Vesolje
je res veliko.
Živimo v galaksiji, v Galaksiji Rimska cesta.
Tu je približno sto milijard zvezd.
In če vzamemo kamero
in jo usmerimo v naključno točko na nebu,
in pustimo odprto zaslonko,
seveda, če je naša kamera pripeta na vesoljski teleskop Hubble,
bomo videli nekaj takega.
In v vsaki teh lis
je galaksija približno velikosti naše Rimske ceste --
sto milijard zvezd v vsaki taki lisi.
V vidnem vesolju je približno
sto milijard galaksij.
100 milijard je edino število, ki si ga moramo zapomniti.
Starost vesolja, med zdaj in Velikim Pokom
je sto milijard v pasjih letih.
(Smeh)
Kar nam pove nekaj o našem mestu v vesolju.
Nekaj, kar naredimo s tako sliko, je preprosto občudovanje.
To je izjemna lepota.
Pogosto sem se spraševal, kakšen je pritisk evolucije
ki je naše prednike izoblikoval do te mere
da so uživali v slikah galaksij
čeprav jih niso imeli.
Toda mi bi jih radi tudi razumeli.
Kot kosmolog, želim vprašati: Zakaj je vesolje takšno?
Velik namig, ki ga imamo, je da se vesolje spreminja skozi čas.
Če bi gledali v eno teh galaksij in izmerili njeno hitrost,
bi se odmikala od nas.
In če se zazremo še v bolj oddaljeno galaksijo,
se le-ta odmika še hitreje.
Zato pravimo, da se vesolje širi.
In to seveda pomeni, da so bile v preteklosti,
vse stvari bližje skupaj.
V preteklosti je bilo vesolje gostejše,
in bilo je bolj vroče.
Če stisnemo stvari skupaj, temperatura naraste.
To se nam zdi smiselno.
Kar se nam ne zdi tako smiselno
je, da je bilo vesolje, v zgodnji dobi, skoraj ob Velikem Poku,
tudi zelo gladko, enakomerno.
Morda boste pomislili, da to ni presenetljivo.
Tudi zrak v tem prostoru je zelo enakomeren.
Lahko rečete: "No, morda se stvari same uredijo".
Toda razmere ob Velikem Poku, so bile zelo, zelo drugačne
kot so razmere zraka v tem prostoru.
Še posebej, stvari so bile zelo gostejše.
Gravitacijske sile stvari
so bile močnejše ob Velikem Poku.
Kar lahko razmislimo
je, da imamo vesolje z sto milijardami galaksij
in v vsaki sto milijard zvezd.
V zgodnjih časih, so bile te milijarde galaksij
stisnjene v območje približno te velikosti --
dobesedno, v zgodnjih časih.
In predstavljajte si tako stiskanje
brez kakršnih koli nepopolnosti,
brez nobenih malih točk
kjer bi bilo nekaj manj atomov, kot nekje drugje.
Kajti, če bi bile, bi se zrušile pod gravitacijsko silo
v ogromno črno luknjo.
Ohranjanje zelo enakomernega vesolja v zgodnjih časih
ni preprosto, je občutljiva ureditev.
To je namig,
da zgodnje vesolje ni izbrano naključno.
Tu je nekaj, kar ga je ustvarilo na ta način.
In mi bi radi vedeli kaj.
Torej del našega razumevanja nam je podal Ludwig Boltzmann,
austrijski fizik v 19. stoletju.
In Boltzmannov prispevek nam je pomagal razumeti entropijo.
Slišali ste za entropijo.
To je naključje, nered, kaotičnost nekih sistemov.
Boltzmann nam je podal formulo --
danes vklesano na njegov nagrobnik --
ki količinsko določa kaj je entropija.
In v bistvu pravi le,
da je entropija število načinov,
s katerimi lahko prerazporedimo sestavine sistema, tako da se ne opazi,
tako, da makroskopsko zgleda enako.
Če vzamemo zrak v tej sobi,
ne opazimo vsakega posameznega atoma.
Nizka konfiguracija entropije
je taka, v kateri je samo nekaj postavitev, ki zgledajo tako.
Visoka ureditev entropije
je taka, kjer je več možnih postavitev, ki zgledajo tako.
To je ključnega pomena,
ker nam pomaga razložiti
drugi zakon termodinamike --
zakon, ki pravi, da entropija v vesolju narašča.
ali v omejenem delčku vesolja.
Razlog za naraščanje entropije
je preprost, ker je veliko več načinov
za doseganje visoke entropije, kot nizke entropije.
To je čudovito razumevanje,
vendar nekaj manjka.
Razumevanje, da entropija narašča, mimogrede,
kar je za nami imenujemo časovni vektor,
razlika med preteklostjo in prihodnjostjo.
