Tytuł oryginału

HEART OF DARKNESS

Unraveling the Mysteries of the Invisible Universe

Copyright © 2013 by Jeremiah P. Ostriker and Simon Mitton

All rights reserved

Projekt okładki

Prószyński Media

Ilustracja na okładce

Sven Geier

Redaktor serii

Adrian Markowski

Redakcja i korekta

Anna Kaniewska

ISBN 978-83-8069-770-6

Warszawa 2015

Wydawca

Prószyński Media Sp. z o.o.

02-697 Warszawa, ul. Rzymowskiego 28

www.proszynski.pl

PODZIĘKOWANIA

Historia współczesnej kosmologii przedstawiana w artykułach prasowych często wydaje się nieprzerwaną paradą bohaterów, których dokonania prezentuje się jako kolejne nieuniknione etapy rozwoju: Kopernik, Galileusz, rodzeństwo Herschelów, Einstein, Eddington, Hubble, Sandage, a potem już współczesny paradygmat. W istocie jednak jest to bardziej zagmatwana opowieść, a ci czołowi badacze, choć wnieśli do nauki wielki wkład, popełniali także poważne błędy. Z kolei prace innych, często pomijanych naukowców w sposób istotny przyczyniały się do rozwoju całej dziedziny. Obaj (Ostriker i Mitton) uczestniczymy w tym zbiorowym przedsięwzięciu już od niemal półwiecza, poznaliśmy więc dość dobrze wielu uczonych, którzy stworzyli tę dziedzinę. Podczas pisania tej książki zależało nam na wyraźnym pokazaniu roli, jaką odegrali liczni fizycy i astrofizycy, których kluczowy wkład w rozwój nauki często bywa pomijany w tradycyjnym ujęciu. Przykładem takich osób mogą być ksiądz Georges Lemaître, George Gamow, Fritz Zwicky i Beatrice Tinsley. W książce wspominamy także o dokonaniach licznych żyjących uczonych, jednak z pewnością nie udało nam się oddać sprawiedliwości niezliczonym wybitnym naukowcom, których prace nie zostały tu nawet wymienione, mimo że ich wkład w rozwój kosmologii był znaczący, a czasami nawet przełomowy. Naszym celem nie było napisanie naukowej, obszernej historii współczesnej kosmologii. Możemy się tłumaczyć jedynie tym, że musieliśmy dokonać wyboru z uwagi na ograniczoną objętość książki, która jest jedynie próbą pokazania najważniejszych aspektów tej historii i zagadnień arbitralnie wybranych z ogromnej liczby równie ważnych i godnych uwagi wątków. Zatem serdecznie przepraszamy naszych licznych kolegów, których wkład został umniejszony lub pominięty. Znamy i cenimy Wasze prace, ale w sposób dość arbitralny wybraliśmy niewielką liczbę naszych współtowarzyszy w odkrywaniu świata, których nie ma już wśród nas, a ich dorobek nie znajduje godnego odzwierciedlenia w tradycyjnym ujęciu historii rozwoju naszej dziedziny.

Obaj zaciągnęliśmy ogromny dług wdzięczności u licznych kolegów z Princeton, Cambridge i całego świata. Uprawianie nauki wymaga współpracy na poziomie globalnym i spośród wszystkich współczesnych dziedzin wiedzy astrofizyka ma chyba najbardziej rozbudowaną sieć międzynarodowych powiązań. Zatem lista tych, którzy nam służyli pomocą i radą, będzie niestety boleśnie niekompletna. Choć nie możemy wymienić tu wszystkich i podziękować im tak, jak na to zasługują, kilka osób pomogło nam tak bardzo w naszej pracy, że musimy tu wymienić każdą z nich z osobna. W Princeton Paul Steinhardt, Jim Peebles i Jim Gunn dostarczyli nam niezwykle cennej wiedzy historycznej i naukowej. Sami odegrali główną rolę w tym wielkim przedsięwzięciu i jesteśmy im niezmiernie wdzięczni za pomoc w poprawianiu błędów, wytykanie niedociągnięć i dzielenie się z nami swoją mądrością. W Cambridge Martin Rees i Donald Lynden-Bell w czasie całej naszej kariery naukowej służyli nam swoją wiedzą i cennymi wskazówkami.

