduje wzrost nieuporządkowania Wszechświata o około dwadzieścia kwadrylionów jednostek. To dziesięć trylionów razy więcej niż wyniósł wzrost uporządkowania mózgu - i to pod warunkiem, że ktoś zapamiętał absolutnie wszystko... Oznacza to, że zapisywanie informacji powoduje wzrost nieuporządkowania Wszechświata, choć w małym jego zakątku (w urządzeniu zapamiętującym: liczydle, mózgu) porządek wzrasta. Ciąg procesów składających się na zapamiętywanie informacji jest uporządkowany zgodnie z kierunkiem wzrostu entropii Wszechświata. Jak pisze Hawking: Kierunek czasu, zgodnie z którym komputer pamięta przeszłość, jest ten sam, co kierunek wzrostu nieporządku, czyli entropii. Subiektywne poczucie upływu czasu (czyli kierunek psychologicznej strzałki czasu) jest wyznaczone w naszym mózgu przez strzałkę termodynamiczną. Podobnie jak komputer, pamiętamy różne rzeczy w kierunku, w którym wzrasta entropia. To sprawia, że druga zasada termodynamiki staje się niemal trywialna. Nieporządek wzrasta wraz z czasem, bo upływ czasu mierzymy w kierunku wzrostu nieporządku. Trudno o bezpieczniejsze stwierdzenie!

Aby jeszcze dobitniej przedstawić swoje stanowisko, Haw-king szkicuje następującą fantastyczną sytuację: Załóżmy jednak, iż Bóg zdecydował, że Wszechświat powinien zakończyć swe istnienie w stanie uporządkowanym, lecz nie zatroszczył się o stan początkowy. Pierwotny Wszechświat znajdował się więc prawdopodobnie w stanie nie uporządkowanym. Wynika stąd, że z upływem czasu nieporządek zacząłby maleć, i widzielibyśmy zatem potłuczone filiżanki, które składałyby się w całość i wskakiwałyby na stoły. Wszyscy ludzie obserwujący takie procesy żyliby w świecie, w którym nieporządek maleje z czasem. Twierdzę jednak, że takie istoty miałyby odwróconą psychologiczną strzałkę czasu. To znaczy, pamiętałyby one zdarzenia ze swojej przyszłości, a nie przeszłości. Widząc skorupy filiżanki na podłodze, pamiętałyby, że kiedyś stała na stole, lecz widząc całą filiżankę, nie mogłyby przypomnieć sobie, że widziały ją przedtem na podłodze w kawałkach.* Biała Królowa z Po drugiej stronie lustra Lewisa Carrolla mówi do Alicji: „To masz kiepską pamięć, jeśli działa tylko wstecz!"** Jak wynika z powyższego rozumowania, lepsza pamięć po prostu nie może istnieć. Widzimy zatem, że dwie strzałki czasu - psychologiczna i termodynamiczna - muszą zawsze wskazywać

ten sam kierunek. Dlaczego jednak termodynamiczna strzałka czasu w ogóle istnieje? Innymi słowy, dlaczego w przeszłości Wszechświat był w stanie uporządkowanym, natomiast w miarę upływu czasu nieuporządkowanie wzrasta? Gdyby Wszechświat od początku miał maksymalną entropię, znajdowałby się w stanie „cieplnej śmierci" i mogłyby w nim się zdarzyć tylko niewielkie, przypadkowe fluktuacje. W stanie całkowicie nieuporządkowanym nie istnieje termodynamiczna strzałka czasu.

Znany nam Wszechświat z pewnością nie znajduje się w takim stanie. Co możemy powiedzieć o stopniu uporządkowania t Wszechświata w chwili narodzin? W początkowej osobliwości powinny się w pełni przejawiać kwantowe cechy materii ł czasoprzestrzeni. Stan ten jest zatem całkowicie określony przez swe właściwości kwantowe. W jakim stanie kwantowym narodził się Wszechświat? Wielu ekspertów, reprezentujących często różne poglądy, wysuwało hipotezę, że stan początkowy musi być maksymalnie uporządkowany. Taką sugestię przedstawili Zeldowicz i Griszczuk, podobne stanowisko zajął Hawking; argumenty na rzecz takiej tezy można znaleźć w pracy, którą napisałem wspólnie z D. Kompaniejcem i W. Łukaszem. Podejście Hawkinga do tego zagadnienia jest bardzo interesujące i oryginalne. Aby przedstawić wyjątkowy stan Wszechświata w pierwszej chwili jego istnienia, gdy duże znaczenie miały kwantowe efekty grawitacyjne, bardzo wygodnie jest zapisać wszystkie wzory, wykorzystując zamiast zwykłego czasu tak zwany czas urojony. Czas urojony otrzymujemy, mnożąc zwykły czas przez pierwiastek kwadratowy z -1. Czas urojony występuje w równaniach dokładnie tak samo jak współrzędne przestrzenne. Wymiar czasowy ma teraz dokładnie takie same właściwości jak wymiary przestrzenne. Wyobraźmy sobie teraz, że zaznaczamy kierunki urojonego czasu w pobliżu osobliwości, to znaczy w otoczeniu początku naszego Wszechświata. Kierunki te mają postać południków na globie, zbiegających się w biegunie południowym. Kierunkom przestrzennym odpowiadają łuki równoleżników. Równoleżniki są jednowymiarowe, podczas gdy przestrzeń we Wszechświecie jest trójwymiarowa. Ta różnica nie ma jednak większego znaczenia. Jeśli przestrzeń Wszechświata jest zamknięta i się rozszerza, zaczynając od osobliwości, to mamy sytuację przedstawioną na rys. 13.2. Osobliwości odpowiada biegun południowy. Długość równoleżników charakteryzuje wielkość zamkniętego Wszechświata. Odległość mierzona wzdłuż południków jest miarą czasu urojonego od początku ekspansji. Biegun południowy odpo-

wiada początkowi Wszechświata (osobliwości). W chwili początkowej Wszechświat miał zerową rozciągłość, po czym zaczął się rozszerzać - gdy oddalamy się od bieguna południowego, długość równoleżników wzrasta. Po przekroczeniu równika (chwila maksymalnej ekspansji) Wszechświat zaczął się kurczyć. Tutaj skupimy uwagę na otoczeniu bieguna południowego. Ogólnie mówiąc, w tym punkcie może znajdować się osobliwość, na przykład ostre maksimum, ale równie dobrze powierzchnia kuli może być gładka. Stephen Hawking wysunął sugestię, że nasz Wszechświat powstał ze stanu bez osobliwości. Innymi słowy, zgodnie z jego hipotezą biegun południowy, który w czasie rzeczywistym reprezentuje osobliwość, w czasie urojonym jest punktem regularnym, nie różniącym się niczym od pozostałych punktów kuli. Początkowy stan Wszechświata był maksymalnie gładki, czyli uporządkowany. Chociaż Wszechświat miał zerowe rozmiary przestrzenne, punkt początkowy był całkowicie regularny, podobnie jak biegun południowy na Ziemi. Gdy posługujemy się urojonym czasem, możemy w wyobraźni przejść

!' przez punkt na rysunku odpowiadający osobliwości, tak jak przechodzimy przez biegun południowy na Ziemi, nie czując nic szczególnego. Rozważmy teraz następującą kwestię. Gdy znajdujemy się gdzieś w pobliżu bieguna południowego, bez trudu rozpoznajemy, w którym kierunku znajduje się biegun (osobliwość) - leży on

w kierunku południowym, w kierunku przeszłości, w kierunku ku początkowi ekspansji Wszechświata. Przyszłość natomiast znajduje się „na północ", w kierunku zgodnym z ekspansją Wszechświata. Stańmy teraz dokładnie na biegunie południowym (osobliwości). Punkt ten niczym się nie wyróżnia, poza tym, że wychodzą z niego południki. Nie możemy dalej posunąć się na południe (w przeszłość), ponieważ wszystkie drogi prowadzą na północ (w przyszłość). Gdy używamy czasu urojonego, pytanie, co działo się przed osobliwością, staje się bezsensowne. Nie istnieje żaden punkt leżący „wcześniej" niż biegun południowy. Równie dobrze można pytać, co znajduje się na południe od bieguna południowego - pytanie jest bezsensowne. W tym przykładzie czas jest skończony - nie istnieje nieskończenie odległa przeszłość, ale czas nie ma ani początku, ani brzegu. Wróćmy teraz do zagadnienia strzałki czasu na obszarze Wszechświata daleko od osobliwości, gdzie nie mają znaczenia kwantowe efekty grawitacyjne. Teraz powinniśmy skorzystać z rzeczywistego czasu, nie zaś z urojonego. Zgodnie z hipotezą Hawkinga i hipotezami innych teoretyków początkowa osobliwość musi być bardzo regularna. Stan początkowy nie mógł być jednak idealnie uporządkowany, gdyż pozostawałoby to w sprzeczności z kwantową zasadą nieoznaczoności (wspomniałem o tym w rozdziale „Niezwykłe głębiny"). Wobec tego musiały istnieć przynajmniej niewielkie zaburzenia, fluktuacje wynikające z zasady nieoznaczoności. Początkowo takie zaburzenia były bardzo małe, ale po miliardach lat powstały z nich galaktyki, gromady galaktyk i inne wielkoskalowe struktury we Wszechświecie. Z niemal idealnego porządku stopniowo wyłania się stan coraz bardziej nieuporządkowany, z czego wynika istnienie termodynamicznej strzałki czasu.

Gdy po miliardach lat na scenie pojawiły się inteligentne istoty, ich psychologiczna strzałka czasu musiała mieć, jak wiemy, taki sam kierunek jak strzałka termodynamiczna. A co z trzecią strzałką, kosmologiczną strzałką czasu, określoną przez kierunek ekspansji Wszechświata? W obecnej epoce kosmologiczna strzałka wskazuje ten sam kierunek co pozostałe dwie. Możliwe jednak, że kiedyś będzie inaczej. Jeśli gęstość materii we Wszechświecie jest większa od gęstości krytycznej, w pewnej chwili w przyszłości przestanie się on rozszerzać i zacznie się kurczyć. Wtedy kosmologiczna strzałka czasu odwróci się, natomiast pozostałe dwie będą dalej wskazywać w tym samym kierunku. Zniknie zgodność między wszystkimi strzałkami. Początkowo Hawking zakładał, że gdy nastąpi zmiana kierunku kosmologicznej strzałki czasu, pozostałe również się obrócą, tak by zachowana była pełna zgodność. Później jednak zmienił zdanie i uznał, że ani termodynamiczna, ani psychologiczna strzałka czasu nie zmienią kierunku. Hawking pyta: „Co należało robić, gdy popełniło się taki błąd?" - i następnie udziela jednoznacznej odpowiedzi: Niektórzy ludzie nigdy nie przyznają się do błędów i uparcie przedstawiają nowe, często sprzeczne argumenty wspierające ich tezę - tak postępował na przykład Eddington, walcząc z teorią czarnych dziur. Inni twierdzą, że nigdy nie głosili błędnego twierdzenia, a jeśli nawet, to jedynie po to, by wykazać jego niespójność. Wydaje mi się jednak znacznie lepszym wyjściem przyznanie się do błędu na piśmie i opublikowanie takiego tekstu. Dobry przykład dał sam Einstein, nazywając stałą kosmologiczną, którą wprowadził, by stworzyć statyczny model wszechświata, największym błędem swego życia.* Można tu dodać jeszcze jeden przykład. Gdy Einstein zrozumiał, że jego zastrzeżenia do teorii Friedmanna były błędne, natychmiast opublikował notatkę, w której przyznał się do błę-

du i stwierdził, że Friedmann ma rację i że jego praca otworzyła nowe perspektywy w kosmologii.

