Stephen Hawking- Bild av universum
VÅR UTVECKLING bild av universum
ÄVEN så sent som den tid av Christopher Columbus var det vanligt att hitta folk
som trodde att jorden var platt (och du kan även hitta
några sådana människor idag), kan vi spåra rötterna till moderna astronomins
tillbaka till de gamla grekerna. Omkring 340 B. C, den grekiske filosofen
Aristoteles skrev en bok som heter i himlen. I den boken gjorde Aristoteles goda
argument för att tro att jorden var en sfär snarare än platt
som en platta.
Ett argument byggde på förmörkelser av månen. Aristoteles insåg att dessa
förmörkelser orsakades av jorden som kommer mellan solen och
månen. När det hände, skulle jorden kastade sin skugga på månen, orsakar
förmörkelsen. Aristoteles såg att jordens skugga var
alltid runda. Detta är vad du kan förvänta dig om jorden var en sfär, men inte
om det var en platt skiva. Om jorden var en platt skiva, skulle dess skugga vara
runt om förmörkelsen skedde vid en tidpunkt då solen var direkt under mitten av
skivan. Vid andra tillfällen skuggan skulle förlängas
-I form av en ellips (en ellips är en långsträckt cirkel).
Grekerna hade ett argument för att jorden är rund. Om jorden var platt, skulle
du förvänta dig ett skepp närmar sig från horisonten till
visas först som en liten, enfärgat prick. Då, som det seglade närmare, skulle du
gradvis kunna göra mer detaljerad information, till exempel dess segel och
skrov. Men
det är inte vad som händer. När ett fartyg visas på horisonten, de första
sakerna du ser är fartygets segel. Först senare ser du dess skrov. Det faktum
att
ett fartygs master, stigande högt över skrovet, är den första delen av fartyget
för att peta upp över horisonten finns bevis för att jorden är en boll.
Grekerna betalade också en hel del uppmärksamhet på natthimlen. Av Aristoteles
tid, hade människor i århundraden varit inspelning hur ljusen i natthimlen
flyttas. De märkte att även om nästan alla av de tusentals ljusen de såg verkade
röra sig tillsammans över himlen, fem av dem (inte räknar
månen) inte gjorde det. De skulle ibland vandra från en vanlig öst-västlig bana
och dubbelklicka sedan tillbaka. Dessa lampor namngavs planeter-den
Grekiska ordet för "vandrare". Grekerna observerades endast fem planeter
eftersom fem är allt vi kan se med blotta ögat: Merkurius, Venus, Mars,
Jupiter och Saturnus. Idag vet vi varför planeterna vidta sådana ovanliga vägar
över himlen: även om stjärnor rör sig knappt alls i jämförelse med
vårt solsystem, planeterna kretsar runt solen, så deras rörelse på natthimlen är
mycket mer komplicerad än rörelse avlägsna stjärnor.
Kommer över horisonten
Eftersom jorden är ett klot, masten och seglen på ett fartyg som kommer över
horisonten visa sig innan dess skrov
Aristoteles trodde att jorden var stilla och att solen rörde månen, planeterna
och stjärnorna i cirkulära banor kring jorden. Han
trodde detta eftersom han kände för mystiska skäl att jorden var centrum av
universum och att cirkelrörelse var den mest perfekta. I
talet e.Kr. annan grekisk, Ptolemaios, blev denna idé till en komplett modell av
himlen. Ptolemaios var passionerad om hans studier.
"När jag följer på min glädje den serried många av stjärnorna i deras cirkulär
kurs", skrev han, "mina fötter inte längre vidrör marken."
I Ptolemaios modell, omgiven åtta roterande sfärer jorden. Varje sfär successivt
större än den föregående, något som en
Rysk bygga docka. Jorden var i centrum för sfärerna. Vad som fanns bortom den
sista sfären aldrig mycket tydligt, men det var sannerligen inte
del av mänsklighetens observerbara universum. Således yttersta sfären var ett
slags gräns, eller behållare, för universum. Stjärnorna ockuperade fast
positioner på detta område, så när det roteras, stannade stjärnorna i samma
positioner i förhållande till varandra och roteras tillsammans som en grupp,
över
himlen, precis som vi observerar. De inre sfärerna som planeterna. Dessa var
inte fäst sina respektive som stjärnorna var, men flyttade
på deras sfärer i små cirklar som kallas epicycles. Eftersom de planetariska
sfärer roteras och planeterna själva flyttade på sina områden, de
vägar de tog i förhållande till jorden var komplexa. På detta sätt var
Ptolemaios kunna redogöra för det faktum att de observerade vägar för
planetswere mycket mer komplicerat än enkla cirklar över himlen.
Ptolemaios modell gav en ganska exakt system för att förutsäga positioner
himlakroppar på himlen. Men för att förutsäga dessa
Sida 1
Stephen Hawking- Bild av universum
positioner korrekt hade Ptolemaios att göra ett antagande om att månen följde en
väg som ibland tog det dubbelt så nära jorden som på
andra tider. Och det innebar att månen borde ibland visas två gånger så stor som
vid andra tillfällen! Ptolemaios erkände detta fel, men
ändå hans modell var i allmänhet, men inte allmänt accepterade. Den antogs av
den kristna kyrkan som bilden av universum som
var i enlighet med Skriften, ty det hade den stora fördelen att den lämnade
massor av utrymme utanför området för fasta stjärnor för himmel och helvete.
Ptolemaios modell
I Ptolemaios modell, stod jorden i centrum av universum, omgiven av åtta sfärer
bär alla kända himlakroppar
En annan modell var dock föreslogs i 1514 av en polsk präst, Nicolaus
Copernicus. (Till en början kanske av rädsla för att bli stämplad som kättare av
hans kyrka, cirkulerade Copernicus hans modell anonymt.) Copernicus hade den
revolutionära idén att inte alla himlakroppar måste kretsa kring jorden.
I själva verket var hans idé att solen var stillastående i mitten av solsystemet
och att jorden och planeterna flyttade cirkulära banor runt
Sön Liksom Ptolemaios modell arbetade Copernicus modell väl, men det gjorde inte
helt stämmer observation. Eftersom det var mycket enklare än Ptolemaios
modell, dock kan man ha förväntat sig människor att anamma den. Men nästan ett
sekel förflutit innan denna idé togs på allvar. Sedan två
astronomer, tyska Johannes Kepler och italienska Galileo Galilei startas
offentligt stödja Kopernikus teori.
År 1609 började Galileo observera natthimlen med ett teleskop, som just hade
uppfunnits. När han såg på planeten Jupiter, Galileo
fann att det åtföljdes av flera små satelliter eller månar som kretsade runt
den. Detta innebar att allt inte behövde kretsa direkt
runt jorden, hade som Aristoteles och Ptolemaios trodde. Samtidigt förbättrades
Kepler Copernicus teori, vilket tyder på att planeterna rörde
inte i cirklar utan i ellipser. Med denna förändring förutsägelser teorin
matchas plötsligt iakttagelser. Dessa händelser var död blåser
till Ptolemaios modell.
Även elliptiska banor förbättrade Copernicus modell, så långt som Kepler gällde
var de bara en provisorisk hypotes. Det är
eftersom Kepler hade förutfattade meningar om naturen som inte bygger på någon
iakttagelse: som Aristoteles, trodde han helt enkelt att ellipser var
mindre perfekt än cirklar. Tanken att planeter skulle röra sig så ofullkomliga
vägar slog honom för ful för att vara den slutliga sanningen. En annan sak som
brytt Kepler var att han inte kunde göra elliptiska banor i överensstämmelse med
sin idé om att planeterna gjordes för att kretsa solen av magnetiska krafter.
Även om han hade fel om magnetiska krafter är orsaken till planeternas banor,
måste vi ge honom kredit för att inse att det måste finnas en
tvinga ansvarig för rörelsen. Den sanna förklaringen till varför planeterna
kretsar runt solen som först långt senare, år 1687, då Sir Isaac
Newton publicerade sin Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, förmodligen
den viktigaste enskilda verk som någonsin publicerats i den fysiska
vetenskaper.
I Principia presenterade Newton en lag om att alla objekt i vila naturligt
stannar i vila om en kraft verkar på dem och beskrev hur
effekter av kraft orsakar ett objekt att flytta eller ändra ett objekts rörelse.
Så varför flyttar planeterna i ellipser runt solen? Newton sade att en
särskild kraft var ansvarig, och hävdade att det var samma kraft som gjorde
föremålen faller till jorden snarare än att stanna kvar i vila när du låter
taget om dem. Han heter den kraften gravitation (före Newton ordet gravitation
innebar endast ett allvarligt humör eller en kvalitet av tyngd). Han också
uppfann den matematik som visade numeriskt hur objekt reagerar när en kraft
såsom tyngdkraften drar på dem, och han löste den resulterande
ekvationer. På detta sätt kunde han visa att på grund av allvaret i solen bör
jorden och andra planeter rör sig i en ellips, precis som Kepler
hade förutspått! Newton hävdade att hans lagar tillämpas allt i universum, från
en fallande äpple till stjärnorna och planeterna. Det var den första gången i
historia någon hade förklarat rörelse av planeterna i termer av lagar som också
avgör rörelse på jorden, och det var början på båda
modern fysik och modern astronomi.
Utan begreppet Ptolemaios sfärer, fanns det inte längre någon anledning att anta
att universum hade en naturlig gräns, den yttersta sfären.
Eftersom stjärnor inte verkade ändra sina positioner förutom en rotation över
himlen som orsakas av jordens snurrar på sin axel, den
Sida 2
Stephen Hawking- Bild av universum
blev naturligt att anta att stjärnorna var objekt som vår sol, men mycket längre
bort. Vi hade gett upp inte bara tanken att jorden är
centrum av universum men även tanken att vår sol, och kanske vårt solsystem, var
unika egenskaper kosmos. Denna förändring inworldview representerade en djup
övergång i människans tanke: i början av vår moderna vetenskapliga förståelsen
av universe.3
Karaktären av en vetenskaplig teori
För att tala om vilken typ av universum och att diskutera sådana frågor som
huruvida det har en början eller ett slut, måste du vara
tydlig med vad en vetenskaplig teori är. Vi skall ta simpleminded att en teori
är bara en modell av universum, eller en begränsad del av den,
och en uppsättning regler som gäller kvantiteter i modellen för observationer
som vi gör. Det finns bara i våra sinnen och inte har någon annan verklighet
(Vad det nu kan betyda). En teori är en bra teori om det uppfyller två krav. Det
måste noggrant beskriva en stor klass av synpunkter på
grundval av en modell som innehåller endast ett fåtal godtyckliga element, och
det måste göra bestämda förutsägelser om resultatet av framtida observationer.
För
Exempelvis trodde Aristoteles Empedokles teori om att allt gjordes av fyra
element: jord, luft, eld och vatten. Detta var tillräckligt enkel
men inte göra några bestämda förutsägelser. Å andra sidan var Newtons teori om
gravitationen baserad på en ännu enklare modell, där organ
attraherade varandra med en kraft som var proportionell mot en mängd kallas
deras massa och omvänt proportionell mot kvadraten på avståndet
mellan dem. Ändå förutspår rörelser solen, månen och planeterna till en hög grad
av noggrannhet.
Varje fysisk teori är alltid preliminär, i den meningen att det bara är en
hypotes: du kan aldrig bevisa det. Oavsett hur många gånger resultatet av
experiment håller med några teori, kan du aldrig vara säker på att nästa gång
ett resultat inte kommer att motsäga teorin. Å andra sidan, kan man
motbevisa en teori genom att hitta en enda observation som inte håller med
förutsägelser av teorin. Som filosof av vetenskap Karl Popper har
betonade, är en bra teori kännetecknas av det faktum att det är ett antal
förutsägelser som i princip skulle kunna motbevisas eller förfalskade av
observation. Varje gång nya experiment observeras att komma överens med
förutsägelser, överlever teorin och vårt förtroende för det ökar, men om
någonsin en ny observation befinns oense, måste vi överge eller modifiera
teorin.
Åtminstone det är vad som ska hända, men du kan alltid ifrågasätta kompetensen
hos den person som utförde observationen.
I praktiken vad som ofta händer är att en ny teori fram som verkligen är en
förlängning av tidigare teori. Till exempel, mycket noggrann
observationer av planeten Merkurius avslöjade en liten skillnad mellan dess
rörelse och förutsägelser Newtons teori om gravitationen. Einsteins
allmänna relativitetsteorin förutspådde en något annorlunda rörelse än Newtons
teori gjorde. Det faktum att Einsteins förutsägelser matchade vad var
sett, medan Newtons inte var en av de avgörande bekräftelser av den nya teorin.
Men använder vi fortfarande Newtons teori för mest praktiska
syften eftersom skillnaden mellan dess förutsägelser och de i den allmänna
relativitetsteorin är mycket liten i de situationer som vi normalt hanterar.
(Newtons teori har också den stora fördelen att det är mycket enklare att arbeta
med än Einsteins!)
Det slutliga målet för vetenskapen är att tillhandahålla en enda teori som
beskriver hela universum. Men det tillvägagångssätt de flesta vetenskapsmän
faktiskt
följa är att separera problemet i två delar. Först finns det lagar som berättar
hur universum förändras med tiden. (Om vi
vet vad
universum är som vid någon tidpunkt, dessa fysiska lagar berätta hur det kommer
att se vid ett senare tillfälle.) För det andra frågan om det initiala
tillståndet för
universum. Vissa människor känner att vetenskapen ska vara fråga endast den
första delen, de betraktar frågan om utgångsläget som en fråga för
metafysik eller religion. De skulle säga att Gud, som är allsmäktig, kunde ha
startat universum från något sätt han ville. Det kan så vara, men i
Då Gud också kunde ha gjort det utvecklas på ett helt godtyckligt sätt. Ändå
verkar det som Gud valde att göra det utvecklas på ett mycket regelbundet sätt,
enligt vissa lagar. Det förefaller därför lika rimligt att anta att det också
finns lagar som reglerar det ursprungliga tillståndet.
Det visar sig vara mycket svårt att ta fram en teori för att beskriva universum
Sida 3
Stephen Hawking- Bild av universum
alla på en gång. Istället bryter vi problemet upp i bitar och uppfinna en
antal partiella teorier. Var och en av dessa partiella teorier beskriver och
förutspår en viss begränsad klass av observationer, försumma effekterna av
andra storheter, eller företräder dem med enkla uppsättningar siffror. Det kan
vara så att detta tillvägagångssätt är helt fel. Om allting i universum
beror på allt annat på ett grundläggande sätt, kan det vara omöjligt att komma
nära en fullständig lösning genom att undersöka delar av problemet i
isolering. Ändå är det säkert så att vi har gjort framsteg i det förflutna. Det
klassiska exemplet är återigen den newtonska gravitationsteori,
vilket berättar att gravitationskraften mellan två kroppar beror bara på en som
är associerat med varje organ, dess massa, och är i övrigt
oberoende av vad kroppar är gjorda av. Därför behöver vi inte ha en teori om
strukturen och uppbyggnaden av solen och planeterna i
För att beräkna sina banor.
Idag forskarna beskriver universum i form av två grundläggande partiella
teorier-det allmänna relativitetsteorin och kvantmekaniken. De är
stora intellektuella prestationer i den första hälften av nittonhundratalet. Den
allmänna relativitetsteorin beskriver gravitationskraften och
storskaliga struktur av universum, det vill säga strukturen på skalor från bara
några miles till så stor som en miljon miljoner miljoner miljoner (1 med 20-
fyra nollor efter den) miles, storleken på det observerbara universum.
Kvantmekanik, å andra sidan, behandlar fenomen på extremt små
skalor, såsom en miljondels miljondels en tum. Men tyvärr är dessa två teorier
kända för att vara oförenlig med varandra, de
kan inte båda vara korrekt. En av de stora ansträngningar i fysik i dag, och den
stora temat i denna bok, är sökandet efter en ny teori som kommer att
införliva dem båda, en kvantmekaniska teorin för gravitation. Vi har ännu inte
en sådan teori, och vi kan fortfarande vara en lång väg från att ha en, men vi
gör
redan vet att många av de egenskaper som den måste ha. Och vi ska se i senare
kapitel som vi redan vet en hel del om förutsägelser en
kvantmekaniska teorin för gravitation måste make.Atoms till galaxer
Under första hälften av nittonhundratalet, förlängd fysiker räckhåll för sina
teorier från vardagen av Isaac Newton till både den minsta
och de största ytterligheter av vårt universum.
Nu, om du tror att universum inte är godtyckligt utan styrs av bestämda lagar,
måste du i slutändan att kombinera de partiella teorier i en
komplett enhetlig teori som beskriver allt i universum. Men det finns en
grundläggande paradox i sökandet efter en sådan komplett enhetligt
teori. De idéer om vetenskapliga teorier som beskrivits ovan antar vi är
rationella varelser som är fria att observera universum som vi vill och att
dra logiska avdrag från vad vi ser. I ett sådant system är det rimligt att anta
att vi kan utvecklas allt närmare mot lagar som
styra vårt universum. Men om det verkligen fanns en komplett enhetlig teori,
skulle det också förmodligen avgöra vår verksamhet, så teorin själv skulle
att avgöra resultatet av vårt sökande efter det! Och varför skulle det bestämma
att vi kommer till rätt slutsatser av bevisningen? Kan det inte
lika väl bestämma att vi drar fel slutsats? Eller ingen slutsats alls?
Det enda svar som vi kan ge till detta problem är baserad på Darwins princip om
det naturliga urvalet. Tanken är att i varje population av själv-
reproducerande organismer, kommer det att finnas variationer i arvsmassan och
uppfostran att olika individer har. Dessa skillnader innebär
att vissa individer är bättre än andra att dra de rätta slutsatserna om världen
omkring dem och agera därefter. Dessa
individer kommer att vara mer benägna att överleva och reproducera, så deras
beteendemönster och tanke kommer att dominera. Det har verkligen varit sant i
det förflutna som det vi kallar intelligens och vetenskapliga upptäckter har
förmedlat en överlevnadsfördel. Det är inte så klart att detta fortfarande är
fallet: vår
vetenskapliga upptäckter kan mycket väl förstöra oss alla, och även om de inte
gör det, kan en komplett enhetlig teori inte göra mycket skillnad för våra
möjligheter
överlevnad. Men förutsatt att universum har utvecklats på ett regelbundet sätt,
kan vi förvänta oss att det resonemang förmågor som naturligt urval har gett
vi skulle också gälla i vårt sökande efter en komplett enhetlig teori och så
skulle inte leda oss till felaktiga slutsatser.
Eftersom de partiella teorier som vi redan har är tillräckliga för att göra
korrekta prognoser i alla utom de mest extrema situationer, sökandet efter
den ultimata teori om universum verkar svårt att motivera praktiska skäl. (Det
Sida 4
Stephen Hawking- Bild av universum
är värt att notera dock att liknande argument skulle ha kunnat
användas mot både relativitet och kvantmekanik, och dessa teorier har gett oss
både kärnkraft och mikroelektronik revolutionen.)
Upptäckten av en komplett enhetlig teori därför inte kan hjälpa överlevnad vår
art. Det kanske inte ens påverka vår livsstil. Men ända sedan
civilisationens har människor inte med att se händelser som osammanhängande och
oförklarligt. Vi har craved en förståelse av
underliggande ordning i världen. Idag har vi fortfarande längtar efter att veta
varför vi är här och vart vi kom ifrån. Mänsklighetens djupaste önskan om
kunskap är
Motivering tillräckligt för vår fortsatta strävan. Och vårt mål är inget mindre
än en fullständig beskrivning av universum vi lever in.4
Newtons universum
Våra nuvarande idéer om rörelse kroppar går tillbaka till Galileo och Newton.
Innan dem, trodde folk Aristoteles, som sade att
naturligt tillstånd hos en kropp skulle vara i vila, och att den flyttas endast
om drivs av en kraft eller impuls. Det följde att en tyngre kropp skulle falla
snabbare
än en lätt en, eftersom det skulle ha en större drag mot jorden. Den
aristoteliska traditionen höll också att man kunde räkna ut alla de lagar som
styr universum av ren tanke: det var inte nödvändigt att kontrollera genom
observation. Så ingen förrän Galileo brytt sig om att se om de organ
olika vikter faktiskt faller i olika hastigheter. Det sägs att Galileo visade
att Aristoteles uppfattning var falsk genom att släppa vikter från
Lutande tornet i Pisa i Italien. Denna berättelse är nästan säkert sant, men
Galileo gjorde något likvärdigt, han rullade bollar av olika vikter ned
en slät lutning. Situationen är liknande den i tunga kroppar faller vertikalt,
men det är lättare att observera eftersom hastigheterna är mindre.
Galileos mätningar visade att varje kropp ökade sin hastighet i samma takt,
oavsett dess vikt. Till exempel, om du släpper en
boll på en sluttning som sjunker med en meter per tio meter du går längs, kommer
bollen att resa nedför sluttningen med en hastighet av ungefär en meter
per sekund efter en sekund, två meter per sekund efter två sekunder, och så
vidare, men tung bollen. Naturligtvis en blyvikt skulle falla
snabbare än en fjäder, men det är bara för att en fjäder är bromsas av
luftmotståndet. Om du släpper två kroppar som inte har mycket luftmotstånd,
såsom två olika blyvikter, faller de i samma takt. (Vi kommer att se varför
snart.) På månen, där det inte finns någon luft att sakta ner saker, det
astronauten David R. Scott utförde fjäder-och bly-vikt experiment och fann att
de faktiskt gjorde med marken samtidigt.
Galileos mätningar användes bv Newton som grund för sina rörelselagar. I
Galileos experiment som ett organ rullade nerför backen den
var alltid påverkas av samma kraft (dess vikt), och effekten var att göra det
hela tiden snabbare. Detta visade att den verkliga effekten av en kraft
alltid att ändra hastigheten av en kropp, snarare än att bara ställa in den att
flytta, var som man tidigare trott. Det innebar också att när en kropp inte
agerat
på av någon kraft, kommer det att hålla på sig i en rak linje vid samma
hastighet. Denna idé var först uttryckligen anges i 1687, i Newtons Principia
Mathematica, och är känd som Newtons första lag. Vad händer med en kropp när en
kraft agerar på det ges av Newtons andra lag. Detta
anges att kroppen kommer att accelerera, eller ändra dess hastighet, i en takt
som är proportionell mot kraften. (Till exempel, är accelerationen dubbelt så
stor om
kraften är dubbelt så stor.) Accelerationen är också mindre ju större massan
(eller mängd material) av kroppen. (Samma kraft som verkar på en
organ dubbla massa kommer att producera halv accelerationen) Ett välbekant
exempel är en bil:. den starkare motorn, desto större
acceleration, men den tyngre bilen, desto mindre acceleration för samma motor.
Förutom sina rörelselagar, som beskriver hur organisationer reagerar på krafter,
beskriver Newtons teori om gravitationen hur man bestämmer styrkan
av en viss typ av kraft, gravitation. Som vi har sagt, att teori säger att varje
kropp lockar varje annat organ med en kraft som är proportionell
till massan av varje organ. Således skulle kraften mellan två kroppar vara
dubbelt så starkt om en av kropparna (säg, kropp A) hade dess massa fördubblats.
Detta är vad man kan förvänta sig, eftersom man kan tänka det nya organet A som
görs av två kroppar, alla med den ursprungliga massan. Alla dessa
skulle locka kropp B med det ursprungliga kraft. Sålunda den totala kraften
Sida 5
Stephen Hawking- Bild av universum
mellan A och B skulle vara två gånger den ursprungliga kraften. Och om, säg, ett
av de organ
hade sex gånger massan, eller en hade dubbla massa och den andra hade tre gånger
massan, då kraften mellan dem skulle vara sex gånger så
stark.
Nu kan du se varför alla kroppar faller i samma takt. Enligt Newtons lag av
gravitation, en kropp med två gånger vikten har dubbelt kraft
gravitation drar ner det. Men det kommer också att ha dubbla massa och därmed,
enligt Newtons andra lag, halv accelerationen per kraft.
Enligt Newtons lagar, dessa två effekter exakt ut varandra, så accelerationen
kommer att vara densamma oavsett vikt.
Gravitationskraften av Composite organ
Om massan av en kropp fördubblas, så är gravitationskraften att exertsNewton
gravitationslag också berättar att ju längre isär organ, mindre kraft. Lagen
säger att den gravitationella attraktion av en stjärna är
exakt en fjärdedel som av en liknande stjärna på halva avståndet. Denna lag
förutspår banor jorden, månen och planeterna med stor noggrannhet.
Om lagen var att den gravitationella attraktion av en stjärna gick ned snabbare
eller långsammare med avståndet skulle planeternas banor inte elliptisk, de
skulle antingen spiral mot solen eller fly från solen.
Den stora skillnaden mellan idéer Aristode och de av Galileo och Newton är att
Aristoteles trodde på en föredragen vilotillstånd, som varje
kropp skulle ta upp om det inte drevs av någon kraft eller impuls. Framför allt
tyckte han att jorden var stilla. Men det följer Newtons lagar
att det inte finns någon unik standard vila. Man kan lika gärna säga att kroppen
A var i vila och kroppen B rörde sig med konstant hastighet i förhållande
till kroppen A eller det organet B var i vila och kroppen A rörde sig. Till
exempel, om du avsätter en stund rotationen av jorden och dess bana
runt solen, kan man säga att jorden var stilla och att ett tåg på det färdades
norrut på 90 miles per timme eller att tåget var i vila
och jorden rörde sig söderut vid 90 miles per timme. Om du genomfört experiment
med rörliga kroppar på tåget, alla Newtons lagar skulle fortfarande
håll. Är Newton rätt eller är Aristoteles, och hur du berätta?
Ett test skulle vara så här: tänk att du är inneslutna i en låda, och du inte
vet om boxen vilar på golvet i ett tåg i rörelse eller
fast jord, den sistnämnda är standarden på resten enligt Aristoteles. Finns det
något sätt att avgöra vilken det är? Om så är fallet, kanske Aristoteles var
korrekt,
vara i vila på jorden är speciell. Men om du genomfört experiment i din box på
tåget, skulle de bli exakt samma som de skulle
inom din ruta på "stationär" tåg plattform (förutsatt att inga gupp, svängar,
eller andra defekter i tåg). Spela pingis på tåget,
skulle du finna att bollen uppträdde precis som en boll på en pingisbord från
spåret. Och om du är i din box och spela spelet vid olika
hastigheter i förhållande till jorden, säger noll, 50 och 90 miles per timme,
kommer bollen beter sig på samma i alla dessa situationer. Det är hur världen
beter, och det är vad matematik Newtons lagar reflekterar: det finns inget sätt
att berätta om det är tåget eller jorden som rör sig. Den
Begreppet rörelse är meningsfull endast det avser andra objekt.
Spelar det någon roll egentligen om Aristoteles eller Newton är korrekt? Detta
är bara en skillnad i synsätt eller filosofi, eller är det en fråga viktigt att
vetenskap? Egentligen har avsaknaden av en absolut standard vila djupa
konsekvenser för fysik: det innebär att vi inte kan avgöra om två händelser
som ägde rum vid olika tidpunkter förekom i samma position i rymden.
Att föreställa detta antar någon på ett tåg studsar en pingisboll rakt upp och
ner, slå av tabellen två gånger på samma ställe en sekund
isär. Till den personen, kommer placeringen av den första och andra studsar har
en rumslig separation av noll. Till någon som står bredvid banan,
de två studsar verkar ske ungefär 40 meters mellanrum, eftersom tåget skulle ha
rest denna sträcka ner på spåret mellan
de studsar. Enligt Newton de två observatörerna har lika rätt att betrakta sig
själva i vila, så båda vyerna är lika acceptabla.
Man är inte gynnas framför en annan, som Aristoteles hade trott. De observerade
positioner evenemang och avstånden mellan dem skulle vara olika för
en person på tåget och en bredvid spåret och det skulle finnas någon anledning
att föredra en persons yttranden till den andres.
Newton var mycket orolig av denna brist på absolut position, eller absolut
utrymme, som det hette, eftersom det inte överensstämmer med hans idé om en
absolut Gud. I själva verket vägrade han att acceptera bristen på absoluta
Sida 6
Stephen Hawking- Bild av universum
utrymme, även om hans lag innebar det. Han var hårt kritiserad för denna
irrationella
tro av många människor, framför allt av biskop Berkeley, en filosof som ansåg
att alla materiella ting och utrymme och tid är en illusion.
När den berömda Dr Johnson fick veta om Berkeley anser han ropade: "Jag
motbevisa det alltså!" och stubbed hans tå på en stor sten.
Relativitet Avstånd
Avståndet-och banan-som ett objekt resor kan se olika ut för olika observatörer.
Både Aristoteles och Newton trodde på absolut tid. Det är, trodde de att en
entydigt kunde mäta tidsintervallet mellan
två händelser och att denna gång skulle vara samma vem mätte den, förutsatt att
personen använt en bra klocka.
Till skillnad från absolut utrymme, absolut
tid var förenligt med Newtons lagar. Och det är vad de flesta människor skulle
ta vara förnuftig uppfattning. Emellertid, i det tjugonde århundradet
fysiker insåg att de var tvungna att ändra sina idéer om både tid och rum. Som
vi kommer att se, upptäckte de att tiden mellan
händelser, liksom avståndet mellan de punkter där pingisboll studsade, beror på
observatören. De upptäckte också att tiden inte var
helt separat från och oberoende av rymden. Nyckeln till dessa insikter var ny
inblick i ljusets egenskaper. De kan tyckas
mot vår erfarenhet, men även om våra till synes sunt förnuft föreställningar
fungerar bra när det handlar om saker som äpplen, eller planeter thattravel
jämförelsevis långsamt, de fungerar inte alls för saker och ting vid eller nära
hastigheten light.5
RELATIVITET
DET FAKTUM ATT LÄTTA färdas med en ändlig men mycket hög hastighet först
upptäcktes i 1676 av den danske astronomen Ole Christensen
Roemer. Om du observera månar Jupiter, kommer du att märka att från tid till
annan försvinner ur sikte eftersom de passerar bakom jätten
planet. Dessa förmörkelser av Jupiters månar borde ske med jämna mellanrum, men
Roemer konstateras att förmörkelser inte var jämnt fördelade. Gjorde
månar påskynda något upp och sakta ner i sina banor? Han hade en annan
förklaring. Om ljuset reste med oändlig hastighet, så vi på jorden
skulle se solförmörkelser med jämna mellanrum, vid exakt samma tid som de
inträffade, liksom fästingar av en kosmisk klocka. Eftersom ljus skulle korsa
valfritt avstånd omedelbart skulle situationen förändras inte om Jupiter närmat
sig jorden eller längre från den.
