Stephen Hawking: Vše, co potřebujete vědět o tezi, která „rozbila internet“

Načmárané tužkou na jedné z jeho prvních stránek je „žádné kopírování bez souhlasu autora“. V říjnu 2017 Stephen Hawking povolil zpřístupnění své doktorandské práce – Properties of Expanding Universes – online prostřednictvím portálu Apollo Univerzity Cambridge. Webové stránky téměř okamžitě spadly pod tíhou návštěvnosti. Jen za prvních 24 hodin byl stažen téměř 60 000krát.

Hawkingovi bylo 24 let, když v roce 1966 získal doktorát, a přestože mu bylo v pouhých 21 letech diagnostikováno onemocnění motorických neuronů, stále uměl ručně napsat, že „tato disertační práce je moje původní práce“. V prohlášení, které doprovázelo jeho vydání, zesnulý fyzik uvedl: „Doufám, že tím, že svou dizertační práci vytvořím otevřený přístup, inspiruji lidi na celém světě, aby se dívali nahoru na hvězdy, a ne dolů k jejich nohám, aby přemýšleli o našem místě ve světě. vesmír a pokusit se porozumět vesmíru."

Zde to rozebereme a provedeme vás fyzikou, dokud nedojdeme k závěru, díky kterému se Hawking stal známým.

Krok 1: O co jde?

Hawkingova doktorská práce souvisí s Obecnou teorií relativity Alberta Einsteina – přesnější teorií gravitace, která nahradila původní myšlenky Isaaca Newtona. Newton řekl, že gravitace je tah mezi dvěma objekty. Einstein řekl, že gravitace je výsledkem masivních objektů, které kolem sebe deformují strukturu prostoru a času (časoprostoru). Podle Einsteina Země obíhá kolem Slunce, protože jsme chyceni v prohlubni, kterou naše hvězda vytváří v časoprostoru.

Hawking aplikuje matematiku obecné teorie relativity na modely zrodu našeho vesmíru (kosmologie). Nejranější kosmologie měly náš vesmír jako statickou entitu, která existovala navždy. Tato myšlenka byla tak zakořeněná, že když původní Einsteinovy výpočty naznačovaly, že statický vesmír je nepravděpodobný, přidal do matematiky „kosmologickou konstantu“, aby vesmír udržel statický. Později to údajně nazval svou „největší chybou“.

Věci se začaly měnit, když Edwin Hubble učinil důležitý objev. Hawking píše: "Objev recese mlhovin Hubblem vedlo k opuštění statických modelů ve prospěch modelů, ve kterých expandujeme."

Krok 2: Náš rozpínající se vesmír

Někteří astronomové se chopili myšlenky rozpínajícího se vesmíru, aby tvrdili, že vesmír musel mít počátek – okamžik stvoření zvaný Velký třesk. Název vymyslel Fred Hoyle, zastánce alternativního modelu ustáleného stavu. Tato teorie tvrdí, že vesmír existuje odjakživa a že se v mezerách vytvořených při rozpínání vesmíru tvoří nové hvězdy. Neproběhla žádná počáteční událost vytvoření.

Hawking věnuje první kapitolu své teze odstranění premisy, formálně zapouzdřené v modelu zvaném Hoyle-Narlikarova teorie. Hawking si stěžuje, že ačkoli je Obecná teorie relativity mocná, umožňuje mnoho různých řešení jejích rovnic. To znamená, že s ním může být v souladu mnoho různých modelů. Říká, že to je "jedna ze slabin Einsteinovy teorie."

Slavný fyzik pak ukazuje, že se zdá, že požadavek Hoyle-Narlikarovy teorie „vylučuje ty modely, které se zdají odpovídat skutečnému vesmíru“. Stručně řečeno, model ustáleného stavu neodpovídá pozorování.

Krok 3: Prostor: Vypadá to všude stejně

Hawking říká, že předpoklady Hoyle-Narlikarovy teorie jsou v přímém rozporu s Robertson-Walkerovou metrikou, pojmenovanou po americkém fyzikovi Howardu P. Robertsonovi a britském matematikovi Arthuru Walkerovi. Dnes se široce nazývá metrika Friedmann–Lemaître–Robertson–Walker (FLRW). Metrika je přesným řešením rovnic Einsteinovy obecné teorie relativity. FLRW, navržený ve 20. a 30. letech 20. století, tvoří základ našeho moderního modelu vesmíru. Jeho klíčovým rysem je, že předpokládá, že hmota je rovnoměrně rozložena v rozpínajícím se (nebo smršťujícím se) vesmíru – což je předpoklad podpořený astronomickými pozorováními.