Wykrycie błędu ma jeszcze jeden ważny aspekt. Wyjaśnienie prawdziwego przebiegu fizycznego procesu i znalezienie słabego punktu poprzedniej teorii również jest twórczym procesem poznawczym. Prawdziwy uczony cieszy się z tego i nie poddaje irytacji (choć jego uczucia nigdy nie są całkowicie jednoznaczne i „czyste", gdyż satysfakcja ze zrozumienia czegoś przeplata się z niezadowoleniem z siebie lub innymi emocjami, ale reakcja jest zazwyczaj przejawem uczuć dominujących). Moskiewski fizyk Witalij Ginzburg opisał, jak kiedyś analizował tak zwane promieniowanie przejścia i doszedł do wniosku, że odkrył możliwość skonstruowania nowego licznika cząstek. Wkrótce zdał sobie sprawę, że popełnił błąd. Napisał wtedy: „Błąd okazał się dość interesujący i jego wyjaśnienie sprawiło mi niemal taką przyjemność (bardzo skromną), jak "wynalezienie" samego licznika". Muszę również wspomnieć, że z jakichś powodów Andrej Dmitriewicz Sacharow również bronił idei zmiany kierunku kosmologicznej strzałki czasu. Zasadnicza różnica między jego koncepcją a hipotezą Hawkinga polegała na tym, że według Sacharowa zmiana miała następować w „zerowej" chwili ekspansji, nie zaś wtedy, gdy Wszechświat osiąga maksymalne rozmiary (jak przypuszczał Hawking). To oznacza, że czas miałby płynąć wstecz przed początkiem ekspansji i w tym odwróconym czasie Wszechświat również się rozszerzał! Sacharow po raz pierwszy przedstawił tę koncepcję w 1966 roku, a w późniejszych latach wielokrotnie do niej wracał. Szczerze mówiąc, nie rozumiem, czemu go tak pociągała. Wróćmy do strzałek czasu. Nasuwa się następujące pytanie: jeśli założymy, że w przyszłości może się zdarzyć, iż strzałki nie będą zgodnie skierowane, to dlaczego żyjemy w epoce, w której wszystkie wskazują w tym samym kierunku? Można na to odpowiedzieć, odwołując się do tak zwanej zasady antropicznej. Inteligentne życie nie mogło pojawić się we Wszechświecie w dowolnej fazie jego ewolucji. Nie mogło powstać w odległej przeszłości, gdy nie było jeszcze gwiazd

ł planet, a materia była bardzo gorąca. Wydaje się również, że znane nam formy życia nie mogłyby pojawić się w odległej przyszłości, gdy wypalą się gwiazdy lub materia ulegnie rozpadowi. Kurczący się Wszechświat będzie zapewne wyglądał zupełnie inaczej niż ten, jaki znamy. Jeśli w tej fazie będą mogły istnieć jakieś inteligentne organizmy (wierzę, że tak), to wskutek ewolucji będą one tak różne od wszystkiego, co znamy, że zapewne nie potrafilibyśmy ich rozpoznać. Proszę zauważyć, że nasza cywilizacja jest bardzo młoda, a znane nam życie mogłoby powstać tylko na planecie ogrzewanej przez gwiazdę podobną do Słońca. Musimy również wziąć pod uwagę, że takie gwiazdy i planety mogą istnieć tylko w okresie ekspansji Wszechświata, gdy materia, z której powstają gwiazdy, zawiera jeszcze zmagazynowaną energię jądrową. Odpowiedź zatem wydaje się całkiem jasna. Jako młoda cywilizacja możemy istnieć tylko w okresie ekspansji Wszechświata, gdy wszystkie trzy strzałki wskazują ten sam kierunek. Podsumujmy to, co zostało tu powiedziane. Kierunek upływu czasu w otaczającym nas świecie związany jest ze wzrostem entropii, czyli nieuporządkowania. Mówiąc metaforycznie, upływ czasu związany jest ze starzeniem się i upadkiem. Gdy obserwujemy wzrost porządku w pewnym układzie, musimy sobie zdawać sprawę, że „nie ma cudów" (o czym doskonale przekonuje nas zgromadzona wiedza naukowa!), a zatem możemy być pewni, iż układ ten oddziałuje z innymi układami i gdy uwzględnimy zmiany w tych układach, okaże się, że całkowite nieuporządkowanłe wzrosło. Jak napisał Owidiusz w Przemianach: „Czas żarłoczny, zawistna starość, wszystko burzycie i niszcząc zębem czasu - pomaleńku oddajecie śmierci".* Nasz Wszechświat ewoluuje od przeszłości ku przyszłości, ponieważ powstał w stanie bardzo uporządkowanym: „Przeszłość tak bardzo się różni od przyszłości, ponieważ Wszechświat jest wciąż bardzo młody".**

Co jednak z elementarnymi procesami, takimi jak ruch „punktu materialnego", który porusza się zgodnie z prawami Newtona? Czy w takim przypadku kierunek czasu nie jest określony? Wydaje się, że w takich sytuacjach nie możemy jasno odróżnić przeszłości od przyszłości. Inną sprawą jest natomiast kwestia, na ile dokładnie można zrealizować takie wyidealizowane warunki w przyrodzie.

Jeśli zdecydujemy się poszukiwać „naprawdę elementarnych" procesów wśród reakcji zachodzących między cząstkami elementarnymi, zetkniemy się z bardzo zagadkową sytuacją. Cząstki elementarne zachowują się zgodnie z prawami mechaniki kwantowej, które ogromnie różnią się od zasad dynamiki Newtona. We wcześniejszych rozdziałach poświęciliśmy im bardzo mało uwagi. Nie mamy na to miejsca również w tym rozdziale, przeto ograniczymy się do kilku spostrzeżeń, mających znaczenie dla problemu czasu i kierunku jego upływu. Na teorię kwantową składa się między innymi bardzo rozwinięty formalizm matematyczny. Z doświadczeń wynika, że przewidywania tej teorii są spełnione z nadzwyczajną dokładnością. Teorii owej używają również inżynierowie w wielu działach nowoczesnej techniki. Jednak, jak dotychczas, fizycy nie byli w stanie podać powszechnie akceptowanej interpretacji formalizmu matematycznego teorii kwantowej ani przedstawić w poglądowy sposób omawianych zjawisk. Nie wiadomo zresztą, czy taka wizualizacja jest w ogóle możliwa. Chciałbym teraz bardzo pobieżnie naszkicować „obraz", który według mnie jest bliski istoty rzeczy. Czytelnikom zainteresowanym takimi problemami zalecam książkę Rogera Penro-se'a Nowy umyśl cesarza.* Skupmy się na jednym przykładzie: elektron przelatuje przez nieprzenikalną przesłonę z dwiema pionowymi szczelinami. Gdyby elektrony zachowywały się jak małe kuleczki, poru-

szające się zgodnie z zasadami dynamiki Newtona, to dany elektron musiałby przelecieć przez prawą lub lewą szczelinę i nigdy nie mógłby przelecieć przez obie naraz. Natomiast z mechaniki kwantowej, która rządzi zachowaniem elektronów, wynika, że jest ono zupełnie inne niż zachowanie klasycznych kulek. Wielkość opisująca elektron stanowi zagadkową „kombinację" składowych opisujących obie możliwości. Jeśli nie mierzymy, przez którą szczelinę przeleciał elektron, to musimy przyjąć, że stanowi on kombinację elektronu, który przedostał się przez lewą szczelinę, i elektronu, który przebył szczelinę prawą. Nie jest to przy tym prosta kombinacja, powiedzmy 50% elektronu przelatującego przez lewą i 50% przelatującego przez prawą - proporcje obu składników określa pewna liczba zespolona (ci, którzy nie znają liczb zespolonych, nie powinni się niepokoić: więcej nie będę o nich wspominał). To bardzo dziwny obraz. Czy możemy w jakiś sposób „zobaczyć" taką dziwną kombinację stanów, posługując się odpowiednim aparatem? Nie, to niemożliwe. Gdy tylko próbujemy określić, przez którą szczelinę elektron przeleciał naprawdę (oczekując, że uda się nam go przyłapać, jak przedostaje się częściowo przez jedną, a częściowo przez drugą), „coś" się dzieje z elektronem i jednym skokiem przedostaje się on w całości albo przez lewą, albo przez prawą szczelinę. Dziwne? Tak, bardzo dziwne, ale tak się naprawdę dzieje. Czy fakt, że elektron przed pomiarem opisuje taka kombinacja stanów, w jakiś sposób się przejawia? Tak, niewątpliwie. Jeśli za przesłoną umieścimy detektor elektronów, to po dostatecznie długiej ekspozycji otrzymamy słynny obraz interferencyjny, utworzony przez punkty, w które uderzyły elektrony. Obraz ten wygląda tak, jakbyśmy rejestrowali falę, a nie pojedyncze cząstki. Nie będę się tu wdawał w szczegółowe rozważania; wystarczy, że powiem, iż pojawienie się takiego obrazu interferencyjnego jest konsekwencją tego, że przed pomiarem elektron znajdował się w takiej kombinacji stanów. Czy trudno to zrozumieć? Owszem, bardzo trudno. Wydaje mi się, że żaden ekspert nie ośmieliłby się powiedzieć, że w pełni rozumie wszystkie szczegóły. Ponadto, różni eksperci suge-

rują różne interpretacje obserwacji (i taki stan rzeczy trwa już niemal trzy ćwierci wieku!). Największe wrażenie robi „nielokalny" charakter stanu elektronu przed pomiarem. Nie można powiedzieć (przed pomiarem!), że w danej chwili elektron zajmuje określone miejsce w przestrzeni. Nie jest to tylko kwestia naszej ignorancji: oczywiście, jeśli nie przeprowadziliśmy eksperymentu, to nie możemy wiedzieć, gdzie się on znajduje. W istocie chodzi tu o coś więcej: przed pomiarem elektron nie

