Kosmos dla początkujących

Neil De Grasse Tyson przeciętnemu czytelnikowi niezwiązanemu ze światem nauki może kojarzyć się przede wszystkim z przystępnym i zabawnym pisaniem na temat poważnych rzeczy, jakie dzieją się wysoko ponad naszymi głowami. Autor bestsellerowej książki „Astrofizyka dla zabieganych” z wykształcenia jest badaczem kosmicznych tajemnic, a na co dzień dyrektorem The Hayden Planetarium przy American Museum of Natural History na Manhattanie. Zna się więc na tym, o czym pisze, więcej niż znakomicie.

Popularyzacją wiedzy na temat zachodzących w naturze zjawisk zajmuje się niestrudzenie – zarówno za pomocą słowa pisanego, jak i programów w telewizji, za co otrzymał już wiele wyróżnień i nagród.

Książka „Kosmiczne zachwyty i rozterki” mieści się oczywiście w ramach podejmowanych przez niego działań. Zawiera zbiór esejów publikowanych wcześniej w czasopiśmie „Natural History”, niedostępnym w edycji polskiej, są one zatem w większości mało znane polskim czytelnikom. Stanowią one krótkie rozdziały inspirowane najnowszymi odkryciami kosmicznymi widzianymi jednakże przez pryzmat osobistych doświadczeń, poglądów i poczucia humoru samego autora.

To wszystko czyni eseje Neila De Grasse Tysona lekturą zabawną, w przystępny sposób popularyzującą elementy wiedzy, wydawałoby się, niełatwe w odbiorze dla czytelnika nie będącego fachowcem-astrofizykiem. Autorowi udaje się pisać w sposób, który nie jest nudny, a szeroki wachlarz poruszanych tematów usatysfakcjonuje szerokie grono odbiorców. Wielu z nich zapewne pamięta co nieco zagadnień z termodynamiki, wie co to jest E=mc2 i słyszała o równaniu Drake’a, a jeśli nie, tym bardziej powinni sięgnąć po książkę Tysona.

Każdy esej w zbiorze dotyczy innego tematu, począwszy od narodzin wszechświata, historii odkryć astronomicznych, fascynacji ludzkości czerwonymi wzgórzami Marsa, aż do wojen o status Plutona jako planety. W swoich tekstach Tyson przekazuje czytelnikowi własne poczucie zachwytu nad tajemnicami wszechświata i przekonanie, że jako ludzkość nie osiągnęliśmy jeszcze ostatecznych granic nauki i poznania. Jego entuzjazm jest dość zaraźliwy i prowokuje do własnych przemyśleń.

Tyson pisze w sposób przystępny dla każdego, także dla tych, którzy nie zagłębiali się wcześniej w poruszane tematy. Jego rozważania są łatwe do zrozumienia i zabawne a proste wyjaśnienia bardziej złożonych teorii i terminów pozwolą na przeczytanie książki do końca i zaimponowanie znajomym swoją wiedzą o kwarkach, czarnych dziurach i falach radiowych. ■Robert Wiśniewski

Przedmowa

Wszechświat nie wydaje mi się zbiorem obiektów, teorii i zjawisk, ale przedstawieniem teatralnym, w którym aktorzy poddają się wymyślnym zwrotom akcji. Pisząc na temat kosmosu, mam więc naturalną potrzebę wprowadzenia czytelników za kulisy tego spektaklu, aby mogli z bliska przyjrzeć się dekoracjom, zerknąć do scenariusza i podpatrzyć, w jakim kierunku rozwinie się sztuka. Nieustannie przyświecającym mi celem jest próba wyjaśnienia funkcjonowania wszechświata, co znacznie wykracza poza zrelacjonowanie suchych faktów. Wszechświat pisze dla nas scenariusz, wedle którego na wzór aktorów czasem musimy się uśmiechnąć, czasem wykrzywić twarz w grymasie, a nawet przerazić się nie na żarty, kiedy się tego od nas wymaga. Zbiory Kosmiczne zachwyty i Kosmiczne rozterki w moim przekonaniu otwierają czytelnikom perspektywę tego, co nas w kosmosie wzrusza, poucza i przeraża.
Każdy rozdział tej książki pojawił się wcześniej w tej czy innej formie na łamach magazynu „Natural History” w kolumnie „Universe” w latach 1995–2005. Kosmiczne zachwyty i Kosmiczne rozterki są w pewnym sensie listą przebojów tej kolumny i zawierają eseje, do których napisania najbardziej mnie nakłaniano. Wprowadzono do nich drobne zmiany redakcyjne oraz modyfikacje uwzględniające najnowsze trendy w nauce.
Oddaję ten zbiór w Wasze ręce, Drodzy Czytelnicy. Być może okaże się on miłą odmianą w Waszym codziennym życiu.
Neil deGrasse Tyson
Nowy Jork
październik 2006

