Czy Wielki Wybuch był głośny?

Czy jesteś ciekawy, o czym mówią i co robią astrofizycy? W tej książce znajdziesz opowieści o Ziemi, Wszechświecie, jego początkach i przyszłości, czerwonych olbrzymach i białych karłach, o supernowych, pulsarach, kwazarach, falach grawitacyjnych i… miejscu Boga w fizyce.

Przyszłość i przeszłość Wszechświata, czarne dziury, gwiazdy neutronowe, planety słoneczne i pozasłoneczne, czerwone olbrzymy, białe karły, fale grawitacyjne… Astrofizyka jest fascynująca, ale i niełatwa. Ta książka prowadzi czytelnika krok po kroku – nie tylko daje odpowiedzi, ale i podsuwa pytania.

Karolina i Jean-Pierre, których rozmowy zostały zapisane w tej książce, to postacie stworzone przez autorów: dziennikarkę radiową Karolinę Głowacką i astrofizyka Jeana-Pierre’a Lasotę. Oprócz imion, autorzy oddali postaciom wiele z samych siebie. Karolina Karolinie – ciekawość, dociekliwość, wizję tego, co człowiek, który nie jest fizykiem, wie o fizyce i – nie ukrywajmy – odwagę w rozmowie z uczonymi. Jean-Pierre Jeanowi-Pierre’owi użyczył wiedzy, poglądów, dowcipu, dokonań naukowych, wspomnień i ochoty na wystawianie się na pytania młodych, bardzo dociekliwych osób.

Karolina Głowacka – dziennikarka, w Radiu TOK FM prowadzi m.in. audycję Radiowa Akademia Nauk. Teksty popularnonaukowe publikuje głównie w „Focusie”. W 2016 wyróżniona w konkursie Popularyzator Nauki organizowanym przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego oraz serwis PAP Nauka w Polsce. Mieszka w Warszawie.

Jean-Pierre Lasota – fizyk teoretyk i astrofizyk, autor ponad 250 prac naukowych i kilku książek. Profesor honorowy w Instytucie Astrofizyki w Paryżu i profesor zwyczajny w Centrum Astronomicznym im. Mikołaja Kopernika PAN w Warszawie. Przez wiele lat kierował Wydziałem Astrofizyki Relatywistycznej i Kosmologii Obserwatorium Paryskiego i był doradcą naukowym prezesa francuskiego Narodowego Centrum Badań Naukowych. Wieloletni członek komitetów nadzorujących budowę i działanie detektora fal grawitacyjnych Virgo. Mieszka z żoną w Paryżu i Warszawie.

