Krótkie odpowiedzi na wielkie pytania - ebook

Słowo od wydawcy angielskiego

Stephen Hawking był często proszony przez naukowców, przedsiębiorców, ważne osobistości z kręgów biznesu, przywódców politycznych i przedstawicieli opinii publicznej o przemyślenia, komentarze i spekulacje dotyczące aktualnych „wielkich pytań”. Prowadził on obszerne prywatne archiwum swoich wypowiedzi, które miały postać przemówień, wywiadów, esejów i odpowiedzi na pytania.

Książka ta jest oparta właśnie na tym archiwum, a Hawking pracował nad nią tuż przed śmiercią. Została ona dokończona wspólnym wysiłkiem jego akademickich współpracowników, członków rodziny oraz fundacji Stephen Hawking Estate.

Część należnych za nią honorariów zostanie przekazana na cele charytatywne.

Zapraszamy do zakupu pełnej wersji książkiPrzedmowa

Eddie Redmayne

Kiedy pierwszy raz spotkałem Stephena Hawkinga, byłem pod wrażeniem zarówno jego nadzwyczajnej siły wewnętrznej, jak i wrażliwości. Pełne determinacji spojrzenie jego oczu zestawione ze sparaliżowanym ciałem było mi znane już wcześniej, gdyż przygotowując się do roli Stephena w filmie Teoria wszystkiego, poświęciłem kilka miesięcy na zapoznanie się z jego pracami i zrozumienie wszelkich aspektów jego kalectwa, aby należycie pokazać przy użyciu mojego ciała rozwój choroby neuronu ruchowego na przestrzeni lat.

A jednak gdy w końcu osobiście poznałem Stephena, ikonicznego uczonego o fenomenalnym talencie, komunikującego się z otoczeniem za pomocą syntezatora mowy oraz ruchu nadzwyczaj ekspresywnych brwi, dosłownie wbiło mnie w podłogę. Normalnie jestem gadatliwy i gdy podczas rozmowy zapada cisza, czuję się nieswojo, natomiast Stephen do perfekcji opanował posługiwanie się długimi momentami ciszy, podczas których uważnie wpatrywał się w rozmówcę. Nieco wytrącony z równowagi zacząłem mówić mu o tym, że nasze urodziny dzieli zaledwie kilka dni, wskutek czego należymy do tego samego znaku zodiaku. Po upływie kilku minut Stephen odpowiedział: „Jestem astronomem, nie astrologiem”. Nalegał również, bym zwracał się do niego po imieniu i nie tytułował go profesorem. A mówiono mi to wcześniej…

Sposobność zagrania postaci Stephena była czymś nadzwyczajnym. W roli tej zafascynował mnie kontrast między jego zewnętrznymi sukcesami w pracy badawczej a wewnętrzną walką z chorobą, na którą zapadł w wieku dwudziestu kilku lat. Była to jedyna w swoim rodzaju, bogata i skomplikowania historia ludzkich wysiłków, życia rodzinnego, wybitnych osiągnięć naukowych oraz niesamowitego uporu w pokonywaniu piętrzących się przeszkód. Chcieliśmy w filmie pokazać nie tylko drogę Stephena do odkryć naukowych, lecz także niezłomny charakter i odwagę zarówno jego samego, jak i wszystkich osób, które się nim opiekowały.

Ale równie ważne było pokazanie Stephena od jeszcze innej strony. Był on wręcz urodzonym showmanem. W zwiastunie filmu ostatecznie znalazły się trzy wizerunki, do których się odwoływałem. Pierwszym była fotografia Einsteina z wystawionym językiem — podobne usposobienie do żartów cechowało również Hawkinga. Drugi to dżoker z talii kart, wyobrażony w postaci lalkarza, ponieważ uważam, że w stosunkach z ludźmi to Stephen pociągał za wszystkie sznurki. Trzecim było zdjęcie Jamesa Deana. To właśnie utkwiło mi w pamięci z chwil spędzonych w jego obecności — błysk w oku i przewrotne poczucie humoru.