Vsaka razlika
med preteklostjo in prihodnjostjo
je zaradi naraščanja entropije --
dejstvo, da se lahko spomnimo preteklosti, toda ne prihodnosti.
Dejstvo, da se rodimo, živimo in umremo,
vedno v tem vrstnem redu,
to je zaradi naraščanja entropije.
Boltzmann je razložil tudi, da če začnemo z nizko entropijo,
je zelo naravno, da se poveča,
ker je veliko več načinov za stanja z visoko entropijo.
Kar pa ni razložil,
je zakaj je bila entropija vedno nizka v izhodišču.
Dejstvo, da je bila entropija vesolja nizka
je odsev dejstva
da je bilo prvotno vesolje zelo enakomerno.
To bi radi razumeli.
To je naloga nas kozmologov.
Nažalost, to ni problem,
ki smo mu namenili dovolj pozornosti.
To ni en izmed prvih odgovorov, ki ga slišiš,
če vprašaš sodobnega kozmologa:
"Katere probleme poskušate rešiti?"
Nekdo, ki je razumel, da je to problem
je bil Richard Feynman.
Pred 50 leti, je imel serijo rezličnih predavanj.
Predaval je na priljubljenih predavanjih
ki so postali "Karakter fizikalnih zakonov".
Predaval je študentom na Caltechu,
danes znanimi kot "Feynmanova predavanja o fiziki".
Predaval je Caltech-ovim podiplomantom,
kar poznamo kot "Feynmanova predavanja o gravitaciji".
V vsaki izmed teh knjig, vsaki zbirki predavanj,
je povdarjal vprašanje:
Zakaj je imelo zgodnje vesolje tako majhno entropijo?
Tako pravi -- In ne bom naglaševal --
pravi: "Zaradi nekega vzroka, je vesolje, v nekem času,
imelo zelo nizko entropijo za svojo energijsko vsebnost,
in odtlej je entropija naraščala.
Časovnega vektorja ne moremo povsem razumeti
dokler skrivnost začetka zgodovine vesolja
ni dokončno zmanjšana
iz špekulacije v razumevanje".
To je naša naloga.
Želimo vedeti -- to je bilo pred 50 leti in razmišljate: "Seveda
do danes smo to rezrešili".
Ni res, da smo do danes to rezrešili.
Problem je postal še večji
namesto lažji,
ker smo v letu 1998
spoznali nekaj ključnega o vesolju, česar doslej nismo vedeli.
Spoznali smo, da vesolje pospešuje.
Vesolje se ne samo širi.
Če pogledate galaksije, se oddaljujejo.
Če se vrnemo čez milijard let in spet pogledamo,
se galaksije oddaljujejo še hitreje.
Posamezne galaksije drvijo stran od nas hitreje in hitreje.
Tako pravimo, da vesolje pospešuje.
Za razliko od nizke entropije zgodnjega vesolja,
čeprav ne poznamo odgovora na to,
imamo vsaj dobro terorijo, ki nam to lahko razloži,
in če je teorija pravilna,
je to teorija temne energije.
Je le ideja, da ima tudi prazen prostor energijo.
V vsakem malem kubičnem centimetru prostora,
neglede na to kaj vsebuje,
neglede ali so ali ni delcev, materije, sevanja ali česarkoli,
še vedno je prisotna energija v samem prostoru.
In ta energija, po Einsteinu
izvaja potisk na vesolje.
To je ponavljajoč impulz,
ki potiska galaksije narazen eno od druge.
Ker se temna energija, za razliko od snovi ali sevanja,
ne razredči medtem, ko se vesolje širi.
Količina energije v vsakem kubičnem centimetru
ostaja enaka,
tudi, ko se vesolje veča in veča.
To ima ključne posledice
na obnašanje vesolja v prihodnjosti.
Ena stvar: vesolje se bo večno širilo.
Ko sem bil vaše starosti,
nismo vedeli, kaj se bo zgodilo z vesoljem.
Nekateri so mislili, da se bo vesolje v prihodnosti sesedlo.
Einsteinu je bila ta ideja všeč.
Toda če je temna energija, in če temna energija ne gre stran,
se bo vesolje le širilo in širilo za vse večne čase.
14 milijard let nazaj,
100 milijard pasjih let,
toda neskončno število let v prihodnjost.
Medtem, za vse namene in namere,
prostor vidimo kot končen.
Prostor je lahko končen ali neskončen,
vendar, ker vesolje pospešuje,
so predeli, ki jih ne moremo videti
in jih nikoli ne bomo videli.
Imamo dostop le do končnega območja vesolja,
ki ga obkroža obzorje.
Tudi če je čas neskončen,
je prostor za nas omejen.
Končno, prazen prostor ima temperaturo.