Tänk dig nu att ljus färdas med ändlig hastighet. Om så är fallet kommer vi att
se varje solförmörkelse tid efter det hände. Denna fördröjning beror på
hastigheten
av ljus och på avståndet av Jupiter från jorden. Om Jupiter inte ändrade dess
avstånd från jorden, skulle förseningen vara samma för varje
Eclipse. Emellertid flyttar Jupiter ibland närmare jorden. I sådana fall har den
"signal" från varje successiv förmörkelse mindre
avstånd att resa, så det kommer successivt tidigare än om Jupiter hade legat på
en konstant avstånd. För analoga skäl, när Jupiter är
avlägsnar sig från jorden, ser vi överskuggar successivt senare. Graden av denna
tidiga och sena ankomst beror på ljusets hastighet, och detta
ger oss möjlighet att mäta det. Detta är vad Roemer gjorde. Han märkte att
förmörkelser av en av Jupiters månar dök tidigare på de tider på året då
jorden närmade Jupiters bana och senare vid de tillfällen då jorden rör sig
bort, och han använde denna skillnad för att beräkna
ljusets hastighet. Men var hans mätningar av variationer i avståndet jorden från
Jupiter inte särskilt exakt, så hans värde för
ljusets hastighet var 140.000 miles per sekund, jämfört med den moderna värdet
av 186.000 miles per sekund. Trots Roemer prestation,
inte bara bevisa att ljuset färdas med en ändlig hastighet, men också för att
mäta denna hastighet, var anmärkningsvärt, kommer som det gjorde elva år innan
Newtons publicering av Principia Mathematica.
Ljusets hastighet och tidpunkten för Förmörkelser
De observerade tider för förmörkelser av Jupiters månar är beroende både den
faktiska tiden för solförmörkelser och den tid det tar sitt ljus att resa från
Jupiter till jorden Således solförmörkelser tycks synas oftare när Jupiter går
mot jorden, och mindre ofta när det är
väg bort Denna effekt är överdriven här för tydlighetens skull
En riktig teori för spridning av ljuset kom inte förrän 1865, då den brittiske
fysikern James Clerk Maxwell lyckades förena
Sida 7
Stephen Hawking- Bild av universum
partiella teorier som upp sedan hade använts för att beskriva krafter
elektricitet och magnetism. Även om både elektricitet och magnetism hade
känd sedan urminnes tider, var det inte förrän på sjuttonhundratalet som
brittisk kemist Henry Cavendish och franska fysikern Charles-Augustin de
Coulomb etablerade kvantitativa lagar som reglerar den elektriska kraften mellan
två laddade kroppar. Några decennier senare, i början av 19.
talet etablerat ett antal fysiker analoga lagar för magnetiska krafter. Maxwell
visade matematiskt att dessa elektriska och magnetiska
krafter uppstår inte från partiklar som verkar direkt på varandra, utan skapar
varje elektrisk laddning och ström ett fält i det omgivande utrymme som
utövar en kraft på vartannat laddning och ström ligger inom det utrymmet. Han
fann att ett enda fält bär de elektriska och magnetiska krafter, alltså,
elektricitet och magnetism är oskiljaktiga aspekter av samma kraft. Han kallade
denna kraft den elektromagnetiska kraften, och fältet som bär det
theelectromagnetic fältet.
Maxwells ekvationer förutspådde att det kunde finnas vågliknande störningar i
det elektromagnetiska fältet och att dessa vågor skulle resa till fast
hastighet, som ringar på en damm. När han räknat denna hastighet, fann han det
för att matcha exakt ljusets hastighet! Idag vet vi att Maxwells vågor
är synliga för det mänskliga ögat som ljus när de har en våglängd av mellan 40
och åttio miljondels centimeter. (En våg är en följd av
kammar och vågdalar,. våglängden är avståndet mellan vågtoppar eller tråg) Vågor
med våglängder kortare än synligt ljus är
nu kallas ultraviolett ljus, röntgenstrålar och gamma-strålar. Vågor med längre
våglängder kallas radiovågor (en meter eller mer), mikrovågsugnar
(Runt en centimeter), eller infraröd strålning (mindre än en tiotusendels av en
centimeter men mer än det synliga området).
Våglängd
Våglängden för en våg är avståndet mellan successiva toppar eller dalar.
Maxwells teori innebar att radio eller ljusvågor skulle resa med en viss bestämd
hastighet. Detta var svår att förena med Newtons teori att
Det finns ingen absolut standard för vila, för om det inte finns någon sådan
standard kan det inte finnas någon allmän enighet om hur snabbt ett objekt. Till
förstå varför, återigen tänka dig att spela pingis på tåget. Om du träffar
bollen mot främre delen av tåget med en hastighet din motståndare
åtgärder som skall tio miles per timme, då du kan förvänta en observatör på
plattformen för att uppfatta bollen rör sig hundra miles per timme, det
tio den rör sig i förhållande till tåget, plus 90 tåget rör sig i förhållande
till plattformen. Vad är hastigheten på bollen, tio miles per timme eller en
hundra? Hur definierar du det-förhållande till tåget eller i förhållande till
jorden? Med ingen absolut standard för vila, kan du inte tilldela bollen ett
absolut hastighet. Samma boll lika gärna skulle kunna sägas ha någon hastighet,
beroende på referensram där hastigheten
mätas. Enligt Newtons teori bör samma håll för ljus. Så vad betyder det i
Maxwells teori för ljusvågor att resa på en
vissa fasta hastighet? olika hastigheter för pingisbollar
Enligt relativitetsteorin, även om de kanske inte håller, är varje observatör
mätning av ett objekts hastighet lika giltiga
För att förena Maxwells teori med Newtons lagar, föreslogs det att det var ett
ämne som kallas etern som var närvarande
överallt, även i vakuum "tomma" utrymmet. Idén om etern hade en viss extra
attraktion för forskare som kände i alla fall att bara
som vatten vågor kräver vatten eller ljudvågor kräver luft, måste vågor av
elektromagnetisk energi kräver en viss medel att genomföra dem. I den här vyn,
lätta vågor färdas genom etern som ljudvågor färdas genom luften, och deras
"hastighet" som härstammar från Maxwells ekvationer bör därför
mätt i förhållande till etern. Olika bedömare skulle se ljus komma emot dem med
olika hastigheter, men ljusets hastighet i förhållande till etern
skulle förbli fast.
Denna idé kunde testas. Tänk dig ljus som emitteras från någon källa. Enligt
etern teorin, färdas ljuset genom etern med den hastighet
av ljus. Om du flyttar mot den genom etern, den hastighet med vilken du närmar
ljuset kommer att vara summan av ljusets hastighet genom eter och
din hastighet genom etern. Ljuset kommer att närma dig snabbare än om, säg, att
du inte flytta eller du flyttade i någon annan riktning. Ännu eftersom den
ljusets hastighet är så stor jämfört med de hastigheter vid vilka vi kan gå mot
en ljuskälla, var denna skillnad i hastighet ett mycket svårt effekt
att mäta.
Sida 8
Stephen Hawking- Bild av universum
År 1887 genomförde Albert Michelson (som senare blev den första amerikanska att
ta emot Nobelpriset i fysik) och Edward Morley ut en mycket
noggrann och svåra experiment vid Case School of Applied Science (nu Case
Western Reserve University) i Cleveland. De insåg att
eftersom jorden kretsar kring solen med en hastighet av nästan 20 miles per
sekund, måste deras labb självt rör sig med en relativt hög hastighet
genom etern. Naturligtvis visste ingen i vilken riktning och hur fort etern kan
röra sig med avseende på solen, eller om det rörde sig
alls. Men genom att upprepa ett experiment vid olika tider på året, då jorden
var i olika positioner längs dess bana, kan de hoppas på att
hänsyn till denna okända faktor. Så Michelson och Morley skapa ett experiment
för att jämföra ljusets hastighet mätt i riktningen för
jordens rörelse genom eter (när vi går mot ljuskällan) till ljusets hastighet
vinkelrätt mot denna rörelse (när vi
inte rör sig mot källan). Till deras stora förvåning fann de hastigheten i båda
riktningarna var exakt samma!
Mellan 1887 och 1905 fanns det flera försök att rädda etern teorin. Det mest
anmärkningsvärda var av den nederländska fysikern Hendrik Lorentz,
som försökte förklara resultatet av Michelson-Morleys experiment i form av
föremål upphandlande och klockor saktar ner när de flyttade
genom etern. Men i en berömd papper i 1905, pekade en hittills okänd kontorist i
schweiziska patentverket, Albert Einstein, att w
hål idén om en eter var onödigt, förutsatt en var villig att överge tanken på
absolut tid (vi får se varför snart). En ledande fransk
matematiker, Henri Poincaré, gjorde en liknande punkt några veckor senare.
Einsteins argument var närmare fysik än Poincaré, som
betraktas detta problem som rent matematiskt och hans dödsdag accepterade inte
Einsteins tolkning av teorin.
Einsteins grundläggande postulat om relativitetsteorin, som det hette,
förklarade att vetenskapens lagar bör vara samma för alla fritt rörliga
observatörer, oavsett vad deras hastighet. Detta var sant för Newtons
rörelselagar, men nu Einstein utvidgade idé att ta Maxwells teori. I
andra ord, eftersom Maxwells teori säger att ljusets hastighet har ett givet
värde, måste alla fritt rörliga observatörer mäter samma värde, ingen
roll hur snabbt de rör sig mot eller bort från sin källa. Denna enkla idé
förklarade-utan säkert användning av eter eller något annat
föredras referensram, innebörden av ljusets hastighet i Maxwells ekvationer, men
det hade också några anmärkningsvärda och ofta bakvända
konsekvenser.
Till exempel kravet på att alla observatörer måste komma överens om hur snabbt
ljuset färdas tvingar oss att ändra vår uppfattning om tid. Bild igen
fortkörning tåg. I kapitel 4, såg vi att även någon på tåget studsar en
pingisboll upp och ner kan säga att bollen reste onlya några inches, någon som
står på plattformen skulle uppfatta bollen som reser omkring 40 meter. Likaså om
observatören på tåget lyste
en ficklampa, skulle de två observatörerna oense på avståndet ljuset rest.
Eftersom hastigheten är avståndet dividerat med tiden, om de är oense om den
avstånd ljuset har färdats, är det enda sättet för dem att komma överens om
ljusets hastighet för dem att även oeniga om när resan har tagit. I
andra ord kräver relativitetsteorin oss att sätta stopp för idén om absolut tid!
Istället måste varje observatör ha sin egen mått
tid, som registrerats av en klocka bar med sig, och identiska klockor bärs av
olika bedömare behöver inte hålla med.
I relativitetsteorin finns det inget behov av att införa idén om en eter, vars
närvaro, som Michelson-Morley experiment visade, inte kan detekteras.
Istället tvingar relativitetsteorin oss att ändra grunden våra idéer om tid och
rum. Vi måste acceptera att tiden inte är helt separata
från och oberoende av utrymme men kombineras med den för att bilda ett föremål
som kallas rumtiden. Detta är inga lätta tankar att förstå. Relativitet tog år
att bli allmänt accepterad även inom fysik samhället. Det är ett bevis på
Einsteins fantasi om att han kunde tänka det, och
till hans förtroende i sin egen logik som han utarbetade dess konsekvenser trots
udda slutsatser mot vilken den tycktes vara ledande.
Det är en fråga om gemensamma erfarenheter som vi kan beskriva läget för en
punkt i rymden med tre siffror eller koordinater. Till exempel, kan vi
säga att en punkt i ett rum är sju meter från en vägg, tre meter från en annan,
och fem meter över golvet. Eller vi kan ange att en
punkten är vid en viss latitud, longitud och en viss höjd över havet. Vi är fria
att använda alla tre lämpliga koordinater, även om de
Sida 9
Stephen Hawking- Bild av universum
har endast ett begränsat antal giltighet. Det skulle inte vara praktiskt att
ange positionen för månen i form av miles norr och miles väster om Piccadilly
Circus och meter över havet. Istället kan vi beskriva den i termer av avstånd
från solen, avstånd från planet för planeternas banor,
och vinkeln mellan den linje som förbinder månen till solen och den linje som
förbinder solen till en närliggande stjärna som Proxima Centauri. Även dessa
Koordinaterna skulle inte vara till stor nytta för att beskriva läget för solen
i vår galax eller positionen av vår galax i den lokala gruppen av galaxer.
I själva verket kan vi beskriva hela universum i form av en samling överlappande
fläckar. I varje lapp, kan vi använda en annan uppsättning av tre
koordinater för att ange positionen för en punkt.
Koordinater i rymden
När vi säger att rymden har tre dimensioner, menar vi att det tar tre siffror
eller koordinater, för att ange en punkt. Om vi
lägger tid på vår
beskrivning, då utrymmet blir rumtiden, med fyra dimensioner.
I rumtid relativitet, alla händelser, det vill säga allt som händer vid en viss
punkt i rymden, och vid en viss tidpunkt, kan specificeras
med fyra siffror eller koordinater. Återigen är valet av koordinaterna
godtyckligt:
vi kan använda tre väldefinierade rumsliga koordinater och
eventuella
mått på tid. Men i relativitet finns det ingen verklig skillnad mellan utrymme
och tid koordinater, precis som det inte finns någon verklig skillnad mellan
helst två rymdkoordinater. Vi kunde välja en ny uppsättning koordinater som,
säg, var det första utrymmet koordinaten en kombination av den gamla 1.
och andra utrymmet koordinater. Så istället för att mäta positionen av en punkt
på jorden i miles norr om Piccadilly och miles väster om Piccadilly,
vi kunde använda miles nordost om Piccadilly och miles nordväst om Piccadilly.
På samma sätt kan vi använda en ny tid koordinat som var den gamla tiden (i
sekunder) plus avståndet (i ljus-sekunder) norr om Piccadilly
En annan välkänd följd av relativitetsteorin är likvärdiga massa och energi,
sammanfattas i Einsteins berömda ekvation E = mc2 (där E
är energi, m är massan, och c är ljusets hastighet). Människor använder ofta
denna ekvation för att beräkna hur mycket energi skulle bli fallet om, säg, en
bit
materia omvandlades till ren elektromagnetisk strålning. (Eftersom ljusets
hastighet är ett stort antal, är svaret en hel-vikt
roll omvandlas till energi i bomben som förstörde staden Hiroshima var mindre än
ett uns.) Men ekvationen också berättar att om
energi av ett objekt ökar, så ökar dess massa, dvs dess motståndskraft mot
acceleration, eller förändring i hastighet.
En form av energi är energin av rörelse, som kallas kinetisk energi. Precis som
det tar energi att få din bil att flytta, det tar energi att öka
hastighet av något föremål. Den kinetiska energin hos ett rörligt föremål är
identisk med energi måste förbruka för att orsaka den att röra sig. Därför, ju
snabbare en
objektet flyttas, desto mer kinetisk energi den har. Men enligt likvärdighet av
energi och massa, tillägger kinetisk energi till ett objekts
massa, så de snabbare ett objekt rör sig, desto svårare är det att ytterligare
öka objektets hastighet.
Denna effekt är verkligen signifikant endast för objekt som rör sig med
hastigheter nära ljusets hastighet. Till exempel, vid 10 procent av ljusets
hastighet, är anobject massa endast 0,5 procent mer än normalt, medan vid 90
procent av ljusets hastighet skulle det vara mer än två gånger dess normala
massa. Som ett
objekt närmar sig ljusets hastighet stiger dess massa allt snabbare, så det tar
mer och mer energi för att påskynda den ytterligare. Enligt
relativitetsteorin, kan ett objekt i själva verket aldrig når ljusets hastighet,
eftersom då dess massa skulle ha blivit oändlig, och av
likvärdighet av massa och energi, skulle det ha tagit en oändlig mängd energi
för att få det där. Detta är anledningen till att en normal objekt är alltid
begränsas av relativitetsteorin att röra sig långsammare än ljusets hastighet.
Endast ljus eller andra vågor som inte har någon inneboende massa, kan röra sig
med hastigheten
av ljus.
Einsteins 1905 relativitetsteorin kallas speciella relativitetsteorin. Det är
därför, även om det var mycket framgångsrik i att förklara att ljusets hastighet
var samma för alla observatörer och att förklara vad som händer när saker och
ting rör sig i hastigheter nära ljusets hastighet, det var förenligt med
Sida 10
Stephen Hawking- Bild av universum
Newtonska teorin om gravitationen. Newtons teori säger att vid varje given
tidpunkt objekt dras till varandra med en kraft som beror på
Avståndet mellan dem vid den tidpunkten. Detta innebär att om man flyttade ett
av objekten, skulle kraften på den andra förändras momentant. Om,
säga, solen plötsligt försvann, berättar Maxwells teori oss att jorden inte
skulle få mörkt i ca ytterligare åtta minuter (eftersom det är hur länge
det tar ljuset att nå oss från solen), men enligt Newtonsk gravitation, skulle
jorden omedelbart upphöra att känna solens attraktion och flyger ut
av omloppsbana. Den gravitationens inverkan av försvinnandet av solen skulle
således ha nått oss med oändlig hastighet, istället för vid eller under
hastighet
ljus, den speciella relativitetsteorin krävs. Einstein gjorde ett antal
misslyckade försök mellan 1908 och 1914 för att hitta en teori om
gravitation som var förenligt med speciella relativitetsteorin. Slutligen, år
1915, föreslog han ännu mer revolutionär teori vi nu kallar den allmänna teorin
om
relativity.6
Krökta rum
Einsteins allmänna relativitetsteorin baseras på de revolutionära förslaget att
gravitationen inte är en kraft som andra krafter, men en
konsekvens av det faktum att rumtiden är inte platt, såsom tidigare hade
antagits. I allmänna relativitetsteorin är rumtiden krökt eller "skev" av
distribution av massa och energi i den. Organ som jorden är inte gjorda för att
gå på böjda banor bv en kraft som kallas gravitation, utan de rör sig i
böjda banor eftersom de följer det närmaste en rak väg i en böjd yta, som kallas
en geodetisk. Tekniskt sett en
geodetisk definieras som den kortaste (eller längsta) vägen mellan två platser.
En geometrisk plan är ett exempel på en tvådimensionell platt utrymme, på vilken
geodesics är linjer. Ytan av jorden är en två-
dimensionell krökt utrymme. En geodetisk på jorden kallas en stor cirkel.
Ekvatorn är en stor cirkel. Så är alla andra cirkel på jordklotet som
centrum sammanfaller med centrum av jorden. (Termen "stor cirkel" kommer från
det faktum att dessa är de största cirklar du kan rita på
världen.) Eftersom geodetiska är den kortaste vägen mellan två flygplatser, är
detta den väg ett flygbolag navigator berättar piloten att flyga tillsammans.
Till exempel, du
kunde flyga från New York till Madrid genom att följa din kompass för 3.707
miles nästan rakt öster, längs deras gemensamma linje av latitud. Men du kan
få det i 3.605 miles om du flyger längs en storcirkel, rubrik 1. nordost, sedan
gradvis vänder österut och sedan sydost. Utseendet på
Dessa två vägar på en karta, där ytan av jordklotet har missuppfattats (planat
ut), är lura. När du flyttar "rak" öst är du
inte riktigt röra rakt, åtminstone inte direkt i den mening som den mest direkta
vägen, den geodetiska.
Avstånd på Globen
Det kortaste avståndet mellan två punkter på jorden är längs en stor cirkel, som
inte motsvarar en rät linje om du tittar på en lägenhet
karta.
I allmänna relativitetsteorin, organ alltid följa geodesics i fyrdimensionell
rumtid. I avsaknad av materia, dessa geodesics i fyra-
dimensionell rymd-tid motsvarar raka linjer i tredimensionella rymden. I närvaro
av materia, är fyra-dimensionell rymd-tid
förvrängd, vilket gör att vägar kroppar i tre-dimensionell rymd till kurvan på
ett sätt som i den gamla Newtonska teorin förklaras av
effekter av gravitationskraften. Detta är ungefär som att titta på ett flygplan
som flyger över kuperad terräng. Planet kan röra sig i en rak linje genom
tre-dimensionell rymd, men ta bort den tredje dimensionen, höjd-och du upptäcker
att dess skugga följer en krökt bana på den kuperade tvådimensionella
jord. Eller tänk ett rymdskepp som flyger i en rak linje genom rymden och
passerar direkt över Nordpolen. Projekt sin väg ner på två-
dimensionell jordytan och du tycker att det följer en halvcirkel, spåra en linje
av longitud över norra halvklotet. Även om
fenomen är svårare att bilden, kröker massan av solen rymd-tid på ett sådant
sätt att även jorden följer en rak bana i fyra-
dimensionell rymd-tid förefaller det oss att röra sig längs en nästan cirkulär
bana i tredimensionell space.Path av en rymdfarkost skuggar
Projiceras på den tvådimensionella världen, kommer banan av en rymdfarkost som
flyger längs en rät linje i rymden verkar böjda
Faktiskt, även om de är härledda annorlunda banor planeternas förutsägs av den
Sida 11
Stephen Hawking- Bild av universum
allmänna relativitetsteorin är nästan exakt desamma som de
förutsägs av den newtonska teorin om gravitationen. Den största avvikelsen är i
Merkurius omloppsbana, som är planeten närmast solen, känns
starkaste gravitationella effekter och har en ganska långsträckt elliptisk bana.
Allmänna relativitetsteorin förutsäger att den långa axeln av ellipsen ska
rotera
om solen med en hastighet av cirka en grad per tiotusen år. Små men denna effekt
är, hade man märkt (se kapitel 3) långt innan
1915, och den fungerade som en av de första bekräftelser av Einsteins teori.
Under de senaste åren, de ännu mindre avvikelser av banor av andra
planeter från Newtons förutsägelser har mätts med radar och fann att komma
överens med förutsägelser allmän relativitetsteori
Ljusstrålar måste också följa geodesics i rumtiden. Återigen innebär det faktum
att utrymmet är krökt att ljus inte längre verkar färdas i raka
linjer i rymden, så allmänna relativitetsteorin förutsäger att gravitationsfält
ska böja ljus. Till exempel, förutsäger teorin att vägen för ljus nära
sol skulle vara lätt böjda inåt, på grund av massan av solen. Detta innebär att
ljuset från en avlägsen stjärna som råkade passera nära solen
skulle böjas genom en liten vinkel, vilket gör att stjärnan ska visas i en annan
position för en observatör på jorden. Naturligtvis, om ljuset från
stjärnan alltid gått nära solen, skulle vi inte kunna avgöra om ljuset var som
böjs eller om i stället stjärnan var verkligen där vi
verkar se det. Men eftersom jorden banor runt solen, olika stjärnor verkar
passera bakom solen och har sitt ljus böjs. De
därför förändras deras uppenbara position i förhållande till andra
stars.Precession av Merkurius omloppsbana
Som Merkurius upprepade kretsar kring solen, roterar den långa axeln av sin
elliptiska bana långsamt, kommer cirkeln ungefär var 360.000 år
Bockning av ljus nära solen
När solen ligger nästan direkt mellan jorden och en avlägsen stjärna, böjer sitt
gravitationsfält stjärnans ljus, förändrar dess skenbara position.
Det är normalt mycket svårt att se denna effekt, eftersom ljuset från solen gör
det omöjligt att observera stjärnor som visas nära solen i
himmel. Det är dock möjligt att göra det under en solförmörkelse, då månen
blockerar solens ljus. Einsteins förutsägelse av ljus avböjning kan
inte testas omedelbart 1915, eftersom första världskriget pågick. Det var inte
förrän 1919 som en brittisk expedition, observera en
Eclipse från kusten i Västafrika, visade att ljuset verkligen avböjdes av solen,
precis som förutspåtts av teorin. Detta bevis av en tysk
teori av brittiska forskare hyllades som en stor handling av försoning mellan de
två länderna efter kriget. Det är ironiskt, därför att senare
undersökning av fotografier tagna på den expeditionen visade felen var lika stor
som effekten de försökte mäta. Deras
mätning hade varit ren tur, eller kanske ett fall av att veta det resultat de
ville få inte en ovanlig företeelse i vetenskapen. Ljuset
avböjning har emellertid blivit noggrant bekräftats av ett antal senare
observationer.
En annan förutsägelse av den allmänna relativitetsteorin är att tiden ska visas
för att köra långsammare nära en massiv kropp som jorden. Einstein först insåg
detta
år 1907, fem år innan han insåg att gravitation också ändrat form av utrymme,
och åtta år innan han avslutade sin teori. Han härstammar den
effekt med sin likvärdighetsprincipen, som spelade rollen i den allmänna
relativitetsteorin att den grundläggande postulat spelas i speciella teorin.
Minns att den grundläggande postulat speciella relativitetsteorin uppgav att
vetenskapens lagar bör vara samma för alla fritt rörliga observatörer, ingen
roll vilken hastighet de rör sig. Grovt sett utvidgar principen om likvärdighet
detta till de observatörer som inte fritt rörliga
men är under inflytande av ett gravitationsfält. I en exakt redogörelse för den
princip finns det några tekniska punkter, till exempel det faktum att om
gravitationsfält är inte enhetlig, måste du tillämpa principen separat till en
serie små, överlappande fläckar, men vi kommer inte att beröra oss
med det här. För våra syften, kan vi konstatera att principen på detta sätt: i
tillräckligt små delar av rymden, är det omöjligt att säga om du är i vila i ett
gravitationsfält eller jämnt accelerera i tomma rymden.
Föreställ dig att du befinner dig i en hiss i tomma rymden. Det finns ingen
gravitation, ingen "upp" och ingen "ned". Du flyter fritt. Nu hissen börjar
flytta med konstant acceleration. Du känner plötsligt vikt. Det är, du känner en
Sida 12
Stephen Hawking- Bild av universum
dragning mot ena änden av hissen verkar som plötsligt till dig att
vara golvet! Om du nu hålla ut ett äpple och släppa taget, sjunker den till
golvet. Faktum är nu att du accelererar, allt som händer inne i
hiss kommer att utvecklas precis som den skulle om hissen inte rör sig alls, men
i vila på ett enhetligt gravitationsfält. Einstein insåg att precis som du
kan inte säga inifrån ett tåg om du flyttar enhetligt, du också inte kan berätta
inifrån hissen om du är jämnt
accelererar eller i en enhetlig gravitationsfält. Resultatet var hans
likvärdighetsprincipen.
Likvärdighetsprincipen, och ovanstående exempel på det, är sant bara om
tröghetsmassa (massan i Newtons andra lag som bestämmer hur
mycket du accelererar som svar på en kraft) och gravitationell massa (massan i
Newtons gravitationslag som bestämmer hur mycket gravitations
tvingar dig att känna) är samma sak (se kapitel 4). Det beror om båda typer av
massa är desamma, då alla objekt i ett gravitationsfält faller
i samma takt, oavsett vad deras massa. Om denna likvärdighet inte var sant,
sedan under inverkan av tyngdkraften vissa objekt skulle falla snabbare än
andra, vilket skulle innebära att du kan urskilja gravitationskraften från en
enhetlig acceleration där allt faller i samma takt.
Einsteins användning av likvärdiga tröga och gravitationell massa att härleda
hans likvärdighetsprincipen och så småningom hela den allmänna
relativitetsteorin,
uppgår till en obeveklig marsch logiska resonemang oöverträffad i historien om
människans tänkande.
Nu när vi vet likvärdighetsprincipen, kan vi börja att följa Einsteins logik
genom att göra en annan tankeexperiment som visar varför tiden
skall påverkas av tyngdkraften. Föreställ dig en raket ut i rymden. För
enkelhetens skull tänka mig att raketen är så lång att ljuset tar en sekund
att korsa den från topp till botten. Slutligen antar att det finns en observatör
vid tak raketen och en annan på golvet, var och en med samma
klockor som tickar fram en gång varje sekund.
Antag taket observatörer w aits för klockan att kryssa, och sedan omedelbart
skickar en ljussignal ner till golvet observatör. Taket
observatör gör detta en gång nästa gång klockan fästingar. Enligt denna
inställning, reser varje signal i en sekund och sedan tas emot av
golv observatör. Så precis som taket observatör skickar två ljussignaler en
sekunds mellanrum får golvet observatören två, en sekunds mellanrum.
Hur skulle denna situation skiljer sig om raketen vilade på jorden, under
inflytande av tyngdkraften, i stället för att flyta fritt ut i rymden?
Enligt Newtons teori, har tyngdkraften ingen effekt på denna situation. Om
observatören på taket skickar signaler en sekunds mellanrum, betraktaren kommer
emot dem en sekunds mellanrum. Men principen om likvärdighet inte göra samma
förutsägelse. Vi kan se vad som händer, säger denna princip
oss, genom att betrakta verkan av likformig acceleration stället för verkan av
tyngdkraften. Detta är ett exempel på hur Einstein använde principen
likvärdighet skapa sin nya teori om gravitation.
Så låt oss nu anta att raketen accelererar. (Vi kommer att tro att det
accelererar långsamt, så vi inte närma ljusets hastighet!)
Eftersom den raketen rör sig uppåt, kommer den första signalen har mindre
avstånd att färdas än tidigare och så anländer tidigare än en sekund senare. Om
den raketen rörde sig med konstant hastighet skulle den andra signalen anländer
exakt samma tid förr, så tiden mellan
två signaler skulle förbli en sekund. Men på grund av accelerationen, kommer
raketen att röra ännu snabbare när den andra signalen sänds än det
var när den första signalen sändes, så den andra signalen kommer att ha ännu
mindre avstånd att färdas än den första och kommer att anlända i ännu mindre
tid. Den
observatör på golvet kommer därför mäta mindre än en sekund mellan signalerna,
inte instämmer med taket observatör, som påstår sig ha
skickade dem exakt en sekund isär.
Detta är förmodligen inte uppseendeväckande när det gäller den accelererande
raket fartyg trots allt, vi bara förklarade det! Men kom ihåg, att principen om
likvärdighet
säger att det också gäller en raket i vila i ett gravitationsfält. Det betyder
att även om raketen inte accelererar, men säg, sitter
på en språngbräda på jordens yta, om taket observatören skickar signaler mot
golvet med intervall på en varje sekund (enligt hans
klocka) kommer golvet observatör emot signalerna med kortare mellanrum (enligt
hans klocka). Det är häpnadsväckande!
Sida 13
Stephen Hawking- Bild av universum
Du kan fortfarande fråga om detta innebär att gravitation förändras tiden, eller
om det bara ruiner klockor. Antag golvet observatören klättrar upp till
taket, där han och hans partner jämföra deras klockor. De är identiska klockor,
och visst kommer båda observatörerna finna att de nu komma överens om
längden av en sekund. Det är inget fel med golvet observatör klocka: det mäter
lokal flödet av tid, varhelst det råkar vara. Så bara
som speciella relativitetsteorin berättar att tiden går olika för observatörer i
relativ rörelse, berättar allmän relativitetsteori oss att tiden går olika för
observatörer
vid olika höjder i ett gravitationsfält. Enligt allmänna relativitetsteorin,
mätt golvet observatör mindre än en sekund mellan signalerna
eftersom tiden går långsammare närmare jordytan. Ju starkare fältet, desto
större denna effekt. Newtons rörelselagar sätta stopp för
idén om absoluta position i rymden. Vi har nu sett hur relativitetsteorin gör
sig av absolut tid.