Zajímavé je, že Hawking nabízí Hoyleovi a Narlikarovi paprsek naděje. "Možným způsobem, jak zachránit Hoyleovu-Narlikarovu teorii, by bylo umožnit masy jak kladných, tak záporných znamének," píše, než dodává: "Zdá se, že v naší oblasti vesmíru neexistuje žádná hmota s těmito vlastnostmi." Dnes víme, že expanze vesmíru se zrychluje, možná díky temné energii - stínové entitě s antigravitační vlastností možná podobnou částicím se zápornou hmotností.

Krok 4: Problém s galaxiemi

I géniové se někdy pletou. Hawkingova druhá kapitola se zabývá perturbacemi – malými variacemi v místním zakřivení časoprostoru – a tím, jak se vyvíjejí, jak se vesmír rozpíná. Říká, že malá perturbace se „nezmění a nevytvoří galaxii.“Později v kapitole pokračuje slovy: „Vidíme, že galaxie se nemohou tvořit v důsledku růstu malých poruch.“

To nemůže být dále od našeho dnešního obrazu toho, jak se galaxie tvoří. Klíčovou složkou, kterou Hawking postrádal, je temná hmota, neviditelná látka, o které se předpokládá, že se šíří po celém vesmíru a která poskytuje gravitační lepidlo, které drží galaxie pohromadě. Temná hmota se shromažďovala kolem malých časoprostorových poruch a nakonec vtahovala stále více materiálu, dokud nevznikly rané galaxie.

Náš moderní pracovní kosmologický obraz je známý jako model ΛCDM (vyslovuje se Lambda CDM). Lambda je řecké písmeno, které kosmologové používají k označení kosmologické konstanty, kterou původně zavedl Einstein (i když ze špatných důvodů). CDM znamená studenou temnou hmotu. Tyto dva faktory byly přidány do modelu FLRW od doby, kdy Hawking napsal svou práci.

Krok 5: Gravitační vlny nezmizí

Tam, kde se Hawking mýlil v galaxiích, měl naprostou pravdu v gravitačních vlnách – vlnách ve struktuře časoprostoru, které se pohybují ven vesmírem. Předpověděl je Einstein, když v roce 1915 poprvé vymyslel svou Teorii obecné relativity, a v Hawkingově době byly také známé jako gravitační záření.

Hawking používá Einsteinovy rovnice, aby ukázal, že gravitační vlny nejsou absorbovány hmotou ve vesmíru, když jím cestují, za předpokladu, že vesmír je z velké části tvořen prachem. Ve skutečnosti Hawking říká, že „gravitační záření se chová v podstatě stejně jako ostatní radiační pole“.

Fyzik si všimne, jak esoterické téma je v 60. letech minulého století. "Je to mírně akademické, protože gravitační záření nebylo dosud detekováno, natož prozkoumáno."

Fyzikům by trvalo až do září 2015, než by poprvé detekovali gravitační vlny pomocí laserového interferometru Gravitational-Wave Observatory (LIGO). Byly vytvořeny srážkou dvou černých děr – jedné o hmotnosti 36 a druhé o hmotnosti 29krát větší než Slunce – vzdálených asi 1,3 miliardy světelných let.

Krok 6: Žijeme v otevřeném, uzavřeném nebo plochém vesmíru?

Hawking směřuje k převratnému závěru, ale nejprve se nastaví tím, že představí myšlenku celkového tvaru vesmíru. Zakřivení prostoru může mít tři obecné formy: otevřené, uzavřené nebo ploché.

Uzavřený vesmír připomíná zemský povrch – nemá žádnou hranici. Můžete pokračovat v cestování po planetě, aniž byste se dostali na okraj. Otevřený vesmír má tvar spíše jako sedlo. Plochý vesmír, jak název napovídá, je jako list papíru.