1970 nam je Stephen Hawking povedal,
da črna luknja, čeprav mislimo, da je črna,
pravzaprav oddaja sevanje,
če upoštevamo kvantno mehaniko.
Ukrivljenost prostora-časa okrog črne luknje
oživi kvantno mehanično fluktuacijo,
in tako črna luknja seva.
Natančno podoben izračun Hawkinga and Gary Gibbonsa
je pokazal, da če imamo temno energijo v praznem prostoru,
potem celotno vesolje seva.
Energija praznega prostora
oživi kvantno fluktuacijo.
Tudi če bo vesolje trajalo večno,
in se bo običajna snov in sevanje redčilo,
bo vedno ostalo nekaj sevanja,
nekaj termične fluktuacije,
tudi v praznem prostoru.
To pomeni,
da je vesolje kot škatla plina,
ki traja večno.
In kaj je posledica tega?
Posledice je proučeval Boltzmann v 19. stoletju.
Rekel je, no, entropija narašča
ker obstaja veliko, veliko več načinov,
da je vesolje z visoko entropijo, kot z nizko entropijo.
Toda to je verjetnostna izjava.
Verjetno bo naraščala,
in ta verjetnost je ogromna.
Zagotovo nam ni treba skrbeti,
da se ves zrak v tej sobi zbere v eni sami točki in nas tako zaduši.
To je zelo, zelo neverjetno.
Razen, če bi kdo zaklenil vrata
in nas zadrževal tu dobesedno za vedno,
bi se to zgodilo.
Vse kar je dovoljeno,
vsaka postavitev, ki se lahko pripeti molekulam v tej sobi,
je lahko dosežena pod pravimi pogoji.
Boltzmann pravi: poglej, lahko začnemo vesolje
ki je v termičnem ravnovesju.
Ni vedel za Veliki Pok. Ni vedel za širjenje vesolja.
Mislil je, da sta prostor in čas razložena po Isaacu Newtonu --
bila sta absolutna in večna.
Njegova ideja naravnega vesolja
je bila taka, kjer se molekule zraka širijo vsepovsod enakomerno --
vse molekule.
Toda če ste vi Boltzmann, veste, da če čakaš dovolj časa,
naključna fluktuacija teh molekul
občasno pripelje molekule
v konfiguracije nizke entropije.
In tedaj, seveda, se v naravnem toku,
ponovno razširijo.
Torej ni nujno, da entropija vedno narašča --
lahko dobimo fluktuacije v nižjo entropijo,
bolj urejene razmere.
Če je to res,
Boltzmann izumlja
dve zelo sodobni ideji --
mnogovesolje in antropično načelo.
Govori nam, da je problem s termičnim ravnovesjem,
da ne moremo živeti tam.
Pomnite, življenje samo je odvisno od časovnega vektorja.
Nebi mogli obdelovati informacij,
prebavljati, hoditi in govoriti,
če bi živeli v termičnem ravnovesju.
Tako, če si predstavljate veliko, zelo veliko vesolje,
neskončno veliko vesolje,
z delci, ki se naključno zaletajo eden v drugega,
bo prišlo do občasnih majhnih nihanj v nizkem stanju entropije,
ki se nato zopet sprostijo.
Toda prihajalo bo tudi do večjih nihanj.
Občasno, bo ustvarjen planet
ali zvezda ali galaksija
ali sto milijard galaksij.
Torej Boltzmann govori,
da bomo živeli samo v delu mnogovesolja,
v delu tega neskončnega nabora nihajočih delcev,
kjer je možno življenje.
To je področje, kjer je entropija nizka.
Morda je naše vesolje le ena izmed stvari,
ki se zgodijo občasno.
Zdaj je vaša domača naloga,
da razmišljate o tem, kaj to pomeni.
Carl Sagan je nekoč izjavil,
da "če želimo speči jabolčno pito,
moramo najprej izumiti vesolje".
Toda ni imel prav.
Po Boltzmannu, če želimo speči jabolčno pito,
le počakamo na naključno gibanje atomov,
ki nam speče pito.
To se bo dogajalo bolj pogosto
kot naključno gibanje atomov,
ki pripelje do sadovnjaka
in nekaj sladkorja in pečice,
in nam nato speče pito.
Ta scenarij daje napovedi.
In napovedi so,
da so nihanja, ki nas ustvarjajo minimalna.
Tudi, če si predstavljate, da ta soba
obstaja in je resnična, da smo tukaj,
imamo svoje spomine in
vtis, da je tam zunaj nekaj
imenovanega Caltech in ZDA in galaksija Rimska cesta,
je enostavnejše, da se vsi ti vtisi naključno zanihajo v vaših možganih,
kot za pravo naključno nihanje
v Caltech, ZDA in galaksijo.