Wstęp

Karolina chce wreszcie naprawdę zrozumieć, o czym mówią i co robią astrofizycy, zadaje więc pytania Jean-Pierre’owi, który sporo na ten temat wie i lubi o tym opowiadać. Ich rozmowy zostały spisane w tej książce.
Mówi ona o sprawach fascynujących, ale czasem trudnych do zrozumienia. Postanowiliśmy nie prześlizgiwać się nad żadną wątpliwością, bardzo rzadko znajdziecie zdanie Jean-Pierre’a, że „po prostu tak jest”. Chcieliśmy opowiedzieć uczciwie o współczesnych dokonaniach astrofizyki. Uczciwie, czyli bez zbytniego upraszczania. Jednocześnie przystępnie, choć to tak wyświechtane słowo. Liczymy, że formuła rozmowy pozwoli Wam na wspólne rozumowanie, krok po kroku, razem z Karoliną.
Ta książka nie jest podręcznikiem, dlatego też daleko jej do podręcznikowego układu. Zdarzy się, że będziemy rozmawiać o czymś, czego podstawy teoretyczne wyjaśnione zostaną później.
W rozmowach znajdziecie opowieści o naszym pochodzeniu, sąsiedztwie, miejscu we Wszechświecie, jego początkach i jego przyszłości, o czerwonych olbrzymach i białych karłach, o supernowych, gwiazdach neutronowych, pulsarach, kwazarach, czarnych dziurach, planetach dużych i małych… i wreszcie o falach grawitacyjnych, jednym z najważniejszych odkryć naukowych ostatnich lat. Będzie też trochę teorii, i to nie byle jakiej, bo szczególnej i ogólnej teorii względności. Na koniec Jean-Pierre opowiada o tym, jak pracują fizycy. Sygnalizujemy też temat miejsca – lub jego braku – Boga w fizyce. Nasze rozmowy nie są encyklopedią i z całą pewnością brak w nich ważnych tematów. Z góry za to przepraszamy, ale nasza książka musiała mieć rozsądne rozmiary.
Rozmowy prowadzą Karolina i Jean-Pierre, ale choć noszą nasze imiona, nie są nami. Naszym postaciom daliśmy jednak wiele z siebie. Karolina użyczyła Karolinie ciekawości, dociekliwości, wizji „przeciętnej wiedzy”, swobody i – nie ukrywajmy – odwagi w rozmawianiu z profesorami. Jean-Pierre zaś Jean-Pierre’owi – wiedzy, poglądów, dowcipu, dokonań naukowych, wspomnień i ochoty w wystawianiu się na pytania młodych i bardzo dociekliwych osób. Ale to nie my.
Książka powstała z rozmów i wspólnego pisania. Wiele uwag, które zgłasza książkowa Karolina, to autentyczne wątpliwości, które roztrząsaliśmy w rozmowach. To była dla nas osobista przygoda, dzięki której oboje realnie wiele się nauczyliśmy. Jeśli natkniecie się w tekście na tak zwane trudne słowo, poszukajcie go w Leksykonie na końcu książki. Jean-Pierre postarał się, żeby nie był to typowo nudny leksykon. Objaśnia w nim także znaczenie jednostek używanych do mierzenia niektórych wielkości fizycznych.
Reszta należy do Was.

Poznajmy się

Karolina – chce wiedzieć, jak działa Wszechświat. O ciekawostkach, kosmitach i podróżach w czasie – też. Ale przede wszystkim konkrety: skąd się wzięliśmy, skąd wzięły się planety, dlaczego jest tak, jak jest, jaka jest przeszłość i jaka przyszłość Wszechświata. I o co chodzi z ogólną teorią względności, o której wszyscy mówią. Wiedzę ma przeciętną i fragmentaryczną, ze szkoły, z artykułów popularnonaukowych itp. Teraz chciałaby zająć się tym porządnie. Będzie zadawać wszystkie pytania, jakie przyjdą jej do głowy. Naprawdę chce zrozumieć.
Wielka zwolenniczka logicznego myślenia, o czym lubi przypominać rozmówcy. Z początku traktuje Jean-Pierre’a z przesadnym respektem wynikającym z jego profesury, ale szybko jej to przechodzi. Wielbicielka przyrody i wegetarianka, uważa, że my, ludzie, pozwalamy sobie na zbyt wiele na naszej planecie.

Jean-Pierre – fizyk teoretyk i astrofizyk. Cudzoziemiec, ale wykształcony w Polsce, mówi staroświecką polszczyzną. Nie używa na przykład słowa „obciach”, choć chyba wie, co ono znaczy. Choć jest profesorem już tyle lat, nie zapomniał, że można mieć wątpliwości w sprawie działania Wszechświata. Mimo że pytania Karoliny czasem go zdziwią, a nawet zirytują, uczciwie na wszystkie odpowie. Przyzna się, jeśli nie będzie znał odpowiedzi, opowie, dlaczego jest pewny w innych sprawach, czasem bardzo – wydawałoby się – dziwnych. Naprawdę chce wytłumaczyć.
Tak jak Karolina jest wielbicielem logicznego myślenia, co wbrew pozorom prowadzi czasem do konfliktów. Wyłącznie intelektualnych. Nie lubi przyrody, bo ma alergię na pyłki i – za znanym francuskim malarzem François Boucherem – uważa, że za dużo w niej zieleni i że jest źle oświetlona. Steki wołowe lubi krwiste.