W czasie pisania tej książki nieocenionej pomocy edytorskiej udzieliła Ostrikerowi jego żona, poetka i eseistka Alicia Ostriker, a także jego dobry przyjaciel redaktor Robert Strassler oraz redaktorka z wydawnictwa Princeton University Press, Ingrid Gnerlich. Wszyscy oni czytali kolejne wersje rękopisu i przekazali niezliczone, ważne sugestie na temat ułożenia materiału i doboru słownictwa. Bez względu na to, jak dobre lub złe jest ostateczne dzieło, ich wielkoduszna i przemyślana pomoc odegrała kluczową rolę w przekształceniu nadmiernie naukowej, literacko niespójnej wersji początkowej w ostateczną wersję książki.

Simon Mitton wyraża głęboką wdzięczność swojemu koledze z Cambridge i bliskiemu przyjacielowi od czterdziestu pięciu lat, Michaelowi Hoskinowi, który jest wybitnym specjalistą w dziedzinie historii astronomii i biografem rodziny Herschelów. Praktycznie nie było dnia, by Michael nie udzielił Simonowi jakiejś życzliwej rady na temat tego, jak być przekonującym uczonym. Podobnie Simon dziękuje Owenowi Gingerichowi, historykowi astronomii w tym drugim Cambridge (po drugiej stronie oceanu), za olbrzymie wsparcie i rady udzielane bezinteresownie i z serdecznością w ciągu kilku dziesięcioleci. Żona Simona, Jacqueline Mitton, która również pisze książki dla wydawnictwa Princeton University Press, przekazała wiele cennych uwag na temat rozbudowy rękopisu. Simon jest niezmiernie wdzięczny kierownictwu St Edmund’s College w Cambridge, gdzie mógł korzystać z cennych rad Michaela Robsona, Lee Macdonalda, Bruce’a Elsmore’a i Rodneya Holdera. Z ogromną przyjemnością dziękuje także swojej agentce Sarze Menguc i jej kolegom za okazane wsparcie.

Spis treści

PODZIĘKOWANIA

PRZEDMOWA

PRZEDMOWA

Kosmologia przekształca się w naukę opartą na danych

Kosmologia, nauka zajmująca się badaniem natury, kształtowania się i ewolucji Wszechświata, uległa niezwykłemu wprost przeobrażeniu od czasów, gdy w latach sześćdziesiątych ubiegłego stulecia obaj byliśmy na studiach. W czasie naszych studiów doktoranckich w Chicago (Ostriker) i Cambridge (Mitton) istniały dwa solidne, ale rywalizujące ze sobą modele: Wielkiego Wybuchu i stanu stacjonarnego. Każdy z nich miał swoich zagorzałych zwolenników i uważano, że wybranie któregoś z nich jest wyłącznie kwestią wiary. Niemal codziennie można było usłyszeć bezkompromisowe stwierdzenia i argumentacje wielkich umysłów usilnie próbujących zrozumieć Wszechświat. Należało się liczyć z tym, że na każdym spotkaniu zawodowych astronomów może paść pytanie: „Czy wierzy pan w teorię stanu stacjonarnego?” lub „I co pan sądzi o całej tej koncepcji Wszechświata Wielkiego Wybuchu?”. W książkach popularnonaukowych poświęconych kosmologii – z tamtych czasów, ale i w najnowszych – daje się wyczuć tę wczesną, niemal teologiczną atmosferę. Kosmologia opierała się niepewnie na domniemaniach, ponieważ danych i twardych faktów mieliśmy wówczas niewiele.

