Tip:
Highlight text to annotate it
X
STRUKTURA KOSMOSU
PROWADZENIE: BRIAN GREENE
CZYM JEST PRZESTRZEŃ?
Myślimy o naszym świecie jako pełnym różnych rzeczy,
takich jak budynki i samochody,
autobusy i ludzie.
Nigdzie nie jest to bardziej widoczne niż w zatłoczonym mieście takim jak Nowy Jork.
Jednak wokół przedmiotów tworzących nasz codzienny świat
jest jeszcze coś równie ważnego,
ale o wiele bardziej tajemniczego:
to przestrzeń,
w której te wszystkie rzeczy istnieją.
Aby poczuć to, o czym mówię,
zatrzymajmy się na chwilę i coś sobie wyobraźmy.
Co byłoby, gdybyśmy usunęli wszystkie te rzeczy?
Mam na myśli wszystko: ludzi...
samochody i budynki...
...i nie tylko rzeczy będące na Ziemi,
ale także samą Ziemię.
Gdybyśmy usunęli wszystkie planety, gwiazdy i galaktyki?
I nie tylko duże obiekty,
ale nawet te najmniejsze,
aż do ostatnich atomów gazu i pyłu.
Co byłoby gdybyśmy to wszystko usunęli?
Co by pozostało?
Większość z nas powie "nic".
I będziemy mieli rację.
To dziwne ale jednocześnie będziemy też w błędzie.
Bowiem, to co pozostaje, to pusta przestrzeń.
Jak się okazuje, pusta przestrzeń nie jest niczym.
Jest czymś,
czymś o ukrytych własnościach, tak samo prawdziwym,
jak wszystkie przedmioty w naszym codziennym życiu.
Przestrzeń jest tak realna,
że może się zakrzywiać,
przestrzeń może się skręcać,
i może falować.
Pusta przestrzeń jest tak realna,
że pomaga kształtować wszystko w otaczającym nas świecie
i stanowi podstawę struktury kosmosu.
Nie można zrozumieć czegokolwiek o świecie,
dopóki nie zrozumie się przestrzeni, bo ona jest światem:
świat jest przestrzenią z rzeczami wewnątrz niej.
Zazwyczaj nie jesteśmy zbytnio świadomi przestrzeni.
Często mówię ludziom, że prawdopodobnie ryby także nie są świadome wody,
a są w niej przez cały czas.
Przestrzeń nie jest niczym,
w rzeczywistości wewnątrz niej dużo się dzieje.
Większość z nas myśląc o przestrzeni,
myśli o kosmosie, o bardzo, bardzo odległych miejscach.
Ale przestrzeń jest właściwie wszędzie.
Można powiedzieć, że jest najobficiej występującą rzeczą we wszechświecie.
Nawet najmniejsze elementy, takie jak atomy,
które są podstawowym budulcem nas
i wszystkiego co widzimy w świecie wokół nas,
nawet one, są prawie pustą przestrzenią.
Gdyby usunąć całą przestrzeń z wnętrza wszystkich atomów
tworzących beton, szkło i stal w Empire State Building,
to pozostałaby tylko mała grudka,
o wielkości ziarenka ryżu,
lecz ważąca miliony ton.
Reszta byłaby tylko pustą przestrzenią.
Ale czym dokładnie jest przestrzeń?
Mogę pokazać wam obraz Hiszpanii,
Napoleona
lub mojego wuja Harolda,
ale przestrzeń wygląda jak to:
nic!
Więc jak można zrozumieć coś,
co wygląda jak nic?
Dlaczego przestrzeń raczej jest niż jej nie ma?
Dlaczego przestrzeń jest trójwymiarowa?
Dlaczego przestrzeń jest taka wielka?
Mamy tak dużo miejsca do poruszania się,
czemu przestrzeń nie jest mała?
Nie mamy żadnego konsensusu w tych sprawach.
Czym jest przestrzeń?
Tak naprawdę jeszcze tego nie wiemy.
Jest to jedna z najgłębszych tajemnic fizyki.
Na szczęście, nie jesteśmy w kompletnych ciemnościach.
Zbieraliśmy wskazówki dotyczące przestrzeni przez stulecia,
najwcześniejsze wywodzą się z rozważań o poruszaniu się obiektów w przestrzeni.
Aby to poczuć, spójrzcie na tą łyżwiarkę.
Gdy sunie ona po lodowisku,
to porusza się ona względem wszystkiego wokół niej, np. lodu.
Gdy zaczyna wirować,
to nie tylko widzi, że wiruje,
ale także to czuje,
ponieważ podczas wirowania
jej ramiona są wypychane na zewnątrz.
Ale teraz wyobraźmy sobie,
że możemy usunąć wszystko co jest wokół niej,
od lodowiska...
aż po najodleglejsze galaktyki,
tak, że jedyną rzeczą jaka pozostaje jest wirująca łyżwiarka w pustej przestrzeni.
Jeśli łyżwiarka nadal czuje, że jej ramiona są wypychane na zewnątrz,
to wie, że wiruje.
Ale jeżeli pusta przestrzeń jest niczym,
to względem czego ona wiruje?
Wyobraź sobie, że jesteś tą łyżwiarką.
Kiedy się rozglądasz nic nie widzisz.
Wokół ciebie jest jednolita, ciągła ciemność
i tylko twoje ramiona są wypychane na zewnątrz.
Więc mówisz do siebie:
"Względem czego ja wiruję?
Czy jest tam coś, czego nie widzę?"
Próbując odpowiedzieć na takie pytania,
naukowcy wpadli na śmiałe wytłumaczenie istoty przestrzeni.
Kluczem było zrobienie czegoś z niczego.
Kiedy pójdziesz do teatru, oglądasz aktorów,
dekoracje i fabułę.
Ale jest tu coś ważnego, coś czego nie ma na afiszu.
Coś, czego prawie nigdy nie zauważamy:
...scena.
