Człowiek i wszechświat

Tekst
0
Recenzje
Przeczytaj fragment
Oznacz jako przeczytane
Jak czytać książkę po zakupie
Czcionka:Mniejsze АаWiększe Aa

NAJSZCZĘŚLIWSZA MYŚL W MOIM ŻYCIU

Postęp naukowy następuje więc często za sprawą niewinnych odkryć lub względnie prostych pomysłów. Przypisywanie naukowcom „dziecinnej” fascynacji przyrodą stało się już potwornym banałem, ale nie umiem doprawdy wyrazić tego lepiej. Tym, co stanowi ziarnko prawdy w tej metaforze, jest fakt, że dzieci miewają zwyczaj skupiania się na jednej, mało istotnej rzeczy i ciągłego pytania „Dlaczego?”, dopóki nie otrzymają odpowiedzi, która zaspokoi ich ciekawość. Dorośli nie robią tego w tym samym stopniu. Robią to jednak dobrzy naukowcy i jeśli rozdział ten miałby mieć jakieś przesłanie, to byłoby ono takie: wielkich odkryć dokonuje się, skupiając się na czymś niewielkim, lecz interesującym, z uczciwością i klarownością – i są do tego zdolne również niedoskonałe istoty ludzkie, które początkowo nie zdają sobie sprawy z konsekwencji swoich badań. Archetypicznym przykładem na tego typu podejścia są początki starań Einsteina, aby wyjść poza Newtonowską teorię grawitacji.

Einstein słynie zwłaszcza za sprawą wzoru E=mc2, który stanowi część szczególnej teorii względności opublikowanej w 1905 roku. W sercu tej teorii mieści się bardzo prosta idea, której historia sięga Galileusza. Mówiąc łatwym językiem, nie ma żadnego sposobu aby orzec, czy ktoś się porusza, czy nie. Brzmi to nieco abstrakcyjnie, ale wszyscy wiemy, że to prawda. Czy czytasz tę książkę w tej chwili, siedząc we własnym domu, czy też na pokładzie samolotu, poczucie jest dokładnie takie samo, o ile nie występują turbulencje, a samolot leci równo. Jeśli nie wolno nam spojrzeć przez okno, nie ma niczego, co moglibyśmy zrobić wewnątrz pokoju lub na pokładzie samolotu, co dostarczyłoby nam informacji, czy jesteśmy w bezruchu, czy też poruszamy się. Można by twierdzić, że jest oczywiste samo w sobie, że pokój się nie przemieszcza, a samolot tak, ponieważ w przeciwnym razie nie dałoby się za jego pomocą dotrzeć z Londynu do Nowego Jorku. To nie jest jednak dobra droga, ponieważ pokój przemieszcza się wraz z Ziemią na jej orbicie wokół Słońca, a także kręci się wokół osi obrotu naszej planety, Słońce zaś porusza się na własnej orbicie w Galaktyce, która z kolei porusza się względem innych galaktyk we Wszechświecie. Einstein uzyskał swoje słynne równanie E=mc2, traktując poważnie owo na pozór nadmiernie pedantyczne rozumowanie i stwierdzając, że ŻADEN możliwy do wykonania eksperyment, nawet czysto teoretycznie, z udziałem zegarów, atomów radioaktywnych, obwodów elektrycznych, wahadeł czy jakiegokolwiek w ogóle obiektu fizycznego, nie dostarczy nam informacji, czy jesteśmy w spoczynku, czy też poruszamy się. Każdy ma prawo twierdzić, że jest w spoczynku, dopóki nie działa na niego żadna siła, będąca źródłem przyspieszenia. Jeśli czytasz tę książkę, siedząc wygodnie na kanapie, możesz z pewnością twierdzić właśnie coś takiego. Pedanteria bywa użyteczna, ponieważ bez szczególnej teorii względności Einsteina nie byłoby E=mc2, nie rozumielibyśmy tak naprawdę fizyki jądrowej i fizyki cząstek, oraz tego, dlaczego świeci Słońce i czym jest rozpad radioaktywny. Nie rozumielibyśmy Wszechświata.