Prolog
Początki nauki

Sukcesy praw fizyki w wyjaśnianiu zachodzących w otaczającym nas świecie zjawisk często wpływają na formułowanie aroganckich sądów o stanie ludzkiej wiedzy – że to, czego jeszcze nie wiemy, to niemające wielkiego znaczenia szczegóły. Nawet niektórzy laureaci Nagrody Nobla i inni szacowni naukowcy nie uniknęli tej pułapki i narazili się na kompromitację.
Jedną ze słynnych proklamacji końca nauki wygłosił w 1894 roku podczas ceremonii otwarcia Laboratorium Fizycznego Ryersona na Uniwersytecie w Chicago późniejszy noblista Albert A. Michelson. Powiedział wówczas:
Najważniejsze z fundamentalnych praw i twierdzeń fizyki zostały już poznane i jednoznacznie potwierdzone, zatem wyparcie ich przez inne nowe zasady jest bardzo mało prawdopodobne. (…) Przyszłych odkryć należy oczekiwać na poziomie szóstego miejsca po przecinku.
Współczesny Michelsonowi genialny astronom Simon Newcomb, współzałożyciel Amerykańskiego Towarzystwa Astronomicznego, nieco wcześniej, bo w 1888 roku, wyraził podobne do Michelsona poglądy, pisząc: „Najprawdopodobniej dochodzimy do kresu wszystkiego, czego można się dowiedzieć w astronomii”. Zbytnią pewnością siebie wykazał się nawet wielki fizyk lord Kelvin (na cześć którego nazwano bezwzględną skalę temperatury), który w 1901 roku stwierdził: „W fizyce nie ma już nic nowego do odkrycia. Jedyne, co nam pozostało, to coraz dokładniejsze pomiary”. Wszystkie te stwierdzenia padły w czasach, kiedy uważano, że światło w kosmosie rozchodzi się w ośrodku zwanym eterem, a niewielka różnica pomiędzy obserwowanym a wynikającym z obliczeń obiegiem Merkurego wokół Słońca wciąż pozostawała niewyjaśniona. Takie rozterki wydawały się w tamtych czasach drobnostkami i zakładano, że przy niewielkich modyfikacjach istniejących praw fizyki uda się je wyjaśnić.
Na szczęście Max Planck, jeden z twórców mechaniki kwantowej, był nieco bardziej przezorny niż przestrzegający go w 1874 roku nauczyciel, którego słowa wspominał w wykładzie z 1924 roku:
Kiedy po rozpoczęciu studiów fizycznych udałem się do mojego czcigodnego nauczyciela Philippa von Jolly’ego po poradę, (…) przedstawił mi fizykę jako dobrze rozwiniętą i niemal w pełni poznaną naukę. (…) Może w którymś zakamarku czaiła się jeszcze jakaś pojedyncza cząsteczka kurzu albo mały bąbel, który należało zbadać i sklasyfikować. Jednak systemowi jej zasad właściwie nic nie zagrażało, a fizyka teoretyczna osiągnęła niemal taki stan doskonałości, jaki od wieków posiadała na przykład geometria.
Początkowo Planck nie miał powodów, aby podważać poglądy swego mentora. Jednak kiedy okazało się, że klasyczne wyjaśnienie promieniowania cieplnego materii jest nie do pogodzenia z wynikami eksperymentu, Planck stał się w 1900 roku przypadkowym rewolucjonistą, postulując istnienie kwantu – niepodzielnej porcji energii. Otworzyło to zupełnie nowy rozdział w fizyce. W ciągu kolejnych trzydziestu lat sformułowane zostały szczególna i ogólna teoria względności, pojawiła się mechanika kwantowa i odkryto zjawisko rozszerzania się wszechświata.
Biorąc pod uwagę krótkowzroczność niektórych jego poprzedników, mogłoby się wydawać, iż błyskotliwy i bardzo twórczy fizyk Richard Feynman nie wpadnie w tę samą pułapkę. W swej znakomitej książce pod tytułem Charakter praw fizycznych pisze on jednak:
Mamy szczęście, że żyjemy w epoce wielkich odkryć. (…) Obecnie odkrywamy podstawowe prawa natury i ten okres nigdy się już nie powtórzy. To cudowne, podniecające czasy, ale kiedyś się skończą.
Nie twierdzę, że wiem, kiedy i gdzie nastąpi koniec nauki, ani czy kiedykolwiek do tego dojdzie. Wiem natomiast, że jesteśmy głupsi, niż potrafimy to przed sobą przyznać. To bardziej ograniczenia naszych zdolności umysłowych niż nauki jako takiej przekonują mnie, że dopiero zaczynamy odkrywanie wszechświata.
Załóżmy na chwilę, że ludzie są najinteligentniejszym gatunkiem na Ziemi. Jeśli na potrzeby dyskusji zdefiniujemy inteligencję jako umiejętność abstrakcyjnego matematycznego myślenia, to moglibyśmy stwierdzić, że ludzkość jako jedyna posiada tę cechę.
Jakie są szanse, że pierwszy i jedyny inteligentny gatunek w historii jest wystarczająco mądry, aby w pełni zrozumieć zjawiska zachodzące w kosmosie? Szympansy są ewolucyjnie tylko o krok za nami, a mimo to – jak długo byśmy je uczyli – raczej nie opanują trygonometrii. Spróbujmy sobie jednak wyobrazić, że na Ziemi lub gdzie indziej w kosmosie istnieje gatunek o tyle inteligentniejszy od człowieka, o ile człowiek przewyższa inteligencją szympansa. W jakim stopniu byłby on w stanie zrozumieć wszechświat?
Znający grę w kółko i krzyżyk wiedzą, że jej zasady są na tyle trywialne, iż jeśli wykona się odpowiedni ruch na początku, to albo się wygrywa, albo blokuje przeciwnika do końca rozgrywki. Małe dzieci jednak grają w tę grę tak, jakby jej wyniku nie dało się przewidzieć. Reguły gry w szachy też są proste i przejrzyste, ale przewidzenie sekwencji ruchów przeciwnika staje się tym trudniejsze, im dłużej trwa pojedynek. Nawet dla bardzo sprytnych i utalentowanych dorosłych gra w szachy jest więc sporym wyzwaniem i trudno przewidzieć, jak się zakończy.
Jednym z najmądrzejszych ludzi w historii był według mnie Isaac Newton. Ta opinia nie jest zresztą odosobniona. Na jego popiersiu w Trinity College w Anglii widnieje inskrypcja Qui genus humanum ingenio superavit, co w tłumaczeniu z łaciny oznacza mniej więcej: „największy intelekt wśród ludzi”. Newton podsumował stan swojej wiedzy w następujący sposób:
Nie wiem, co myślą o mnie inni. Ja postrzegam siebie jako małego chłopca, bawiącego się na plaży i cieszącego się ze znalezienia od czasu do czasu gładszego kamyka albo muszelki ładniejszej od innych, podczas gdy tuż obok znajduje się wielki ocean ukrytych przede mną prawd.