zajmował żadnego określonego miejsca w przestrzeni, lecz znajdował się w dziwnej kombinacji stanów, opisujących elektron w różnych miejscach. Nie będę wyjaśniał, skąd o tym wiemy, gdyż odwiodłoby to nas zbyt daleko od głównego tematu. Nielokalność przejawia się w jeszcze bardziej uderzający sposób, gdy analizujemy układ składający się z dwóch lub kilku cząstek. Przyjmijmy na przykład, że dwie cząstki oddziaływały przez chwilę, po czym oddaliły się od siebie. Jeśli teraz przeprowadzimy pomiar jednej cząstki, wynik pomiaru wpływa na stan drugiej, przy czym, o ile wiemy, zmiana następuje natychmiast! Ponieważ nie występuje opóźnienie, nie możemy założyć, że pierwsza cząstka w momencie pomiaru wysyła jakiś sygnał, powodujący zmianę stanu drugiej, nawet gdyby sygnał ten rozchodził się z prędkością światła. Tak nie jest: zmiana stanu jednej cząstki powoduje naprawdę natychmiastową zmianę stanu drugiej! Zmiana jest przypadkowa (stochastyczna). Nie jest to zatem metoda pozwalająca na błyskawiczne przekazywanie sygnałów na dużą odległość. Najbardziej intrygujące okazuje się to, że wszystkie te efekty zostały rzeczywiście zaobserwowane w laboratoriach podczas bardzo precyzyjnych doświadczeń. Wróćmy do pojedynczego elektronu. Jeśli nie dokonujemy żadnych pomiarów, stan elektronu zmienia się zgodnie ze ścisłymi prawami mechaniki kwantowej; są one odwracalne w czasie, podobnie jak zasady dynamiki Newtona. Ewolucja elektronu nie wyróżnia żadnego kierunku upływu czasu. Gdy natomiast wykonujemy pomiar, stan elektronu ulega tak zwanej „redukcji", czyli zmienia się (a) przypadkowo, (b) nieodwra-

calnie w czasie (co z naszego punktu widzenia ma największe znaczenie). Wobec tego w mechanice kwantowej dwa kierunki upływu czasu nie są równoważne. Niektórzy fizycy uważają jednak, że problem polega na tym, iż do pomiarów używamy „dużych" instrumentów, składających się z ogromnej liczby atomów i cząsteczek. Ich zdaniem, „sednem sprawy jest "makroskopowy charakter« naszych aparatów pomiarowych. Gdy mamy do czynienia z ogromną liczbą cząsteczek, z których zbudowane są instrumenty, dominującą rolę odgrywają prawa statystyczne, tak samo jak w przypadku prawa wzrostu entropii, które jest konsekwencją chaotycznych oddziaływań między licznymi cząstkami". Ten argument może być poprawny, ale najważniejszym czynnikiem wydaje się nieodwracalność redukcji stanu kwantowego. Proces ten wyróżnia strzałkę czasu. Jak i kiedy zachodzi ta redukcja? Nie wiadomo. Opinie ekspertów bardzo się różnią, a zatem nie będę się tu wdawał w spekulacje. Zgodnie z jedną hipotezą, pojęcie gładkiej, ciągłej czterowymiarowej czasoprzestrzeni, które tak dobrze nam służy w badaniach procesów makroskopowych, nie nadaje się do opisu zjawisk kwantowych. W celu zilustrowania różnic opinii na temat tajemniczego procesu redukcji stanu w trakcie pomiaru chciałbym zacytować opinie dwóch wybitnych fizyków, Stephena Hawkinga i Rogera Penrose'a, wyrażone w ich książce Natura przestrzeni i czasu:* PENROSE: Taki rozpad, w którym pozostaje jedna z wielu możliwości, nazywam obiektywną redukcją. HAWKING: Całkowicie odrzucam tezę, że redukcji funkcji falowej towarzyszy jakiś proces fizyczny [...] To brzmi dla mnie jak magia, a nie nauka. Argumenty, które przedstawiłem w tym rozdziale, stanowią w znacznej mierze mieszaninę dobrze ustanowionych faktów, hipotez wymagających jeszcze starannego sprawdzenia i bardzo mglistych domysłów. Chciałbym powtórzyć, że dopiero zaczęliśmy odsłaniać welon, zakrywający naturę czasu i jego oszałamiających właściwości.

ROZDZIAŁ

14

POD PRĄD

Albert Einstein stworzył ogólną teorię względności, wykorzystując bardzo nieliczne dane doświadczalne dotyczące grawitacji; wybrał ten zbiór danych z intuicją prawdziwego geniusza. W ciągu kilkudziesięciu lat, jakie minęły od powstania tej teorii, wszystkie jej przewidywania, które udało się sprawdzić, niezmiennie okazywały się słuszne. Astronomowie wykryli i starannie zmierzyli niewielkie poprawki relatywistyczne do Newtonowskich przewidywań dotyczących ruchu planet. W 1919 roku Arthur Eddington zmierzył ugięcie promieni światła w polu grawitacyjnym Słońca; kąt ugięcia jest zgodny z przewidywaniami Einsteina. Następnie udało się zaobserwować grawitacyjne przesunięcie długości fali promieniowania ku czerwieni, kolejny raz potwierdzając przewidywania Einsteina. Wreszcie w latach siedemdziesiątych astronomowie odkryli - niemal na pewno - również czarne dziury, te egzotyczne obiekty, które niczym nie przypominają innych ciał niebieskich. W rym przypadku ogólna teoria względności przejawia się nie w postaci małych poprawek do dobrze znanych procesów, ale opisuje ogromne zmiany geometrii przestrzeni i właściwości czasu. W ciągu tych wszystkich lat nie zaobserwowano żadnego faktu, który podważyłby nasze zaufanie do ogólnej teorii względności. Biorąc pod uwagę wszystkie dane uzyskane

w XX wieku, musimy poważnie potraktować inne przewidywania teorii względności, które jeszcze nie zostały potwierdzone ani eksperymentalnie, ani obserwacyjnie. Przekonaliśmy się, że współczesna fizyka, opisująca najgłębszą strukturę materii, ewoluuje w kierunku naszkicowanym przez Alberta Einsteina. Okazało się, że wszystkie zjawiska mają wspólną naturę. Wydaje się prawdopodobne, że właściwości materii są określone przez skomplikowane cechy czasoprzestrzeni. W tym rozdziale będziemy mówić o nowych możliwościach, które wynikają z teorii względności. Te możliwości przekracza-

ją granice wyobraźni. Musimy się z tym pogodzić: współczesna fizyka zmniejszyła dystans między fantastyką i rzeczywistością niemal do zera! Czytelnicy mogą je odrzucić, wzruszając ramionami i mówiąc: „Wszystko, o czym pan opowiada, to tylko rzędy wzorów wypisywanych na papierze przez teoretyków. Praktyczne zastosowania są odległe o całe lata świetlne". Czytelnicy niewątpliwie mieliby rację. Od teorii do praktyki droga jest bardzo długa. Ludwig Boltzmann powiedział kiedyś: „Jeden z moich przyjaciół zdefiniował pewnego razu praktyka jako człowieka, który nie zna teorii, teoretyka zaś jako marzyciela, który niczego nie rozumie". Chciałbym jednak przypomnieć czytelnikom, że takie egzotyczne lub ekstrawaganckie pomysły, jak wykorzystanie energii jądrowej i loty kosmiczne, w XX wieku stały się elementem codziennego życia. Już wspomniałem o potwierdzeniu przewidywań ogólnej teorii względności. Pamiętajmy o mądrym powiedzeniu, że nie ma nic bardziej praktycznego od dobrej teorii. Z tego powodu omówię teraz najśmielsze marzenia fizyków i ich najbardziej wyzywające idee. Odkrywca elektronu, słynny fizyk angielski J. J. Thomson, powiedział, że ze wszystkich zasług, jakie może nauce wyświadczyć uczony, najważniejsze jest wprowadzenie nowych idei. Mam zamiar przedyskutować tu problem podróży w przeszłość. Latem 1988 roku Kip Thorne przysłał mi pracę, którą wraz ze swoimi studentami Michaelem Morrisem i UM Yurtseverem wysłał do druku do „Physical Review Letters". W pracy autorzy przedstawili argumenty za teoretyczną możliwością podróży w przeszłość. Była to bardzo śmiała praca.

Twierdzenie, że podróże w przeszłość są zakazane, już od dawna jest utrwalonym elementem myśli naukowej i filozoficznej. Jak pamiętamy, możliwość podróży w przyszłość została już wykazana. W rozdziale o wehikule czasu rozważaliśmy przykład maszyny, która pozwala podróżować do odległej przyszłości. Była to rakieta, pozwalająca realizować podróże kosmiczne z dużą prędkością. Po powrocie astronauci znaleźliby się w przyszłej epoce swojej planety.

Nie ma wątpliwości, że dla Ziemian podróże w przyszłość są czymś niezwykłym. Gdy na przykład astronauta podróżuje w swej rakiecie trzydzieści lat, Ziemia starzeje się o sto pięćdziesiąt lat i po powrocie jest on młodszy od swoich prawnuków. To jednak nie powoduje żadnych oczywistych sprzeczności. Zarówno astronauta, jak i Ziemianie poruszają się w czasie od przeszłości ku przyszłości, tyle że ruch astronauty jest znacznie wolniejszy niż mieszkańców Ziemi. Zupełnie inaczej wygląda sprawa z podróżą w przeszłość. Wydaje się, że gdyby podróż w przeszłość była możliwa, moglibyśmy wpłynąć na przebieg zdarzeń, które zdarzyły się dawno temu. To automatycznie oznacza, że moglibyśmy zmienić teraźniejszość, która zależy od tych minionych zdarzeń. Takie opowieści często spotyka się na stronach książek fantastycz-nonaukowych, ale aż do niedawna fizycy nie interesowali się poważną dyskusją na ten temat. Gdy jesienią 1988 roku ukazała się praca Thorne'a, Morrisa i Yurtseyera, „New York Times" napisał, że jeśli możliwość podróży w przeszłość została teoretycznie dowiedziona, to fakt ten będzie miał głębokie konsekwencje filozoficzne i naukowe. Podróżnik, który udał się w przeszłość, teoretycznie mógłby zmodyfikować ciąg zdarzeń w przeszłości, nie wykluczając nawet własnych narodzin, a zatem prawa przyczynowości, na których opiera się nauka, zmieniłyby się w kompletny chaos. Dziennikarz jednak zauważył, że autorzy sensacyjnej pracy odrzucają hipotezy tego rodzaju i twierdzą, że ich praca należy do fizyki teoretycznej, nie zaś do filozofii. Ta uwaga była w pełni uzasadniona. Najpierw należy potwierdzić teoretyczną możliwość skonstruowania wehikułu czasu do podróży w przeszłość, a dopiero później będzie pora, by rozważać konsekwencje tego odkrycia. Wróćmy do wehikułu czasu, którego prototyp opisał Herbert Wells w swojej powieści z 1895 roku. Była to jego pierwsza powieść fantastycznonaukowa i przyniosła mu natychmiastową sławę. W swojej powieści Wells opisuje podróż w czasie tak, jakby wyprawa taka przypominała seans filmowy oglądany w przy-