W ciągu minionego półwiecza dokonała się jednak całkowita przemiana kosmologii. Obecnie jest to nauka ścisła w pełnym znaczeniu tego słowa, oparta na zdobytych informacjach. Postęp ten zawdzięczamy spektakularnemu rozwojowi techniki i technologii przetwarzania informacji. Oczywiście wciąż mamy wielkie idee, ale teraz są one kształtowane i ograniczane napływem danych z teleskopów rozmieszczonych na powierzchni Ziemi i w kosmosie. Obserwacje potwierdziły, obficie i dogłębnie, że model Wielkiego Wybuchu jest w zasadzie poprawny. Dzięki wykorzystaniu Kosmicznego Teleskopu Hubble’a i wielu innych urządzeń udało nam się dokonać inwentaryzacji obiektów kosmicznych i sporządzić szczegółowe mapy naszego zakątka Wszechświata, a także, co bardziej zdumiewające, zdołaliśmy przeprowadzić obserwacje sięgające coraz głębiej w czas i przestrzeń i możemy nawet powiedzieć, że teleskopy penetrujące kosmos są swoistymi wehikułami czasu. Gdy za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble’a badamy wycinek nieba odległy od nas o siedem miliardów lat świetlnych, oglądamy w istocie świat taki, jaki był siedem miliardów lat temu, czyli gdy Wszechświat był o połowę młodszy. Dzięki temu możemy bezpośrednio zobaczyć i zmierzyć różnice między ówczesnym i obecnym kosmosem i opisać jego ewolucję. Nie musimy już uciekać się do domysłów. A raczej, mówiąc ściślej, możemy sprawdzić nasze domysły na temat ewolucji kosmosu, przeprowadzając bezpośrednie obserwacje. Choć nie zdołamy zajrzeć aż do samego Wielkiego Wybuchu, który nastąpił 13,7 miliarda lat temu, potrafimy prześledzić ewolucję zwyczajnych galaktyk niemal do okresu ich narodzin. Co więcej, radioteleskopy krążące na ziemskiej orbicie pozwalają nam cofnąć się w czasie aż do chwili, gdy fotony wyłoniły się po raz pierwszy z pierwotnej zupy, w której były uwięzione przez pierwsze 300 000 lat po Wielkim Wybuchu – możemy zobaczyć promieniowanie będące pozostałością po tym okresie. Dzięki temu da się bezpośrednio obejrzeć i zmierzyć niewielkie pierwotne fluktuacje, które powiększyły się za sprawą grawitacji i przekształciły w bogaty, otaczający nas świat galaktyk, gwiazd i planet.

We współczesnych rozważaniach kosmologicznych każda teoria musi być zgodna z szerokim wachlarzem obserwacji wykonanych w zakresie rentgenowskim, nadfiolecie, świetle widzialnym i podczerwonym, a także w radiowym obszarze widma elektromagnetycznego. Wyniki tych obserwacji, gromadzone w licznych bazach danych, pokazują nam wyraźnie, jak wygląda Wszechświat w naszej epoce, jak doszedł do obecnego stanu i jak się to wszystko zaczęło. Badania kosmologiczne wciąż jeszcze nie opierają się tak silnie na doświadczeniu i nie są aż tak weryfikowalne jak w innych dziedzinach, na przykład w inżynierii, ale w dużym stopniu pozbyły się odurzającego zapachu „teologii naturalnej”. Podobnie jak znajomość faktów geologicznych i biologicznych związanych z naszą macierzystą planetą przegnała na karty literatury fantastycznonaukowej wszelkie rozważania o „potworach z głębokich otchłani”, tak wcześniejsze niczym nieskrępowane kosmiczne fantazje muszą się obecnie poddać ograniczeniom wynikającym z tych wspaniałych, ciągle powiększających się bibliotek kosmologicznej informacji.

Równolegle z tym procesem zakotwiczenia w faktach rozwinęliśmy ilościowe, weryfikowalne teorie oparte na znanych prawach chemii, fizyki i matematyki, które tworzą ramy pozwalające nam odpowiednio zaprezentować te nowe obserwacje. Ponieważ dysponujemy dobrze sprawdzonymi prawami fizyki Isaaca Newtona, opisanie grawitacyjnego wzrostu fluktuacji pierwotnej materii, z których powstały gwiazdy i galaktyki, jest w zasadzie tak proste, jak wyliczenie trajektorii lotu piłki baseballowej lub ruchu okrętu unoszącego się na wodzie. Tego rodzaju obliczenia są oczywiście bardziej złożone, ale nie wymagają użycia matematyki ani teorii naukowych, co do których mamy jakieś wątpliwości. Za sprawą rozwoju techniki dysponujemy też obecnie urządzeniami potrzebnymi do rozwiązania takich równań.