Nawet po opublikowaniu swojej teorii w 1905 roku, Einsteina nie przestała dręczyć pewna ważna myśl. Wielkie osiągnięcie Newtona – uniwersalnie stosujące się powszechne prawo grawitacji – nie mieściło się w ramach wyznaczonych przez szczególną teorię względności, a więc jedna z tych dwóch teorii wymagała poprawy. Reakcja Einsteina na ten problem było typowo einsteinowska: rozważył go bardzo starannie, po czym, w listopadzie 1907 roku, siedząc w swym fotelu w urzędzie patentowym w Bernie, zidentyfikował, za który wątek należało pociągnąć. Wracając do tego momentu w 1920 roku przy okazji pisania artykułu prasowego, Einstein opisał swoją ideę z piękną, zaiste dziecięcą, prostotą.

„I wtedy spłynęła na mnie «glücklichste Gedanke meines Lebens», najszczęśliwsza myśl w moim życiu, w następującej postaci. Pole grawitacyjne istnieje tylko na sposób względny, tak jak pole elektryczne generowane przez indukcję magnetoelektryczną. Przecież dla obserwatora swobodnie spadającego z dachu domu nie istnieje – przynajmniej w jego bezpośrednim otoczeniu – żadne pole grawitacyjne” [jego własne podkreślenie]. Rzeczywiście, gdyby ów spadający obserwator wypuścił jakiś przedmiot, to pozostawałby on względem niego w spoczynku lub ruchu jednostajnym, niezależnie od jego określonej natury chemicznej czy fizycznej (oczywiście jeśli zaniedba się wpływ oporów powietrza). Obserwator ma więc pełne prawo zinterpretować swój stan jako «w spoczynku»”.

Zdaję sobie sprawę z tego, że stwierdzenie to może budzić silny sprzeciw, ponieważ wydaje się być sprzeczne ze zdrowym rozsądkiem. Przecież ciało spadające pod wpływem siły grawitacyjnej ewidentnie przyspiesza ku ziemi, a więc nie można powiedzieć, aby było „w spoczynku”! Świetnie, ponieważ jeśli myślisz w ten sposób, to czeka cię za chwilę cenna lekcja. Zdrowy rozsądek jest kompletnie bezużyteczny i nie ma żadnego znaczenia, kiedy przychodzi do prób zrozumienia rzeczywistości. To prawdopodobnie dlatego ci sami ludzie, którzy lubią się przechwalać swoim zdrowym rozsądkiem, mają również skłonność do protestowania przeciwko idei posiadania wspólnego przodka z małpą. Jak więc mógłbym przekonać kogoś, że Einstein miał, i wciąż zresztą ma, rację?

W większości przypadków książki lepiej nadają się do przekazywania złożonych idei niż telewizja. Istnieje ku temu wiele przyczyn, część z których opiszę kiedyś w autobiografii, gdy moje dni pojawiania się w telewizji będą już dawno przebrzmiałą pieśnią. Przy odrobinie staranności obraz telewizyjny może jednak przekazywać idee z elegancją i oszczędnością nieosiągalną w druku. Człowiek i Wszechświat zawiera, mam nadzieję, parę tego typu scen, ale myślę o jednej z nich w szczególności.