Dobra stvar je,
da ta scenarij ne deluje, ni pravi.
Ta scenarij predvideva, da smo minimalno nihanje.
Tudi če izpustimo našo galaksijo,
ne bi dobili sto milijard drugih galaksij.
In tudi Feynman je razumel to.
Feynman govori: "Od hipoteze da je svet nihanje,
in vse napoveduje,
da če pogledamo del sveta, ki ga še nismo doslej,
bo ta zmešan, nič kot predel, ki smo ga gledali --
visoka entropija.
Če je naš red zaradi nihanja,
nebi pričakovali reda nikjer drugje razen, kjer smo ga pravkar zaznali.
Zatorej zaključujemo, da vesolje ni nihanje".
To je dobro. Vprašanje je kaj je pravi odgovor?
Če vesolje ni nihanje,
zakaj je zgodnje vesolje imelo nizko entropijo?
In rad bi vam povedal odgovor, a moj čas se izteka.
(Smeh)
Tu je vesolje o katerem govorimo,
nasproti vesolji, ki zares obstaja.
Pravkar sem vam pokazal to sliko.
Vesolje se širi že vsaj zadnjih 10 milijard let.
Ohlaja se.
Toda zdaj vemo dovolj o prihodnosti vesolja,
da rečemo veliko več.
Če temna energija ostaja okrog,
bodo zvezde okrog nas porabile svojo jedrsko gorivo in ugasnile.
Padle bodo v črne luknje.
Živeli bomo v vesolju
brez ničesar v njem, razen črnih lukenj.
To vesolje bo trajalo 10 do 100 let --
veliko dlje, kot je živelo naše malo vesolje.
Prihodnost je veliko daljša od preteklosti.
Tudi če črne luknje ne trajajo večno.
Bodo izhlapele,
in ostal nam bo le prazen prostor.
Tak prazen prostor v bistvu traja večno.
Kakorkoli, če opazite, ker prazen prostor oddaja sevanje,
so tam pravzaprav termična nihanja,
in ciklično prehajajo
vse različne možne kombinacije
stopenj svobode, ki obstajajo v praznem prostoru.
Tako tudi, če je vesolje večno,
je le končno mnogo stvari,
ki se lahko zgodijo v vesolju.
Vse se zgodijo v časovnem obdobju
enakem 10 na 10 na 120 let.
Tu sta dve vprašanji za vas.
Prvo: Če vesolje traja 10 na 10 na 120 let,
zakaj se rodimo
v prvih 14 milijard let vesolja,
v toplem, udobnem siju Velikega Poka?
Zakaj nismo v praznem prostoru?
Lahko rečete: "No, tam ni ničesar za življenje".
Toda to ni pravilno.
Lahko bi bili naključno nihanje iz ničesar.
Zakaj niste?
Še nekaj domačih nalog za vas.
Kot sem rekel, pravzaprav ne vem odgovora.
Podal vam bom moj najljubši scenarij.
Bodisi da je tako. Ni razlage.
To je surovo dejstvo o vesolju,
ki ga morate spoznati in sprejeti ter nehati postavljati vprašanja.
Ali morda Veliki Pok
ni začetek vesolja.
Jajce, ne-razbito jajce, je konfiguracija z nizko entropijo,
in ko odpremo hladilnik
ne rečemo, "Ha, kako presenetljivo najti
to nizko stopnjo entropije v našem hladilniku".
To je ker jajce ni zaprt sistem;
pride iz kokoši.
Morda vesolje pride iz vesoljne kokoši.
Morda je tam nekaj, kar naravno
skozi razvoj zakonov fizike,
daje porast vesolju, kot je naše
z nizko entropijo.
Če je to res, bi se zgodilo več kot enkrat;
bi bili del veliko večjega mnogovesolja.
To je moj najljubši scenarij.
Organizatorji so me prosili naj zaključim z drzno špekulacijo.
Moja drzna špekulacija
je da me bo zgodovina popolnoma upravičila.
In čez 50 let,
bodo vse moje trenutno divje ideje sprejete kot resnične
tako znanstveniki kot druge skupnosti.
Vsi bomo verjeli, da je naše malo vesolje
le majhen delček veliko večjega mnogovesolja.
In še več, razumeli bomo kaj se je zgodilo ob Velikem Poku
v teoretičnem smislu,
ker bomo lahko primerjali opazovanja.
To je moja napoved. Lahko se motim.
Toda kot človeštvo razmišljamo
o tem, kakšno je bilo vesolje in
zakaj je nastalo in je takšno kot je, že mnogo, mnogo let.
Razburljivo je, če pomislimo, da bomo morda nekoč le vedeli odgovor.
Hvala vam.
(Aplavz)