Ciemna materia i dinozaury

Wydaje się, że to ciemna materia może być pośrednio odpowiedzialna za kataklizm, który 66 milionów lat temu spowodował wyginięcie dinozaurów. Jeśli podczas przejścia Słońca przez płaszczyznę Drogi Mlecznej Układ Słoneczny natrafił na dysk gęstej ciemnej materii, jego przyciąganie grawitacyjne wybiło komety z odległych orbit. Niektóre z takich błąkających się komet zostały wyrzucone z naszego układu planetarnego; inne – skierowane w stronę jego środka, gdzie mogło dojść do katastrofalnego zderzenia z Ziemią.

Badania związane z takim hipotetycznym scenariuszem stały się dla Lisy Randall pretekstem do snucia przenikliwych rozważań na temat kosmologii, astrofizyki, a przede wszystkim wciąż tak mało znanej, ciemnej strony naszego Wszechświata.

Profesor Lisa Randall prowadzi badania teoretyczne z zakresu fizyki cząstek elementarnych i kosmologii na Uniwersytecie Harvarda. Jest wybitną popularyzatorką nauki oraz jednym z najczęściej cytowanych i najbardziej wpływowych fizyków teoretyków na świecie.

Słowa „ciemna materia” i „dinozaury” rzadko występują obok siebie – no, może moglibyśmy je usłyszeć wymówione jednym tchem w trakcie gorącej dyskusji na szkolnym boisku, w klubie miłośników gier fabularnych czy w jakimś nowym filmie Spielberga. Ciemna materia jest ową nieuchwytną substancją wypełniającą Wszechświat, która oddziałuje grawitacyjnie tak jak zwyczajna materia, ale nie emituje światła ani go nie pochłania. Astronomowie wykrywają jej wpływ grawitacyjny, ale nie mogą jej zobaczyć. Natomiast dinozaury… Cóż, chyba nie muszę wyjaśniać, czym one są. Oczywiście chodzi o kręgowce, które były dominującą formą życia na Ziemi w okresie od 231 do 66 milionów lat temu.
Zarówno ciemna materia, jak i dinozaury są już same w sobie niezwykle fascynujące i mogłoby się wydawać, że tej niewidocznej fizycznej substancji i słynnych wymarłych zwierząt nic ze sobą nie łączy. I faktycznie może tak być. Jednak Wszechświat z definicji jest jednym obiektem i w zasadzie wszystkie jego elementy jakoś ze sobą oddziałują. W tej książce rozważymy hipotetyczny scenariusz, który zaproponowałam razem ze swoimi współpracownikami, zakładający, że ciemna materia może w ostatecznym rozrachunku (w sposób pośredni) ponosić odpowiedzialność za wyginięcie dinozaurów.
Paleontolodzy, geolodzy i fizycy udowodnili, że 66 milionów lat temu w Ziemię uderzył obiekt kosmiczny o średnicy przynajmniej dziesięciu kilometrów, co doprowadziło do wyginięcia zamieszkujących naszą planetę dinozaurów, a także trzech czwartych pozostałych gatunków występujących na jej powierzchni. Obiektem tym mogła być kometa z odległych zakątków Układu Słonecznego, ale nikt nie wie, dlaczego tor jej ruchu został zakłócony, tak że opuściła swoją luźno związaną, ale jednak stabilną orbitę.
