Visata

yra didžiulė.

Mes gyvename galaktikoje - Paukščių Take.

Paukščių take yra apie šimtas milijardų žvaigždžių.

Ir jei paimtumėte kamerą

ir nukreiptumėte ją į atsitiktinį tašką danguje,

paliktumėte sklendę atvirą tol,

kol jūsų kamera sektų Hablo kosminį teleskopą,

pamatytumėte kažką tokio.

Kiekviena iš šių mažų dėmelių

yra maždaug Paukščių Tako dydžio galaktika -

šimtas milijardų žvaigždžių kiekvienoje iš šių dėmių.

Yra maždaug šimtas milijardų galaktikų

mūsų stebimoje visatoje.

100 milijardų yra vienintelis skaičius, kurį jums reikia žinoti.

Visatos amžius nuo dabar iki Didžiojo sprogimo

yra šimtas milijardų šuns metų.

(Juokas)

Tai kažką pasako apie mūsų vietą visatoje.

Vienas dalykas, kurį galima daryti su šia nuotrauka, tai tiesiog mėgautis ja.

Ji nepaprastai graži.

Aš dažnai susimąstau, kokios evoliucinės sąlygos

išugdė mūsų pirmykščių protėvių Afrikos savanose gebėjimus

mėgautis galaktikų vaizdais,

kuomet jų dar neturėjo.

Tačiau mes taip pat norėtume tai suprasti.

Kaip kosmologas noriu paklausti, kodėl visata yra tokia?

Viena didelė užuomina sako, kad visata laikui bėgant keičiasi.

Jei pažvelgtumėme į vieną iš šių galaktikų ir pamatuotumėme jos greitį,

pastebėtume, kad ji tolsta.

O jei stebėtume dar tolimesnę galaktiką,

ji toltų dar greičiau.

Todėl sakome, kad visata plečiasi.

Tai žinoma reiškia, kad praeityje

viskas buvo išsidėstę tankiau.

Praeityje visata buvo tankesnė,

o taip pat karštesnė.

Didinant spaudimą temperatūra kyla.

Tai mums lyg ir suprantama.

Dalykas, kuris nelabai suprantamas, yra

tai, kad visata pačioje pradžioje, iškart po Didžiojo sprogimo

buvo labai labai tolygi.

Galima pagalvoti, jog tai joks siurprizas.

Oras šioje patalpoje yra labai tolygus.

Galima sakyti, „Ką gi, greičiausiai viskas tiesiog išsilygino.“

Bet sąlygos po Didžiojo sprogimo buvo visiškai kitokios

nei oro sąlygos šioje patalpoje.

Tiksliau medžiagos tankis buvo daug didesnis.

Gravitacinė trauka

po Didžiojo sprogimo buvo daug didesnė.

Pagalvokite,

kad mūsų visatoje yra šimtas milijardų galaktikų,

kurių kiekvienoje šimtas milijardų žvaigždžių.

Pačioje pradžioje šis šimtas milijardų galaktikų

buvo suspaustos į maždaug tokio dydžio regioną -

iš tiesų, pačioje pradžioje.

Įsivaizduokite šį suspaudimą

be jokių netolygumų,

be jokių mažų taškelių,

kuriuose būtų šiek tiek daugiau atomų nei kituose.

Nes jei jie būtų, dėl gravitacinės traukos jie kolapsuotų

į didžiulę juodąją skylę.

Išlaikyti visatą labai labai tolygią pačioje pradžioje

nebuvo lengva, tai labai subtili kompozicija.

Yra užuomina,

kad ankstyvoji visata nebuvo atsitiktinė.

Buvo kažkas, kas ją tokią padarė.

Norėtume žinoti, kas.

Dalį informacijos mums suteikė Ludwig'as Boltzmann'as,

XIX a. austrų fizikas.

O Boltzmann'as prisidėjo padėdamas mums suprasti entropiją.

Jums teko girdėti apie entropiją.

Tai yra kai kurių sistemų atsitiktinumas, netvarka, chaotiškumas.

Boltzmann'as mums davė formulę -

dabar ji išgraviruota ant jo paminklo -

ji apskaičiuoja entropiją.

O ji paprasčiausiai sako,

kad entropija yra skaičius būdų,

kuriais mes galime pertvarkyti sistemos sudėtines dalis nepakeičiant

sistemos išvaizdos makroskopiniame lygmenyje.