Jest to absolutnie niezbędny element przedstawienia,
a większość z nas, nawet o tym nie pomyśli.
Ale Izaak Newton - pomyślał o tym.
Tak właśnie ojciec współczesnej nauki przedstawił przestrzeń...
...jako pustą scenę.
Dla Newtona, przestrzeń była szkieletem wszystkiego,
co dzieje się w kosmosie,
areną, na której odgrywają się dzieje wszechświata.
Scena Newtona była pasywna: absolutna, wieczna i niezmienna.
Działanie nie może wpływać na scenę,
a scena nie może wpływać na działanie.
Przedstawiając przestrzeń w ten sposób,
Newton był w stanie opisać świat jak nikt nigdy przedtem.
Jego niezmienna scena pozwoliła mu zrozumieć prawie cały ruch jaki widzimy wokół nas,
i stworzyć prawa, które mogą wyznaczać ruch wszystkiego -
od spadających z drzew jabłek
do trajektorii orbity Ziemi wokół Słońca.
Te prawa sprawdzają się tak dobrze,
że nadal są używane do tego co robimy w dzisiejszym świecie -
od wystrzeliwania satelitów
do lądowania samolotów.
Prawa te bazują na jednej zasadniczej idei:
przestrzeń jest realna.
Nawet jeśli nie można jej zobaczyć, poczuć jej zapachu lub jej dotknąć,
to przestrzeń jest wystarczająco realną
fizyczną rzeczą zapewniającą odniesienie dla określonych rodzajów ruchu.
Tak jak ta łyżwiarka.
Newton mógłby powiedzieć, że kiedy ona wiruje to jej ramiona odchylają się,
ponieważ wiruje ona względem czegoś,
a tym czymś jest sama przestrzeń.
Filozofowie debatowali *** naturą przestrzeni przez bardzo długi czas.
To co zrobił Newton było zmianą założeń tej debaty,
i w ten sposób zrodziła się nowoczesna nauka.
Newtonowska scena była wielkim hitem.
Pozostawała w świetle jupiterów przez ponad 200 lat.
Jednak w pierwszych dekadach XX wieku,
wyłonił się nowy zestaw idei,
który wstrząsnął tą sceną aż do jej fundamentów.
Idee te wysunął młody urzędnik,
pracujący w Szwajcarskim Urzędzie Patentowym.
Jak się nazywał?
Albert Einstein.
Einstein dorastał u schyłku XIX wieku
czyli u zarania wieku elektryczności.
Elektryczność rozświetliła miasta,
dając początek różnego rodzaju technologiom,
których Newton nigdy nie mógłby sobie wyobrazić.
Wszystkie te osiągnięcia prowadziły do czegoś,
co urzekało Einsteina już od dziecka:...
...światła.
Nie były to żarówki i lampy uliczne,
lecz natura samego światła.
Zafascynowała go jedna szczególnie dziwna cecha światła:
jego prędkość.
To mogło doprowadzić Einsteina do obalenia obrazu przestrzeni Newtona.
Aby zobaczyć jak, przejedźmy się.
W tej chwili jedziemy z prędkością około 30 km/h.
Aby jechać szybciej, wszystko co musi zrobić kierowca, to depnąć na gaz,
a prędkość taksówki się zmieni.
Możemy poczuć tę zmianę,
ale możemy ją także zobaczyć na prędkościomierzu taksówki
lub na jednym z ulicznych radarów.
Dobra, teraz możesz już zwolnić!
Ale teraz wyobraźmy sobie, że zamiast pomiaru prędkości taksówki,
mamy uliczny radar mierzący prędkość światła padającego z jej reflektorów.
Ten radar zmierzyłby, że światło podróżuje ze zdumiewającą
prędkością ponad 1 miliarda km/h.
Gdy taksówka zacznie się poruszać,
można by pomyśleć, że prędkość światła wzrośnie o taką wartość jaką ma samochód.
Pomyślimy, że przecież poruszająca się taksówka dodatkowo przyspieszy światło.
To zaskakujące, ale tak się nie stanie.
Nasz radar uliczny lub inny miernik prędkości światła,
zawsze zmierzy, że światło biegnie z prędkością ~1 mld km/h,
niezależnie od tego czy taksówka jest w ruchu, czy też nie.
Ale jak to jest możliwe?
Jak wszystkie pomiary prędkości światła mogą zawsze dawać taki sam wynik?
Gdy biegniesz w stronę ściany,
to zbliża się ona do ciebie szybciej niż kiedy stoisz przed nią bez ruchu.
Nie jest to prawdą, jeśli chodzi o światło.
Prędkość światła jest taka sama dla każdego.
To naprawdę niezwykłe.
Tu właśnie Einstein nadał sens tej niezwykłej układance:
wiedząc, że prędkość jest tylko miarą przestrzeni,
którą coś przebywa w jakimś czasie,
Einstein zaproponował prawdziwie szokującą ideę,
że przestrzeń i czas mogą współdziałać razem,
ciągle dopasowując się do ściśle określonej wartości,
tak, że bez względu na to, jak szybko się poruszasz mierząc prędkość światła,
to zawsze otrzymujesz wynik ~1 mld km/h.
Aby uznać tą absolutną własność światła,
czas musiał utracić swoją absolutność.
Przestrzeń też musiała utracić swoją absolutność.
Te dwa elementy musiały stać się względne,
tak jak i sposób wzajemnego oddziaływania pomiędzy nimi.
Jeśli elastyczność przestrzeni i czasu brzmi obco,
to tylko dlatego, że nie poruszamy się wystarczająco szybko w naszym codziennym życiu,
aby zobaczyć jak to działa.
Jednak jeśli taksówka mogłaby się poruszać prawie tak szybko jak światło,
to efekty stałby się widoczne.
Na przykład, gdybyś stał na rogu ulicy,
a ja przejechałbym z prędkością bliską światła,
to zauważyłbyś dostosowanie przestrzeni.