Największą presją dla aktora, który gra człowieka żyjącego, jest chęć znalezienia uznania w jego własnych oczach. W przypadku Stephena chodziło również o znalezienie uznania w oczach jego rodziny, która tak chętnie służyła mi pomocą w przygotowaniach do roli. Przed udaniem się na pokaz filmu Stephen powiedział do mnie: „Powiem ci potem, co o nim sądzę. Że było dobrze. Albo że źle”. Odparłem, że gdyby okazało się „źle”, niech lepiej po prostu powie „źle” i oszczędzi mi krytycznych szczegółów. Wielkodusznie Stephen stwierdził, że film mu się podobał. Wzruszył się podczas jego oglądania, niemniej wyraził głośno opinię, że powinno w nim być więcej o fizyce, a mniej o uczuciach. Nie sposób było z tym polemizować.

Od czasu Teorii wszystkiego pozostaję w kontakcie z rodziną Hawkingów. Czułem się zaszczycony, gdy poproszono mnie o przeczytanie fragmentu Biblii na pogrzebie Stephena. Choć niewiarygodnie smutny, był to wspaniały dzień, pełen miłości, wspomnień radosnych momentów i refleksji związanych z tym najdzielniejszym z ludzi, który wskazywał światu drogę poprzez swoje dokonania naukowe oraz apele, by rozpoznawać potrzeby osób niepełnosprawnych i stwarzać im odpowiednie warunki do rozwijania swoich zdolności.

Straciliśmy prawdziwie piękny umysł, fenomenalnego uczonego i najzabawniejszego człowieka, jakiego miałem okazję spotkać. Jednakże, jak ogłosiła rodzina po śmierci Stephena, jego dzieło i spuścizna będą żyć nadal, a zatem z uczuciem smutku, ale zarazem z wielką przyjemnością zachęcam wszystkich do zapoznania się z tym zbiorem tekstów Stephena na rozmaite fascynujące tematy. Mam nadzieję, że dostarczą wam one wiele satysfakcji oraz że — jak mu tego życzył Barack Obama — Stephen dobrze się teraz bawi pośród gwiazd.

Pozdrowienia

Eddie

Zapraszamy do zakupu pełnej wersji książkiWstęp

Kip S. Thorne

Stephena Hawkinga spotkałem po raz pierwszy w lipcu 1965 roku na konferencji „General Relativity and Gravitation”. Był on wówczas w trakcie studiów doktoranckich, a ja właśnie skończyłem swoje na Princeton University. Wśród uczestników konferencji rozeszła się pogłoska, jakoby Stephen znalazł przekonujący argument, że nasz wszechświat musiał powstać w skończonym czasie w przeszłości. Innymi słowy, że nie mógł istnieć od zawsze.

Zatem z jakąś setką ludzi wcisnąłem się do salki przewidzianej na czterdziestu słuchaczy, aby posłuchać Stephena. Chodził o lasce, a jego mowa była trochę niewyraźna, ale nie widać było u niego większych symptomów choroby neuronu ruchowego, którą zdiagnozowano u niego dwa lata wcześniej. Jego umysł nie ucierpiał zaś w najmniejszym stopniu. Jego klarowne rozumowanie było oparte na ogólnej teorii względności Einsteina, na obserwacjach astronomów, że nasz wszechświat się rozszerza, oraz na kilku prostych założeniach, które wyglądały wielce prawdopodobnie i wykorzystywały kilka technik matematycznych opracowanych niedawno przez Rogera Penrose’a. Zestawiając to wszystko w sprytny i przekonujący sposób, Stephen wyprowadził wniosek, że nasz wszechświat musiał mieć początek w jakimś osobliwym punkcie mniej więcej dziesięć miliardów lat temu. (W ciągu następnej dekady Stephen i Roger, połączywszy swe siły, mieli posunąć się dalej, dowodząc bardziej przekonująco, że w tym punkcie osobliwym zaczął się czas, a następnie jeszcze bardziej przekonująco, że w środku każdej czarnej dziury tkwi osobliwość, w której czas się kończy).

Wyszedłem wówczas z wykładu Stephena pod przemożnym wrażeniem nie tylko zaprezentowanego rozumowania i konkluzji, ale, co istotniejsze, wnikliwości i kreatywności jego umysłu. Odszukałem go zatem i spędziliśmy godzinę na prywatnej rozmowie. To był początek przyjaźni na całe życie, przyjaźni opartej nie tylko na wspólnych zainteresowaniach naukowych, lecz także na dobrej komitywie i niezwykłej zdolności zrozumienia jeden drugiego jako człowieka. Wkrótce więcej czasu poświęcaliśmy na rozmowy o życiu, naszych miłościach, a nawet o śmierci niż o nauce, jakkolwiek nauka była w znacznej mierze spoiwem, które nas łączyło.