Kosmos jest jak gra w szachy, której zasady są tylko częściowo znane. Czasem zachowuje się on w sposób bardzo tajemniczy, trochę tak, jakby podporządkowywał się jakimś sekretnym, niejawnym regułom, których nie ma w spisanej do tej pory instrukcji.
Umiejętność odróżniania wiedzy o obiektach i zjawiskach przebiegających w oparciu o znane prawa fizyki od znajomości tychże praw leży u podstaw wszystkich przekonań, że nauka ma się ku końcowi. Odkrycie życia na Marsie lub pod lodową powłoką księżyca Jowisza, Europy, byłoby niewątpliwie największym odkryciem wszech czasów. Jednak własności fizyczne i chemiczne atomów znalezionych tam form życia byłyby zapewne takie same jak atomów tworzących ziemskie organizmy żywe. Nie potrzebowalibyśmy więc żadnych nowych praw.
Rzućmy jednak okiem na kilka nierozwiązanych problemów z newralgicznych obszarów współczesnej astrofizyki, które pokazują, jak rozległa jest nasza niewiedza. Ich rozwikłanie z dużym prawdopodobieństwem wpłynie na odkrycie zupełnie nowych dziedzin fizyki.
Choć mamy bardzo dużą pewność co do słuszności teorii Wielkiego Wybuchu jako modelu ewolucji wszechświata, to na temat tego, co znajduje się poza kosmicznym horyzontem, oddalonym od nas przynajmniej o 13,7 miliarda lat świetlnych, możemy tylko spekulować. To, co wydarzyło się przed Wielkim Wybuchem, i dlaczego musiał on nastąpić, pozostaje w strefie domysłów. Niektóre hipotezy formułowane w oparciu o zaawansowane teorie mechaniki kwantowej sugerują, że nasz rozszerzający się kosmos powstał wskutek pojedynczej fluktuacji pierwotnej piany czasoprzestrzennej, a wiele innych fluktuacji dało początek niezliczonej liczbie innych wszechświatów.
Kiedy próbujemy komputerowo symulować setki miliardów galaktyk w czasie krótko po Wielkim Wybuchu, dane z wczesnych i późnych etapów powstawania kosmosu nie zgadzają się ze sobą. Spójny opis początków wszechświata i ewolucji jego wielkoskalowej struktury nadal nam umykają i wszystko wskazuje na to, że jakieś elementy tej układanki nie zostały jeszcze poznane.
Sprawdzające się doskonale przez setki lat prawa ruchu i grawitacji Newtona zostały zastąpione prawami ruchu i grawitacji Einsteina, czyli teoriami względności, w które dziś nikt już nie wątpi. Powszechną akceptacją cieszy się też opisująca kosmos na poziomie atomowym i subatomowym mechanika kwantowa. Tyle tylko, że teoria względności Einsteina w postaci, w jakiej została pierwotnie sformułowana, jest nie do pogodzenia z fizyką kwantową, bowiem każda z nich przewiduje inne zjawiska dla obszaru, w którym się zazębiają. Któraś z nich musi dać za wygraną. Albo jakaś jeszcze nieodkryta część teorii Einsteina potwierdzi prawdziwość założeń mechaniki kwantowej, albo istnieje jakiś brakujący element mechaniki kwantowej, który pozwoli zaakceptować teorię względności.
A może potrzeba jeszcze ogólniejszej teorii, która te dwie połączy i w rezultacie zastąpi? Właśnie w tym celu została opracowana teoria strun. Sprowadza ona kwestię istnienia materii, energii i ich wzajemnych oddziaływań do wibrujących w wielu wymiarach strun energii. W naszej mizernej czasoprzestrzeni rozmaite drgania przybierają postać różnych cząstek i sił. Choć teoria strun od ponad dwudziestu lat ma zagorzałych zwolenników, jej założeń jak na razie nie udało się eksperymentalnie potwierdzić. Jednak mimo rosnącego sceptycyzmu niektórzy nadal wierzą, że uda się ją zweryfikować.
Nadal nie wiemy, co umożliwiło uformowanie się z nieożywionej materii żywych organizmów. Może istnieje jakiś mechanizm lub prawo chemiczne dotyczące samoorganizacji, którego nie znamy? Nie dysponujemy przecież niczym, do czego można by porównać ziemską biologię, więc nie możemy ocenić, co jest konieczne do powstania życia, a co nie odgrywa w tym żadnej roli.
Od momentu ogłoszenia nowatorskich prac Edwina Hubble’a w latach dwudziestych minionego wieku wiemy, że kosmos się rozszerza, a niedawno odkryliśmy, że dodatkowo przyspiesza pod wpływem ujemnego ciśnienia zwanego „ciemną energią”. Obecnie nie mamy nawet roboczych hipotez, które pomogłyby nam ją zrozumieć.
Bez względu na to, jak bardzo jesteśmy przekonani o słuszności naszych badań, eksperymentów, danych czy teorii, zawsze powinniśmy pamiętać, że 85 procent siły grawitacyjnej w kosmosie pochodzi z nieznanego, tajemniczego źródła, które opiera się wszystkim dotychczas wynalezionym narzędziom obserwacji. W tej chwili można się domyślać, że w źródle tym nie ma zwykłych cząstek, takich jak elektrony, protony czy neutrony, ani żadnych oddziałujących z nimi rodzajów materii i energii. Ten efemeryczny i gorszący twór wciąż pozostaje wielką niewiadomą i nazywany jest „ciemną materią”.
Czy brzmi to tak, jakby miał nastąpić koniec nauki? Czy powinno nam się wydawać, że wszystko już wiemy i że możemy sobie pogratulować? Według mnie jest dokładnie na odwrót – jesteśmy nieporadnymi durniami, przypominającymi naszego kuzyna szympansa próbującego zrozumieć prawo Pitagorasa.
Może jestem trochę niesprawiedliwy wobec Homo sapiens i analogia z szympansem jest nieco przesadzona. Może nie chodzi o to, jak inteligentni są pojedynczy przedstawiciele danego gatunku, ale o to, jakim zbiorczym potencjałem inteligencji on dysponuje. Ludzie nieustannie dzielą się i wymieniają swoimi odkryciami podczas konferencji, w publikacjach i w mediach, w tym także przez internet. W przeciwieństwie do napędzanej przez selekcję naturalną ewolucji darwinowskiej rozwój kultury w dużej mierze przebiega zgodnie z teorią ewolucji Lamarcka; nowe pokolenia otrzymują w spadku wszystkie dokonania przodków, dzięki czemu nasze poznawanie kosmosu może akumulować się bez końca.
Każde odkrycie naukowe staje się dzięki temu kolejnym szczeblem na drabinie wiedzy, której końca nie widać, bo cały czas ją konstruujemy. Jestem przekonany, że wspinając się po niej, zawsze będziemy szukać rozwiązań kolejnych zagadek wszechświata, jedna po drugiej.

