Ukázka knihy z internetového knihkupectví www.kosmas.cz

edice aliter ― svazek 75

Stephen Hawking

STRUČNÉ ODPOVĚDI

NA VELKÉ OTÁZKY

Z anglického originálu Brief Answers

to the Big Questions, vydaného v roce 2018

nakladatelstvím John Murray v Londýně,

přeložil Rudolf Chalupský

Odpovědný redaktor Vít Penkala

Korektury Ludmila Böhmová

Obálka, sazba a grafická úprava Martin Radimecký

Technický redaktor Milan Dorazil

Příprava elektronických formátů Kosmas

E-knihu v roce 2021 vydalo nakladatelství Argo,

Milíčova 13, 130 00 Praha 3,

www.argo.cz, argo@argo.cz,

jako svou 4616. publikaci

Elektronické vydání první

ISBN 978-80-257-3376-9 (váz.)

ISBN 978-80-257-3513-8 (e-kniha)

Copyright © Spacetime Publications Limited 2018

Foreword © Eddie Redmayne 2018

Introduction © Kip S. Th orne 2018

Afterword © Lucy Hawking 2018

Translation © Rudolf Chalupský, 2021

Naše knihy distribuuje knižní velkoobchod KOSMAS,

lze je pohodlně zakoupit v internetovém knihkupectví

na www.kosmas.cz

Poznámka vydavatele:

Na Stephena Hawkinga se pravidelně obraceli vědci, podnikatelé v moderních technologiích, vlivní lidé světa byznysu, politikové i laická veřejnost a chtěli znát jeho názory na „velké otázky“ dnešní doby. Stephen měl obrovský osobní archiv, kde uchovával své odpovědi ve formě projevů, rozhovorů a esejí.

Tato kniha čerpá z tohoto osobního archivu a v době Stephenovy smrti již byla rozpracovaná. Dokončena byla ve spolupráci s jeho akademickými kolegy, rodinou a se správou pozůstalosti Stephena Hawkinga (Stephen Hawking Estate).

Část autorského honoráře bude věnována na dobročinné účely.

Předmluva

Eddie Redmayne

Když jsem se poprvé setkal se Stephenem Hawkingem, udělala na mne hluboký dojem jeho mimořádná duševní síla i jeho zranitelnost. Soustředěný pohled jeho očí spojený s nepohyblivým tělem jsem znal ze svého dřívějšího bádání – nedlouho předtím jsem přijal nabídku na roli Stephena ve filmu Teorie všeho, a tak jsem strávil několik měsíců studiem Stephenova díla a povahy jeho postižení. Šlo mi o to, jak tělem vyjádřit průběh choroby, při níž postupně odumírají motorické neurony.

A přesto mi setkání se Stephenem, s touto slavnou osobností, vědcem fenomenálního talentu, jehož hlavní komunikace s okolím probíhala prostřednictvím komputerizovaného hlasu spolu s mimořádně expresivním obočím, doslova vyrazilo dech. Obvykle začnu být při odmlkách nervózní a příliš mluvím. Naproti tomu Stephen naprosto chápal sílu mlčení, sílu pocitů člověka podrobovaného zkoumání. Celý nesvůj jsem mu vysvětloval, že máme narozeniny jen několik dnů od sebe, takže máme i stejné znamení zvěrokruhu. Po několika minutách Stephen odpověděl: „Já jsem astronom, nikoliv astrolog.“ Trval na tom, abych ho oslovoval křestním jménem a přestal užívat titul „profesor“. Takto náš vztah začal.

Příležitost zpodobnit Stephena byla zcela mimořádná. Role mne zaujala zejména dualitou Stephenova triumfu ve vědecké práci a jeho vnitřní bitvy s motorickou neuropatií, která se u něho vyvinula krátce poté, co překročil dvacítku. Stephenův příběh byl ojedinělým, složitým a obsažným obrazem lidského úsilí, rodinného života, vynikajícího akademického úspěchu a odhodlaného vzdoru tváří v tvář všem překážkám. Chtěli jsme zachytit nejen Stephenovu inspirativní povahu, ale i pevnost charakteru a odvahu spojené s jeho životem, jak se projevovaly u něho samotného stejně jako u těch, kdo o něho pečovali.

