Wszechświat
jest naprawdę duży.
Żyjemy w galaktyce Drogi Mlecznej
W której znajduje się około stu miliardów gwiazd.
Jeżeli weźmiemy aparat
i skierujemy go na dowolną część nieba
trzymając otwartą migawkę
to o ile nasz aparat będzie przymocowany do teleskopu Hubbla
zobaczymy coś takiego.
Każda z tych plamek
to galaktyka rozmiarów naszej Drogi Mlecznej --
w każdej z tych kropek sto miliardów gwiazd.
Jest około 100 miliardów galaktyk
w widocznym wszechświecie.
100 miliadrów to jedyna liczba, którą powinniście znać.
Wiek wszechświata, czas od Wielkiego Wybuchu
to sto miliardów psich lat.
(Śmiech)
Co daje pojęcie o naszym miejscu we wszechświecie.
Jedno co można z tym obrazem zrobić, to po prostu podziwiać.
Jest niesamowicie piękny.
Często zastanawiałem się, jaki nacisk ewolucji
nakazał naszym przodkom w buszu zaadaptować się i rozwinąć
tak, by móc podziwiać zdjęcia galaktyk
mimo, że nigdy ich nie widzieli.
Chcielibyśmy je także rozumieć.
Jako kosmolog pytam, dlaczego wszechświat jest taki ?
Ważną wskazówką jest, że wszechświat zmienia się w czasie.
Gdybyście popatrzyli na jedną z tych galaktyk i zmierzyli jej prędkość,
będzie się od was oddalać
A jeżeli weźmiecie jeszcze odleglejszą galaktykę
będzie się oddalała jeszcze szybciej.
Mówimy, że wszechświat się rozszerza,
co oczywiście znaczy, że w przeszłości
wszystko było bliżej siebie.
W przeszłości wszechświat był bardziej gęsty
i również bardziej gorący.
Jeżeli ściskamy coś to temperatura wzrasta.
To brzmi sensownie.
Mniej sensownie brzmi
że wszechświat u swoich początków po Wielkim Wybuchu
był również bardzo, bardzo równomierny.
Możecie pomyśleć, że nie ma w tym nic dziwnego.
Powietrze w tym pomieszczeniu też jest równomierne.
Powiecie - "może materia sama układa się równomiernie".
Ale warunki zaraz po Wielkim Wybuchu były zupełnie inne
niż panujące w tym pomieszczeniu.
W szczególności materia była znacznie bardziej gęsta.
Przyciąganie grawitacyjne
było wtedy znacznie silniejsze.
Wyobraźcie sobie -
nasz wszechświat ma 100 miliardów galaktyk,
i 100 miliardów gwiazd w każdej z nich.
U początków te 100 miliardów galaktyk
było ściśniętych w obszarze o takich rozmiarach --
dosłownie.
Wyobraźcie sobie to ściśnięcie
bez żadnych defektów,
bez żadnych miejsc,
w których byłoby choćby kilka atomów więcej niż gdzie indziej.
Bo gdyby były nierównomiernie gęste zapadłyby się pod wypływem grawitacji
w gigantyczną czarną dziurę.
Utrzymanie równomiernego wszechświata u jego początków
nie jest łatwe, to kruchy stan.
Podpowiada nam to,
że wczesny wszechświat nie był wybrany przypadkowo.
Było coś, co go tak ukształtowało.
Chcielibyśmy wiedzieć co.
Część wyjaśnienia tej zagadki podał nam Ludwig Boltzmann,
austriacki fizyk na początku XIX wieku.
Odkrycia Boltzmanna pomogły nam zrozumieć entropię.
Słyszeliście o entropii.
To losowość, nieuporządkowanie, chaos panujący w pewnych układach.
Boltzmann podał wzór --
wyryty na jego nagrobku --
który dokładnie określa czym jest entropia.
Mówi on po prostu,
że entropia jest liczbą sposobów,
na które możemy ułożyć składniki układu tak, żeby nie można było zauważyć
zmian w skali makroskopowej.
