1. Въведение в темата за времето и пространството

Въведение в темата за времето и пространството

Тръгваме със споменаването името на Стивън Хокинг, който е Лукасов професор по математика в Кеймбридж. Този пост  е заеман някога от Нютон, после от Дирак. Това са двамата най-популярни изследователи работили и постигнали най-много в изследването на много голямото и много малкото. Стивън Хокинг е достоен техен наследник. Той е инвалид със свръхчувствителност към проблемите на популярните изложения. Негова книга на която обръщаме внимание е “Кратка история на времето”. Преведена е на български език и е издадена през 1999 г. от Университетско издаделство “Св. Климент Охридски”. В нея откриваме вселената без граници в пространството, без начало и без край във времето. Това като че ли оставя Създателя без работа, ако не и без уважението на което сме свикнали да се отнасяме към него. Следващото кратко изложение, което нарекохме и увод в темата за времето и пространството е се базира на изследванията на Стивън Хокинг.

Отношенията на хуманитаристиката към една, ако не и към всички точни области на знанието не блести с особено признание на заслуги или постижения, които да оценяваме еднозначно. Затова съвсем популярно ще се задоволим със споменаването на онова, което е действително постижение и което в крайна сметка има някаква история.

Въпросът “Какво знаем за вселената” ни връща 24 века назад във времето, когато в 340 г. пр. н.е. Аристотел в книгата си “За небето” приемливо аргументира, че земята не е плоска , кръгла. Аристотел смятал, че земята е неподвижна, а слънцето, луната, планетите и звездите се движат по кръгови орбити около нея. По необясними причини смятал, че земята е център на вселената, а кръговото движение най- съвършеното. Идеята е доразвита от Птоломей – ІІ в. сл. Н. е. В нея вече звездите са в един най-външен кръг и за разлика от планетите са неподвижни. Този модеил се приема включително от християнската църква, защото картината на вселената отговаря на Светото писание – извън неподвижните звезди има много място за небесата и ада.

През 1514 г. Николай Коперник предлага по прост модел. Първо го разпространил анонимно. Спаред него Слънцето е неподвижно, а земята и планетите се движат около него. След около век тази теория започва да се приема на сериозно от Йохан Кеплер и Галилейо Галилей. Удар върху теорията на Аристотел - Птоломей нанасят и двамата. Галелей използвайки пръв телескопа открива, че около Юпитер се движат спътници, т.е. действително земята не е центъра на вселената. Кеплер пък открива че орбитите не са кръгови а елиптични.

През 1687 г. Исак Нютон публикува “Математически принципи на натурфилософията” – може би най-важния труд и до днес във физиката. Той не само потвърждава Галилей и Кеплер, но и създава математически апарат за анализа на движенията на планетите. Той постулира и закон за всемирното привличане, като силата на привличане нараства с увеличаването на масата на телата и намалява с увеличаването на растоянията между тях. Почти сигурно е че историята с ябълката е измислица. Така се открива гравитацията и науката се освобождава от разбирането за естествени граници на вселената. Но това взаимно привличане не означава ли че някое по малко тяло рано или късно ще падне върху по-голямо. Нютон дава обяснението, че ако броят на звездите е безкраен, а самите те са разпределени равномерно в пространството, това няма да се случи, защото няма да има център върху който да паднат.

Този аргумент е пример за капаните, в които можем да попаднем, когато говорим за безкрайността. В една безкрайна Вселена всяка точка може да се раязглежда като център, тъй като има безкраен брой звезди от всичките си страни. Много по-късно се появява правилния подход, който разглежда крания случай, когато всички змезди падат една към друга и след това се запитваме как се променят нещата, ако прибавим още звезди, приблизително равномерно разпределени извън тази област. Според закона на Нютон добавените звезди средно няма да предизвикат никаква разлика, така че звездите ще падат със същата скорост. Можем да добавим колкото си искаме звезди и те пак ще продължат да падат. Сега вече знаем че е невъзможно да имаме безкраен статичен модел на Вселената в който гравитацията да означава винаги привличане.

Преди 20 век никой не си задавал въпроса дали вселената се разширява или свива. Въпросът е коректен защото според Нютон не може да има безкрайна статична вселена, в която гравитацията да означава винаги привличане. Появява се и въпрса за началото и края на Вселената.