Moja taksówka, wydawałaby się mieć kilka centymetrów długości,
a tykanie mojego zegarka byłoby bardzo powolne.
Ale z mojego punktu widzenia w środku taksówki,
mój zegarek będzie tykał normalnie
a przestrzeń wewnątrz będzie wyglądała tak samo jak zawsze.
Jednak kiedy spojrzę na zewnątrz taksówki
to ujrzę silnie dostosowaną przestrzeń,
wszystko w celu utrzymania stałej prędkości światła
Tak więc, dzięki Einsteinowi,
czas i przestrzeń nie są już sztywne i bezwzględne.
Zamiast tego, połączone razem z ruchem,
tworzą jedność,
którą zaczęto nazywać "czasoprzestrzenią".
Wydaje się, że na codzień żyjemy
z Newtonowskim wyobrażeniem czasu i przestrzeni.
To coś, z czym czujemy się komfortowo.
Ale Einstein potrafił sprawić by rozum zdominował zmysły.
Tym naprawdę był geniusz Einsteina.
Jedność przestrzeni i czasu
jest według mnie jednym z największych spostrzeżeń, jakie kiedykolwiek pojawiły się w nauce.
Jest to tak bardzo sprzeczne z intuicją do wszystkiego,
czego doświadczamy jako istoty ludzkie.
W rękach Alberta Einsteina,
ten nowy obraz przestrzeni pomógł rozwikłać głęboką tajemnicę
najbardziej znanej siły w kosmosie:...
...grawitacji.
Newton wiedział, że grawitacja jest siłą,
która sprawia, że przedmioty się przyciągają.
Jego prawa pozwalają określać tą siłę z fantastyczną precyzją.
Ale właściwie, w jaki sposób działa ta grawitacja?
W jaki sposób Ziemia przyciąga Księżyc
przez setki tysięcy kilometrów pustej przestrzeni?
Zachowują się one tak,
jak gdyby były połączone jakąś niewidzialną liną,
ale wszyscy wiedzą, że to nie jest prawdą.
Prawa Newtona tego nie wyjaśniają.
Einstein stwierdził, że żadne łaty nie naprawią Newtonowskiej grawitacji.
Musiał wynaleźć dla niej nowy mechanizm,
musiał ją zrozumieć.
Po zmaganiu się z tym problemem przez ponad 10 lat,
Einstein doszedł do zaskakującego wniosku:
tajemnica grawitacji leży w naturze czasoprzestrzeni.
Była ona jeszcze bardziej elastyczna niż to wcześniej podejrzewał.
Mogła się rozciągać, jak rzeczywista tkanina.
Było to naprawdę radykalne zerwanie z teorią Newtona.
Wyobraźcie sobie, że ten stół jest czasoprzestrzenią,
a te bile są obiektami w tej przestrzeni.
Gdy czasoprzestrzeń będzie równa i płaska,
jak powierzchnia tego stołu,
to obiekty będą się poruszać po liniach prostych.
Ale jeśli przestrzeń jest jak tkanina,
która może się rozciągać i uginać...
Cóż, to może wydawać się trochę dziwne,
ale zauważmy co się stanie,
jeśli położę coś ciężkiego na rozciągliwą tkaninę czasoprzestrzeni.
Jeśli teraz wybiję bilę ponownie,
to przemieszcza się ona wzdłuż wgłębienia w tkaninie tworzonego przez ciężki obiekt.
Tak to Einstein zdał sobie sprawę, jak rzeczywiście działa grawitacja.
To przez odkształcanie czasoprzestrzeni powodowane obiektami wewnątrz niej.
Innymi słowy: grawitacją jest sam kształt czasoprzestrzeni.
Księżyc utrzymuje się na orbicie, nie dlatego,
że jest przyciągany do Ziemi przez jakąś tajemniczą siłę,
ale dlatego, że toczy się po zakrzywieniu czasoprzestrzeni, jaką tworzy Ziemia.
Dzięki Einsteinowi, przestrzeń stała się nie tylko realna,
ale też elastyczna.
Nagle przestrzeń zyskała właściwości,
nagle przestrzeń zyskała krzywiznę.
Nagle przestrzeń zyskała elastyczny typ geometrii,
prawie jak arkusz gumy.
To zrodziło zupełnie nowy sposób myślenia
o rzeczywistości opisującej cały wszechświat.
Einstein stał się Einsteinem
ponieważ to zaobserwował.
Podczas gdy Newton postrzegał przestrzeń jako pasywną,
Einstein dostrzegł, że jest ona dynamiczna:
splata się z czasem i rządzi ruchem obiektów.
Tak więc po Einsteinie,
przestrzeń nie mogła już być traktowana jako statyczna scena.
Jest ona aktorem odgrywającym kluczową rolę w kosmicznym dramacie.
Podstawową kwestią jest myślenie o przestrzeni jako dynamicznej,
aktywnej i elastycznej tkaninie.
Ale czy tak jest naprawdę? Może to tylko metafora?
Czy to rzeczywiście opisuje czym jest przestrzeń?
Cóż, teoria Einsteina przewiduje, że jednym ze sposobów,
aby się tego dowiedzieć byłaby podróż
do krawędzi czarnej dziury.
Czarne dziury to zapadnięte gwiazdy,
masywne obiekty zgniecione do ułamka ich oryginalnego rozmiaru.
Grawitacja wokół nich jest tak silna,
że zgodnie z matematyką Einsteina,
wirująca czarna dziura może dosłownie ciągnąć za sobą przestrzeń,
skręcając ją jak prawdziwy kawałek tkaniny.
Najbliższa czarna dziura jest oddalona o biliony kilometrów,
więc sprawdzenie tego przewidywania jest problemem.
Jednak pod koniec lat 50-tych,
fizyk Leonard Schiff
zaczął szukać sposobu na przetestowanie teorii Einsteina o przestrzeni, znacznie bliżej domu.
Schiffa zainspirowało coś,
co zwykle uważamy za dziecięcą zabawkę: żyroskop (bączek).