Możliwości obliczeniowe komputerów, zgodnie ze słynnym prawem Gordona Moore’a o wzroście złożoności układów scalonych, powiększyły się od lat sześćdziesiątych ponad milion razy. Obecnie potrafimy przekształcić dowolną teorię w szeroko zakrojone symulacje komputerowe i wychodząc od stanu początkowego zgodnego z obserwacjami radioteleskopowymi, wyliczyć, co się będzie działo dalej, wykorzystując do tego teorie fizyczne Isaaca Newtona, Alberta Einsteina i Nielsa Bohra. Dzięki temu możemy się przekonać, czy potrafimy odtworzyć w komputerze i wizualizacjach uzyskanych wyników obraz świata wokół nas z jego bogactwem szczegółów. To może się udać lub nie, ale nie ma mowy o żadnych oszustwach. Ponieważ obserwacje i obliczenia stają się coraz dokładniejsze, uczeni mają coraz mniej miejsca na niczym nieuzasadnione argumentowanie, że świat „musi działać” w taki a taki sposób, by wszystko było po naszej myśli.

Odkryliśmy, że możemy prowadzić tego typu badania zarówno obserwacyjnie (wykorzystując teleskopy w roli wehikułu czasu), jak i obliczeniowo, i dzięki temu opisać ewolucję Wszechświata z akceptowalną dokładnością. Animacje przygotowane na podstawie wyników symulacji komputerowych naprawdę przypominają rozwój wypadków w naszym Wszechświecie i zgadzają się z tym, co widzimy w naszym kosmicznym wehikule czasu. Jednak osiągnięcie tych wspaniałych wyników wymagało przyjęcia pewnych założeń. Nasz model ewolucji Wszechświata do jego obecnej postaci działa tylko wtedy, gdy założymy istnienie dwóch fantastycznych składników, które nazywamy, z braku lepszego określenia, ciemną materią i ciemną energią. Odkrycie obu tych bytów było dużym zaskoczeniem i początkowo wielu uczonych (co zrozumiałe) sprzeciwiało się ich wprowadzeniu do nauki. Argumentowali oni, że w ten sposób dodajemy jedynie kolejne koła zębate do i tak już złożonego i rozklekotanego mechanizmu w nadziei, iż w ten sposób całe urządzenie zacznie działać poprawnie. Co więcej, tego typu propozycje wydawały się sprzeczne z nowoczesną metodą naukową, ponieważ nie było żadnych niezależnych dowodów przemawiających za istnieniem ciemnej materii i ciemnej energii. W żadnym z laboratoriów na Ziemi nie odkryto jeszcze bezpośredniego dowodu wskazującego na istnienie takich substancji. Są one zbyt rozrzedzone, by można je było łatwo wykryć na Ziemi (choć wielu uczonych cały czas próbuje tego dokonać) i jedynie na ogromnych połaciach przestrzeni kosmicznej wywierają rzeczywisty, obserwowalny wpływ.

Stopniowo jednak odkrywano coraz więcej dowodów na to, że ciemna materia i ciemna energia dominują we Wszechświecie. Wkrótce potem zaczęto przedstawiać różne niezależne argumentacje, które zmusiły astronomów, by poważnie potraktowali istnienie obu tych substancji. Sprawę rozstrzygnął fakt, że te niezależne podejścia stopniowo zaczęły się zbiegać do takich samych wartości oszacowań ilości ciemnej materii i ciemnej energii. Ogólnie rzecz biorąc, w nauce obowiązuje zasada, że jeśli rozwiązanie jakiejś zagadki wymaga wprowadzenia nowej substancji o szczególnych właściwościach, to należy zachować wobec takiej propozycji daleko idący sceptycyzm. Jednak coraz więcej dowodów wskazywało, że taki sceptycyzm jest w tym wypadku nieuzasadniony, ponieważ każde nowe zaobserwowane zjawisko potwierdzało poprzednie oszacowania ilości ciemnej materii i ciemnej energii.