1
Nie postradaliśmy zmysłów

Nauka to przygoda, w której człowiek wyposażony w pięć zmysłów odkrywa otaczający go wszechświat.
Edwin P. Hubble (1889–1953), The Nature of Science

Spośród pięciu zmysłów wzrok jest wyjątkowy. Oczy pozwalają nam rejestrować informacje nie tylko z miejsca, w którym się znajdujemy, ale także te docierające do nas z całego wszechświata. Bez zmysłu wzroku astronomia jako nauka nigdy by się nie narodziła, a możliwości określania naszego położenia we wszechświecie byłyby niesamowicie ubogie. Pomyślcie tylko, jak to jest z nietoperzami. Jeśli przekazują sobie z pokolenia na pokolenie jakieś sekretne informacje, to z pewnością nie dotyczą one wyglądu nocnego nieba.
Jeśli potraktujemy nasze zmysły jako zestaw narzędzi do eksperymentowania, to zauważymy, że ich czułość i zakres wrażliwości są doprawdy nadzwyczajne. Ludzkie uszy są w stanie zarejestrować zarówno ogłuszający huk wystrzeliwanej w kosmos rakiety, jak i bzyczenie komara latającego w odległości kilkudziesięciu centymetrów od naszej głowy. Zmysł dotyku pozwala nam odczuć nie tylko ciężar kuli do kręgli spadającej na nasz palec u nogi, ale również jednomiligramowego robaczka pełznącego po naszym ramieniu. Niektórzy z przyjemnością zajadają się papryczkami habanero, inni zaś – ci wrażliwsi – obecność nowego smaku wyczuwają już przy jednej jego cząsteczce na milion. Nasze oczy z kolei potrafią zarejestrować obraz jasnej piaszczystej plaży w słoneczny dzień z taką samą łatwością, z jaką dostrzegają płomień zapałki w ciemnej sali z odległości kilkudziesięciu metrów.
Ale zanim wpadniemy w samouwielbienie, warto przypomnieć, że im szerszy jest zakres postrzegania, tym mniejsza jego precyzja, rejestrujemy bowiem docierające do nas bodźce w sposób logarytmiczny, a nie liniowy. Kiedy na przykład zwiększymy dziesięciokrotnie energię dźwięku, nasze uszy odnotują raczej niewielką różnicę. Przy wzroście o czynnik wynoszący dwa różnica jest praktycznie niezauważalna. Podobnie jest w przypadku naszych „zmysłowych” zdolności pomiaru natężenia światła. Jeśli kiedykolwiek mieliście okazję obserwować całkowite zaćmienie Słońca, to pewnie zauważyliście, że tarcza słoneczna musi zostać zakryta przez Księżyc przynajmniej w 90 procentach, zanim ktokolwiek zauważy, że niebo pociemniało. Ogrom skali jasności gwiazd, powszechnie znany zakres poziomu natężenia dźwięku w decybelach oraz sejsmiczna skala intensywności trzęsień ziemi wyrażane są w skali logarytmicznej, częściowo z uwagi na nasze biologiczne uwarunkowania widzenia, słyszenia i odczuwania zjawisk właśnie w taki sposób.