We wrześniu 1973 roku zabrałem Stephena i jego żonę, Jane, do Moskwy. Od 1968 roku, pomimo trwającej zimnej wojny, spędzałem co drugi rok około miesiąca w Moskwie, prowadząc wspólne badania z grupą kierowaną przez Jakowa Zeldowicza. Zeldowicz był wybitnym astrofizykiem, a zarazem ojcem radzieckiej bomby termojądrowej. Ze względu na znajomość tajemnic programu jądrowego ZSRR nie wolno mu było wyjeżdżać do zachodniej Europy ani do Ameryki. Bardzo mu zależało na dyskusjach ze Stephenem; skoro zatem nie mógł przyjechać do Stephena, my pojechaliśmy do niego.

Podczas pobytu w Moskwie Stephen zadziwił Zel­dowicza i setki innych naukowców swoimi pomysłami naukowymi, sam z kolei dowiedział się niektórych rzeczy od Zeldowicza. Najbardziej utkwiło mi w pamięci jedno popołudnie, które Stephen i ja spędziliśmy z Zel­dowiczem i jego doktorantem Aleksiejem Starobinskim w pokoju Stephena w hotelu „Rossija”. Zeldowicz objaśnił nam w sposób intuicyjny istotne odkrycie, jakiego obaj dokonali, natomiast Starobinski przedstawił je od strony matematycznej.

Aby czarna dziura mogła rotować, potrzebna jest energia. To już wiedzieliśmy. Czarna dziura, wyjaśnili nam, może wykorzystać energię rotacji do kreacji cząstek, które ulatując, uniosą tę energię ze sobą. Było to coś nowego i zaskakującego, jednak nie aż tak bardzo zaskakującego. Gdy jakieś ciało ma energię kinetyczną, przyroda zazwyczaj znajduje jakąś drogę pozbawienia go tej energii. Znane są nam już inne sposoby utraty energii rotacji przez czarną dziurę. To był po prostu kolejny sposób — co prawda dość nieoczekiwany.

Wielką korzyścią z tego rodzaju rozmów jest to, że kierują myśl na nowe tory. I tak właśnie było u Stephena. Roztrząsał odkrycie Zeldowicza i Starobinskiego przez kilka miesięcy, przyglądając mu się to z jednej, to z drugiej strony, aż pewnego dnia nasunęło mu ono do głowy doprawdy radykalną hipotezę — gdy czarna dziura przestanie rotować, wciąż może emitować cząstki. Jest w stanie promieniować, jak gdyby była ciałem gorącym, niczym Słońce, ale nie bardzo gorącym, zaledwie lekko ciepłym. Im większa masa czarnej dziury, tym niższa jej temperatura. Czarna dziura o masie Słońca ma temperaturę 0,00000006 kelwina, czyli sześć stumilionowych stopnia powyżej zera bezwzględnego. Wzór na obliczanie tej temperatury został obecnie wyryty na nagrobku Stephena w opactwie westminsterskim w Londynie, gdzie spoczywają jego prochy, obok Isaaca Newtona i Charlesa Darwina.

Temperatura Hawkinga czarnej dziury oraz promieniowanie Hawkinga (jak je nazwano) były czymś naprawdę radykalnym — być może najbardziej radykalnym odkryciem w fizyce teoretycznej drugiej połowy XX wieku. Pojęcia te otworzyły nam oczy na głęboki związek pomiędzy ogólną teorią względności (czarne dziury), termodynamiką (fizyczną teorią procesów cieplnych) oraz fizyką kwantową (kreacja cząstek tam, gdzie ich wcześniej nie było). Na przykład pozwoliły one Stephenowi wykazać, że czarna dziura ma entropię, co oznacza, że gdzieś we wnętrzu lub w otoczeniu czarnej dziury mamy do czynienia z chaosem. Wywnioskował on, że wielkość entropii (logarytm miary chaosu) czarnej dziury jest proporcjonalna do pola jej powierzchni. Podany przez niego wzór na entropię czarnej dziury zostanie z kolei wyryty na kamieniu upamiętniającym Stephena w Gonville and Caius College w Cambridge, gdzie pracował.