Stejně důležité však bylo zobrazit Stephena i jako ryzího showmana. V přívěsu, ve kterém jsem při natáčení bydlel, jsem si vystavil tři fotografie. Na jedné byl Einstein s vyplazeným jazykem, protože podobná žertovná fotografie existuje i s Hawkingem. Dále jsem tam měl žolíka, který je současně i loutkářem, protože jsem cítil, že Stephen vždycky dokázal lidi ovládat. Na třetí fotce pak byl James Dean. Tohle mi přineslo setkání s ním: jiskru a humor.

Hrajete-li žijícího současníka, pak tou nejtěžší věcí je zodpovědnost, kterou při své práci máte vůči osobě, již představujete. V Stephenově případu bylo třeba brát ohled i na jeho rodinu, která se ke mně během mých příprav na filmování chovala s nesmírnou velkorysostí. Ještě než se Stephen vypravil na promítání, řekl mi: „Pak ti řeknu, co si myslím. Řeknu buď dobré. Nebo ne.“ Odpověděl jsem, že pokud si bude myslet „nebo ne“, měl by říct prostě „ne“ a ušetřit mě zdrcujících podrobností. Stephen mi se svojí laskavostí nakonec řekl, že se mu film líbil. Byl jím pohnutý, ale velmi typicky podotkl, že čekal více fyziky a méně emocí. S tím se ovšem těžko polemizuje.

Od natočení filmu Teorie všeho jsem zůstal s Hawkingovou rodinou v kontaktu. Dojalo mne jejich přání, abych na Stephenově pohřbu přečetl úryvek z bible. Byl to tehdy neuvěřitelně smutný, ale nádherný den, plný lásky a milých vzpomínek a myšlenek na nesmírně statečného člověka, který ukazoval světu cestu jak svou vědeckou prací, tak i svou neúnavnou snahou o to, aby handicapovaní lidé došli uznání a dostalo se jim příležitosti se uplatnit.

Ztratili jsme vpravdě nádherného ducha, obdivuhodného vědce a nejveselejšího člověka, jakého jsem kdy měl to potěšení potkat. Avšak jak řekla jeho rodina, když Stephen zemřel: jeho práce a odkaz bude žít dál; a tak se smutkem, ale i s velkým potěšením zde představuji tuto sbírku Stephenových úvah na různorodá a fascinující témata. Doufám, že se vám budou líbit, a doufám též, abych citoval Baracka Obamu, že Stephen si to tam nahoře mezi hvězdami náležitě užívá.

S láskou,

Eddie

Úvod

Profesor Kip S. Thorne

Se Stephenem Hawkingem jsem se poprvé setkal v červenci roku 1965 v Londýně na konferenci o obecné relativitě a gravitaci. Stephen byl tehdy uprostřed doktorandského studia na univerzitě v Cambridgi; já jsem doktorát právě dokončil na univerzitě v Princetonu. V předsálí konference se šuškalo, že Stephen vypracoval přesvědčivý důkaz toho, že náš vesmír musel vzniknout v nějakém určitém čase v minulosti, a nemůže být proto nekonečně starý.

Společně se stovkou lidí jsem se vmáčkl do místnosti určené pro čtyřicet posluchačů, abych slyšel Stephena mluvit. Při chůzi se opíral o hůl a výslovnost měl poněkud nezřetelnou, ale jinak na něm příznaky motorické neuropatie, kterou u něho diagnostikovali dva roky předtím, nebyly příliš patrné. Mysl nebyla nikterak zasažena. Jeho jasná rozumová úvaha se opírala o Einsteinovy rovnice obecné relativity, o astronomická pozorování rozpínání vesmíru, i o několik jednoduchých úsudků, které se zdály být správné; využil též některých nových matematických postupů, s nimiž přišel nedlouho předtím Roger Penrose. Toto vše zkombinoval způsobem, který byl velmi inteligentní, působivý a přesvědčivý, a dospěl k tomuto závěru: náš vesmír musel začít v nějaké singularitě, a to zhruba před deseti miliardami let. (V průběhu dalších deseti let Stephen a Roger dokázali existenci této singularity, v níž začíná čas, ještě mnohem přesvědčivěji, a také to, že jádro každé černé díry obsahuje singularitu, kde čas končí.)