Czy jest jeszcze coś oprócz zmysłów? Czy istnieje jakiś środek poznania wykraczający poza płaszczyznę łączącą naszą biologię z otoczeniem?
Warto zauważyć, że choć człowiek jako mechanizm dobrze radzi sobie z rozpoznawaniem podstawowych cech najbliższego otoczenia – na przykład odróżnia dzień od nocy albo wie, kiedy jakieś stworzenie chce go zjeść – to bez instrumentów naukowych jest wyjątkowo nieporadny, jeśli chodzi o odszyfrowywanie praw rządzących resztą naturalnego świata. Aby zgłębić te tajemnice, potrzebujemy innych receptorów niż te, z którymi się urodziliśmy. Zadaniem aparatury naukowej niemal zawsze jest wyjść poza zakres dostępny naszym zmysłom.
Niektórzy ludzie szczycą się posiadaniem szóstego zmysłu, dzięki któremu rzekomo wiedzą lub widzą rzeczy nieosiągalne dla innych. W czołówce osób deklarujących posiadanie nadprzyrodzonych zdolności są wróżbici, jasnowidze i mistycy. Poprzez swoją działalność popularyzują oni zataczającą coraz szersze kręgi fascynację tym tematem, szczególnie wśród wydawców książek i producentów telewizyjnych. Kontrowersyjna sfera parapsychologii opiera się na oczekiwaniach, że przynajmniej niektórzy ludzie faktycznie posiadają tego typu umiejętności. Dla mnie największą zagadką jest to, dlaczego tak wielu jasnowidzów wybiera pracę przy telefonie dla widzów programów telewizyjnych zamiast zbijać fortunę przy zawieraniu kontraktów na Wall Street. Co ciekawe, nikt z nas nie spotkał się jeszcze z tytułem prasowym w stylu: „Wróżbita wygrywa główną nagrodę w loterii”.
Oprócz tej niewyjaśnionej zagadki także konsekwentne porażki kontrolowanych, podwójnie ślepych prób udowodnienia zasadności założeń parapsychologii wskazują, że to raczej pomieszanie zmysłów niż szósty zmysł.
Jednocześnie współczesna nauka wykorzystuje dziesiątki różnych sposobów rejestrowania bodźców. Tyle że naukowcy wcale przy tym nie twierdzą, iż są w posiadaniu mocy nadprzyrodzonych – mają po prostu specjalistyczny sprzęt. Przyrządy przekształcają dane, pozyskane dzięki tym dodatkowym sposobom odbierania bodźców, do postaci tabel, wykresów, diagramów lub obrazów, i dopiero je możemy interpretować dzięki naszym wrodzonym zmysłom. W serialu science fiction Star Trek: Seria oryginalna teleportująca się na niezbadaną dotąd planetę załoga przy opuszczaniu statku kosmicznego zawsze zabierała ze sobą tricorder – podręczny przyrząd do analizowania podstawowych własności wszystkiego, co tylko mogła napotkać, i to zarówno przedmiotów martwych, jak i istot żywych. Umieszczenie tricordera nad danym obiektem powodowało, że urządzenie wydawało wyraźny kosmiczny dźwięk przeznaczony do dalszej interpretacji przez użytkownika.
Załóżmy, że ląduje przed nami świecąca masa jakiejś substancji nieznanego pochodzenia. Bez narzędzi diagnostycznych podobnych do tricordera nie jesteśmy w stanie powiedzieć niczego na temat jej składu chemicznego czy atomowego. Nie możemy też stwierdzić, czy owa masa nie generuje przypadkiem pola elektromagnetycznego ani czy emituje silne promieniowanie gamma, rentgenowskie, ultrafioletowe, mikrofalowe bądź radiowe. Niemożliwe byłoby również określenie struktury komórkowej i krystalicznej takiej masy. Gdyby zaś znajdowała się daleko w przestrzeni kosmicznej, będąc dla nas nieznanym źródłem światła na niebie, dzięki naszym pięciu zmysłom nie dowiedzielibyśmy się, w jakiej jest od nas odległości, z jaką prędkością się przemieszcza ani jaka jest jej prędkość obrotowa. Co więcej, nie mielibyśmy także możliwości zaobserwowania widma barw składających się na emitowane przez nią światło ani nie zdołalibyśmy się dowiedzieć, czy jest ono spolaryzowane.
Jeśli nie mielibyśmy oprzyrządowania wspomagającego naszą analizę i nie pałali szczególną chęcią polizania tej substancji, moglibyśmy tylko zaraportować, co następuje: „Kapitanie, znaleźliśmy jakąś masę”. Edwin P. Hubble musi nam wybaczyć, ale cytat otwierający ten rozdział, choć trafny i poetycki, powinien raczej brzmieć:
Nauka to przygoda, w której człowiek wyposażony w pięć zmysłów oraz teleskopy, mikroskopy, spektrometry masowe, sejsmografy i magnetometry, akceleratory cząstek i detektory promieniowania elektromagnetycznego odkrywa otaczający go wszechświat.
Wyobraźmy sobie, o ile bogatszy wydawałby się nam świat i o ile szybciej zostałaby odkryta natura kosmosu, gdybyśmy rodzili się z ultraprecyzyjnymi gałkami ocznymi z możliwością przestrajania. Wybranie z całego widma zakresu fal radiowych skutkowałoby tym, że jasne dzienne niebo stawałoby się ciemne jak w środku nocy. Byłoby ono upstrzone intensywnymi, powszechnie znanymi źródłami promieniowania elektromagnetycznego w tym zakresie, takimi jak centrum Drogi Mlecznej położone za kilkoma głównymi gwiazdami konstelacji Strzelca. Przestrojenie się na mikrofale sprawiałoby, że kosmos zapłonąłby pozostałościami wczesnego wszechświata – ścianą świateł powstałą trzysta osiemdziesiąt tysięcy lat po Wielkim Wybuchu. Gdybyście zaś przestawili wzrok na zakres promieniowania rentgenowskiego, moglibyście niezwłocznie zlokalizować czarne dziury wraz z materią zapadającą się w nie spiralnym ruchem, a zmiana na promieniowanie gamma umożliwiłaby wam obserwację gigantycznych eksplozji rozbłyskujących tu i ówdzie w całym wszechświecie z częstotliwością przynajmniej jednej na dzień. Wpływ tych eksplozji na otaczającą materię, która nagrzewa się i jarzy w innych pasmach promieniowania, również byłby dobrze widoczny.
Gdybyśmy się rodzili z detektorami pola magnetycznego, nigdy nie wynaleźlibyśmy kompasu, bo w ogóle byśmy go nie potrzebowali. Wystarczyłoby się ustawić w kierunku linii pola magnetycznego Ziemi, a magnetyczna północ pojawiłaby się na horyzoncie jak kraina Oz. Jeśli dysponowalibyśmy wbudowanymi w siatkówkę analizatorami widma, to nie musielibyśmy się zastanawiać, czym oddychamy. Jedno spojrzenie na odczyt i wiedzielibyśmy, czy powietrze zawiera konieczną dla podtrzymania ludzkiego życia ilość tlenu. Tysiące lat wcześniej dowiedzielibyśmy się także, że gwiazdy i mgławice Drogi Mlecznej zawierają te same pierwiastki chemiczne co Ziemia.
A gdyby nasze oczy były bardzo duże i miały wbudowane czujniki ruchu wykorzystujące efekt Dopplera, to od razu zauważylibyśmy, nawet będąc jeszcze pomrukującymi troglodytami, że kosmos się rozszerza – widzielibyśmy, że odległe galaktyki coraz bardziej się od nas oddalają.
Gdyby nasze oczy posiadały rozdzielczość najlepszych mikroskopów, nikt nigdy nie uznałby epidemii dżumy czy innych chorób za konsekwencję bożego gniewu. Wywołujące je bakterie i wirusy, pełzające po naszym jedzeniu lub wślizgujące się przez otwarte rany do naszego ciała, widzielibyśmy jak na dłoni. Dzięki prostym eksperymentom bylibyśmy w stanie określić, które z nich są złe, a które dobre. No i oczywiście problem pooperacyjnych infekcji zostałby poznany i rozwiązany setki lat wcześniej.
Dzięki umiejętności dostrzegania cząstek wysokoenergetycznych moglibyśmy z dużych odległości identyfikować substancje radioaktywne. Niepotrzebne okazałyby się wówczas liczniki Geigera. Potrafilibyśmy także sami zobaczyć przenikający przez podłogę w naszej piwnicy gazowy radon i nie musielibyśmy już płacić za sprawdzanie mieszkań pod tym kątem.

