Stručná história času

Zhrnutie

V tejto knihe Hawking hovorí o mnohých teóriách vo fyzike. Niektoré z nich sa týkajú histórie fyziky, gravitácie, pohybu svetla vo vesmíre, časopriestoru, elementárnych častíc (veľmi malé objekty, z ktorých sa skladajú veci vo vesmíre), čiernych dier, veľkého tresku (teória, že vesmír vznikol z jedného bodu) a cestovania v čase (myšlienka, že sa dá cestovať do minulosti a budúcnosti).

V prvej časti knihy Hawking hovorí o histórii fyziky. Hovorí o myšlienkach filozofov, ako boli Aristoteles a Ptolemaios. Aristoteles si na rozdiel od mnohých iných ľudí svojej doby myslel, že Zem je guľatá. Taktiež si myslel, že Slnko a hviezdy obiehajú okolo Zeme. Ptolemaios tiež uvažoval o tom, ako sa Slnko a hviezdy nachádzajú vo vesmíre. Vytvoril model planét, ktorý opisoval Aristotelovo myslenie. Dnes je známe, že opak je pravdou; Zem obieha okolo Slnka. Aristotelove/Ptolemaiove predstavy o polohe hviezd a Slnka boli vyvrátené v roku 1609. Osobou, ktorá ako prvá prišla na myšlienku o tom, že Zem obieha okolo Slnka, bol Mikuláš Koperník. Galileo Galilei a Johannes Kepler, ďalší dvaja vedci, pomohli dokázať, že Kopernikova myšlienka bola správna. Pozorovali, ako sa na oblohe pohybujú mesiace niektorých planét, a pomocou toho dokázali, že Koperník mal pravdu. Aj Isaac Newton napísal knihu o gravitácii, ktorá pomohla dokázať správnosť Kopernikovej myšlienky.

Priestor a čas

Hawking opisuje pohyb planét okolo Slnka a fungovanie gravitácie medzi planétami a Slnkom. Hovorí tiež o myšlienkach absolútneho pokoja a absolútnej polohy. Tieto myšlienky sa týkajú myšlienky, že udalosti zostávajú na svojom mieste počas určitého časového obdobia. Na základe Newtonových gravitačných zákonov sa zistilo, že to nie je pravda. Myšlienka absolútneho pokoja nefungovala, keď sa objekty pohybovali veľmi rýchlo (rýchlosťou svetla alebo rýchlosťou svetla).

Rýchlosť svetla prvýkrát zmeral v roku 1676 dánsky astronóm Ole Christensen Roemer. Zistil, že rýchlosť svetla je veľmi vysoká, ale konečná. Vedci však narazili na problém, keď sa pokúsili tvrdiť, že svetlo sa vždy pohybuje rovnakou rýchlosťou. Vedci vytvorili novú myšlienku nazvanú éter, ktorou sa snažili vysvetliť rýchlosť svetla.

Albert Einstein povedal, že myšlienka éteru nie je potrebná, ak sa upustí od inej myšlienky, od myšlienky absolútneho času (alebo času, ktorý je vždy rovnaký). Einsteinova myšlienka bola rovnaká ako myšlienka Henryho Poincareho. Einsteinova myšlienka sa nazýva teória relativity.

Hawking hovorí aj o svetle. Hovorí, že udalosti možno opísať pomocou svetelných kužeľov. Vrchol svetelného kužeľa hovorí o tom, kam sa svetlo z udalosti dostane. Spodná časť hovorí o tom, kde sa svetlo nachádzalo v minulosti. Stred svetelného kužeľa je udalosť. Okrem svetelných kužeľov hovorí Hawking aj o tom, ako sa svetlo môže ohýbať. Keď svetlo prechádza okolo veľkej hmoty, napríklad hviezdy, mierne zmení smer smerom k hmote.

Po rozhovore o svetle Hawking hovorí o čase v Einsteinovej teórii relativity. Jednou z predpovedí Einsteinovej teórie je, že čas plynie pomalšie, keď sa niečo nachádza v blízkosti obrovských hmotností. Keď sa však niečo nachádza ďalej od hmoty, čas plynie rýchlejšie. Hawking na opísanie svojej myšlienky použil predstavu dvoch dvojčiat žijúcich na rôznych miestach. Ak by jedno z dvojčiat odišlo žiť na horu a druhé dvojča by odišlo žiť k moru, dvojča, ktoré odišlo žiť na horu, by bolo o niečo staršie ako dvojča, ktoré odišlo žiť k moru.