Ze Stephenovy přednášky v roce 1965 jsem odešel naplněn hlubokým obdivem. Ten se netýkal pouze argumentů a závěrů, ale oceňoval jsem především jeho schopnost proniknout do podstaty problému a jeho tvůrčí přístup. Proto jsem ho vyhledal a strávil s ním asi hodinu v soukromém rozhovoru. Byl to začátek celoživotního přátelství, které nebylo založené jen na společných vědeckých zájmech, ale i na pozoruhodné vzájemné sympatii, což je záhadná schopnost porozumět druhému jako lidské bytosti. Záhy jsme si povídali víc o svých životech, láskách, dokonce i o smrti než o vědě, třebaže právě věda nás spojovala.

V září 1973 jsem vzal Stephena a jeho ženu Jane do Moskvy. Navzdory zuřící studené válce jsem od roku 1968 strávil v tomto městě každý druhý rok asi měsíc a spolupracoval na vědeckém výzkumu s členy skupiny, kterou vedl Jakov Borisovič Zeldovič. Zeldovič byl vynikající astrofyzik a také otec sovětské vodíkové bomby. Protože znal atomová tajemství, nesměl cestovat ani do západní Evropy ani do Ameriky. Nesmírně toužil si podiskutovat se Stephenem, a protože on sám nemohl za Stephenem přijet, přijeli jsme my za ním.

V Moskvě Stephen ohromil Zeldoviče a stovky dalších vědců svou hlubokou vnímavostí; i on sám si od Zeldoviče odnesl řadu poznatků. Nejzajímavější bylo odpoledne, které jsme Stephen a já strávili se Zeldovičem a jeho doktorandem Alexejem Starobinským ve Stephenově pokoji v hotelu Rossija. Zeldovič velmi jednoduchým způsobem popsal význačný objev, který učinili, a Starobinskij jej vysvětlil matematicky.

Uvést černou díru do rotačního pohybu vyžaduje energii. To nám bylo známo. Černá díra, vysvětlovali, může využít své rotační energie k vytváření částic; tyto částice pak odlétají pryč a berou si rotační energii s sebou. To bylo nové a překvapující – i když zase ne tak moc překvapující. Když má nějaký předmět pohybovou energii, najde si příroda obvykle způsob, jak ji z něj odčerpat. Věděli jsme o jiných způsobech, jak získat rotační energii černé díry; toto byla jen nová, třebaže nepředvídaná cesta.

Velký užitek z takovýchto rozhovorů spočívá v tom, že mohou nastartovat nové směry v uvažování. Tak tomu bylo i se Stephenem. O Zeldovičově a Starobinského objevu přemýšlel několik měsíců, díval se na něj z několika různých úhlů pohledu, až nakonec dospěl k vskutku radikálnímu postřehu: poté, co černá díra přestane rotovat, může i nadále emitovat částice. Může vysílat záření – a také je vysílá, jako by byla žhavá jako třeba Slunce, ale ne příliš žhavá, jen tak vlažná. Čím těžší černá díra je, tím nižší má teplotu. Díra, která váží tolik jako Slunce, má teplotu 0,00000006 Kelvinovy stupnice, tedy 0,06 miliontin stupně nad absolutní nulou. Vzorec pro výpočet této teploty je nyní vyryt na Stephenově náhrobku ve Westminsterském opatství v Londýně, kde jeho popel spočívá mezi ostatky Isaaca Newtona a Charlese Darwina.