Doskonalenie naszych zmysłów od momentu narodzin przez okres dzieciństwa pozwala nam, osobom dorosłym, osądzać, czy zdarzenia i zjawiska zachodzące w naszym życiu „mają sens”. Sęk w tym, że bardzo niewiele odkryć naukowych ostatniego stulecia było wynikiem bezpośredniego wykorzystania pięciu ludzkich zmysłów. Były one raczej efektem zastosowania wykraczającego poza zakres naszych zmysłów sprzętu oraz matematyki. To właśnie dlatego dla przeciętnego człowieka teoria względności, fizyka cząstek oraz teoria strun „nie mają sensu”. Do tej listy można by jeszcze dopisać czarne dziury, tunele czasoprzestrzenne i Wielki Wybuch. Właściwie dla naukowców te idee też nie miałyby większego sensu, dopóki nie mogliby badać wszechświata wystarczająco długo z wykorzystaniem wszystkich technologicznie dostępnych metod detekcji. Dzięki nim ostatecznie wchodzimy na nowy, wyższy poziom „zdrowego rozsądku”, który otwiera przed badaczami możliwość kreatywnego myślenia i formułowania sądów na temat mało intuicyjnej skali atomowej lub wymagającej nie lada wyobraźni przestrzeni wielowymiarowej. Dwudziestowieczny fizyk niemiecki Max Planck w podobnym duchu skomentował odkrycia fizyki kwantowej:
Współczesna fizyka zaskakuje nas szczególnie potwierdzeniem odwiecznej prawdy, która uczy, że istnieją rzeczywistości wykraczające poza nasze zmysłowe poznanie, a kiedy te rzeczywistości okazują się dla nas ważniejsze niż najpiękniejsze skarby ze świata doświadczeń, wówczas pojawiają się problemy i konflikty.
Nasze zmysły przeszkadzają nam nawet wówczas, gdy chcemy udzielić odpowiedzi na głupie metafizyczne pytania, na przykład: „Jeśli w lesie przewraca się drzewo i nie ma wokół nikogo, kto mógłby to usłyszeć, to czy upadając, drzewo wydaje jakiś dźwięk?”. Odpowiadam wtedy: „A skąd wiadomo, że się przewróciło?”. Ale to ludzi irytuje. Proponuję więc bezsensowną analogię. Pytanie: „Jeśli nie można wyczuć tlenku węgla, to skąd wiadomo, że jest obecny?”. Odpowiedź: „Bo padasz martwy”. W dzisiejszych czasach ocenianie rzeczywistości wyłącznie na podstawie tego, co możemy zarejestrować za pomocą pięciu zmysłów, jest bardzo ryzykowne.
Odkrywanie nowych sposobów poznania zawsze oznacza otwarcie nowych okien na wszechświat, co zawdzięczamy dostępowi do rosnącej liczby zmysłów pozabiologicznych. Za każdym razem, kiedy poszerzamy ich wachlarz, odsłania się przed nami nowy poziom wielkości i skomplikowania wszechświata. To tak, jakbyśmy dzięki naszej technologicznej ewolucji stawali się istotami nadwrażliwymi, które korzystając z nowych zmysłów, nigdy nie postradały własnych.

[ . . . ]

1
Z pyłu powstałeś

Gdy spoglądamy nieuzbrojonym okiem na Drogę Mleczną, widzimy długie pasmo jasnych i ciemnych plam, rozciągające się od horyzontu po horyzont. Wystarczy jednak spojrzeć przez lornetkę lub amatorski teleskop, aby się przekonać, że ciemne, nieciekawe plamy… no cóż, pozostaną ciemne i nieciekawe, za to jasne plamy zamienią się w niezliczone gwiazdy i mgławice.
W książeczce wydanej w 1610 roku w Wenecji i zatytułowanej Sidereus Nuncius (Gwiezdny posłaniec) Galileusz przedstawia niebo widziane przez teleskop. Książka zawiera między innymi pierwszy opis jasnych plam Drogi Mlecznej. Teleskop, początkowo zwany specillum, pozwala dostrzec szczegóły, na widok których Galileusz z trudem panuje nad ekscytacją:
Przy użyciu lunety Droga Mleczna została zbadana tak bezpośrednio i naocznie, że wszystkie kontrowersje [altercationes], które dręczyły filozofów przez wiele wieków, zostały rozwiązane i jesteśmy nareszcie wolni od gołosłownych dyskusji [verbosae disputationes] na ten temat. Droga Mleczna [Galaxia] jest niczym innym jak zbiorowiskiem niezliczonych gwiazd ułożonych w różne grupy. Gdziekolwiek się na nią zwróci lunetę, natychmiast dostrzega się ogromne roje gwiazd. Wiele z nich jest bardzo jasnych i dużych, lecz liczba mniejszych jest poza wszelką możliwością przeliczenia.
To tam, gdzie widoczne są „ogromne roje gwiazd”, musi naprawdę się dziać. Dlaczego ktoś miałby się interesować ciemnymi obszarami, gdzie nie widać żadnych gwiazd? Przecież to prawdopodobnie kosmiczne dziury, puste przestrzenie rozciągające się ku nieskończoności.
Upłynęły jeszcze trzy stulecia, zanim odkryto, że ciemne plamy to grube, gęste obłoki gazu i pyłu, otaczające wylęgarnie młodych gwiazd i zasłaniające widok na dalej położone połacie nieba. Pierwsze sugestie na ten temat sformułował amerykański astronom George Cary Comstock, który zastanawiał się, dlaczego obserwowana jasność dalekich gwiazd jest mniejsza, niż wynikałoby to z ich odległości. Faktycznego winowajcę tego stanu rzeczy odkrył w 1909 roku duński astronom Jacobus Cornelius Kapteyn (1851–1922). W dwóch artykułach, zatytułowanych (identycznie) On the Absorption of Light in Space (O absorpcji światła w przestrzeni kosmicznej), Kapteyn przedstawił dowody na to, że obłoki, nazwane przez niego „ośrodkiem międzygwiezdnym”, rozpraszają światło gwiazd, a na dodatek robią to selektywnie – osłabiają niebieskie światło bardziej niż czerwone. Na skutek takiej wybiórczej absorpcji odległe gwiazdy Drogi Mlecznej wyglądają tak, jakby były bardziej czerwone niż gwiazdy bliżej nas.
Główne składniki kosmicznych obłoków gazu, wodór i hel, nie powodują poczerwienienia światła gwiazd. Odpowiedzialne są za to molekuły, zwłaszcza te, które zawierają węgiel i krzem. A kiedy molekuły stają się zbyt duże, abyśmy wciąż uważali je za molekuły, nazywamy je pyłem.