Rozširujúci sa vesmír

Hawking hovorí o rozpínajúcom sa vesmíre. Vesmír sa časom zväčšuje. Jednou z vecí, ktoré používa na vysvetlenie svojej myšlienky, je Dopplerov posun. Dopplerov posun nastáva, keď sa niečo pohybuje smerom k inému objektu alebo od neho. Pri Dopplerovom posune dochádza k dvom typom javov - červenému a modrému posuvu. Červený posun nastáva, keď sa niečo od nás vzďaľuje. Je to spôsobené tým, že vlnová dĺžka viditeľného svetla, ktoré k nám prichádza, sa zväčšuje a frekvencia sa zmenšuje, čo posúva viditeľné svetlo smerom k červenému/infračervenému koncu elektromagnetického spektra. Červený posun súvisí s presvedčením, že vesmír sa rozpína, pretože vlnová dĺžka svetla sa zväčšuje, takmer akoby sa naťahovala, keď sa od nás vzďaľujú planéty a galaxie, čo má podobnosť s Dopplerovým efektom, ktorý sa týka zvukových vĺn. Modrý posun nastáva, keď sa niečo pohybuje smerom k nám, čo je opačný proces ako červený posun, pri ktorom sa vlnová dĺžka zmenšuje a frekvencia zväčšuje, čím sa svetlo posúva k modrej časti spektra. Vedec Edwin Hubble zistil, že mnohé hviezdy majú červený posun a vzďaľujú sa od nás. Hawking používa Dopplerov posun na vysvetlenie toho, že vesmír sa zväčšuje. Predpokladá sa, že k počiatku vesmíru došlo v dôsledku niečoho, čo sa nazýva veľký tresk. Veľký tresk bol veľmi veľký výbuch, ktorý vytvoril vesmír.

Princíp neistoty

Princíp neurčitosti hovorí, že rýchlosť a polohu častice nemožno zistiť súčasne. Aby vedci zistili, kde sa častica nachádza, posvietia na ňu svetlom. Ak sa použije svetlo s vysokou frekvenciou, dokáže presnejšie zistiť polohu, ale rýchlosť častice nebude známa (pretože svetlo zmení rýchlosť častice). Ak sa použije svetlo s nižšou frekvenciou, svetlo môže zistiť rýchlosť presnejšie, ale poloha častice bude neznáma. Princíp neurčitosti vyvrátil myšlienku teórie, ktorá by bola deterministická, alebo niečoho, čo by predpovedalo všetko v budúcnosti.

V tejto kapitole sa tiež viac hovorí o tom, ako sa správa svetlo. Niektoré teórie tvrdia, že svetlo sa správa ako častice, hoci v skutočnosti je tvorené vlnami; jednou z teórií, ktorá to tvrdí, je Planckova kvantová hypotéza. Iná teória tiež hovorí, že svetelné vlny sa tiež správajú ako častice; teória, ktorá to hovorí, je Heisenbergov princíp neurčitosti.

Svetelné vlny majú hrebene a dná. Najvyšší bod vlny je hrebeň a najnižšia časť vlny je koryto. Niekedy môže do seba zasahovať viacero týchto vĺn - hrebeň a koryto sa zoradia. Tomuto javu sa hovorí svetelná interferencia. Keď svetelné vlny navzájom interferujú, môže to vytvoriť mnoho farieb. Príkladom sú farby v mydlových bublinách.

Elementárne častice a prírodné sily

Kvarky sú veľmi malé veci, ktoré tvoria všetko, čo vidíme (hmotu). Existuje šesť rôznych "chutí" kvarkov: up kvark, down kvark, strange kvark, charmed kvark, bottom kvark a top kvark. Kvarky majú aj tri "farby": červenú, zelenú a modrú. Existujú aj antikvarky, ktoré sú opakom bežných kvarkov. Celkovo existuje 18 rôznych typov regulárnych kvarkov a 18 rôznych typov antikvarkov. Kvarky sú známe ako "stavebné kamene hmoty", pretože sú to najmenšie, z čoho sa skladá všetka hmota vo vesmíre.