Tato „Hawkingova teplota“ černé díry a její „Hawkingovo záření“ (jak se těmto pojmům začalo říkat) byly opravdu radikálními, možná nejradikálnějšími objevy teoretické fyziky v druhé polovině dvacátého století. Umožnily nám dobrat se hlubokých spojitostí mezi obecnou relativitou (černé díry), termodynamikou (fyzika tepla) a kvantovou fyzikou (vznik částic tam, kde předtím žádné nebyly). Stephen kupříkladu následně dokázal, že černá díra má entropii, což znamená, že kdesi uvnitř černé díry nebo její blízkosti existuje obrovská míra nahodilosti. Odvodil dále, že velikost entropie (logaritmus míry nahodilosti černé díry) je úměrná velikosti jejího povrchu. Stephenův vzorec entropie je vyryt na pamětním kameni v Gonville and Caius College v Cambridgi, kde pracoval.

Posledních čtyřicet pět let se Stephen a spolu s ním i stovky dalších fyziků snažil postihnout přesnou povahu nahodilosti černé díry. Je to otázka, která neustále vytváří nové pohledy na propojení kvantové teorie s obecnou relativitou, tedy pohledy na nedostatečně pochopené zákony kvantové gravitace.

Na podzim roku 1974 přijel Stephen se svými doktorandy a rodinou (manželkou Jane a dvěma dětmi, Robertem a Lucy) na rok do Pasadeny v Kalifornii, takže se tito studenti i on sám mohli účastnit intelektuálního života na mé univerzitě (Caltech)[1] a dočasně se připojit k mé výzkumné skupině. Byl to opravdu velkolepý rok, který završil „zlatou éru výzkumu černých děr“.

Během toho roku se Stephen se svými doktorandy a několika mými studenty snažili proniknout hlouběji do tajemství černých děr, o což jsem do jisté míry usiloval i já. Avšak Stephenova přítomnost a jeho vedení našeho společného výzkumu černých děr mi poskytly možnost zaměřit se novým směrem, o němž jsem uvažoval již několik let: na gravitační vlny.

Existují pouze dva typy vln, které se mohou šířit vesmírem a přinášet nám informace o vzdálených objektech: elektromagnetické vlny (ty zahrnují světlo, rentgenové záření, záření gama, mikrovlny, rádiové vlny…) a gravitační vlny.

Elektromagnetické vlny sestávají z oscilujících elektrických a magnetických sil, které se pohybují rychlostí světla. Pokud narazí na nabité částice, jako jsou elektrony v rozhlasové či televizní anténě, rozkmitají je, čímž v nich uloží informaci, kterou nesou. Tuto informaci lze potom zesílit a pustit do reproduktoru či na televizní obrazovku, aby jí lidské bytosti dokázaly porozumět.

Podle Einsteina gravitační vlny sestávají z oscilující deformace prostoru: jde o oscilující roztahování a smršťování prostoru. V roce 1972 vynalezl Rainer (Rai) Weiss na Massachusettském technologickém institutu detektor gravitačních vln, tvořený vakuovou trubicí ve tvaru písmene L, přičemž na koncích a v rohu trubice jsou umístěna zrcadla. Tato zrcadla se v jedné části trubice vlivem smršťování prostoru k sobě přibližují a v druhé se vlivem roztahování prostoru od sebe oddalují. Ke změření oscilačního charakteru tohoto oddalování a přibližování navrhl Rai použít laserové paprsky. Laserové světlo by mohlo získat informaci z gravitačních vln a tento signál by se pak mohl zesílit a poslat do počítače, který by jej upravil tak, aby mu lidé porozuměli.

Když si Galileo sestavil malý optický dalekohled, namířil jej na Jupiter a objevil čtyři jeho největší měsíce, zahájil pozorování vesmíru elektromagnetickými dalekohledy (elektromagnetická astronomie). V průběhu následujících čtyř set let elektromagnetická astronomie zcela zrevolucionizovala naše chápání vesmíru.