spieszonym tempie. Podróżnik, siedząc w fotelu swojego wehikułu, nie porusza się w przestrzeni, lecz widzi szybko migające „klatki", przedstawiające kolejne wydarzenia, w normalnej lub odwróconej kolejności, zależnie od tego, czy podróżuje w przyszłość, czy w przeszłość. Wells znakomicie opisuje owe wyprawy w przyszłość i w przeszłość. Nawiasem mówiąc, warto zwrócić uwagę na to, że w czasie, gdy Wells pisał swą powieść, kinematografia stawiała dopiero pierwsze kroki. W młodości Wells poważnie interesował się nauką, co miało wpływ na jego późniejszą karierę literacką. Interpretacja ruchu w czasie, którą zaprezentował bohater powieści Wellsa swoim przyjaciołom, wywarła na mnie nie mniejsze wrażenie niż sama podróż w czasie. Zaczyna on od uwagi Podróżnika w Czasie: - Oczywiście - ciągnął dalej Podróżnik w Czasie - każde materialne ciało rozciągać się musi w czterech kierunkach i posiadać długość, szerokość, grubość i trwanie.* Zdaniem Podróżnika ten czwarty wymiar to właśnie czas. Powiada on: W rzeczywistości istnieją cztery wymiary: trzy, które nazywamy trzema płaszczyznami przestrzeni, i czwarty - czas. Istnieje jednak tendencja do stawiania nieuzasadnionej granicy pomiędzy trzema

poprzednimi wymiarami a ostatnim, ponieważ tak się dzieje, że nasza świadomość biegnie z przerwami w jednym kierunku, po linii tego właśnie ostatniego wymiaru, od początku do końca naszego życia.** Proszę nie zapominać, że Wells pisał te słowa dziesięć lat przed odkryciem teorii względności. Jego bohater stwierdza następnie, że różne „zdjęcia" trójwymiarowej przestrzeni ułatwiają badanie czwartego wymiaru: „Weźmy na przykład portret tego samego człowieka w ósmym roku życia, w piętnastym, w siedemnastym, w trzydziestym trzecim i tak dalej. Wszystko to są jakby przekroje, jakby trójwymiarowe wyobrażenia istoty czte-rowymiarowej, która jest tworem stałym i niezmiennym". Widzimy zatem, że Wells prezentuje historię jako gotową całość, całkowicie zapisaną na taśmie, zgodnie z koncepcją Łapiącej. Podróżnik wędruje wzdłuż taśmy, oglądając kolejne obrazy. Bohater powieści stwierdza, że należy się nauczyć poruszać w czasie w przyszłość i w przeszłość z równą łatwością, z jaką poruszamy się w przestrzeni. Zwraca przy tym uwagę, że nie we wszystkich kierunkach w przestrzeni możemy podróżować z równą łatwością. Na przykład jeszcze niedawno człowiek nie potrafił unieść się ponad powierzchnię Ziemi na dużą wysokość. Ponadto jest znacznie łatwiej poruszać się w dół, zgodnie z kierunkiem działania siły ciążenia, niż do góry. Mimo to, jak twierdzi, za pomocą balonu można pokonać siłę ciążenia i wznieść się w powietrze. Czemu nie mielibyśmy żywić nadziei, że kiedyś uda się zatrzymać, przyspieszyć lub nawet zawrócić ruch w czasie? Nie ma wątpliwości, że książka Wellsa to dzieło literackie poświęcone problemom społecznym przyszłości i zawierające swego rodzaju ostrzeżenie, które dotyczy możliwej degradacji ludzkości wskutek podziału społeczeństwa na antagonistyczne klasy. Wells był jednak wielkim artystą, zdolnym do głębokiej analizy naukowych szczegółów, praw i zasad. Dzięki temu udało mu się stworzyć imponujący opis marzenia o podróży w czasie, który na zawsze pozostanie w światowej literaturze. Powróćmy od tych marzeń do drugiej połowy XX wieku. Co można powiedzieć z naukowego punktu widzenia o możliwości podróży w przeszłość (o podróżach w przyszłość pisałem wcześniej)? Przede wszystkim należy zauważyć, że z pewnością jest błędem wyobrażać sobie, iż podróż wstecz w czasie przypomina oglądanie filmu puszczonego od końca. Przekonamy się również, że podróż w czasie wymaga zmiany położenia w przestrzeni. Proszę zwrócić także uwagę, że podróżując w prze-

szłość sami nie stajemy się młodsi. W każdym z nas, w każdej ludzkiej istocie i każdym układzie, czas może płynąć tylko naprzód, od młodości do starości. Jak powiedziała Alicja do Hoj-dy Bojdy w Po drugiej stronie lustra Lewisa Carrolla: „jak się rośnie, to już nic nie można na to poradzić".* Poznaliśmy już prawo wzrostu nieuporządkowania, czyli entropii, z którego wynika starzenie się organizmów. (Powinienem tu poczynić zastrzeżenie, że wolno nam fantazjować na temat możliwości interwencji z zewnątrz, odbywającej się na poziomie komórek organizmu, która powstrzymałaby proces starzenia się lub nawet spowodowała powrót do młodości. Byłaby to jednak próba kontrolowania procesów zachodzących w organizmie, nie zaś zmiana kierunku przepływu czasu). Jak wiemy, psychologiczna strzałka czasu wskazuje ten sam kierunek co termodynamiczna. Mimo to można sobie wyobrazić, że za pomocą specjalnej maszyny człowiek dostanie się do „tunelu", który prowadzi wstecz w czasie, przez zewnętrzną przestrzeń, i wyłoni się w przeszłości z drugiego otworu tunelu. Rzecz jasna, podczas takiej podróży nie stanie się on młodszy. Gdy jednak przekradnie się do przeszłości, może się on znaleźć na przykład w czasach swojej młodości lub nawet w okresie przed swym narodzeniem! Podróż ta wygląda, do pewnego stopnia, jakbyśmy odwrócili część nurtu potężnej rzeki, przepompowali ten strumyczek rurą w górę rzeki i następnie dołączyli go ponownie do głównego nurtu. Kosmologowie rozpatrują obecnie podobny teoretyczny scenariusz przepływu rzeki czasu. Nie chciałbym tu irytować moich kolegów fizyków, którzy być może czytają te słowa: muszę od razu przyznać, że wielu z nich zdecydowanie twierdzi, iż podróże w przeszłość są absolutnie zabronione. Dalej powrócę do tych sporów. Teoretycy, raczej matematycy niż fizycy, już od dawna rozważali fantastyczne światy, w których

możliwe są podróże w przeszłość. Niektóre rozwiązania równania Einsteina opisują .

takie światy. Wydaje się, że większość fizyków uważała, że tego rodzaju rozwiązania nie mają nic wspólnego z rzeczywistością, choć są bardzo interesujące dla poznania struktury teorii względności. Wszyscy wiedzą ze szkoły, że równania poprawnej teorii czasem dają niepoprawne - z punktu widzenia fizyki: bezsensowne - rozwiązania. Wystarczy przyjąć niewłaściwe dane w sformułowaniu zadania, żeby otrzymać bezsensowne wyniki - na przykład taki: by wykopać w cztery dni dół o objętości trzydziestu metrów sześciennych, przy założeniu, że każdy kopacz może wykopać trzy metry sześcienne w ciągu dnia, potrzeba... 2,5 kopacza. Wielu uczniów płakało, otrzymując podobny wynik. Większość fizyków uważała światy, w których czas miał owe dziwne właściwości, właśnie za takie bezsensowne rozwiązania. Teoretycy jednak pilnie studiowali te rozwiązania, choć zdawali sobie sprawę, że z punktu widzenia fizyki nie mają one sensu. Czyż nie jest dziwne, że z teorii wynika istnienie światów z „pętlami czasowymi", które pozwalają na przedostanie się do przeszłości? Jedno z pierwszych takich rozwiązań otrzymał Kurt Godeł w 1949 roku. Rozważał on stacjonarny, niezmienny w czasie wszechświat. Już z tego powodu jego model nie mógł opisywać rzeczywistości, ponieważ z obserwacji jasno wynika, że galaktyki oddalają się od siebie. Wszechświat Godła wypełniony jest materią, mającą dość dziwne właściwości, z których najważniejszy jest obrót wokół swej osi. Odległość między wszystkimi cząstkami materii w tym wszechświecie jest stała. Gdybyśmy do każdej cząstki dołączyli zegar, musielibyśmy nastawić je na tę samą godzinę, żeby mierzyć interwały czasowe: dla tej materii pojęcie równoczesności nie istnieje. Cały obraz wszechświata Godła jest dość fantastyczny i egzotyczny. W tym wszechświecie istnieją pętle czasowe. Wyruszając z dowolnego punktu we wszechświecie, można wybrać taką drogę, by wędrować wyłącznie naprzód z pewną prędkością, okrążyć świat i powrócić do punktu wyjścia dokładnie w chwili startu! Inaczej mówiąc, podróżnik okrąża świat nie tylko w przestrzeni, ale również w czasie.

To wszystko wydaje się bardzo dziwne. Dla teoretyków rozwiązanie Godła było matematyczną zabawą, niczym więcej. Traktowali oni pętle czasowe jak zabawną osobliwość, podobną do dwóch i pół kopacza ze szkolnego zadania. Nie wszyscy jednak uważali wynik Godła za matematyczną ciekawostkę bez większego znaczenia. W 1949 roku Einstein pisał: „Esej Kurta Godła stanowi, moim zdaniem, ważny wkład do rozwoju ogólnej teorii względności, a zwłaszcza do analizy pojęcia czasu. Problem tu opisany niepokoił mnie już w okresie pracy nad ogólną teorią względności, ale nie udało mi się go wyjaśnić".* Zwróciłem uwagę na rozwiązanie Godła pod wpływem Abra-ma Zelmanowa, gdy byłem jeszcze studentem. Zelmanow korzystał z tego wyniku jako przykładu, przydatnego do dowodzenia poważnych twierdzeń. Ja po prostu doskonale się bawiłem, analizując dziwaczne właściwości krzywych w tym wszechświecie. Teoretycy zabawiali się również innymi modelami z pętlami czasowymi. Zeldowicz i ja przedstawiliśmy analizę jednego takiego modelu w naszej całkowicie poważnej (liczącej ponad 700 stron) monografii Struktura i ewolucja Wszechświata. Model ten jest bardzo pouczający i zasługuje na krótkie omówienie. Mam nadzieję, że pomoże to czytelnikom zrozumieć, czym jest pętla czasowa. W tej książce zetknęliśmy się już z diagramami czasoprzestrzennymi: oś pozioma reprezentuje wymiar przestrzenny, a pionowa czas. Weźmy kartkę papieru (z rysunkiem 14.2a) i zwińmy ją tak, jak na rysunku 14.2b, po czym sklejmy górę z dołem. Otrzymujemy w ten sposób cylinder (rys. 14.2c), na którym koła reprezentują pętle czasowe. Poruszając się wraz z czasem wokół okręgu na powierzchni cylindra, wracamy do początkowej chwili w przeszłości. W istocie nie musimy wracać