Uznał on, że jeśli przestrzeń naprawdę skręca się jak tkanina,
to żyroskop może pozwolić mu to wykryć.
To był dziwny pomysł a do podzielenia się nim ze światem wybrał też dziwne miejsce:
basen pływacki na Uniwersytecie Stanforda.
Tutaj, w 1959 roku,
Schiff spotkał się z dwoma kolegami:
Williamem Fairbankiem i Bobem Cannonem.
Był podekscytowany reklamą nowoczesnego żyroskopu jaką zobaczył.
Chociaż wyglądał on inaczej,
to w zasadzie działał tak samo jak dziecięca zabawka.
Wtedy i tam, ci trzej Panowie postanowili uruchomić takie urządzenie
na orbicie okołoziemskiej.
Normalnie, oś obrotu żyroskopu ma określony kierunek.
Ale jeśli Ziemia rzeczywiście ciągnie przestrzeń,
to oś żyroskopu także zostanie przesunięta,
zmieniając jej orientację na tyle, żeby to zmierzyć.
Był to genialnie prosty plan.
Był tylko jeden problem:
teorie Einsteina przewidują, że ruch obrotowy Ziemi skręca przestrzeń tylko o małą wartość,
tak małą, że będzie to jak próba zmierzenia wysokości grosika z odległości 100 km.
Zespół spędził ponad 2 lata próbując znaleźć sposób przeprowadzenia tak precyzyjnego pomiaru.
Ostatecznie opracowali plan przymocowania czterech swobodnie unoszących się żyroskopów
do teleskopu skierowanego na odległą gwiazdę.
Jeśli przestrzeń się skręca,
to po jakimś czasie, żyroskopy nie utrzymają już pozycji gwiazdy,
ponieważ zostaną pochwycone przez wir przestrzeni.
W 1962 roku wystąpili oni do NASA o dotację,
prosząc o około milion dolarów na coś,
co nazwali "Sonda Grawitacyjna B."
Członkowie zespołu sądzili początkowo,
że projekt potrwa około 3 lata.
Byli oni jednak zbyt optymistyczni.
Nawet przy rozrastającym się zespole,
"Sonda Grawitacyjna B." był jednym z najdłużej trwających eksperymentów w historii.
Całe dziesięciolecia przeszły na realizacji pierwotnej wizji,
sprowadzającej się do umieszczenia teleskopu w kosmosie i zbudowaniu żyroskopów,
będących najprecyzyjniejszymi urządzeniami jakie kiedykolwiek stworzono.
Technologia była po prostu przerażająca.
Było to jak marchewka przed oczami osła.
Wydawało się nam, że będziemy w stanie zrobić to w ciągu 5 do 10 lat.
I było to od 5 do 10 lat ale ciągle przez około 35 lat.
Pochłaniając ponad 40 lat i 750 mln dolarów,
projekt, dziewięć razy był bliski anulowania przez NASA.
Wreszcie w kwietniu 2004 roku,
zespół zebrał się by obserwować start.
Z trzech mężczyzn siedzących przy basenie w 1959 roku,
żył już tylko jeden, który mógł to zobaczyć.
Byliśmy tam i obserwowaliśmy.
To była niesamowicie ekscytująca chwila życia,
strasznie emocjonujące doświadczenie.
Wszystko poszło bezbłędnie.
Dziesięć tysięcy rzeczy nie poszło źle.
Przez ponad rok, Sonda Grawitacyjna B okrążała Ziemię,
podczas gdy zespół nerwowo monitorował każdy jej ruch,
starając się sprawdzić, czy Ziemia faktycznie skręca przestrzeń.
Wreszcie, dane zaczęły spływać ale pojawił się problem:
żyroskopy doświadczały małego, nieoczekiwanego kołysania
i oczyszczenie danych kosztowałoby miliony.
Z wyczerpującymi się funduszami,
wyglądało na to, że prawie pół wieku pracy pójdzie na marne.
Wtedy, prawie w ostatniej chwili,
pojawiły się dwa źródła dodatkowych funduszy:
prywatną dotację przekazał syn pierwotnego lidera zespołu Williama Fairbanka,
a Turki al-Saud, członek saudyjskiej rodziny królewskiej z dyplomem aeronautyki ze Stanford
zorganizował wielką subwencję.
W ciągu kolejnych dwóch lat,
problem z danymi został rozwiązany.
Okazało się, że osie żyroskopów przesunęły się niemal dokładnie
o wartość wynikającą z równań Einsteina.
Myślę, że po raz pierwszy,
można było rzeczywiście zobaczyć efekt Einsteina,
jego ideę, gołym okiem.
Ten eksperyment dostarczył najbardziej bezpośrednich dowodów na to,
że przestrzeń jest czymś realnym,
fizyczną jednością, jak tkanina.
W końcu gdyby przestrzeń była niczym,
nie byłoby co skręcać.
Ale w tym samym czasie,
gdy Albert Einstein badał przestrzeń w największych skalach,
inny zespół fizyków testował wszechświat w skrajnie małych skalach.
I tam, znaleźli oni zupełnie nieznane terytoria,
gdzie obrazu przestrzeni Einsteina...
Nie można było znaleźć.
Aby zobaczyć o czym mówię,
wyobraźmy sobie, że możemy zmniejszyć się o miliardy razy od obecnego rozmiaru.
Jest to sfera atomów i cząstek subatomowych,
będących podstawowym budulcem wszystkiego co widzimy.
Gdy zmniejszymy się do tej wielkości,
świat działa w oparciu o szalenie inny zestaw reguł,
zwanych "mechaniką kwantową".
Zgodnie z tymi regułami,
nawet usuwając wszystkie atomy i cząstki,
zauważymy, że pusta przestrzeń nadal, wcale nie jest pusta.
W rzeczywistości, tu aż kipi od aktywności,
ponieważ cząstki ciągle pojawiają się i znikają.
Wyskakują one z nicości,
szybko anihilują się wzajemnie i znikają.