Przez ostatnie czterdzieści pięć lat zarówno Stephen, jak i setki innych fizyków usiłowało zrozumieć dokładną naturę chaotyczności czarnych dziur. Jest to zagadnienie, które pozwala uzyskać wgląd w aspekty łączenia mechaniki kwantowej z ogólną teorią względności — czyli wciąż tajemnicze prawa grawitacji kwantowej.

Jesienią 1974 roku Stephen przyjechał ze swoimi doktorantami i rodziną (żoną Jane i dwójką dzieci, Robertem i Lucy) na rok do Pasadeny w Kalifornii, aby wraz ze studentami uczestniczyć w życiu intelektualnym mojej uczelni, Caltechu, oraz na jakiś czas połączyć siły z moim zespołem badawczym. Był to cudowny rok, który przypadł w apogeum okresu zwanego potem złotą epoką badań nad czarnymi dziurami.

Podczas owego roku Stephen, jego studenci i niektórzy z moich studentów usiłowali głębiej rozpracować kwestie dotyczące czarnych dziur. W pewnej mierze uczestniczyłem w tym również ja, niemniej obecność Stephena i jego przewodnia rola w badaniach naszego połączonego zespołu nad czarnymi dziurami pozwoliła mi podjąć nowy kierunek badawczy, o którym myślałem od kilku lat, a dotyczący fal grawitacyjnych.

Istnieją jedynie dwie kategorie fal, które są w stanie przemierzać wszechświat, przynosząc nam informację o dalekich obiektach — fale elektromagnetyczne (obejmujące światło widzialne, promieniowanie rentgenowskie, promieniowanie gamma, mikrofale, fale radiowe…) oraz fale grawitacyjne.

Fale elektromagnetyczne stanowią oscylacje pól elektrycznych i magnetycznych, które przemieszczają się z prędkością światła. Gdy napotkają na swojej drodze cząstki naładowane elektrycznie, na przykład elektrony w antenie radiowej lub telewizyjnej, wprawiają je w drgania, przekazując im w ten sposób informację, jaką niosą. Drgania te mogą zostać następnie wzmocnione i przekazane na wejście głośnika lub monitora telewizyjnego, gdzie informacja ulega przetworzeniu na postać możliwą do percepcji przez człowieka.

Fale grawitacyjne, według Einsteina, stanowią rozchodzące się odkształcenie przestrzeni o charakterze oscylacyjnym — przestrzeń ulega lokalnie na przemian rozciąganiu i ściskaniu. W 1972 roku Rainer (Rai) Weiss z Massachusetts Institute of Technology skonstruował detektor fal grawitacyjnych, w którym zwierciadła znajdujące się na końcach i w miejscu zetknięcia dwóch rur połączonych w kształt litery L są odpychane od siebie w jednej odnodze przez zaburzenie rozciągające przestrzeń, natomiast popychane ku sobie w drugiej odnodze przez zaburzenie ściskające przestrzeń. Rai zaproponował, by do pomiaru wielkości tych oscylacji zastosować wiązki laserowe. Światło lasera rejestruje wówczas informację niesioną przez falę grawitacyjną, a następnie sygnał ten zostaje wzmocniony i poddany obróbce komputerowej, aby mógł być odczytany przez człowieka.

Zmianę paradygmatu badawczego, jaka może nastąpić w konsekwencji wykrycia fal grawitacyjnych, można porównać do zapoczątkowania współczesnej astronomii opartej na obserwacjach promieniowania elektromagnetycznego prowadzonych przez Galileusza, który zbudował niewielki teleskop optyczny i skierował go na Jowisza, dzięki czemu odkrył cztery największe księżyce tej planety. W ciągu czterystu lat od czasów Galileusza astronomia całkowicie zrewolucjonizowała naszą wiedzę o wszechświecie, wykorzystując nie tylko światło tak jak on, ale i inne rodzaje fal elektromagnetycznych.