Prowadzone przez NASA centrum badawcze Plum Brook Station w Ohio mieści w sobie największą komorę próżniową na świecie. Ma ona 30 metrów średnicy, 37 metrów wysokości i powstała w latach 60. XX wieku, aby umożliwić testowanie rakiet o napędzie jądrowym w warunkach zbliżonych do tych panujących w przestrzeni kosmicznej. W komorze tej nigdy nie przetestowano żadnej takiej rakiety – program został zamknięty, zanim centrum badawcze powstało – jednak wewnątrz tej katedry z aluminium wykonywano próby z udziałem wielu pojazdów kosmicznych, od czubka („nosa”) stacji Skylab po poduszki powietrzne na lądownikach marsjańskich. Ku mojemu niewyobrażalnemu szczęściu NASA zgodziła się przeprowadzić w tej komorze próżniowej eksperyment precyzyjnie demonstrujący to, co leżało u podstaw niezwykłych wniosków Einsteina. Eksperyment ten polegał na wypompowaniu z komory powietrza i zrzucenia z podnośnika garści piór i kuli do kręgli. Zarówno Galileusz jak i Newton znali rezultat tego doświadczenia, który sam w sobie nie był tu najbardziej interesujący. Pióra i kula do kręgli uderzyły w podłoże w tym samym momencie. Wyjaśnienie tego niezwykłego zjawiska, które podałby Newton, jest następujące. Siła grawitacyjna działająca na pióra jest proporcjonalna do masy. Z faktem tym mieliśmy już do czynienia wcześniej, gdy omawialiśmy postać matematyczną powszechnego prawa ciążenia. Siła grawitacyjna powoduje przyspieszanie piór, zgodnie z kolejnym słynnym równaniem Newtona: F=ma. Równanie to mówi, że im dane ciało jest masywniejsze, tym większa siła jest potrzebna, aby spowodować jego przyspieszenie. Ta sama masa, która pojawia się w F=ma, występuje jednak we wzorze na siłę grawitacyjną, tak więc czynniki kasują się nawzajem. Mówiąc inaczej, im bardziej masywne jest dane ciało, tym większą wartość ma siła grawitacyjna pomiędzy tym ciałem a Ziemią, ale jednocześnie tym więcej siły należy przyłożyć, aby je poruszyć. Czynniki te kasują się, tak więc wszystkie ciała spadają z tą samą prędkością. Problem z tym wyjaśnieniem polega na tym, że nikt nie wymyślił jeszcze dobrego powodu, dla którego te dwie masy miałyby być identyczne. W fizyce problem ten znany jest jako zasada równoważności, ponieważ „masa grawitacyjna” i „masa bezwładna” są sobie całkowicie równoważne pod względem wartości.

Einstein wytłumaczyłby fakt, że pióra i kula do kręgli spadały w takim samym tempie w komorze próżniowej w Plum Brook na zupełnie inny sposób. Wróćmy do najszczęśliwszej myśli Einsteina. „Przecież dla obserwatora swobodnie spadającego z dachu domu nie istnieje [...] żadne pole grawitacyjne”. Ani na pióra, ani na kulę w trakcie spadku swobodnego nie działa żadna siła, a więc nie przyspieszają. Pozostają cały czas w tym samym miejscu: w spoczynku, przynajmniej względem siebie nawzajem. Mówiąc inaczej, pozostają w bezruchu, ponieważ zawsze jesteśmy w stanie zdefiniować nasz własny stan jako spoczynkowy, jeśli nie działają na nas żadne siły. Zapytasz pewnie, jeśli twierdzę, że nie poruszają się (ponieważ nie działa na nie żadna siła), to jak wyjaśnić fakt, że w końcu uderzą one o ziemię? Odpowiedź Einsteina jest taka, że to ziemia przyspiesza ku górze i wychodzi im naprzeciw, uderzając w nie jak kij do krykieta. Moment, moment, moment – myślisz pewnie – spoczywam teraz na ziemi i wcale nie przyspieszam. Oj, przyspieszasz! I można to poznać: przecież czujesz, że działa na ciebie siła. Jest to siła wywierana przez fotel, na którym spoczywasz, lub ziemię, na której stoisz. To oczywiste – gdy stoi się przez długi czas, stopy zaczynają boleć, ponieważ działa na nie siła. Jeśli zaś działa na nie siła, oznacza to, że przyspieszają. Nie ma w tym żadnych sztuczek magicznych. Tym co piękne w najszczęśliwszej myśli Einsteina jest to, że gdy już się ją zrozumie, staje się ona kompletnie oczywista. Stanie na ziemi jest ciężką pracą, ponieważ wywiera ona na nas siłę. Efekt jest dokładnie ten sam, co wtedy, gdy siedzimy w przyspieszającym samochodzie i czujemy, jak przyspieszenie wciska nas w fotel. Przyspieszenie czuje się „w kościach” i jeśli wyłączysz na chwilę zdrowy rozsądek, natychmiast je odczujesz. Jedynym sposobem na wyzwolenie się spod jego wpływu, choć na chwilę, jest zeskoczenie z dachu.