Všetky elementárne častice (napríklad kvarky) majú tzv. spin. Spin častice nám ukazuje, ako častica vyzerá z rôznych smerov. Napríklad častica so spinom 0 vyzerá z každého smeru rovnako. Častica so spinom 1 vyzerá z každého smeru inak, pokiaľ nie je úplne roztočená (360 stupňov). Hawkingovým príkladom častice so spinom 1 je šípka. Častica so spinom 2 sa musí otočiť o polovicu (alebo o 180 stupňov), aby vyzerala rovnako. Príklad uvedený v knihe je dvojhlavý šíp. Vo vesmíre existujú dve skupiny častíc: častice so spinom 1/2 a častice so spinom 0, 1 alebo 2. Všetky tieto častice sa riadia Pauliho vylučovacím princípom. Pauliho vylučovací princíp hovorí, že častice nemôžu byť na rovnakom mieste ani mať rovnakú rýchlosť. Keby Pauliho vylučovací princíp neexistoval, potom by všetko vo vesmíre vyzeralo rovnako, ako približne jednotná a hustá "polievka".

Častice so spinom 0, 1 alebo 2 sa pohybujú silou od jednej častice k druhej. Príkladom týchto častíc sú virtuálne gravitóny a virtuálne fotóny. Virtuálne gravitóny majú spin 2 a predstavujú gravitačnú silu. To znamená, že keď gravitácia pôsobí na dve veci, gravitóny sa pohybujú k týmto dvom veciam a od nich. Virtuálne fotóny majú spin 1 a predstavujú elektromagnetické sily (alebo silu, ktorá drží atómy pohromade).

Okrem gravitačnej sily a elektromagnetických síl existujú aj slabé a silné jadrové sily. Slabé jadrové sily sú sily, ktoré spôsobujú rádioaktivitu, alebo keď hmota vyžaruje energiu. Slabá jadrová sila pôsobí na častice so spinom 1/2. Silné jadrové sily sú sily, ktoré držia pohromade kvarky v neutróne a protóne a udržujú pohromade protóny a neutróny v atóme. Častica, ktorá je nositeľom silnej jadrovej sily, sa považuje za gluón. Gluón je častica so spinom 1. Gluón drží pohromade kvarky, ktoré tvoria protóny a neutróny. Gluón však drží pohromade len kvarky, ktoré majú tri rôzne farby. Výsledný produkt tak nemá žiadnu farbu. To sa nazýva väzba.

Niektorí vedci sa pokúsili vytvoriť teóriu, ktorá by kombinovala elektromagnetickú silu, slabú jadrovú silu a silnú jadrovú silu. Táto teória sa nazýva veľká zjednotená teória (alebo GUT). Táto teória sa snaží vysvetliť tieto sily jedným veľkým jednotným spôsobom alebo teóriou.

Čierne diery

Čierne diery sú hviezdy, ktoré sa zrútili do jedného veľmi malého bodu. Tento malý bod sa nazýva singularita.Táto singularita je bodom časopriestoru, ktorý sa otáča vysokou rýchlosťou.To je dôvod, prečo čierne diery nemajú čas. Čierne diery nasávajú veci do svojho stredu, pretože ich gravitácia je veľmi silná. Niektoré z vecí, ktoré dokáže nasať, sú svetlo a hviezdy. Len veľmi veľké hviezdy, nazývané superobry, sú dostatočne veľké na to, aby sa stali čiernou dierou. Hviezda musí mať jedenapolnásobok hmotnosti Slnka alebo väčšiu, aby sa zmenila na čiernu dieru. Toto číslo sa nazýva Chandrasekharova hranica. Ak je hmotnosť hviezdy menšia ako Chandrasekharova hranica, nepremení sa na čiernu dieru, ale na iný, menší typ hviezdy. Hranica čiernej diery sa nazýva horizont udalostí. Ak sa niečo nachádza v horizonte udalostí, nikdy sa to nedostane von z čiernej diery.

Čierne diery môžu mať rôzny tvar. Niektoré čierne diery sú dokonale guľovité - ako guľa. Iné čierne diery sú uprostred vypuklé. Čierne diery budú guľovité, ak sa nebudú otáčať. Čierne diery budú uprostred vypuklé, ak rotujú.