Mamy w tej sali powietrze,
i nie widzimy poszczególnych jego atomów.
Stan niskiej entropii
to taki, w którym tylko kilka ułożeń wyglądałoby w ten sposób.
W konfiguracji o wysokiej entropii
wiele ułożeń wygląda w ten sposób.
Ta wiedza jest niezwykle ważna,
bo dzięki niej potrafimy wytłumaczyć
drugie prawo termodynamiki --
które mówi, że we wszechświecie entropia rośnie,
podobnie jak w jego fragmentach.
Dzieje się tak ponieważ
jest coraz więcej sposobów
na ułożenie układu.
To wspaniałe spostrzeżenie,
jednak coś zostaje pominięte.
Fakt wzrastania entropii
stoi za tym, co nazywamy strzałką czasu,
różnicą pomiędzy przeszłością a przyszłością.
Każda taka różnica
wynika z narastającej entropii --
to, że pamiętamy przeszłość a nie przyszłość.
Fakt, że najpierw się rodzimy, potem żyjemy a na końcu umieramy,
zawsze w tej kolejności,
wynika ze wzrastającej entropii.
Boltzmann zauważył, że jeżeli zaczynamy z niską entropią
jest całkiem naturalne, że będzie się zwiększała
ponieważ będzie coraz więcej możliwości wysokiej entropii.
Nie wyjaśnił jednak
dlaczego entropia w ogóle była na początku niska.
To, że we wczesnym wszechświecie była ona niska
odzwierciedla fakt
że wczesny wszechświat był bardzo równomierny.
Chcielibyśmy to zrozumieć.
To nasze zadanie jako kosmologów.
Niestety, nie jest to zagadnienie
do którego przywiązywaliśmy dużą wagę.
Nie jest to temat o którym dowiedzielibyście się
gdybyście zapytali współczesnego kosmologa,
"Jakie problemy chcecie rozwiązać ?"
Jedną z osób, które zrozumiały, że jest to problem,
był Richard Feynman.
50 lat temu zaprezentował kilka różnych serii wykładów.
Jego wykłady popularnonaukowe
zebrano w książce "Charakter praw fizycznych"
Wykłady dla studentów Caltech
zebrano w "Feynmana wykłady z fizyki"
Wykłady dla absolwentów Caltech
zebrano w "Wykłady z grawitacji "
W każdej z tych książek
podkreślał zagadkę
dlaczego wszechświat na początku miał tak niską entropię?
Mówił -- nie odtworzę jego akcentu --
"Z jakichś powodów wszechświat w pewnym momencie
miał bardzo niską entropię, jak na swoją zawartość energii,
i od tego czasu entropia się zwiększyła.
Strzałka czasu nie zostanie w pełni zrozumiana
dopóki tajemnica początków historii wszechświata
nie przejdzie ze sfery spekulacji
do jej zrozumienia."
To nasze zadanie.
Chcemy wiedzieć -- minęło już 50 lat, myślicie pewnie
"Na pewno już to rozgryźliśmy."
Nie prawda, nie rozgryźliśmy tego do dziś.
Jest raczej gorzej,
niż lepiej, ponieważ
w 1998r.
odkryliśmy kluczowy fakt, którego wcześniej nie byliśmy świadomi.
Odkryliśmy, że przyspiesza.
Wszechświat nie tylko się rozszerza.
Patrząc na galaktyki widzimy, że się oddalają.
Gdybyśmy wrócili są miliard lat, zobaczylibyśmy
że oddalają się jeszcze szybciej.
Poszczególne galaktyki przyspieszają coraz szybciej.
Mówimy, że wszechświat przyspiesza.
W przeciwieństwie do niskiej entropii wczesnego wszechświata,
mimo, że nie mamy jasnej odpowiedzi czemu tak jest
mamy przynajmniej dobrą teorię, która może to wyjaśnić.
jeżeli jest poprawna --
to teoria ciemnej energii.
Opiera się na pomyśle, że pusta przestrzeń ma swoją energię.