 

Jest to wspaniałe rozumowanie, jednak wywołuje ono oczywiście kłopotliwe pytanie, dlaczego – jeśli nie ma czegoś takiego jak grawitacja – Ziemia krąży wokół Słońca. Czyżby Arystoteles miał jednak rację? Odpowiedź na to pytanie jest skomplikowana, a Einsteinowi dopracowanie jej zajęło niemal 10 lat. Wynik tej pracy, ogłoszony w 1916 roku, to ogólna teoria względności, wymieniana często jako najpiękniejsza teoria naukowa w dziejach. Ogólna teoria względności cieszy się złą sławą teorii trudnej matematycznie i pojęciowo, kiedy podejmie się próbę czynienia przewidywań, aby możliwe było jej obserwacyjne zweryfikowanie. W istocie, większość studentów fizyki w Wielkiej Brytanii zapoznaje się z ogólną teorią względności dopiero na ostatnim roku studiów, czy wręcz dopiero na studiach doktoranckich. Sama idea jest jednak bardzo prosta. Einstein w miejscu siły grawitacyjnej umieścił geometrię; mówiąc ściślej – krzywiznę czasu i przestrzeni.

Wyobraź sobie, że dwie osoby stoją na powierzchni Ziemi, na równiku. Obie zaczynają iść na północ, równolegle do siebie. W miarę zbliżania się do Bieguna Północnego okaże się, że są one coraz bliżej siebie nawzajem, a w samym punkcie biegunowym zderzą się ze sobą. Ktoś mógłby na podstawie tego doświadczenia dojść do wniosku, że występuje jakaś siła ściągająca te dwie osoby w swoim kierunku. W rzeczywistości nie ma żadnej takiej siły. Tak naprawdę powierzchnia Ziemi jest zakrzywiona do postaci sfery, zaś na sferze proste, które są równoległe na równiku, spotykają się na biegunach – linie te określa się jako południki. W ten sposób geometria może prowadzić do pozoru istnienia siły.

Teoria grawitacji Einsteina zawiera w sobie równania pozwalające obliczyć, w jakim stopniu obecność materii i energii wpływa na krzywiznę czasu i przestrzeni oraz w jaki sposób ciała poruszają się w zakrzywionej czasoprzestrzeni – zupełnie jak dwie osoby z naszego eksperymentu poruszające się po powierzchni Ziemi. Czasoprzestrzeń określa się czasem jako tkaninę Wszechświata, co nie jest złym terminem. Masywne obiekty, jak gwiazdy i planety, „mówią” tkaninie, jak ma się deformować, a tkanina mówi ciałom, jak się poruszać. Mówiąc precyzyjniej, wszelkie obiekty poruszają się w zakrzywionej czasoprzestrzeni po „liniach prostych” zwanych technicznie geodezyjnymi. Jest to odpowiednik pierwszego prawa dynamiki Newtona (każde ciało pozostaje w bezruchu lub porusza się jednostajnie, jeśli nie działa na nie żadna siła) na gruncie ogólnej teorii względności. Einsteinowski opis orbity Ziemi wokół Słońca jest więc dość prosty. Orbita ta jest linią prostą w czasoprzestrzeni, która została zakrzywiona przez obecność Słońca, zaś Ziemia podążą po tej linii prostej, ponieważ nie działają na nią żadne siły, które miałyby ten stan zmienić. Jest to sprzeczne z opisem Newtona, który głosił, że gdyby nie istniała siła grawitacji pomiędzy Słońcem a Ziemią, ta druga pofrunęłaby przez przestrzeń po zupełnie innej niż u Einsteina trajektorii – takiej, którą dopiero teraz określilibyśmy intuicyjnie jako „prostą”.