Denna förutsägelse testades i 1962, med användning av ett par av mycket
noggranna klockor monterade vid toppen och botten av ett vattentorn. Klockan på
botten,
som var närmare jorden, visade sig köra långsammare, i exakt överensstämmelse
med den allmänna relativitetsteorin. Effekten är en liten en-en klocka på ytan
av
solen skulle få bara en minut per år jämfört med en på ytan av jorden. Men med
tillkomsten av mycket noggrann navigering
system baserade på signaler från satelliter, är skillnaden i hastighet av
klockor på olika höjd över jorden nu av betydande praktisk
betydelse. Om du ignorerade förutsägelser allmänna relativitetsteorin, den
position som du räknat skulle vara fel av flera miles!
Våra biologiska klockor är lika påverkas av dessa förändringar i flödet av tid.
Tänk ett par tvillingar. Antag att en tvilling går att leva på
toppen av ett berg, medan de andra vistelser vid havsnivå. Den första tvilling
skulle åldras snabbare än den andra. Om sålunda, möttes igen, skulle man vara
äldre
än den andra. I detta fall skulle skillnaden i åldrarna är mycket liten, men det
skulle vara mycket större om en av tvillingarna gick för en lång resa i en
rymdskepp där han accelererade till nästan ljusets hastighet. När han återvände,
skulle han vara mycket yngre än den som bodde på jorden.
Detta kallas tvillingarna paradox, men det är en paradox endast om du har tanken
på absolut tid på baksidan av ditt sinne. I relativitetsteorin
det finns ingen unik absolut tid, utan har varje individ sin egen personliga
tidsmått som beror på var han är och hur han är
rörelse.
Före 1915 var tid och tänkt som en fast arena där händelserna ägde rum, men som
inte påverkades av vad som hände i den. Detta
gällde även den speciella relativitetsteorin. Kroppar flyttas, krafter lockas
och stöts, men tid och rum bara fortsatt opåverkade. Den
var det naturligt att tro att rymden och tiden gick evigt. Situationen är dock
helt annorlunda i den allmänna relativitetsteorin. Rum och tid
nu dynamiska storheter: När en kropp rör sig eller en agerar kraft, påverkar det
krökning av rymd och tid och i sin tur struktur rumtiden
påverkar det sätt på vilket organ flytta och krafter verkar. Rum och tid inte
bara påverkar utan också påverkas av allt som händer i univ
ERSE. Precis som vi inte kan tala om händelser i universum utan begreppen tid
och rum, så i allmän relativitetsteori blev meningslöst att
tala om tid och rum utanför gränserna för universum. Under årtiondena efter 1915
var detta ny förståelse av tid och rum till
revolutionera vår syn på universum. Som vi kommer att se, den gamla idén om en i
huvudsak oföränderlig universum som kunde ha funnits för evigt, och kan
fortsätter att existera för evigt, ersattes av begreppet en dynamisk,
expanderande universum som tycktes ha börjat en ändlig tid sedan och som
kan sluta vid en ändlig tid i future.7
DEN expanderande universum
Om man tittar på himlen en klar, månlös natt, den ljusaste objekten du ser är
sannolikt planeterna Venus, Mars, Jupiter och Saturnus.
Det kommer också att finnas ett mycket stort antal stjärnor, som är precis som
vår egen sol men mycket längre från oss. Vissa av dessa fasta stjärnor gör i
själva verket,
verkar ändras mycket litet sina positioner i förhållande till varandra som
jorden kretsar runt solen. De är egentligen inte fast alls! Detta är
eftersom de är jämförelsevis nära till oss. Eftersom jorden går runt solen, ser
Sida 14
Stephen Hawking- Bild av universum
vi närmare stjärnor från olika positioner mot
bakgrund av mer avlägsna stjärnor. Effekten är densamma som du ser när du kör
ner en öppen väg och de relativa positionerna för närliggande
träd verkar ändra mot bakgrund av allt som är på horisonten. Ju närmare träden,
desto mer verkar de flytta. Denna förändring i
relativa position kallas parallax. (Se bild på sidan 52.) När det gäller
stjärnor är det tur, eftersom det ger oss möjlighet att mäta direkt
avstånd av dessa stjärnor från oss.
Som vi nämnde i kapitel 1, är den närmaste stjärnan, Proxima Centauri, ungefär
fyra ljusår, eller 23 miljoner miljoner miles, bort. De flesta av
de andra stjärnor som är synliga för blotta ögat ligger inom några hundra ljusår
från oss. Vår sol, som jämförelse, är bara åtta ljus-minuter
bort! De synliga stjärnorna återfinns spridda över hela natthimlen, men är
särskilt koncentrerade till ett band som vi kallar Vintergatan. Så länge sedan
som 1750, har vissa astronomer tyder på att utseendet på Vintergatan kan
förklaras om de flesta av de synliga stjärnor ligger i ett enda
disklike konfiguration, ett exempel på vad vi nu kallar en spiralgalax. Bara
några decennier senare bekräftade astronomen Sir William Herschel
denna idé genom att mödosamt katalogisering positioner och avstånd av ett stort
antal stjärnor. Ändå fick denna idé helt acceptans endast
i början av nittonhundratalet Vi vet nu att Vintergatan-vår galax-är cirka
100.000 ljusår tvärs över och långsamt roterande;
stjärnorna i sin spiralarmar omloppsbana runt sitt centrum ungefär en gång per
några hundra miljoner år. Vår sol är bara en vanlig, medelstor gul
stjärna nära den inre kanten av en av spiralarmarna. Vi har kommit säkert en
lång väg sedan Aristoteles och Ptolemaios, när vi trodde att jorden
var centrum av universum!
Vår moderna bilden av universum går tillbaka bara för 1924, när den amerikanska
astronomen Edwin Hubble visade att Vintergatan var
inte den enda galaxen. Han fann i själva verket många andra med vidsträckta
tomma utrymmet mellan dem. För att bevisa detta, behövde Hubble till
bestämma avstånd från jorden till andra galaxer. Men dessa galaxer var så långt
borta att, till skillnad närliggande stjärnor, deras positioner verkligen
verkar fast. Eftersom Hubble inte kunde använda parallaxen på dessa galaxer, var
han tvungen att använda indirekta metoder för att mäta deras avstånd. En
uppenbara mått på en stjärnas avstånd är dess ljusstyrka. Men den skenbara
ljusstyrkan av en stjärna beror inte bara på dess avstånd, men också på hur
mycket
tända den utstrålar (dess luminositet). En svag stjärna, om nära nog kommer
överglänsa den ljusstarkaste stjärnan i en avlägsen galax. Så för att kunna
använda uppenbara
ljusstyrka som ett mått på dess avstånd, måste vi veta en stjärnas luminositet.
Ljusstyrkan av närliggande stjärnor kan beräknas från deras synbara ljusstyrkan
eftersom deras parallaxen gör att vi kan känna sin distance.Parallax
Oavsett om du flyttar en väg eller genom rymden, den relativa positionen för
närmare och längre föremål ändras när du går Ett mått på det
förändring kan användas för att bestämma det relativa avståndet av föremålen
Hubble noterade att dessa närliggande stjärnor kan delas in i vissa typer av den
typ av ljus de avger. Samma typ av stjärnor har alltid
Samma ljusstyrka. Han hävdade då att om vi hittade dessa typer av stjärnor i en
avlägsen galax, skulle vi anta att de hade samma ljusstyrka som
liknande Stjärnor närheten. Med den informationen kan vi beräkna avståndet till
den galax. Om vi
kunde göra detta för ett antal stjärnor i samma galax
och våra beräkningar gav alltid samma avstånd, vi kunde vara ganska säker på vår
uppskattning. På detta sätt arbetade Hubble ut avstånden till
nio olika galaxer.
Idag vet vi att stjärnor som är synliga för blotta ögat utgör bara en minut
bråkdel av alla stjärnor. Vi kan se om 5000 stjärnor, endast
cirka 0,0001 procent av alla stjärnor på bara vår egen galax, Vintergatan.
Vintergatan själv är bara en av mer än 100 miljarder galaxer som
kan ses med hjälp av moderna teleskop-och varje galax innehåller i genomsnitt
cirka 100 miljarder stjärnor. Om en stjärna skulle en nypa salt, du
skulle kunna passa alla stjärnor som är synliga för blotta ögat på en tesked,
men alla stjärnor i universum skulle fylla en boll mer än åtta miles bred.
Stjärnor är så långt bort att de verkar för oss att vara bara pekar av ljus. Vi
kan inte se deras storlek eller form. Men som Hubble upptäckte, finns
många olika typer av stjärnor, och vi kan skilja dem åt genom färgen på deras
ljus. Newton upptäckte att om ljuset från solen passerar genom en
triangulära glasbit som kallas ett prisma, bryter upp i sina beståndsdelar
Sida 15
Stephen Hawking- Bild av universum
färger i en regnbåge. De relativa intensiteterna för de utsända olika färger
av en given ljuskälla kallas dess spektrum. Genom att fokusera ett teleskop på
en enskild stjärna eller galax, kan man observera spektrum av ljuset
från stjärna eller galax.
En sak detta ljus berättar är temperaturen. År 1860 insåg den tyska fysikern
Gustav Kirchhoff att alla materiella kroppen, t.ex. en stjärna, kommer att ge
av ljus eller annan strålning vid upphettning, precis som kol glöd när de
upphettas. Ljuset sådana glödande föremål avger beror på termisk rörelse
av atomerna inom dem. Det kallas svartkroppsstrålning (även om de glödande
föremål är inte svart). Spektrumet av svartkroppsstrålning är
svårt att misstag: den har en distinkt form som varierar med temperaturen i
kroppen. Det ljus som avges av en glödande föremål är därför som en
termometer läsning. Spektrumet vi observerar från olika stjärnor är alltid i
exakt denna form: det är ett vykort av den termiska tillstånd att star.Stellar
Spectrum
Genom att analysera de ingående färger stjärnljus, kan man bestämma både
temperaturen hos en stjärna och sammansättningen av dess atmosfär.
Om vi
tittar närmare, säger starlight oss ännu mer. Vi finner att vissa mycket
specifika färger saknas, och dessa saknade färger kan variera från
stjärna till stjärna. Eftersom vi vet att varje kemiskt grundämne absorberar en
karakteristisk uppsättning av mycket specifika färger, genom att matcha dessa
till dem som är
saknas en stjärnas spektrum kan vi bestämma exakt vilka element som är
närvarande i den stjärnans atmosfär.
Svartkroppsspektrum
Alla föremål, inte bara stjärnor-utsänder strålning till följd av den termiska
rörelsen hos föremål "mikroskopiska beståndsdelar Fördelningen av frekvenser i
denna strålning är karakteristiskt för ett objekts temperatur
På 1920-talet, när astronomer började titta på spektra av stjärnor i andra
galaxer, fann de något som de flesta märkliga: det var samma
karakteristiska mönster av saknade färger som för stjärnor i vår egen galax, men
de var alla förskjutits mot den röda änden av spektrat av samma
relativ mängd.
För fysiker är förskjutning av färg eller frekvens kallas dopplereffekt. Vi är
alla bekanta med den i sfären av ljudet. Lyssna på en bil
passerar på vägen: när den närmar dess motor eller dess horn-ljud på en högre
tonhöjd och efter det blir godkänt och är på väg bort, det låter på en lägre
tonhöjd. Ljudet av dess motor eller horn är en våg, en följd av toppar och
dalar. När en bil racing mot oss, kommer det att vara progressivt närmare
för oss som den avger varje successiv vågtopp, så att avståndet mellan
vågtoppar-våglängden för ljud-blir mindre än om bilen
var stillastående. Ju mindre våglängd, desto mer av dessa fluktuationer nå vårt
öra varje sekund, och ju högre tonhöjd eller frekvens av thesound. Motsvarande
sätt, om bilen är på väg bort från oss, kommer våglängden vara större och
vågorna når vårt öra med en lägre frekvens
Ju snabbare bilen rullar, desto större effekt, så att vi kan använda
Dopplereffekten att mäta hastigheten. Beteendet hos ljus eller radiovågor är
liknande. Faktum är att polisen utnyttjar Dopplereffekten att mäta hastigheten
av bilar genom att mäta våglängden av pulser av radiovågor
reflekteras dem.
Som vi noterade i kapitel 5, är våglängden för synligt ljus extremt liten, från
40 till 80-miljondelar av en centimeter. De olika
ljusvåglängder är vad det mänskliga ögat ser som olika färger, med de längsta
våglängderna visas i den röda delen av spektrumet och
kortaste våglängderna i den blå delen. Nu föreställa sig en ljuskälla på ett
konstant avstånd från oss, såsom en stjärna, avger vågor av ljus vid en
konstant våglängd. Våglängden av vågorna vi får kommer att vara densamma som den
våglängd vid vilken de avges. Sedan anta att
källa börjar röra sig bort från oss. Såsom i fallet med ljud, innebär detta att
ljuset kommer att ha sin våglängd långsträckt, och därmed dess spektrum
kommer att förskjutas mot den röda änden av spektrumet.
Under åren efter hans bevis för existensen av andra galaxer, spenderade Hubble
sin tid katalogisering deras avstånd och observera deras spektra.
På den tiden de flesta förväntade galaxerna röra runt ganska slumpmässigt, och
så Hubble förväntas hitta så många blueshifted spektra
som röd-skiftade sådana. Det var en överraskning, därför att finna att de flesta
galaxer verkade röd skiftat: nästan alla var på väg bort från oss! Mer
överraskande var fortfarande slutsatsen att Hubble publicerades i 1929: även
storleken på en galax röda skift är inte slumpmässigt utan är direkt
Sida 16
Stephen Hawking- Bild av universum
proportionell mot
galaxens avstånd från oss. Med andra ord är längre en galax, desto snabbare rör
sig bort! Och det betydde att universum inte kunde vara statisk eller
oföränderlig i storlek, som alla tidigare trott. Det är faktiskt expanderar,
avståndet mellan de olika galaxerna ökar hela tiden.
Dopplereffekt
När en våg källa rör sig mot en observatör, dess vågor verkar ha en kortare
våglängd Om vågkällan rör sig bort, dess vågor visas
att ha en längre våglängd. Detta kallas Dopplereffekten
Upptäckten att universum expanderar var en av de stora intellektuella
revolutioner av det tjugonde århundradet. Med facit i hand är det lätt att
undrar varför ingen hade tänkt på det förut. Newton och andra borde ha insett
att en statisk universum skulle vara instabil, för det finns ingen
jämförbar repulsiv kraft att balansera gravitationskraft att alla stjärnor och
galaxer utövar på varandra. Även om någon gång i
universum hade varit statisk, skulle det inte ha legat stilla eftersom det
ömsesidiga dragningskraft på alla stjärnor och galaxer skulle snart ha
började upphandlande. Faktum är att även om universum expanderar ganska
långsamt, skulle tyngdkraften orsaka det så småningom att sluta expandera, och
det
skulle börja avtal. Men om universum expanderar snabbare än en viss kritisk
hastighet, skulle gravitationen aldrig tillräckligt stark för att stoppa det,
och det w Ould fortsätter att expandera för evigt. Detta är lite som vad som
händer när du skjuter en raket uppåt från jordytan. Om raketen har
en ganska låg hastighet, kommer gravitationen stannar till slut, och det kommer
att börja falla tillbaka. Å andra sidan, om raketen har mer än en viss kritisk
hastighet
(Cirka sju miles per sekund), kommer gravitationen inte vara stark nog att dra
tillbaka, så det kommer att hålla på väg bort från jorden för evigt.
Detta beteende av universum kunde ha förutsetts av Newtons teori om
gravitationen när som helst i det nittonde, den artonde, eller ens
sen sextonhundratalet. Men så stark var tron
på en statisk värld att
framhärdade i början av nittonhundratalet. Även Einstein, när han
formulerade den allmänna relativitetsteorin 1915, var så säker på att universum
skulle vara statiskt att han ändrade sin teori att göra detta möjligt genom
införa en fudge faktor, kallad den kosmologiska konstanten, i hans ekvationer.
Den kosmologiska konstanten har effekten av en ny "antigravitation"
kraft, som till skillnad från andra krafter, kom inte från någon särskild
leverantör men inbyggd i själva strukturen i rumtiden. Som ett resultat av denna
nya
kraft hade rumtiden en inbyggd tendens att expandera. Genom att justera den
kosmologiska konstanten, kan Einstein justera styrkan i denna tendens. Han
fann han kunde anpassa den till exakt balansera ömsesidig attraktion för all
materia i universum, så skulle en statisk universum uppstå. Han lovat senare
den kosmologiska konstanten, kallar detta fuskverk faktor hans "största
misstag". Som vi snart ser vi i dag har anledning att tro att han kan ha
varit rätt att införa det trots allt. Men vad som måste ha besvikna Einstein var
att han hade låtit sin tro på en statisk värld att åsidosätta vad
hans teori tycktes förutsäga: att universum expanderar. Endast en människa,
tycks det, var villig att ta denna förutsägelse av den allmänna
relativitetsteorin på
nominella värdet. Medan Einstein och andra fysiker letade efter sätt att undvika
allmänna relativitetsteorin är nonstatic universum, den ryska fysiker och
matematikern Alexander Friedmann in i stället om att förklara det.
Friedmann gjort två mycket enkla antaganden om universum: att universum ser
identisk oavsett vilken riktning vi ser, och att detta
skulle också vara sant om vi observera universum från någon annanstans. Från
dessa två idéer enbart visade Friedmann, genom att lösa
ekvationer allmän relativitetsteori, att vi inte bör förvänta universum vara
statiskt. I själva verket, i 1922, flera år innan Edwin Hubbles upptäckt,
Friedmann förutspådde exakt vad Hubble senare fann!
Antagandet att universum ser likadant ut i alla riktningar är uppenbarligen inte
riktigt sant i verkligheten. Till exempel som vi har noterat, otherstars i vår
galax utgör en distinkt band av ljus över natthimlen som kallas Vintergatan. Men
om vi tittar på avlägsna galaxer, det verkar vara mer
eller mindre samma antal av dem i alla riktningar. Så universum verkar vara
ungefär densamma i alla riktningar, förutsatt att vi visa det på
stor skala jämfört med avståndet mellan galaxerna, och ignorera skillnader på
små skalor. Föreställ stående i en skog där
Sida 17
Stephen Hawking- Bild av universum
träd växer i slumpmässiga platser. Om du tittar i en riktning, kan du se
närmaste träd på ett avstånd av en meter. I en annan riktning, den
närmaste träd kan vara tre meter bort. I en tredje riktning, kan du se en
träddunge vid två meter. Det verkar inte som om skogen ser
samma i alla riktningar, men om du skulle ta hänsyn till alla träd inom en
kilometers radie, skulle dessa typer av skillnader jämna ut och
skulle du finna att skogen är densamma i den riktning du tittar.
Isotropic Skog
Även om träden i en skog jämnt fördelade, kan närliggande träd visas klungade.
Likaså ser universum inte enhetlig i vår lokala
grannskapet, men på stora skalor vår syn verkar identiska oavsett vilken
riktning vi ser.
Under lång tid var det jämn fördelning av stjärnor tillräcklig motivering för
Friedmann antagande-som en grov uppskattning till den verkliga
universum. Men mer nyligen en lycklig olycka avslöjade ett annat avseende som
Friedmann antagande är faktiskt en anmärkningsvärt exakt
beskrivning av vårt universum. 1965, två amerikanska fysiker vid Bell Telephone
Laboratories i New Jersey, Arno Penzias och Robert Wilson,
testade en mycket känslig mikrovåg detektor. (Kom ihåg att mikrovågor är precis
som ljusvågor, men med en våglängd på cirka en centimeter.)
Penzias och Wilson var oroliga när de fann att deras detektor plocka upp mer
buller än det borde. De upptäckte fågelspillning i
deras detektor och kontrolleras för andra möjliga fel, men de snart styrde ut
dem. Bullret var egendomligt att det var samma dag
och natt och under hela året, trots att jorden roterar kring sin axel och
kretsar runt solen. Eftersom jordens rotation och omloppsbana
pekade detektorn i olika riktningar i rummet, avslutade Penzias och Wilson att
ljudet kom från utanför solsystemet och
även från utanför galaxen. Det tycktes komma lika från alla håll i rymden. Vi
vet nu att i den riktning vi ser detta
buller aldrig varierar mer än en bråkdel så Penzias och Wilson hade omedvetet
snubblat över ett slående exempel på Friedmann första
antagandet att universum är densamma i alla riktningar.
Vad är ursprunget till denna kosmiska bakgrundsbrus? Vid ungefär samma tid som
Penzias och Wilson utredde buller i sin detektor,
två amerikanska fysiker vid närliggande Princeton University, Bob Dicke och Jim
Peebles, var också med intresse för mikrovågor. De var
arbetar på ett förslag, från George Gamow (en gång en student av Alexander
Friedmann), att den tidiga universum borde ha varit mycket varmt och
tät, glödande vit varm. Dicke och Peebles hävdade att vi fortfarande ska kunna
se skenet av det tidiga universum, eftersom ljus från mycket
avlägsna delar av det skulle bara vara att nå oss. Innebar dock expansionen av
universum som detta ljus ska vara så mycket röd-skiftade
att det förefaller oss nu som mikrovågsstrålning, snarare än synligt ljus. Dicke
och Peebles förberedde att leta efter denna strålning när
Penzias och Wilson hörde om deras arbete och insåg att de redan hade hittat den.
För detta har Penzias och Wilson Nobelpriset
i 1978 (vilket verkar lite hårt på Dicke och Peebles, för att inte tala Gamow).
Vid en första anblick, allt detta bevis på att universum ser likadan oavsett
vilken riktning vi ser i kan tyckas att föreslå att det är något
utmärkande om vår plats i universum. I synnerhet kan det tyckas att om vi
betraktar alla andra galaxer som rör sig bort från oss, då måste vi
vara i centrum av universum. Det finns dock en alternativ förklaring: universum
kan se på samma sätt i alla riktningar sett från alla
andra galax också. Detta är, som vi har sett, var Friedmann andra antagande.
Vi har inga vetenskapliga bevis för eller emot den andra antagandet. Århundraden
sedan, skulle kyrkan ha ansett antagandet kätteri,
eftersom kyrkans lära uppgav att vi intar en särskild plats i centrum av
universum. Men idag tror vi Friedmann antagande för
nästan motsatt anledning, ett slags blygsamhet: vi anser att det skulle vara
mest anmärkningsvärda om universum såg samma i varje riktning omkring oss
men inte runt andra punkter i universum!
I Friedmann modell av universum, är alla galaxer rör sig direkt bort från
varandra. Situationen är snarare som en ballong med en
antal punkter målade på den stadigt sprängdes. Eftersom ballongen expanderar, är
avståndet mellan två fläckar ökar, men det ingen fläck
som kan sägas vara centrum för expansionen. Såsom radien av ballongen stadigt
ökar, desto längre isär fläckarna på
ballong, desto snabbare kommer de att flytta isär. Anta exempelvis att radien av
Sida 18
Stephen Hawking- Bild av universum
ballongen fördubblas under en sekund. Två platser som var
tidigare en centimeter isär nu kommer att vara två centimeter från varandra
(mätt längs ytan av ballongen), så deras relativa hastighet är en
centimeter per sekund. Å andra sidan kommer ett par av fläckar som separerades
med tio centimeter nu separeras med 20, så att deras relativa
hastigheten kommer att vara tio centimeter per sekund. Även i Friedmann modell
den hastighet med vilken som helst två galaxer rör isär är proportionell tothe
avståndet mellan dem, så han förutspådde att den röda förskjutningen av en galax
bör vara direkt proportionell mot dess avstånd från oss, precis som Hubble
hittades. Trots framgångarna med hans modell och hans förutsägelse av Hubbles
observationer förblev Friedmann arbete till stor del okända i väst förrän
liknande modeller upptäcktes 1935 av den amerikanske fysikern Howard Robertson
och den brittiska matematikern Arthur Walker, som svar på
Hubbles upptäckt av den enhetliga universums expansion.
Den expanderande ballong Universe
Som en följd av expansionen av universum, är alla galaxer rör sig direkt bort
från varandra över tiden, som fläckar på en blåsa ballong,
galaxer som längre är isär öka deras separation mer än närmare galaxer Därför
att en observatör i en given galax, mer avlägsna en
galax är, desto snabbare tycks vara på väg
Friedmann härrör endast en modell av universum. Men om hans antaganden är
korrekta, det finns faktiskt tre möjliga typer av lösningar
Einsteins ekvationer, det vill säga tre olika typer av Friedmann modeller-och
tre olika sätt universum kan bete sig.
I den första typen av lösning (som Friedmann hittades), är universum expanderar
tillräckligt långsamt att dragningskraft mellan
olika galaxer gör expansionen att sakta ner och så småningom sluta. Galaxerna
börjar sedan röra sig mot varandra, och universum
kontrakt. I den andra typen av lösning, universum expanderar så snabbt att
gravitationskraften inte kan stoppa det, även om det inte sakta
ner lite. Slutligen, finns det en tredje typ av lösning, i vilken universum
expanderar bara tillräckligt snabbt för att undvika kollaps.
Den hastighet med vilken den
galaxer rör isär blir mindre och mindre, men aldrig riktigt når noll.
Ett anmärkningsvärt inslag i den första typen av Friedmann modellen är att i det
universum inte är oändligt i rymden, men heller inte utrymme någon
gräns. Gravity är så stark att utrymmet är böjd runt på sig själv. Detta är
ungefär som ytan av jorden, som är ändlig, men har ingen gräns. Om
du håller färdas i en viss riktning på ytan av jorden, kommer du aldrig upp mot
en oframkomlig barriär eller faller över kanten, och du
så småningom komma tillbaka till där du började. I denna modell finns utrymme
precis som här, men med tre dimensioner i stället för två för jordens yta. Den
Tanken att man kunde gå rätt runt universum och hamnar där du började gör bra
science fiction, men det har inte mycket praktisk
betydelse, eftersom det kan visas att universum skulle kollapsa till noll
storlek innan du kan få runt. Det är så stor, skulle du behöva
färdas snabbare än ljuset för att hamna där du började innan universum kom till
slut, och det är inte tillåtet! Space också krökt i
2. Friedmann modell, fast på ett annat sätt. Endast den tredje
Friedmann-modellen motsvarar ett universum vars storskalig geometri är platt
(Även om utrymmet är fortfarande krökt, eller skev, i närheten av massiva
objekt).
Vilken Friedmann modellen beskriver vårt universum? Kommer universum sluta så
småningom expanderar och startar upphandlande, eller kommer den att expandera
för evigt?
Det visar sig att svaret på denna fråga är mer komplicerad än forskarna först
trodde. Den mest grundläggande analysen beror på två saker:
nuvarande graden av universums expansion, och dess nuvarande medeldensitet
(mängden materia i en given volym av utrymme). Ju snabbare den nuvarande
expansionstakt, desto större gravitationskraften som krävs för att stoppa den,
och därmed större densitet av materia behövs. Om den genomsnittliga densiteten
är
större än ett visst kritiskt värde (bestäms av graden av expansion), kommer den
gravitationella attraktion materia i universum lyckas
stoppa dess expansion och bringa den att kollapsa-motsvarar den första Friedmann
modellen. Om den genomsnittliga densiteten är lägre än det kritiska värdet,
det inte finns tillräckligt gravitationskraft för att stoppa expansionen och
universum kommer att expandera för evigt-motsvarande Friedmann andra modell.
Och om genomsnittlig täthet av universum är exakt det kritiska numret, då
Sida 19
Stephen Hawking- Bild av universum
universum kommer alltid bromsa expansionen, allt gradvis
närmar men aldrig når, en statisk storlek. Detta motsvarar den tredje Friedmann
modellen.
Så vilket är det? Vi kan bestämma den nuvarande expansionstakt genom att mäta
hastigheter vid vilka andra galaxer rör sig bort från oss,
med dopplereffekt. Detta kan göras mycket noggrant. Men avstånden till galaxerna
inte mycket väl känt eftersom vi kan
mäta dem endast indirekt. Så allt vi vet är att universum expanderar med mellan
5 procent och 10 procent vart miljard år. Vår
osäkerhet om den nuvarande genomsnittlig täthet av universum är ännu större. Men
om vi lägger upp den stora massan av alla de stjärnor som vi kan se i vår
galax och andra galaxer, är den totala mindre än en hundradel av den mängd som
krävs för att stoppa utbyggnaden av universum, även för den lägsta
uppskattning av expansionstakten.
Men det är inte hela sanningen. Vår galax och andra galaxer måste också
innehålla en stor mängd "mörk materia" som vi inte kan se direkt butwhich vi vet
måste vara där på grund av påverkan av sin dragningskraft på banor stjärnor i
galaxer. Kanske det bästa beviset
detta kommer från stjärnorna i utkanten av spiralgalaxer som vår Vintergatan.
Dessa stjärnor kretsa sina galaxer mycket för fort att hållas i
bana enbart genom den gravitationella attraktion av de observerade galaktiska
stjärnor. Dessutom är de flesta galaxer finns i kluster, och vi kan på liknande
sluta
förekomsten av ännu mer mörk materia mellan galaxerna i dessa kluster av dess
effekt på rörelse galaxerna. I själva verket, mängden av mörka
materia överstiger kraftigt antalet vanlig materia i universum. När vi lägger
ihop allt detta mörka materien får vi fortfarande bara omkring en tiondel av
mängd frågor som krävs för att stoppa expansionen. Men det kan också vara andra
former av mörk materia, fördelade nästan jämnt hela
universum, att vi ännu inte har upptäckt och som kan höja den genomsnittliga
tätheten av universum ännu mer. Till exempel, det finns en typ av
elementär partikel som kallas neutrino, som interagerar mycket svagt med materia
och är extremt svårt att upptäcka (en ny neutrino experiment
anställda en underjordisk detektor fylld med 50.000 ton vatten). Neutrinon
vanligtvis trott masslösa, och därför att inte ha någon
gravitationell attraktion, men experiment under de senaste åren visar att
neutrinon faktiskt har en mycket liten massa som hade tidigare
borta oupptäckt. Om neutriner har massa, kan de vara en form av mörk materia.
Men även tillåter neutrino mörk materia, det verkar vara långt
mindre materia i universum än vad som skulle behövas för att stoppa sin
expansion, och så fram till nyligen de flesta fysiker skulle ha kommit överens
om att den andra typen
av Friedmann modell gäller.
Sedan kom några nya observationer. Under de senaste åren har flera
forskargrupper studerade små krusningar i bakgrunden mikrovågsugn
strålning upptäcktes av Penzias och Wilson. Storleken på dessa vågor kan
användas som en indikator på den storskaliga geometri universum, och
de verkar indikera att universum är platt trots allt (som i den tredje
Friedmann-modellen)! Eftersom det inte verkar vara tillräckligt materia och mörk
roll att redovisa detta har fysiker postulerade förekomsten av en annan ännu
oupptäckt ämne att förklara det-mörk energi.
