Nieuporządkowane życie planet

Profesor Paul Murdin – badacz czarnych dziur i supernowych, współodkrywca pierwszej gwiezdnej czarnej dziury znalezionej w naszej Galaktyce w układzie Cygnus X-1 – ukazuje Układ Słoneczny w zupełnie nowym świetle.

Jeśli spojrzymy na życie planet z dłuższej perspektywy przekonamy się, że wiele faktów może nas zaskoczyć. Wiedzieliście, że Mars był kiedyś nie czerwony, lecz niebieski? Albo, że na Tytanie – największym księżycu Saturna – znajdują się jeziora pełne płynnego metanu?

W „Nieuporządkowanym życiu planet” fakty, historie i opowieści przeplecione są fascynującymi ciekawostkami.

Całość systematyzuje zawarty na końcu książki słowniczek fachowych terminów użytych w tekście, a także kalendarium najważniejszych odkryć astronomicznych – aż do 2019 roku.

Jeżeli wierzyć powieściom kryminalnym, życie wsi angielskiej jest na ogół spokojne i uregulowane. Ciąg następujących po sobie według ustalonego porządku drobnych i nieistotnych zdarzeń przerywają czasami dramaty, które ujawniają sekrety kryjące się za koronkowymi firankami przesłaniającymi okna w domach ludzi z pozoru godnych szacunku. Zgodnie z grafikiem wioskę w określone dni regularnie odwiedzają listonosz oraz pracownik elektrowni odczytujący liczniki; w każdym miesiącu według planu odbywają się spotkania klubu brydżowego i chóru kościelnego; rokrocznie odbywają się wystawa kwiatów i płodów rolnych oraz jasełka. A potem nagle pułkownik zostaje znaleziony we własnym łóżku, zadźgany nożem przez, jak się okazuje, swojego dawnego partnera w podejrzanych interesach na Dalekim Wschodzie. Zakrystiana znajdują powieszonego na linach kościelnego dzwonu, po czym wychodzi na jaw, że tym sposobem usunął go z listy spadkobierców kochanek jego byłej żony. Naczelniczka poczty tropi autora obrzydliwych anonimów, aż wreszcie topi się w studni, pozostawiając rower nieopodal na wiejskich błoniach. Spokojne życie wioski ulega zaburzeniu, a tajemnice spoczywające tuż pod powierzchnią codzienności zostają obnażone.
Tego rodzaju powieści, autorstwa na przykład Agathy Christie, są zbeletryzowaną wersją rzeczywistości. Chcielibyśmy uważać życie za spokojne i zorganizowane, ale docierają do nas informacje o zdarzeniach rodzących chaos, takich jak wypadki samochodowe, choroby, huragany, powodzie i ataki terrorystyczne; czasami w nich uczestniczymy.
Na tej samej zasadzie możemy mieć wrażenie, że Układ Słoneczny jest tworem stałym i doskonale wyregulowanym, jak zegarek czy instrumenty w planetarium. W krótkiej skali czasowej rzeczywiście tak jest. Ale kiedy wydłużymy perspektywę, zobaczymy, że planety i ich satelity mają pasjonujące, pełne dramatycznych wydarzeń życie. Zmiany w życiu planet, tak jak w życiu ludzi, mają zwykle charakter ewolucyjny i zachodzą stopniowo, co odpowiada naturalnym procesom dojrzewania człowieka. Czasami jednak, podobnie jak katastrofy przeobrażające życie ludzkie, zmiany bywają przełomowe i siłą wprowadzają planetę na nową trajektorię, dosłownie i w przenośni. Takie wstrząsające wypadki pozostawiają po sobie ślad na planetach, wpływając na ich wygląd i strukturę, a jednym z zadań planetologii jest wysnuwanie na tej podstawie wniosków, dociekanie, co wydarzyło się w czasach zamierzchłych. „Teraźniejszość jest kluczem do przeszłości”, napisał o Ziemi dziewiętnastowieczny szkocki geolog Archibald Geikie. To, co odnosi się do Ziemi, dotyczy też wszystkich innych planet.
Wyobrażenie, że Układ Słoneczny działa jak zegarek, osiągnęło szczyt popularności w osiemnastym wieku. Swoje domniemania co do podstaw geometrii Układu Słonecznego jako układu planet krążących po orbicie wokół Słońca przedstawił w 1543 roku polski duchowny Mikołaj Kopernik, a ich słuszności dowiódł włoski fizyk Galileusz, dokonując w 1610 roku odkryć przy użyciu teleskopu. Prawa empiryczne opisujące matematyczne własności orbit planetarnych, na przykład fakt, że są one elipsami, zostały sprecyzowane przez niemieckiego astronoma Johannesa Keplera w latach 1609–1619. Łącząc wszystkie te odkrycia, matematyk Isaac Newton zdefiniował w 1687 roku podstawowe fizyczne zasady ruchu planet, opisując je w dziele znanym dziś jako Principia, w którym zaprezentował genialnie proste i dokładnie sformułowane prawo powszechnego ciążenia.
Zgodnie z modelem Newtona Układ Słoneczny stanowi przemyślane dzieło matematyczne. W 1726 roku Newton stwierdził, że „cudowne rozmieszczenie Słońca, planet i komet może być tylko dziełem Istoty wszechpotężnej i inteligentnej”. Według Newtona to Bóg zarządza ruchami obiektów Układu Słonecznego i poprzez prawo powszechnego ciążenia kontroluje przemieszczanie się planet w ich wędrówce ku przyszłości.
Ten model wszechświata rozwinęli niebawem następcy Newtona, a zwłaszcza francuski fizyk Pierre Simon Laplace. Dowiódł on matematycznie, opierając się na zasadach Newtona, że Układ Słoneczny jest stabilny. Planety krążą wokół Słońca po płaskich orbitach i będą to robiły bez końca. Uważał zatem, że Układ Słoneczny, raz stworzony, pozostanie niezmienny na zawsze. Układ Słoneczny jest tworem wiecznym, w którego rozwój od samego początku wpisana była nieodwracalność.