Představte si trojúhelník nakreslený na povrchu. Všichni se ve škole učíme, že úhly uvnitř trojúhelníku mají součet 180 stupňů. To však platí pouze pro trojúhelníky na rovných plochách, nikoli na otevřené nebo uzavřené. Nakreslete čáru od severního pólu Země dolů k rovníku, než se otočíte o 90 stupňů, abyste po ní cestovali. Pak se otočte o dalších 90 stupňů zpět směrem k severnímu pólu. Úhel mezi vaší cestou od a směrem k severnímu pólu nemůže být nulový, takže úhly uvnitř tohoto trojúhelníku musí být větší než 180 stupňů.

Krok 7: Vesmír je plochý

Hawking pak spojuje myšlenku otevřených a uzavřených vesmírů s Cauchyho povrchy, pojmenovanými po francouzském matematikovi a fyzikovi Augustinu-Louisi Cauchym (1789-1857). Cauchyho povrch je řez časoprostorem, ekvivalent okamžiku času. Všechny body na povrchu jsou spojeny v čase. Cesta podél Cauchyho povrchu vás nevidí, abyste znovu navštívili předchozí okamžik. Hawkingovými vlastními slovy: „Cauchyho povrch bude chápán jako úplný, propojený prostor podobný povrch, který protíná každou časovou a nulovou čáru jednou a jen jednou.“

Poté říká, že uzavřené vesmíry jsou známé jako „kompaktní“Cauchyho povrchy a otevřené vesmíry jako „nekompaktní“. První příklad má údajně „pozitivní“zakřivení, druhý „negativní“zakřivení.

Plochý vesmír má nulové zakřivení. Pokračuje v nastavování zásadních tvrzení, která se chystá učinit o singularitách, když říká, že jsou „použitelné pro modely… s povrchy… které mají záporné nebo nulové zakřivení“. Moderní astronomové věří, že vesmír je plochý, což znamená, že jeho nulové zakřivení vyhovuje Hawkingovým podmínkám.

Krok 8: Hawking shodí bombu

Většina raných kapitol Hawkingovy teze je nevýrazná – nenabízejí nic zvlášť převratného a dokonce se mu pár věcí pletu. Ve své poslední kapitole však fyzik shodí bombu, která mu udělá jméno a zažehne hvězdnou kariéru, během níž se stane jedním z nejslavnějších vědců planety.

Říká, že časoprostor může začínat a končit v singularitě, a co víc, může to dokázat. Singularita je nekonečně malý a nekonečně hustý bod. Má doslova nulovou velikost a prostor i čas končí (nebo začínají) na singularitě. Byly předpovězeny po celá desetiletí, zvláště když fyzici začali aplikovat Einsteinovu Obecnou teorii relativity na obraz rozpínajícího se vesmíru.

Jestliže se vesmír dnes rozpíná, pak byl včera menší. Pokračujte v práci a najdete veškerou hmotu ve vesmíru zhuštěnou do malého, horkého bodu - okamžik stvoření, Velký třesk. Jak ale dokážete, že skutečně můžete získat singularity v časoprostoru?

Krok 9: Hawkingův důkaz, že k velkému třesku došlo

Hawkingův důkaz se opírá o velmi starou metodu dokazování matematické teorie: Důkaz kontradikcí. Nejprve předpokládáte, že věc, kterou se snažíte dokázat, není pravda, a pak prokažte, že výsledné závěry jsou prokazatelně nepravdivé. Ve skutečnosti Hawkingova nejdůležitější část začíná slovy „předpokládejme, že časoprostor je bez singularity“. Následuje několik velmi komplikovaných matematických příkladů, které ukazují, že takový vesmír by byl současně otevřený i uzavřený – kompaktní i nekompaktní zároveň. "To je protimluv," řekl Hawking. "Předpoklad, že časoprostor není singulární, musí být tedy mylný."

Jedním nádechem Hawking dokázal, že je možné, aby časoprostor začal jako singularita – že prostor a čas v našem vesmíru mohly mít původ. Teorie velkého třesku právě dostala významný zásah do paže. Hawking začal psát doktorát v říjnu 1965, pouhých 17 měsíců po objevu kosmického mikrovlnného pozadí – zbytkové energie z Velkého třesku. Společně tyto objevy pohřbily model ustáleného stavu nadobro.