TEORIA UNIVERSAL

Stephen Hawking este una dintre cele mai mari personalititiin ice ale epocii noastre. Timp de treizeci de ani a fost pro -fesor la Univer sitatea Cam bridge i a primit numeroase premiii distincii. Recent, i-a fost decernat Medalia Prezidenial aLibertii. n afar de cercetrile sale din domeniul cosmologieii zicii fun damentale, a publicat cri adresate publicului larg:Scurt istorie a timpului, Visul lui Einstein i alte eseuri, Uni -versul ntr-o coaj de nuc i (mpreun cu Leonard Mlodinow)O mai scurt istorie a timpului, toate aprute n traducere rom -neasc la Editura Huma nitas. Triete la Cam bridge, n Anglia.

STEPHEN W. HAWKING

TEORIA UNIVERSALoriginea i soarta universului

Traducere din englez de MIRELA BBLC

Redactor: Vlad ZografiCoperta: Ioana NedelcuTehnoredactor: Manuela MxineanuDTP: Iuliana Constantinescu, Dan DulgheruCorector: Cristina Jelescu

Tiprit la Proeditur i Tipografie

Stephen W. HawkingThe Theory of Everything. The Origin and Fate of the UniverseCopyright Phoenix BooksAll rights reserved.

HUMANITAS, 2014, pentru prezenta versiune romneasc

Descrierea CIP a Bibliotecii Naionale a RomnieiHAWKING, STEPHEN W.Teoria universal: originea i soarta universului /Stephen W. Hawking, trad.: Mirela Bblc. Bucureti: Humanitas, 2014ISBN 978-973-50-4373-5I. Bblc, Mirela (trad.)530.12:524.8

EDITURA HUMANITAS Piaa Presei Libere 1, 013701 Bucureti, Romnia tel. 021/408 83 50, fax 021/408 83 51www.humanitas.ro

Comenzi online: www.libhumanitas.roComenzi prin e-mail: vanzari@libhumanitas.roComenzi telefonice: 0372 743 382; 0723 684 194

Introducere

n aceast serie de prelegeri voi ncerca s ofer unrezumat a ceea ce credem c este istoria universului,de la big bang la gurile negre. n prima prelegere voiprezenta pe scurt ideile din trecut despre univers ifelul n care s-a ajuns la imaginea actual. Aceastas-ar putea numi istoria istoriei universului.

n a doua prelegere voi arta c teoriile lui Newtoni Einstein despre gravitaie au dus la concluzia cuniversul nu poate static; el trebuie e s se dilate,e s se contracte. De aici rezult c a existat un mo -ment, cu zecedouzeci de miliarde de ani n urm,cnd densitatea universului era innit. Acesta poartnumele de big bang. El se presupune a nceputuluniversului.

n a treia prelegere voi vorbi despre gurile negre.Ele se formeaz atunci cnd o stea masiv sau un corpi mai mare se prbuete n sine, sub atracia proprieisale gravitaii. Conform relativitii generale a luiEinstein, cel care ar att de nesbuit nct s cadntr-o gaur neagr ar pierdut pe veci. Nu va maiputea iei. Din perspectiva lui, istoria se va sfri ntr-o

singularitate. Pe de alt parte ns, teoria relativitiigenerale este o teorie clasic nu ine cont de prin -cipiul incertitudinii din mecanica cuantic.

n a patra prelegere voi arta c mecanica cuanticpermite energiei s se scurg afar din gurile negre.Gurile negre nu sunt chiar att de negre pe ct se spune.

n a cincea prelegere voi aplica ideile mecaniciicuantice big bang-ului i originii universului. Aceastaconduce la ipoteza c spaiul-timp poate nit, fr aavea ns o frontier sau o margine. Ar semna cu su -pra faa Pmntului, dar avnd dou dimensiuni n plus.

n prelegerea a asea voi arta c aceast ipotezprivind frontiera ar putea explica de ce trecutul e attde diferit de viitor, dei legile zicii sunt simetrice nraport cu timpul.

n ne, n a aptea prelegere voi prezenta ncercrilenoastre de a gsi o teorie unicat care s includ me -canica cuantic, gravitaia i toate celelalte interaciunidin zic. Dac vom reui acest lucru, vom nelege cuadevrat universul i locul nostru n el.