dokładnie do tego samego miejsca. Wystarczy, że w miarę upływu czasu poruszamy się w prawo. Linia świata takiego po-

dróżnika ma postać helisy (rys. 14.2d) i może się dowolnie wydłużać w czasie, natomiast pętla czasowa przedstawiona na poprzednim rysunku ma skończoną długość. W naszej książce, opublikowanej w 1975 roku, omówiliśmy procesy fizyczne zachodzące w takim zamkniętym w czasie wszechświecie. Podkreślaliśmy, że mimo niezwykłych i raczej „dziwnych" cech tego rodzaju procesów, prawa fizyczne obowiązujące w owych sytuacjach nie muszą prowadzić do sprzeczności. To były tylko krótkie uwagi na temat pętli czasowych, ale Zeldowicz i ja mieliśmy do nich zupełnie inny stosunek. Wierzyłem całkiem poważnie w możliwość powstania pętli czasu w rzeczywistym wszechświecie i dlatego sądziłem, że zasługują one na badanie. Zeldowicz od samego początku nie lubił tej idei. Nasza książka została przetłumaczona na angielski i ukazała się w USA. Ostatnio uważnie przeczytałem odpowiednie fragmenty w wydaniu angielskim i z przykrością

stwierdziłem, że został usunięty opis modelu z pętlami czaso wymi. Zeldowicz, niestety, zmarł już parę lat temu i nie mogv go spytać, co się stało. Podejrzewam, że po prostu wykreślił fragmenty, do których czuł awersję. Na szczęście opis pętli czasowych można znaleźć w innych moich książkach wydanych w języku angielskim. Muszę przyznać, że nie poświęcałem problemowi pętli czasowych takiej uwagi, na jaką zasługuje to zagadnienie. Przyczyną tego był w pewnej mierze sceptycyzm Zeldowicza, który wywierał na mnie ogromny wpływ. Po napisaniu naszej książki jeszcze długo myślałem o pętlach czasowych, nawet próbowałem obliczyć pewne związane z nimi zjawiska, ale nie wykazywałem w tym większej wytrwałości. Dopiero po przeczytaniu pracy Thorne'a i jego studentów znów zapaliłem się do tej idei i zapragnąłem zbliżyć się do upragnionego celu, to znaczy nauczyć się „latać" w przeszłość. Wreszcie zająłem się tym poważnie. Na czym polega istota pomysłu amerykańskich fizyków? Ich pracę można podzielić na dwie części. Pierwsza to analiza możliwości stworzenia „tunelu" z dwoma wylotami, przypominającego gardziele, z którymi zetknęliśmy się w rozdziale „Dziury w przestrzeni i czasie". Aby można było przejść przez tunel, musi on być stabilny. Inaczej mówiąc, ta część pracy polegała na wykazaniu, że można ustabilizować tunel, tak aby nie zapadł się pod wpływem pola grawitacyjnego. W drugiej części autorzy pokazali, jak taki tunel można zmienić w wehikuł czasu. Kip Thorne wspomina, że ponownie zwrócił uwagę na dawny problem (jak ustabilizować tunel), kartkując powieść Carla Sagana Kontakt. Sagan był znanym astronomem i nie mniej znanym pisarzem. Poprosił on Thorne'a, by ten sprawdził kilka fragmentów jego nowej powieści fantastycznonaukowej, w której wykorzystał on czarne dziury w celu natychmiastowego przeniesienia bohaterów do odległych gwiazd. Sagan chciał, aby jego pomysły w jak najmniejszym stopniu przeczyły fizyce. Thorne, przerzucając strony książki w drodze do domu, doszedł do wniosku, że czarne dziury nie nadają się do międzygwiezdnych podróży, ponieważ nie ma z nich żadnego wyjścia.

^Wydawało się jednak, że można by wykorzystać do tego tunel : łączący czarne dziury, o ile udałoby się w jakiś sposób ustabi-: lizować zarówno czarne dziury, jak i sam tunel, tak by można ; było się w nim poruszać w obu kierunkach. Thorne następnie l obliczył, że w celu ustabilizowania tunelu należałoby go wypeł-; nić materią lub polem fizycznym, mającym takie właściwości } jak fałszywa próżnia. Poradził zatem Saganowi, by poprawił odpowiednie fragmenty, co Sagan rzeczywiście zrobił podczas korekty.

Thorne nie zapomniał o swoim pomyśle. Razem ze studentem Morrisem napisali pierwszą pracę o wykorzystaniu (hipotetycznych) ustabilizowanych tuneli do szybkich podróży międzygwiezdnych. Praca ta była gotowa w 1987 roku. Później, wraz z Yurtseverem, podali oni bardziej konkretny przepis na tunel. Przyjrzyjmy się, jakie warunki muszą być spełnione, aby siły grawitacyjne nie zgniotły tunelu. Autorzy zaproponowali następujący plan. Zaczynamy od wytworzenia bardzo silnego pola grawitacyjnego w dwóch niezbyt oddalonych obszarach czasoprzestrzeni. W tym celu należy odpowiednio ścisnąć materię; w tych obszarach krzywizna czasoprzestrzeni jest zatem bardzo duża (rys. 14.3a). Obszary owe łączy się tunelem (14.3b). Tunel łączący dwa wejścia jest podobny do tego z rys. 7.3a. Różnica polega na tym, że amerykańscy fizycy zaproponowali, by w momencie powstania tunelu od razu go ustabilizować. Jak wspomniałem, w tym celu tunel należy wypełnić materią przypominającą fałszywą próżnię (zob. początek rozdziału „Źródła"). Anty grawitacyjne pole tej materii zapobiega zapadnięciu się tunelu. Oczywiście, na razie fizycy nie dysponują taką materią i nie wiemy nawet, czy z uwagi na jej niezwykłe właściwości kiedykolwiek uda się ją wytworzyć. Z drugiej strony, nie znamy żadnych praw fizycznych, które uniemożliwiłyby jakiejś wysoko rozwiniętej cywilizacji osiągnięcie tego celu. W tej chwili szczegóły technologii wytwarzania takiej materii są niejasne, ale nie byłoby to sprzeczne z żadnymi zasadami fizycznymi. Inną, nie mniej fantastyczną propozycję przedstawili Morris, Thorne i Yurtsever w pracy opublikowanej w 1988 roku. Jak

już wspominałem, w bardzo małej skali próżnia przypomina kwantową pianę, w której nieustannie powstają i znikają tunele. Jak piszą autorzy: „Można sobie wyobrazić, że pewna zaawansowana cywilizacja wydobywa taki tunel z kwantowej piany i powiększa go do wymiarów klasycznych". Załóżmy zatem, że kiedyś uda się skonstruować taki fantastyczny tunel. Wtedy będziemy mogli dokonywać różnych manipulacji otworami tuneli. Można je na przykład odciągnąć na dużą odległość, nie zmieniając długości tunelu. Na pierwszy rzut oka wydaje się to niemożliwe, ale to pierwsze wrażenie jest błędne. Aby to lepiej zrozumieć, wyobraźmy sobie zamiast przestrzeni płaską powierzchnię bez żadnych tuneli. Przyjmijmy, że na

tej powierzchni żyją dwuwymiarowe istoty wykonujące geometryczne eksperymenty. Jeśli teraz łagodnie wykrzywimy powierzchnię (rys. 14.4a), nie składając jej ani nie rozrywając, to geometria owej powierzchni się nie zmieni. Wszystkie geometryczne związki pozostają takie same; nie zmieniają się odległości między punktami, mierzone wzdłuż najkrótszej linii na powierzchni. Mówimy, że wewnętrzna geometria powierzchni nie ulega zmianie. Skoro tak, to dwuwymiarowe istoty nie mogą wiedzieć, czy powierzchnia jest zakrzywiona w przestrzeni zewnętrznej, czy nie. W obu przypadkach wszystkie „sceny" na powierzchni wyglądają tak samo. Teraz wyobraźmy sobie, że dwa otwory w powierzchni połączono krótkim tunelem (rys. 14.4b). Jak widać, droga między otworami po powierzchni może być bardzo długa, natomiast droga przez tunel - bardzo krótka. To jeszcze nie wszystko. Jeśli pociągniemy za górną krawędź powierzchni, utrzymując w jednym miejscu dolną powierzchnię i oba otwory, to górna część przemieści się względem otworu B (rys. 14.4c). Skoro ruch jest względny, to możemy przyjąć, że to górny otwór przesuwa się względem gwiazd. Wobec tego zmienia się odległość między otworami mierzona po powierzchni, natomiast długość tunelu pozostaje stała. Wszystko, co powiedziałem o otworach i tunelu w przypadku dwuwymiarowym, odnosi się w równej mierze do trójwymiarowej przestrzeni. Oczywiście, o wiele trudniej jest to sobie wyobrazić w

zakrzywionej, trójwymiarowej przestrzeni. Otwory A i B, oglądane z zewnątrz, wyglądają jak czarne dziury. Zasadnicza różnica polega na tym, że można przez nie wchodzić i wychodzić. Można przechodzić przez tunel w obie strony. Można wybrać parametry tunelu i otworów w taki sposób, aby siły przypływowe działające na żywe istoty podczas przejścia przez tunel nie były zbyt wielkie. Wydaje się jasne, w jaki sposób po skonstruowaniu w przyszłości statycznego tunelu łączącego otwory A i B można by wykorzystać to urządzenie. Najpierw musimy odciągnąć jeden otwór do odległej gwiazdy, nie zmieniając przy tym jego długości. Długość tunelu powinna być bardzo mała (powiedzmy, kil-

ka metrów) w porównaniu z odległością dzielącą otwory, mierzoną w zwykłej przestrzeni (która może wynosić wiele lat świetlnych!) (rys. 14.4b). Przypominam, że w rozdziale „Czarna dziura jako źródło energii" omówiłem już, w jaki sposób można transportować czarną dziurę. Ponieważ otwory tuneli, widziane z zewnątrz, praktycznie nie różnią się od czarnych dziur, to można sobie z nimi poradzić w podobny sposób. Teraz to urządzenie może posłużyć jako wehikuł przestrzeni (jeszcze nie wehikuł czasu). Podróżnik, po wejściu przez otwór A na rys. 14.4 i przebyciu krótkiego tunelu, wyłania się w punkcie B pośród odległych gwiazd. By odbyć taką podróż, nie potrzeba dużo czasu. Wyprawa do odległych gwiazd nie będzie wymagała długiej i żmudnej podróży przez przestrzeń międzygwiezdną. Wehikuł przestrzeni wydaje się wspaniałym urządzeniem. Mam nadzieję, że czytelnicy darują mi zatem, iż wdałem się tu w szczegóły jego budowy. Wyniki są nagrodą za trud, związany z lekturą bardziej zawiłych fragmentów. Przejdźmy teraz do najbardziej intrygującej części. Spróbujmy zastanowić się, jak zmienić tunel w wehikuł czasu. Mam nadzieję, że z argumentów przedstawionych na początku tego rozdziału jasno wynika, iż podróż w przeszłość wymaga pętli czasowej. We wspomnianych wcześniej modelach matematycznych takie pętle istnieją, ale modele te nie mają nic wspólnego z rzeczywistością. Przekonaliśmy się już, że stabilne tunele umożliwają powstanie pętli czasowych w rzeczywistym Wszechświecie. Można je zapewne stworzyć nawet w pobliżu naszej planety. Pewne sugestie na temat realizacji tego pomysłu można znaleźć już w pierwszej pracy Thorne'a i Morrisa z 1987 roku. W następnym artykule, napisanym wspólnie z Yurtseverem, autorzy podali znacznie więcej szczegółów. Po zapoznaniu się z ich pracą zasugerowałem swoją wersję wehikułu czasu; artykuł ukazał się również jesienią 1988 roku. W 1990 roku razem z moim kolegą i przyjacielem Walerym Frołowem wymyśliliśmy jeszcze jedną wersję takiego urządzenia, którą chciałbym tutaj przedstawić.