För att ytterligare komplicera saker och ting, andra nya observationer tyder på
att takten i expansionen av universum faktiskt inte avtar men
påskynda. Ingen av Friedmann modeller gör detta! Och det är mycket märkligt,
eftersom effekten av ärendet i rymden, om hög eller låg densitet,
kan bara vara att bromsa expansionen. Gravity är ju attraktivt. För den kosmiska
expansionen att accelerera är något som viskning från en
bomb få makt snarare än avleda efter explosionen. Vilken kraft skulle kunna
ansvara för att skjuta kosmos isär allt snabbare? Ingen
är säker ännu, men det kan vara tecken på att Einstein hade rätt om behovet av
den kosmologiska konstanten (och dess antigravity effekter) trots allt.
Med den snabba tillväxten av ny teknik och stora nya sat-burna teleskop, lär vi
oss snabbt nya och överraskande saker om
universum. Vi har nu en god uppfattning om dess beteende vid sen tid: universum
fortsätter att expandera i en allt snabbare takt. Tiden kommer att gå på
alltid, åtminstone för dem klokt nog att inte falla in i ett svart hål. Men hur
mycket lång tid? Hur kom universum börjar och vad som är
expanderar? 8
Sida 20
Stephen Hawking- Bild av universum
Big Bang, svarta hål, och utvecklingen av universum
I FRIEDMANN första modell av universum, den fjärde dimensionen, tid-liknande
utrymme, är ändlig i omfattning. Det är som en linje med två ändar, eller
gränser. Så tiden har ett slut, och det har också en början. Faktum är att alla
lösningar till Einsteins ekvationer som universum har mängden
roll vi ser aktien en mycket viktig funktion: någon gång i det förflutna (ca
13,7 miljarder år sedan), avståndet mellan angränsande
galaxer måste ha varit noll. Med andra ord var hela universum kläm i en enda
punkt med noll storlek, som en sfär med radien noll. Vid
Då skulle densitet universum och krökningen av rumtiden varit oändlig. Det är
dags att vi kallar den stora smällen.
Alla våra teorier om kosmologi formuleras på antagandet att rumtiden är jämn och
nästan platt. Det innebär att alla våra teorier bryter
ner på Big Bang: en rumtid med oändlig krökning kan knappast kallas nästan
platt! Så även om det fanns händelser före Big Bang, vi
kunde inte använda dem för att avgöra vad som skulle hända efteråt, eftersom
förutsägbarheten skulle ha brutit ner vid den stora smällen.
Motsvarande sätt, om, vilket är fallet, vi vet bara vad som hänt sedan big bang,
kan vi inte avgöra vad som hände tidigare. Som
långt vi är bekymrade, kan händelser före Big Bang har inga konsekvenser och bör
inte ingå i en vetenskaplig modell av universum.
Vi bör därför skär dem ur modellen och säga att big bang var tidernas
begynnelse. Detta innebär att frågor som som sätter upp
villkoren för big bang är inte frågor som vetenskapen tar upp.
En annan oändlighet som uppstår om universum har noll storlek är i temperatur.
Vid den stora smällen själv, universum tros ha varit oändligt hett.
Som universum expanderade minskade temperaturen hos strålningen. Eftersom
temperaturen är helt enkelt ett mått på den genomsnittliga energi-eller
hastighet-
av partiklar skulle denna kylning av universum har en stor inverkan på frågan i
den. Vid mycket höga temperaturer, skulle partiklar rör sig
så snabbt att de kunde fly någon attraktion mot varandra till följd av nukleära
eller elektromagnetiska krafter, men när de svalnat, vi skulle
förvänta partiklar som dras till varandra att börja klumpa ihop. Även olika
typer av partiklar, som finns i universum beror på temperaturen,
och därmed på ålder, av universum.
Aristoteles trodde inte att frågan var av partiklar. Han trodde att saken var
kontinuerlig. Det är, enligt honom, en bit av materia
kan delas upp i mindre och mindre bitar utan gräns: det kan aldrig vara ett korn
av materia som inte kunde delas ytterligare. Några
Greker, men som Demokritos, ansåg att frågan var i sig kornig och att allt
bestod av ett stort antal olika olika
slag av atomer. (Ordet atom betyder "odelbar" på grekiska.) Vi vet nu att detta
är sant, åtminstone i vår miljö, och i detta tillstånd
av universum. Men atomerna i vårt universum inte alltid existerar, de är inte
odelbara, och de bara utgör en liten del av de typer av
partiklar i universum.
Atomer är gjorda av mindre partiklar: elektroner, protoner, neutroner och. De
protoner och neutroner själva är tillverkade av ännu mindre partiklar
kallas kvarkar. Dessutom, motsvarande vardera av dessa subatomära partiklar det
finns en antipartikel. Antipartiklar har samma massa som
deras syskon partiklar men är motsatt i deras laddning och andra attribut. Till
exempel, har antipartikel för en elektron, som kallas en positron, en
positiv laddning, motsatt laddningen hos elektronen. Det kan vara hela
antiworlds och antipeople gjorda av antipartiklar. Emellertid
när en antipartikel och partikel möts, förintar de varandra. Så om du träffar
din antisjälv, inte skaka hand, du skulle både försvinna i en stor
blixt av ljus!
Ljusenergi kommer i form av en annan typ av partikel, kallad en masslösa
partikel en foton. Den närliggande nukleära ugn av solen är det
största källan till fotoner för jorden. Solen är också en stor källa till en
annan typ av partikel, den tidigare nämnda neutrino (och antineutrino).
Men dessa extremt lätta partiklar nästan aldrig interagera med materia, och
därmed de passerar genom oss utan verkan, med en hastighet av miljarder varje
sekund.
Allt som allt fysiker har upptäckt dussintals av dessa elementära partiklar. Med
tiden, som universum har genomgått en komplex evolution,
makeup av denna djurpark av partiklar har också utvecklats. Det är denna
utveckling som har gjort det möjligt för planeter som jorden och varelser som
Sida 21
Stephen Hawking- Bild av universum
vi,
att existera.
En sekund efter Big Bang hade universum har expanderat tillräckligt för att få
dess temperatur ner till ca 10 miljarder grader Celsius.
Detta är ungefär tusen gånger temperaturen i mitten av solen, men temperaturer
så höga som det nås i H-bomb explosioner. Vid detta
tid universum skulle ha innehållit mestadels fotoner, elektroner och neutriner
och deras antipartiklar, tillsammans med några protoner och neutroner.
Dessa partiklar skulle ha haft så mycket energi att när de kolliderade, skulle
de ha producerat många olika partikel / antipartikel par. För
exempel kan kolliderande fotoner producera en elektron och dess antipartikel,
positronen. Vissa av dessa nyligen bildade partiklarna skulle kollidera med
en antipartikel syskon och förintas. Varje gång en elektron möter upp med en
positron, kommer båda att förintas, men den omvända processen är inte så
enkelt: för att två masslösa partiklar såsom fotoner för att skapa en partikel /
antipartikel par som en elektron och en positron, den kolliderande
masslösa partiklar måste ha en viss minsta energi. Det beror en elektron och
positron har massa, och detta nyskapade massan måste
komma från energin hos de kolliderande partiklarna. Eftersom universum
fortsätter att expandera och temperaturen att sjunka, kollisioner med
tillräckligt med energi
att skapa elektron / positron par skulle inträffa mindre ofta än den hastighet
med vilken paren höll på att förstöras av förintelse. Så småningom flesta
de elektroner och positroner skulle ha utplånat varandra för att producera fler
fotoner, vilket innebär att endast relativt få elektroner. De neutriner och
antineutrinos, å andra sidan, samverkar med varandra och med andra partiklar
endast mycket svagt, så att de inte skulle förinta varandra nästan lika
snabbt. De bör finnas kvar i dag. Om vi
kunde observera dem, skulle det ge ett
bra test av denna bild av en mycket varm tidigt skede av
universum, men tyvärr, efter miljarder år sin energi skulle nu vara för låg för
att vi ska följa dem direkt (även om vi skulle kunna
upptäcka dem indirekt) .Photon / Elektron / Positron Equilibrium
I det tidiga universum, fanns en balans mellan par av elektroner och positroner
kolliderar att skapa fotoner, och den omvända processen Eftersom
temperatur av universum sjunkit, balansen ändrades för att gynna foton skapelse.
Så småningom de flesta elektroner och positroner i universum
förintade varandra, vilket innebär att endast de relativt få elektronerna
presenterar idag
Om hundra sekunder efter Big Bang, skulle temperaturen i universum har sjunkit
till en miljard grader, temperaturen inuti
de hetaste stjärnorna. Vid denna temperatur, som kallas en kraft stark kraft
skulle ha spelat en viktig roll. Den starka kraften, som vi kommer att diskutera
i
närmare i kapitel 11, är en kort räckvidd attraktionskraft som kan orsaka
protoner och neutroner att binda till varandra, bildar kärnor. Vid hög
tillräckligt temperaturer, protoner och neutroner har tillräckligt med energi av
rörelse (se kapitel 5) att de kan ta sig ur sina kollisioner fortfarande fri och
oberoende. Men vid miljard grader, skulle de inte längre ha haft tillräckligt
med energi för att övervinna attraktion av den starka kraften, och de
skulle ha börjat att kombinera för att framställa kärnorna av atomer av
deuterium (tungt väte), som innehåller en proton och en neutron. Den
deuteriumkärnor skulle då ha i kombination med fler protoner och neutroner för
att göra heliumkärnor, som innehåller två protoner och två neutroner,
och även små mängder av ett par tyngre element, litium och beryllium. Man kan
räkna med att i den varma big bang-modellen, ungefär en fjärdedel av
de protoner och neutroner skulle ha omvandlats till heliumkärnor, tillsammans
med en liten mängd tungt väte och andra element. Den
kvarvarande neutroner skulle ha sönderfallit till protoner, som är kärnan av
vanliga väteatomer.
Denna bild av en het tidigt skede av universum först fram av forskaren George
Gamow (se sidan 61) i en berömd uppsats skriven på
1948 med en student av hans, Ralph Alpher. Gamow hade ganska sinne för humor,
han övertalade kärnfysikern Hans Bethe lägga sitt namn till
papperet för att göra en lista över författare Alpher, Bethe, Gamow, som de
första tre bokstäverna i det grekiska alfabetet, alfa, beta, gamma och särskilt
lämplig för ett dokument om början av universum! I detta dokument gjorde de
märkliga förutsägelsen att strålning (i form av fotoner)
från de mycket heta tidiga universum bör fortfarande vara runt idag, men med
Sida 22
Stephen Hawking- Bild av universum
dess temperatur reduceras till endast ett par grader över den absoluta
noll. (Absoluta nollpunkten, -273 grader Celsius, är den temperatur vid vilken
ämnen innehåller ingen värmeenergi, och är därmed den lägsta möjliga
temperatur.)
Det var denna mikrovågsstrålning som Penzias och Wilson finns i 1965. Vid den
tidpunkt då Alpher, Bethe och Gamow skrev sina papper, inte mycket
var känt om kärnreaktioner av protoner och neutroner. Förutsägelser gjorda för
proportionerna av olika element i det tidiga universum
var därför ganska felaktiga, men dessa beräkningar har upprepats i ljuset av
bättre kunskap och nu håller väl med vad vi
observera. Det är dessutom mycket svårt att förklara på något annat sätt varför
ungefär en fjärdedel av universums massa är i form av helium.
Men det finns problem med den här bilden. I den varma big bang-modellen fanns
inte tillräckligt med tid i det tidiga universum för värme att ha flödat från
en region till en annan. Detta innebär att den initiala tillståndet i universum
måste ha haft exakt samma temperatur överallt i syfte att
hänsyn till det faktum att mikrovågs bakgrunden har samma temperatur i varje
riktning vi ser. Dessutom, den initiala hastigheten för expansionen
skulle ha väljas mycket exakt för expansionstakten fortfarande vara så nära den
kritiska hastigheten för att undvika kollaps. Det skulle vara mycket
svårt att förklara varför universum skulle ha börjat i just detta sätt, utom när
handlingen att en Gud som syftar till att skapa varelser som oss. I ett
Försök att hitta en modell av universum där många olika initiala konfigurationer
kan ha utvecklats till något som den nuvarande universum, en
forskare vid Massachusetts Institute of Technology, Alan Guth, föreslog att det
tidiga universum kan ha gått igenom en period av mycket snabb
expansionen. Denna expansion sägs vara inflationsdrivande, vilket innebär att
universum en gång expanderat i en allt snabbare takt. Enligt Guth, den
radie av universum ökade med en miljon miljoner miljoner miljoner miljoner-1 med
30 nollor efter gånger i endast en bråkdel av en sekund. Varje
oegentligheter i universum skulle ha jämnas ut av denna expansion, precis som
rynkor i en ballong jämnas bort när du blåser det
upp. På detta sätt förklarar inflationen hur den nuvarande smidig och enhetlig
tillstånd av universum kan ha utvecklats från många olika olikformig inledande
stater. Så vi är därför ganska säker på att vi har rätt bild, åtminstone går
tillbaka till ungefär en miljard biljoner triljondels en sekund efter
Big Bang.
Efter all denna inledande oro, inom bara några timmar av Big Bang, skulle
produktionen av helium och några andra element som litium har
stoppas. Och efter det, under de kommande miljoner åren eller så, skulle
universum har bara fortsatt att expandera, utan att något mycket händer.
Slutligen, när temperaturen hade sjunkit till några tusen grader och elektroner
och kärnor inte längre hade tillräckligt med energi för rörelse till
övervinna den elektromagnetiska attraktionen mellan dem, skulle de ha börjat
samverkar för att bilda atomer. Universum som helhet skulle ha
fortsatte att expandera och kyla, men i regioner som var något tätare än
genomsnittet, skulle denna expansion har dämpats av den extra
gravitationell attraktion.
Denna attraktion skulle så småningom stoppa expansion i vissa regioner och få
dem att börja att kollapsa. Medan de kollapsar, den gravitationella
dra av materia utanför dessa regioner kan starta dem rotera något. Eftersom den
kollapsande regionen fick mindre, skulle det snurrar snabbare precis som
skridskoåkare
spinning på is spinn snabbare när de drar i sina armar. Så småningom, när
regionen blev tillräckligt liten skulle det snurra tillräckligt snabbt för att
balansera theattraction av gravitation, och på så sätt disklike roterande
galaxer föddes. Andra regioner som inte råkar plocka upp en rotation skulle bli
oval
föremål kallas elliptiska galaxer. I dessa skulle regionen sluta kollapsa
eftersom enskilda delar av galaxen w Ould vara omloppsbana stabilt runt
dess centrum, men galaxen skulle ha någon övergripande rotation.
Allteftersom tiden gick, skulle väte och helium gas i galaxerna sönder i mindre
moln som skulle kollapsa under sin egen tyngd. Som
Dessa kontrakterade och atomerna i dem kolliderade med varandra, skulle
temperaturen på gasen ökar, tills slutligen blev varm
tillräckligt för att starta kärnfusion reaktioner. Dessa skulle omvandla väte
till mer helium. Den värme som frigörs i denna reaktion, vilket är som en
kontrollerad vätebomb explosion är vad som gör en stjärna lysa. Denna
ytterligare värme ökar också trycket av gasen tills den är tillräckligt att
Sida 23
Stephen Hawking- Bild av universum
balansera den gravitationella attraktion, och gasen slutar upphandlande. På
detta sätt dessa moln smälter samman till stjärnor som vår sol, brännande vätgas
till helium och strålar den resulterande energin i form av värme och ljus. Det
är lite som en ballong-det finns en balans mellan lufttrycket inuti,
som försöker göra ballongen expanderar, och spänningen i gummit, vilket försöker
göra ballongen mindre.
När moln av het gas smälter samman till stjärnor, kommer stjärnorna förbli
stabila under en lång tid, med värme från kärnreaktioner balanserar
gravitationell attraktion. Så småningom kommer emellertid stjärnan slut på dess
väte och andra kärnbränslen. Paradoxalt nog, ju mer bränsle en stjärna börjar
med, desto snabbare går ut. Detta beror på att mer massiva stjärnan är, desto
varmare det måste vara att balansera dess dragningskraft. Och den
varmare stjärnan, desto snabbare kärnfusion reaktion och ju förr den kommer att
använda sin bränsle. Vår sol har förmodligen fått tillräckligt med bränsle för
att hålla ytterligare fem
miljarder år eller så, men mer massiva stjärnor kan använda upp sitt bränsle i
så lite som hundra miljoner år, mycket mindre än universums ålder.
När en stjärna får slut på bränsle, börjar det svalna och allvar tar över,
vilket ledde till kontrakt. Denna sammandragning pressar atomerna tillsammans
och
gör stjärnan blir varmare igen. Som stjärnan värms upp ytterligare, skulle börja
att konvertera helium till tyngre element såsom kol eller
syre. Detta skulle dock inte släppa mycket mer energi, så en kris skulle
inträffa. Vad som sedan händer är inte helt klar, men det verkar troligt
att de centrala delarna av stjärnan skulle kollapsa till en mycket tät
tillstånd, såsom ett svart hål. Termen "svarta hål" är av mycket sent ursprung.
Det var
myntades 1969 av den amerikanske vetenskapsmannen John Wheeler som en grafisk
beskrivning av en idé som går tillbaka åtminstone 200 år, till en tid
när det fanns två teorier om ljus: en, som Newton gynnade, var att det var
sammansatt av partiklar, och den andra var att det gjordes av
vågor. Vi vet nu att faktiskt båda teorierna är korrekta. Som vi kommer att se i
kapitel 9, med vågen / partikel dualitet av kvantmekanik, ljus
kan betraktas som både en våg och en partikel. Deskriptorerna våg och partikel
är begrepp människor skapas, inte nödvändigtvis begrepp som
naturen är skyldig att respektera genom att alla fenomen faller en kategori
eller det andra!
Enligt teorin att ljuset består av vågor, var det inte klart hur det skulle
reagera på allvar. Men om vi tänker på ljus som bestående av
partiklar kan vi förvänta oss dessa partiklar påverkas av tyngdkraften på samma
sätt som kanonkulor, raketer och planeter är. I synnerhet om du
skjuta en kanonkula uppåt från jordytan-eller en stjärna-liknande raketen på
sidan 58, kommer det att sluta så småningom och sedan falla tillbaka om inte
hastighet med vilken den börjar uppåt överstiger ett visst värde. Denna lägsta
hastighet kallas flykthastighet. Den flykthastigheten av en stjärna
beror på styrkan av dess gravitationskraft. Ju mer massiv stjärnan, desto större
flykthastigheten. Vid första trodde att partiklar av
ljus reste oändligt snabbt, så gravitationen inte skulle ha kunnat sakta ner
dem, men upptäckten av Roemer att ljus färdas i en ändlig hastighet
innebar att tyngdkraften kan ha en viktig effekt: om stjärnan är tillräckligt
massiv, kommer ljusets hastighet vara mindre än stjärnans flykthastigheten, och
alla
ljus emitterat av stjärnan kommer att falla tillbaka in i den. På detta
antagande, i 1783 en Cambridge don, John Michell, publicerade ett papper i
filosofiska
Transaktioner av Royal Society of London där han påpekade att en stjärna som var
tillräckligt omfattande och kompakt skulle ha en sådan
starkt gravitationsfält att ljuset kunde inte undgå: alla ljus som avges från
ytan av stjärnan skulle dras tillbaka av stjärnans gravitationella
attraktion innan det kunde bli mycket långt. Sådana objekt är vad vi nu kallar
svarta hål, för det är vad de är: svart tomrum i rymden.
Kanonkulor Above och Below Escape Velocity
Vad går upp behöver inte komma ner om det är skjuten uppåt snabbare än
flykthastighet
En liknande förslag gjordes några år senare av en fransk vetenskapsman, Marquis
de Laplace, tydligen oberoende av Michell. Intressant,
Laplace ingår det bara i den första och andra upplagorna av hans bok Systemet av
världen, lämnar den ur senare utgåvor. Kanske han bestämde att det
Sida 24
Stephen Hawking- Bild av universum
var en galen idé, partikel teorin om ljuset gick i onåd under artonhundratalet
eftersom det verkade att allt kan förklaras
använda vågen teorin. I själva verket är det inte riktigt konsekvent att
behandla ljus som kanonkulor i Newtons teori om gravitationen, eftersom ljusets
hastighet är fast.
En kanonkula sparken uppåt från jorden kommer att bromsas av gravitationen och
kommer så småningom att sluta och faller tillbaka, en foton, men måste fortsätta
uppåt med en konstant hastighet. En konsekvent teori om hur gravitationen
påverkar ljus kom inte tillsammans förrän Einstein föreslog allmänna
relativitetsteori 1915,
och problemet med att förstå vad som skulle hända med en massiv stjärna, enligt
allmänna relativitetsteorin, först lösas genom en ung amerikan, Robert
Oppenheimer, 1939.
Den bild som vi nu har från Oppenheimer arbete är som följer. Gravitationsfältet
av stjärnan förändrar vägar passerar ljusstrålar i
rumtid från vad de skulle ha haft stjärnan inte varit närvarande. Detta är den
effekt som ses i böjning av ljus från avlägsna stjärnor
observeras under en förmörkelse av solen. De banor följde i rymd och tid med
ljus är böjda något inåt nära ytan av stjärnan. Som stjärnan
kontrakt, blir tätare, så gravitationsfältet vid dess yta blir starkare. (Du kan
tänka på gravitationsfältet som härrör från en
punkt i mitten av stjärnan, som stjärnan krymper, punkter på dess yta komma
närmare centrum, så att de känner ett starkare fält) Den starkare fält.
gör lätta vägar nära ytan böja inåt mer. Så småningom, när stjärnan har krympt
till en viss kritisk radie, gravitationsfältet vid
ytan blir så stark att ljusbanorna böjs inåt till den punkt att ljus inte längre
kan undkomma.
Enligt relativitetsteorin, kan ingenting färdas snabbare än ljuset. Alltså, om
ljuset inte kan fly, inte heller kan något annat, allt är
dras tillbaka av gravitationsfältet. Den kollapsade stjärnan har bildat en
region av rumtiden kring det från vilket det inte är möjligt att fly till
nå en avlägsen observatör. Denna region är det svarta hålet. Den yttre gränsen
för ett svart hål kallas händelsen horisonten. Idag, tack vare Hubble
Space Telescope och andra teleskop som fokuserar på röntgen och gammastrålning
snarare än synligt ljus, vi vet att svarta hål är vanliga
fenomen, mycket vanligare än man först trodde. En satellit upptäckte 1500 svarta
hål på bara en liten del av himlen. Vi
har också upptäckt ett svart hål i mitten av vår galax, med en massa mer än en
miljon gånger större än vår sol. Det supermassivt svart
hål har en stjärna kretsande den vid omkring 2 procent ljusets hastighet,
snabbare än den genomsnittliga hastigheten hos en elektron kretsande kärnan i en
atom!
För att förstå vad du skulle se om du tittar på en massiv stjärna kollapsar för
att bilda ett svart hål, är det nödvändigt att komma ihåg att i
relativitetsteorin finns det ingen absolut tid. Med andra ord har varje
observatör sin mått på tid. Tidens gång för någon på en
stjärnans yta kommer att vara annorlunda än för någon på avstånd, eftersom
gravitationsfältet är starkare på stjärnans yta.
Antag att en intrepid astronaut är på ytan av en kollapsande stjärna och stannar
på ytan som den kollapsar inåt.
Någon gång på sin vakt-
säga 11:00-stjärnan skulle krympa under den kritiska radien där gravitationsfält
blir så stark att ingenting kan fly. Antag nu
hans instruktioner är att sända en signal varje sekund, enligt hans klocka, ett
rymdskepp ovan, som kretsar på något bestämt avstånd från
stjärnans mitt. Han börjar sända vid 10:59:58, är att två sekunder innan 11:00.
Vad kommer hans följeslagare på rymdskeppet rekord?
Vi lärt oss trodde tidigare experiment ombord på raketen att tyngdkraften saktar
tid och ju starkare gravitation, desto större effekt.
Astronauten på stjärnan är i en starkare gravitationsfält än sina kamrater i
omloppsbana, så vad för honom är en sekund kommer att vara mer än en sekund
på sina klockor. Och när han rider stjärnans kollaps inåt, kommer fältet han
upplever växa sig starkare och starkare, så intervallet mellan hans
signaler visas successivt längre dem på rymdskeppet. Denna sträckning av tid
skulle vara mycket liten före 10:59:59, så den kretsande
astronauterna skulle få vänta bara obetydligt mer än en sekund mellan
astronauten 10:59:58 signal och en som han skickade när hans
titta läst 10:59:59. Men de skulle få vänta för evigt på 11:00 signalen.
Sida 25
Stephen Hawking- Bild av universum
Allt som händer på ytan av stjärnan mellan 10:59:59 och 11:00 (av astronauten
klocka) skulle spridas ut över en oändlig
tidsperiod, såsom sett från rymdskepp. Som 11:00 närmade tidsintervallet mellan
ankomsten av successiva toppar och dalar av alla
ljuset från stjärnan skulle få successivt längre, precis som intervallet mellan
signalerna från astronauten gör. Eftersom frekvensen för ljuset är en
mått på antal av dess toppar och dalar per sekund, de på rymdskeppet frekvensen
av ljuset från stjärnan får successivt
lägre. Således dess ljus förefaller rödare och rödare (och svagare och svagare).
Så småningom skulle stjärnan vara så mörk att den inte längre kunde ses
från rymdskeppet: allt som skulle lämnas skulle vara ett svart hål i rymden. Det
skulle dock fortsätta att utöva samma gravitationskraften på
rymdskepp, som skulle fortsätta att bana.
Detta scenario är inte helt realistiskt, men på grund av följande problem.
Gravity blir svagare ju längre du är från stjärnan, så
gravitationskraft på våra intrepid astronaut fötter skulle alltid vara större än
kraften på hans huvud. Denna skillnad i krafter skulle sträcka
honom som spagetti eller riva honom sönder innan stjärnan hade anlitats för att
den kritiska radien som händelsen horisonten bildas! Vi tror dock
att det finns mycket större objekt i universum, såsom de centrala delarna av
galaxer, som också kan genomgå gravitationell kollaps för att producera
svarta hål, liksom supertungt svart hål i centrum av vår galax. Astronaut på en
av dessa skulle inte slits sönder innan det svarta hålet
bildas. Han skulle inte i själva verket känner något speciellt när han nådde den
kritiska radien, och han kunde passera den punkt utan återvändo utan att märka
det,
Men till dem på utsidan, skulle hans signaler blir åter längre och längre från
varandra, och så småningom sluta. Och inom bara några timmar (som
mätt med astronauten), eftersom regionen fortsatte att kollapsa, skulle
skillnaden i gravitationskrafter på hans huvud och hans fötter blivit så
stark att återigen skulle slita honom apart.Tidal Forces
Eftersom tyngdkraften försvagas med avståndet, drar jorden på huvudet med mindre
kraft än den drar på fötterna, som är en meter eller två närmare
jordens centrum Skillnaden är så liten att vi inte kan känna det, men en
astronaut nära ytan av ett svart hål skulle bokstavligen slits sönder.
Ibland, när en mycket massiv stjärna kollapsar kan de yttre regionerna av
stjärnan blir blåst bort i en enorm explosion som kallas en supernova. EN
supernovaexplosion är så stor att den kan avge mer ljus än alla andra stjärnor
tillsammans i sin galax. Ett exempel på detta är supernovan
vars rester vi ser som Krabbnebulosan. Kineserna spelade in den i 1054. Även om
stjärnan som exploderade var 5000 ljusår bort, det
var synlig för blotta ögat i månader och lyste så klart att du kan se det även
under dagen och läsas av den på natten. En supernova fem
hundra ljusår bort-en tiondel så långt skulle vara hundra gånger starkare och
kan bokstavligen vända natt till dag. För att förstå våldet
en sådan explosion, bara anser att dess ljus skulle tävla med solen, trots att
det är tiotals miljoner gånger längre bort. (Kom ihåg att vår sol
ligger på grannsämja avstånd åtta ljus-minuter.) Om en supernova skulle inträffa
tillräckligt nära, kan det lämna jorden intakt men ändå avger
tillräckligt strålning för att döda allt levande. I själva verket var det
nyligen föreslagit att en die-off av marina varelser som inträffade vid
gränsytan av
Pleistocen och pliocen epoker omkring två miljoner år sedan orsakades av kosmisk
strålning strålning från en supernova i en närliggande kluster av stjärnor
kallas Scorpius-Centaurus förening. Vissa forskare tror att avancerad livet är
sannolikt att utvecklas endast i områden av galaxer där det
är inte alltför många stjärnor, "zoner i livet" - eftersom tätare regioner
fenomen som supernovor skulle vara gemensamt tillräckligt regelbundet snus
ut eventuella evolutionära början. I genomsnitt hundratusentals supernovor
exploderar någonstans i universum varje dag. En supernova
händer i en viss galax ungefär en gång ett sekel. Men det är bara genomsnittet.
Tyvärr, för astronomer vid minst den sista supernovan
registreras i Vintergatan inträffade 1604, innan uppfinningen av teleskopet.
Den ledande kandidaten för nästa supernova explosion i vår galax är en stjärna
som heter Rho Cassiopeiae. Lyckligtvis är det en säker och bekväm
10.000 ljusår från oss. Det är i en klass av stjärnor som kallas gula
hypergiants, en av endast sju kända gula hypergiants i Vintergatan.
Ett internationellt team av astronomer började studera denna stjärna 1993. Under
de närmaste åren som de observerade det genomgår periodiska temperatur
Sida 26
Stephen Hawking- Bild av universum
fluktuationer i några hundra grader. Sedan sommaren 2000, rasade dess temperatur
snabbt från ca 7.000 grader till 4000
grader Celsius. Under den tiden upptäckte de också titanoxid i stjärnans
atmosfär, som de tror är en del av ett yttre lager kastat av
från stjärnan av en massiv tryckvåg.
I en supernova, är några av de tyngre delarna tillverkas i slutet av stjärnans
liv kastade tillbaka in i galaxen och ger några av de råvaror
material för nästa generations stjärnor. Vår egen sol innehåller cirka 2 procent
av dessa tyngre element. Det är en andra eller tredje generationens stjärna,
bildade ungefär fem miljarder år sedan ur ett moln av roterande gas som
innehåller skräp av tidigare supernovor. Merparten av gasen i denna molnet gick
till
bilda solen eller blev sprängdes bort, men små mängder av de tyngre delarna
samlas ihop för att bilda de organ som nu kretsar kring solen som planeterna
som jorden. Guldet i våra smycken och uran i våra kärnreaktorer är både rester
av supernovor som inträffat före vår sol
Systemet var född!
När jorden var nyligen kondenserades, det var mycket varmt och utan en atmosfär.