W każdym centymetrze sześciennym przestrzeni,
czy jest on pusty czy też nie,
czy zawiera cząsteczki, materię, promieniowanie, czy cokolwiek innego
jest w nim zawsze energia, nawet w samej przestrzeni.
Ta energia, według Einsteina,
wywiera nacisk na wszechświat.
To ciągły impuls,
który odsunął od siebie galaktyki.
Ciemna energia, w przeciwieństwie do materii czy promieniowania
nie rozcieńcza się w miarę rozszerzania wszechświata.
Ilość energii w każdym centymetrze sześciennym
pozostaje taka sama,
nawet gdy wszechświat się powiększa.
Ma to zasadniczy wpływ
na to, czym stanie się wszechświat w przyszłości.
Po pierwsze, wszechświat będzie się rozszerzał wiecznie.
Gdy byłem w waszym wieku,
nie wiedzieliśmy, co się stanie z wszechświatem.
Niektórzy uważali, że w przyszłości wszechświat zacznie się kurczyć.
Einstein popierał taki scenariusz.
Jednak jeżeli istnieje ciemna energia, która się nie rozprasza,
wszechświat będzie się po prostu rozszerzał na wieki wieków.
14 miliardów lat przeszłości,
100 miliardów psich lat,
ale nieskończona liczba lat w przyszłość.
W rzeczywistości jednak
obserwujemy ograniczoną przestrzeń.
Przestrzeń może być ograniczona lub nie,
ale ponieważ wszechświat przyspiesza,
to są części, których nie możemy zobaczyć.
i nigdy nie zobaczymy.
Mamy dostęp do ograniczonej części przestrzeni,
otoczonej horyzontem.
Nawet jeśli czas biegnie w nieskończoność
przestrzeń jest dla nas ograniczona.
W końcu, pusta przestrzeń ma temperaturę.
W latach 70-tych Stephen Hawking dowiódł
że czarna dziura, mimo że sądzimy, że jest czarna,
w rzeczywistości promieniuje,
jeżeli uwzględnimy mechanikę kwantową.
Zakrzywienie czasoprzestrzeni w pobliżu czarnej dziury
wywołuje fluktuacje na poziomie mechaniki kwantowej
i czarna dziura promieniuje.
Bardzo podobne obliczenia Hawkinga i Gary'ego Gibonsa
pokazały, że jeśli pustą przestrzeń wypełnia ciemna energia,
to cały wszechświat promieniuje.
Energia pustej przestrzeni
wywołuje kwantowe fluktuacje.
Mimo, że wszechświat będzie trwał wiecznie,
a zwykła materia i promieniowanie będą się rozpraszały,
zawsze będzie trochę promieniowania
i fluktuacji termicznych,
nawet w pustej przestrzeni.
Oznacza to,
że wszechświat jest jak pojemnik z gazem,
istniejący wiecznie.
Co z tego dla nas wynika ?
Skutki były analizowane przez Boltzmanna w XIX wieku.
Stwierdził: entropia się zwiększa
bo jest znacznie więcej sposobów ułożenia
dla wszechświata z dużą entropią niż niską.
Ale jest to stwierdzenie probabilistyczne.
Prawdopodobnie będzie się zwiększała
i prawdopodobieństwo jest ogromne.
Nie musimy się obawiać, że powietrze w tej sali
zbierze się w jednym miejscu i nas udusi.
To bardzo mało prawdopodobne.
O ile nie zamkną drzwi
i nie będą nas tu trzymać wiecznie,
to się nie to zdarzy.
Wszystko co jest możliwe,
każde ułożenie, które mogą przyjąć cząsteczki w tej sali
kiedyś się wydarzy.
Boltzman mówi - zacznijmy od wszechświata
który był w termicznej równowadze.
Nie wiedział o Wielkiego Wybuchu ani o rozszerzaniu się wszechświata.
Sądził, że czas i przestrzeń zostały opisane przez Izaaka Newtona --
były niezmienne; były takie od zawsze.