Laplace potrafił przeświadczenie odnośnie do praw fizyki wyrazić z przekonaniem opartym na wierze:

Powinniśmy traktować obecny stan Wszechświata jako rezultat jego wcześniejszego stanu i przyczynę stanu, który dopiero nastąpi. Inteligentny byt znający wszystkie siły działające w naturze w danym momencie, jak również chwilowe pozycje wszystkich obiektów we Wszechświecie, potrafi zawrzeć w jednej prostej formule ruchy największych w świecie ciał oraz najlżejszych atomów, jego intelekt jest bowiem dostatecznie potężny, aby poddać analizie wszystkie dane; nie ma dla niego rzeczy niepewnych, przyszłość i przeszłość są teraźniejszością w jego oczach.

A oto, jak w wybitnym dziele zatytułowanym Natural Theology or Evidences of the Existence and Attributes of the Diety [Teologia naturalna albo dowody istnienia i przymioty Boga], opublikowanym w początkach osiemnastego wieku, budowę układu planetarnego opisał teolog William Paley:

Siłą sprawczą w tych [planetarnych] układach jest przyciąganie, które jest odwrotnie proporcjonalne do kwadratu odległości: to znaczy po podwojeniu odległości ma czterokrotnie mniejszą siłę; po zmniejszeniu odległości o połowę działa z poczwórną siłą; i tak dalej… Jeżeli potrafimy te twierdzenia uzasadnić, możemy mówić, jak sądzę, o dowodzie na wybór i uporządkowanie; wybór z bezgranicznej różnorodności i uporządkowanie tego, co ze swej natury było pod względem porządkowanej własności obojętne i nieokreślone.