Nasza propozycja zakłada, że podczas przejścia Słońca przez płaszczyznę Drogi Mlecznej – ów pas gwiazd i jasnego pyłu, który widać na bezchmurnym nocnym niebie – Układ Słoneczny natrafił na dysk ciemnej materii, który zakłócił ruch jednego z takich odległych obiektów kosmicznych i tym samym doprowadził do katastrofalnego zderzenia. Uczonym udało się już ustalić, że w bezpośrednim sąsiedztwie Galaktyki przeważająca część otaczającej nas ciemnej materii ma postać gładkiego, rozproszonego, sferycznego halo. Ten rodzaj ciemnej materii, który doprowadził do wyginięcia dinozaurów, musiał mieć jednak zupełnie inny rozkład od tego, jaki obserwujemy w nieuchwytnej ciemnej materii wypełniającej Wszechświat. Taki dodatkowy typ ciemnej materii nie może wpływać na halo, ale za sprawą zupełnie odmiennych oddziaływań powinien tworzyć gęsty dysk w samym środku płaszczyzny Drogi Mlecznej. Słońce wraz z całym Układem Słonecznym krąży po orbicie wewnątrz Galaktyki i podczas przejścia przez taki wąski obszar o ogromnej gęstości dysk ciemnej materii musiałby na nie wywierać niezwykle silny wpływ grawitacyjny. Jego przyciąganie grawitacyjne mogłoby wybijać komety z zewnętrznych obszarów Układu Słonecznego, ponieważ oddziaływanie Słońca jest tam zbyt słabe, by temu zapobiec. Takie błąkające się komety mogłyby zostać wyrzucone z naszego układu planetarnego lub – co miałoby dużo poważniejsze konsekwencje – skierowane w stronę jego środka, gdzie mogłoby dojść do ich zderzenia z Ziemią.
Powiem może od razu, że nie wiem, czy ta koncepcja jest poprawna. Jedynie jakiś niezwykły rodzaj ciemnej materii mógłby wywierać zauważalny wpływ na żywe organizmy (a raczej, w tym wypadku, na organizmy dawno już wymarłe). Ta książka jest opowieścią o naszej niezwykłej hipotezie dotyczącej takiej właśnie dziwnej ciemnej materii, która wywiera zauważalny wpływ.
Jednak tego rodzaju spekulacje – choć niewątpliwie bardzo intrygujące – nie stanowią istoty książki. Równie ważne dla jej treści, co historia zabójczej komety, są związane z tym wątkiem badania prowadzone na gruncie uznanych dziedzin nauki, takich jak kosmologia i wiedza o Układzie Słonecznym. Mam ogromne szczęście, że zagadnienia, którymi się zajmuję, pozwalają mi się często zastanawiać nad wielkimi pytaniami, takimi jak: Z czego składa się materia? Jaka jest natura przestrzeni i czasu? Jak ewolucja Wszechświata doprowadziła do powstania świata, który widzimy wokół siebie? Mam nadzieję, że w tej książce uda mi się zająć również tego typu kwestiami.
Opisane tu badania stały się dla mnie pretekstem do snucia rozważań na temat kosmologii, astrofizyki, geologii, a nawet biologii. Wciąż skupiałam się na fizyce podstawowej, ale ponieważ przez całe życie zajmowałam się bardziej tradycyjną fizyką cząstek – czyli badaniem elementów składowych znanej nam materii, takiej jak papier czy ekran, na którym czytacie ten tekst – było coś niezwykle orzeźwiającego w tym, że mogłam się zająć analizą tego, co wiemy (i czego się wkrótce dowiemy) o ciemnej stronie świata, a także tym, jakie znaczenie mają podstawowe procesy fizyczne dla Układu Słonecznego i Ziemi.
W książce Ciemna materia i dinozaury wyjaśnimy, co obecnie wiemy o Wszechświecie, Drodze Mlecznej i Układzie Słonecznym, powiemy także, jakie warunki musiały być spełnione, żeby na Ziemi mogło powstać i rozwijać się życie. Omówimy kwestie związane z ciemną materią i kosmosem, a także zajmiemy się kometami, planetoidami oraz powstaniem i wyginięciem istot żywych, przy czym szczególną uwagę poświęcimy obiektowi kosmicznemu, który spadł na Ziemię i zgładził żyjące na niej dinozaury – a także znaczną część pozostałych stworzeń zamieszkujących naszą planetę. Mam nadzieję, że udało mi się przedstawić w tej książce wiele zdumiewających powiązań, dzięki którym znaleźliśmy się tutaj i możemy lepiej zrozumieć wszystko, co się obecnie dzieje. Zawsze gdy rozmyślamy o naszej planecie, powinniśmy dobrze rozumieć kontekst, w którym się wykształciła.