Kalbant apie orą šioje patalpoje,

mes nematome kiekvieno atskiro atomo.

Žemos entropijos sąranga

yra tokia, kurioje yra tik keletas panašiai atrodančių išsidėstymų.

Didelės entropijos išsidėstymas

yra toks, kuriame yra daug panašiai atrodančių išsidėstymų.

Tai yra itin svarbi įžvalga,

nes ji padeda mums paaiškinti

antrąjį termodinamikos dėsnį -

dėsnį, kuris teigia, kad entropija didėja visatoje

arba izoliuotoje visatos dalyje.

Entropijos didėjimo priežastis

yra ta, kad daug daugiau variantų galimi

didelėje entropijoje nei mažoje entropijoje.

Tai nuostabi įžvalga,

bet ji kai ką nutyli.

Tarp kitko, už šios įžvalgos, kad entropija didėja,

kaip ir už mūsų vadinamos laiko strėlės,

slepiasi skirtumas tarp praeities ir ateities.

Kiekvienas skirtumas

tarp praeities ir ateities

yra dėl entropijos didėjimo -

faktas, kad mes galime atsiminti praeitį, bet ne ateitį.

Faktas, kad mes gimstame, tada gyvename, o tada mirštame,

visuomet tokia pačia tvarka,

visa tai dėl didėjančios entropijos.

Boltzmann'as paaiškino, kad jei pradėtume nuo mažos entropijos,

labai natūralu, kad ji didės,

nes yra daugiau būdų būti didelės entropijos.

Jis nepaaiškino,

kodėl entropija iš pat pradžių buvo maža.

Faktas, kad entropija buvo maža,

buvo atspindys fakto,

kad ankstyvoji visata buvo labai labai glotni.

Norėtume tai suprasti.

Tai mūsų - kosmologų - darbas.

Deja, tai išties nėra problema,

kuriai skyrėme pakankamai dėmesio.

Tai nėra vienas pirmų dalykų, kurio žmogus

paklaustų šiuolaikinio kosmologo,

„Kokias problemas jūs mėginate spręsti?“.

Vienas iš žmonių, kurie suprato šią problemą,

buvo Richard'as Feynman'as.

Prieš 50 metų jis skaitė galybę skirtingų paskaitų.

Jis dėstė populiarias paskaitas,

kurios pavadintos "Fizinių dėsnių būdas".

Jis dėstė Caltech'o studentams,

paskaitos vadinosi „Feynman'o paskaitos apie fiziką".

Jis dėstė paskaitas Caltech'o magistrantams,

jos vadinosi „Feynman'o paskaitos apie gravitaciją".

Kiekvienoje jo knygoje, kiekvienoje paskaitoje,

jis pabrėžė šį galvosūkį:

Kodėl ankstyvoji visata buvo tokios mažos entropijos?

Taigi, jis sako - akcentuoju tai -

jis sako: „Dėl kažkokių priežasčių visata vienu metu

turėjo labai mažą savo energijos turinio entropiją

ir nuo tada ši entropija didėja.

Laiko strėlė negali būti pilnai suvokta

nebent visatos istorijos pradžios paslaptis

bus vis toliau atskleidžiama

spėliones keičiant supratimu.“

Taigi, tai mūsų darbas.

Mes norime žinoti - tai buvo prieš 50 metų, „Tikriausiai", jūs pagalvosite,

„mes jau tai išsiaiškinom."

Tai netiesa, kad mes tai jau išsiaiškinom.

Priežastis, kodėl problema pasidarė dar didesnė,

o ne mažesnė,

yra ta, kad 1998-aisiais

mes apie visatą sužinojome kai ką labai svarbaus, ko anksčiau nežinojome.

Mes nustatėme, kad ji greitėja.

Visata ne tik plečiasi.

Žiūrint į galaktiką, ji tolsta nuo mūsų.

Jei grįžtume po milijardo metų ir vėl pažiūrėtume,

ji toltų dar greičiau.

Pavienės galaktikos tolsta nuo mūsų greičiau ir greičiau.

Todėl teigiame, kad visata greitėja.

Ne taip, kaip žema ankstyvosios visatos entropija,

nors ir nežinome atsakymo į tai,

bent jau turime gerą teoriją, galinčią tai paaiškinti,

jei ji yra teisinga.

Tai yra teorija apie tamsiąją energiją.

Tai mintis, kad tuščia erdvė vis tiek turi energijos.