W mechanice kwantowej, pusta przestrzeń nie jest pusta.
Jest pełna zmiennych pól,
pełna pojawiających się różnego rodzaju fluktuacji.
Jest to miejsce, w którym cząstki ciągle fluktuują,
bez końca materializując się i wzajemnie anihilując.
Jest to miejsce chaosu i kipieli.
Chociaż teoria to przewidziała,
to dopiero w roku 1948, naukowiec Hendrik Casimir,
zasugerował, że nawet jeśli nie widzimy tych cząstek,
to ich obecność w pustej przestrzeni powinna dawać widoczny efekt.
Doszedł on do wniosku,
że jeśli wziąć dwie zwykłe metalowe płytki
i umieścić ekstremalnie blisko siebie,
powiedzmy, bliżej niż grubość kartki papieru,
to cząstki o pewnych energiach zostaną wykluczone,
ponieważ w pewnym sensie,
nie zmieszczą się w przestrzeni pomiędzy płytkami.
Większa, nieskoordynowana aktywność na zewnątrz płytek niż pomiędzy nimi,
powinna według Casimira spowodować,
że płytki będą do siebie dociskane przez "pustą przestrzeń".
Kilka lat później, gdy przeprowadzono ten eksperyment,
potwierdziło się, że Casimir miał rację.
W pustej przestrzeni, płytki były do siebie dociskane.
Tak więc, w skalach atomowych,
pusta przestrzeń nie jest pusta.
Jest pełna aktywności,
która może nawet przemieszczać obiekty.
Dzisiaj, dążenie do zrozumienia przestrzeni w najmniejszej skali
jest dzisiaj kontynuowane w jednym z najkosztowniejszych eksperymentów naukowych w historii.
To jest CERN,
Europejska Organizacja Badań Jądrowych w Genewie.
To tutaj, kilkadziesiąt metrów pod ziemią,
znajduje się Wielki Zderzacz Hadronów,
najpotężniejszy akcelerator cząstek na świecie.
Kosztujący 10 mld USD akcelerator,
przyspiesza cząstki subatomowe do ponad 99,99% prędkości światła
i zderza je z sobą.
W rozprysku odłamków powstających przy tych zderzeniach,
naukowcy w takich miejscach jak to,
odkryli całą menażerię dziwnych i egzotycznych cząsteczek.
Właśnie teraz, polują oni na jedną z najbardziej nieuchwytnych cząstek,
cząstkę uważaną za niezbędną do kształtowania wszystkiego:
od atomów w naszych ciałach,
do najbardziej odległych gwiazd.
Jeśli ta cząstka zostanie znaleziona,
to przedefiniuje to nasz obraz przestrzeni.
Tą misję rozpoczęto ponad 40 lat temu.
Wszystko zaczęło się w 1964 roku,
kiedy to młody angielski fizyk, Peter Higgs,
zaproponował coś o przestrzeni,
co było tak radykalne, że prawie go zniszczyło.
Powiedziano mi, że mówię bzdury,
że nie mogę mieć racji.
Więc widocznie nie zrozumieli o czym mówię.
Higgs i kilku innych zmagało się z układanką,
która sprowadza się do tego:
wszystkie podstawowe cząstki wszechświata zawierają różne ilości masy,
zwykle traktowanej jako ich ciężar.
Bez masy, cząstki te nigdy nie utworzyłyby znanych nam atomów,
tworzących wszystkie rzeczy jakie widzimy w świecie wokół nas.
Ale co tworzy masę?
I dlaczego różne cząstki mają różne masy?
Każdy starał się jak mógł,
ale nikt nie był w stanie odpowiedzieć na to kłopotliwe pytanie.
Aż pewnego weekendu,
po spacerze wokół Edynburga,
Higgs wpadł na osobliwą ideę.
Korzystając z matematyki,
wyobraził sobie przestrzeń w nowy sposób,
jako coś takiego jak ocean.
Cząsteczki są zanurzone w tym oceanie,
i uzyskują masę gdy się w nim poruszają.
Aby zrozumieć jak to działa,
pomyśl o masie cząstki jak o aktorskiej sławie
a o oceanie Higgsa jak o tłumie paparazzi.
Niektóre cząstki, jak nieznani aktorzy,
przechodzą przez tłum z łatwością -
paparazzi po prostu nie są nimi zainteresowani.
Ale inne cząstki, jak supergwiazdy,
muszą napierać i przeciskać się.
Im bardziej te cząstki zmagają się by się przedostać,
tym większa interakcja z oceanem
i pozyskanie większej masy.
Higgs był przekonany, że dokonał wielkiego odkrycia.
Ale gdy zgłosił swój pomysł do czasopisma CERN,
został on odrzucony.
Niezrażony Higgs doskonalił swoją teorię dalej,
dopóki nie zaoferowano mu szansy zaprezentowania jej w starym gnieździe Einsteina:
Instytucie IAS w Princeton.
Spodziewał się, że tam jego nowa idea spotka się najcięższą krytyką.
Zadowolony jechałem autostradą,
ale gdy zobaczyłem znak zjazdu do Princeton,
to wtedy naprawdę zdałem sobie sprawę w co się pakuję.
Oblał mnie zimny pot i zacząłem drżeć,
aż musiałem zjechać z drogi, żeby ochłonąć.
Ale Higgs wytrwał.
Była to pierwsza z serii rozmów,
na których w całej rozciągłości mógł przekonywać kolegów,
że jest to coś głębszego.
Ostatecznie dokonałem w nich jakiegoś przełomu.
Czułem, coś w rodzaju swojego triumfu,
więc cieszyłem się z przyjęcia jakie było potem.
Pionierska idea Higgsa, zwana dziś polem Higgsa,
ma kluczowe znaczenie dla naszego rozumienia przestrzeni.
Pole Higgsa jest wszędzie.
To coś, co nawet w najdoskonalszej próżni ma efekt:
nadaje masę.