Началото на Вселената, разбира се, е въпрос, който се разисква от много време. Според някои древни космологии и еврейско-християнско-мюсюлманските предания Вселената се е появила в определен, не твърде отдавнашен момент от миналото. Един от аргументите за такова начало е било разбирането, че е необходимо да има „Първопричина", с която да се обясни съществуването на Вселената. (Вътре във Вселената винаги можете да обясните едно събитие като следствие от някакво предишно събитие, но съществуването на самата Вселена може да се обясни по този начин само ако тя е имала някакво начало.) Св. Августин излага друг аргумент в книгата си „Божият град". Той отбелязва, че цивилизацията се развива и ние помним чие е това дело или кой е създал този метод. Така че човекът, а вероятно и Вселената едва ли съществуват отдавна. Св. Августин приема датата на сътворението на Вселената приблизително 5000 г. пр. н. е. според „Битие". (Интересно, че не е така далеч от края на последната ледникова епоха - около 10000 г. пр. н. е., когато според археолозите е началото на цивилизацията.)

От друга страна, Аристотел, а и повечето от другите гръцки философи не приемали идеята за сътворението, тъй като твърде много им намирисвала на божия намеса. Според тях човешката раса и светът край нея са съществували и ще съществуват вечно. Древните учени вече били разсъждавали върху аргумента за описаното по-горе развитие и намирали отговора в твърдението, че е има­ло периодични наводнения или други бедствия, които непрестанно връщали човечеството пак в началото на цивилизацията.

Въпросите, дали Вселената има начало във времето и дали е ограничена в пространството, били впоследствие широко изучени от философа Имануел Кант в неговия монументален (и твърде мъгляв) труд „Критика на чистия разум", публикуван през 1781 г. Той нарича тези въпроси антиномии (т. е. противоречия) на чистия разум, за­щото според него имало еднакво силни аргументи да се вярва на те­зата, че Вселената има начало, както и на антитезата, че е съществувала вечно. Неговият аргумент за тезата бил, че ако Вселената не е имала начало, би трябвало да съществува безкраен период от вре­ме преди което и да е събитие, а това според него е абсурд. Аргумен­тът за антитезата бил, че ако Вселената е имала начало, би трябвало да съществува безкраен период от време преди това начало, така че защо трябва да има начало в някакъв определен момент? В дейс­твителност случаите както с тезата, така и с антитезата са наистина един и същ аргумент. И двата се базират на негласното му допуска­не, че времето може вечно да бъде продължено назад независимо дали Вселената е, или не е съществувала вечно. Както ще видим, концепцията за времето няма смисъл преди началото на Вселената. Това е отбелязано за първи път от св. Августин. Когато го запитали: „Какво е правил Бог, преди да създаде Вселената?", Августин не от­върнал „Подготвял е ада за хора, които задават такива въпроси", а качал, че времето е свойство на Вселената, създадена от Бог, и че времето не съществува преди началото на Вселената.

Когато повечето смятали, че Вселената е статична и неизменна, въпросът, дали е имала начало, всъщност бил от метафизиката или теологията. Човек можел еднакво добре да си обясни наблюда­ваното както с теорията, че Вселената е съществувала вечно, така и с теорията, че се е появила в някакъв определен момент по такъв начин, като да изглежда, че е съществувала вечно. Но през 1929 г. Едуин Хъбъл направил епохалното наблюдение, че накъдето и да се обърнем, далечните галактики бързо се разбягват от пас. С други думи, Вселената се разширява. А това значи, че в по-ранни времена обектите са били гю-близо един до друг. фактически, изглежда, е имало време, преди около 10-20 млрд. години, когато всички те са били точно в едно и също място и когато поради това плътността на Вселената е била безкрайна. Това откритие най-сетне поставило въпроса за началото на Вселената пред науката.

Наблюденията на Хъбъл подсказват, че е имало време, наре­чено Големия взрив, когато Вселената е била безкрайно малка и безкрайно плътна. При такива условия всички научни закони, а сле­дователно и цялата възможност да се предвиди бъдещето биха се провалили. Ако е имало събития преди това време, то те не биха оказали влияние върху това, което се случва в настоящия момент. Тяхното съществуване може да се пренебрегне, защото не би имало наблюдаеми последствия. Бихме могли да кажем, че времето е има­ло начало в момента на Големия взрив в смисъл, че просто не мо­жем да дефинираме времена преди това. Трябва да отбележим, че това начало във времето е твърде различно от разглежданите преди. В неизменяща се Вселена едно начало във времето е нещо, което трябва да се въведе от някой извън Вселената; физическа необходимост от начало няма. Човек може да си представи, че Бог е създал Вселената буквално в кой да е момент в миналото. От друга страна, ако Вселената е разширяваща се, може да има физически причини за необходимостта да съществува начало. Пак можем да си предста­вим, че Бог е създал Вселената в момента на Големия взрив, а даже след това, и то по такъв начин, че да изглежда като да е имало Го­лям взрив, но би било безсмислено да смятаме, че е била създадена преди Големия взрив. Една разширяваща се Вселена не изключва наличието на създател, но поставя граници върху това, кога би мо­гъл да си свърши работата!

