Stephen Hawking - Vesmír v orechovej škrupinke

Analógia je neúplná, pretože v nej ide iba o zakrivenie dvojrozmernej časti priestoru (povrch gumenej podložky) a čas zostáva nedotknutý, ako to je v Newtonovej teórii. Avšak podľa teórie relativity, ktorá je v súhlase s množstvom experimentov, čas a priestor sú pevne previazané. Nik nemôže zakriviť priestor bez toho, aby tak neurobil aj s časom. Takto aj čas získava akýsi tvar. Tým, že všeobecná teória relativity zakrivila priestor a čas, zmenila ich z pasívneho pozadia, na ktorom sa odohrávajú udalosti, na aktívneho spoluúčastníka toho, čo sa v nich deje. V rámci Newtonovej teórie, kde čas existuje nezávisle od všetkého ostatného, by sa niekto mohol spýtať: Čo robil Boh predtým, než stvoril vesmír? A ako hovoril svätý Augustín, o tom by sa nemali robiť žarty ako „Boh pripravoval peklo pre tých, ktorí do toho príliš strkajú nos.“ Je to vážna otázka, nad ktorou ľudia dumajú už veky. Podľa svätého Augustína Boh predtým, než stvoril nebesá a Zem, nerobil vôbec nič, čo sa skutočne veľmi blíži súčasným názorom.

(OBR. 2.4) ANALÓGIA S GUMENOU PODLOŽKOU

Veľká guľa v strede predstavuje veľmi hmotný objekt, akým je hviezda.

Guľa svojou hmotnosťou podložku zakrivuje. Guľôčky z ložiska valiace sa po podložke sú touto krivosťou zo svojich dráh odklonené a pohybujú sa okolo veľkej gule tým istým spôsobom, ako obiehajú planéty okolo svojej hviezdy v jej gravitačnom poli.

Na druhej strane, vo všeobecnej relativite neexistuje čas a priestor nezávisle od vesmíru alebo jeden od druhého. Sú to veličiny definované meraniami vo vesmíre, ako je počet kmitov kryštálu kremeňa v hodinách alebo dĺžka pravítka. Je celkom predstaviteľné, že čas definovaný takýmto spôsobom by mohol mať vo vesmíre minimálnu a maximálnu hodnotu — inými slovami, že vesmír má počiatok a koniec. Bolo by nezmyslom pýtať sa, čo sa dialo pred počiatkom alebo čo sa bude diať po konci, pretože také časy by vôbec neboli definované.

Bezpochyby bolo dôležité rozhodnúť, či matematický model všeobecnej relativity predpovedá, že by vesmír i samotný čas mal mať počiatok alebo koniec. Medzi teoretickými fyzikmi, vrátane Einsteina, panoval rozšírený predsudok, že čas by mal byť nekonečný v oboch smeroch. Inak by sa objavili veľmi nepríjemné otázky o stvorení vesmíru, ktoré sa zdajú byť mimo sféry vedy. Boli známe riešenia Einsteinových rovníc, v ktorých mal čas začiatok a koniec, ale všetky tieto riešenia boli veľmi špecifické s veľkou

Pozorovateľ, dívajúci sa v čase späť —–

Galaxie, ktoré sa objavili nedávno —–––

Galaxie, ktoré sa objavili pred 5 —––—-

miliardami rokov

Žiarenie kozmického pozadia —––—–-

(OBR. 2.5) NÁŠ MINULÝ SVETELNÝ KUŽEĽ

Keď sa dívame na vzdialené galaxie vidíme vesmír v skorších obdobiach pretože svetlo sa od nich šíri konečnou rýchlosťou. Ak znázorníme čas vo vertikálnom smere a dve z troch pnestorových súradníc v horizontálnom smere, svetlo, ktoré sa k nám dostáva teraz do bodu na vrchole putovalo k nám po kuželi

mierou symetrie. Predpokladalo sa, že v reálnom objekte kolabujúcom pod ťarchou vlastnej gravitácie by tlak alebo prítomnosť priečnych rýchlostí mohli zabrániť, aby sa všetka hmota spolu zrútila do toho istého bodu, kde by hustota látky bola nekonečná. Podobne, ak by niekto spätne sledoval expanziu vesmíru v čase, zistil by, že nie všetka hmota vesmíru sa vynorí z bodu s nekonečnou hustotou. Takýto bod bol nazvaný singularita, a bol by začiatkom alebo koncom času.