W 1972 roku wraz z moimi studentami zacząłem się zastanawiać, czego moglibyśmy się dowiedzieć o wszechświecie za pośrednictwem fal grawitacyjnych, tworząc w ten sposób własną wizję astronomii grawitacyjnej. Ponieważ fale grawitacyjne polegają na odkształceniu przestrzeni, ich źródłem są głównie obiekty kosmiczne, które same w całości lub w części składają się z zakrzywionej czasoprzestrzeni, czyli przede wszystkim czarne dziury. Doszliśmy zatem do wniosku, że fale grawitacyjne nadają się idealnie do empirycznego badania i testowania koncepcji Stephena dotyczących czarnych dziur.

Patrząc w szerszej perspektywie, uważaliśmy, że fale grawitacyjne są czymś tak radykalnie odmiennym od fal elektromagnetycznych, iż niemal na pewno staną się podstawą kolejnego przewrotu poznawczego w badaniach wszechświata, porównywalnego być może z rewolucją elektromagnetyczną dokonaną przez Galileusza — jeśli te nieuchwytne fale uda się wykryć i rejestrować. Ale to było bardzo wielkie „jeśli”. Szacowaliśmy, że fale grawitacyjne docierające do Ziemi są tak słabe, że pod ich wpływem zwierciadła na końcach rur w instalacji Raia Weissa poruszą się tam i z powrotem względem siebie o nie więcej niż jedną setną średnicy protonu (co odpowiada jednej dziesięciomilionowej rozmiarów atomu), nawet gdy są odległe od siebie o kilka kilometrów. Zmierzenie tak znikomych przesunięć było zadaniem ogromnie trudnym.

Zatem podczas owego cudownego roku, gdy zespoły Stephena i mój połączyły swoje siły, spędzałem większość czasu na rozpatrywaniu technicznych możliwości wykrycia fal grawitacyjnych. Stephen bardzo nam w tym pomógł, gdyż kilka lat wcześniej on i jego doktorant, Gary Gibbons, zaprojektowali detektor fal grawitacyjnych (choć go potem nie zbudowali).

Krótko po powrocie Stephena do Cambridge moje dociekania zaowocowały decyzją podjętą po całonocnej intensywnej dyskusji z Raiem Weissem w pokoju hotelowym Raia w Waszyngtonie. Doszedłem do przekonania, że perspektywy na sukces są na tyle duże, iż postanowiłem poświęcić większość swojej kariery naukowej i energię moich przyszłych studentów na wspomaganie Raia i innych eksperymentatorów w urzeczywistnianiu naszej wizji astronomii grawitacyjnej. Reszta, jak to mówią, jest historią.

14 września 2015 roku detektory fal grawitacyjnych LIGO (zbudowane w ramach zatrudniającego tysiąc osób projektu, który Rai, ja i Ronald Drever wspólnie sfinansowaliśmy, a Barry Barish wykonał prace organizacyjne i montażowe) wykryły i zarejestrowały pierwsze fale grawitacyjne. Porównując kształt rzeczywistego sygnału z przewidywaniami symulacji komputerowych, nasz zespół doszedł do wniosku, że ich źródłem jest kolizja dwóch masywnych czarnych dziur odległych o 1,3 miliarda lat świetlnych od Ziemi. To był prawdziwy początek astronomii grawitacyjnej. Nasz zespół dokonał w odniesieniu do fal grawitacyjnych tego, co Galileusz w odniesieniu do fal elektromagnetycznych.

Jestem głęboko przekonany, że w ciągu kilku najbliższych dziesięcioleci następne pokolenie astronomów grawitacyjnych nie tylko wykorzysta te fale do przetestowania sformułowanych przez Stephena praw fizyki czarnych dziur, ale i zarejestruje sygnał grawitacyjny od osobliwości pierwotnej naszego wszechświata, co pozwoli zweryfikować teorie Stephena i innych kosmologów dotyczące tego, jak powstał wszechświat.

W trakcie tego cudownego roku 1974/1975, gdy ja zastanawiałem się nad falami grawitacyjnymi, a Stephen kierował badaniami naszego połączonego zespołu nad czarnymi dziurami, sam Stephen wpadł na koncepcję jeszcze bardziej radykalną niż odkrycie promieniowania Hawkinga. Przedstawił on przekonujący, prawie niemożliwy do zakwestionowania dowód, że gdy dochodzi do powstania, a następnie całkowitego wyparowania czarnej dziury poprzez emisję promieniowania, zawarta w niej informacja zostaje bezpowrotnie utracona.