Kiekviename mažyčiame kubiniame erdvės centimetre,

nesvarbu ar joje yra kas, ar ne,

nesvarbu, ar joje yra dalelių, materijos, radiacijos ar bet ko kito,

joje vis tiek yra energijos, net pačioje erdvėje.

O ši energija, pasak Einšteino,

sukelia visatos plėtimąsi.

Tai yra amžinas impulsas,

kuris atstūmė galaktikas vieną nuo kitos.

Nes tamsioji energija, priešingai nei materija ar radiacija,

nesilpnėja visatai plečiantis.

Energijos kiekis kiekviename kubiniame centimetre

išlieka toks pats,

netgi visatai nuolat didėjant ir didėjant.

Tai turi lemtingos reikšmės tam,

ką visata darys ateityje.

Pirmiausia visata plėsis amžinai.

Kada buvau jūsų amžiaus,

mes nežinojome, kaip elgsis visata.

Vieni žmonės manė, kad visata ateityje vėl susitrauks.

Einšteinas palaikė šią idėją.

Bet jei yra tamsioji energija, o tamsioji energija niekur nedingsta,

visata plėsis per amžių amžius.

Prabėgo 14 milijardų metų,

100 milijardų šuns metų,

tačiau begalybė metų laukia ateityje.

Tačiau visais atžvilgiais

kosmosas mums atrodo baigtinis.

Kosmosas gali būti baigtinis arba begalinis,

tačiau dėl visatos plėtimosi,

yra vietų, kurių mes negalime pamatyti

ir niekada nepamatysime.

Yra apibrėžta kosmoso dalis, kuri mums prieinama,

ji apribota horizonto.

Todėl nors laikas ir nuolat teka,

erdvė mums yra ribota.

Galiausiai, tuščia erdvė turi temperatūrą.

8-ajame dešimtmetyje Stephen'as Hawking'as pareiškė,

kad juodoji skylė, nors turėtų būti juoda,

visgi skleidžia spinduliuotę,

jei atsižvelgtume į kvantinę mechaniką.

Erdvėlaikio išlinkimas aplink juodąją skylę

sukelia kvantinius mechaninius svyravimus,

o juodoji skylė spinduliuoja.

Labai panašūs Hawking'o ir Gary Gibbons'o skaičiavimai

parodė, kad tamsiajai energijai esant tuščioje erdvėje,

visa visata spinduliuoja.

Tuščios erdvės energija

sukelia kvantinius svyravimus.

Ir nors visata bus amžinai,

o įprastinė materija ir radiacija išsisklaidys,

vis tiek liks kažkiek radiacijos,

kažkiek temperatūrinių svyravimų,

netgi tuščioje erdvėje.

Tai reiškia,

kad visata yra tartum dujų talpa,

kuri niekada nesibaigia.

Na ir kokia gi to reikšmė?

Tai studijavo Boltzmann'as XIX-ame amžiuje.

Jis sakė, ką gi, entropija didėja,

nes yra daug daugiau galimybių

visatai būti didelės entropijos nei mažos entropijos.

Bet tai tikimybinis teiginys.

Ji greičiausiai padidės

ir ši tikimybė yra milžiniškai didelė.

Tai nėra kažkas, dėl ko reikėtų jaudintis -

visas oras šiame kambaryje susikaups vienoje vietoje ir mes uždusime.

Labai labai neįtikima.

Nebent kas nors užrakintų duris

ir laikytų mus čia amžinai, tiesiogine šio žodžio prasme,

tuomet tai įvyktų.

Viskas, kas įmanoma,

kiekviena konfigūracija, kuri gali susidaryti iš molekulių esančių šiame kambaryje,

galų gale įvyktų.

Taigi, Boltzmann'as teigia: štai, pradėkime nuo visatos,

jai būnant temperatūrinėje pusiausvyroje.

Jis nežinojo apie Didįjį sprogimą. Jis nežinojo apie visatos plėtimąsi.

Jis manė, jog erdvę ir laiką paaiškino Isaac'as Newton'as -

šios dimensijos buvo absoliučios, jos čia tiesiog buvo visada.

Todėl jo natūralios visatos idėja

buvo tokia, kurioje oro molekulės tiesiog pasiskirstė visur vienodai -

visko molekulės.