За да говорим за естеството на Вселената и да обсъждаме въп­роси като този дали тя има начало или край, трябва да сме наясно с въпроса, какво значи научна теория. Засега ще приемем елементарното гледище, че една теория е просто модел на Вселената или на огра­ничена нейна част, набор от правила, които свързват величините в модела с направените наблюдения. Тя съществува само в нашето съзнание и няма никаква друга реалност (каквото и да значи това). Една теория е добра, ако удовлетворява две изисквания: тя трябва точно да описва голям клас наблюдения на базата на модел, съдър­жащ само няколко произволни елемента, и да може да прави опре­делени предсказвания за резултатите от бъдещи наблюдения. Нап­ример теорията на Аристотел, че всичко е съставено от четири еле­мента - земя, въздух, огън и вода, е достатъчно проста за качестве­на оценка, но тя не прави никакви определени предсказвания. От друга страна, нютоновата теория за гравитацията се базира на още по-прост модел, в който телата се привличат помежду си със сила, правопропорционална на величината, наречена тяхна маса, и обратнопропорционална на квадрата от разстоянието между тях. И въпреки това тя предсказва с висока точност движенията на Слънцето, Луната и планетите.

Всяка физична теория е винаги условна, в смисъл че тя е само хипотеза: никога не можеш да я докажеш. Няма значение колко пъти експерименталните резултати се съгласуват с дадена теория, човек никога не е сигурен дали следващия път резултатът няма да противоречи на теорията. От друга страна, можем да отречем някоя теория, като открием и едно-едничко наблюдение, което не се съг­ласува с предвижданията й. Както отбелязва философът на науката Карл Попър, една добра теория се характеризира с факта, че прави множество предсказания, които могат принципно да бъдат опровер­гани от наблюденията. Винаги когато новите експерименти се съг­ласуват с предвижданията, теорията оцелява и нашето доверие към нея нараства; но когато и само едно ново наблюдение не се съгласу­ва, трябва да изоставим или видоизменим теорията. Поне така би трябвало да е, но човек винаги може да се усъмни в компетентност­та на лицето, провело наблюдението.

На практика най-често става така, че се създава нова теория, която всъщност е разширение на предишната. Например много точ­ните наблюдения на планетата Меркурий показаха малки разлики между нейното движение и предсказанията на нютоновата теория за гравитацията. Общата теория на относителността на Айнщайн пред­вижда малко по-различно движение в сравнение с нютоновата теория. фактът, че айнщайновите предвиждания се съгласуват с наблю­денията, докато нютоновите - не, е едно от решаващите потвържде­ния на новата теория. Въпреки това ние си служим с теорията на Нютон в практиката, защото разликата между нейните предвижда­ния и тези на общата теория на относителността е много малка в случаите, с които обикновено си имаме работа. (Нютоновата теория има голямото предимство да е много по-проста за разлика от айнщайновата!)

Крайната цел на науката е да даде една-единствена теория, коя­то да описва цялата Вселена. Но подходът на повечето учени е да разделят задачата на две. Първо, съществуват закони, които ни каз­ват как Вселената се изменя с времето. (Ако знаем каква е Вселена­та във всеки момент, тези физически закони ни казват каква ще бъде в кой да е по-късен момент.) Второ, остава въпросът за начал­ното състояние на Вселената. Според някои науката би трябвало да се занимава само с първата задача; те гледат на въпроса за начално­то състояние като на предмет от метафизиката и религията. Според тях, бидейки всемогъщ, Бог е могъл да създаде Вселената както си иска. Може и така да е, но в такъв случай той би трябвало да я на­кара да се развива съвсем произволно. А, изглежда, е предпочел тя да се развива твърде правилно, съобразно с определени закони. По­ради това е също толкова логично да предположим, че има и зако­ни, управляващи началното състояние.