Wystarczy podać jeden przykład. W rozdziale 6 dowiemy się, że ciemną materię odkryto po raz pierwszy w latach trzydziestych ubiegłego wieku w olbrzymich gromadach galaktyk, które są największymi obiektami we Wszechświecie utrzymującymi się w całości pod wpływem własnej grawitacji. Uczeni doszli do wniosku, że ciemna materia znajduje się w przestrzeni między galaktykami. Potem, w latach siedemdziesiątych, odkryto ją na peryferiach pobliskich zwyczajnych galaktyk – naukowcy ustalili, że musi ona tworzyć wokół galaktyk swoiste ciemne halo. Po przeprowadzeniu szczegółowych obliczeń okazało się, że taka sama kosmiczna obfitość ciemnej materii mogłaby wyjaśniać zarówno te zaobserwowane zjawiska, jak i bardziej podstawowy proces powstawania i ewolucji galaktyk i ich gromad. W rozdziałach 5 i 8 opowiemy o tym, jak cała kosmiczna struktura wyrosła pod wpływem grawitacji z nieznacznych fluktuacji zarodkowych i przekształciła się w nasz lokalny Wszechświat. Źródłem grawitacji są skupiska materii – dowiódł tego już Newton w XVII wieku. W latach dziewięćdziesiątych XX stulecia odkryliśmy, że aby mogła się wytworzyć odpowiednia struktura, materii i wynikającej z niej grawitacji musi być „w sam raz”. Taka sama ilość ciemnej materii, jaka potrzebna jest do wyjaśnienia pochodzenia struktury kosmosu, wyjaśnia również dwa pozostałe zjawiska: własności gromad galaktyk i ciemne halo w galaktykach. W końcu w rozdziale 8 dowiemy się, że dzięki gigantycznym teleskopom optycznym udało się nam niedawno odkryć jasne, zniekształcone obrazy niezwykle dalekich obiektów. Tego typu obrazy można wyjaśnić jedynie tym, że na drodze światła muszą się znajdować jakieś skupiska materii działającej niczym soczewka grawitacyjna, która powiększa obraz dużo dalszych obiektów – możliwość wystąpienia takiego efektu przewidział już Einstein. I tak jak poprzednio okazało się, że ilość takiej materii potrzebna do wytworzenia zaobserwowanych obrazów jest zgodna z ilością potrzebną do wywołania omawianych przed chwilą zjawisk. Mamy zatem aż trzy dowody prowadzące do tego samego wniosku.

Wydaje się, że gmach współczesnej kosmologii został postawiony na solidnych fundamentach – ale oczywiście jedynie czas pokaże, czy to prawda. Myślimy, że nakreślony przez nas ogólny obraz jest poprawny, ale naiwnością (i głupotą) byłoby sądzić, że zbliżamy się już do końca epoki odkryć i teraz wreszcie „nam się udało”. W chwili obecnej nie mamy żadnych solidnych przesłanek, które pozwalałyby nam odkryć fizyczną naturę ciemnej materii lub ciemnej energii, nie ulega więc wątpliwości, że wciąż jeszcze musimy się wiele dowiedzieć. Czy powinniśmy się jednak spodziewać jakichś rewolucyjnych odkryć podważających prawdziwość tej opowieści, która wydaje się tak spójna? Czy nauka rozwija się skokowo, przez zmianę kolejnych paradygmatów i wywracanie całego obrazu do góry nogami? Istnieje szkoła myślenia, która kwestionuje zasadność normalnej metody naukowej i pojęcie postępu naukowego. Jej zwolenników bardziej przekonuje opis, w którym zmiany naszego obrazu świata są wynikiem przypadku i bardziej zależą od relacji społecznych między badaczami niż od rzeczywistego zrozumienia przyrody.