Aby prześledzić, jak działa wehikuł czasu, muszę ponownie poprosić czytelników o wytężenie uwagi. Nic nie można na to poradzić, przecież zajmujemy się, ni mniej, ni więcej, tylko wehikułem czasu. Einstein zwykł mówić, że wszystko należy upraszczać, na ile jest to możliwe, ale nie bardziej. Ci spośród czytelników, których nie interesują szczegóły, mogą przerzucić kilka stron i przejść od razu do wyników końcowych. Wyobraźmy sobie zatem otwory A l B położone dość daleko od siebie, ale połączone krótkim tunelem. Z powodu bardzo silnego pola grawitacyjnego identyczne zegary, umieszczone w pobliżu otworów A i B, chodzą wolniej niż zegary znajdujące się daleko od otworów. Z uwagi na symetrię, grawitacyjne spowolnienie czasu w pobliżu obu otworów jest jednakowe. Proszę zwrócić uwagę, że daleko od otworów spowolnienie czasu nie jest istotne. Zegary pracują zgodnie. Teraz umieszczamy nasze urządzenie w silnym polu grawitacyjnym, na przykład na powierzchni gwiazdy neutronowej. Otwór B znajduje się przy powierzchni gwiazdy, a A - kilka kilometrów dalej. Obecnie zegary nie pracują już w równym tempie. Zegar B znajduje się w silniejszym polu grawitacyjnym, a zatem pokazuje większe spowolnienie czasu niż A. Istotne jest, że względne opóźnienie zegara Sjest proporcjonalne do odległości między zegarami. Jak dotychczas wszystko jest jasne: sytuacja przypomina rysunek umieszczony na początku rozdziału „Czas, przestrzeń i

grawitacja". Teraz zbliżamy się do kluczowego kroku. Spójrzmy przez tunel od strony zegara A do B i spróbujmy porównać ich wskazania. Czytelnik może zapytać: po co? Czyż nie zrobiliśmy już tego i nie wiemy, że zegar B chodzi wolniej? Proszę jednak pamiętać, że teorię Einsteina nazywamy teorią względności właśnie dlatego, że wynika z niej, iż czas jest względny. Szybkość upływu czasu zależy od sytuacji, a tym razem mamy do czynienia z bardzo szczególnymi warunkami. Patrzymy przez krótki (parometrowy) tunel, który łączy miejsca położone w dużej odległości w przestrzeni. Co widzimy? Jak wiadomo, opóźnienie zegara B względem A zależy od odległości między nimi.

Jednak odległość ta, mierzona przez tunel, jest bardzo mała! Zegary są właściwie obok siebie. Wobec tego, z punktu widzenia obserwatora przechodzącego przez tunel, opóźnienie zegara B względem A jest nieistotne. Co to oznacza? Gdy patrzymy z zewnątrz, zegar B chodzi wolniej niż A; gdy patrzymy z tunelu, zegary pracują z taką samą szybkością. Jak zatem jest naprawdę? Wszyscy z pewnością już wiedzą: obie odpowiedzi są poprawne. Mamy tu do czynienia z typową relatywistyczną sytuacją, w której nie istnieje „absolutne tempo upływu czasu". Wszystko zależy od okoliczności. Oba wnioski są równie uzasadnione. Po umieszczeniu tunelu w pobliżu gwiazdy neutronowej czekamy dostatecznie długo, aby powstała wystarczająco duża różnica czasu między wskazaniami zegarów A i B (z punktu widzenia obserwatora zewnętrznego). Przyjmijmy, że różnica ta wzrosła do dwóch godzin (w zasadzie może być dowolnie duża). Podkreślam raz jeszcze, że jeśli obserwujemy zegary z tunelu, zawsze widzimy tę samą różnicę czasu, jeśli natomiast obserwujemy je z zewnątrz, zegar B późni się w stosunku do zegara A. Teraz odholowujemy oba otwory (razem z zegarami) daleko od gwiazdy neutronowej i jej pola grawitacyjnego, po czym „parkujemy" w jakimś pustym miejscu Wszechświata. Dla wygody możemy przyjąć, że odległość między otworami jest niewielka, wynosi, powiedzmy, sto metrów. Zakładamy, że ich średnica jest rzędu kilku metrów. Długość tunelu przez cały czas pozostaje taka sama. Teraz, daleko od źródła silnego pola grawitacyjnego, oba zegary znów tykają z taką samą szybkością, ale zegar B pozostał o dwie godziny w tyle, ponieważ był bliżej gwiazdy neutronowej . Gdy na przykład obserwator zewnętrzny patrzy na zegar A i odczytuje godzinę piątą, jednocześnie na zegarze B widzi godzinę trzecią. Jak dotychczas nie ma w tym jeszcze nic dziwnego. Teraz wykażę jednak, że to urządzenie działa jak wehikuł czasu. Obserwator przy wyjściu B patrzy przez tunel na zegar A. Odczytuje oba zegary, B tuż obok i A po drugiej stronie tunelu.

Wiemy, że gdy obserwator spogląda przez tunel, oba zegary pokazują ten sam czas co zegar B, to znaczy godzinę trzecią. Teraz obserwator patrzy na A przez zwykłą przestrzeń i natychmiast stwierdza, że pokazuje on godzinę piątą. Wobec tego, gdy prowadzi obserwacje przez tunel, widzi przeszłość zegara A i otaczającego go świata. Obserwator może przejść przez tunel i trafić do świata młodszego o dwie godziny niż ten, który otacza B. Tak właśnie działa wehikuł czasu. Aby wybrać się w bardziej odległą przeszłość, trzeba zbudować potężniejszy wehikuł czasu lub przejść przez tunel z B do A parę razy. Wehikuł ten nie pozwala jednak podróżnikowi odwiedzić przeszłości wcześniejszej niż czas, kiedy urządzenie to zostało skonstruowane. Jeśli wehikuł czasu kiedykolwiek zostanie zbudowany, nie będą możliwe podróże do epoki kamienia łupanego, ponieważ nie ulega wątpliwości, że w tym czasie urządzenie to jeszcze nie istniało. Jeśli obserwator przejdzie przez tunel od A do B, znajdzie się w przyszłości, dwie godziny później. Taką wersję wehikułu czasu proponuje współczesna fizyka. Należy w tym miejscu poczynić jedno

zastrzeżenie. Ów wehikuł czasu miałby geometryczne rozmiary, które raczej wykluczyłyby zastosowanie go przez ludzkie istoty. Krzywizna przestrzeni (i czasu!) byłaby tak duża, że ogromne siły przypływowe rozerwałyby ludzkie ciało. Aby tunel mogli wykorzystać ludzie, wehikuł czasu musiałby zapewne być znacznie większy. Nie będę jednak wdawał się tu w szczegóły konstrukcyjne, gdyż chodzi nam tylko o samą zasadę działania takiego urządzenia. Jeśli skonstruowanie wehikułu czasu jest możliwe, to jest to zadanie dla bardzo rozwiniętej cywilizacji. Mam nadzieję, że ludzkość osiągnie kiedyś odpowiedni poziom. Jest jeszcze jeden problem, którego nie chciałbym tu pomijać. Od chwili pojawienia się koncepcji wehikułu czasu wielu fizyków zdecydowanie występuje przeciw niej, a są wśród nich również bardzo znani uczeni. Dlaczego? O ile mogę stwierdzić na podstawie obserwacji i dyskusji, chodzi im o to, że podróż w przeszłość oznacza możliwość zmieniania przeszłości, co oznacza odrzucenie zasady przyczynowości, stanowiącej podstawę nauki. Nie zgadzam się z tym; wrócę do tego zagadnienia w następnym rozdziale. \ Liczni fizycy, którzy początkowo zareagowali bardzo emocjonalnie, później chłodno przeanalizowali problem. Ze wstępnych obliczeń wynika, że należałoby oczekiwać w próżni bardzo gwałtownych efektów kwantowych, które zniszczyłyby wehikuł czasu. Nie sądzę, by te rachunki rzeczywiście czegoś dowodziły, ponieważ nie dysponujemy jeszcze spójną teorią tych procesów i nie potrafimy nawet przewidzieć, kiedy zachodzą. Dopiero przyszłość pokaże, który z polemistów miał rację. Myślę natomiast, że obie strony zgodne są co do tego, iż analiza możliwości i nowych zasad fizycznych, które będą obowiązywać, jeśli pewnego dnia uda się skonstruować wehikuł czasu, jest bardzo ważna dla zrozumienia, czym jest czas.

CZY MOŻNA ZMIENIĆ PRZESZŁOŚĆ? Wcale cię nie nabieram, Phil- nalegalBarney. -Zbudowałem działający wehikuł czasu i zamierzam go użyć, żeby cofnąć się i zabić swojego dziadka. F. M. BUNDY, A Guń for Gmndfather

Motto otwierające ten rozdział znalazłem w książce Paula Nahina Time Machines, wydanej w 1993 roku. Z książki tej pochodzi też jeszcze jeden cytat, który zaskoczył mnie precyzją analizy: Podróż w czasie jest tak niebezpieczna, że w porównaniu z nią bomby wodorowe to bezpieczne zabawki dla dzieci i idiotów. Co najgorszego może się stać z powodu broni jądrowej? Może zginąć kilka milionów osób: to banalne. Podróże w czasie mogą spowodować zniszczenie całego Wszechświata, tak przynajmniej głosi teoria. Rzeczywiście, jeśli mamy szansę odwiedzić przeszłość, to wydaje się, że zmieniając ją możemy zmienić los wielu jednostek, dzieje ludzkości lub nawet ewolucję całego Wszechświata. Czy to prawda? Argument, który cieszy się szczególną popularnością w takich debatach, to tak zwany paradoks dziadka. Rozumowanie wygląda mniej więcej tak: gdybym mógł cofnąć się w przeszłość do czasów, kiedy mój dziadek był młody, mógłbym go zabić i tym samym uniemożliwić własne narodziny. W innej wersji: wracam do własnej przeszłości, spotykam siebie w młodości i zabijam swoją młodszą

wersję.