6 INTRODUCERE

PRIMA PRELEGERE

Idei despre univers

Pe la 340 .Cr., n cartea sa Despre cer, Aristotel aprezentat dou argumente solide n favoarea ideii cPmntul e o minge rotund, iar nu un disc ntins. Mainti, el a neles c eclipsele de Lun sunt provocate detrecerea Pmntului ntre Soare i Lun. Umbra P -mntului pe Lun e ntotdeauna rotund, ceea ce nu ecu putin dect dac Pmntul e sferic. Dac Pmntular un disc plat, umbra lui ar alungit i eliptic, cuexcepia cazului n care eclipsa s-ar produce de ecaredat n momentul n care Soarele se a exact deasupracentrului discului.

n al doilea rnd, grecii tiau din cltoriile lor cSteaua Polar apare mai jos pe cer cnd e privit dinsud dect atunci cnd e privit din regiunile nordice.Din diferena dintre poziiile Stelei Polare atunci cnde privit din Egipt i atunci cnd e privit din Grecia,Aristotel a estimat c circumferina Pmntului estede patru sute de mii de stadii. Nu tim cu precizie celungime avea un stadiu, dar pesemne c era de apro -ximativ dou sute de metri. Aceasta ar face ca esti marea

lui Aristotel s e de vreo dou ori mai mare dectvaloarea acceptat n prezent.

Grecii aveau i un al treilea argument n favoareafaptului c Pmntul trebuie s e rotund, altminteride ce atunci cnd apare o corabie la orizont mai ntise vd pnzele i abia apoi carena? Aristotel credeac P mntul rmne nemicat, iar Soarele, Luna, pla -netele i stelele se mic pe orbite circulare n jurulPmntului. Credina lui se ntemeia pe motive mistice:Pmntul este centrul universului, iar micarea circu -lar e cea mai desvrit.

Ideea a fost dezvoltat de Ptolomeu, n secolul I d.Cr., ntr-un model cosmologic complet. Pmntulera n centru, nconjurat de opt sfere pe care se aauLuna, Soarele, ste lele i cele cinci planete cunoscute laacel moment: Mercur, Venus, Marte, Jupiter i Saturn.Plane tele se micau pe cer curi mai mici ataate sferelorres pective, explicndu-se astfel complicatele lor traiec -torii observate pe cer. Pe sfera cea mai ndeprtat segseau aa-nu mitele stele xe, care ocup mereu ace -leai po ziii unele n raport cu altele, dar se rotesc m -preun pe bolta cerului. Ce se aa dincolo de ultimasfer nu era limpede, ns cu siguran nu inea de uni -versul pe care omul l putea observa.

Modelul lui Ptolomeu oferea un sistem sucient deprecis pentru a prezice poziiile corpurilor cereti. Dar,pentru ca prediciile s e corecte, Ptolomeu a trebuit spresupun c Luna urmeaz o traiectorie care o aduceuneori de dou ori mai aproape de Pmnt dect n altedi. Aadar, Luna trebuia s apar uneori de dou ori

10 TEORIA UNIVERSAL

mai mare dect de obicei. Ptolomeu era contient deacest neajuns, i totui modelul su a fost n generalacceptat, chiar dac nu de toat lumea. El a fost adoptatde Biseric drept imagine a universului n conformitatecu Biblia. Avea marele avantaj c lsa mult spaiu nafara sferei stelelor xe pentru rai i iad.

Un model mult mai simplu a fost propus n 1514 deun preot polonez pe nume Nicolaus Copernic. La n -ceput, temndu-se c va acuzat de erezie, Copernici-a publicat modelul sub protecia anonimatului. Ideealui era c Soarele st nemicat n centrul universului,iar P mntul i planetele se deplaseaz pe orbite circu -lare n jurul Soarelui. Din pcate pentru Copernic, atre buit s treac aproape un secol pentru ca aceast idees e luat n serios. Apoi, doi astronomi germanulJohannes Kepler i italianul Galileo Galilei au nce puts susin deschis teoria lui Copernic, n ciuda fap tuluic orbitele pe care le prezicea nu se potriveau perfect cucele observate. De ce sul teoriei aristotelic-ptolomaicea survenit n 1609. n acel an Galileo a nceput s ob -serve cerul nopii cu telescopul, instrument care tocmaifusese inventat.

Cnd a privit planeta Jupiter, Galilei a descoperit cera nsoit de civa satelii mici, sau luni, care se ro -teau n jurul ei. Acest fapt sugera c nu orice corp ceresctrebuia neaprat s se roteasc n jurul Pmntului, aacum crezuser Aristotel i Ptolomeu. Desigur, nc eracu putin s crezi c Pmntul rmnea nemicat ncentrul universului, i c lunile lui Jupiter se deplasaupe traiectorii extrem de complicate n jurul Pmntului,

IDEI DESPRE UNIVERS 11

l snd impresia c se rotesc n jurul lui Jupiter. Totui,teoria lui Copernic era mult mai simpl.

Cam n aceeai vreme, Kepler a modicat teoria luiCopernic, artnd c planetele nu se mic pe cercuri,ci pe elipse. Acum prediciile erau n sfrit conformecu observaiile. n ceea ce-l privea pe Kepler, orbiteleeliptice erau doar o ipotez ad-hoc una chiar resping -toare, deoarece elipsele nu aveau perfeciunea cercurilor.Dup ce a descoperit aproape din ntmplare c orbi -tele eliptice se potriveau bine observaiilor, nu reueas se mpace cu ideea lui Copernic c planetele se ro -tesc n jurul Soarelui sub aciunea unor fore magnetice.