Jest tak: chcę się dowiedzieć, jak działa Wszechświat, czym dokładnie są czarne dziury czy te słynne fale grawitacyjne, dlaczego planety są kulami, jak długo będzie żyło Słońce… ale tylko przez ciekawość. Nigdy z tego nie skorzystam. Może to dla mnie strata czasu?
„Tylko przez ciekawość”? Ależ właśnie dokładnie o to chodzi! Albo raczej – przede wszystkim o to chodzi. Tacy jesteśmy my, ludzie, że chcemy i musimy wiedzieć, skąd się wzięliśmy, na jakiej zasadzie działa to, co nas otacza. Już małe dzieci pytają: „Dlaczego?”. Ciekawość świata jest częścią nas, naszej kultury, a może i natury. Kiedyś szukano odpowiedzi głównie w religii, ale nie dawało to zadowalających odpowiedzi, na przykład na pytanie dotyczące przyczyn ruchu ciał niebieskich. Zresztą religie, nawet te przypisujące tym ruchom cechy boskie, nie starały się ich opisać, mimo, a może dlatego, że szamani i kapłani byli często wyrafinowanymi astronomami-obserwatorami.
Z drugiej strony Biblia opisuje wyłącznie powstanie Wszechświata, ale nie jego działanie. Czytamy tylko, że Bóg rzekł: „Niechaj powstaną ciała niebieskie, świecące na sklepieniu nieba, aby oddzielały dzień od nocy, aby wyznaczały pory roku, dni i lata; aby były ciałami jaśniejącymi na sklepieniu nieba i aby świeciły nad ziemią”. Następnie „Bóg uczynił dwa duże ciała jaśniejące: większe, aby rządziło dniem, i mniejsze, aby rządziło nocą, oraz gwiazdy. I umieścił je Bóg na sklepieniu nieba, aby świeciły nad ziemią; aby rządziły dniem i nocą i oddzielały światłość od ciemności”. I już. Umieścił, wyznaczył im role, ale nie kierował ich ruchem ani nie wysłał aniołów, by tego przypilnowały. Ale Biblia hebrajska nie jest podręcznikiem kosmologii i nie o fizykę w niej chodzi.
Fizyka, a właściwie nauka, rozpoczęła się gdzie indziej. To starożytni Grecy, począwszy od Pitagorasa, szukali wyjaśnienia przyrody w ogólnych prawach i zasadach. Grecy dokonali cudu, odkrywając, że przyrodę można opisać matematycznie. Jednocześnie nie do końca zrozumieli, na czym ten cud polega: zauważyli, że świat matematyki jest światem idealnym, doskonałym – nazywamy to teraz platońskim poglądem na matematykę – podczas gdy świat rzeczywisty idealnym nie był.

I gdzie tu problem?
Zaraz ci to wyjaśnię. Wielki kłopot sprawiały im liczby niewymierne, to znaczy liczby, które nie są ilorazem dwóch liczb całkowitych. Zauważyli bowiem, że z twierdzenia Pitagorasa wynika, że przeciwprostokątna trójkąta równoramiennego o boku równym 1 jest równa pierwiastkowi z 2, czyli liczbie niewymiernej. Można było więc utworzyć trójkąt z dwoma wymiernymi bokami i jednym niewymiernym, a więc móc zmierzyć dwa, a jednego nie. Tak rozumując, Grecy doszli do wniosku, że „czysta” matematyka nie ma zastosowania w rzeczywistości. Ukoronowanie myśli greckiej – opis przyrody stworzony przez Arystotelesa w IV wieku p.n.e. – to nie był opis matematyczny.

No ale istniała chyba grecka astronomia?
Ano właśnie. Ciała niebieskie, zdaniem Arystotelesa, zbudowane były z boskiej substancji zwanej eterem. Uważano wtedy, że ich wieczny i regularny ruch nie należy do „tego” świata, ale do idealnego świata geometrii, a więc do świata figur geometrycznych. Opis świata geometrii stworzony przez Euklidesa około roku 300 p.n.e. nie zawierał liczb. Właściwości figur geometrycznych otrzymywało się z aksjomatów na drodze konstrukcji używającej długości, kątów, łuków itd. Zresztą ciągle uczą w szkołach geometrii euklidesowej. Warto też zajrzeć do Elementów Euklidesa – łatwo je znaleźć w internecie – jest tam wyłącznie rozumowanie oparte na wykresach. Choć geometria wywodziła się z mierzenia długości i powierzchni, dzięki Euklidesowi oderwała się od podejrzanego świata liczb. Geometrii do opisu Wszechświata, a więc planet, Słońca i sfery gwiazd stałych krążących wokół Ziemi, użył Ptolemeusz w 140 r. n.e. Jego opis zawarty w traktacie Almagest obowiązywał przez następne 1400 lat, aż do pojawienia się De Revolutionibus Mikołaja Kopernika.