Bet jei esi Boltzmann'as, tu žinai, kad pakankamai ilgai palaukus,

atsitiktiniai šių molekulių svyravimai

laikas nuo laiko

sudarys mažesnės entropijos konfigūracijas.

O tuomet, žinoma, natūralioje eigoje

jos vėl išsiplės.

Taigi, nėra taip, kad entropija turi nuolatos didėti -

galimi svyravimai į mažesnę entropiją,

labiau organizuotas situacijas.

Na, jei tai tiesa,

Boltzmann'as sukuria

dvi labai šiuolaikiškai skambančias idėjas -

daugialypę visatą bei antropinį principą.

Jis teigia, kad temperatūrinės pusiausvyros bėda tame,

kad joje negalime gyventi.

Atsiminkite, kad gyvybė priklausoma nuo laiko strėlės.

Mes negalėtume apdoroti informacijos,

vykdyti medžiagų apykaitos, vaikščioti ir kalbėti,

jei gyventume temperatūrinėje pusiausvyroje.

Todėl, jei įsivaizduotume labai labai didelę visatą,

begalinio dydžio visatą,

su atsitiktinai tarpusavyje susiduriančiomis dalelėmis,

nuolatos egzistuotų maži svyravimai į mažesnės entropijos būseną,

o vėliau vėl išsisklaidytų.

Bet taip pat egzistuos ir dideli svyravimai.

Kartais susidarys planeta,

arba žvaigždė, arba galaktika,

arba šimtas milijardų galaktikų.

Taigi, Boltzmann'as teigia,

kad mes gyvensime tik dalyje daugialypės visatos,

dalyje šio begalinio dydžio svyruojančių dalelių rinkinyje,

kuriame gyvybė yra įmanoma.

Tai regionas, kuriame yra maža entropija.

Galbūt mūsų visata yra vienas iš tų dalykų,

kurie laikas nuo laiko nutinka.

Štai jūsų namų darbų užduotis -

iš tiesų pagalvokite apie tai, pasvarstykite, ką tai reiškia.

Kartą Carl'as Sagan'as pasakė žymią frazę,

kad "norint pagaminti obuolių pyragą,

pirmiausia turite išrasti visatą."

Bet jis buvo neteisus.

Pagal Boltzmann'o scenarijų, jei nori pagaminti obuolių pyragą,

tiesiog lauk atsitiktinio atomų judėjimo,

kuris tau pagamins obuolių pyragą.

Tai atsitiks daug dažniau

nei atsitiktiniai atomų judėjimai

sudarys jums obelų sodą

ir truputį cukraus bei orkaitę,

o tuomet pagamins jums obuolių pyragą.

Taip šis scenarijus pateikia prognozes.

O prognozės yra tokios,

kad mus sudarantys svyravimai yra minimalūs.

Net jei jūs suvokiate, kad kambarys, kuriame dabar esame

egzistuoja ir yra tikras bei mes jame esame,

ir mes, ne vien savo atmintimi,

bet ir suvokimu suprantame, kad lauke yra kažkas

pavadintas Caltech bei Jungtinės Valstijos ir Paukščių Tako galaktika,

daug lengviau šiems įspūdžiams atsitiktinai susidaryti jūsų smegenyse,

nei atsitiktinai susidaryti

Caltech'ui, Jungtinėms Valstijoms bei galaktikai.

Gera naujiena ta,

kad dėl to šis scenarijus neveikia; jis neteisingas.

Šis scenarijus spėja, kad mes esame minimalūs svyravimai.

Net jei nekalbėtume apie mūsų galaktiką,

kaip susidaryti šimtams milijardų kitų galaktikų.

Feynman'as tai taip pat suprato.

Feynman'as teigia, „Iš hipotezės, kad pasaulis yra svyravimas,

visi spėjimai teigia,

kad pažvelgus į anksčiau nematytą pasaulio dalį,

mums ji atrodys netvarkinga, ne tokia, į kokią ką tik žvelgėme -

didelės entropijos.

Jei mūsų tvarka būtų dėl svyravimų,

mes negalėtume tikėtis tvarkos niekur, išskyrus ten, kur ką tik ją pastebėjome.

Dėl to galime daryti išvadą, kad visata nėra svyravimas."

Gerai. Tuomet kyla klausimas, koks yra teisingas atsakymas?

Jei visata nėra svyravimas,

kodėl ankstyvoji visata buvo mažos entropijos?

Ir norėčiau jums duoti atsakymą, tačiau mano laikas baigiasi.