V roce 1972 jsem se svými studenty začal přemýšlet o tom, co bychom se mohli dovědět o vesmíru pomocí gravitačních vln: začali jsme rozvíjet úvahy o gravitační astronomii. Protože gravitační vlny jsou formou deformace prostoru, jsou nejvýrazněji vytvářeny objekty, které jsou samy složeny buď zcela, nebo částečně z deformovaného prostoročasu – což znamená zejména černými děrami. Došli jsme k závěru, že gravitační vlny jsou ideálním nástrojem pro prozkoumání a ověření Stephenova chápání černých děr.

Z obecnějšího hlediska jsme usoudili, že gravitační vlny jsou tak zásadně odlišné od elektromagnetických vln, že téměř určitě povedou k další revoluci v našem porozumění vesmíru, možná srovnatelné s obrovitou elektromagnetickou revolucí, jež následovala po Galileovi – pokud bychom tyto těžko postižitelné vlny dokázali odhalit a sledovat. Ono pokud však bylo opravdu zásadní: předběžně jsme totiž odhadli, že gravitační vlny dosahující k Zemi jsou tak slabé, že zrcadla ve Weissově detektoru ve tvaru písmene L by se vůči sobě pohybovala nanejvýš o jednu setinu průměru protonu (to znamená jednu desetimiliontinu velikosti atomu), dokonce i kdyby byla zrcadla od sebe vzdálena několik kilometrů. Změřit tak nepatrné pohyby byl velmi
těžký úkol.

A tak jsem během onoho velkolepého roku, kdy se Stephenova i moje skupina studentů na Caltechu spojily, strávil mnoho času přemýšlením, jak se v otázce gravitačních vln dobrat úspěchu. Stephen mi v tom byl velmi nápomocný, protože několik let předtím navrhli on a jeho student Gary Gibbons svůj vlastní detektor gravitačních vln (který však nikdy nepostavili).

Krátce poté, co se Stephen vrátil do Cambridge, došel můj výzkum naplnění v podobě celonoční bouřlivé diskuse s Raiem Weissem v jeho hotelovém pokoji ve Washingtonu D. C. Dospěl jsem během ní k přesvědčení, že naděje na úspěch jsou natolik veliké, že bych svou vědeckou dráhu i budoucí výzkumy svých studentů měl zaměřit na to, jak Raiovi a dalším výzkumníkům pomoci potvrdit naši představu gravitačních vln. Zbytek je už známý.

14. září 2015 zaznamenaly detektory gravitačních vln LIGO (postavené v rámci projektu, jehož se účastnilo na tisíc osob, společně se mnou ho založili Rai a Ronald Drever a vše pak zorganizoval a řídil Barry Barish) první gravitační vlny. Srovnáním vlnových charakteristik s předpověďmi našich počítačových simulací dospěl náš tým k závěru, že tyto vlny vznikly srážkou dvou těžkých černých děr vzdálených od Země 1,3 miliardy světelných let. To byl počátek gravitační astronomie. Pokud jde o gravitační vlny, dosáhl náš tým stejného úspěchu jako Galileo v oblasti elektromagnetických vln.

Jsem si jistý, že v nejbližších několika desetiletích bude gravitační vlny využívat další generace jejich lovců nejen k ověřování Stephenových zákonů fyziky černých děr, ale i k detekování a sledování gravitačních vln vzniklých v okamžiku zrodu našeho vesmíru a tím i k ověřování představ, jež měli Stephen i jiní vědci o původu našeho vesmíru.

V průběhu onoho velkolepého roku 1974–1975, kdy já jsem přemýšlel o gravitačních vlnách a Stephen vedl naše spojené skupiny zkoumající černé díry, napadlo Stephena něco ještě daleko radikálnějšího než objevení Hawkingova záření. Dospěl k přesvědčivému, téměř nevyvratitelnému důkazu skutečnosti, že když se vytvoří černá díra, která se následně zcela „vypaří“ v důsledku emise záření, potom informace, která do černé díry pronikla, se z ní už nikdy nemůže dostat. Taková informace je nenávratně
ztracena.