Radykalność tej hipotezy wynikała z tego, że prawa fizyki kwantowej nie dopuszczają, by w jakimkolwiek procesie fizycznym następowała całkowita utrata informacji. Gdyby zatem Stephen miał rację, czarne dziury naruszałyby najbardziej fundamentalną zasadę kwantowo-mechaniczną.

Jak to jest możliwe? Proces wyparowywania czarnych dziur podlega zunifikowanym prawom mechaniki kwantowej i ogólnej teorii względności, czyli wciąż słabo rozpoznanym prawom grawitacji kwantowej, a zatem, rozumował Stephen, burzliwy mariaż fizyki kwantowej z teorią względności musi skutkować unicestwieniem informacji.

Większość fizyków teoretycznych uznała ten wniosek za horrendalny i wyrażała wobec niego sceptycyzm. I tak już od czterdziestu pięciu lat zwalczają oni ten paradoks utraty informacji. Wysiłek i zaangażowanie wkładane w tę polemikę są w pełni zrozumiałe, gdyż wspomniany paradoks stanowi klucz do poznania praw grawitacji kwantowej. Sam Stephen odkrył w 2003 roku sposób na wydobycie informacji z czarnej dziury podczas jej wyparowywania, to jednak nie położyło kresu sporom teoretyków. Skoro nie udowodnił on, że informacja faktycznie się wydostaje, debata trwa nadal.

W mojej mowie pożegnalnej podczas złożenia prochów Stephena w opactwie westminsterskim nawiązałem do tej debaty słowami: „Newton dał nam odpowiedzi. Hawking dał nam pytania. Niemniej pytania Hawkinga jako takie nie przestają generować przełomowych idei po upływie dziesięcioleci. Gdy w końcu opanujemy prawa grawitacji kwantowej i dowiemy się, jak doszło do narodzin naszego wszechświata, będziemy to zawdzięczali temu, że stoimy na ramionach Hawkinga”.

*

Podobnie jak cudowny czas 1974/1975 stanowił zaledwie początek mojego zaangażowania w poszukiwanie fal grawitacyjnych, dla Stephena był on punktem wyjścia w dążeniu do szczegółowego poznania praw grawitacji kwantowej i tego, co prawa te mówią o informacji i chaotyczności związanej z czarnymi dziurami, jak również o osobliwości, z której wyłonił się nasz wszechświat, oraz o prawdziwej naturze osobliwości kryjących się we wnętrzu czarnych dziur, czyli o początku i końcu czasu.

To są wielkie pytania. Bardzo wielkie.

Zawsze unikałem wielkich pytań. Uważam, że brak mi odpowiednich umiejętności, mądrości i pewności siebie, by się za nie zabierać. Stephena, przeciwnie, wielkie pytania niezmiennie pociągały, niezależnie od tego, czy były fundamentalnie związane z jego badaniami naukowymi, czy też nie. On miał niezbędne umiejętności, mądrość i pewność siebie.

Niniejsza książka jest zbiorem jego odpowiedzi na wielkie pytania, odpowiedzi, nad którymi pracował do samego końca.

Odpowiedzi Stephena na sześć z dziesięciu pytań są głęboko zakorzenione w jego poglądach naukowych (Czy istnieje Bóg? Jak to się wszystko zaczęło? Czy da się przewidywać przyszłość? Co jest wewnątrz czarnej dziury? Czy możliwa jest podróż w czasie? Czy możemy kształtować naszą przyszłość?). Znajdziecie tu jego dogłębne analizy kwestii, które zasygnalizowałem w tym wstępie, ale i wiele, wiele więcej.

Jego odpowiedzi na pozostałe cztery wielkie pytania nie mają równie mocnego oparcia w nauce (Czy ludzkość przetrwa na Ziemi? Czy są inne istoty rozumne we wszechświecie? Czy powinniśmy skolonizować kosmos? Czy sztuczna inteligencja zdominuje ludzką?). Niemniej wykazuje w nich głęboką mądrość i kreatywność, czego mogliśmy się po nim spodziewać.

Mam nadzieję, że odpowiedzi te okażą się dla was równie inspirujące i odkrywcze jak dla mnie. Dobrej lektury!

lipiec 2018

Zapraszamy do zakupu pełnej wersji książki