Sądzimy jednak, że uważna analiza dotychczasowej historii nauki wyraźnie pokazuje, że taki punkt widzenia jest nieprawdziwy. W ciągu całej długiej historii kosmologii najważniejsi myśliciele zazwyczaj wierzyli, że mają poprawny model, nawet jeśli ulegał on zmianom. Faktem jest, że od powstania współczesnej nauki w epoce renesansu uczeni zwykle mieli rację – choć jednocześnie ich obraz świata cały czas był niepełny. Ich obserwacje i teorie opierały się na „lokalnym” świecie, do którego mieli dostęp, i większy obraz ukazywał się ich oczom dopiero po przesunięciu horyzontu. Udamy się ich śladem w podróż będącą nieustannym poszerzaniem się zarówno pojęciowego, jak i obserwacyjnego horyzontu od naszej planety, poprzez Układ Słoneczny i Galaktykę, aż po cały rozszerzający się Wszechświat. Także nasz horyzont czasowy przesuwał się w odpowiednim tempie, od ludzkiego, historycznego czasu rzędu tysięcy lat, poprzez kilkumiliardową historię Ziemi, aż po nieograniczone być może kosmiczne skale czasowe. W tym procesie odkrywaliśmy raz za razem, że nasz w zasadzie poprawny obraz lokalnego wszechświata jest zanurzony w znacznie większym kosmosie oraz że głównymi składnikami tego wyłaniającego się świata są nowe, dziwne siły i substancje, natomiast znane nam z poprzedniego modelu składniki rzeczywistości okazują się stosunkowo mało istotnymi elementami lokalnymi.

Błędem byłoby oczywiście przecenianie tej ewolucji i odmalowywanie jej jako nieprzerwanego marszu ku postępowi. Próby zrozumienia mechanizmu działania niebios w starożytności czy średniowieczu często kończyły się wprowadzaniem doraźnych poprawek do obowiązującego modelu. Skłonność do jak najszybszego załatania wszelkich luk w teorii nigdy nas nie opuszcza. Nawet Einstein zdecydował się na taki krok, gdy wprowadził do swoich równań arbitralną stałą, by umożliwić istnienie statycznego wszechświata, zgodnego z jego ówczesnym wyobrażeniem. Obecnie jednak, w obliczu zalewu danych z coraz liczniejszych obserwatoriów – dzięki którym uczeni spoglądają w kosmos sponad przesłaniającej obraz ziemskiej atmosfery i widzą Wszechświat coraz dokładniej, w coraz szerszym zakresie długości fal – pozostało już niewiele miejsca na tego typu błędy. Dzisiejsi uczeni są przekonani, że podążając śladem odkrywanych faktów, uzyskali wiarygodny, uzgodniony obraz początków, historii i obecnego stanu Wszechświata oraz że współczesny model, potwierdzony tak wieloma różnorodnymi dowodami, faktycznie wydaje się solidny. Możemy jednak być pewni, że w przyszłości czekają nas jeszcze nowe odkrycia i niespodzianki.

Plan naszej podróży

W tej książce opowiemy o tym, jak ludzkość osiągnęła obecny poziom zrozumienia Wszechświata, który zamieszkuje. Choć postrzeganie rozwoju naszego rozumienia jako ciągu nieustających postępów przestało już być modne, to pozostaje faktem, że wcześniejsze obrazy świata nie były w większości wypadków całkowicie błędne. Były raczej, jak już powiedzieliśmy, niepełne i włączano je w coraz większy i dokładniejszy obraz świata. W prologu podsumujemy wiedzę, którą ludzkość zgromadziła od starożytności do renesansu, i omówimy pierwszy okres istnienia obserwacyjnej nauki operującej konkretnymi faktami. Przed dwoma tysiącami lat Grecy mieli już dość dokładny model geometryczny układu Ziemia-Księżyc-Słońce, odkryli zjawisko precesji punktów równonocy, a nawet sporządzili pierwsze katalogi gwiazd. Rewolucja kopernikańska, rozszerzona i wzbogacona za sprawą fizyki matematycznej Johannesa Keplera, teleskopów Galileusza i newtonowskiego prawa powszechnego ciążenia, umieściła ten obraz świata w dokładnym modelu Układu Słonecznego. W XVIII i XIX stuleciu uczeni przekonali się, że Układ Słoneczny jest częścią znacznie większego dysku gwiazd widocznego na nocnym niebie, który nazwali Drogą Mleczną. Wokół naszej Galaktyki dostrzegli także zagadkowe mgławice i zastanawiali się, czy są one jakimiś gazowymi obłokami w zewnętrznych jej rejonach, czy też może niezależnymi wszechświatami wyspowymi.

