Księga wszechświatów

Księga wszechświatów

Autorzy: John D. Barrow

Wydawnictwo: Prószyński i s-ka

Kategorie: Popularnonaukowe

Typ: e-book

Formaty: MOBI EPUB

Ilość stron: 424

Cena książki papierowej: 42.00 zł

cena od: 30.24 zł

Jedna z najbardziej oczekiwanych książek popularnonaukowych ostatnich lat, prezentująca koncepcję Multiświata ogółu wszystkich możliwych wszechświatów, których istnienie jest zgodne z aktualnymi teoriami fizycznymi.

W tej niezwykłej opowieści napotkamy wszechświaty, w których prawa fizyki zmieniają się w czasie i przestrzeni, wszechświaty z ukrytymi wymiarami czasoprzestrzennymi, wszechświaty, które są wieczne, wszechświaty znajdujące się wewnątrz czarnych dziur, wszechświaty, których ewolucja nieoczekiwanie dobiega końca, wszechświaty zderzające się ze sobą, wszechświaty inflacyjne oraz wszechświaty, które powstają z czegoś innego albo i wręcz z niczego. Jedne rozszerzają się, inne kurczą, niektóre wirują niczym bąk, a jeszcze inne zachowują się zupełnie chaotycznie. Jedynie nieliczne dopuszczają powstanie życia, reszta nie ma szans, by kiedykolwiek doszło do pojawienia się w nich istot rozumnych. 

John David Barrow angielski fizyk i matematyk, profesor na Uniwersytecie Cambridge i jeden z najbardziej poczytnych autorów książek popularnonaukowych.

Tytuł oryginału

THE BOOK OF UNIVERSES

Copyright © John D. Barrow 2011

First published as The Book of Universes by Bodley Head

All rights reserved

Projekt okładki

Prószyński Media

Redaktor serii

Adrian Markowski

Redakcja i korekta

Anna Kaniewska

ISBN 978-83-7961-924-5

Warszawa 2012

Wydawca

Prószyński Media Sp. z o.o.

02-697 Warszawa, ul. Rzymowskiego 28

www.proszynski.pl

Dla Tilly, na którą czeka jeszcze wiele wszechświatów

Coś, czego nie znamy, robi nie wiadomo co.

Arthur S. Eddington

PRZEDMOWA

Wszechświaty to teraz wielka rzecz. A to jest właśnie książka o wszechświatach. U jej podłoża legł jeden konkretny fakt, którego niezwykłości na ogół do końca sobie nie uświadamiamy – wprowadzony przez Alberta Einsteina sposób matematycznego opisu możliwych wszechświatów – całych wszechświatów jako takich. Nad tym, jak zbudowany jest nasz wszechświat, zastanawiano się od tysięcy lat, próbując go objaśniać przy użyciu najróżniejszych schematów, czasem wielce fantazyjnych, stanowiących odzwierciedlenie wierzeń religijnych, koncepcji społecznych, wizji artystycznych bądź osobistych poglądów. Niemniej wszystkie one miały charakter luźnych opowieści. Na początku XX wieku sytuacja ta uległa radykalnej zmianie. Einstein pokazał, jak znaleźć wszystkie wszechświaty niesprzeczne ze znanymi prawami fizyki oraz naturą oddziaływań grawitacyjnych, odtworzyć ich przeszłość i poznać przyszłość. Jednak w praktyce okazało się to wcale nie takie łatwe. Od tamtego czasu astronomowie, matematycy i fizycy zadają sobie wiele trudu, by uzyskiwać kolejne rozwiązania skomplikowanych równań Einsteina odpowiadające poszczególnym wszechświatom. Niniejsza książka przedstawia te ich wysiłki i możliwości, jakie się dzięki nim stopniowo otwierają.

Poczet możliwych wszechświatów jest już całkiem spory. Wiele z nich nazwanych zostało na cześć najsłynniejszych uczonych XX wieku. Jedne rozszerzają się, inne kurczą, niektóre wirują niczym bąk, a jeszcze inne zachowują się zupełnie chaotycznie. Jedne są idealnie jednorodne, inne gruzłowate bądź wstrząsane w różnych kierunkach kosmicznymi konwulsjami; jedne oscylują bez końca, inne stają się zimne i martwe, a jeszcze inne będą rozszerzać się w nieskończoność w coraz to szybszym tempie. W niektórych możliwa jest podróż w czasie w przeszłość, w innych zagraża to, że w skończonym czasie wydarzy się nieskończenie wiele rzeczy. Jedynie nieliczne dopuszczają powstanie życia; reszta nie ma szans, by kiedykolwiek doszło do pojawienia się w nich istot rozumnych. Niektóre kończą się spektakularnym kataklizmem, u innych koniec następuje zupełnie nieefektownie. A są i takie, które końca nie mają w ogóle.