Gdy zaczęłam się zastanawiać nad pojęciami leżącymi u podstaw idei opisanych w tej książce, uderzył mnie i oczarował nie tylko ogrom wiedzy o naszym otoczeniu – lokalnym, planetarnym, galaktycznym i wszechświatowym – ale także to, jak wiele chcemy zrozumieć, oglądając świat z naszego przypadkowego, maleńkiego zakątka tu, na Ziemi. Zdumiały mnie również liczne związki łączące zjawiska, które ostatecznie doprowadziły do naszego istnienia. Żeby nie było wątpliwości: nie jestem osobą religijną. Nie czuję potrzeby przypisywania wszystkiemu celu lub sensu. Mimo to, gdy zastanawiam się nad ogromem Wszechświata, naszą przeszłością i nad tym, jak to wszystko do siebie pasuje, nie mogę się oprzeć uczuciom, które zwykle kojarzymy z religijnością. Dzięki nim możemy spojrzeć na troski życia codziennego z zupełnie innej perspektywy.
Te nowe badania sprawiły również, że inaczej patrzę teraz na świat i owe niezliczone kawałki Wszechświata, które doprowadziły do powstania Ziemi, a także nas. Gdy dorastałam w Queens, widziałam wokół siebie imponujące budynki Nowego Jorku, ale niewiele przyrody. Nieliczne przykłady świata przyrody, które miałam okazję zobaczyć, miały postać wypielęgnowanych parków i przystrzyżonych trawników – nie przypominały więc zbytnio tego, czym były przed pojawieniem się człowieka. A jednak gdy chodzimy po plaży, stąpamy w istocie po roztartych na pył stworzeniach – a raczej ich osłonkach. Wapienne urwiska, które możemy zobaczyć na wybrzeżu i w górach, również zbudowane są z istot żyjących na Ziemi przed milionami lat. Łańcuchy górskie powstały w wyniku zderzeń płyt tektonicznych, przemieszczających się za sprawą roztopionej magmy, która jest efektem oddziaływania substancji radioaktywnych uwięzionych głęboko w pobliżu jądra Ziemi. Używana przez nas energia powstała za sprawą procesów jądrowych zachodzących na Słońcu – przy czym po jej wyemitowaniu w reakcjach termojądrowych została później przetworzona i zmagazynowana w różnej postaci. Wiele wykorzystywanych przez nas zasobów naturalnych składa się z cięższych pierwiastków wytworzonych w przestrzeni kosmicznej, które zostały przyniesione na powierzchnię Ziemi przez planetoidy i komety. Również niektóre aminokwasy trafiły na powierzchnię Ziemi za sprawą meteoroidów – i być może doprowadziły do powstania życia. A zanim doszło do tego wszystkiego, ciemna materia utworzyła skupiska, które za sprawą grawitacji przyciągały do siebie coraz więcej materii i ostatecznie przekształciły się w galaktyki, gromady galaktyk i gwiazdy, takie jak Słońce. Zwyczajna materia – tak dla nas istotna – nie wyjaśnia wszystkiego.
Choć możemy ulegać złudzeniu, że żyjemy w niezależnym środowisku, to jednak każdego dnia o wschodzie Słońca i każdej nocy, gdy Księżyc i odległe gwiazdy pojawiają się na niebie, przekonujemy się, że nasza planeta nie jest sama we Wszechświecie. Gwiazdy i mgławice są kolejnymi dowodami na to, że żyjemy w Galaktyce stanowiącej część o wiele większego Wszechświata. Krążymy po orbicie w Układzie Słonecznym i zmieniające się pory roku przypominają nam o naszym położeniu w jego wnętrzu. Nawet stosowana przez nas miara czasu, operująca dniami i latami, świadczy o wpływie naszego otoczenia.