Čierne diery je ťažké nájsť, pretože nevypúšťajú žiadne svetlo. Možno ich nájsť, keď čierne diery nasávajú iné hviezdy. Keď čierne diery nasávajú iné hviezdy, čierna diera vypúšťa röntgenové žiarenie, ktoré je možné vidieť teleskopmi. Hawking hovorí o svojej stávke s iným vedcom, Kipom Thornom. Hawking sa stavil, že čierne diery neexistujú, pretože nechcel, aby jeho práca na čiernych dierach vyšla nazmar. Stávku prehral.

Hawking si uvedomil, že horizont udalostí čiernej diery sa môže iba zväčšovať, nie zmenšovať. Oblasť horizontu udalostí čiernej diery sa zväčšuje vždy, keď do nej niečo spadne. Uvedomil si tiež, že keď sa dve čierne diery spoja, veľkosť nového horizontu udalostí je väčšia alebo rovná súčtu horizontov udalostí dvoch iných čiernych dier. To znamená, že horizont udalostí čiernej diery sa nikdy nemôže zmenšiť.

Neporiadok, známy aj ako entropia, súvisí s čiernymi dierami. Existuje vedecký zákon, ktorý súvisí s entropiou. Tento zákon sa nazýva druhý zákon termodynamiky a hovorí, že entropia (alebo neporiadok) sa v izolovanom systéme (napríklad vo vesmíre) vždy zvyšuje. Vzťah medzi množstvom entropie v čiernej diere a veľkosťou horizontu udalostí čiernej diery po prvý raz napadol študenta (Jacoba Bekensteina) a dokázal ho Hawking, podľa ktorého výpočtov čierne diery vyžarujú žiarenie. To bolo zvláštne, pretože už predtým sa hovorilo, že z horizontu udalostí čiernej diery nemôže nič uniknúť.

Tento problém sa vyriešil, keď sa objavila myšlienka párov "virtuálnych častíc". Jedna z dvojice častíc by spadla do čiernej diery a druhá by unikla. Vyzeralo by to, akoby čierna diera emitovala častice. Táto myšlienka sa spočiatku zdala zvláštna, ale mnohí ľudia ju po čase prijali.

Vznik a osud vesmíru

Väčšina vedcov sa domnieva, že vesmír sa začal výbuchom nazývaným Veľký tresk. Tento model sa nazýva "model horúceho veľkého tresku". Keď sa vesmír začne zväčšovať, veci v ňom sa začnú ochladzovať. Keď vesmír začínal, bol nekonečne horúci. Teplota vesmíru sa ochladila a veci vo vesmíre sa začali zhlukovať.

Hawking hovorí aj o tom, ako mohol vzniknúť vesmír. Napríklad, ak by vesmír vznikol a potom sa rýchlo zrútil, nebolo by dosť času na vznik života. Ďalším príkladom by bol vesmír, ktorý sa príliš rýchlo rozpínal. Ak by sa vesmír rozširoval príliš rýchlo, stal by sa takmer prázdnym. Myšlienka mnohých vesmírov sa nazýva výklad mnohých svetov.

V tejto kapitole sa hovorí aj o inflačných modeloch a o teórii, ktorá by zjednotila kvantovú mechaniku a gravitáciu.

Každá častica má mnoho histórií. Táto myšlienka je známa ako Feynmanova teória súčtu dejín. Teória, ktorá zjednocuje kvantovú mechaniku a gravitáciu, by mala obsahovať Feynmanovu teóriu. Na zistenie šance, že častica prejde bodom, je potrebné sčítať vlny každej častice. Tieto vlny prebiehajú v imaginárnom čase. Imaginárne čísla, keď sa vynásobia samy sebou, tvoria záporné číslo. Napríklad 2i X 2i = -4.

Obrázok toho, čo si Ptolemaios myslel o polohe planét, hviezd a Slnka.


Toto je ľahký kužeľ


Einstein povedal, že čas nie je absolútny alebo vždy rovnaký


Veľký tresk a vývoj vesmíru sú znázornené na tomto obrázku. Na obrázku je znázornené rozpínanie vesmíru v čase.


Tu je obrázok svetelnej vlny.


Interferencia svetla spôsobuje vznik mnohých farieb.


Častica so spinom 1 sa musí otočiť celá, aby vyzerala opäť rovnako, ako táto šípka.


Toto je protón. Je zložený z troch kvarkov. Všetky kvarky majú rôzne farby kvôli uzavretosti.


Obrázok čiernej diery a toho, ako mení svetlo v jej okolí.