Under tiden, kyldes den och fick en atmosfär
från utsläpp av gaser från klipporna. Denna tidiga atmosfären var inte en där vi
kunde ha överlevt. Den innehöll inget syre, men det gjorde
innehåller en hel del andra gaser som är giftiga för oss, såsom svavelväte (den
gas som ger ruttna ägg deras lukt). Det finns dock andra
primitiva former av liv som kan blomstra under sådana förhållanden. Man tror att
de utvecklat i haven, möjligen som ett resultat av slumpen
kombinationer av atomer till stora strukturer, kallade makromolekyler, som var i
stånd att montera andra atomer i havet till liknande
strukturer. De skulle alltså ha reproduceras sig och mångfaldigas. I vissa fall
skulle det finnas fel i reproduktion. Mestadels dessa
fel skulle ha varit så att den nya makromolekylen inte kunde reproducera sig och
så småningom skulle ha förstörts. Emellertid några
felen skulle ha producerat nya makromolekyler som var ännu bättre på reproducera
sig själva. De skulle ha därför haft en
fördel och skulle ha en tendens att ersätta de ursprungliga makromolekylerna. På
detta sätt kan en process för utveckling inleddes som ledde till
utveckling av mer och mer komplicerade, självreproducerande organismer. De
första primitiva livsformer konsumeras olika material, includinghydrogen sulfid
och släppt syre. Detta förändrades gradvis atmosfären till kompositionen att den
har idag, och tillät utvecklingen
av högre livsformer såsom fisk, reptiler, däggdjur och slutligen den mänskliga
rasen.
Det tjugonde århundradet såg människans syn på den transformerade universum: vi
insåg obetydlighet av vår egen planet i de vidsträckta områden som
universum, och vi upptäckte att tid och rum var böjda och oskiljbara, att
universum expanderade och att det hade en början i
tid.
Bilden av ett universum som började mycket varmt och kyls när den expanderade
byggde på Einsteins gravitation, allmän relativitetsteori. Att det är
i samförstånd med alla de observationella bevis som vi har idag är en stor
triumf för den teorin. Men eftersom matematik kan inte riktigt
hantera oändligt antal, genom att förutsäga att universum började med Big Bang,
en tid då universums täthet och krökningen av rymd-
tid skulle ha varit oändligt, förutspår teorin om den allmänna
relativitetsteorin att det finns en punkt i universum där teorin själv bryts
ned, eller
misslyckas. En sådan punkt är ett exempel på vad matematiker kallar en
singularitet. När en teori förutsäger singulariteter såsom oändlig densitet och
krökning, är det ett tecken på att teorin måste på något sätt ändras. Allmänna
relativitetsteorin är en ofullständig teori eftersom det inte kan berätta för
oss hur det
universum började.
Förutom allmänna relativitetsteorin, spawned nittonhundratalet också en annan
stor del teori av naturen, kvantmekanik. Den teorin erbjudanden
med fenomen som inträffar på mycket små skalor. Vår bild av big bang säger att
det måste ha varit en tid i mycket tidiga universum när
universum var så liten att även när man studerar den storskaliga struktur var
det inte längre möjligt att bortse från de småskaliga effekter quantum
mekanik. Vi kommer att se i nästa kapitel att vårt största hopp för att få en
fullständig förståelse av universum från början till slut
Sida 27
Stephen Hawking- Bild av universum
uppstår kombinera dessa två partiella teorier till en enda kvantmekaniska teorin
för gravitation, en teori som de vanliga lagarna vetenskapens håller
överallt, inklusive i början av tid, utan att det finns någon singularities.9
Kvantgravitationen
FRAMGÅNGSRIKA vetenskapliga teorier, särskilt Newtons teori om gravitationen,
ledde Marquis de Laplace i början av det nittonde
talet för att hävda att universum var helt deterministisk. Laplace ansåg att det
bör finnas en uppsättning av vetenskapliga lagar som skulle tillåta oss-
åtminstone i princip, att förutsäga allt som skulle hända i universum. Den enda
ingången dessa lagar skulle behöva är en komplett tillstånd
universum vid någon tidpunkt. Detta kallas för en initial tillstånd eller ett
randvillkor. (En gräns kan innebära en gräns i tid eller rum, en gräns
tillstånd i rymden är tillståndet av universum vid dess yttre gräns, om den har
en.) Baserat på en komplett uppsättning lagar och lämpliga första eller
randvillkor, Laplace trodde, vi ska kunna beräkna den fullständiga tillståndet
av universum när som helst.
Kravet på begynnelsevillkor är förmodligen intuitivt uppenbar: olika tillstånd
av att vara närvarande kommer naturligtvis att leda till olika framtida
tillstånd.
Behovet av randvillkor i rymden är lite mer subtil, men principen är densamma.
Ekvationerna som fysiska teorier är baserade
kan i allmänhet ha mycket olika lösningar, och du måste lita på de ursprungliga
eller randvillkor att avgöra vilka lösningar gäller. Det är lite som
säger att ditt bankkonto har stora mängder går in och ut ur den. Oavsett om du
hamnar i konkurs eller rik beror inte bara på de belopp som betalats i
och ut men också på gränsen eller initiala tillstånd av hur mycket var i kontot
för att börja med.
Om Laplace hade rätt, då, med tanke på tillståndet i universum för närvarande
skulle dessa lagar berätta tillståndet av universum både framtiden och
det förgångna. Till exempel, med tanke på lägena och hastigheter av solen och
planeterna, kan vi använda Newtons lagar för att beräkna tillstånd sol
systemet vid någon senare eller tidigare tid. Determinism verkar ganska
uppenbart i fallet planeterna-trots allt, astronomer är mycket exakt i sina
förutsägelser av händelser såsom förmörkelser. Men Laplace gick vidare anta att
det fanns liknande lagar som reglerar allt annat, inklusive mänskliga
beteende.
Är det verkligen möjligt för forskare att beräkna vad alla våra handlingar
kommer att vara i framtiden? Ett glas vatten innehåller mer än 1024 molekyler
(en 1
följt av 24 nollor). I praktiken har vi aldrig kan hoppas att veta tillståndet
för varje av dessa molekyler, mycket mindre fullständiga tillstånd
universum eller ens i våra kroppar. Men att säga att universum är
deterministiska innebär att även om vi inte har intellektuella resurser för att
göra beräkningen,
vår framtid är ändå förutbestämt.
Denna doktrin av vetenskaplig determinism var starkt motstånd från många
människor, som ansåg att det stred mot Guds frihet att göra världen köra som han
såg passform. Men det förblev standard antagandet av vetenskap till jarlen) år
av det tjugonde århundradet. En av de första tecknen på att denna tro
skulle behöva överges kom när de brittiska forskarna Lord Rayleigh och Sir James
Jeans beräknade mängden svartkroppsstrålning
att en varm objekt såsom en stjärna måste utstråla. (Som nämndes i kapitel 7,
material kropp, vid upphettning, ger ut svartkroppsstrålning.)
Enligt lagar vi trodde då, en varm kropp borde avge elektromagnetiska vågor lika
vid alla frekvenser. Om detta vore sant, då
det skulle utstråla en lika stor mängd av energi i varje färg av spektrumet av
synligt ljus, och för alla frekvenser av mikrovågor, radiovågor, röntgenstrålar,
och så vidare. Minns att frekvensen av en våg är antalet gånger per sekund som
vågen svänger upp och ner, det vill säga antalet vågor
per sekund. Matematiskt, en varm kropp att avge vågor lika vid alla frekvenser
innebär att en varm kropp ska utstråla samma mängd
energi i vågor med frekvenser mellan noll och en miljon vågor per sekund som det
gör i vågor med frekvenser mellan miljoner och
två miljoner vågor per sekund, två miljoner och tre miljoner vågor per sekund,
och så vidare, pågår för evigt. Låt oss säga att en enhet av energi är
utstrålas i vågor med frekvenser mellan noll och en miljon vågor per sekund, och
i vågor med frekvenser mellan miljoner och två
Sida 28
Stephen Hawking- Bild av universum
miljoner vågor per sekund, och så vidare. Den totala mängden energi som
utstrålas i alla frekvenser då skulle vara summan 1 plus 1 plus 1 plus ... pågår
evigt. Eftersom antalet vågor per sekund i en våg är obegränsad, är summan av
energier en oändlig summa. Enligt detta resonemang är
totala utstrålade vara oändlig.
För att undvika detta uppenbarligen löjliga resultat föreslog den tyske
forskaren Max Planck år 1900 att ljus, röntgenstrålning och annan
elektromagnetisk
vågor kan avges endast i vissa diskreta paket, som han kallade kvanta. Idag, som
nämns i kapitel 8, kallar vi ett stort ljus en
foton. Ju högre frekvens av ljus, desto större dess energiinnehåll. Därför, även
om fotoner av en viss färg eller frekvens är alla identiska,
Plancks teori säger att fotoner med olika frekvenser är olika i att de bär olika
mängder energi. Detta innebär att i quantum
teori den blekaste bakgrund av en viss färg ljuset som bärs av en enda foton,
har ett energiinnehåll som beror på dess färg. Till exempel,
eftersom violett ljus har dubbelt så hög frekvens av rött ljus, har en quantum
av violett ljus dubbelt energiinnehållet i ett kvantum av rött ljus. Således
minsta möjliga bit av violett ljusenergi är dubbelt så stor som den minsta
möjliga bitar av rött ljus energi.
Hur löser detta svartkropp problemet? Den minsta mängden av elektromagnetisk
energi en svartkropp kan avge i en given frekvens är att
bärs av en foton av denna frekvens. Energin hos en foton är större vid högre
frekvenser. Således minsta mängd energi en svartkropp
kan avge är högre vid högre frekvenser. Vid tillräckligt höga frekvenser, kommer
mängden energi i en enda kvantum vara mer än en kropp har
tillgängliga, i vilket fall inget ljus avges, slutar den tidigare oändliga
summan. Alltså i Plancks teori, strålning vid höga frekvenser
skulle minska, så den hastighet med vilken kroppen förlorade energi skulle vara
ändlig, lösa problemet svart kropp.
Quantum hypotesen förklarade den observerade graden av utsläpp av strålning från
varma kroppar mycket bra, men dess konsekvenser för determinism var
inte insett förrän 1926, då en annan tysk forskare, Werner Heisenberg,
formulerade sin berömda osäkerhet principle.Faintest möjliga ljus
Svagt ljus innebär färre photons.The svagaste möjliga ljus av annan färg är
ljuset som bärs av en enda foton
Osäkerheten Principen säger att, i motsats till Laplaces tro, inte naturen
sätter gränser för vår förmåga att förutsäga framtiden med hjälp vetenskaplig
lag.
Detta beror på att i syfte att förutsäga den framtida position och hastighet hos
en partikel, måste man kunna mäta dess initiala tillstånd, dvs, dess nuvarande
position och dess hastighet, exakt. Det uppenbara sättet att göra detta är att
lysa på partikeln. Några av vågor av ljus kommer att spridas av
partikel. Dessa kan detekteras av observatören och indikerar partikelns
position. Emellertid har ljus av en given våglängd begränsas endast
känslighet: du kommer inte att kunna bestämma positionen hos partikeln mer exakt
än avståndet mellan vågtopparna i ljuset. Sålunda,
För att mäta positionen för partikeln exakt, är det nödvändigt att använda ljus
med en kort våglängd, som är av en hög frekvens. Av Plancks
quantum hypotesen, men kan du inte använda en godtyckligt liten mängd ljus: du
måste använda minst en kvantum, vars energi är högre vid
högre frekvenser. Således, ju mer exakt du vill mäta positionen av en partikel,
desto mer energisk quantum av ljus du måste skjuta
på det.
Enligt kvantteorin, kommer även en quantum av ljus störa partikeln: den kommer
att ändra sin hastighet på ett sätt som inte kan förutsägas. Och
de mer energiska quantum av ljus du använder, desto större den sannolika
störningen. Det betyder att för mer exakta mätningar av läge,
när du måste använda en mer energisk quantum kommer hastigheten hos partikeln
bli störd av en större mängd. Så ju mer exakt du
Försök att mäta positionen för partikeln, desto mindre exakt kan mäta dess
hastighet, och vice versa. Heisenberg visade att osäkerheten i
läget för partikel gånger osäkerheten i dess hastighet gånger massan hos
partikeln aldrig kan vara mindre än en viss bestämd mängd. Att
innebär till exempel om du halvera osäkerheten i position måste du dubbelklicka
osäkerheten i hastighet, och vice versa. Naturen begränsar evigt oss
att göra denna avvägning.
Hur illa är denna avvägning? Det beror på det numeriska värdet av "viss bestämd
Sida 29
Stephen Hawking- Bild av universum
kvantitet" vi nämnde ovan. Denna kvantitet kallas
Plancks konstant, och det är ett mycket litet antal. Eftersom Plancks konstant
är så liten, effekterna av kompromiss, och av kvantteori i allmänhet,
är, liksom effekterna av relativitetsteorin, inte direkt märkbar i vår vardag.
(Även kvantteorin inte påverkar våra liv, som grund för sådana
områden som exempelvis modern elektronik.) Till exempel, om vi lokalisera
positionen av en pingisboll med en massa på ett gram till inom en centimeter i
någon riktning, då kan vi peka sin hastighet med en noggrannhet mycket större än
vi någonsin skulle behöva veta. Men om vi mäta positionen för en
elektron med en noggrannhet av ungefär gränserna för en atom, då kan vi inte
veta dess hastighet mer exakt än plus eller minus ettusen
kilometer per sekund, vilket inte är särskilt exakt alls.
Gränsen bestäms av osäkerheten princip inte beroende av det sätt på vilket man
försöker mäta positionen eller hastighet partikeln eller på
typen av partiklar. Heisenbergs osäkerhetsprincip är en fundamental,
ofrånkomligt egendom i världen, och det har haft djupgående konsekvenser för
det sätt på vilket vi betraktar världen. Även efter mer än 70 år har dessa
konsekvenser inte helt uppskattat av många filosofer
och är fortfarande föremål för mycket kontrovers. Osäkerheten Principen
signalerade ett slut på Laplaces dröm om en vetenskapsteori, en modell av
universum som skulle vara helt deterministisk. Vi absolut inte kan förutsäga
framtida händelser precis om vi inte ens kan mäta nuvarande
universum exakt!
Vi kan fortfarande tänka sig att det finns en uppsättning lagar som bestämmer
händelser helt för några övernaturlig varelse som, till skillnad från oss, kan
observera
nuvarande universum utan att störa den. Sådana modeller av universum är inte av
stort intresse för oss vanliga dödliga. Det verkar
bättre att använda principen om ekonomi kallas Occams rakkniv och skär ut alla
funktioner i teorin som inte kan observeras. Detta tillvägagångssätt
ledda Heisenberg, Erwin Schrödinger, och Paul Dirac på 1920-talet att
omformulera Newtons mekanik till en ny teori som kallas kvantmekanik,
baserat på osäkerheten principen. I denna teori, partiklar inte längre hade
separata väldefinierade positioner och hastigheter. Istället hade de en
kvanttillstånd, som var en kombination av position och hastighet definieras
endast inom gränserna för den osäkerhet principen.
En av de revolutionära egenskaperna hos kvantmekaniken är att det inte förutse
en enda bestämd resultat för en observation. Istället förutsäger det
ett antal olika möjliga utfall och berättar hur sannolikt alla dessa är. Det
vill säga, om du har gjort samma mätning på en stor
antal liknande system, som alla började på samma sätt, skulle du finna att
resultatet av mätningen skulle vara en i en viss
antal fall, B i ett annat antal, och så vidare. Du kunde förutse det ungefärliga
antalet gånger som resultatet skulle bli A eller B, men youcould inte förutsäga
specifika resultat av en enskild mätning.
Till exempel, tänk att du kastar en pil mot en darttavla. Enligt klassisk
teorier, det vill säga de gamla nonquantum teorier, pilen kommer
antingen träffa mitt i prick eller kommer det att sakna det. Och om du känner
till hastighet pil när du kastar den, gravitationskraften, och andra sådana
faktorer, kommer du att
kunna beräkna om det kommer hit eller miss. Men kvantteorin säger att detta är
fel, att man inte kan säga det med säkerhet. Istället, enligt quantum
teori finns det en viss sannolikhet att pilen kommer att träffa mitt i prick,
och även en noll sannolikhet att det kommer att landa i en viss annan del av
ombord. Med tanke på ett objekt så stor som en pil, om den klassiska teorin i
det här fallet Newtons lagar, säger pil kommer att drabba mitt i prick, då kan
du vara
säker i att anta det kommer. Åtminstone är chansen att det inte kommer (enligt
kvantmekaniska teorin) är så små att om du gick på gungade pilen på exakt
På samma sätt fram till slutet av universum, är det troligt att du fortfarande
aldrig skulle observera dart saknade sitt mål. Men på atomnivå,
frågor är olika. En pil består av en enda atom kan ha en 90 procents sannolikhet
att träffa mitt i prick med 5 procent chans att träffa
annanstans i styrelsen, och en annan 5 procents chans att missa den helt. Man
kan inte säga på förhand vilken av dessa det blir. Allt du kan säga
är att om du upprepar experimentet många gånger, kan du förvänta dig att i
genomsnitt 90 gånger av varje hundra gånger du upprepar experimentet
pil kommer att drabba mitt i prick.
Kvantmekanik införs därför en oundviklig del av oförutsägbarhet eller
Sida 30
Stephen Hawking- Bild av universum
slumpmässighet i vetenskap. Einstein motsatte sig detta mycket
starkt, trots den viktiga roll han spelat i utvecklingen av dessa idéer. I
själva verket var han Nobelpriset för hans bidrag till
kvantteorin. Ändå accepterade han aldrig att universum styrs av en slump, hans
känslor sammanfattas i hans berömda uttalande
"Gud spelar inte tärning."
Utsmetad Quantum Position
Enligt kvantteorin, kan en peka inte ett objekts position och hastighet med
oändlig precision, inte heller kan man förutsäga exakt under
framtida händelser.
Testet av en vetenskaplig teori, som vi har sagt, är dess förmåga att förutsäga
resultatet av ett experiment. Kvantteorin begränsar vår förmåga. Innebär detta
innebära kvantteorin begränsar vetenskap? Om vetenskapen är att utvecklingen
måste det sätt vi bär den på att dikteras av naturen. I detta fall, kräver
naturen som
Vi omdefinierar vad vi menar med förutsägelse: Vi kanske inte kan förutsäga
resultatet av ett experiment precis, men vi kan upprepa experimentet
många gånger och bekräfta att de olika möjliga utfall sker inom sannolikheterna
förutsägs av kvantteorin. Trots osäkerheten
princip därför finns det ingen anledning att ge upp tron
på en värld som styrs
av fysiska lagar. I takt i slutändan var de flesta vetenskapsmän är villiga att
acceptera kvantmekaniken just för att det kommit överens perfekt med experiment.
En av de viktigaste konsekvenserna av Heisenbergs osäkerhet princip är att
partiklar beter sig vissa avseenden som vågor. Som vi har
sett, har de inte en bestämd position utan "smetas ut" med en viss
sannolikhetsfördelning. Likaså, fastän ljus består av vågor,
Plancks quantum hypotes berättar också att i vissa sätt ljuset beter sig som om
det bestod av partiklar: det kan avges eller absorberas endast i
paket, eller kvanta. I själva verket är teorin om kvantmekanik bygger på en helt
ny typ av matematik som inte längre beskriver den verkliga
världen när det gäller vare sig partiklar eller vågor. För vissa ändamål är det
bra att tänka på partiklar som vågor och för andra ändamål är det bättre att
tänka
av vågor som partiklar, men dessa sätt att tänka är bara bekvämligheter. Detta
är vad fysiker menar när de säger att det finns en dualitet mellan
vågor och partiklar i kvantmekanik.
En viktig konsekvens av vågliknande beteende i kvantmekanik är att man kan
observera vad som kallas interferens mellan två uppsättningar av
partiklar. Normalt är interferens tänkt som ett fenomen av vågor, det vill säga,
när vågor kolliderar, krönen av en uppsättning av vågor kan
sammanfaller med dalarna i den andra uppsättningen, i vilket fall vågorna sägs
vara ur fas. Om det händer de två vågorna avbryta sedan
varandra, snarare än att lägga till upp till en starkare våg, som man kan
förvänta sig. Ett välkänt exempel på störningar i fallet av ljus är färgerna
som ofta ses i såpbubblor. Dessa orsakas av reflektion av ljus från de två
sidorna av den tunna filmen av vatten bildar bubblan. Vit
ljus består av ljusvågor av alla olika våglängder eller färger. För vissa
våglängder krönen av vågorna som reflekteras från ena sidan av
tvål-film sammanfaller med dalarna reflekteras från den andra sidan. Färgerna
motsvarar dessa våglängder är frånvarande från det reflekterade ljuset,
vilket förefaller därför vara colored.In och ur fas
Om topparna och dalarna av två vågor sammanfaller, leder de en starkare våg, men
om en våg är kammar sammanfaller med andras tråg, de två
vågor tar ut varandra.
Men kvantteorin berättar att störningar kan också förekomma för partiklar, på
grund av dubbelhet som införs genom kvantmekaniken. En berömd
exempel är den så kallade två-slits experimentet. Föreställ dig en partition-en
tunn vägg med två smala parallella slitsar i den. Innan vi ser vad som händer
när partiklar skickas genom dessa slitsar, låt oss undersöka vad som händer när
ljuset lyste på dem.
På ena sidan av den partition du placerar en
ljuskälla av en viss färg (som är av en särskild våglängd). Det mesta av ljuset
kommer att träffa partitionen, men en liten mängd kommer att gå igenom
slitsar. Antag nu att du placerar en skärm på den bortre sidan av skiljeväggen
från ljuset. Varje punkt på den skärmen får vågor från båda slitsarna.
Emellertid, i allmänhet, har avståndet ljuset att färdas från ljuskällan till
den punkt via en av slitsarna kommer att vara annorlunda än för ljuset färdas
via den andra slitsen. Eftersom avståndet rest skiljer kommer vågorna från de
Sida 31
Stephen Hawking- Bild av universum
två slitsarna inte vara i fas med varandra när de anländer vid punkten. I
vissa ställen dalar från en våg kommer att sammanfalla med topparna från den
andra, och vågorna kommer ut varandra, med andra ställen
kammar och dalar sammanfaller, och vågorna kommer att förstärka varandra, och på
de flesta håll situationen kommer att vara någonstans mittemellan. Resultatet
är ett karakteristiskt mönster av ljus och mörker.
Det märkliga är att du får exakt samma typ av mönster om du byter ut ljuskälla
med en källa av partiklar såsom elektroner,
som har en bestämd hastighet. (Enligt kvantteorin om elektronerna har en bestämd
hastighet motsvarande material vågorna har en bestämd
våglängd.) Anta att du har bara en slits och börja skjuta elektroner på
partitionen. De flesta av elektronerna kommer att stoppas av skiljeväggen, men
en del kommer att gå genom slitsen och göra det till skärmen på den andra sidan.
Det kan tyckas logiskt att anta att öppna en andra slits i skiljeväggen
skulle helt enkelt öka antalet elektroner slår varje punkt på skärmen. Men om du
öppnar den andra slitsen, antalet elektroner träffar
Skärmen ökar på vissa ställen och minskar på andra, precis som om elektronerna
skulle störa som vågor gör, snarare än att agera som partiklar. (Se
illustrationen på sidan 97.)
Path Avstånd och störningar
I två-slam experimentet, varierar avståndet att vågorna måste färdas från de
övre och undre slitsar till skärmen med höjden utmed skärmen för
Resultatet är att vågorna förstärker varandra på vissa höjder och avbryta när
andra, bildar en störning patternElectron Störningar
På grund av störningar, motsvarar resultatet av att sända en stråle av
elektroner genom två slitsar inte resultatet av skicka elektroner
genom varje slits separat.
Nu föreställa skicka elektroner genom slitsarna en åt gången. Finns det
fortfarande störningar? Man kan förvänta sig att alla elektron att passera genom
en
slits eller det andra, göra sig av med interferensmönstret. I själva verket,
även när elektronerna skickas via en i taget, det
interferensmönster fortfarande visas. Varje elektron, måste därför passera genom
båda slitsar samtidigt och interferera med sig själv!
Fenomenet av interferens mellan partiklar har varit avgörande för vår förståelse
av strukturen av atomer, de grundläggande enheterna av vilka
Vi, och allt omkring oss, görs. I början av nittonhundratalet var det tänkt att
atomer var snarare som planeterna kretsar runt solen, med
elektroner (partiklar av negativ elektricitet) omloppsbana runt en central
kärna, som bar en positiv el. Attraktionen mellan de positiva
och negativ elektricitet skulle hålla elektroner i sina banor på samma sätt som
gravitationskraften mellan solen och
planeter håller planeterna i sina banor. Problemet med detta var att de
klassiska mekanikens lagar och el, före kvantmekanik,
förutspådde att elektroner kretsar på detta sätt skulle avge strålning. Detta
skulle leda till att de förlorar energi och därmed spiral inåt tills de
kolliderade med kärnan. Detta skulle innebära att atomen, och faktiskt all
materia, snabbt borde kollapsa till ett tillstånd med mycket hög densitet,
vilket
uppenbarligen inte händer!
Den danska forskaren Niels Bohr hittade en partiell lösning på detta problem
1913. Han föreslog att kanske elektronerna inte kunde bana på
bara är avståndet från den centrala kärnan utan kunde kretsa endast vid vissa
specificerade avstånd. Antar att endast en eller två elektroner kan
bana på någon av dessa specificerade avstånd skulle lösa problemet med
kollapsen, eftersom när det begränsade antalet inre banor var full,
elektroner kunde inte spiral längre. Denna modell förklaras ganska väl struktur
enklaste atomen, väte, som har endast en elektron
kretsar runt kärnan. Men det var inte klart hur att utöka denna modell till mer
komplicerade atomer. Dessutom idén om en begränsad uppsättning tillåtet
banor verkade bara plåster. Det var ett trick som fungerade matematiskt, men
ingen visste varför naturen bör uppträda på det sättet, eller vad djupare
lagstiftning om någon-det representerade. Den nya teorin om kvantmekanik löst
denna svårighet. Det visade sig att en elektron omloppsbana runt kärnan
kunde ses som en våg, med en våglängd som berodde på dess hastighet. Föreställ
vågen cirkling kärnan vid specificerade avstånd, som
Bohr hade postulerade. För vissa banor, skulle omkrets omloppsbana motsvarar ett
heltal (i motsats till ett bråktal) av
våglängder elektronen. För dessa banor vågtoppen skulle vara i samma läge varje
Sida 32
Stephen Hawking- Bild av universum
gång, så vågorna skulle förstärka varandra
andra. Dessa banor skulle motsvara Bohrs tillåtna banor. Emellertid, för banor
vars längder var inte ett helt antal våglängder, vardera
vågtoppen skulle så småningom upphävas av ett tråg som elektronerna gick runt.
Dessa banor skulle inte tillåtas. Bohrs lag tillåtna och
förbjudna omlopp hade nu en förklaring.
Ett trevligt sätt att visualisera vågen / partikel dualitet är den så kallade
summa över historier som införts av den amerikanske vetenskapsmannen Richard
Feynman. I
detta tillvägagångssätt en partikel inte är tänkt att ha en enda historia eller
väg i rumtiden, eftersom det skulle i klassisk, nonquantum teori. Istället är
det
ska gå från punkt A till punkt B genom alla möjliga väg. Med varje väg mellan A
och B, Feynman associerat ett par siffror. En
representerar amplituden, eller storlek, på en våg. Den andra representerar
fasen, eller läge i cykeln (det vill säga om det är på ett krön eller en tråg
eller
någonstans mellan). Sannolikheten för en partikel som går från A till B hittas
genom att addera vågorna för alla vägar som förbinder A och B. I
Generellt gäller att om man jämför en uppsättning angränsande vägar, kommer
faserna eller positioner i cykeln skiljer sig mycket. Detta innebär att vågorna
associerade
med dessa vägar kommer nästan exakt ut varandra. För vissa grupper av
angränsande vägar fasen inte varierar mycket mellan vägar,
och vågorna för dessa vägar inte kommer att ta ut varandra. Sådana vägar
motsvarar Bohrs tillåtna orbits.Waves i Atomic omloppsbanor
Niels Bohr föreställde atomen som bestående av elektron vågor oändligt kretsande
atomkärnor i hans bild, bara banor med omkrets
motsvarande en hel rad elektron våglängder kan överleva utan destruktiv
interferens
Med dessa idéer i konkret matematisk form, var det relativt enkelt att beräkna
de tillåtna banor i mer komplicerade atomer och
även i molekyler, som utgörs av ett antal atomer som hålls samman av elektroner
i omloppsbanor som går runt mer än en kärna. Eftersom den
struktur av molekyler och deras reaktioner med varandra bakom all kemi och
biologi, ger kvantmekanik oss i princip att förutsäga
nästan allt vi ser omkring oss, inom de gränser som osäkerheten princip. (I
praktiken, kan vi dock inte lösa ekvationerna för alla
atom förutom den enklaste ett, väte, som endast har en elektron, och vi använder
approximationer och datorer för att analysera mer komplicerade
atomer och molekyler.)
Många elektronbanoma
I Richard Feynman: s formulering av kvantteorin, en partikel, som detta rör sig
från källan till skärmen, tar varje möjlig väg.
Kvantteorin har varit en enastående framgång teori och ligger till grund nästan
alla av modern vetenskap och teknik. Den styr beteendet
transistorer och integrerade kretsar, som är de viktigaste komponenterna i
elektroniska anordningar såsom TV-apparater och datorer, och det är också
grundval av modern kemi och biologi. De enda områden som naturvetenskapen i
vilken kvantmekanik har ännu inte riktigt införlivats
är allvar och den storskaliga strukturen av universum: Einsteins allmänna
relativitetsteori, som nämnts tidigare, inte tar hänsyn till
osäkerhet princip kvantmekanik, som det ska för överensstämmelse med andra
teorier.
Som vi såg i förra kapitlet, vet vi redan att den allmänna relativitetsteorin
måste ändras. Genom att förutsäga punkter oändlig densitet-singulariteter-
klassiska (dvs nonquantum) allmänna relativitetsteorin förutsäger sin egen
undergång, precis som klassisk mekanik förutspådde dess undergång genom att
antyda att
blackbodies bör utstråla oändlig energi eller att atomer bör kollapsa till
oändlig densitet. Och som med klassisk mekanik, hoppas vi att eliminera
dessa oacceptabla singulariteter genom att göra klassiska allmänna
relativitetsteorin till en kvantmekaniska teorin, det vill säga genom att skapa
en kvantmekaniska teorin för gravitation.
Om den allmänna relativitetsteorin är fel, varför har alla experiment hittills
stött den? Anledningen till att vi ännu inte har märkt är skillnaden med
iakttagelse är att alla de gravitationsfält som vi normalt upplever är mycket
svaga. Men som vi har sett, bör gravitationsfältet få mycket
stark när all materia och energi i universum pressas in i en liten volym i det
Sida 33
Stephen Hawking- Bild av universum
tidiga universum. I närvaro av sådana starka fält,
effekterna av kvantteorin vara viktigt.