O explicaie a fost dat abia mult mai trziu, n1687, cnd Newton i-a publicat Principiile matema -tice ale lozoei naturale, pesemne cea mai impor tantcarte din istoria zicii. Newton nu numai c a propusaici o teorie privind micarea corpurilor n spaiu itimp, ci a i elaborat sistemul matematic necesar pen -tru analiza acestei micri. n plus, Newton a postulato lege a gravitaiei universale, conform creia ecarecorp din univers este atras de toate celelalte corpuricu o for care e cu att mai puternic cu ct maselecorpurilor sunt mai mari i cu ct distana dintre elee mai mic. Era vorba despre aceeai for care faceca, pe Pmnt, corpurile s cad. Povestea care spunec lui Newton i-ar czut un mr n cap este aproapesigur apocrif. Tot ce a spus Newton despre asta a fostc ideea gravitaiei i-a venit pe cnd reecta la cde -rea unui mr. Newton a continuat artnd c, potrivitlegii sale, gravitaia face ca Luna s se mite pe o orbit

12 TEORIA UNIVERSAL

eliptic n jurul Pmntului, i ca Pmntul i cele -lalte planete s urmeze traiectorii eliptice n jurul Soa -relui. Modelul lui Copernic a scpat de sferele ceretiale lui Ptolomeu i, odat cu ele, de ideea c uni ver -sul ar avea o frontier natural. Stelele xe nu preaus-i schimbe poziiile relative pe msur ce P -mntul se rotea n jurul Soarelui. Era aadar resc spresupunem c stelele xe erau obiecte la fel caSoarele nostru, dar mult mai ndeprtate, ceea ce ri -dica o problem. Newton i-a dat seama c, n con -formitate cu teoria sa despre gravitaie, planetele artrebui s se atrag ntre ele; se prea deci c nu puteaurmne nemicate. Nu vor cdea oare toate una pestealta la un moment dat?

ntr-o scrisoare din 1691 ctre Richard Bentley, unalt gnditor de seam din epoca sa, Newton susineac acest fenomen chiar s-ar ntmpla dac ar existanumai un numr nit de stele. S-a gndit ns c, dacar exista un numr innit de stele, distribuite mai multsau mai puin uniform ntr-un spaiu innit, feno -menul acesta nu s-ar petrece, deoarece n-ar exista unpunct central n care s cad toate. Acest argumenteste o dovad a capcanelor care i pot iei n caleatunci cnd vorbeti despre innit.

ntr-un univers innit, ecare punct poate con -siderat drept centru, deoarece are un numr innit destele oriunde ai privi n jurul lui. Abordarea corect,dup cum s-a neles abia mult mai trziu, este s con -sideri situaia nit n care toate stelele cad unelepeste celelalte. Ne ntrebm atunci cum s-ar schimba

IDEI DESPRE UNIVERS 13

lucrurile dac am aduga mai multe stele, distribuiteaproximativ uniform n afara acestei regiuni. Con formlegii lui Newton, stelele suplimentare nu ar diferi cunimic de cele iniiale, i astfel stelele ar cdea toate nacelai loc la fel de repede. Putem aduga orict demulte stele vrem, iar acestea vor continua s cad n -totdeauna unele peste altele. tim acum c e imposibils avem un model static innit al universului n caregravitaia s e ntotdeauna atractiv.

Faptul c nimeni nu s-a gndit c universul seextinde sau se contract reect atmosfera intelec -tual dinaintea secolului XX. Se credea n genere ec starea universului a fost dintotdeauna aceeai, ec a fost creat la un anumit moment din trecut, ar -tnd n linii mari la fel ca azi. n parte, aceasta se da -tora pro babil att tendinei oamenilor de a crede nadevruri eterne, ct i faptului c oamenii se con so -lau cu gn dul c, dei ei mbtrnesc i mor, uni versule neschimbtor.

Nici mcar cei care i-au dat seama c teoria new -tonian a gravitaiei arat c universul nu poate static nu s-au gndit c acesta ar putea n expansiune.Ei au ncercat n schimb s modice teoria, impunndca fora gravitaional s e repulsiv la distane foartemari. Acest lucru nu afecta prea mult prediciile asupramicrii planetelor, dar permitea o distribuie innita stelelor pentru a rmne n echilibru, forele de atrac -ie dintre stelele apropiate ind echilibrate de forelerepulsive fa de cele mai ndeprtate.

14 TEORIA UNIVERSAL

Cuprins

Introducere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

PRIMA PRELEGEREIdei despre univers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

A DOUA PRELEGEREUniversul n expansiune . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

A TREIA PRELEGEREGurile negre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

A PATRA PRELEGEREGurile negre nu-s chiar att de negre. . . . . . . . . . . . 63

A CINCEA PRELEGEREOriginea i soarta universului. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

A ASEA PRELEGEREDirecia timpului . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

A APTEA PRELEGERETeoria universal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123