Więc myślę, że Higgs rzeczywiście zasługuje na miano bycia jedną z osób mówiących:
"Przestrzeń jest materiałem.
Ma swoje nieodłączne właściwości,
których nie można się pozbyć.
Nie można ich wyłączyć."
Jedyny problem?
Nie ma fizycznego dowodu,
że pole Higgsa istnieje,
przynajmniej jak dotąd.
Ale tutaj w CERN naukowcy próbują rozbić cząsteczki z energią tak wielką,
że pozwoli ona oderwać kawałek pola Higgsa,
emitując małą jego cząsteczkę.
To jest tak, jak gdyby próbowali oni odłupać kawałek przestrzeni.
Uważamy, że jeśli będziemy uderzać w przestrzeń wystarczająco silnie,
zderzeniami cząstek w akceleratorze,
to rzeczywiście możemy sprawić by cząstka Higgsa wyszła z pustej przestrzeni.
Całe nasze zrozumienie materii jakie mamy,
po prostu może się rozpaść,
jeśli pole Higgsa nie istnieje.
Nie sądzę, aby ktokolwiek poważnie wątpił, że to zobaczymy.
Z pewnością, jeśli tego nie zobaczymy to będzie to skrajnie dziwaczny wynik.
Znalezienie cząstki Higgsa będzie kamieniem milowym,
potwierdzającym, że najbardziej pusta przestrzeń ma wpływ na całą materię.
Ale okazuje się, że przestrzeń zawiera składnik bardziej nieuchwytny
niż to co Higgs mógł sobie kiedykolwiek wyobrazić,
składnik który jest kluczem do największej ze wszystkich tajemnic:
losu wszechświata.
To tajemnica, która rozpoczęła się około 14 miliardów lat temu,
tym, co nazywamy "Wielkim Wybuchem".
W ułamku sekundy, wszechświat doznał gwałtownej ekspansji,
wyrzucając przestrzeń na zewnątrz.
Przestrzeń od tej pory ciągle się rozszerza.
Przez dziesięciolecia, większość naukowców sądziło,
że ekspansja musi spowolnić,
dzięki przyciąganiu grawitacyjnemu.
Kiedy podrzucę jabłko do góry,
grawitacja Ziemi w końcu je zatrzymuje i zawraca.
I tak jak jabłko zostaje spowolnione w czasie,
tak też wszechświat powinien spowolnić swoją ekspansję,
wskutek wzajemnego przyciągania grawitacyjnego całej materii i energii.
Ale rodzi to pytanie:
jaki jest ostateczny los wszechświata?
Czy przestrzeń będzie rozszerzać się wiecznie,
czy też grawitacja ostatecznie zatrzyma rozszerzanie się przestrzeni,
powodując jej zapaść jako "Wielkie Zmiażdżenie"?
Aby rozwiązać tą zagadkę,
dwa zespoły astronomów postanowiły zmierzyć spowolnienie ekspansji
za pomocą oryginalnego narzędzia:
eksplodujących gwiazd zwanych supernowymi.
Supernowa to gwiazda,
która kończy swoje życie w potężnej eksplozji.
Jest niezwykle jaskrawa,
może być tak jasna jak miliard słońc.
Wspaniałe w supernowych jest to,
że są bardzo podobne kiedy eksplodują,
wszystkie one osiągają taką samą jasność,
a potem gasną w niemal identyczny sposób.
Ponieważ te eksplozje są tak jasne i jednolite,
zespoły uznały,
że te supernowe będą działać jak bardzo precyzyjne kosmiczne radiolatarnie,
pozwalając im prześledzić, jak rozszerzanie przestrzeni zwalnia w czasie.
Kłopotem jest to,
że supernowe są niezwykle rzadkie.
Aby znaleźć ich wystarczająco wiele,
Perlmutter spędził rok telefonując do astronomów na całym świecie
i prosząc ich o czas na ich teleskopach.
Potrzebowaliśmy największych teleskopów na świecie,
potrzebowaliśmy doskonałych warunków.
Gdy już były te doskonałe warunki,
telefonowałem do ludzi w czasie gdy próbowali zrobić jakąś poważną pracę, mówiąc:
"Wiem, że masz bardzo napięty harmonogram,
ale może jest szansa wycisnąć w to pół godziny obserwacji,
to będzie dla nas naprawdę bardzo interesujące."
Kiedy w końcu było dość danych do wyliczenia
na ile przyciąganie grawitacyjne spowalnia ekspansję wszechświata,
spotkała ich niespodzianka.
Wyniki były nieco dziwaczne.
Tak naprawdę, nie wykazały one żadnego spowolnienia...
właściwie to bardzo zaskakujące...
ale wszechświat właśnie przyspiesza swoją ekspansję.
To było tak, jakby przestrzeń,
którą uważano za nicość, miała wbudowaną jakąś sprężystość.
A więc przestrzeń nie chciała być skompresowana,
przestrzeń chciała wręcz rozepchać wszechświat.
Wyglądało na to, że wszechświat rozszerza się coraz szybciej i szybciej w czasie,
przyspieszając a nie zwalniając.
Moją pierwszą reakcją było stwierdzenie:
"Muszę się dowiedzieć, dlaczego to jest błędne. To nie może być prawda!"
Ale wszystko się zgadzało.
Większość naukowców skłoniło się do jednego wyjaśnienia:
jest coś, co wypełnia przestrzeń i przeciwdziała sile przyciągania grawitacyjnego,
rozpychając galaktyki i rozciągając strukturę kosmosu.
Ta tajemnicza substancja wypełniająca przestrzeń
została nazwana "ciemną energią",
i to wywróciło nasz obraz Wszechświata do góry nogami.
Na największych przestrzeniach,
ciemna energia dominuje w składzie wszechświata,
a my nie wiemy co to jest.
Jeśli zrobimy coś w rodzaju sondażu -
spis całej energii we wszechświecie,
okaże się, że ciemna energia stanowi 70% wszechświata.