Rozdział 1, „Narzędzia Einsteina i ich zastosowanie”, zaczyna się od omówienia dwóch rewolucji, które dokonały się w XX stuleciu: teorii względności i mechaniki kwantowej. Dzięki tym teoriom poznaliśmy prawa fizyczne pozwalające zrozumieć otaczający nas świat. W rozdziale 2, „Królestwo mgławic”, rozpoczniemy badanie kosmosu i opowiemy o okresie, w którym teleskopy obserwujące ciemne niebo nad Nowym Światem stały się na tyle mocne, że Vesto Slipher, Edwin Hubble i inni mogli się przekonać, iż tajemnicze mgławice spiralne są częścią rozszerzającego się układu galaktyk, nierzadko podobnych do Drogi Mlecznej. Rozdział 3, „Zajmijmy się kosmologią!”, i związany z nim bardziej matematyczny dodatek (dodatek 1) pokażą, jak możemy zrozumieć niektóre podstawowe idee fizyczne kosmologii oraz tajemnice rozszerzającego się Wszechświata bez odwoływania się do matematyki i fizyki wykraczającej poza program szkoły średniej. W rozdziale 4, „Odkrycie Wielkiego Wybuchu”, umieścimy ten obraz świata w kontekście równań Einsteina i nakreślimy współczesny obraz rozszerzającego się, ewoluującego i bardzo gorącego na początku kosmosu, który nazywamy modelem Wielkiego Wybuchu. W drugiej połowie XX wieku odkryliśmy, że niebo skąpane jest w mikrofalowym (radiowym) promieniowaniu tła oraz że lżejsze pierwiastki chemiczne powstały w kosmologicznym piecu. Oba te odkrycia potwierdzają przyjęty model i obecnie wszyscy, którzy zajmują się tą tematyką, uznają prawdziwość teorii znanej jako standardowy model gorącego Wielkiego Wybuchu.

Badania teoretyczne przeprowadzone do tego momentu skupiały się na ewolucji Wszechświata jako całości i były próbą rozstrzygnięcia, czy będzie się rozszerzał wiecznie, czy też w końcu się zatrzyma, a potem ponownie skurczy. Obiekty wypełniające Wszechświat, takie jak galaktyki oraz ich grupy i gromady, były w pewnym sensie traktowane jako dane. W kosmologii przyjmowano po prostu, że są, i nie zastanawiano się, skąd się wzięły. Nikt nie pytał, kiedy i jak powstały te obiekty będące obserwowalnymi składnikami Wszechświata. Później jednak, jak przekonamy się w rozdziale 5, „Pochodzenie struktury we Wszechświecie”, w ostatnim ćwierćwieczu XX stulecia opracowano w końcu współczesną teorię pochodzenia struktury kosmicznej i przedstawiono idee opisujące proces powstawania galaktyk i innych wielkoskalowych struktur kosmologicznych. Jednocześnie w tym samym okresie wzrosła wśród uczonych świadomość, że istnieją jeszcze dwa podstawowe, dodatkowe i dość dziwne składniki – ciemna materia i ciemna energia – których natura pozostaje nieznana, ale są one niezbędne, by cała ta maszyneria mogła poprawnie działać.