V roku 1963 dvaja ruskí vedci, Jevgenij Lifšic a Isaak Chalatnikov, zverejnili dôkaz, že všetky riešenia Einsteinových rovníc so singularitami majú zvláštne rozdelenie hmoty a rýchlostí. Pravdepodobnosť, že by riešenie reprezentujúce náš vesmír malo toto špeciálne usporiadanie, bola podľa nich prakticky nulová. Takmer všetky riešenia, ktoré môžu predstavovať vesmír, by sa mohli vyhnúť singularite s nekonečnou hustotou: pred érou, počas ktorej sa vesmír rozpína, musela existovať predchádzajúca fáza kontrakcie, keď sa síce galaxie a všetka hmota dostali veľmi blízko k sebe, ale vyhli sa vzájomnej zrážke a opäť sa začali vzďaľovať, ako to pozorujeme v súčasnej fáze expanzie. Ak to bolo tak, čas mohol večne plynúť z nekonečnej minulosti do nekonečnej budúcnosti.

Argumenty Lifšica a Chalatnikova nepresvedčili každého. S Rogerom Penrosom sme použili iný prístup, založený nie na podrobnom štúdiu riešení, ale na globálnej štruktúre priestoročasu. Podľa všeobecnej teórie relativity nie je priestoročas zakrivený iba veľmi hmotnými objektmi v ňom, ale aj energiou, ktorú obsahuje. Energia je vždy kladná, a preto má priestoročas takú krivosť, že dráhy svetelných lúčov sa ohýbajú smerom k sebe.

Pozrime sa teraz na náš minulý svetelný kužeľ (obr. 2.5), tvorený dráhami svetelných lúčov zo vzdialených galaxií, ktoré sa k nám priestoročasom dostali teraz. V grafickom zobrazení, kde časová dimenzia smeruje nahor a priestorové dimenzie do strán, je to kužeľ, ktorého vrchol alebo špic sa nachádza priamo u nás. Keď postupujeme do minulosti, teda po kuželi od jeho vrcholu smerom nadol, vidíme galaxie z čoraz skoršieho obdobia. Pretože sa vesmír rozpínal a všetko bolo predtým omnoho tesnejšie pri sebe, keď sa pozeráme ďalej do minulosti, pozeráme sa naspäť cez oblasti s vyššou hustotou hmoty. Pozorujeme slabučké pozadie mikrovlnového žiarenia, ktoré sa k nám šíri pozdĺž nášho minulého svetelného kužeľa z najranejších čias, keď bol vesmír omnoho hustejší a horúcejší ako dnes. Naladením prijímačov na rôzne frekvencie mikrovĺn môžeme merať spektrum (rozdelenie intenzity podľa jednotlivých frekvencií) tohto žiarenia. Nachádzame spektrum, ktoré charakterizuje žiarenie telesa s teplotou 2,7 stupňa nad absolútnou nulou. Toto mikrovlnové žiarenie nie je veľmi vhodné na rozmrazenie zmrazenej pizze, ale skutočnosť, že toto spektrum tak presne súhlasí so spektrom žiarenia telesa s teplotou 2,7 stupňa nám hovorí, že musí prichádzať z oblastí, ktoré sú pre mikrovlny nepriepustné (obr. 2.6).

Takto môžeme dôjsť k záveru, že ak sa dívame do minulosti, nás svetelný kužeľ musí prechádzať cez určité množstvo látky. Toto množstvo látky stačí zakriviť priestoročas, preto sa svetelné lúče v našom minulom svetelnom kuželi ohýbajú navzájom k sebe (obr. 2.7).

(OBR. 2.6)

MERANIE SPEKTRA MI-KROVLNOVÉHO POZADIA

Spektrum — rozdelenie intenzity podľa frekvencie — mikrovlnového žiarenia ko-zmického pozadia má charakter žiarenia horúceho telesa. Aby bolo žiarenie v tepelnej rovnováhe, musí ho hmota mnohokrát rozptýliť. To naznačuje, že v našom minulom svetelnom kuželi bolo dostatočné množstvo hmoty, ktoré spôsobilo jeho zakrivenie.

Keď pôjdeme v čase späť, prierezy nášho minulého svetelného kužeľa dosiahnu maximálnu veľkosť, a potom sa opäť začnú zmenšovať. Naša minulosť má tvar hrušky (obr. 2.8).