Även om vi ännu inte har en kvantmekaniska teorin för gravitation, vet vi ett
antal funktioner som vi tror att det bör ha. En är att den bör
införliva Feynman förslag att formulera kvantteorin i form av en summa över
historier. En andra funktion som vi tror måste vara en del av något
yttersta teori är Einsteins idé att gravitationsfältet representeras av krökta
rumtiden: partiklar försöker följa det närmaste en rak
väg i en böjd yta, men eftersom rumtiden är inte platt, deras vägar verkar vara
böjd, som genom ett gravitationsfält. När vi tillämpar Feynman: s
summan över historier till Einsteins syn på allvar, är analog historia en
partikel nu ett komplett krökt rumtid som representerar thehistory av hela
universum.
I den klassiska teorin om gravitation, det finns bara två möjliga vägar
universum kan uppträda: antingen den har funnits i en oändlig tid, annars hade
med början vid en singularitet vid någon ändlig tid i det förflutna. Av skäl som
vi diskuterade tidigare, tror vi att universum inte har funnits för evigt. Ändå
om det hade en början, enligt klassisk allmänna relativitetsteorin, för att veta
vilken lösning av Einsteins ekvationer beskriver vårt universum, vi
måste veta sitt ursprungliga tillstånd, det vill säga exakt hur universum
började. Gud kan ha ursprungligen bestämt naturlagarna, men det verkar som han
har
eftersom lämnade universum att utvecklas enligt dem och inte nu ingriper i det.
Hur valde han det initiala tillståndet eller konfigurationen av
universum? Vilka var randvillkoren i början av tiden? I klassisk allmänna
relativitetsteorin detta är ett problem, eftersom klassisk allmänna
relativitet bryter ner i början av universum.
I den kvantmekaniska teorin för gravitation, å andra sidan, uppstår en ny
möjlighet att, om sant, skulle avhjälpa detta problem. I den kvantmekaniska
teorin är det
möjligt för rymd-tid att vara ändlig i omfattning och ännu har inga
singulariteter som bildade en gräns eller kant. Rumtid skulle vara ytan
av jorden, endast med två dimensioner. Som påpekades tidigare, om du håller
färdas i en viss riktning på ytan av jorden, du
aldrig komma upp mot en oframkomlig barriär eller faller över kanten, men så
småningom kommer tillbaka till där du startade, utan att köra in i en
singularitet.
Så om detta visar sig vara fallet, då den kvantmekaniska teorin för gravitation
har öppnat en ny möjlighet i w hich det skulle finnas några singulariteter på W
hich vetenskapens lagar bröt.
Om det inte finns någon gräns för rymd-tid, finns det inget behov att
specificera beteendet vid gränsen, utan att behöva känna initialtillstånd av
universum.
Det finns ingen kant rumtiden där vi skulle behöva vädja till Gud eller någon ny
lag för att ställa in randvillkoren för rumtiden. Vi kunde
säger: "Det randvillkor av universum är att den inte har någon gräns." Universum
skulle vara helt fristående och inte påverkas av
något utanför sig själv. Det skulle varken skapas eller förstöras. Det skulle
bara vara. Så länge vi trodde universum hade en början, rollen av en
skapare verkade klar. Men om universum är verkligen helt fristående, som inte
har någon gräns eller kant, som har varken början eller slut, då
Svaret är inte så uppenbart: vad är den roll som en skapare 10?
Maskhål OCH Time Travel
I tidigare kapitel har vi sett hur vår syn på vilken typ av tid har förändrats
under åren. Fram till början av det tjugonde
talet trodde människor i en absolut tid. Det är, kan varje händelse märkas med
ett nummer som heter "tid" på ett unikt sätt, och alla goda klockor
skulle komma överens om tidsintervallet mellan två händelser. Emellertid,
upptäckten att ljusets hastighet föreföll samma för varje observatör, ingen
roll hur han rörde sig, ledde till relativitetsteorin-och överger idén om att
det var en unik absolut tid. Tiden för händelser
kunde inte märkas på ett unikt sätt. Istället skulle varje observatör ha sin
egen tidsmått som registrerats av en klocka som han bar, och
klockor bärs av olika observatörer skulle inte nödvändigtvis överens. Sålunda
tid blev en mer personlig koncept, i förhållande till observatören som
mätte den. Ändå var tid betraktas som om det vore en rak järnvägslinje som du
skulle kunna gå bara ett eller annat sätt. Men vad händer om järnvägen
hade slingor och grenar, så ett tåg kan fortsätta framåt, men kommer tillbaka
till en station hade redan gått? Med andra ord, kan det vara möjligt
Sida 34
Stephen Hawking- Bild av universum
för någon att resa in i framtiden eller det förflutna? HG Wells i The Time
Machine utforskade dessa möjligheter, liksom otaliga andra författare
science fiction. Men många av de idéer science fiction, som ubåtar och resor
till månen, har blivit frågor av vetenskap faktum. Så vad är
utsikterna för tidsresor?
Time Machine
Författarna i en tidsmaskin
Det är möjligt att resa till framtiden. Det är, visar relativitet att det är
möjligt att skapa en tidsmaskin som hoppar du framåt i tiden. Du steg
i tidsmaskinen, vänta, steg ut, och upptäcker att mycket mer tid har gått på
jorden än vad som gått åt dig. Vi har inte
tekniken idag för att göra detta, men det är bara en fråga om teknik: vi vet att
det kan göras. En metod för att bygga en sådan maskin skulle vara att
utnyttja situationen vi diskuterade i kapitel 6 om tvillingarna paradoxen. I
denna metod, medan du sitter i tidsmaskinen, utanför det blaster,
accelerera till nästan ljusets hastighet, fortsätter en stund (beroende på hur
långt fram i tiden du vill resa) och sedan återvänder. Den
borde inte förvåna dig att tiden maskinen är också ett rymdskepp, för enligt
relativitetsteorin är tid och rum närstående. I vilket fall som helst, så länge
som
du är orolig, det enda "plats" kommer du att vara under hela processen inuti
tidsmaskin. Och när du kliver ut, kommer du att finna att mer
tiden har gått på jorden än vad som gått åt dig. Du har rest till framtiden. Men
kan du gå tillbaka? Kan vi skapa förutsättningar
nödvändigt att resa bakåt i tiden?
Den första indikationen på att fysikens lagar verkligen kan tillåta människor
att resa bakåt i tiden kom 1949 då Kurt Gödel upptäckt en ny
lösning till Einsteins ekvationer, det vill säga en ny rumtiden tillåts av
teorin om den allmänna relativitetsteorin. Många olika matematiska modeller av
universum tillfredsställa Einsteins ekvationer, men det betyder inte att de
motsvarar det universum vi lever i. De skiljer sig till exempel i sin
ursprungliga eller
randvillkor. Vi måste kontrollera de fysiska förutsägelser om dessa modeller för
att avgöra om de kan motsvara våra
universum.
Gödel var en matematiker som var känd för att bevisa att det är omöjligt att
bevisa alla sanna påståenden, även om du begränsa dig till att försöka
bevisa alla sanna påståenden i ett ämne som uppenbarligen skuren och torkad som
aritmetik. Liksom den osäkerhet principen Gödels ofullständighetssats
kan vara en grundläggande begränsning av vår förmåga att förstå och förutsäga
universum. Gödel fick veta om den allmänna relativitetsteorin när han och
Einstein tillbringade sina senare år vid Institute for Advanced Study i
Princeton. Gödels rumtid hade nyfikna egenskapen att hela universewas roterar.
Vad betyder det att säga att hela universum roterar? Om du vill rotera betyder
att vända runt och runt, men inte att innebära att det finns en
stationär referenspunkt? Så du kan fråga, "roterar med avseende på vad?" Svaret
är lite tekniskt, men det är i princip att avlägsna materia
skulle rotera med avseende på riktningar som små toppar eller gyroskop pekar på
i universum. I Gödels rumtiden, en matematisk sida
effekten av detta var att om du rest långt bort från jorden och återvände sedan,
skulle det vara möjligt att komma tillbaka till jorden innan du ställer
ut.
Att hans ekvationer kan tillåta denna möjlighet verkligen upprörd Einstein, som
hade trott att den allmänna relativitetsteorin inte skulle tillåta tidsresor.
Men även
den uppfyller Einsteins ekvationer, motsvarar lösningen Gödel finns inte
universum vi lever i eftersom våra observationer visar att vår
universum inte roterar, åtminstone inte märkbart. Inte heller expandera Gödels
universum som vårt gör. Men sedan dess har forskare studerar
Einsteins ekvationer har hittat andra rymd-tid som tillåts av den allmänna
relativitetsteorin som tillåter resor till det förflutna. Ändå observationer av
mikrovågsugn bakgrund och av bestånd av grundämnen som väte och helium visar att
det tidiga universum inte hade den typ av
krökning dessa modeller kräver för att ge tid resor. Samma slutsats följer på
teoretiska grunder, om ingen gräns förslag
korrigera. Så frågan är denna: om universum börjar utan den typ av krökning
krävs för tidsresor, kan vi sedan varp lokala
regioner av rymd-tid tillräckligt för att tillåta det?
Igen, eftersom tid och rum hänger kanske inte förvåna dig att ett problem är
Sida 35
Stephen Hawking- Bild av universum
nära relaterat till frågan om resor bakåt i tiden är det
Frågan om huruvida man kan färdas snabbare än ljuset. Att tidsresor innebär
snabbare än ljuset resor är lätt att se: genom att göra den sista fasen av
resan en resa bakåt i tiden, kan du göra din totala resa på så kort tid som du
vill, så du skulle kunna resa med obegränsad hastighet! Men,
som vi ser, det fungerar även åt andra hållet: om du kan resa med obegränsad
hastighet, kan du också resa bakåt i tiden. Man kan inte vara möjligt
utan den andra.
Frågan om snabbare än ljuset resor är ett problem för mycket intresse för
författare science fiction. Deras problem är att enligt relativitetsteorin, om
vi
skickade ett rymdskepp till vår närmaste angränsande stjärna, Proxima Centauri,
som är ungefär fyra ljusår bort, skulle det ta minst åtta år innan
vi kan förvänta resenärer att återvända och berätta för oss vad de hade hittat.
Och om expeditionen var till mitten av vår galax, skulle det vara minst en
100.000 år innan det kom tillbaka. Inte en bra situation om du vill skriva om
intergalaktiska krig! Ändå gör relativitetsteorin
tillåter en tröst, återigen i linje med vår diskussion om tvillingarna paradox i
kapitel 6: är det möjligt för resan till verkar vara mycket
kortare för rymdfarare än för dem som blir kvar på jorden. Men det skulle inte
vara mycket glädje i att ha återvänt från ett utrymme resa några år
äldre att finna att alla du hade lämnat var död och borta för tusentals år
sedan. Så för att få någon mänsklig intresse för sina berättelser,
science fiction författare hade att anta att vi en dag skulle upptäcka hur man
färdas snabbare än ljuset. De flesta av dessa författare tycks inte ha
insåg att om man kan färdas snabbare än ljuset, innebär relativitetsteorin du
också kan resa tillbaka i tiden, vilket följande limerick säger:
Det var en ung dam of Wight
Som reste mycket snabbare än ljuset
Hon avgick en dag,
I en relativ sätt,
Och kom på den föregående natten
Nyckeln till detta sammanhang är att relativitetsteorin säger inte bara att det
inte finns någon unik tidsmått som alla observatörer kommer överens, men
att det under vissa omständigheter observatörer behöver inte ens komma överens
om beställning av händelser. I synnerhet om två händelser, A och B, är så långt
borta i
utrymme som en raket måste färdas snabbare än ljusets hastighet för att ta sig
från händelsen A till händelse B, sedan två observatörer avancerar i olika takt
kan
oense om huruvida händelsen A inträffat före B, eller händelse B har inträffat
före händelsen A. Anta till exempel att händelsen A är slut för den slutliga
hundra meter loppet av de olympiska spelen 2012 och händelse B är öppnandet av
100.004: e mötet i kongress Proxima Centauri.
Antag att för en observatör på jorden, händelse A hände först, och sedan vid B.
Låt oss säga att B hände ett år senare, år 2013 av jordens tid.
Eftersom jorden och Proxima Centauri är några fyra ljusår från varandra, dessa
två händelser uppfyller detta kriterium: om A händer före B,
ta sig från A till B du skulle behöva färdas snabbare än ljuset. Sedan, för att
en observatör på Proxima Centauri rör sig bort från jorden vid nästan hastighet
ljus, verkar det som ordningen på händelser omvända: det verkar som om händelsen
B inträffat före händelsen A. Denna observatör skulle säga att det är
möjligt, om du kunde gå snabbare än ljuset, för att komma från händelse B till
evenemang A Faktum är att om du gick verkligen fort, kan du också få tillbaka
från A till Proxima
Centauri innan loppet och placera en satsning på den i säker kunskap om vem som
skulle vinna!
Det finns ett problem med att bryta av hastigheten-of-ljusridå.
Relativitetsteorin säger att raketen kraft som behövs för att accelerera ett
rymdskepp
blir större och större ju närmare det blir till ljusets hastighet. Vi har
experimentella bevis för detta, inte med rymdskepp, men med grundläggande
partiklar i partikelacceleratorer som den i Fermilab eller Europeiskt centrum
för kärnforskning (CERN). Vi kan accelerera partiklar till
99,99 procent av ljusets hastighet, men hur mycket makt vi matar in, kan vi inte
få dem bortom hastigheten-of-ljusridå. Likaså med
rymdskepp: oavsett hur mycket raket makt de har, kan de inte accelerera bortom
ljusets hastighet. Och eftersom resor bakåt i tiden är
Sida 36
Stephen Hawking- Bild av universum
möjligt endast om snabbare än ljuset resor är möjligt kan detta tyckas utesluta
både snabb rymdfärder och resa tillbaka i tiden.
Det finns dock en möjlig väg ut. Det kan vara att du kan tänja rymd-tid så att
det fanns en genväg mellan A och B. Ett sätt att göra
detta skulle vara att skapa ett maskhål mellan A och B. Som namnet antyder, är
ett maskhål en tunn slang med rumtiden som kan ansluta två nästan
plana regioner långt ifrån varandra. Det är ungefär som att vara vid basen av en
hög ås av berg. För att komma till andra sidan, skulle du normalt att klättra en
långa avstånd upp och sedan tillbaka, men inte om det var en jätte maskhål som
skär horisontellt genom berget. Ni kan föreställa er att skapa eller
hitta ett maskhål som leder från närheten av vårt solsystem till Proxima
Centauri. Avståndet genom maskhål kan vara endast ett fåtal
miljon miles, även om jorden och Proxima Centauri är 20.000.000 miljoner miles
från varandra i vanlig utrymme. Om vi
överför nyheterna om
hundra meter ras genom maskhål, kan det finnas gott om tid för det att komma dit
före öppnandet av kongressen. Men sedan en observatör
rör sig mot jorden skall också kunna hitta en annan maskhål som skulle göra det
möjligt för honom att ta sig från öppningen av kongressen Proxima
Centauri tillbaka till jorden innan loppet. Så maskhål, liksom alla andra
möjliga sättet att resa snabbare än ljuset, gör att du kan resa
i past.Wormhole
Om maskhål finns kan de ge genvägar mellan avlägsna punkter i rymden
Idén om maskhål mellan olika regioner i rumtiden är inte en uppfinning av
science fiction-författare, det kom från en mycket respektabel
källa. År 1935 skrev Einstein och Nathan Rosen ett papper där de visade att den
allmänna relativitetsteorin tillåtet vad som då kallades broar, men som
är numera känd som maskhål. Einstein-Rosen broar varade inte länge nog för ett
rymdskepp att få igenom: skeppet skulle köra in i ett
singularitet som maskhål kläms av. Emellertid, har det föreslagits att det kan
vara möjligt för en avancerad civilisation att hålla en maskhål
öppna. För att göra detta, eller att tänja rumtiden på annat sätt för att
möjliggöra tidsresor, kan du visa att du behöver en region av rumtiden med
negativ krökning, liksom ytan av en sadel. Vanlig materia, som har en positiv
energitäthet ger rumtiden en positiv krökning, som
ytan av en sfär. Så V AD behövs för att förvränga rumtiden på ett sätt som gör
det möjligt att resa in i det förflutna är det med negativ energi
densitet.
Vad betyder det att ha negativ energidensitet? Energi är lite som pengarna: om
du har en positiv balans, kan du distribuera den i olika
sätt, men enligt de klassiska lagarna som trodde ett århundrade sedan, du får
inte ha ditt bankkonto övertrasserat. Så dessa
klassiska lag s skulle ha uteslutit negativa energitäthet och därmed är risken
för resor bakåt i tiden. Emellertid, såsom har beskrivits
i tidigare kapitel, de klassiska lagarna ersätts av quantum lagstiftning som
bygger på osäkerheten principen. Den kvantmekaniska lagar är mer liberala och
gör att du kan vara övertrasseras på ett eller två konton förutsatt att den
totala balansen är positiv. Med andra ord låter kvantteori energitätheten till
vara negativ på vissa ställen, under förutsättning att detta görs upp för av
positiva energidensiteter på andra ställen, så att den totala energin är
fortsatt positiva.
Vi har alltså anledning att tro dels att rumtiden kan vara skev och att det kan
vara krökt på det sätt som krävs för att resa i tiden.
Enligt Feynman summan över historier, inte tidsresor till det förflutna på ett
sätt, uppstår på omfattningen av enskilda partiklar. I Feynman: s
metod, är en vanlig partikel framåt i tiden motsvarande en antipartikel rör
bakåt i tiden. I hans matematik kan man betrakta ett
partikel / antipartikel par som skapas tillsammans och sedan förinta varandra
som en enda partikel rör sig på en sluten slinga i rymd-tid. Om du vill se
detta första bilden processen på traditionellt sätt. Vid en viss tid säga, tiden
A-en partikel och antipartikel skapas. Både steg framåt i
tid. Därefter, vid en senare tidpunkt, tidpunkt B, samverkar de åter, och
förinta varandra. Före A och efter B finns ingen partikel. Enligt
Feynman, dock kan du titta på detta på olika sätt. Vid A, är en enda partikel
skapas. Det rör sig framåt i tiden till B, så återvänder tillbaka i tiden till
A.
Istället för en partikel och antipartikel framåt i tiden tillsammans, det finns
bara ett enda föremål som rör sig i en "loop" från A till B och tillbaka igen.
När objektet rör sig framåt i tiden (från A till B), kallas det en partikel. Men
Sida 37
Stephen Hawking- Bild av universum
när objektet rör sig bakåt i tiden (från B till A) verkar det
som en antipartikel körning framåt i tiden.
Sådan tidsresor kan ge observerbara effekter. Anta att en medlem av partikel /
antipartikel par (säga antipartikel)
faller in i ett svart hål, vilket den andra medlemmen utan en partner som man
kan förinta. Den övergiven partikeln kan falla i hålet också, men det
kan också fly från närheten av det svarta hålet. Om så är fallet, för en
observatör på ett avstånd det verkar vara en partikel som avges av det svarta
hålet.
Du kan dock ha en annan men lika intuitiv bild av mekanismen för emission av
strålning från svarta hål. Du kan betrakta
medlem av paret som föll in i det svarta hålet (säga antipartikel) som en
partikel färdas bakåt i tiden ur hålet.
När det kommer till den punkt
vid vilken partikeln / antipartikel paret verkade tillsammans, det sprids av
gravitationsfältet av det svarta hålet i en partikel körning framåt i
tid och fly från det svarta hålet. Eller om istället var det partikel medlem av
paret som föll ner i hålet, kan du betrakta det som en
antipartikel reser tillbaka i tiden och kommer ut ur det svarta hålet. Således
strålning genom svarta hål visar att kvantteorin tillåter tidsresor
Tillbaka i tiden på en mikroskopisk skala.
Vi kan därför fråga sig om kvantteorin ger möjlighet att när vi avancera inom
vetenskap och teknik, kan vi så småningom
lyckas bygga en tidsmaskin. Vid första anblicken verkar det bör det vara
möjligt. Den Feynman summan över historier förslag är tänkt att vara över alla
historia. Således bör omfatta historier där rumtiden är så skev att det är
möjligt att resa i tiden. Men även om de kända lagar
fysik verkar inte utesluta tidsresor, det finns andra skäl att ifrågasätta om
det är möjligt.
En fråga är denna: om det är möjligt att resa i det förflutna, varför har inte
någon komma tillbaka från framtiden och berättade hur man gör? Det kan finnas
goda skäl till varför det skulle vara oklokt att ge oss hemligheten med
tidsresor på vår nuvarande primitiva tillstånd av utveckling, men om den
mänskliga naturen
förändringar radikalt är det svårt att tro att någon besökare från framtiden
inte skulle spilla bönorna. Naturligtvis skulle en del människor hävdar att
iakttagelser av UFO är bevis på att vi är besökta antingen av utomjordingar
eller av människor från framtiden. (Med tanke på det stora avståndet från andra
stjärnor, om
utlänningar skulle få här i rimlig tid, skulle de behöver snabbare än ljuset
resor, så de två möjligheterna kan vara likvärdiga.) Ett möjligt sätt att
förklara frånvaron av besökare från framtiden skulle vara att säga att det
förflutna är fast eftersom vi har observerat det och sett att det inte har
typ av skevhet behövs för att resa tillbaka från framtiden. Å andra sidan, är
den framtida okända och öppna, så det kan väl ha krökningen
krävs. Detta skulle innebära att varje tidsresor skulle begränsas till
framtiden. Det skulle inte finnas någon chans att kapten Kirk och rymdskepp
Näringsliv vrida upp för närvarande time.Antiparticle a la Feynman
En antipartikel kan betraktas som en partikel som reser bakåt i tiden
En virtuell partikel / antipartikel paret kan därför ses som en partikel som rör
sig på en sluten slinga i rymd-tid
Detta kan förklara varför vi ännu inte har överskridits av turister från
framtiden, men det skulle inte undvika en annan typ av problem uppstår som om
det är
möjligt att gå tillbaka och ändra historien: varför är vi inte i trubbel med
historia? Anta till exempel, någon hade gått tillbaka och med tanke på
nazisterna
hemligheten med atombomben, eller att du gick tillbaka och dödade din
store-store-farfar innan han fick barn. Det finns många versioner av denna
paradox, men de är i huvudsak likvärdiga: vi skulle få motsättningar om vi var
fria att ändra det förflutna.
Det verkar finnas två möjliga lösningar på de paradoxer som uppstår genom
tidsresor. Den första kan kallas konsekvent historier strategi. Den
säger att även om rumtiden är skev så att det skulle vara möjligt att resa i det
förflutna, vad som händer i rumtiden måste vara en konsekvent lösning
av fysikens lagar. Med andra ord, enligt detta synsätt, kan du inte gå tillbaka
i tiden om inte historien redan visat att du hade gått
tillbaka och medan det inte hade dödat din farfars farfars eller begått några
andra handlingar som skulle strida mot historien om hur du fick
Sida 38
Stephen Hawking- Bild av universum
din nuvarande situation i nuet. Dessutom, när du gick tillbaka, skulle du inte
kunna ändra historien, skulle du bara vara
efter det. I den här vyn det förflutna och framtiden är förutbestämt: du skulle
inte ha fri vilja att göra vad du ville.
Naturligtvis kan man säga att den fria viljan är en illusion ändå. Om det
verkligen är en komplett teori i fysik som styr allt, förmodligen det
också bestämmer dina handlingar. Men det gör det på ett sätt som är omöjligt att
beräkna för en organism som är så komplicerat som en människa, och det
innebär en viss slumpmässighet på grund av kvantmekaniska effekter. Så ett sätt
att se på det är att vi säger människor har fri vilja, eftersom vi inte kan
förutspå vad de kommer att göra. Men om en människa sedan går ut i en raket
fartyg och kommer tillbaka innan han iväg, kommer vi att kunna förutsäga vad han
vill
göra eftersom det kommer att vara en del av historien. Således i den situationen
skulle tidsresenär inte på något sätt har fri vilja.
Det andra möjliga sätt att lösa paradoxer tidsresor kan kallas den alternativa
historier hypotesen. Tanken här är att när
gången resenärer att gå tillbaka till det förflutna, de förs in alternativa
historier som skiljer sig från historien. Därmed kan de agera fritt, utan
begränsning av
överensstämmelse med deras tidigare historia. Steven Spielberg hade kul med
detta begrepp i Tillbaka till framtiden filmerna: Marty McFly kunde gå tillbaka
och ändra föräldrarnas uppvaktning till en mer tillfredsställande historia.
Den alternativa historier hypotesen låter ungefär som Richard Feynman: s sätt
att uttrycka kvantteorin som en summa över historier, som
beskrivs i kapitel 9. Detta sade att universum inte bara hade en enda historia,
utan hade alla möjliga historia, alla med sin egen
sannolikhet. Men det verkar finnas en viktig skillnad mellan Feynman förslag och
alternativa historier. I Feynman s summa, vardera
historia omfattar ett komplett rumtiden och allt i den. Utrymmet-tid kan vara så
skeva att det är möjligt att resa i en raket in i
förbi. Men raketen skulle förbli i samma utrymme, tid och därför samma historia,
som måste vara konsekvent. Sålunda, Feynman s summa
över historier förslag tycks stödja konsekventa historia hypotes än tanken på
alternativa historier.
Vi kan undvika dessa problem om vi antar vad vi kan kalla gissningar kronologi
skydd. Det säger att fysikens lagar samverkar för att
förhindra makroskopiska kroppar från att informationen i det förflutna. Denna
förmodan har inte bevisat, men det finns anledning att tro att det är sant.
Anledningen är att när tid och rum är skev nog att göra tidsresor till det
förflutna möjligt beräkningar använder kvantteorin visar att
partikel / antipartikel par flyttar runt, runt på slutna slingor kan skapa
energidensiteter stora nog att ge rumtiden en positiv
krökning, motverka skevhet som gör att tidsresor. Eftersom det är ännu inte
klart om det är så, är möjligheten till tidsresor
öppna. Men inte satsa på det. Din motståndare kan ha otillbörlig fördel av att
känna till future.11
Naturens krafter och enandet av FYSIK
Som anges i kapitel 3, skulle det vara mycket svårt att konstruera en komplett
enhetlig teori för allt i universum alla på en gång. Så
istället har vi gjort framsteg genom att hitta partiella teorier som beskriver
ett begränsat antal händelser och genom att försumma andra effekter eller
tillnärmning dem vissa nummer. Vetenskapens lagar, som vi känner dem i dag,
innehåller många siffror, till exempel storleken på
elektrisk laddning av elektronen och förhållandet mellan massorna proton och
elektron-att vi inte kan, för tillfället åtminstone, förutsäga från
teori. Istället måste vi hitta dem genom observation och sedan infoga dem i
ekvationerna. Vissa kallar dessa siffror fundamentala konstanter;
andra kallar dem fudge faktorer.
Oavsett din synpunkt är det anmärkningsvärt att de värden dessa siffror verkar
ha varit mycket finjusteras för att möjliggöra
utveckling av livet. Till exempel, om den elektriska laddningen hos elektronen
hade endast något annorlunda, skulle det ha förstört balansen i
elektromagnetiska och gravitationskraft i stjärnorna, och antingen de skulle ha
kunnat bränna väte och helium annars skulle de inte ha
exploderade. Hursomhelst, kan livet inte existera. Ytterst skulle vi hoppas att
hitta en komplett, enhetlig, enhetlig teori som skulle inkludera alla dessa
partiella
teorier som approximationer och att inte behöva justeras för att passa de fakta
Sida 39
Stephen Hawking- Bild av universum
genom att plocka värden godtyckliga tal i teorin, till exempel
styrkan i elektronens laddning.
Strävan efter en sådan teori kallas enande fysik. Einstein tillbringade större
delen av sina senare år utan framgång söker efter en enhetlig
teori, men tiden var inte mogen: det fanns partiella teorier för gravitationen
och den elektromagnetiska kraften, men mycket lite var känt om kärnkraft
krafter. Dessutom, som nämndes i kapitel 9, vägrade Einstein att tro på
verkligheten av kvantmekanik. Ändå verkar det som om osäkerheten
Principen är ett grundläggande inslag i det universum vi lever i. En
framgångsrik enhetlig teori måste därför med nödvändighet införa denna princip.
Förutsättningarna för att finna en sådan teori verkar vara mycket bättre nu
eftersom vi vet så mycket mer om universum. Men vi måste akta oss för
övertro, vi har haft falska gryr innan! I början av nittonhundratalet, till
exempel, var det tänkt att allt skulle vara
förklaras i termer av egenskaper hos kontinuerliga material, såsom elasticitet
och värmeledning. Upptäckten av atomära struktur och
osäkerhet princip sätta eftertrycklig stopp för det. Då igen, år 1928 fysiker
och nobelpristagaren Max Born berättade en grupp besökare
Göttingen University, "Fysik, som vi känner den, kommer att vara över i sex
månader." Hans självförtroende byggde på den senaste upptäckten av Dirac av
ekvation som styrs elektronen. Man trodde att en liknande ekvation skulle styra
protonen, vilket var den enda andra partikeln känd vid
tid, och det skulle vara slutet på teoretisk fysik. Men knackade upptäckten av
neutronen och kärnvapen som en på huvudet också.
Med detta sagt finns det ändå anledning till en försiktig optimism om att vi nu
kan vara nära slutet av sökandet efter den ultimata lagar
natur.
I kvantmekaniken är krafter eller växelverkan mellan materia partiklar alla ska
bäras av partiklar. Vad som händer är att en
materia partikel, såsom en elektron eller en kvark, avger en kraft-bärande
partikeln. Rekylen från denna emission ändrar hastigheten hos saken
partikel, av samma skäl som en kanon rullar tillbaka efter bränning en
kanonkula. Kraft-bärande partiklar kolliderar sedan med en annan fråga partikel
och absorberas, ändrar rörelse denna partikel. Nettoresultatet av processen av
utsläpp och upptag är detsamma som om det hade varit en
kraft mellan de två materiepartiklarna.
Varje kraft överförs av sin egen distinkta typ av kraft-bärande partikel. Om
kraftbärande partiklarna har en hög massa, kommer det att vara svårt att
producera och byta dem över ett stort avstånd, så de krafter de bär kommer
endast att ha en kort räckvidd. Å andra sidan, om kraft-bärande
partiklar har ingen massa egen, kommer krafterna att vara långväga. De
kraftbärande partiklar som utbyts mellan materia partiklar sägs vara
virtuella partiklar eftersom, till skillnad från reella partiklar, kan de inte
detekteras direkt genom en partikel detektor. Vi vet att de finns, men eftersom
de
har en mätbar effekt: de ger upphov till krafter mellan materia
particles.Particle Exchange
Enligt kvantteorin, krafter uppstår utbytet av kraftbärande partiklar
Kraftbärande partiklar kan delas in i fyra kategorier. Det bör betonas att denna
indelning i fyra klasser är människan, det är
bekvämt för byggandet av partiella teorier, men det kanske inte motsvarar något
djupare. Ytterst flesta fysiker hoppas på att hitta en enhetlig
teori som förklarar alla fyra krafter som olika aspekter av en och samma kraft.