Fascynujące odkrycia tych dwóch kluczowych składników naszego Wszechświata, dokonane w ostatnich dziesięcioleciach XX wieku, opisano szczegółowo w rozdziale 6, „Ciemna materia albo najlepszy pomysł Fritza Zwicky’ego”, oraz 7, „Ciemna energia albo największa pomyłka Alberta Einsteina”. Grawitacja ciemnej materii jest siłą napędową powodującą skupianie się zwyczajnej materii w galaktyki. Obecnie wiemy już, że zwyczajna materia znana nam z chemii, z której zbudowane są planety i gwiazdy – materia emitująca i pochłaniająca światło – stanowi zaledwie jakieś 4 procent zawartości Wszechświata. Jest więc jedynie niewielkim dodatkiem, niczym lukier na powierzchni ciasta. Samo ciasto składa się z ciemnej materii, ciemnej energii i promieniowania elektromagnetycznego, przy czym ciemna energia odgrywa tu rolę drożdży, które w przedziwny sposób rozpychają całą masę.

Tak wygląda plan naszej kosmicznej podróży, którą odbędziemy w następnych rozdziałach. Podsumowanie całej wyprawy, płynące z niej wnioski i nierozstrzygnięte wciąż kwestie omówimy w rozdziałach 8, „Współczesny paradygmat i granice naszej wiedzy”, oraz 9, „Granica: najważniejsze niewyjaśnione zagadki”. Współczesny obraz świata jest fascynujący, nowy i – powiedzmy to śmiało – zapewne oparty na solidnych, prawdziwych fundamentach. W żadnym jednak razie nie jest to obraz pełny, ponieważ, jak już zauważyliśmy, wciąż nie mamy pojęcia, co tworzy ciemną materię i ciemną energię. Rozpoczynamy naszą podróż od okresu nazywanego w historii Zachodu klasyczną starożytnością, ale szybko dotrzemy do renesansu, epoki, w której mądrość starożytnych, przechowana, udoskonalona i przekazana dalej przez islamskich mędrców, zaczęła ponownie docierać do zacofanej intelektualnie, ale budzącej się Europy Zachodniej. Coraz silniejsze opieranie się na trzech aspektach racjonalnego myślenia ostatecznie przekształciło nie tylko astronomię, lecz także wszystkie inne obszary badań otaczającego nas świata. Owe trzy kluczowe pojęcia to: dokonywanie bezpośrednich pomiarów i obserwacji, wprowadzenie modelowania matematycznego i wymaganie, by hipotezy były weryfikowalne.

W ten sposób, dzięki podważeniu przez ludzi renesansu modelu astronomicznego filozofii scholastycznej, narodziła się metoda naukowa w znanej nam postaci. Ta nowa metoda, której ostatecznym sprawdzianem było opisanie otaczającego nas astronomicznego świata, stała się później podstawą całego przyszłego rozwoju technicznego, od elektroniki po odkrycia w biologii. Doprowadziła nas do obecnego obrazu Wszechświata, opisanego w rozdziałach końcowych, i nie ma wątpliwości, że w przyszłości zaprowadzi nas jeszcze dalej.

CIĄG DALSZY DOSTĘPNY W PEŁNEJ, PŁATNEJ WERSJI

PEŁNY SPIS TREŚCI

PODZIĘKOWANIA

PRZEDMOWA

JĄDRO CIEMNOŚCI

PROLOG. OD MITU DO RZECZYWISTOŚCI

1. NARZĘDZIA EINSTEINA I ICH ZASTOSOWANIE

2. KRÓLESTWO MGŁAWIC

3. ZAJMIJMY SIĘ KOSMOLOGIĄ!

4. ODKRYCIE WIELKIEGO WYBUCHU

5. POCHODZENIE STRUKTURY WE WSZECHŚWIECIE

6. CIEMNA MATERIA ALBO NAJLEPSZY POMYSŁ FRITZA ZWICKY’EGO

7. CIEMNA ENERGIA ALBO NAJWIĘKSZA POMYŁKA EINSTEINA

8. WSPÓŁCZESNY PARADYGMAT I GRANICE NASZEJ WIEDZY

9. GRANICA: NAJWAŻNIEJSZE NIEWYJAŚNIONE ZAGADKI

DODATKI

DODATEK 1. KOSMOLOGIA BEZ TEORII WZGLĘDNOŚCI

DODATEK 2. JAK W ASTRONOMII MIERZY SIĘ MASĘ

SŁOWNIK

LITERATURA UZUPEŁNIAJĄCA