W jego naturalnym wszechświecie
cząsteczki powietrza były wszędzie rozproszone równomiernie --
uniwersalne cząsteczki.
Boltzmann wiedział, że jeżeli będziemy czekać odpowiednio długo,
losowe ruchy tych cząsteczek
ustawią je czasami
w konfiguracjach o niskiej entropii.
Potem, zgodnie z naturą rzeczy,
z powrotem się rozproszą.
Nie jest tak, że entropia musi zawsze rosnąć --
mogą powstać stany o niższej entropii,
sytuacje bardziej ułożone.
Jeżeli tak jest,
Boltzmann dochodzi do odkrycia
dwóch bardzo nowoczesnych teorii --
wieloświata i zasady antropicznej.
Mówi ona, że w stanie równowagi termicznej
nie możemy żyć.
Pamiętajcie, życie zależy od strzałki czasu.
Nie moglibyśmy przetwarzać informacji,
trawić, poruszać się ani rozmawiać,
gdybyśmy żyli w równowadze termicznej.
Jeśli wyobrazicie sobie bardzo duży wszechświat,
nieskończenie wielki,
z losowo wpadającymi na siebie cząsteczkami,
będą tam czasami niewielkie zaburzenia i stany niższej entropii,
które później zanikną.
Ale będą również duże fluktuacje.
Zdarza się, że wytworzą planetę,
gwiazdę, lub galaktykę.
albo sto miliardów galaktyk.
Boltzmann mówi,
że żyjemy w części wieloświata,
w części tego nieskończenie wielkiego zbioru poruszających się cząsteczek,
gdzie życie jest możliwe.
To miejsce, gdzie entropia jest niska.
Może nasz wszechświat to tylko jedno z tych zaburzeń,
które zdarza się od czasu do czasu.
Jako zadanie domowe
pomyślcie nad tym, zastanówcie się, co to oznacza.
Carl Segan powiedział kiedyś słynne zdanie
"aby zrobić szarlotkę
trzeba najpierw wymyślić wszechświat".
Ale nie miał racji.
W scenariuszu Boltzmanna, gdybyście chcieli zrobić szarlotkę,
wystarczyłoby poczekać aż przypadkowy układ atomów
stworzy szarlotkę.
Będzie się to zdarzało znacznie częściej
niż przypadkowe układy atomów
tworzące sad jabłkowy
trochę cukru i piekarnik,
i robiące wam szarlotkę.
Ten scenariusz tworzy przewidywania.
Przewiduje,
że zaburzenia, które nas tworzą są minimalne.
Nawet, jeżeli wyobrazicie sobie, że sala w której teraz jesteśmy
istnieje naprawdę i my razem z nią,
i mamy nie tylko nasze wspomnienia,
ale również wrażenie, że na zewnątrz jest coś,
Caltech, Stany Zjednoczone i Galaktyka Mlecznej Drogi,
łatwiej jest, by te wrażenia powstały z losowego zaburzenia w naszych mózgach
niż gdyby rzeczywiście zaistniały jako losowe zaburzenie,
tworząc Caltech, Stany Zjednoczone i galaktykę.
Dobra wiadomość jest taka,
że ten scenariusz nie działa; nie jest prawidłowy.
Przewiduje on, że powinniśmy być minimalnym zaburzeniem.
Nawet gdyby pominąć naszą galaktykę,
nie powstałoby 100 miliardów innych galaktyk.
Feynmann również to rozumiał.
Feynman powiedział, "z hipotezy, że świat jest zaburzeniem,
wynika tylko tyle, że jeżeli spojrzymy na część świata,
której nie widzieliśmy wcześniej,
zobaczymy chaos, w przeciwieństwie do tego na co patrzyliśmy wcześniej --
zobaczymy wysoką entropię.
Gdyby nasz porządek wynikał z zaburzenia,
nie spodziewalibyśmy się zobaczyć porządku gdziekolwiek indziej.
Wniosek: wszechświat nie jest zaburzeniem."
Zgoda. Pytanie brzmi, jaka jest właściwa odpowiedź?