Linie proste w zakrzywionej czasoprzestrzeni wydają nam się być zakrzywione dokładnie z tego samego powodu, dla którego zakrzywione wydają nam się być południki; tak naprawdę zakrzywiona jest przestrzeń, na której definiujemy linie jako proste.

Wszystko świetnie, jednak jest pewne dręczące pytanie, które miało prawo nas niepokoić, od kiedy przedstawiłem teorię, że to grunt przyspiesza pod naszymi nogami i uderza w pióra i w kulę do kręgli w Plum Brook. Jakim sposobem każdy punkt na powierzchni Ziemi mógłby przyspieszać w kierunku od środka planety na zewnątrz, podczas gdy Ziemia pozostaje przecież nienaruszoną kulą o stałym promieniu? Odpowiedź brzmi następująco: gdyby każdy kawałek ziemi w Plum Brook traktowany z osobna pozostawić jemu samemu, zrobiłby dokładnie to samo, co pióra i kula do kręgli – poruszałby się po linii prostej w czasoprzestrzeni. Owe linie proste skierowane są promieniście ku środkowi Ziemi. Inaczej mówiąc, to jest właśnie „stan spoczynku” – naturalna trajektoria, po której poruszałoby się każde ciało w tych samych warunkach. Linie geodezyjne wycelowane są ku środkowi Ziemi, ponieważ w ten sposób masa naszej planety zakrzywia czasoprzestrzeń. Zapadanie się ku centralnemu punktowi byłoby więc naturalnym tokiem wydarzeń, gdyby na ciała nie działały żadne siły – jest to proces, za sprawą którego wszelka materia w Kosmosie zapadłaby się do postaci niewielkiej czarnej dziury. Tym, co zapobiega zajściu tego procesu, jest sztywność materii, z której zbudowana jest Ziemia – a której ostatecznym źródłem jest siła elektromagnetyczna oraz efekt kwantowo-mechaniczny zwany regułą („zakazem”) Pauliego. Aby Ziemia pozostała wielką, kulistą planetą, na każdy kawałeczek gruntu musi działać siła przeciwdziałająca zapadaniu się go ku środkowi Ziemi; siła wiąże się zaś z przyspieszeniem. Zgodnie z ogólną teorią względności, każdy fragment dużego obiektu typu planety musi stale przyspieszać w kierunku prowadzącym promieniście z dala od środka masy tego obiektu, aby utrzymał on swą postać.

Z tego, co dotychczas powiedziałem, może się wydawać, że ogólna teoria względności jest po prostu przyjemnym sposobem na wyjaśnienie, dlaczego Ziemia orbituje wokół Słońca i dlaczego wszystkie obiekty spadają w tym samym tempie w polu grawitacyjnym. Teoria ta mówi jednak znacznie więcej. Co szczególnie istotne, przewiduje ona kompletnie odmienne zachowanie się niektórych obiektów astronomicznych względem tego, co mówi na ich temat teoria Newtona. Jednym z najbardziej spektakularnych przykładów jest układ podwójny gwiazd znany pod mało poetycką nazwą PSR J0348+0432. Obie gwiazdy składające się na ten układ to egzotyczne obiekty gwiazdowe. Jeden z nich to biały karzeł: jądro martwej gwiazdy, opierające się sile grawitacji za sprawą przepełniającego je morza elektronów. Elektrony podlegają prawu zwanemu regułą Pauliego, które mówi, w uproszczeniu, że elektrony silnie opierają się zbliżaniu ich do siebie nawzajem. Ten czysto kwantowo-mechaniczny efekt może powstrzymać kolaps gwiazdy pod koniec jej życia, prowadząc do powstania supergęstej kulki materii. Białe karły mają zwykle masę równą 0,6–1,3 mas Słońca, jednak objętość porównywalną do ziemskiej. Górny limit masy białego karła znany jest pod nazwą granicy Chandrasekhara; jako pierwszy obliczył go pochodzący z Indii astrofizyk Subrahmanyan Chandrasekhar w 1930 roku. Obliczenie tej granicy prowadzi przez wszystkie dziedziny współczesnej fizyki: maksymalna masa tych egzotycznych obiektów gwiazdowych związana jest z czterema fundamentalnymi stałymi przyrody: stałą grawitacyjną, stałą Plancka, prędkością światła w próżni i masą protonu. Po trwających niemal sto lat obserwacjach astronomicznych, nie znaleziono białego karła o masie przekraczającej granicę Chandrasekhara. Niemal wszystkie gwiazdy w Drodze Mlecznej, nie wyłączając naszego Słońca, zakończą swój żywot jako białe karły. Tylko najbardziej masywne gwiazdy pozostawią po sobie obiekt, którego masa przekracza granicę Chandrasekhara; w przypadku przeważającej większości z nich będzie to jeszcze bardziej egzotyczny obiekt zwany gwiazdą neutronową. W układzie PSR J0348+0432 biały karzeł ma towarzysza, który – rzecz niezwykła – jest gwiazdą neutronową, i to właśnie sprawia, że układ ten jest tak szczególny.