(Juokas)

Štai visata, apie kurią kalbėjom,

prieš visatą, kuri iš tikrųjų egzistuoja.

Ką tik parodžiau šį paveikslėlį.

Visata plečiasi paskutinius 10 milijardų metų ar panašiai.

Ji vėsta.

Bet mes žinome pakankamai apie visatos ateitį,

kad pasakytume daug daugiau.

Jei tamsioji materija išliks,

mus supančios žvaigždės sunaudos savo atominį kurą, jos nustos degti.

Jos kolapsuos į juodąsias skyles.

Mes gyvensime visatoje,

kurioje nieko nebus, išskyrus juodąsias skyles.

Tokia visata tęsis 10 šimtuoju laipsniu metų

daug ilgiau nei mūsų maža visata kol kas gyveno.

Ateitis daug ilgesnė už praeitį.

Bet netgi juodosios skylės negyvena amžinai.

Jos išgaruos,

ir aplink mus teliks tuščia erdvė.

Tuščia erdvė iš principo tęsiasi amžinai.

Kaip bebūtų, jei pastebėjote, tuščiai erdvei spinduliuojant,

iš tikrųjų susidaro temperatūriniai svyravimai

ir tai vyksta cikliškai

visais skirtingais įmanomais variantais,

kokie tik galimi tuščioje erdvėje.

Taigi, nors visata ir tęsiasi amžinai,

yra baigtinis skaičius dalykų,

kurie gali atsitikti visatoje.

Jie visi atsitinka per tam tikrą laiko tarpą,

lygų 10 pakelta 10-uoju ir pakelta 120-uoju laipsniu metų.

Tai štai jums du klausimai.

Pirmasis: jei visata tęsiasi 10 pakelta 10-uoju ir pakelta 120-uoju laipsniu metų,

kodėl mes gimėme

per pirmuosius 14 milijardų metų,

šiltoje, jaukioje Didžiojo sprogimo žaroje?

Kodėl mes ne tuščioje erdvėje?

Galėtumėte pasakyti, „Ten gi nieko nėra, kas leistų gyventi,"

bet tai ne visai tiesa.

Jūs galėtumėte būti atsitiktiniais svyravimais iš nieko.

Kodėl jūs nesate?

Daugiau namų darbų jums.

Taigi, kaip minėjau, iš tiesų aš nežinau atsakymo.

Ketinu jums pateikti savo mėgstamiausią scenarijų.

Arba taip tiesiog yra. Paaiškinimo nėra.

Tai yra grubus faktas apie visatą,

kurį turite išmokti priimti ir nustoti klausinėti.

Arba Didysis sprogimas

nėra visatos pradžia.

Kiaušinis, nesudužęs kiaušinis, yra žemos entropijos konfigūracija,

ir vis dėlto atidarę šaldytuvą

mes nesakome: „O, kaip keista rasti

mažos entropijos konfigūraciją savo šaldytuve."

Taip yra dėl to, kad kiaušinis nėra uždara sistema;

jis atsiranda iš vištos.

Galbūt visata atsirado iš kosminės vištos.

Galbūt yra kažkas, kas natūraliai,

per fizikos dėsnių sąlygojamą augimą,

sukuria tokią kaip mūsų visatą

mažos entropijos konfigūracijoje.

Jei tai tiesa, tai atsitiks daugiau nei vieną kartą;

mes būtume daug didesnės daugialypės visatos dalimi.

Tai yra mano mėgstamiausias scenarijus.

Taigi, organizatoriai paprašė manęs užbaigti drąsiu spėjimu.

Mano drąsus spėjimas teigia, kad

istorija mane visiškai išteisins.

O po 50 metų

visos mano pakvaišusios idėjos bus priimtos kaip tiesos

mokslininkų ir išorinių bendruomenių tarpe.

Mes visi tikėsime, kad mūsų maža visata

yra tik mažytė daug didesnės daugialypės visatos dalis.

Dar geriau - mes suprasime, kas įvyko per Didįjį sprogimą

dėka teorijos,

kurią galėsime lyginti su stebėjimais.

Tai spėjimas. Aš galiu klysti.

Bet mes galvojame, kaip žmonių rasė,

apie tai, kokia yra visata,

kodėl ji yra tokia kokia yra daugybę metų.

Jaudina mintis, kad galiausiai mes kada nors žinosime atsakymą.

Ačiū.

(Plojimai)