W obu przypadkach zabójstwo prowadzi do zupełnego nonsensu. Czy z tego wynika, że takie zdarzenie jest niemożliwe? Ale dlaczego? Jestem obdarzony wolną wolą, nieprawdaż? Wobec tego realizuję tę wolną wolę, przynajmniej teoretycznie. Autorzy powieści fantastycznonaukowych przeanalizowali wszystkie możliwe warianty takiego scenariusza. Czytelnicy, którzy lubią fantazje literackie (czasami rzeczywiście bardzo wciągające), mogą zajrzeć do wspomnianej książki Paula J. Nahina, zawierającej ogromną bibliografię. Tutaj jednak wrócimy do fizyki. Czy paradoks dziadka i podobne paradoksy stanowią dowód, że podróż w czasie jest niemożliwa? W istocie, wydaje się logicz-

ne, że jeśli cofamy się w czasie i eliminujemy jedną z przyczyn zjawiska, które już nastąpiło, to gwałcimy zasadę przyczynowo-ści, mającą podstawowe znaczenie dla całej nauki. Czy tak jest naprawdę? Wątpię w to i podejrzewam, że podany argument jest błędny. Co ma do powiedzenia fizyka na temat prawdopodobnych konsekwencji spotkania siebie (lub dziadka) w przeszłości? Oczywiście, fizycy (w każdym razie obecnie) nie są w stanie przewidzieć zachowań człowieka. To dziedzina psychologii i socjologii, a nie fizyki. Fizyk może natomiast w ścisły sposób obliczyć, co dzieje się z prostym układem fizycznym, który został przeniesiony za pomocą wehikułu czasu. Weźmy taki prosty układ i zobaczmy, jak można rozwiązać paradoks dziadka. Nim rozpoczniemy tę ekscytującą podróż, chciałbym zwrócić uwagę na całkowicie nowy czynnik, który się tu pojawia. Jeśli pętle czasowe istnieją, to zdarzeń wokół pętli nie można podzielić na przeszłość i przyszłość. Aby to wyjaśnić, rozważmy następujący przykład. Proszę sobie wyobrazić, że włączam się do długiego szeregu ludzi poruszających się wzdłuż linii prostej. Z pewnością mogę powiedzieć, kto z nich jest przede mną, a kto za mną. Jeśli jednak idący ludzie tworzą koło, to mogę tylko powiedzieć, kto jest przede mną, a kto za mną w moim bezpośrednim otoczeniu, ale nie o wszystkich ludziach w szeregu. Gdy zastanawiam się nad ludźmi idącymi coraz dalej przede mną, ostatecznie zataczam pełne koło i dochodzę do siebie od tyłu. Dlatego ludzi idących w koło nie można podzielić na tych przede mną i tych za mną. To samo dotyczy pętli czasowych. Możemy powiedzieć, które ze zdarzeń z naszego otoczenia należą do przeszłości, a które do przyszłości, ale takiego podziału nie można zastosować do całej pętli. Pętla nie ma jednoznacznie określonej przeszłości i przyszłości - wszystkie zdarzenia wpływają na pozostałe. Mówiąc krótko i metaforycznie, teraz znajdujemy się pod podwójnym wpływem: bez pętli czasowych wpływają na nas tylko zdarzenia z przeszłości (ale nie z przyszłości - na tym polega zasada przyczynowości), a gdy pętle istnieją, informacje dochodzą do nas i z przeszłości, i z przyszłości.

Wobec tego, jeśli możliwe jest działanie wehikułu czasu, to dzisiejsze zdarzenia muszą być zgodne, to znaczy określone zarówno przez przeszłość, jak i przez przyszłość. Sformułowałem tę zasadę wewnętrznej spójności już wiele lat temu i obecnie przyjmują ją wszyscy, którzy zajmują się wehikułami czasu. Ostatnio razem z kolegami dowiedliśmy, że zasada ta wynika z podstawowych praw fizyki. Wróćmy do modelowania paradoksu dziadka. Rozważmy następujący prosty przykład: ruch kuli bilardowej, przy założeniu, że nie istnieje żaden wehikuł czasu. Uderzając kulę kijem możemy z łatwością skierować ją do wybranej luzy A (patrz rys. 15.2a). Teraz

weźmy drugą, identyczną kulę i wprawmy ją w ruch, tak aby zderzyła się z poprzednią w punkcie C (rys. 15.2b). To zazwyczaj nie jest trudne nawet dla niezbyt wprawnego gracza. Teraz pierwsza kula zmienia kierunek i nie wpada do łuzy A. Można powiedzieć, że los pierwszej kuli uległ dramatycznej zmianie z powodu zderzenia z drugą. Pozostała ona w grze, zamiast wpaść do łuzy A. Teraz powtórzmy to doświadczenie, korzystając z wehikułu czasu. W przeciwieństwie do poprzedniego eksperymentu, obecnie używamy tylko jednej kuli. Oprócz tego przeprowadzimy go nie na stole bilardowym, lecz w przestrzeni kosmicznej, daleko od pola grawitacyjnego Ziemi.

Przyjmijmy, że mamy wehikuł czasu z dwoma otworami A i B (rys. 15.3). Jeśli kulka wpada przez otwór B i przechodzi przez krótki tunel, to wyłania się z otworu A w przeszłości, nim weszła do otworu B. Załóżmy teraz, że wehikuł czasu nie jest zbyt potężny i przesyła kulę w przeszłość, cofając ją tylko o 20 sekund. Zaczynamy nasz eksperyment. Posyłamy bilę uderzeniem kija z pewnej odległości do otworu B. Wiemy, że po wpadnięciu do otworu B bila pojawia się w otworze A w przeszłości, 20 sekund przed wpadnięciem do otworu B. Mamy zatem następującą sytuację. Bila porusza się ku B, ale nim wpadnie do otworu, jej „starsza wersja" wyłania się z A z przyszłości i porusza na zewnątrz wehikułu czasu (rys. 15.4a). Można obliczyć siłę i kierunek uderzenia kijem, tak aby obie wersje bili, młodsza (bila przed wpadnięciem do B) i starsza (bila nadlatująca z przyszłości z otworu A), dotarły równocześnie do punktu C i tam się zderzyły. Proces ten przypomina normalny przebieg zdarzeń na bilardowym stole. W wyniku zderzenia młodsza wersja bili gwałtownie zmienia kierunek i nie trafia do otworu B. - Nonsens - powiedziałby każdy. - Jeśli bila nie wpadnie do B, to jej „starsza wersja" nigdy nie pojawi się w otworze A! To oznacza, że zderzenie nie nastąpi i bila wpadnie do otworu B i wyłoni się przez otwór A. W ten sposób dojdzie do zderzenia... Mamy do czynienia z paradoksem! W rzeczywistości w tym rozumowaniu popełniliśmy elementarny błąd logiczny. Gdy początkowo śledziliśmy trajektorię młodszej bili w kierunku otworu B, najpierw pominęliśmy efekt zderzenia. Dopiero po upewnieniu się, że dojdzie do zderzenia, powiedzieliśmy: „Teraz weźmiemy pod uwagę zderzenie i zobaczymy, jak zmieni się trajektoria". To rozumowanie jest błędne. Skutki zderzenia należy wziąć pod uwagę od samego początku. Bila porusza się tylko raz i nie możemy traktować jej

ruchu raz tak, jakby zderzenia nie było, a raz tak, jakby do niego doszło. To oznacza, że wpływ przyszłości (czyli starszej bili, nadlatującej z przyszłości) na przebieg procesu należy uwzględnić od samego początku. Co stanie się, jeśli od razu uwzględnimy w rozważaniach wpływ zderzenia z bilą z przyszłości (starszą) na ruch młodszej bili obecnie? Wyobraźmy sobie, że zderzenie nie było zbyt silne - bile tylko się musnęły. Czytelnik może być zdziwiony: „Czyż nie możemy wybrać pędu i kierunku młodszej bili zbliżającej się do B w taki sposób, aby zderzenie było gwałtowne, a nie takie delikatne?" Za chwilę zapoznamy się również z takim przypadkiem. Najpierw musimy przeanalizować, co się dzieje, jeśli bile się tylko muskają. Trajektoria młodszej bili ulegnie wtedy minimalnej zmianie (rys. 15.4b). Bila wpada do B, wyłania się z A w przeszłości i następnie porusza po trajektorii nieco innej niż ta, którą obliczyliśmy pomijając zderzenie. Starsza bila, poruszając się po takiej zmodyfikowanej trajektorii, zderza się z młodszą bardzo delikatnie (tak jakby zmiany zostały zignorowane). W tym tkwi sedno sprawy! Jeśli weźmiemy pod uwagę zmiany trajektorii w wyniku zderzenia,

automatycznie prowadzi to do lekkiego zderzenia między bilami! Proste rachunki matematyczne dowodzą, że jeśli wybierzemy kierunek i siłę początkowego uderzenia w taki sposób, że z założenia zderzenie powinno być gwałtowne, co prowadzi do paradoksu (czyli jeśli zignorujemy konsekwencje zderzenia, planując uderzenie), to w rzeczywistości dojdzie do lekkiego muśnięcia. Czy można doprowadzić do gwałtownego zderzenia między młodszą i starszą wersją bili, odpowiednio wybierając warunki początkowe? Tak, jest to możliwe. W tym celu musimy skierować bilę tak, aby toczyła się daleko od otworu B. Wtedy bez wehikułu czasu bila w ogóle nie wpadłaby do otworu B. Dzięki wehikułowi starsza bila wyłania się z otworu A, zderza z młodszą bilą, co powoduje, że ta wpada do otworu i wyłania się z A w przyszłości. Proszę zwrócić uwagę, że to wszystko dzieje się zupełnie automatycznie! Nie trzeba w tym celu szczególnie