Jeśli obiekt pozostały po ewolucji gwiazdy ma masę wyższą niż granica Chandrasekhara, elektrony zostają tak silnie przyciśnięte do protonów, że cząstki te mogą przereagować za pośrednictwem słabego oddziaływania jądrowego, tworząc neutrony (i emitując jednocześnie cząstkę zwaną neutrinem). Za sprawą tego mechanizmu cała gwiazda zostaje zamieniona w jedno olbrzymie jądro atomowe. Neutrony, podobnie jak elektrony, podlegają zakazowi Pauliego i stawiają opór, utrudniający ich ściśnięcie, dzięki czemu powstały w ten sposób obiekt jest stabilny. Gwiazdy neutronowe mają masy kilkakrotnie większe od masy Słońca, jednak liczą sobie zaledwie około 10 kilometrów średnicy. Są to najgęstsze znane obiekty we Wszechświecie; jedna łyżeczka gwiazdy neutronowej waży tyle, ile góra.

Wyobraźmy sobie przez chwilę ten egzotyczny układ gwiazdowy. Biały karzeł i gwiazda neutronowa są dość blisko siebie; orbitują wokół siebie nawzajem w odległości 830 000 kilometrów – jest to mniej więcej dwukrotnie więcej niż odległość między Ziemią a Księżycem – wykonując jedną pełną orbitę w czasie 2 godzin i 27 minut. Oznacza to prędkość orbitalną ok. 2 milionów kilometrów na godzinę. Gwiazda neutronowa waży 2 razy więcej niż Słońce, ma ok. 10 km średnicy i wiruje wokół swojej osi, wykonując pełen obrót 25 razy na sekundę. Jest to układ, w którym zaklęta jest niewyobrażalna, brutalna moc. Ogólna teoria względności Einsteina przewiduje, że te dwa obiekty powinny zbliżać się ku sobie nawzajem po spirali, ponieważ układ traci energię na deformowanie czasoprzestrzeni, emitując tak zwane fale grawitacyjne. Ta utrata energii jest niewielka, a jej skutkiem jest zmiana okresu orbitalnego w tym układzie o osiem milionowych części sekundy w ciągu jednego roku. Astronomowie, posługując się olbrzymim radioteleskopem w Arecibo na Puerto Rico oraz teleskopem w Effelsberg w Niemczech i teleskopem VLT w Europejskim Obserwatorium Południowym (European Southern Observatory, ESO) w Chile, dokonali w 2013 roku czegoś, co można określić jako triumf astronomii obserwacyjnej: zmierzyli tempo zmiany okresu orbitalnego układu PSR J0348+0432, uzyskując wynik ściśle odpowiadający przewidywaniom teorii Einsteina. Jest to rzecz niezwykła. Sam Einstein w najbardziej fantazyjnych snach nie przewidziałby istnienia białych karłów i gwiazd neutronowych w momencie, gdy w 1907 roku nawiedziła go jego „najszczęśliwsza myśl”, a jednak dzięki starannemu namysłowi nad człowiekiem spadającym z dachu był w stanie skonstruować teorię grawitacji, która z wielką precyzją opisuje zachowanie się najbardziej egzotycznego układu gwiazdowego znanego XXI-wiecznym obserwatorom. To dlatego, jeśli jeszcze nie jest to oczywiste, kocham fizykę.