Излиза, че създаването на теория, която да описва Вселената изцяло, е трудна работа. Ето защо ние разделяме този проблем на части и измисляме много частни теории. Всяка от тези частни тео­рии описва и предвижда някакъв ограничен клас наблюдения, като пренебрегва ефектите от другите величини или ги представя като прости множества от числа. А може би това е напълно погрешен подход. Ако всичко във Вселената зависи от всичко останало по някакъв фундаментален начин, може да се окаже невъзможно да се приближим към едно пълно решение, изследвайки изолирано час­тите на задачата. Въпреки това именно по този начин сме постигна­ли напредък в миналото. Класическият пример отново е нютоновата теория за гравитацията, според която гравитационната сила меж­ду две тела зависи само от едно число, свързано с всяко тяло - него­вата маса, но иначе е независима от материята на тези тела. Ето защо не се налага да разполагаме с теория за строежа и състава на Слънцето и планетите, за да изчислим техните орбити.

Днес учените описват Вселената в термини от двете основни частни теории - общата теория на относителността и квантовата ме­ханика. Те са големите интелектуални постижения от първата поло­вина на миналия век. Общата теория на относителността описва сила­та на гравитация и едромащабната структура на Вселената, т. е. структурата в мащаб от няколко мили до 10²⁴ клм., размерите на наблюдаемата Вселена. От друга страна, квантовата механика се за­нимава с явления в изключително малки мащаби, такива като 10-¹²см. За съжаление, както знаем, тези две теории са несъвместими една с друга; двете не могат да бъдат коректни едновременно. Един от основните стремежи във физиката днес, е търсенето на нова теория, която да включи и двете, една квантова теория за гравитацията. Засега не разполагаме с такава тео­рия и може би сме твърде далеч от нея, но вече знаем много от свойствата, които тя трябва да има.

И накрая, ако вярваме, че Вселената не е произволна, а се управлява от определени закони, трябва да съчетаем частните те­ории в една завършена единна теория, която да описва всичко във Вселената. Но в търсенето на такава завършена единна тео­рия има един основен парадокс. Идеите за описаните по-горе на­учни теории предполагат да сме разумни същества, свободни да наблюдаваме Вселената както желаем и да правим логически из­води от видяното. В една такава схема е логично да предполо­жим, че бихме могли да стигнем още по-близко до законите, уп­равляващи Вселената. Но ако това наистина е завършена единна теория, тя вероятно би определила и нашите действия. Излиза, че самата теория трябва да определя резултата от търсенето й! А защо тя би определяла дали сме стигнали до правилни изводи от доказателствата? Не може ли еднакво добре да определя и пог­решните изводи! Или че въобще няма извод?

Единственият отговор, който засега може да се даде на този въпрос, се базира на дарвиновия принцип за естествения подбор. Идеята е, че във всяка популация от самовъзпроизвеждащи се организми ще настъпят изменения в генетичния материал и развитието за различ­ни индивиди. Тези разлики ще означават, че някои индивиди са по-способни да намират правилните изводи за света около тях и да действат по съответния начин. По-вероятно е тези индивиди да оце­леят и да се възпроизведат, така че техният модел на поведение и мислене ще надделее. Несъмнено така наречените от нас интели­гентност и научно откривателство в миналото са изразявали едно предимство за оцеляване. Не с съвсем ясно дали и сега е така: на­шите научни открития могат да доведат до унищожението ни, а дори това да не стане, една завършена единна теория може би няма кой знае колко да допринесе за шанса ни да оцелеем. Но след като Все­лената се е развивала по правилен начин, можем да очакваме, че способността да разсъждаваме, дадена ни от естествения подбор, ще е валидна и за нашето търсене на завършена единна теория, така че няма да ни доведе до погрешни изводи.

След като частните теории, които вече имаме, са достатъчни, за да правим точни предсказания във всички случаи с изключение на екстремните, търсенето на окончателна теория за Вселената изг­лежда задача, трудна за оправдание от практическа гледна точка. Струва си да отбележим, че при все че подобни аргументи са изпол­звани и срещу теорията на относителността, и срещу квантовата ме­ханика, тези теории са ни дали и ядрената енергия, и революцията в микроелектрониката! Ето защо откриването на завършена единна теория може и да не помогне за оцеляването ни. Възможно е дори да не окаже влияние върху начина на живот. Но още от зората на цивилизацията хората не са се задоволявали да гледат на събитията като на нещо необяснимо и без взаимна връзка. Те са били жадни да разберат скрития ред в света. И днес ние горим от желание да разберем защо сме тук и откъде сме дошли. А най-съкровеният стре­меж на хората към познание е достатъчно оправдание да се продъл­жи търсенето. И целта е не друго, а пълното описание на Вселената, в която живеем.