I själva verket skulle många säga att detta är det främsta målet för fysik idag.
Den första kategorin är gravitationskraften. Denna kraft är universell, det
känns varje partikel tyngdkraften, enligt dess massa eller energi.
Dragningskraft föreställas som orsakas genom utbyte av virtuella partiklar som
kallas gravitoner. Tyngdkraften är den svagaste av de fyra krafter som
långt, det är så svagt att vi inte skulle märka det alls om det inte vore för
två speciella egenskaper som den har: det kan handla över stora avstånd, och det
är
alltid attraktiv. Detta innebär att mycket svaga gravitationella krafterna
mellan de enskilda partiklarna i två stora organ som jorden och
sol, kan lägga upp för att producera en betydande kraft. De andra tre krafterna
är antingen kort räckvidd eller ibland attraktiva och ibland motbjudande,
så de tenderar att neutralisera.
Nästa kategori är den elektromagnetiska kraften, som samverkar med elektriskt
laddade partiklar såsom elektroner och kvarkar, men inte med
Sida 40
Stephen Hawking- Bild av universum
oladdade partiklar såsom neutriner. Det är mycket starkare än
gravitationskraften: den elektromagnetiska kraften mellan två elektroner handlar
om en
miljoner miljoner miljoner miljoner miljoner miljoner miljoner (1 med 42 nollor
efter) gånger större än gravitationskraften. Det finns dock två
typer av elektrisk laddning: positiv och negativ. Kraften mellan två positiva
laddningar är motbjudande, liksom kraften mellan två negativa laddningar,
men kraften är attraktiv mellan en positiv och en negativ laddning.
En stor mängd, såsom jord eller solen, innehåller nästan lika många positiva och
negativa laddningar. Således attraktiva och frånstötande
krafterna mellan de individuella partiklarna avbryta nästan varandra, och det
finns mycket lite netto elektromagnetisk kraft. Men på de små skalor
av atomer och molekyler, elektromagnetiska krafter dominerar. Den
elektromagnetiska attraktionen mellan negativt laddade elektroner och positivt
laddade protoner i kärnan orsakar elektronerna att kretsa kring atomkärnan,
precis som gravitationskraften bringar jorden att kretsa solen.
Den elektromagnetiska attraktionen avbildas som orsakas av utbyte av ett stort
antal virtuella partiklar som kallas fotoner. Igen, fotoner
som utbyts är virtuella partiklar. Men när en elektron övergår från en bana till
en annan närmare kärnan frigörs energi
och en verklig foton avges-vilket kan observeras som synligt ljus genom det
mänskliga ögat, om den har rätt våglängd, eller genom en fotondetektor sådan
som fotografisk film. Likaså, om en riktig photon kolliderar med en atom, kan
det flytta en elektron från en bana närmare kärnan till en längre bort.
Detta förbrukar energin i fotonen, så det absorberas.
Den tredje kategorin kallas svaga kärnkraften. Vi kommer inte i direkt kontakt
med denna kraft i vardagen. Det är emellertid, som ansvarar för
radioaktivitet, sönderfallet av atomkärnor. Den svaga kärnkraften inte förstått
förrän 1967, då Abdus Salam vid Imperial College,
London, och Steven Weinberg vid Harvard båda föreslagna teorier som enat denna
interaktion med den elektromagnetiska kraften, precis som Maxwell hade
enhetlig elektricitet och magnetism omkring hundra år tidigare. Förutsägelser
teorin överens så bra med experiment som 1979, Salam
och Weinberg tilldelades Nobelpriset i fysik tillsammans med Sheldon Glashow,
även vid Harvard, som hade föreslagit liknande enhetligt
teorier om elektromagnetiska och svaga nukleära krafter.
Den fjärde kategorin är den starkaste av de fyra krafter, den starka
kärnkraften. Detta är en annan kraft som vi inte har direkt kontakt, men det
är den kraft som håller det mesta av vår vardag värld tillsammans. Den ansvarar
för att binda ihop kvarkarna inuti protonen och neutronen och
håller protoner och neutroner tillsammans i en atomkärna. Utan den starka
kraften, den den elektriska repulsionen mellan positivt laddat
protoner skulle blåsa sönder varje atomkärna i universum utom vätgas, vars
kärnor består av enstaka protoner. Det antas
att denna kraft bärs av en partikel, kallad gluon, som interagerar endast med
sig själv och med kvarkarna.
Framgången för ett enande av de elektromagnetiska och svaga nukleära krafter har
lett till ett antal försök att kombinera dessa två krafter med
starka kärnkraften i vad som kallas en Grand Unified Theory (eller tarm). Denna
titel är snarare en överdrift: de resulterande teorier är inte alla som
Grand är inte heller de förenade fullt ut, eftersom de inte innehåller
gravitationen. De är också inte riktigt kompletta teorier, eftersom de
innehåller ett antal
parametrar vars värden kan inte förutsägas från teorin utan måste väljas för att
passa in med experiment. Ändå kan de vara ett steg
mot en komplett, fullt enhetlig teori.
Den största svårigheten med att hitta en teori som förenar gravitationen med de
andra krafterna är att teorin om gravitation-allmänna relativitetsteorin, är den
enda som är
inte en kvantteorin: det tar inte hänsyn till osäkerheten principen. Men
eftersom de partiella teorier andra krafter beror på kvantum
mekanik på ett väsentligt sätt skulle enande allvar med andra teorier kräver
hitta ett sätt att införliva denna princip i den allmänna relativitetsteorin.
Men ingen har ännu lyckats komma med en kvantmekaniska teorin för gravitation.
Anledningen en kvantmekaniska teorin för gravitation har visat så hårt för att
skapa har att göra med det faktum att osäkerheten principen innebär att även
"tomma"
utrymme är fyllt med par av virtuella partiklar och antipartiklar. Om det
weren't-if "tomma" rymden var verkligen helt tom, det skulle betyda att alla
Sida 41
Stephen Hawking- Bild av universum
fälten, såsom gravitations-och elektromagnetiska fält, måste vara exakt noll.
Värdet på ett fält och dess förändringshastighet
med tiden är som position och hastighet (dvs. ändrade inställning) av en
partikel: den osäkerhet princip innebär att den mer exakt en
vet en av dessa kvantiteter, desto mindre exakt kan veta det andra. Så om ett
fält i tomrum fastställdes till exakt noll, då det skulle ha
både ett exakt värde (noll) och en exakt förändringstakt (även noll), i strid
med denna princip. Därför måste det finnas en viss minsta mängd
osäkerhet eller kvantfluktuationer i värdet på field.Feynman Diagram av Virtual
Partikel / antipartikel par
Osäkerheten principen tillämpad på elektronen, dikterar att även i tomma rymden
virtuella partikel / antipartikel par visas och sedan förinta
varandra
Man kan tänka på dessa fluktuationer som par av partiklar som visas tillsammans
någon gång, flytta isär, och sedan träffas igen och
förinta varandra. De är virtuella partiklar, som de partiklar som bär krafter:
till skillnad från riktiga partiklar, kan de inte observeras direkt med en
partikel detektor. Däremot kan deras indirekta effekter, såsom små förändringar
i energi elektron banor, mätas, och dessa data är överens
med teoretiska förutsägelser till en anmärkningsvärd grad av noggrannhet. I
fallet med fluktuationer i det elektromagnetiska fältet, dessa partiklar är
virtuella fotoner, och i fallet med variationer i gravitationsfält, är de
virtuella gravitoner. I fallet med fluktuationer i svaga och starka
kraftfält, men de virtuella paren är par av materia partiklar, såsom elektroner
eller kvarkar och deras antipartiklar.
Problemet är att de virtuella partiklarna har energi. I själva verket, eftersom
det finns ett oändligt antal virtuella par, skulle de ha en oändlig
mängd energi och därmed av Einsteins ekvation E = mc 2 (se kapitel 5) de skulle
ha en oändlig mängd massa. Enligt den allmänna
relativitet, innebär detta att deras allvar skulle kurva universum till en
oändligt liten storlek. Som uppenbarligen inte hända! Liknande synes absurt
oändligheter förekommer i den andra partiella teorier-de av starka, svaga, och
elektromagnetiska krafter, men i alla dessa fall en process som kallas
renormering kan Avtagbar e de oändligheter, vilket är anledningen till att vi
har kunnat skapa kvantmekaniska teorier om dessa krafter.
Renormering består i att införa nya oändligheter som har upphäver de
oändligheter som uppstår i teorin. Däremot behöver de inte
avbryta exakt. Vi kan välja de nya oändligheter för att lämna små rester. Dessa
små resterna kallas renormerade kvantiteter
teorin.
Men i praktiken denna teknik är ganska tvivelaktiga matematiskt, det verkar
fungera, och den har använts med teorier om starka,
svaga och elektromagnetiska krafter för att göra förutsägelser som
överensstämmer med observationer till en extraordinär noggrannhet. Renormering
har en
allvarlig nackdel ur synvinkel att försöka hitta en komplett teori, men eftersom
det innebär att de verkliga värdena på massorna och
starka krafterna kan inte förutsägas från teorin utan måste väljas för att passa
observationerna. Olyckligtvis, i ett försök att använda
renormering att ta bort kvantmekaniska oändligheter från allmän
relativitetsteori, vi har bara två mängder som kan justeras: styrkan av
gravitation och
värdet av den kosmologiska konstanten, införde begreppet Einstein i hans
ekvationer därför att han trodde att universum inte expanderar
(Se kapitel 7). Som det visar sig, justerar dessa är inte tillräckligt för att
ta bort alla oändligheter. Vi är därför kvar med en kvantmekaniska teorin för
gravitation som
tycks förutse att vissa kvantiteter, såsom krökning rumtiden, är verkligen
oändliga, men dessa mängder kan observeras och
uppmättes till att vara perfekt ändlig!
Att detta skulle vara ett problem att kombinera allmän relativitetsteori och
osäkerheten principen hade misstänkt en tid men var till slut
bekräftas av detaljerade beräkningar 1972. Fyra år senare var en möjlig lösning,
som kallas supergravity, föreslog. Tyvärr beräkningarna
som krävs för att ta reda på huruvida det fanns några oändligheter kvar
ostämplade i supergravity var så lång och svår att ingen var beredd att
förbinder dem. Även med en dator, det var räknade, skulle det ta många år, och
chanserna var mycket stor att det skulle finnas minst en
misstag, förmodligen mer. Därför skulle vi veta att vi hade rätt svar endast om
Sida 42
Stephen Hawking- Bild av universum
någon annan upprepade beräkningen och fick samma svar, och
som inte verkar troligt! Fortfarande, trots dessa problem, och det faktum att
partiklarna i supergravity teorier verkade inte matcha
observerade partiklar, trodde de flesta vetenskapsmän att teorin skulle ändras
och var förmodligen det rätta svaret på problemet med att förena gravitationen
med de andra krafterna. Sedan år 1984 fanns det en anmärkningsvärd förändring av
opinionen till förmån för så kallade sträng teorier.
Före strängteorin, varje av de grundläggande partiklarna tänkt att inta en enda
plats. I strängteorierna de grundläggande objekten inte
punkt partiklar men saker som har en längd, men ingen annan dimension, som en
oändligt tunn bit snöre. Dessa strängar kan ha ändar (så kallad
öppna strängar) eller de kan vara förenade med sig själva i slutna slingor
(slutna strängar). En partikel upptar ett punkt i rymden i varje ögonblick av
tid. En sträng, å andra sidan, upptar en linje i rymden vid varje tidpunkt. Två
snören kan förenas för att bilda en enda sträng, i
Vid öppna strängar de ansluter bara i ändarna, medan i fallet med slutna
strängar det är som de två benen som ansluter på ett par byxor. Likaså,
en enda sträng kan delas in i två strängar.
Om de grundläggande objekten i universum är strängar, vilka är de punkt
partiklar vi tycks följa i våra experiment? I strängteorierna, vad
tidigare tänkt som olika punkt partiklar nu beskrivas som olika vågor på
strängen, som vågor på en vibrerande drake sträng. Ändå
strängar, och vibrationer längs den, är så små att även vår bästa teknik inte
kan lösa sin form, så att de beter sig, i alla våra experiment, som
små, enfärgat punkter. Tänk dig att titta på ett dammkorn: upp nära, eller under
ett förstoringsglas, kan du finna att fleck har en oregelbunden eller
även stringlike form, men på avstånd ser det ut som en formlös prick.
I strängteorin utsläpp eller absorption av en partikel med en annan motsvarar
dela eller sammanfogning av strängar. Till exempel thegravitational kraft solen
på jorden avbildas i partikel teorier som orsakas av utsläpp av de så kallade
kraftbärande partiklar
gravitoner av ett ärende partikel i solen och deras absorption av ett ärende
partikel på jorden. I strängteorin, motsvarar denna process till en H-
formade röret eller rör (strängteorin är snarare som VVS, på ett sätt). De två
vertikala sidorna av H motsvarar partiklarna i solen och
jorden och den horisontella ribban motsvarar Graviton som reser mellan dem.
Strängteorin har en märklig historia. Det var ursprungligen uppfanns i slutet av
1960 i ett försök att hitta en teori för att beskriva den starka kraften. Idén
var att partiklar som protoner och neutroner kan betraktas som vågor på en
sträng. De starka krafterna mellan partiklarna skulle
motsvarar snören som gick mellan andra bitar av sträng, som i en spiderweb. För
denna teori för att ge det observerade värdet av den starka
kraft mellan partiklar, måste strängarna är som gummiband med en pull på ca tio
ton.
År 1974 publicerade Joel Scherk från École Normale Supérieure i Paris och John
Schwarz från California Institute of Technology ett papper
i vilken de visade att strängteori kan beskriva karaktären av
gravitationskraften, men endast om spänningen i strängen var ungefär tusen
miljoner miljoner miljoner miljoner miljoner miljoner ton (1 med 39 nollor
efter). Förutsägelser strängteori skulle vara precis samma som för
allmänna relativitetsteori på normal-längdskalor, men de skulle skilja sig på
mycket små avstånd, mindre än en miljard euro miljoner euro miljondels
en centimeter (en centimeter dividerat med 1 med 33 nollor efter). Deras arbete
fick inte mycket uppmärksamhet, men eftersom på nästan
Då de flesta övergav den ursprungliga strängen teorin för den starka kraften
till förmån för teorin bygger på kvarkar och gluoner, som tycktes
passar mycket bättre med observationer. Scherk dog i tragiska omständigheter
(han led av diabetes och gick in i en koma när ingen var runt att
ge honom en injektion av insulin), så Schwarz lämnades ensam som nästan den enda
anhängare av strängteori, men nu med betydligt högre föreslagna
värde av strängen spänning.
Feynmandiagram i Strängteori
I sträng teorier, är långsiktiga krafter ses som orsakas av att ansluta rören
snarare än utbyte av kraft-bärande partiklar.
År 1984 återupplivade intresset för strängar plötsligt, uppenbarligen av två
skäl. En var att folk inte riktigt gjorde stora framsteg mot
visar att supergravity var ändlig eller att det skulle kunna förklara vilka
typer av partiklar som vi observerar. Den andra var publiceringen av en annan
papper med
Sida 43
Stephen Hawking- Bild av universum
John Schwarz, denna gång med Mike Green i Queen Mary College, London. Denna
uppsats visar att strängteorin skulle kunna förklara
förekomsten av partiklar som har en inbyggd vänsterhänthet, som några av de
partiklar som vi observerar. (Beteendet hos de flesta partiklar skulle vara
samma om du har ändrat den experimentella inställning genom att reflektera det
hela i en spegel, men beteendet hos dessa partiklar skulle förändras. Det är som
om de är vänster-eller
högerhänt, istället för att vara ambidextrous.) Oavsett skälen började ett stort
antal människor snart att arbeta på strängteori, och en ny
version utvecklades som verkade som om det skulle kunna förklara vilka typer av
partiklar som vi observerar.
Strängteorierna leder också till oändligheter, men man tror att i rätt version
de alla kommer att avbryta ut (även om detta ännu inte är känd för vissa).
Sträng
teorier, har emellertid ett större problem: de verkar vara konsekvent endast om
rumtiden har antingen tio eller 26 dimensioner, i stället för den
vanligt fyra! Naturligtvis extra rumtiden dimensioner är en vanligt av science
fiction. I själva verket ger de ett idealiskt sätt att övervinna
normal begränsning av den allmänna relativitetsteorin att man inte kan färdas
snabbare än ljuset eller tillbaka i tiden (se kapitel 10). Tanken är att ta en
genväg genom
de extra dimensioner. Du kan föreställa detta på följande sätt. Föreställ dig
att det utrymme vi lever i har bara två dimensioner och är krökt som
yta av ett ankare ring eller munk. Om du var på insidan av ringen och du ville
komma till en punkt över ringen på andra sidan,
du måste röra sig i en cirkel längs den inre kanten av ringen tills du nått
målpunkten.
Men om du kunde resa i den tredje
dimension kan du lämna ringen och skär rakt över.
Varför inte märker vi alla dessa extra dimensioner om de verkligen där? Varför
ser vi bara tre utrymme dimensioner och en tidsdimension? Förslaget är att de
andra dimensionerna är inte som de dimensioner som vi är vana vid. De är krökta
uppåt i ett utrymme med mycket liten storlek,
något som en miljon miljoner miljoner miljoner miljondels en tum. Det är så
liten att vi bara inte märker det: vi ser bara en tidsdimension och
tre utrymme dimensioner, där rumtiden är ganska platt. Att föreställa hur det
fungerar, tänk på ytan av ett sugrör. Om man tittar på det närmare, ser du
ytan är tvådimensionell. Det vill säga, positionen för en punkt på strå beskrivs
av två siffror, längden utmed halm och avståndet
runt den cirkulära dimensionen. Men dess cirkulära dimension är mycket mindre än
dess dimension längd. På grund av detta, om man tittar på halmen från
avstånd, ser du inte tjockleken på halm och det ser endimensionell. Det är,
verkar det som att ange positionen för en punkt behöver
bara för att ge längden längs sugröret. Så är det med tid och rum, sträng
teoretiker säger: i mycket liten skala är det tio-dimensionellt och mycket böjd,
men
på större skalor du inte ser krökning eller extra dimensioner.
Om bilden är korrekt stavar det dåliga nyheter för blivande rymdfarare: de extra
dimensionerna skulle vara alltför liten för att tillåta ett rymdskepp
igenom. Ställs dock ett stort problem för forskarna också: varför skulle en del,
men inte alla, vara av dimensionerna uppkrupen i en liten boll?
Förmodligen, i mycket tidiga universum alla dimensioner skulle ha varit mycket
böjd. Varför en tidsdimension och tre dimensioner utrymme
plana ut, medan de andra dimensionerna förblir tätt hoprullad?
Ett möjligt svar är vad som kallas antropiska principen, som kan omskrivas som
"Vi ser universum som det är för att vi
existerar. "Det finns två versioner av antropiska principen, de svaga och de
starka. De svaga antropiska principen säger att i ett universum som är stor
eller oändliga i rymden och / eller tid, kommer de nödvändiga förutsättningarna
för utvecklingen av intelligent liv endast uppfyllas i vissa regioner som är
begränsade i
utrymme och tid. De intelligenta varelser i dessa regioner bör därför inte
förvånad om de konstaterat att deras ort i universum uppfyller
de villkor som är nödvändiga för deras existens. Det är lite som en rik person
som bor i en rik stadsdel inte ser någon fattigdom.
Vissa går mycket längre och föreslå en stark version av principen. Enligt denna
teori finns det antingen många olika universa eller många
olika regioner i en och samma universum, alla med sin egen ursprungliga
konfigurationen och kanske med sin egen uppsättning av lagar vetenskap. I de
Sida 44
Stephen Hawking- Bild av universum
flesta av dessa
universum villkoren skulle inte vara rätt för utvecklingen av komplicerade
organismer, endast i de få universa som är som vår skulle
intelligenta varelser utvecklas och ställa frågan: "Varför är universum som vi
ser det?" Svaret är då enkelt: om det hade varit annorlunda, vi
skulle inte vara här!
Få människor skulle gräla med giltigheten eller nyttan av den svaga antropiska
principen, men det finns ett antal invändningar som man kan höja till
stark antropiska princip som en förklaring till den observerade tillståndet av
universum. Till exempel kan i vilken mening alla dessa olika universum vara
sägas existera? Om de verkligen skilda från varandra, kan vad som händer i ett
annat universum har inga observerbara konsekvenser i vår egen
universum. Vi bör därför använda principen om ekonomin och skär dem ur teorin.
Om, å andra sidan, var de bara olika regioner i en
enda universum skulle vetenskapens lagar måste vara samma i varje region,
eftersom vi annars inte kunde röra sig kontinuerligt från en region
till en annan. I detta fall är den enda skillnaden mellan de regioner skulle
vara deras ursprungliga konfigurationer, så den starka antropiska principen
skulle minska
den svaga ett.
Den antropiska principen ger ett möjligt svar på frågan varför de extra
dimensioner strängteori uppkrupen. Två utrymme dimensioner
verkar inte vara tillräckligt för att möjliggöra utveckling av komplicerade
varelser som oss. Till exempel tvådimensionella djur som lever på en cirkel (den
yta av en tvådimensionell jord) skulle behöva klättra över varandra för att
komma förbi varandra. Och om en tvådimensionell varelse åt
något som det inte kunde smälta helt, skulle det ha för att få upp är på samma
sätt som det uppslukade dem, för om det fanns en passage
rakt igenom kroppen, skulle det dela varelsen i två separata halvor: vår
tvådimensionell varelse skulle falla sönder. Likaså är det svårt att se
hur det kan finnas någon cirkulation av blodet i en tvådimensionell varelse.
Det skulle också vara problem med mer än tre utrymme dimensioner.
Gravitationskraften mellan två kroppar skulle minska snabbare
med avstånd än det gör i tre dimensioner. (I tre dimensioner faller
gravitationskraften till en fjärdedel när du dubbelklickar på distans. Under
fyra
dimensioner skulle sjunka till en åttondel, i fem dimensioner till en sextondel,
och så vidare.) Betydelsen av detta är att banor planeter, såsom
jord, skulle runt solen vara instabil: minsta möjliga störningar från en
cirkulär bana (såsom skulle kunna orsakas av dragningskraft andra
planeter) skulle resultera i jorden spiral från eller in i solen. Vi skulle
antingen frysa eller brännas upp. I själva verket, samma beteende av
gravitationen
med avståndet i mer än tre utrymme dimensioner innebär att solen inte skulle
kunna existera i ett stabilt tillstånd, med tryckbalansering gravitation.
Solen skulle antingen falla sönder eller kollapsa för att bilda ett svart hål. I
båda fallen skulle det inte vara till stor nytta som en källa för värme och ljus
för livet på
jord. I mindre skala, skulle de elektriska krafter som orsakar elektronerna att
kretsa runt kärnan i en atom beter sig på samma sätt som
gravitationskrafter. Sålunda elektronerna skulle antingen fly från atomen helt
eller skulle spiral in i kärnan. I båda fallen skulle det finnas
inga atomer som vi känner dem.
Det verkar uppenbart då att livet, åtminstone som vi känner den, kan existera
endast i regioner med rumtiden där en tidsdimension och exakt tre rum
dimensioner inte hoprullad liten. Detta skulle innebära att vi skulle kunna
tilltala den svaga antropiska principen, förutsatt att vi kunde visa att
strängen
teori gör åtminstone tillåter att det finns sådana områden i universum, och det
verkar som verkligen strängteorin gör. Det kan mycket väl finnas andra regioner
i
universum, eller andra universa (vad det nu kan innebära), där alla dimensioner
uppkrupen små eller där fler än fyra dimensioner
är nästan platt, men det skulle inte finnas några intelligenta varelser i dessa
regioner att observera olika antal effektiva dimensioner.
Utöver frågan om dimensioner, är ett annat problem med strängteori att det finns
minst fem olika teorier (två öppna sträng och
tre olika slutna strängteorierna) och miljontals hur de extra dimensioner
Sida 45
Stephen Hawking- Bild av universum
förutsägs av strängteorin kan uppkrupen. Varför skulle
bara en sträng teori och en slags curling upp plockas ut? För en tid verkade
inget svar, och framsteg blev kört fast. Därefter, med start
i cirka 1994, började folk upptäcka vad som kallas dualiteter: olika sträng
teorier och olika sätt att curling upp extra dimensioner
skulle kunna leda till samma resultat i fyra dimensioner. Dessutom, liksom
partiklar, som upptar en enda punkt i rymden, och strängar, som är linjer,
Det befanns vara andra föremål som kallas p-bran, som upptog tvådimensionella
eller högre dimensionella volymer i rymden. (En partikel kan vara
betraktas som en 0-brane och en sträng som en 1-brane, men det fanns också
p-bran för p = 2 till p = 9. En 2-brane kan ses som något som liknar en
tvådimensionell membran. Det är svårare att föreställa sig högre dimensionella
bran.) Vad detta tyder på är att det finns ett slags demokrati
(I betydelsen av att ha samma röster) bland supergravity, snören och p-brane
teorier: de verkar passa ihop, men ingen kan sägas vara mer
grundläggande än de andra. Istället de alla verkar vara olika approximationer
till några mer grundläggande teori, vart och ett giltigt i olika
situations.People har sökt efter denna bakomliggande teorin, men utan framgång
hittills. Det är möjligt att det inte kan vara någon enstaka formulering av
grundläggande teori mer än som Gödel visade, kan en formulera aritmetiska i form
av en enda uppsättning axiom. Istället kan det vara som kartor
-Du kan inte använda en enda platt karta för att beskriva den runda jordytan
eller ytan av ett ankare ring: du behöver minst två kartor i ärendet
av jorden och fyra för ankaret ringen för att täcka varje punkt. Varje karta är
giltigt endast i ett begränsat område, men olika kartor att ha ett område av
överlappar varandra. Samlingen av kartor ger en fullständig beskrivning av ytan.
Likaså, i fysik kan det vara nödvändigt att använda olika
formuleringar i olika situationer, men två olika formuleringar skulle hålla i
situationer där de både kan tillämpas.
Betydelsen av att vara Tredimensionell
I mer än tre utrymme dimensioner skulle planetbanor vara instabil och planeter
skulle antingen falla in i solen eller fly sitt attraktion helt
Om detta är sant, skulle hela samlingen av olika formuleringar ses som en
komplett enhetlig teori, även om det skulle vara en teori som kunde
inte uttryckas i termer av en enda uppsättning postulat. Men även detta kan vara
mer än naturen tillåter. Är det möjligt att det inte finns någon enhetlig teori?
Är
Vi kanske bara jagar en hägring? Det verkar finnas tre möjligheter:
Det är verkligen en komplett enhetlig teori (eller en samling överlappande
formuleringar), som vi kommer en dag upptäcka att vi är smarta nog
Det finns ingen ultimat teori om universum, bara en oändlig sekvens av teorier
som beskriver universum mer och mer exakt, men är
aldrig exakt
Det finns ingen teori om universum händelser kan inte förutsägas bortom en viss
grad, men förekommer i ett slumpmässigt och godtyckligt sätt
Vissa skulle argumentera för tredje möjlighet med motiveringen att om det fanns
en komplett uppsättning lagar, skulle det strida mot Guds frihet att byta
Hans sinne och ingripa i världen. Men eftersom Gud är allsmäktig, kunde inte Gud
intrång på hans frihet om han ville? Det är lite som den gamla
paradox: kan Gud göra en sten så tung att han inte kan lyfta den? Egentligen är
tanken att Gud kanske vill ändra sig ett exempel på
felslut, påpekar Augustinus, att föreställa Gud som en varelse som existerar i
tiden. Tid är en egenskap endast av universum som Gud har skapat.
Förmodligen visste han vad han tänkt när han sätter upp!
Med tillkomsten av kvantmekanik, har vi kommit att inse att händelser inte kan
förutsägas med fullständig precision: det finns alltid en
grad av osäkerhet. Om du vill, kan du tillskriva detta slumpmässighet till
ingripande av Gud. Men det skulle vara ett mycket märkligt slags ingripande,
med inget bevis för att det är riktat mot något ändamål. Faktum är att om så
vore fallet skulle det bv definition inte vara slumpmässigt. I modern tid har vi
på ett effektivt sätt
bort tredje möjlighet ovan genom att omdefiniera målet vetenskapens: vårt mål är
att formulera en uppsättning lagar som gör att vi kan förutse händelser endast
upp
till den gräns som anges av den osäkerhet principen.
Den andra möjligheten, att det finns en oändlig sekvens av fler och mer
raffinerade teorier stämmer överens med all vår erfarenhet hittills. På
många tillfällen har vi ökat känsligheten hos våra mätningar eller gjort en ny
klass av observationer, bara för att upptäcka nya fenomen
Sida 46
Stephen Hawking- Bild av universum
som inte förutsägs av den befintliga teorin, och ta hänsyn till dessa vi har
varit tvungna att utveckla en mer avancerad teori. Genom att studera partiklar
som
interagera med mer och mer energi, kan vi förvänta oss verkligen att hitta nya
lager av struktur mer grundläggande än kvarkar och elektroner som vi nu
betrakta som "elementära" partiklar.
Gravity kan ge en gräns för denna sekvens av "lådor i lådor." Om vi
hade en
partikel med en energi utöver vad som kallas Planck energi,
dess massa skulle vara så koncentrerad att det skulle skära sig själv från
resten av universum och bilda ett litet svart hål. Således verkar att
sekvens av fler och mer raffinerade teorier bör ha en viss gräns som vi studerar
högre och högre energier, så det bör finnas någon ultimat
teori om universum. Ändå Planck energi är en mycket lång väg från de energier vi
kan producera i laboratoriet för närvarande. Vi ska inte
överbrygga klyftan med partikelacceleratorer inom överskådlig framtid. De mycket
tidiga stadierna av universum, är dock en arena där sådana
energier måste ha inträffat. Det finns en god chans att studera det tidiga
universum och kraven på matematiska konsekvens kommer
leda oss till en komplett enhetlig teori inom den tid vissa av oss som är runt
idag, alltid förutsatt att vi inte blåser upp oss först! Vad skulle det betyda
om vi faktiskt hade upptäcker den ultimata teori om universum?
Som förklaras i kapitel 3, kan vi aldrig helt säker på att vi verkligen hade
hittat rätt teori, eftersom teorier inte kan bevisas. Men om
teorin var matematiskt konsekvent och alltid gav förutsägelser som
överenskommits med observationer kan vi vara ganska säkra på att det var
den rätta. Det skulle sätta stopp för en lång och härlig kapitel i historien om
mänsklighetens intellektuella kamp för att förstå universum. Men det
skulle också revolutionera vanlig människas förståelse för de lagar som styr
universum.