Paley przyrównał Układ Słoneczny (a także anatomię człowieka i inne zjawiska naturalne) do skomplikowanego, dobrze skonstruowanego zegarka. Wywnioskował na tej podstawie, że tak jak zegarek został stworzony w określony sposób przez zegarmistrza, tak zjawiska naturalne zostały stworzone przez Boga, czyli Boskiego Zegarmistrza. Jest to tak zwany argument teologiczny na istnienie Boga (znany też jako argument z projektu). Krótko mówiąc, argumentacja jest następująca: zjawiska naturalne przebiegają w sposób właściwy; są do siebie misternie dopasowane, tak jakby ktoś to zaprojektował; musiał więc istnieć projektant; projektantem jest Bóg. Paley argumentował, że kiedy znajdujemy zegarek leżący na ziemi, wniosek jest naszym zdaniem oczywisty: zegarek musiał mieć swojego twórcę; w takim czy innym czasie i w takim czy innym miejscu musiał istnieć rzemieślnik (rzemieślnicy), który nadał mu taki kształt, aby służył określonemu, zrozumiałemu dla nas celowi; rzemieślnik, który rozumiał jego budowę i zaprojektował jego zastosowanie.
Był to pokrzepiający model wszechświata: w naszym życiu panuje harmonia, tak jak zaprojektowała to Istota Najwyższa. Paley zastosował tę koncepcję do planet Układu Słonecznego, ale odniósł ją również do anatomii człowieka – ludzkie oko, podobnie jak wszystko inne, wydaje się wykonane według określonego projektu, a projektantem był Bóg. Model zaproponowany przez Paleya przetrwał do czasów współczesnych, a jego książka jest wciąż cytowana.
Wiek dziewiętnasty zaprezentował alternatywną teorię naturalną wyjaśniającą budowę ludzkiego ciała. Była to teoria ewolucji Darwina. U istot żywych projekt istnieje tylko pozornie, jako że naturalne różnice odziedziczone po którymś z rodziców są przekazywane kolejnemu pokoleniu pod warunkiem, że różnice te sprzyjają osiągnięciu sukcesu biologicznego. Zachodzi zatem powtarzający się, ewolucyjny proces, w którym struktura organu biologicznego udoskonala się, aby lepiej służyć swemu przeznaczeniu. To tylko wrażenie, że dany organ został zaprojektowany celowo. W dzisiejszych czasach argumenty z dzieła Paleya są wykorzystywane głównie w celu poparcia poglądów przeciwnych teorii ewolucji Darwina, często na rzecz kreacjonizmu, koncepcji, zgodnie z którą wszechświat, a w szczególności rodzaj ludzki, został stworzony raz na zawsze przez Boga.
Biologia przedstawia argumenty dowodzące w sposób naukowy, że stworzenia żywe najwyraźniej ewoluują w kierunku przewidzianego modelu poprzez stopniowe, dziedziczne zmiany, których rezultatem jest doskonalenie funkcji w wyniku doboru naturalnego. W fizyce postęp, jaki dokonał się w dziedzinie mechaniki kwantowej w wieku dwudziestym, podał w postmodernistyczną wątpliwość bazujące na teologii naturalnej przekonania Paleya dotyczące zjawisk fizycznych. Mechanika kwantowa wprowadziła definitywnie zasadę nieoznaczoności: wynik danego procesu w fizyce jest z natury niepewny i nie istnieje coś takiego jak nieuchronność rezultatu naturalnych zmian fizycznych, a jedynie wiele różnych możliwości, przy czym niektóre z nich są bardziej pożądane od innych.
W najbardziej oczywisty sposób widać to w zachowaniu mikrocząstek – elektronów, atomów, kwarków itd. Również w astronomii przyszłość makroobiektów, takich jak Układ Słoneczny, nie jest pewna – w tym wypadku pozostaje to w zgodzie z teorią chaosu – co odkryto przy okazji stosowania teorii grawitacji w astronomii. Oświeceniowe przekonanie Laplace’a, że – bazując na teorii grawitacji – można z zasady przewidzieć wszystko, co stanie się w przyszłości, jest nieprawdziwe. Nie ma żadnej pewności co do przyszłości, jedynie prawdopodobieństwo. To odwrotność tego, co wynika z modelu zegarka.