To je velmi radikální myšlenka, protože zákony kvantové fyziky zcela jednoznačně tvrdí, že žádná informace se nikdy nemůže beze zbytku ztratit. A tak, pokud měl Stephen pravdu, popírají černé díry jeden z nejzákladnějších zákonů kvantové mechaniky.

Jak k tomu může docházet? Postupný zánik černé díry se řídí zákony kvantové mechaniky a obecné relativity (oněmi neúplně pochopenými zákony kvantové gravitace), a tak, dovozoval Stephen, toto třaskavé spojení relativity s kvantovou fyzikou musí vést k destrukci informace.

Převážné většině teoretických fyziků připadá tento závěr zcela nepřijatelný. Jsou vůči němu nesmírně skeptičtí. A tak se již čtyřicet čtyři let potýkají s tímto tak zvaným paradoxem ztráty informace. Je to úsilí, které stojí za vynaloženou námahu a útrapy, protože tento paradox je důležitým klíčem k porozumění zákonům kvantové gravitace. Sám Stephen v roce 2003 objevil způsob, jakým by informace v průběhu vypařování černé díry mohla uniknout, ale to nikterak neutišilo zápolení teoretiků. Stephen totiž nedokázal, že informace opravdu uniká, a tak zápas pokračuje.

Ve své chvalořeči na Stephena při uložení jeho popela ve Westminsterském opatství jsem tento zápas připomněl následujícími slovy: „Newton nám dal odpovědi. Hawking nám dal otázky. A Hawkingovy otázky přinášejí převratná řešení celá desetiletí poté, co byly položeny. Až nakonec rozluštíme zákony kvantové gravitace a beze zbytku objasníme vznik našeho vesmíru, bude to možná z velké části díky základům vybudovaným Hawkingem.“

•

Když jsem v onom velkolepém roce 1974–1975 s pátráním po gravitačních vlnách začínal, byl i Stephen teprve v počátcích svého úsilí o podrobné pochopení zákonů kvantové gravitace a toho, co tyto zákony vypovídají o pravé povaze informace a nahodilosti černé díry, a také o pravé povaze zrození našeho vesmíru ze singularity a pravé povaze singularit uvnitř černých děr – o pravé povaze zrození a smrti času.

Toto jsou veliké otázky. Velmi veliké.

Vždy jsem se velkým otázkám vyhýbal. Nemám dostatek odborných vědomostí, moudrosti a sebevědomí, abych se do nich pustil. Naproti tomu Stephena velké otázky vždy lákaly, ať již vyrůstaly z jeho vědeckého zaměření či nikoliv. On potřebné vědomosti, moudrost a sebevědomí měl.

Tato kniha je souborem jeho odpovědí na velké otázky, odpovědí, na nichž ještě pracoval v době, kdy umíral.

Stephenovy odpovědi na šest z těchto otázek jsou hluboce zakořeněny v jeho vědním oboru. (Existuje Bůh? Jak to všechno začalo? Dokážeme předpovídat budoucnost? Co je uvnitř černé díry? Je možné se pohybovat v čase? Jak utváříme budoucnost?) Zde objevíme Stephena, jak do hloubky přemýšlí o věcech, které jsem stručně popsal v tomto úvodu, a ještě mnoho dalšího.

Stephenovy odpovědi na čtyři další velké otázky vybočují z pevného rámce jeho vědeckého zkoumání. (Dokážeme na Zemi přežít? Existuje ve vesmíru jiný inteligentní život? Měli bychom kolonizovat vesmír? Bude umělá inteligence chytřejší než my?) Přesto jeho odpovědi ukazují hlubokou moudrost a tvořivost, jak se ostatně dalo čekat.

Doufám, že vám jeho odpovědi budou připadat stejně podnětné jako mně. Užijte si tuhle knihu!

Kip. S. Thorne

červenec 2018

1 California Institute of Technology, krátce Caltech (Kalifornský technologický institut).

Proč si musíme klást
velké otázky

Líbila se Vám ukázka elektronické knihy?
Zakupte si celou e-knihu na Kosmas.cz