Jeszcze dziesięć lat temu nikt nawet nie wyobrażał sobie,
że taka rzecz w ogóle istnieje.
Tak więc, w istocie,
ciężar samej pustej przestrzeni stanowi 70% ciężaru całego wszechświata.
Mniej więcej taki sam procent powierzchni Ziemi pokryty jest wodą.
Wyobraźcie sobie, że nie wiemy czym jest woda,
taki jest status wiedzy o ciemnej energii.
Naprawdę nie mamy pojęcia o tym, jak to wytłumaczyć.
Cała nasza wyszukana naukowa aparatura
do mechaniki kwantowej, teorii względności i fizyki cząstek,
którą stworzyliśmy w ciągu ostatnich stu lat,
nie nadaje się do wyjaśnienia ciemnej energii.
Odkrycie ciemnej energii przyniosło kolejne zaskoczenie:
idea, że wszechświat zawiera taki właśnie składnik
została wymyślona 80 lat wcześniej.
Zdradzę wam mały sekret:
chociaż on nie nazywał tego ciemną energią
to dawno temu Albert Einstein przewidział,
że sama przestrzeń może wywierać siłę,
która odpycha od siebie galaktyki.
Musicie wiedzieć,
że wkrótce po odkryciu ogólnej teorii względności i teorii grawitacji,
Einstein stwierdził, że zgodnie z matematyką,
wszechświat powinien albo się rozszerzać
albo kurczyć,
ale nie może balansować przy stałej wielkości.
To było niezrozumiałe, ponieważ przed wiedzą o Wielkim Wybuchu,
większość naukowców, w tym Einstein,
propagowało obraz statycznego wszechświata:
wiecznego i niezmiennego.
Kiedy równania Einsteina zasugerowały rozszerzający lub kurczący się wszechświat,
a nie statyczny wszechświat, w który wszyscy wierzyli,
to miał on z tym problem.
Więc Einstein wrócił do swoich równań i zmodyfikował je,
zezwalając na swego rodzaju antygrawitację,
która wypchnie przestrzeń na zewnątrz,
przeciwdziałając działającej do wewnątrz grawitacji,
pozwalając wszechświatowi trwać w spoczynku.
Nazwał tą modyfikację "stałą kosmologiczną".
Dodając stałą kosmologiczną uratował swoje równania,
ale prawda jest taka, że Einstein nie miał pojęcia,
czy to wypychanie na zewnątrz lub antygrawitacja,
naprawdę istnieje.
Wprowadzenie stałej kosmologicznej przez Einsteina,
nie było zbyt eleganckim rozwiązaniem
na znalezienie tego czego szukał: statycznego wszechświata.
Dało to jedynie efekt antygrawitacji.
Według tego, grawitacja może czasem działać w taki sposób,
że nie powoduje wzajemnego przyciągania się obiektów
lecz powoduje ich odpychanie się.
Jak w starciu dwóch tytanów,
stała kosmologiczna i przyciąganie zwykłej materii
mogłyby utrzymać wszechświat w ryzach
i zachować jego statyczność.
Ale kilkanaście lat później,
astronom Edwin Hubble odkrył, że wszechświat nie jest statyczny.
Rozszerza się on dzięki sile eksplozji Wielkiego Wybuchu 14 miliardów lat temu.
Oznaczało to, że oryginalne równania Einsteina nie muszą być zmieniane.
Tak więc nagle, potrzeba stałej kosmologicznej została wyrzucona przez okno.
- Dziękuję! - Proszę bardzo!
Einstein powiedział, że musi to nazwać swoją największą pomyłką.
Ale rzecz w tym, że po niedawnym odkryciu,
że ekspansja Wszechświata przyspiesza,
naukowcy są przekonani, że jest coś w przestrzeni, co odpycha od siebie obiekty.
Tak więc po 70 latach,
największa pomyłka Einsteina
może być zaliczona do jego największych odkryć.
To było coś, o czym nikt inny nie pomyślał,
ale może tak być, że stała kosmologiczna Einsteina
jest kluczem do zrozumienia rozszerzania się Wszechświata,
takiego jakim go widzimy dzisiaj.
Choć nikt nie wie, czym faktycznie jest ciemna energia,
to stwarza ona zdumiewającą i kłopotliwą możliwość.
Einstein przedstawia siłę swojej antygrawitacji jako "stałą".
Ale czy siła ciemnej energii jest stała?
A co jeśli zmienia się w czasie?
Odpowiedź może wywrócić wszystko co myśleliśmy,
że wiemy o losie wszechświata.
W tej chwili wszystko w naszym świecie,
od cząsteczek tworzących moje ciało do cząsteczek tworzących księżyc,
jest utrzymywane przez siły,
które pokonują rozpierającą siłę ciemnej energii,
i dlatego nie widzimy rozszerzania się przedmiotów w naszym codziennym życiu.
Ale taka sytuacja może nie trwać wiecznie.
Jeden ze scenariuszy zakłada,
że ciemna energia będzie nadal odpychać galaktyki coraz dalej i dalej od siebie,
aż w końcu, będą one tak daleko od siebie,
że wszechświat stanie się zimnym, ciemnym i samotnym miejscem.
W innym scenariuszu,
siła ciemnej energii może z czasem wzrosnąć, aż stanie się tak silna,
że rozerwie wszystko co w jest w galaktykach,
od gwiazd
poprzez planety,
aż do każdej formy materii.
Jeśli ciemna energia rośnie wraz z upływem czasu,
to w końcu nawet atomy zostaną rozdarte.
Gdy będzie wystarczająco dużo ciemnej energii pomiędzy jądrami a elektronami
to przestrzeń zostanie rozdarta -
nastąpi "Wielkie Rozdarcie".
Nasze wyobrażenie przestrzeni przeszło niezwykłą transformację.
Za czasów Newtona, przestrzeń była tylko pojemnikiem.
Nie wykazywała żadnego działania.