Ogólna teoria względności Einsteina zdała, w momencie pisania tych słów, wszelki test wymyślony przez naukowców od momentu jej ogłoszenia sto lat temu. Od ruchu piór i kul do kręgli w ziemskim polu grawitacyjnym, po niebywałą brutalność układu PSR J0348+0432, teoria ta zdaje wszystkie testy na szóstkę.

W teorii Einsteina tkwi jednak coś więcej niż tylko opis orbit ciał niebieskich. Ogólna teoria względności jest czymś fundamentalnie odmiennym od teorii Newtona, ponieważ nie stanowi po prostu modelu opisującego sposób „działania” grawitacji. Dostarcza ona raczej wyjaśnienia samego istnienia siły grawitacyjnej, tłumacząc je za pomocą krzywizny czasoprzestrzeni. Warto wypisać jawnie równania pola Einsteina, ponieważ są one – szczerze mówiąc – zwodniczo proste.

Gµν = 8πGTµν

Prawa strona równania stanowi opis rozkładu materii i energii w pewnym obszarze czasoprzestrzeni, a lewa strona – kształtu czasoprzestrzeni wynikającego z takiej właśnie konfiguracji materii i energii. Aby wyznaczyć orbitę Ziemi wokół Słońca należałoby „włożyć” sferycznie symetryczny rozkład masy o promieniu Słońca do prawej strony równania, a po lewej stronie „wyskoczyłby” kształt czasoprzestrzeni wokół Słońca. Na podstawie kształtu czasoprzestrzeni można zaś obliczyć parametry ziemskiej orbity. Rzecz jasna, faktyczne wykonanie obliczeń nie jest w żadnym sensie trywialne, a prosta notacja kryje za sobą matematykę o znaczącej złożoności. Istotne jest jednak to, że równania Einsteina pozwalają na obliczenie geometrii czasoprzestrzeni ze względu na dany rozkład materii i energii. Jest w tym wszystkim jedna szczególnie interesująca kwestia, która doprowadzi nas do konkluzji tej historii. Równania Einsteina opisują kształt czasoprzestrzeni – tkaniny Wszechświata. Pierwszą sprawą, na którą należy zwrócić uwagę, jest użyte tu słowo „czasoprzestrzeń” – a nie sama „przestrzeń”. Przestrzeń nie jest nieruchomą sceną, na której zachodzą różne zdarzenia w momencie określonym przez jakiś wielki kosmiczny zegar, ze wskazaniami którego wszyscy się zgadzają. Tkanina Kosmosu jest w teorii Einsteina czymś dynamicznym. Co więc istotne, równania Einsteina nie muszą opisywać konfiguracji, która jest statyczna i niezmienna. Drugą sprawą jest to, że nigdzie nie ograniczyliśmy domeny teorii Einsteina do obszaru czasoprzestrzeni wokół pojedynczej gwiazdy, czy nawet układu podwójnego, jak PSR J0348+0432. Nie ma w ogóle żadnego powodu, dla którego jakiekolwiek tego typu ograniczenie miałoby być konieczne. Równania Einsteina mogą odnosić się do nieograniczonego obszaru czasoprzestrzeni. Wynika z tego, że – przynajmniej w teorii – można za ich pomocą opisywać kształt i ewolucję całego Wszechświata.

 

Inne książki tego autora