Tak długo?
Tak długo trwało oddzielenie świata rzeczywistego, ziemskiego od idealnego świata sfer niebieskich. Ten podział był spowodowany, jak twierdzi Nathalie Deruelle, wybitny fizyk i moja przyjaciółka, przez podejrzany √2.

Dziwne rzeczy mówisz, przecież ludzie korzystali z matematyki w praktyce, mierzyli pola, budowali domy, świątynie, robili meble.
O tak, jasne! Ale to byli inżynierowie, technicy i rzemieślnicy, a nie uczeni. Zdaniem filozofów gatunek ludzi poślednich, którzy nie przejmowali się brakiem definicji jakichś liczb – na przykład liczby π, która też nie jest wymierna, jak wiadomo było ze słynnego problemu kwadratury koła – tylko robili swoje, zdając sobie sprawę, że pomiary i tak mogą być tylko przybliżone. Ale to była pogardzana praktyka. Zauważ też, że nauka wtedy i długo potem nie była doświadczalna, jej reguły starano się odkryć czystym rozumowaniem.

To na czym polegała rewolucja kopernikańska?
Głównie na tym, że umieszczając Słońce w środku Układu Słonecznego, Kopernik przeniósł Ziemię w sfery niebieskie. Tę „nieczystą”, ewidentnie nie z eteru zbudowaną Ziemię! Można powiedzieć, że Kopernik był tym, który połączył niebo i Ziemię po ich długiej separacji. Nie było to natychmiastowe. Nawet nie było oczywiste, że Słońce musi być w centrum. Znakomity astronom duński Tycho Brahe zgadzał się z Kopernikiem, że planety krążą wokół Słońca, ale cała ta czereda miała według niego krążyć wokół Ziemi, która zachowywała swoje centralne miejsce we Wszechświecie.

Co za dziwny pomysł!
Prawda? I zapomniany, bo asystent Brahego, Johannes Kepler, przedstawił model, zgodnie z którym planety poruszały się wokół Słońca po elipsach, i odkrył słynne trzy prawa, według których ten ruch się odbywał. Ale nie były to prawa fizyki, były to opisy tego ruchu. Kepler wywiódł je geometrycznie z właściwości wielościanów, a swoje trzecie prawo, mówiące, że „kwadrat okresu obiegu planety wokół Słońca jest proporcjonalny do sześcianu odległości od Słońca”, otrzymał, analizując w Harmonii Świata pitagorejską muzykę sfer. Z fałszywych powodów otrzymał prawdziwe prawa.

Dziwne.
Tak, ale pamiętaj, że Kepler opisywał obserwacje, a nie szukał praw przyrody. Dla niego Wszechświat, czyli Układ Słoneczny, był obrazem Trójcy Świętej: Słońce jako Ojciec, sfera gwiazd jako Syn, a przestrzeń między nimi jako Duch Święty. Dopiero wielki Izaak Newton odkrył prawa przyrody, których wynikiem były prawa ruchu Keplera. I choć Newton był bardzo pobożny, nie było w jego teorii miejsca na siły nadprzyrodzone. To był początek prawdziwej nauki.

A Galileusz?
Może powinienem był powiedzieć, że to Galileusz zapoczątkował prawdziwą naukę, czyli opis świata bez sił nadprzyrodzonych i boskiej ingerencji. Powiedziałem o Newtonie, bo był pierwszym, który stworzył teorię. Inni przedtem tego próbowali, na przykład Kartezjusz, ale im się nie udało, choć to dzięki Kartezjuszowi powstało pojęcie bezwładności, tak ważne w teorii Newtona. Ale słusznie pytasz o Galileusza, bo on był tym, który uważał, że księga, w której jest opisany Wszechświat, napisana jest językiem matematyki, a jednocześnie utrzymywał, że nauka musi wywodzić się z doświadczenia. A ta cała historia, od Pitagorasa przez Newtona do dziś, wzięła się głównie z ludzkiej ciekawości.