Jeśli wszechświat nie jest zaburzeniem,
czemu wczesny wszechświat miał niską entropię?
Chętnie podałbym wam odpowiedź, ale kończy mi się czas.
(Śmiech)
Oto wszechświat o którym opowiadamy
w porównaniu do prawdziwego.
- porównanie na obrazku.
Wszechświat rozszerza się od ok. 10 miliardów lat.
Stygnie.
Ale wiemy już znacznie więcej na temat jego przyszłości,
aby móc powiedzieć więcej.
Jeżeli ciemna energia istnieje wokoło,
gwiazdy zużyją swoje paliwo nuklearne i zgasną.
Zapadną się w czarne dziury.
Będziemy żyć we wszechświecie,
w którym nie będzie nic poza czarnymi dziurami.
Taki wszechświat będzie trwał od 10 do 100 miliardów lat --
znacznie dłużej, niż przeżył nasz mały wszechświat.
Przyszłość będzie znacznie dłuższa niż przeszłość.
Jednak czarne dziury nie będą istnieć wiecznie.
W końcu wyparują,
i nie zostanie nic poza pustą przestrzenią.
Ta pusta przestrzeń będzie trwała wiecznie.
Jednak, ponieważ pusta przestrzeń promieniuje,
istnieją termiczne fluktuacje,
i pojawiają się
wszystkie możliwe kombinacje
stopni swobody, które mogą istnieć w pustej przestrzeni.
Mimo, że wszechświat będzie trwał wiecznie,
jest tylko skończona liczba zdarzeń,
które mogą mieć w nim miejsce.
Wszystkie zdarzą się w okresie równym
10 do potęgi 10 do potęgi 120 lat.
Teraz dwa pytania dla was.
Pierwsze: jeżeli wszechświat trwa 10^10^120 lat,
czemu urodziliśmy się
w pierwszych 14 miliardach lat,
w ciepłej, wygodnej poświecie Wielkiego Wybuchu?
Czemu nie żyjemy w pustej przestrzeni?
Możecie powiedzieć "Tam nie dałoby się życ",
ale to nie prawda.
Moglibyście być losowym zaburzeniem wśród nicości.
Czemu nie jesteście?
Drugie zadanie domowe.
Jak powiedziałem, nie znam odpowiedzi.
Przedstawię wam moją ulubioną teorię.
Albo tak po prostu jest i nie ma wytłumaczenia.
To brutalny fakt o wszechświecie
który powinniście zaakceptować i nie zadawać pytań.
Albo Wielki Wybuch
nie jest początkiem wszechświata.
Całe jajko, jest konfiguracją o niskiej entropii,
a mimo to otwierając lodówkę
nie dziwimy się "No proszę, skąd się wziął
ten układ o niskiej entropii w mojej lodówce."
Jajko nie jest zamkniętym układem;
pochodzi od kury.
Może wszechświat pochodzi od wszechkury.
Może jest coś, to naturalnie,
zgodnie z prawami fizyki wyrasta
tworząc wszechświat taki jak nasz,
z niską entropią.
Gdyby tak było, zdarzałoby się to wiele razy;
Bylibyśmy częścią znacznie większego wieloświata.
To moja ulubiona teoria.
Organizatorzy poprosili mnie, abym zakończył jakąś śmiałą spekulacją.
Śmiało spekuluję,
że historia potwierdzi moje słowa.
Za 50 lat
wszystkie moje szalone pomysły będą obowiązywały
przez środowiska naukowe i zewnętrzne.
Będziemy wierzyli, że nasz mały wszechświat
jest tylko małą częścią znacznie większego wieloświata.
Zrozumiemy co stało się podczas Wielkiego Wybuchu
zgodnie z teorią
którą potwierdzą obserwacje.
To przepowiednia. Mogę się mylić.
Jako ludzie zastanawialiśmy się
jaki jest wszechświat,
i czemu taki się stał, przez wiele lat.
Wspaniale jest pomyśleć, że kiedyś możemy poznać odpowiedź.
Dziękuję.
(Oklaski)