Większość ludzi jest oswojona z pyłem w warunkach domowych, aczkolwiek niewielu z nas zdaje sobie sprawę, że pył w domu składa się głównie z martwych, złuszczonych komórek ludzkiej skóry (oraz sierści zwierząt, jeżeli przygarnęliście jakiegoś ssaka). Kosmiczny pył w obłokach międzygwiezdnych nie zawiera niczyjego naskórka, lecz występują w nim zdumiewająco złożone cząsteczki, które emitują promieniowanie głównie w zakresie mikrofal i w podczerwieni. Do lat sześćdziesiątych XX wieku teleskopy mikrofalowe nie należały do standardowego zestawu narzędzi astronomicznych, a teleskopy podczerwone nie znalazły się w nim nawet do lat siedemdziesiątych, więc chemiczne bogactwo obszarów międzygwiezdnych poznaliśmy dopiero podczas kilku ostatnich dziesięcioleci, gdy odkrywaliśmy fascynujący i złożony mechanizm narodzin gwiazd.
Nie wszystkie obłoki gazu w Drodze Mlecznej mogą stale rodzić nowe gwiazdy. Zazwyczaj taki obłok nie wie, co począć. W pewnym sensie w podobnej sytuacji znajdują się astrofizycy – nie mają pojęcia, co się stanie. Wiedzą, że obłok chce się zapadać pod wpływem własnej grawitacji i tworzyć nowe gwiazdy, lecz zapadaniu przeciwdziała ruch wirowy, turbulencje wewnątrz obłoku oraz zwykłe ciśnienie gazu, znane wam z lekcji fizyki lub chemii. Działanie grawitacji powściągają także przenikające obłok galaktyczne pola magnetyczne, które oddziałują na wszystkie elektrycznie naładowane cząstki w obłoku, ograniczając ich ruch w pewien określony sposób. Gdyby nie było wiadomo, że gwiazdy jednak istnieją, nasz aktualny stan wiedzy o dynamice obłoków międzygwiezdnych prowadziłby do wniosku, że gwiazdy w ogóle nie mogą powstawać.
Podobnie jak setki miliardów gwiazd Drogi Mlecznej, gazowe obłoki krążą wokół środka Galaktyki. Gwiazdy – maleńkie drobiny (o średnicy kilku sekund świetlnych) w ogromnym oceanie pustej przestrzeni – mijają się niczym statki na morzu. Obłoki gazu międzygwiezdnego są znacznie większe. Przeciętny obłok ma średnicę rzędu setek lat świetlnych i masę milionów Słońc. Obłoki zderzają się całkiem często. W wyniku ich zderzeń dochodzi niekiedy do aktów „kanibalizmu”, gdy jeden z uczestników kolizji wchłania drugiego; czasami dwa obłoki sklejają się jak pianki marshmallow lub rozpadają się na mniejsze.
Atomy gazu wewnątrz obłoku nieustannie się zderzają. Jeżeli jednak obłok schłodzi się do dostatecznie niskiej temperatury (poniżej stu kelwinów), atomy gazu – zamiast odbijać się od siebie – zaczynają się łączyć, co ma poważne chemiczne konsekwencje. Cząstki o coraz większych rozmiarach, zawierające dziesiątki atomów, zaczynają rozpraszać światło widzialne i osłabiają tym samym jasność gwiazd przesłoniętych obłokiem. Po pewnym czasie taka cząstka może zawierać dziesiątki miliardów atomów i staje się ziarnem międzygwiezdnego pyłu. Przy takich rozmiarach cząstki nie rozpraszają już światła gwiazd, lecz pochłaniają je, a następnie pochłoniętą w ten sposób energię emitują w postaci promieniowania podczerwonego, które swobodnie opuszcza obłok. Proces absorpcji światła generuje jednak ciśnienie, które popycha obłok w kierunku od źródła światła. Obłok zostaje zatem sprzęgnięty ze światłem gwiazd.
Siły powodujące gęstnienie obłoku mogą w końcu doprowadzić do jego kolapsu grawitacyjnego, który zakończy się powstaniem gwiazdy. Dochodzimy do nieco dziwnego wniosku: aby powstała gwiazda z rdzeniem o temperaturze sięgającej dziesięciu milionów stopni (w takich warunkach zachodzą reakcje fuzji termojądrowej), obłok musi najpierw przejść przez fazę, w której temperatura nie przekracza stu stopni powyżej zera absolutnego.
W tej fazie astrofizycy mogą jedynie spekulować na temat kolejnych etapów ewolucji obłoku. Aby badać dynamikę dużych, masywnych obłoków pod wpływem wszystkich zewnętrznych i wewnętrznych czynników, teoretycy oraz specjaliści od modelowania komputerowego muszą uwzględnić wszystkie znane prawa fizyki oraz chemii i wprowadzić do swoich superkomputerów wszystkie niezbędne parametry wejściowe, zanim w ogóle zaczną myśleć o dalszych losach obłoku. Dodatkowe ogromne wyzwanie stanowi fakt, że pierwotny obłok jest miliardy razy większy i setki tryliardów razy rzadszy niż gwiazda, która ma z niego powstać, a zjawiska, które odgrywają ważną rolę w jednej skali, w innej potrafią być praktycznie nieistotne.
Tym niemniej jedna rzecz, co do której możemy być pewni, to fakt, że w najgłębszych, najciemniejszych, najgęstszych obszarach międzygwiezdnego obłoku i przy temperaturach rzędu dziesięciu stopni powyżej zera absolutnego tworzą się gęstniejące obszary gazu – kosmiczne bąble – które zapadają się bez oporu, zamieniając energię własnej grawitacji w ciepło. Temperatura w takim bąblu raptownie rośnie, rozbijając wszystkie drobiny pyłu w bezpośrednim sąsiedztwie. Gdy temperatura zapadającego się bąbla osiągnie dziesięć milionów stopni, rodzi się gwiazda. W tej magicznej temperaturze protony (czyli jądra atomów wodoru) poruszają się tak szybko, że mogą pokonać siły odpychania elektrostatycznego i połączyć się pod wpływem krótkozasięgowej, potężnej siły przyciągania, której techniczna nazwa brzmi: „silne oddziaływanie jądrowe”. W tym procesie (zwanym fuzją termojądrową) powstaje jądro helu, którego masa jest mniejsza od sumy mas jego składników. Masa, której brakuje w jądrze, zostaje przekształcona w energię zgodnie ze słynnym wzorem Einsteina E=mc2, w którym E jest energią, m reprezentuje masę, a c jest równe prędkości światła. Gdy ciepło przemieszcza się na zewnątrz, kula gazu zaczyna świecić – energia, która powstała z masy, uwalnia się w postaci promieniowania. Bąbel gorącego gazu nadal znajduje się w głębi większego obłoku, lecz możemy już ogłosić Drodze Mlecznej, że oto narodziła się gwiazda.
Wiemy obecnie, że istnieją gwiazdy o bardzo różnych masach – od zaledwie jednej dziesiątej po niemal sto mas Słońca. Z przyczyn, których nadal nie rozumiemy, nasz gigantyczny obłok gazu zawiera wiele zimnych bąbli powstających mniej więcej w tym samym czasie; w każdym z nich rodzi się nowa gwiazda. Na każdą gwiazdę o dużej masie przypada tysiąc gwiazd o małych masach. Tylko około jednego procenta gazu w danym obłoku uczestniczy w narodzinach gwiazdy. Próba wyjaśnienia tego zagadnienia jest jak poszukiwanie odpowiedzi na klasyczne pytanie: jak i dlaczego ogon macha psem?