Przygotowując się do napisania tej książki, wiele czytałam i przeprowadziłam badania, dzięki którym uświadomiłam sobie cztery niezwykle inspirujące fakty, którymi chciałabym się tu z wami podzielić. Najbliższe memu sercu jest uczucie zadowolenia, jakie płynie ze zrozumienia tego, jak poszczególne fragmenty Wszechświata łączą się ze sobą na wiele wspaniałych sposobów. Najważniejszą nauką, jaka wynika z tego na najbardziej podstawowym poziomie, jest wniosek, że fizyka cząstek elementarnych, fizyka kosmosu i biologia życia są ze sobą ściśle związane – nie w jakimś bliżej niesprecyzowanym sensie rodem z filozofii New Age, ale w konkretny, niezwykły sposób, który warto dobrze zrozumieć. Kosmiczna materia bezustannie bombarduje Ziemię. Mimo to naszą planetę łączy z otoczeniem związek, w którym nie wszystko jest negatywne. Niektóre elementy naszego kosmicznego środowiska mają korzystny wpływ na naszą planetę, ale wiele z nich może stanowić dla niej śmiertelne zagrożenie. Odpowiednie położenie Ziemi w Układzie Słonecznym zapewnia właściwą temperaturę na jej powierzchni. Planety zewnętrzne zmieniają tor ruchu planetoid i komet, zanim uderzą one w Ziemię. Wzajemne położenie Księżyca i Ziemi stabilizuje naszą orbitę na tyle, że nie dochodzi do skrajnych fluktuacji temperatury, a zewnętrzne obszary Układu Słonecznego osłaniają nas przed niebezpiecznymi promieniami kosmicznymi. Niewykluczone, że dzięki meteoroidom na naszej planecie pojawiły się związki niezbędne do powstania życia, ale nie ulega wątpliwości, że obiekty te wywarły również zgubny wpływ na rozwój organizmów żywych. Przynajmniej jeden z nich 66 milionów lat temu doprowadził do katastrofalnego wyginięcia organizmów żywych. Choć w wyniku tego zdarzenia z powierzchni Ziemi zniknęły dinozaury, to doprowadziło ono do wyewoluowania większych ssaków, w tym i nas samych.
Druga kwestia – nie mniej imponująca – związana jest z tym, że wiele faktów naukowych przedstawionych w tej książce poznaliśmy zupełnie niedawno. Być może następujące stwierdzenie można wygłosić w dowolnym momencie historii ludzkości, ale to nie umniejsza jego znaczenia: W ciągu ostatnich [tu należy wstawić liczbę właściwą dla danego kontekstu] lat dokonaliśmy ogromnego postępu naukowego. W odniesieniu do opisywanych tu osiągnięć liczba ta jest mniejsza niż 50. Gdy prowadziłam własne badania i czytałam o dokonaniach innych uczonych, raz za razem zdumiewało mnie to, że tak wiele niedawnych odkryć ma charakter przełomowy, a nawet rewolucyjny. Można podać liczne przykłady ludzkiej pomysłowości i uporu świadczące o tym, jak uczeni próbują pogodzić swoją wiedzę z często zaskakującymi, zawsze fascynującymi, a czasami przerażającymi rzeczami, których dowiadujemy się o świecie. Przedstawione tu fakty naukowe są częścią większej historii, obejmującej 13,8 lub 4,6 miliarda lat, w zależności od tego, czy skupiamy uwagę na Wszechświecie, czy na Układzie Słonecznym. Niemniej jednak historia istot ludzkich odkrywających te fakty liczy niewiele ponad sto lat.
Dinozaury wyginęły 66 milionów lat temu, ale paleontolodzy i geolodzy uświadomili sobie istotę tego zdarzenia dopiero w latach siedemdziesiątych i osiemdziesiątych XX wieku. Po przedstawieniu odpowiednich koncepcji społeczności uczonych wystarczyło już tylko kilka dziesięcioleci, by je w pełni ocenić. Umiejscowienie tych zdarzeń w czasie nie było całkowicie przypadkowe. Związek wyginięcia dinozaurów z uderzeniem pozaziemskiego obiektu nabrał większej wiarygodności, gdy astronauci wylądowali na Księżycu i mogli z bliska przyjrzeć się jego kraterom. Znaleźli w nich szczegółowe ślady działania procesów dynamicznych w Układzie Słonecznym. Dzięki znaczącemu rozwojowi fizyki cząstek i kosmologii w ciągu ostatnich pięćdziesięciu lat dowiedzieliśmy się wiele o Modelu Standardowym, który opisuje podstawowe składniki materii takiej, jak ją obecnie rozumiemy. Jednak dopiero w ostatnich dziesięcioleciach XX wieku udało się nam ustalić, jaka jest ilość ciemnej materii i ciemnej energii we Wszechświecie. Mniej więcej w tym samym czasie zmieniła się też nasza wiedza o Układzie Słonecznym, a dopiero w latach dziewięćdziesiątych XX wieku uczeni odkryli w pobliżu Plutona obiekty tworzące pas Kuipera, świadczące o tym, że Pluton nie krąży sam po swojej orbicie. W efekcie zmniejszyła się liczba planet – a było to możliwe tylko dzięki temu, że fakty naukowe, które mogliśmy poznać już w szkole podstawowej, są obecnie znacznie bogatsze i bardziej złożone.