Mówiąc z dumą o tym, co może przewidzieć potężna inteligencja, Laplace wnioskował na podstawie dokonanej przez Newtona analizy dwóch ciał, z których jedno krąży po orbicie wokół drugiego: Słońca i planety, dwóch gwiazd czy dwóch galaktyk. Orbity są w tych wypadkach rzeczywiście określone raz na zawsze, to powtarzane bez końca elipsy. Ale Układ Słoneczny składa się przecież z więcej niż dwóch ciał – wokół Słońca krąży po orbitach osiem głównych planet i niezliczone mniejsze obiekty. Na pewnym poziomie niemożliwe jest ignorowanie oddziaływania poszczególnych planet na inne, orbity planet są więc w rzeczywistości znacznie bardziej skomplikowane niż powtarzalne elipsy, o których mowa w prostym przypadku dwóch ciał.
Rozszerzenie teorii Newtona z dwóch ciał o choćby tylko jedno, do zaledwie trzech ciał, okazało się trudne, de facto niezmiernie skomplikowane. W 1887 roku król Szwecji zaoferował nagrodę za rozwiązanie problemu nazwanego później problemem trzech ciał; chodziło o wyznaczenie orbit trzech poruszających się ciał oddziałujących na siebie wzajemnie zgodnie z prawem grawitacji. Jednym z rywalizujących o nagrodę był Henri Poincaré; zwyciężył, ponieważ jego analiza okazała się najbardziej imponująca, ale nie znalazł precyzyjnego rozwiązania matematycznego, jakiego poszukiwano.
Poincaré zdołał wyliczyć orbity trzech ciał numerycznie – dziś zrobiłyby to komputery; on musiał wykonać mozolne obliczenia na papierze – ale orbity były „tak zagmatwane, że nie byłem nawet w stanie zacząć ich wykreślać”. Ponadto Poincaré stwierdził, że kiedy trzy ciała startowały z nieznacznie zmienionych pozycji początkowych, orbity były zupełnie inne. „Jest rzeczą prawdopodobną, że niewielkie różnice w pozycjach początkowych mogą prowadzić do ogromnych różnic w ostatecznym kształcie zjawisk. Przewidywanie staje się niemożliwe”.
Badania Poincarégo zostały potwierdzone za pomocą nowoczesnych technik matematycznych. Matematycy, opisując dziś orbity planetarne, określają je jako „chaotyczne”. Kiedy zaczynamy od konkretnej konfiguracji planet, możemy wyliczyć, gdzie będą się one znajdowały za, powiedzmy, 100 milionów lat. Kiedy przesuniemy jedną z planet o zaledwie jeden centymetr w stosunku do jej pozycji początkowej, można by oczekiwać, że efekt, jaki będzie to miało na pozycję planet po tym samym czasie, czyli po upływie 100 milionów lat, będzie podobnych rozmiarów, a więc całkowicie nieistotny. W rzeczywistości planety mogą dosłownie być prawie wszędzie, w granicach możliwości, wynik może zatem być całkowicie różny od poprzedniego. Przesunięcie pozycji, które powstaje w rezultacie nieznacznego przesunięcia początkowego, narasta w sposób niekontrolowany.
We współczesnej fizyce do opisania tego rodzaju zachowań używa się słowa „chaos”; chodzi o zachowania, które są przewidywalne w krótkim okresie, zaś w długim okresie są tak bardzo uzależnione od stanu początkowego, że w tymże długim okresie nie można ich prawidłowo oszacować. Meteorologowie potrafią zazwyczaj przewidzieć pogodę, mniej lub bardziej dokładnie, na dzień albo tydzień do przodu. Jednak, jako że nikt nie umie ocenić, jakie zakłócenia parametrów powietrza powoduje trzepot skrzydeł każdego pojedynczego motyla w Brazylii, meteorologowie nie potrafią przewidzieć, kiedy i w którym miejscu w następnym roku huragan uderzy we Florydę – drobny, nieznany efekt łopotania skrzydłami całkowicie zmienia przyszłość. Ta okoliczność dotycząca prognozowania pogody została odkryta w 1963 roku przez Edwarda Lorenza, meteorologa z Massachusetts Institute of Technology. Kiedy zmienimy choć odrobinę dane początkowe, wzorce pogodowe niezbędne do prognozowania mogą ulec całkowitemu przeobrażeniu. Lorenz nazwał to efektem motyla; James Yorke ukuł termin „chaos”. Pojęcie meteorologicznego chaosu współgrało z wcześniej odkrytą przez Poincarégo cechą orbit planetarnych.
Dla Układu Słonecznego „chaos” oznacza, że w ciągu ostatnich 4 miliardów lat, od czasu uformowania się naszego systemu planetarnego, zaszły nie­dające się oszacować, gwałtowne zmiany w pozycjach planet. Wstrząsy te, które byłe zdarzeniami jedynymi w swoim rodzaju, zadecydowały o charakterze każdej z planet Układu Słonecznego. Jeszcze bardziej zaskakujące i jak dotychczas niewyjaśnione jest to, że, o ile nam wiadomo, Układ Słoneczny jako całość również wydaje się jedyny w swoim rodzaju.