dobierać warunków początkowych, mogą one być zupełnie dowolne. Nie będę tutaj szczegółowo omawiał innych fascynujących aspektów tego problemu. Jak łatwo dostrzec, nawet w przypadku prostego mechanicznego ruchu jednej (!) bili przebieg procesu z wehikułem czasu różni się dramatycznie od podobnego procesu w normalnej sytuacji. Ważne jest natomiast to, że prawa fizyki automatycznie gwarantują, iż nie dochodzi do żadnych paradoksów. - Bardzo dobrze - mógłby ktoś powiedzieć. - W przeanalizowanym tutaj przykładzie być może rzeczywiście udało się wyeliminować paradoks. Rozważmy jednak nieco bardziej złożony eksperyment. Przypuśćmy, że bila leci w przestrzeni, a nie toczy się po stole, i zainstalujmy w jej przedniej części działko sterowane radarem i komputerem. Działko strzela, gdy radar wykryje bilę w niewielkiej odległości przed uzbrojoną bilą (powiedzmy, w odległości mniejszej od jednego metra). Teraz mamy sytuację bardzo podobną do paradoksu dziadka. Gdy bila wyłaniająca się z przyszłości zbliży się do punktu zderzenia C, działko na starszej bili strzela i rozwala młodszą na kawałki. Teraz nie jest już możliwe lekkie zderzenie i paradoks wydaje się nieuchronny. Proszę o cierpliwość. Za chwilę się przekonamy, że również w takiej sytuacji nie dochodzi do paradoksu. Oto jedna z możliwych wersji przebiegu zdarzeń. Młodsza bila z działkiem z przodu porusza się w stronę otworu B. Starsza bila z działkiem wyłania się z otworu A i porusza się w stronę miejsca spotkania C. Jednak starsza bila obraca się (poniżej wyjaśnię, dlaczego). Gdy dwie bile docierają do punktu zderzenia, radar i działko starszej bili są skierowane w bok, wobec tego radar nie wykrywa młodszej bili i dochodzi do lekkiego zderzenia, które powoduje zmianę trajektorii młodszej bili i wprawiają w ruch obrotowy. Właśnie dlatego bila wyłaniająca się z otworu A się obracała. Obrót przeciwdziała katastrofie i eliminuje paradoks. Ten przykład stanowi dość wierną symulację paradoksu dziadka, choć w bardzo uproszczonej, mechanicznej postaci.

- Dobrze, ale ja wciąż uważam, że w pewnych okolicznościach paradoks jest nieuchronny - mógłby się ktoś uprzeć. -Spróbujmy czegoś radykalnego. Możemy na przykład włożyć do środka bili bombę, która wybucha, gdy tylko bila zetknie się z dowolnym przedmiotem. Wydaje się oczywiste, że wybuch zniszczy bilę niezależnie od tego, jak lekkie będzie zderzenie. Paradoks jest nieuchronny. Co można na to odpowiedzieć? Rzeczywiście, nie da się uniknąć katastrofy, ale nie prowadzi ona bynajmniej do paradoksu. Młodsza bila z bombą zbliża się do otworu B. W pewnej chwili z otworu A wylatuje... nie, nie cała bila, ale odłamek, który powstał w czasie wybuchu. Za chwilę się wyjaśni, skąd pochodzi ten odłamek. Odłamek leci przez przestrzeń i uderza w młodszą bilę, powodując wybuch. Bila eksploduje, a odłamki rozlatują się na wszystkie strony. Zniszczeniu ulega również odłamek, który spowodował wybuch. Co najmniej jeden odłamek wpada do otworu B, przelatuje przez tunel i wyłania się z A. Ten fragment spowodował wybuch.

Ów przykład jasno dowodzi, że przyszłość może określać teraźniejszość, a istnienie wehikułu czasu powoduje syntezę przeszłości, teraźniejszości i przyszłości. Odłamek, który powstał w czasie wybuchu, wkracza do przeszłości i staje się przyczyną wybuchu! Zatrzymajmy się w tym miejscu. Można wymyślić wiele różnych problemów, prowadzących do jeszcze bardziej paradoksalnych wyników niż te, które tu prześledziliśmy. Przebiegu niektórych procesów nie da się obliczyć, ponieważ są zbyt skomplikowane. Jednakże nie jest znany dowód, że przykłady te prowadzą do sprzeczności. Moim zdaniem, taki dowód nie istnieje. Istnienie wehikułu czasu radykalnie wpływa na przebieg wielu procesów i prowadzi do zupełnie nieoczekiwanych konsekwencji. Nie będę ich tu analizował. Fizycy dopiero od niedawna zajmują się tymi problemami. Podsumujmy, co zostało powiedziane. Gdy wehikuł czasu stanie się rzeczywistością, przyszłość będzie miała wpływ na teraźniejszość. Wpływ ten będzie uwzględniony w przebiegu wszystkich zdarzeń. Gdy jednak jakieś zdarzenie już zajdzie (pod wpływem przyczyn wywodzących się zarówno z przeszłości, jak i przyszłości), nie można już go zmienić. Co się stało, już się nie odstanie. Cóż jednak można powiedzieć o zamordowaniu dziadka? Czy za pomocą wehikułu czasu da się popełnić tę ekstrawagancką zbrodnię? Odpowiedź jest zdecydowana: nie. Jak wyraził to Kip Thorne: [...] coś musi zatrzymać twoją rękę, gdy próbujesz zabić babcię. Co? Jak? Odpowiedź (jeśli istnieje) nie jest bynajmniej oczywista, ponieważ dotyczy wolnej woli ludzkich istot. Zgodność między wolną wolą i prawami fizycznymi jest bardzo zawikłanym zagadnieniem nawet bez wehikułów czasu. Jest oczywiste, że nawet bez wehikułu czasu każde prawo fizyczne ogranicza wolną wolę. Załóżmy, że wolna wola podpowiada mi, bym spróbował chodzić po suficie. To jednak jest za-

kazane. Prawo powszechnego ciążenia ogranicza moją wolną wolę i nic nie mogę na to poradzić. Istnienie wehikułu czasu powoduje powstanie jeszcze innych ograniczeń wolnej woli, nie są one jednak niczym nadzwyczajnym. Chciałbym zakończyć te krótkie rozważania na temat ograniczeń wolnej woli, cytując uwagę Einsteina. Być może zainteresuje ona tych czytelników, którzy mają czas na myślenie o takich problemach: „Schopenhauer kiedyś zauważył: człowiek może robić, co chce, ale nie może swobodnie wybierać, czego chce". Należy podkreślić, że niektórzy fizycy zdecydowanie odrzucają wszelkie prace związane z wehikułem czasu. Tylko przyszłość może rozstrzygnąć, kto ma rację. Jak niegdyś powiedział Szekspir: A naszym ważkim i szczytnym zamiarom Refleksja plącze szyki, zanim któryś Zdąży przerodzić się w czyn.* Jestem optymistą i wierzę, że ta nowa dziedzina badań kryje w sobie ogromne możliwości. Jeśli chodzi o praktyczne zastosowanie nowych koncepcji, omówionych w tym - raczej trudnym rozdziale, chciałbym przypomnieć, że w 1901 roku Wilbur Wright napisał, iż człowiek nauczy się latać za tysiąc lat. W rzeczywistości pierwszy lot braci Wright odbył się w 1903 roku, a dziś potrafimy już dotrzeć do innych planet!

ZAKOŃCZENIE

Mimo ogromnego postępu nauki istota czasu wciąż pozostaje dla nas w znacznej mierze tajemnicą. Choć historia nauki obejmuje już okres paru tysięcy lat, dopiero zaczynamy rozumieć prawdziwy sens czasu. Poznanie wielkiej rzeki czasu było bardzo powolnym procesem. Uczeni starożytnej Grecji definiowali czas jako pojęcie niezależne, uniwersalną właściwość wszystkich rzeczy i zjawisk świata materialnego. Stwierdzili również, że czas nie biegnie cyklicznie, lecz płynie w jednym kierunku, od przeszłości do przyszłości. Prawa fizyki klasycznej, które znalazły pełny wyraz w dziele Newtona, przypisują czasowi rolę biernego trwania, bez początku i końca. Czas płynie zawsze z taka. samą szybkością, niezależnie od tego, co się dzieje w świecie. Niemal sto lat temu rozpoczęła się rewolucja naukowa, która doprowadziła do wielu wspaniałych odkryć. Wiemy dziś, że można wpłynąć na szybkość prądu rzeki czasu. W zasadzie realne są podróże w przyszłość, a nawet wędrówka w górę rzeki, czyli w przeszłość, choć praktycznie oba rodzaje podróży w czasie są obecnie jeszcze niemożliwe. Wiemy, że w pierwszych chwilach po narodzinach Wszechświata czas miał zupełnie inne cechy niż obecnie. Czas istniał

w postaci oddzielnych kwantów. Równie niezwykłe właściwości ma czas wewnątrz czarnych dziur, które zostały już zaobserwowane. Czas w środku czarnej dziury rozpada się na „kropelki". Fizycy stopniowo coraz lepiej rozumieją, dlaczego czas płynie w sposób ciągły i nigdy się nie zatrzymuje. Im głębiej nauka wnika w tajemnice przyrody, tym więcej pojawia się problemów. Nowe zjawiska wydają się mniej przewidywalne i jeszcze trudniejsze do wyjaśnienia. W tej książce spróbowałem opisać tylko jeden, niezwykle fascynujący kierunek tego wiecznego ruchu. Bardzo mnie dziwią opinie wyrażane przez niektórych wybitnych fizyków, zarówno dawnych, jak i współczesnych, którzy uważają, że droga wypełniona odkryciami nowych praw kiedyś się skończy, że kiedyś poznamy wszystkie ważne prawa fizyki. Na przykład Richard Feynman, jeden z twórców elektrodynamiki kwantowej i laureat Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki w 1965 roku, stwierdził:

(...) uważam, że strumień nowych praw kiedyś się wyczerpie, z pewnością szybciej niż, powiedzmy, w ciągu tysiąca lat. Niemożliwe, abyśmy wciąż odkrywali coraz to nowe prawa. Gdyby tak było, nie kończąca się hierarchia poziomów zaczęłaby być nudna (...) Mamy szczęście, że żyjemy w okresie wielkich odkryć. To tak jak z odkryciem Ameryki - można to zrobić tylko raz. Obecnie odkrywamy podstawowe prawa natury i ten okres nigdy się już nie powtórzy. To cudowne, podniecające czasy, ale kiedyś się skończą.*

Podejrzewam, że przyczyną takich nastrojów jest poczucie zbliżającego się końca historycznego okresu wielkich odkryć; z podobną fazą w historii nauki mieliśmy do czynienia po rozkwicie fizyki klasycznej Newtona i Maxwella oraz po stworzeniu elektrodynamiki kwantowej. *

Gdy jednak kończy się pewien okres w rozwoju fizyki, choćby nawet niezwykle owocny, zaczyna się okres nowy. Większość fizyków nie zgadza się z opinią o możliwym końcu nauki. Znany moskiewski fizyk, Mój siej Marków, powiedział, że „przed nami widnieje nowa i w pewnym sensie wspaniała era nauki". Zdecydowanie wierzę, że w tej nowej erze ważną rolę będą odgrywać badania tajemnic czasu i przestrzeni.