Trzeci ważny wniosek ma związek z tempem zmian. Dobór naturalny prowadzi do zmiany organizmów, ale pod warunkiem, że jest wystarczająco dużo czasu, by dany gatunek mógł wyewoluować. Taki proces adaptacji nie obejmuje zmian o charakterze radykalnym. Jest na to zdecydowanie za wolny. Dinozaury nie miały szans na to, by przygotować się na uderzenie w Ziemię meteoroidu o średnicy 10 kilometrów. Nie mogły się przystosować do nowych warunków. Te z nich, które znajdowały się na lądzie i były zbyt duże, by zagrzebać się pod ziemią, nie miały żadnych szans na przeżycie. W czasach gdy wciąż pojawiają się nowe idee i rozwiązania techniczne, coraz większą rolę odgrywają rozważania na temat roli zmian stopniowych i radykalnych. Kluczem do zrozumienia większości nowych odkryć – naukowych i innych – jest tempo opisywanych przez nie procesów. Często słyszy się, że niektóre osiągnięcia, takie jak badania genetyczne lub postęp wynikający z rozwoju Internetu, miały niezwykle burzliwy przebieg. Nie jest to jednak do końca prawdą. Pełniejsze zrozumienie chorób czy układu krążenia, które nastąpiło już kilkaset lat temu, pociągnęło za sobą równie głębokie zmiany jak badania genetyczne obecnie. Wprowadzenie pisma, a później druku, wpłynęło na to, jak ludzie zdobywają wiedzę i jak myślą, w sposób nie mniej głęboki od tego, co nastąpiło w wyniku rozwoju Internetu. Tak jak w wypadku tych osiągnięć, bardzo ważnym aspektem obecnej zmiany jest jej szybkość – kwestia ta ma znaczenie nie tylko dla badań naukowych, ale dotyczy także zmian środowiskowych i socjologicznych. Choć zagłada w wyniku uderzenia meteoroidu nie jest raczej obecnie naszym największym zmartwieniem, to jednak duże obawy budzi coraz większe tempo zmian środowiska i wymierania gatunków, a wpływ tych zjawisk może być pod wieloma względami porównywalny z katastrofą spowodowaną uderzeniem kosmicznego obiektu. Nie ukrywam, że jednym z celów napisania tej książki było umożliwienie lepszego zrozumienia zdumiewającej historii tego, jak się tu znaleźliśmy, i zachęcenie nas wszystkich do mądrego wykorzystania tej wiedzy.
Czwartym ważnym spostrzeżeniem jest to, że nauka potrafi w zdumiewający sposób opisać ukryte elementy naszego świata i jego rozwój – pozwala też określić, jak wiele o Wszechświecie możemy się w ogóle dowiedzieć. Wielu ludzi fascynuje idea multiwszechświata – możliwość istnienia innych wszechświatów znajdujących się poza naszym zasięgiem. Jednak nie mniej pasjonujące są liczne ukryte światy – zarówno biologiczne, jak i fizyczne – które możemy zbadać i lepiej poznać. Mam nadzieję, że w książce Ciemna materia i dinozaury uda mi się przekonać wszystkich, iż zastanawianie się nad tym, co już wiemy – a także nad tym, czego możemy się dowiedzieć w przyszłości – może być niezwykle inspirujące.