Dolną granicę masy gwiazd można wyznaczyć dość łatwo. Poniżej około jednej dziesiątej masy Słońca bąbel zapadającego się gazu nie posiada dostatecznej energii grawitacyjnej, aby jego rdzeń mógł się rozgrzać do temperatury dziesięciu milionów stopni, niezbędnej do zainicjowania reakcji termojądrowych. Wówczas nie rodzi się gwiazda, lecz obiekt zwany brązowym karłem. Nie mając termojądrowego źródła energii, brązowy karzeł świeci słabiutko dzięki ciepłu, które powstało w wyniku początkowego zapadania się, i gaśnie stopniowo z upływem czasu. Zewnętrzne warstwy gazu są tak chłodne, że pozwalają przetrwać wielu molekułom, które w atmosferze gorętszych gwiazd uległyby dysocjacji. Jasności brązowych karłów są tak niskie, że do ich detekcji niezbędne są metody stosowane przy poszukiwaniu planet; dopiero w ostatnich latach zaobserwowano dostatecznie dużą liczbę brązowych karłów, aby potrzebna stała się ich klasyfikacja w ramach więcej niż jednej kategorii.
Górną granicę masy gwiazd też można stosunkowo łatwo oszacować. Powyżej około stu mas Słońca gwiazda świeci tak mocno, że jakakolwiek dodatkowa masa, która chciałaby do niej dołączyć, zostanie odepchnięta przez ciśnienie promieniowania. W takim wypadku sprzężenie światła z cząstkami pyłu staje się nieodwracalne. Ciśnienie promieniowania jest tak potężne, że światło zaledwie kilku gwiazd o dużych masach potrafi rozproszyć niemal całą masę oryginalnego, ciemnego obłoku zasłaniającego widok z zewnątrz. W rezultacie dziesiątki, a niekiedy setki nowo powstałych gwiazd – w gruncie rzeczy stanowiących rodzeństwo – ujawniają swoją obecność całej Galaktyce.
Wielka Mgławica w Orionie – położona tuż poniżej pasa Oriona, w połowie długości miecza – jest właśnie taką wylęgarnią gwiazd. Tysiące gwiazd powstają w jednej gigantycznej gromadzie. Wśród szeregu masywnych gwiazd tworzących Trapez Oriona cztery gwiazdy energicznie powiększają gigantyczną dziurę w środku obłoku, z którego powstały. Nowe gwiazdy są wyraźnie widoczne na zdjęciach wykonanych przez teleskop Hubble’a. Wokół każdej z nich powstaje protoplanetarny dysk składający się z pyłu oraz cząsteczek pierwotnego obłoku. W każdym dysku tworzy się układ planetarny.
Nowo powstałe gwiazdy tworzą gromadę i początkowo pozostają wewnątrz niej, lecz długotrwałe grawitacyjne zaburzenia pochodzące od okolicznych obłoków powodują w końcu rozpad gromady, a tworzące ją gwiazdy rozpraszają się w obrębie galaktyki. Gwiazdy o małej masie tak oszczędnie zużywają energię, że w zasadzie żyją wiecznie. Gwiazdy o średniej masie, takie jak nasze Słońce, prędzej czy później zaczynają swój marsz ku śmierci, przekształcając się w czerwone olbrzymy; ich rozmiary powiększają się wówczas stukrotnie. Zewnętrzne warstwy gazu stają się tak słabo związane z gwiazdą, że stopniowo dryfują w przestrzeń, odsłaniając zużyte paliwo jądrowe, które gwiazda spalała w ciągu dziesięciu miliardów lat swojego żywota. Uciekający gaz zostaje zmieciony przez wędrujące obłoki i w ten sposób bierze udział w kolejnych rundach formowania gwiazd.
Najcięższe gwiazdy powstają bardzo rzadko, lecz to właśnie one trzymają niemal wszystkie karty ewolucji. Są najjaśniejsze (milion razy jaśniejsze od Słońca), dzięki czemu żyją bardzo krótko (tylko kilka milionów lat), a w swoich rdzeniach produkują dziesiątki ciężkich pierwiastków, od wodoru przez hel, węgiel, azot, tlen i tak dalej aż po żelazo. Giną w wyniku spektakularnej eksplozji, zwanej supernową, w której powstaje jeszcze więcej pierwiastków. W trakcie eksplozji supernowa świeci jaśniej niż cała jej macierzysta galaktyka, a materia gwiazdy rozprzestrzenia się raptownie wokół niej, wydmuchując dziury w okolicznych obłokach międzygwiezdnego gazu i wzbogacając je w nowo utworzone pierwiastki, z których w przyszłości mogą powstać ziarna międzygwiezdnego pyłu. Fale uderzeniowe supernowej poruszają się z naddźwiękową prędkością przez otaczające ją obłoki, kompresując lokalne obszary gazu i pyłu. Może to prowadzić do powstawania bąbli o bardzo wysokiej gęstości, niezbędnej do formowania kolejnych gwiazd.
Jak zobaczymy w następnym rozdziale, najważniejszym darem supernowych dla kosmosu są rozrzucane w przestrzeni międzygwiezdnej i wchodzące w skład gazowych obłoków ciężkie pierwiastki. Kolejne generacje gwiazd powstają z coraz bogatszego zestawu pierwiastków chemicznych, z których przy okazji tworzą się planety, protisty i ludzie.