Srozumitelně napsaná kniha je určena každému, koho zajímá moderní kosmologie, především otázka zrodu vesmíru a jeho budoucího osudu. Najde v ní vysvětlení pojmu entropie, termodynamické šipky času, geometrické podstaty Einsteinovy teorie relativity, prostoročasových diagramů, speciálního charakteru velkého třesku, černých děr i jejich kvantového vypařování. Kniha obsahuje i technicky pokročilé dodatky, v nichž Penrose uvádí rovnice obecné relativity ve spinorovém zápisu, na nichž jeho nová teorie spočívá.

Knihu Cykly času vydalo nakladatelství Dokořán.

 

Z předmluvy

Jedním z nejhlubších tajemství našeho vesmíru je, z čeho vzešel.

Když jsem počátkem 50. let nastoupil jako student matematiky na univerzitu v Cambridgi, byla na výsluní fascinující kosmologická teorie známá jako model stacionárního vesmíru. Svět podle ní neměl žádný začátek a po celý čas zůstával víceméně stejný a neměnný. Protože se rozpíná, hustota hmoty v něm by měla přirozeně klesat, ale podle modelu stacionárního vesmíru je tento úbytek kompenzován neustálou tvorbou nového materiálu v podobě velmi řídce rozptýleného vodíkového plynu. Můj přítel a cambridgeský učitel, kosmolog Dennis Sciama, od něhož jsem pochytil nadšení pro spoustu krás moderní fyziky, byl v té době přesvědčeným stoupencem stacionární kosmologie. I díky němu mě uchvátila nádhera a síla této pozoruhodné představy o uspořádání světa.

Přesto však teorie stacionárního vesmíru neobstála ve zkoušce času. Deset let poté, co jsem nastoupil na Cambridge a teorii do hloubky pochopil, Arno Penzias a Robert Wilson ke svému vlastnímu překvapení objevili všudypřítomné elektromagnetické záření přicházející ze všech směrů na obloze. Nyní ho nazýváme reliktní mikrovlnné záření kosmického pozadí. Robert Dicke vzápětí rozpoznal, že jde o teoreticky již dříve předpověděný „záblesk“ velkého třesku, z něhož se před zhruba 14 miliardami let zrodil náš vesmír. Poprvé o něm vážně přemýšlel v roce 1927 monsignore Georges Lemaître v kontextu svých prací o řešení rovnic obecné teorie relativity, kterou v roce 1915 zformuloval Einstein. Lemaître byl motivován tehdy čerstvými astronomickými pozorováními, jež naznačila, že se vesmír rozpíná. Když se fakta o mikrovlnném záření dále upřesnila, Dennis Sciama s velkou dávkou vědecké cti a odvahy veřejně zatratil své předchozí názory a začal plně podporovat myšlenku, že se vesmír zrodil velkým třeskem.

Od té doby kosmologie dospěla. Z pouhé spekulativní kratochvíle vyrostla v exaktní vědu. Podstatnou část této revoluce přineslo právě intenzivní studium reliktního záření opřené o velmi podrobná data z mnoha vynikajících experimentů. Stále však zůstává spousta záhad, a tak v kosmologii i nadále najdeme řadu spekulací.

…

Myšlenkové schéma, které zde budu prezentovat, je vskutku neortodoxní, avšak vychází z geometrických a fyzikálních představ, které jsou velmi dobře odůvodněné. Přestože je to zcela odlišný koncept, zřetelně v něm zaznívají ozvěny starého modelu.

Rád bych věděl, co by si o něm myslel Dennis Sciama.

 

Neúnavný proud nahodilosti

Co to vlastně je druhý zákon termodynamiky? Proč hraje klíčovou roli v chování fyzikálních systémů?  A proč v něm spatřujeme hlubokou záhadu? V následujících kapitolách knihy se pokusíme porozumět zvláštní povaze této záhady i tomu, proč je nutné jít do značné hloubky, abychom ji vyřešili. Zavede nás do zatím neprobádaných oblastí kosmologie i k otázkám, které dle mého soudu dokážeme zodpovědět pouze tak, že přijmeme radikálně nový pohled na historii celého našeho vesmíru.

…

Druhý zákon termodynamiky není rovnost, ale nerovnost. Tvrdí prostě, že jistá veličina zvaná entropie izolovaného systému, což je míra jeho neuspořádanosti či „náhodnosti“, s časem narůstá (anebo alespoň neklesá). Zní to jako dost obecné a vágní tvrzení a zjevně se v definici entropie obecného systému může skrývat i prvek subjektivity. Ve většině formulací druhého zákona termodynamiky navíc musíme připustit, že tu a tam může výjimečně entropie v důsledku náhodných fluktuací (na chvíli) klesat, i přes všeobecný trend k jejímu globálnímu růstu.

Ale i přes tuto svou vrozenou neurčitost je druhý zákon (jak mu budu od tohoto okamžiku zkráceně říkat) natolik všeobecný, že se uplatňuje ve spoustě systémů ovládaných různými dynamickými pravidly. Platí například stejně dobře v teorii relativity jako v klasické Newtonově teorii, anebo pro spojitá pole Maxwellovy elektromagnetické teorie (jak ukážeme v kapitolách 2.6, 3.1 a 3.2 a explicitně v dodatku A.1) či v teoriích uvažujících pouze diskrétní částice. Funguje dokonce i v ryze spekulativních dynamických teoriích, o nichž nelze předpokládat, že by popisovaly náš skutečný svět. Největší význam ale má, když ho aplikujeme na realistická dynamická schémata, například na newtonovskou mechaniku určující reverzibilní deterministický vývoj. Přestože je mechanika reverzibilní v čase, tedy pro určitý vývoj do budoucnosti dostaneme pouhým převrácením časové souřadnice možný vývoj směrem do minulosti, druhý zákon o jednosměrném narůstání entropie přesto platí.

(Obrázky v článku převzaty ze www.sxc.hu)

---

Více informací o knize najdete v článku Pohled do daleké budoucnosti vesmíru.

Související knihy

Cykly času
Nový pozoruhodný pohled na vesmír

Penrose, Roger

Dokořán, 2013