Сегашните педстави за движените на телата датират от времето на Галиелй и Нютон. Преди това вярвали на Аристотел, за когото естественото състояни на всичко е покоят., а чрез сила или импулс телата могат да се изведат от покой. Галилей разбива разбирането, че масата има значение за скороста, установявайки, че като пусне тела с различна тежина, те се ускоряват с една и съща степен. От законите на Нютон се извежда, че няма един единствен критерий за покой. От две тела не може да се каже със сигурност кое се движи по отношжение на другото. Липсата на абсолютен критерий за покой означава, че не сме в състояние да каже дали две събития настъпващи в различно време са станали на едно и също място в пространството. Топката за пинг-понг във влака, която ако я подхвърляме на едно и също място в пода през две секунди за нас ще е в постоянно координатно измерение, но за външен наблюдател, едното удряне в пода ще е на 40 метра от другото.

И Аристотел и Нютон вярвали в абсолютното време – т.е че интервалът между две събития може да се измери точно, независимо кой го мери ако се прави с точен часовник. Това означава, че времето е отделено и е независимо от пространството. Това върши работа като разбиране за обекти които се движат с малка скорост, но за тези, които се дзвижат със скоростта на светлината това не така.Че светлината се движи с крайна скорост е установено за първи път през 1676 г. от датския астроном Оле Кристенсен Рйомер. Истинската теория обаче се появява чак през 1865 г. и е дело Джеймс Максуел. Но ако скоростта на светлината се оказва постоянна, то се появява проблема, по отношение на какво ще я измерваме. Решението е от 1905 г., когата Айнщайн решава да изостави теорията за абсолютното време. Идеята на Айнщайн е от областта на физиката, а само няколко седмици по-късно и то независимо с подбна идея излиза Поанкаре само че от математическа гледна точка. Основният постулат от теорията на относителността е че научните закони трябва да са едни и същи за всички свободно движещи се наблюдатели, независимо от тяхната скорост. Най- забележителното следствие от теорията на относителността е революционната представа за пространство и време. В крайна сметка излиза, че събитието е нещо което става в една единствена точка в пространството в конкретен момент време. Освен това се налага да приемем, че времето не е напълно отделено и независимо от пространството а е обединено с него във времепространство. Знаем, че точка в пространството се описва с три числа координати понеже събитието е нещо което се случва в определен момент в пространството. Ако въведем още една координата, тази на времето вече можем да говорим за четирикоординатна система. Четиримерното пространство наречено пространство-време е много трудно за представяне. Но това означава, че ако изпратим импулс в някаква посока в първата милионна част от секундата нашата четиримерна система пространство- време ще представлява кълбо с радиус от триста метра. Това означава още, че когато гледаме вселената или която и да е част от нея, ние я виждаме такава, каквато е била в миналото.

Нютоновите закони за движениетож сложиха край на идеята за абсолютното положение в пространството. Теорията на относителността се освободи от абсолютното време. Близнак който живее на морското равнище, а другия високо в планината ще остаряват различно – вторият по-бързо от първия. В теорията на относителността няма едно единствено абсолютно време, а всеки индивид има собствена мярка за времето, което зависи, от това къде се намира и как се движи. През 1915 г. за пространството и времето се мислеше като за фиксирана арена на която стават събития, на които не се влияе от това, което става на нея.Това е вярно дори за специалната теория на относителността. Телата се движат. Силите са привличащи и отблъскващи, а времето и пространството просто продължават неповлияни. Естествено било да се смята, че пространството и времето отиват до безкрайност.

В общата теория на относителността обаче систуацията е съвсем различна. Сега пространството и времето са динамични величини. Когато едно тяло се движи или една сила действа, това оказва влияние на кривината на пространството и времето, а от своя страна  структурата на пространство-време влияе върху начина по който телата се движат и силите действат. Пространството и времето не само повлияват, но и се повлияват от всичко, което става във Вселената. Във следващите десетилетия това ново разбиране за пространството и времето направи революция в представите ни за Вселената. Става дума за разбирането, че Вселената е имала начало, както и вероятно че ще има край.