Potem dzięki Einsteinowi, przestrzeń zaczęła wpływać na ruch obiektów.
Następnie Casimir pokazał,
że obiekty mogą być przemieszczane aktywnością pustej przestrzeni.
A teraz dzięki idei Higgsa i ciemnej energii,
okazuje się, że ekspansja wszechświata może być powodowana energią pustej przestrzeni.
Nie sądzę, by ktokolwiek przewidywał,
że przestrzeń będzie miała tak znaczny i głęboki wpływ
na naturę rzeczywistości.
Mimo, że odbyliśmy tak daleką podróż zapoczątkowaną
obrazem przestrzeni Isaaca Newtona jako sceny,
to jeszcze jej nie zakończyliśmy.
Badając strukturę kosmosu coraz dokładniej,
możemy znaleźć o wiele więcej niespodzianek,
niż ktokolwiek kiedykolwiek sobie wyobrażał.
Weźmy na przykład mnie.
Wydaje się być wystarczająco realny, prawda?
No tak. Ale niespodziewanie pojawiają się nowe przesłanki,
że wszystko, ty i ja, a nawet sama przestrzeń,
jest w rzeczywistości
pewnego rodzaju hologramem.
Jest tak, że wszystko co widzimy i czego doświadczamy,
wszystko co nazywamy naszą trójwymiarową rzeczywistością,
może być projekcją informacji, która jest przechowywana
na cienkiej, odległej powierzchni dwuwymiarowej,
podobnie do sposobu zapisu tego hologramu
zapisanego na tym cienkim kawałku plastiku.
Hologramy są czymś co kojarzymy
z zabezpieczeniami jakie można znaleźć na większości kart kredytowych,
ale Wszechświat jako hologram?
To jedna z najbardziej drastycznych korekt
naszego obrazu przestrzeni i rzeczywistości jaką kiedykolwiek zaproponowano.
A dowód na to pochodzi z jednych z najdziwniejszych obiektów w przestrzeni:
czarnych dziur.
To jest prawdziwy mętlik i bardzo trudno jest to ogarnąć,
nowatorska idea pochodząca od czarnych dziur,
mówiąca nam, że rzeczywistość jest dwuwymiarowa,
że trójwymiarowy świat pełen trójwymiarowych obiektów,
jest pewnego rodzaju holograficznym obrazem
na powierzchni przestrzeni.
To jest bardzo osobliwa kwestia.
Kiedy byłem młodym fizykiem to myślałem tak jak inni fizycy:
że jest to absolutnie szalone.
Oto sposób, jak to pojmować.
Wyobraźcie sobie, że biorę swój portfel
i wrzucam go do czarnej dziury.
Co się stanie?
Myślimy zwykle, że skoro nic, nawet światło,
nie może uciec przed potężną grawitacją czarnej dziury,
to mój portfel przepadnie na zawsze,
ale obecnie wydaje się, że może do końca tak nie jest.
Niedawno naukowcy zgłębiający matematykę opisującą czarne dziury
dokonali ciekawego odkrycia.
Nawet jeśli mój portfel znika w czarnej dziurze,
to kopia wszystkich zawartych w nim informacji,
zdaje się zostać rozsmarowana i przechowana na powierzchni czarnej dziury,
w podobny sposób, jak są przechowywane informacje w komputerze.
Zatem ostatecznie, mój portfel istnieje w dwóch miejscach:
jako trójwymiarowa wersja na zawsze stracona we wnętrzu czarnej dziury
i dwuwymiarowa wersja, która pozostaje na jej powierzchni jako informacja.
Treść wszystkich informacji z wszystkiego co wpada do czarnej dziury
może być w całości wyrażona względem tego co jest na zewnątrz czarnej dziury.
Stąd pomysł, że można odczytać to, co się dzieje wewnątrz czarnej dziury,
odnosząc się tylko do tego co jest na zewnątrz.
Teoretycznie, mógłbym wykorzystać informacje z zewnętrznej powierzchni czarnej dziury
do rekonstrukcji mojego portfela.
I tutaj dotarliśmy do oszałamiającej konkluzji:
przestrzeń wewnątrz czarnej dziury funkcjonuje tak samo
jak przestrzeń poza czarną dziurą czy gdziekolwiek indziej.
Więc jeśli obiekt wewnątrz czarnej dziury
może być opisany informacją na powierzchni czarnej dziury,
to być może wszystko we wszechświecie,
od galaktyk i gwiazd aż do ciebie i mnie,
a nawet sama przestrzeń,
jest tylko projekcją informacji przechowywanych
na jakiejś odległej powierzchni dwuwymiarowej, która nas otacza.
Innymi słowy, rzeczywistość jakiej doświadczamy
może być czymś takim jak hologram.
Czy trójwymiarowy świat jest iluzją,
w takim samym sensie jak iluzją jest hologram?
Być może.
Myślę, że ja jestem skłonny zgodzić się z tym,
że trójwymiarowy świat jest pewną iluzją,
i że ostateczną rzeczywistością
jest rzeczywistość dwuwymiarowa na powierzchni wszechświata.
Ta idea jest tak nowa,
że fizycy wciąż jeszcze zmagają się z jej zrozumieniem.
Ale jeśli to prawda,
to tak jak Newton i Einstein całkowicie zmienili nasz obraz przestrzeni,
możemy być na skraju jeszcze bardziej dramatycznej rewolucji.
Jak na coś, co jest tak ważną częścią naszego codziennego życia,
przestrzeń pozostaje czymś w rodzaju znanego nieznajomego.
Jest ona wszystkim wokół nas,
ale wciąż jesteśmy daleko od zdemaskowania jej prawdziwej tożsamości.
Być może potrwa to setki lat,
a może tysiące lat, albo może zdarzy się jutro,
ale gdy rozwiążemy tą tajemnicę,
to wykonamy gigantyczny krok w kierunku pełnego zrozumienia
struktury kosmosu.
Tłumaczenie i napisy: Quantum Leap Engineer