I Newtons tid, var det möjligt för en utbildad person att ha ett grepp om hela
människans kunskap, åtminstone i stora drag. Men eftersom
dess har takten i utvecklingen av vetenskap gjort detta omöjligt. Eftersom
teorier är alltid ändras ta hänsyn till nya
observationer, de aldrig riktigt ned eller förenklats så att vanliga människor
kan förstå dem. Du måste vara en specialist, och även
då kan du bara hoppas att ha en ordentlig grepp om en liten del av de
vetenskapliga teorier. Vidare är takten så snabb att det du
lära i skolan eller universitet är alltid lite inaktuell. Endast ett fåtal
människor kan hänga med den snabba utvecklingen kunskapens gränser, och de
måste ägna hela sin tid till det och specialisera sig inom ett litet område.
Resten av befolkningen har liten uppfattning om de framsteg som görs eller
spänningen som de genererar. Å andra sidan, 70 år sedan, om Eddington man får
tro, förstås endast två personer den allmänna
relativitetsteorin. Numera tiotusentals akademiker gör, och många miljoner
människor är minst bekanta med idén. Om en
komplett enhetlig teori upptäcks, kommer det bara en tidsfråga innan det blir
bearbetas och förenklas på samma sätt och undervisade i
skolor, åtminstone i kontur. Vi kommer då alla att kunna ha en viss förståelse
för de lagar som styr universum och är ansvariga för våra
existens.
Även om vi gör upptäcker en komplett enhetlig teori, men skulle det inte
innebära att vi skulle kunna förutse händelser i allmänhet, av två skäl.
Den första är begränsningen att osäkerheten princip kvantmekaniken sätter på
våra befogenheter förutsägelse. Det finns ingenting vi kan göra för att få
runt det. I praktiken, emellertid, är denna första begränsning mindre
restriktiva än andra. Det beror på det faktum att vi sannolikt inte kan lösa
ekvationer en sådan teori, utom i mycket enkla situationer. Som vi har sagt, kan
ingen lösa exakt kvantmekaniska ekvationerna för en atom
bestående av en kärna plus mer än en elektron. Vi kan inte ens lösa exakt
rörelse tre kroppar i en teori så enkelt som Newtons
gravitationsteori och svårigheten ökar med antal organ och komplexiteten av
teorin. Ungefärliga lösningar räcker vanligtvis
program, men de uppfyller knappast de stora förväntningar som väckts av termen
"enhetlig teori om allt"!
Idag vet vi redan de lagar som styr beteendet hos materia under alla utom de
mest extrema förhållanden. I synnerhet vet vi grundläggande
lagar som ligger bakom all kemi och biologi. Men vi har verkligen inte minskat
dessa ämnen till statusen av lösta problem. Och vi ha \ hade,
ännu, lite framgång för att förutsäga mänskligt beteende från matematiska
Sida 47
Stephen Hawking- Bild av universum
ekvationer! Så även om vi inte hittar en komplett uppsättning av grundläggande
lagar, kommer det fortfarande
vara under de kommande åren för intellektuellt utmanande uppgiften att utveckla
bättre approximationsmetoder så att vi kan göra användbara förutsägelser om
sannolika utfall i komplicerade och realistiska situationer. En komplett,
konsekvent, enhetlig teori är bara det första steget: vårt mål är en komplett
förståelse av händelserna runt omkring oss, och vår egen existence.12
SLUTSATS
Vi befinner oss i en förvirrande värld. Vi vill förstå vad vi ser omkring oss
och fråga: Vad är den typ av
universum? Vad är vår plats i den, och där gjorde det och vi kommer från? Varför
är det så det är?
För att försöka besvara dessa frågor, antar vi en viss bild av världen. Precis
som en oändlig torn sköldpaddor som stöder den platta jorden är en sådan
bild, så är teorin om supersträngar. Båda är teorier om universum, även om den
senare är mycket mer matematisk och precist än det förra.
Båda teorierna saknar observationella bevis: ingen har någonsin sett en jätte
sköldpadda med jorden på rygg, men då har ingen någonsin sett en
supersträngteorin heller. Emellertid inte sköldpaddan teorin att vara en god
vetenskaplig teori, eftersom det förutsäger att människor ska kunna ramla av
kanten
av världen. Detta har inte visat sig hålla med erfarenhet, om inte visar sig
vara förklaringen till de människor som är tänkta att ha
försvann i Bermudatriangeln!
De tidigaste teoretiska försök att beskriva och förklara universum involverade
tanken att händelser och naturfenomen kontrollerades av
sprit med mänskliga känslor som agerade på ett mycket humanlike och
oförutsägbart sätt. Dessa andar bebodde naturliga föremål, såsom floder,
berg och himlakroppar, inklusive solen och månen. De måste blidkas och deras
fördel eftersträvas för att säkerställa markens bördighet
och rotationen av årstiderna. Så småningom, men det måste ha varit märkte att
det fanns vissa regelbundenheter: solen alltid steg i öst
och som i väst, om ett offer hade gjorts till solguden. Vidare följde solen,
månen och planeterna exakta sökvägar
över himlen som kunde förutses i förväg med stor noggrannhet. Solen och månen
fortfarande kan vara gudar, men de var gudar som
lydde strikta lagar, till synes utan några undantag, om en rabatter historier
som den i solen stannar för Joshua.
Från Turtles till krökta rum
Gamla och moderna utsikt över universum.
Till en början var dessa regelbundenheter och lagar uppenbara endast i astronomi
och några andra situationer. Men som civilisation utvecklats, och
särskilt under de senaste 300 åren har fler och fler regelbundenheter och lagar
upptäcktes. Framgången för dessa lagar ledde Laplace vid
början av artonhundratalet att förutsätta vetenskapliga determinism, det vill
säga föreslog han att det skulle finnas en uppsättning lagar som skulle avgöra
utvecklingen av universums exakt, med tanke på dess konfiguration vid någon
tidpunkt.
Laplaces determinism var ofullständig på två sätt: det gjorde inte säga hur
lagarna ska väljas, och det inte anges den inledande konfigurationen av
universum. Dessa lämnades till Gud. Gud skulle välja hur universum började och
vilka lagar den lydde, men han skulle inte ingripa i
universum när det hade börjat. I själva verket var Gud begränsad till de områden
som artonhundratalet vetenskapen inte förstod.
Vi vet nu att Laplaces hopp om determinism inte kan förverkligas, åtminstone i
termer han hade i åtanke. Osäkerheten princip quantum
mekanik innebär att vissa par av mängder, såsom position och hastighet av en
partikel, inte båda kan förutsägas med fullständig precision.
Kvantmekanik behandlar denna situation genom en klass av kvantmekaniska teorier
i vilka partiklar inte har väl definierade positioner och hastigheter men
representeras av en våg. Dessa quantum teorier är deterministiska i den meningen
att de ger lagar för utvecklingen av vågen med tiden. Alltså, om
vi vet vågen på en gång, kan vi beräkna det vid något annat tillfälle. Den
oförutsägbara, slumpmässigt element kommer in först när vi försöker tolka
våg med avseende på positionerna och hastigheter av partiklar. Men kanske det är
våra misstag: kanske det finns inga partiklar positioner och hastigheter, men
bara vågor. Det är bara det att vi försöker passa vågorna till våra förutfattade
meningar av positioner och hastigheter. Den resulterande missanpassning är
orsaken till
Sida 48
Stephen Hawking- Bild av universum
uppenbar oförutsägbarhet.
I själva verket har vi omdefinierat uppgift vetenskapen att vara upptäckten av
lagar som gör det möjligt för oss att förutse händelser upp till de gränser som
osäkerhet princip. Frågan kvarstår dock: hur eller varför var de lagar och den
inledande tillståndet i universum valt?
Denna bok har ägnat särskild lyfta fram de lagar som styr gravitation, eftersom
det är allvar som formar den storskaliga strukturen av universum,
även om det är det svagaste av de fyra kategorierna av krafter. Tyngdlagen var
oförenliga med utsikt, som hölls till helt nyligen, att
universum är oföränderlig i tiden: det faktum att gravitationen är alltid
attraktiva innebär att universum måste antingen expandera eller kontrahera.
Enligt
till den allmänna relativitetsteorin, måste det ha varit ett tillstånd av
oändlig täthet i det förflutna, den stora smällen, vilket skulle ha varit en
effectivebeginning tid. Likaså om hela universum kollapsade, måste det finnas en
annan stat av oändlig täthet i framtiden, den stora crunch, vilket skulle
bli ett slut. Även om hela universum inte kollapsar, skulle det finnas
singulariteter i alla lokala områden som kollapsade att bilda svart
hål. Dessa singulariteter skulle vara slut på tid för den som föll i det svarta
hålet. Vid Big Bang och andra singulariteter, alla lagar skulle
har brutit ner, så skulle Gud fortfarande haft full frihet att välja vad som
hände och hur universum började.
När vi kombinerar kvantmekanik med allmänna relativitetsteorin, det verkar vara
en ny möjlighet som inte uppstå innan: att tid och rum
tillsammans kan bilda en ändlig, fyra-dimensionell rymd utan singulariteter
eller gränser, liksom ytan av jorden, men med fler dimensioner. Den
verkar som denna idé skulle kunna förklara många av de observerade egenskaperna
hos universum, såsom dess stora likformighet och även mindre skala
avvikelser från homogenitet, bland galaxer, stjärnor och även människor. Men om
universum är helt fristående, utan
singulariteter eller gränser, och helt beskrivas med en enhetlig teori, som har
djupgående konsekvenser för den roll Gud som skapare.
Einstein frågade en gång: "Hur mycket val hade Gud i uppbyggandet universum?" Om
ingen gräns förslag är korrekt, hade Gud ingen frihet
alls att välja startvärden. Gud skulle naturligtvis, har fortfarande haft frihet
att välja de lagar som universum lydde. Detta är dock, kan
egentligen inte ha varit så mycket av ett val, det kan mycket väl vara bara en,
eller ett fåtal, kompletta enhetliga teorier såsom strängteorin, som
är fristående och kan förekomsten av strukturer så komplicerat som människor som
kan utreda universums lagar och be
om Guds natur.
Även om det bara finns en möjlig enhetlig teori, det är bara en uppsättning
regler och ekvationer. Vad är det som andas eld i ekvationerna och gör en
universum för dem att beskriva? Den vanliga metoden för vetenskapen att
konstruera en matematisk modell kan inte svara på frågorna om varför det
bör vara ett universum för modellen att beskriva. Varför går universum till alla
bry befintliga? Är enhetlig teori så övertygande att det
medför sin egen existens? Eller gör det behöver skapare, och i så fall har han
en annan effekt på universum? Och vem skapade honom?
Hittills har de flesta forskare varit alltför upptagen med att utveckla nya
teorier som beskriver vad universum är att fråga varför. På
Däremot de människor vars verksamhet är att fråga varför, filosoferna, inte
kunnat hålla jämna steg med ett förskott på vetenskapliga teorier. I
sjuttonhundratalet ansåg filosofer hela människans kunskap, bland annat
vetenskap, att vara deras område och diskuterade frågor
som om universum hade en början. Men i de nittonde och tjugonde århundradena,
blev vetenskapen för tekniska och matematiska för
filosoferna, eller någon annan än ett fåtal specialister. Filosofer minskade
omfattningen av sina undersökningar så mycket att Wittgenstein, mest
berömd filosof av det tjugonde århundradet, sade: "Den enda kvarvarande uppgift
filosofi är att analysera språket." Vilken Comedown från
stora traditionen av filosofi från Aristoteles till Kant!
Om vi
upptäcker en fullständig teori, bör det i tid vara begriplig i bred
princip alla, inte bara några få vetenskapsmän. Då vi alla,
filosofer, vetenskapsmän och bara vanliga människor, kunna delta i diskussionen
om frågan om varför det är att vi och universum existerar. Om
finner vi svaret på det, skulle det vara den ultimata triumf mänskliga
förnuftet, för då skulle vi veta sinne God.Glossary
Absolut noll: Den lägsta möjliga temperatur, vid vilken ämnen innehåller ingen
Sida 49
Stephen Hawking- Bild av universum
värmeenergi.
Acceleration: Den hastighet med vilken hastighet ett föremål förändras.
Antropiska principen: Tanken att vi ser universum som det är eftersom om det var
annorlunda, skulle vi inte vara här för att observera det.
Antipartikel: Varje typ av materia partiklar har en motsvarande antipartikel.
När en partikel kolliderar med sin antipartikel, båda förintas, vilket innebär
att endast energi.
Atom: Den grundläggande enheten i vanlig materia, som består av en liten kärna
(bestående av protoner och neutroner) omgiven av kretsande elektroner.
Big Bang: Den singularitet i början av universum.
Big Crunch: Den singularitet i slutet av universum.
Svart hål: En region i rumtiden som ingenting, inte ens ljuset kan fly, eftersom
gravitationen är så stark.
Koordinater: Nummer som anger läget för en punkt i tid och rum.
Kosmologiska konstanten: En matematisk enhet som används av Einstein för att ge
tid och rum en inbyggd tendens att expandera.
Kosmologi: Studien av universum som helhet.
Mörk materia: materia i galaxer, kluster, och eventuellt mellan kluster som inte
har observerats direkt, men kan detekteras genom dess gravitationella effekten.
Så mycket som 90 procent av den
massa i universum kan vara i form av mörk materia.
Duality: En brevväxling mellan till synes olika teorier som leder till samma
fysiska resultat.
Einstein-Rosen brygga: en tunn slang i rumtiden som förbinder två svarta hål. Se
även maskhål.
Elektrisk laddning: En egenskap hos en partikel med vilken den kan avvärja
(eller locka) andra partiklar som har en laddning av liknande (eller tvärtom)
tecken.
Elektromagnetisk kraft: Den kraft som uppstår mellan partiklar med elektrisk
laddning, den näst starkaste av de fyra grundläggande krafter.
Elektron: En partikel med negativ elektrisk laddning som kretsar kring en
atomkärna.
Elektrosvaga enande energi: energi (ca 100 GeV) över vilken skillnaden mellan
den elektromagnetiska kraften och den svaga kraften försvinner.
Elementär partikel: En partikel som, man tror,
kan inte delas.
Händelse: En punkt i rumtiden, som anges av dess tid och plats.
Event Horizon: Gränsen för ett svart hål.
Fält: Något som finns i hela rum och tid, i motsats till en partikel som finns
på endast en plats i taget.
Frekvens: För en våg, antalet fullständiga cykler per sekund.
Gammastrålar: Elektromagnetiska strålar av mycket kort våglängd, som produceras
i radioaktivt sönderfall eller kollisioner av elementarpartiklar.
Allmän relativitet: Einsteins bygger på tanken att vetenskapens lagar bör vara
samma för alla observatörer, oavsett hur de rör sig. Det förklarar
gravitationskraften i
termer av krökningen av en fyra-dimensionell rymd-tid.
Geodetisk: Den kortaste (eller längsta) väg mellan två punkter.
Grand enhetlig teori (GUT): En teori som förenar de elektromagnetiska, starka
och svaga krafter.
Ljus-sekund (light-year): Den sträcka som ljus i en sekund (år).
Magnetfält: Fältet ansvar för magnetiska krafter, nu ingår tillsammans med det
elektriska fältet i det elektromagnetiska fältet.
Mass: Mängden materia i en kropp, dess tröghet eller motstånd mot acceleration.
Bakgrundsstrålningen i mikrovågsområdet: Strålningen från glödande av den heta
tidiga universum, nu så mycket röd-skiftade att det verkar inte så lätt utan som
mikrovågsugn (radiovågor med en
våglängd av några få centimeter).
Neutrino: En extremt lätt partikel som påverkas endast av den svaga kraften och
allvar.
Neutron: En partikel mycket lik protonen utan kostnad, som står för ungefär
hälften av partiklarna i kärnan av de flesta atomer.
Neutronstjärna: Den kalla stjärna som ibland återstår efter en supernova
explosion, när kärnan av material i mitten av en stjärna kollapsar i en tät
massa av neutroner.
Ingen randvillkor: Tanken att universum är ändligt, men har ingen gräns.
Kärnfusion: Den process genom vilken två kärnor kolliderar och sammansmälter
till en enda, tyngre kärna.
Nucleus: Den centrala delen av en atom, som endast består av protoner och
neutroner, hålls samman av den starka kraften.
Sida 50
Stephen Hawking- Bild av universum
Partikelaccelerator: En maskin som, med hjälp av elektromagneter, kan påskynda
flytta laddade partiklar, vilket ger dem mer energi.
Fas: För en våg, positionen i sin cykel vid en viss tid: ett mått på om det är
på ett krön, ett tråg eller någonstans mittemellan.
Photon: En quantum av ljus.
Plancks quantum princip: Tanken att ljuset (eller några andra klassiska vågor)
kan avges eller absorberas endast i diskreta kvanta, vars energi är
proportionell mot deras frekvens och
omvänt proportionell mot deras våglängd.
Positron: Den (positivt laddad) antipartikel av elektron.
Proportionell: "X är proportionell mot Y" betyder att när Y multipliceras med
valfritt antal, så är X "X är omvänt proportionell till Y" betyder att när Y
multipliceras med valfritt antal, är X dividedby detta antal.
Proton: En partikel mycket lik den neutron men positivt laddade, som står för
ungefär hälften av partiklarna i kärnan av de flesta atomer.
Kvantmekanik: Teorin utvecklades från Plancks quantum princip och Heisenbergs
osäkerhetsprincip.
Kvark: A (laddat) elementär partikel som känns den starka kraften. Protoner och
neutroner är vardera består av tre kvarkar.
Radar: Ett system med pulsade radiovågor att detektera läget av föremål genom
att mäta den tid det tar en enda puls för att nå objektet och reflekteras
tillbaka.
Radioaktivitet: Den spontana uppdelning av en typ av atomkärna till en annan.
Red Shift: Den rodnad av ljus från en stjärna som rör sig bort från oss, på
grund av dopplereffekt.
Singularity: En punkt i rymden, vid vilken tidpunkt rumtid krökning (eller någon
annan fysisk kvantitet) blir oändlig.
Rumtid: Den fyra-dimensionell rymd som punkter är händelser.
Rumslig dimension: någon av de tre dimensionerna, det vill säga någon dimension
utom tidsdimensionen.
Speciella relativitetsteorin: Einsteins bygger på tanken att vetenskapens lagar
bör vara samma för alla observatörer, oavsett hur de rör sig, i avsaknad av
gravitationen
fenomen.
Spektrum: Komponenten frekvenser som utgör en våg. Den synliga delen av solens
spektrum kan ses i en regnbåge.
Strängteori: En teori av fysik i vilken partiklar beskrivs som vågor på
strängar. Strängar har längd, men ingen annan dimension.
Stark kraft: Den starkaste av de fyra fundamentala krafter, med den kortaste
intervallet alla. Den rymmer ihop kvarkarna i protoner och neutroner, och håller
protoner och neutroner
samman för att bilda atomer.
Osäkerhetsprincip: Principen, formulerade av Heisenberg, att det inte är möjligt
att vara exakt säker både positionen och hastigheten hos en partikel, den mer
exakt en är
känt, mindre exakt andra kan vara känd.
Virtuellt partikel: I kvantmekaniken, en partikel som aldrig kan direkt
upptäckas, men vars existens har mätbara effekter.
Våg / partikel dualitet: Begreppet i kvantmekanik att det inte finns någon
skillnad mellan vågor och partiklar, partiklar kan ibland uppträda som vågor,
och vågor som
partiklar.
Våglängd: För en våg, är avståndet mellan två intilliggande tråg eller två
angränsande kammar.
Svaga kraften: Den andra svagaste av de fyra fundamentala krafterna, efter
gravitationen, med en mycket kort räckvidd. Det påverkar all materia partiklar,
men inte kraftbärande partiklar.
Vikt: Den kraft som utövas på en kropp av ett gravitationsfält. Det är
proportionell mot, men inte samma som, dess massa.
Maskhål: En tunn slang av rumtiden förbinder avlägsna regioner i universum.
Maskhål kan också länka till parallell eller barnet universum och kan ge
möjlighet till tiden travel.Albert Einstein
Einsteins SAMBAND MED politiken i atombomb är välkänd: han undertecknade det
berömda brev till president Franklin Roosevelt som övertalade USA till
ta idén på allvar, och han engagerad i efterkrigstidens ansträngningar för att
förhindra kärnvapenkrig. Men det var inte bara de isolerade åtgärder en forskare
dras in i världen av politiken. Einsteins
livet var i själva verket för att använda hans egna ord, "fördelat mellan
politik och ekvationer."
Sida 51
Stephen Hawking- Bild av universum
Einsteins tidigaste politisk aktivitet kom under första världskriget, då han var
professor i Berlin. Illa av vad han såg som slöseri med människoliv, blev han
involverad i
antikrigs demonstrationer. Hans förespråkande av civil olydnad och offentlig
uppmuntran för människor att vägra värnplikt gjorde lite för att göra kär honom
till sina kollegor. Sedan, efter kriget,
Han riktade sina ansträngningar mot försoning och förbättra internationella
relationer. Även detta inte göra honom populär, och snart hans politik gjorde
det svårt för honom att besöka
USA, även för att ge föreläsningar.
Einsteins andra stora orsaken var sionismen. Även om han var jude genom härkomst
förkastade Einstein den bibliska tanken på Gud. Men en växande medvetenhet om
antisemitism, både
före och under första världskriget, ledde honom så småningom att identifiera sig
med det judiska samfundet, och senare för att bli en uttalad anhängare av
sionismen. Än en gång, gjorde impopularitet inte
stoppa honom från att tala hans sinne. Hans teorier kom under attack, en
anti-Einstein organisation även ställa upp. En man dömdes för anstiftan till
mord Einstein (och böter
bara sex dollar). Men Einstein var flegmatisk. När en bok publicerades med
titeln 100 Författare Against Einstein, han svarade: "Om jag hade fel, skulle
man ha varit tillräckligt!"
År 1933 kom Hitler till makten. Einstein var i Amerika och förklarade att han
inte skulle återvända till Tyskland. Sedan, medan nazistiska milisen plundrade
hans hus och beslagtog hans bankkonto, en
Berlin tidningen visade rubriken "Goda nyheter från Einstein-Han kommer inte
tillbaka." Med tanke på den nazistiska hotet, avsagt Einstein pacifism, och så
småningom, fruktar att
Tyska forskare skulle bygga en atombomb, föreslog han att USA bör utveckla sin
egen. Men redan innan den första atombomben hade detonerade var han offentligt
varnar för farorna med kärnvapenkrig och föreslå internationell kontroll av
kärnvapen.
Under hela sitt liv, uppnådde Einsteins insatser mot fred förmodligen lite som
skulle sista och säkerligen vunnit honom några vänner. Hans röst stöd av
sionistiska sak var dock
vederbörligen erkänns i 1952, då han blev erbjuden ordförandeskapet i Israel.
Han avböjde och sade att han trodde att han var alltför naiv om politik. Men
kanske hans verkliga orsaken var annorlunda: att citera
honom igen, "Ekvationer är viktigare för mig, eftersom politiken är för
närvarande, men en ekvation är något för evigt." Galileo Galilei
Galileo, kanske mer än någon annan enskild person, var ansvarig för födelsen av
modern vetenskap. Hans berömda konflikt med katolska kyrkan var central för hans
filosofi, för Galileo var en av de första att argumentera för att man kunde
hoppas på att förstå hur världen fungerar och dessutom att vi kunde göra detta
genom att observera den verkliga världen. Galileo hade
trodde Kopernikus teori (att planeterna kretsade solen) sedan tidigt, men det
var först när han fann bevis som behövs för att stödja idén om att han började
att offentligt hyllar den.
Han skrev om Copernicus teori på italienska (inte den vanliga akademiska latin),
och snart hans åsikter blev allmänt antagits utanför universiteten. Detta
irriterade den aristoteliska
professorer, som enade mot honom försöker övertala den katolska kyrkan att
förbjuda Copernicanism.
Galileo oroade av detta, reste till Rom för att tala med de kyrkliga
myndigheterna. Han hävdade att Bibeln inte var tänkt att berätta något om
vetenskapliga teorier och att det var
vanligt att anta att när Bibeln strider mot sunt förnuft, det är allegoriska.
Men kyrkan var rädd för en skandal som kan undergräva sin kamp mot
protestantismen, och så tog repressiva åtgärder. Det förklarade Copernicanism
"falska och felaktiga" i
1616, och befallde Galileo aldrig mer "försvara eller hålla" läran. Galileo
godtagit.
År 1623 blev en gammal vän från Galileos påven. Omedelbart Galileo försökte få
1616 dekret återkallas. Han misslyckades, men han lyckades få behörighet att
skriva en bok
diskutera både aristoteliska och Kopernikus teorier, på två villkor: han skulle
inte ta parti, och han skulle komma till slutsatsen att man kunde i alla fall
inte hur
Sida 52
Stephen Hawking- Bild av universum
världen arbetade eftersom Gud kunde åstadkomma samma effekter på sätt oanade av
människan, som inte kunde införa restriktioner på Guds allmakt.
Boken, Dialog om de två system Chief World, slutfördes och publicerades i 1632,
med fullt stöd för censuren, och möttes omedelbart hela
Europa som en litterär och filosofisk mästerverk. Snart påven, inser att
människor ser boken som ett övertygande argument för Copernicanism, beklagade
att ha
får den offentliggörs. Påven hävdade att även om boken hade den officiella
välsignelse censuren hade Galileo ändå stred mot 1616 dekret. Han tog Galileo
före inkvisitionen, som dömde honom till husarrest för livet och befallde honom
att offentligt ta avstånd från Copernicanism. För andra gången, samtyckte
Galileo.
Galileo var en trogen katolik, men hans tro på oberoende vetenskapliga inte hade
krossats. Fyra år före sin död 1642, medan han fortfarande i husarrest, de
manuskript av hans andra stora boken smugglats till ett förlag i Holland. Det
var detta arbete kallas Två nya vetenskaper, ännu mer än sitt stöd för
Copernicus, som var att
vara uppkomsten av moderna physics.Isaac Newton
Isaac Newton var inte en trevlig man. Hans relationer med andra akademiker var
ökänd, med de flesta av hans senare liv tillbringade indragen i uppvärmda
tvister. Efter offentliggörandet av
Principia Mathematica-säkert den mest inflytelserika bok som någonsin skrivits i
fysik-Newton steg snabbt i offentliga framträdande. Han utsågs ordförande i
Royal Society och
blev den första vetenskapsmannen som någonsin adlad.
Newton kolliderade snart med astronomen Royal, John Flamsteed, som tidigare
försett honom med välbehövliga data för Principia men nu undanhålla information
Newton ville. Newton skulle inte ta ett nej: han hade själv utsett till det
styrande organet för Royal Observatory och försökte sedan tvinga omedelbart
offentliggörande av
uppgifter. Så småningom han arrangerade för Flamsteed s arbete att beslagtas och
förberedas för publicering av Flamsteed s dödsfiende, Edmond Halley. Men
Flamsteed tog ärendet till domstol, och i
grevens tid, vann ett domstolsbeslut förhindrar spridning av den stulna arbetet.
Newton var förbittrad och sökte sin hämnd genom att systematiskt ta bort alla
hänvisningar till Flamsteed senare
utgåvor av Principia
En mer allvarlig tvist uppstod med den tyske filosofen Gottfried Leibniz. Både
Leibniz och Newton hade självständigt utvecklat en gren av matematiken som
kallas tandsten, som
ligger bakom de flesta av modern fysik. Även om vi nu vet att Newton upptäckte
kalkyl år innan Leibniz publicerade han sitt arbete långt senare. En stor rad
följde över som hade
varit först med forskare kraftfullt försvara båda utmanare. Det är
anmärkningsvärt dock att de flesta av de artiklar i försvar av Newton
ursprungligen skriven av hans egen
hand, men publicerades under namnen vänner! Eftersom raden växte, gjorde Leibniz
misstaget att vädja till Roy al Society för att lösa tvisten. Newton, som
president, utsedd
en "opartisk" kommitté för att utreda en tillfällighet består helt och hållet av
hans vänner! Men det var inte allt: Newton sedan skrev utskottets betänkande
själv och hade Royal Society
publicera den, officiellt anklagade Leibniz av plagiat. Fortfarande missnöjd,
skrev han då en anonym granskning av rapporten i Royal Society egen tidskrift.
Efter döden av Leibniz,
Newton uppges ha förklarat att han hade tagit stor tillfredsställelse i "bryta
Leibniz hjärta."
Under den period som dessa två tvister, hade Newton lämnat redan Cambridge och
akademin. Han hade varit aktiv i anti-katolska politik vid Cambridge och senare
i parlamentet, och var
belönas slutligen med den lukrativa posten som Warden i Royal Mint. Här använde
han sina talanger till deviousness och vitriol på ett mer socialt acceptabelt
sätt, framgångsrikt genomföra en
omfattande kampanj mot förfalskning även skicka flera män till deras död på
gallows.About författarna
Stephen Hawking är Lucasian professor i matematik vid universitetet i Cambridge,
hans andra böcker för den allmänna läsaren inkluderar uppsats insamling svarta
hål och baby
Universum och universum i aNutshell.
Sida 53
Stephen Hawking- Bild av universum
LEONARD MLODINOW, hans medarbetare för denna nya upplaga, har undervisat vid
Caltech, skriven för Star Trek: The Next Generation, och är författare till
Euklides Fönster och Feynman: s
Rainbow och medförfattare till barnens bokserien barnen i Einstein
Elementary.ALSO av Stephen Hawking
En kort historia av Time
Svarta hål och Universum Baby och andra essäer
De illustrerade En kort historia av Time
Universum i ett nötskal
ÄVEN av Leonard MLODINOW
Euklides Fönster
Feynman: s RainbowA kortare HISTORIA tid en Bantam Bok / oktober 2005
Publicerad av
Bantam Dell
En uppdelning av Random House, Inc.
New York, New York
Alla rättigheter förbehållna.
Copyright © 2005 av Stephen Hawking
Bantam Books är ett registrerat varumärke som tillhör Random House, Inc. och
kolofon är ett varumärke som tillhör Random House, Inc.
Library of Congress Katalogisering-i-utgivare
Hawking, S W (Stephen W)
En kortare historia av tid / Stephen Hawking och Leonard Mlodinow.
p cm.
Inkluderar index.
1. Kosmologi. Jag Mlodinow, Leonard, 1954 - II avdelning.
QB981.H3773 2005
523,1-DC22
2005042949
www.bantamdell.com
www.randomhouse.com
eISBN: 978-0-307-41784-8
v3.0
Sida 54
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
Stephen Hawking The Mathematical Universe in a Nutshell
[eBOOK ITA] Stephen Hawking Buchi neri e universi neonati e altri saggi
Hawking, Stephen Agujeros Negros y Pequeos Universos
Stephen Hawking Life in the Universe
eBook Stephen Hawking Einsteins Traum ShareReactor(1)
Stephen Hawking The Beginning Of Time
Stephen W Hawking Krótka Historia Czasu od Wielkiego Wybuchu do czarnych dziur
Stephen Hawking Space & Time Warps
Stephen Hawking, A Life in Science White & Gribbin
Stephen Hawking Krótka historia czasu
Stephen Hawking Biografia
John C Lennox Bóg i Stephen Hawking Czyj to w końcu projekt
Hawking, Stephen El Universo en una Cascara de nuez
więcej podobnych podstron