W naszej opowieści napotkamy wszechświaty, w których prawa fizyki zmieniają się w czasie i przestrzeni, wszechświaty z ukrytymi wymiarami czasoprzestrzennymi, wszechświaty, które są wieczne, wszechświaty znajdujące się wewnątrz czarnych dziur, wszechświaty, których ewolucja nieoczekiwanie dobiega końca, wszechświaty zderzające się ze sobą, wszechświaty inflacyjne oraz wszechświaty, które powstają z czegoś innego – albo i wręcz z niczego.

Stopniowo będziemy też zapoznawać się z najnowszymi i najlepszymi opisami wszechświata, w którym się sami znajdujemy, wraz z koncepcją „multiświata” – ogółu wszystkich możliwych wszechświatów – którą dopuszczają aktualne teorie fizyczne. Są to najbardziej niezwykłe i najdalej wybiegające spekulacje w całej współczesnej nauce. Stawiają nas one wobec dylematu, czy eksponaty w naszej galerii możliwych wszechświatów istnieją w rzeczywistości, czy też ten specjalny status przysługuje tylko jednemu z nich.

Autorzy książek z zakresu kosmologii i astronomii skupiają się zazwyczaj na kwestiach szczegółowych – ciemnej materii, ciemnej energii, początku bądź kresie ewolucji wszechświata, kosmicznej inflacji, czy też warunkach koniecznych dla powstania życia – natomiast ta książka w spójny i uporządkowany sposób wprowadza czytelnika w tematykę całych wszechświatów, historię ich odkrywania i sylwetki naukowców, którzy tego dokonali.

Chciałbym szczególnie gorąco podziękować Katherine Ailes, Allenowi Attardowi, Donato Biniemu, Arthurowi Cherninowi, Hyong Choi, Pameli Contractor, Cecile De Witt, Charlesowi Dyerowi, Kenowi Fordowi, Carlowi Freytagowi, Gary’emu Gibbonsowi, Owenowi Gingerichowi, Jörgowi Hensgenowi, Bobowi Jantzenowi, Andriejowi Lindemu, Kay Peddle, Arno Penziasowi, Remo Ruffiniemu, Dougowi Shaw, Willowi Sulkinowi, Kipowi Thorne’owi oraz Donowi Yorkowi za pomoc w redagowaniu tekstu, zdobywaniu ilustracji oraz ustalaniu istotnych szczegółów historycznych. Dziękuję Elizabeth za jej troskliwe wsparcie, naszym już nie tak małym dzieciom za ich dociekliwe pytania oraz wnuczce, której tę książkę dedykowałem.

John D. Barrow

Cambridge

Rozdział 1

Być we właściwym miejscu o właściwym czasie

Wiem, że to wszystko istnieje tylko w naszych umysłach, lecz ludzki umysł to coś zaiste potężnego.

Colin Cotterill1

DWAJ MĘŻCZYŹNI NA PRZECHADZCE

Za każdym razem zdumiewa mnie, gdy jakiś młodzieniec powiada mi, że chce zajmować się kosmologią; dla mnie kosmologia to coś, co się człowiekowi przydarza, a nie coś, co można sobie wybrać.

William H. McCrea2

Starszy człowiek idący ulicą wyglądał tak samo jak zwykle – dystyngowany, lecz z lekka rozchełstany w artystowskim stylu, z wolna przechadzający się po głównej ulicy amerykańskiego miasta Europejczyk o smutnej twarzy, skupiony, lecz niebaczący na otoczenie, zawsze przyciągający uwagę miejscowych, gdy uprzejmie wymijał ludzi robiących zakupy i studentów spieszących tłumnie na zajęcia. Wyglądało na to, że wszyscy wiedzą, kim jest, lecz on unikał wzroku ludzi. Dzisiaj szedł razem z nim ktoś jeszcze, bardzo wysoki, mocno zbudowany mężczyzna, ubrany nieco gorzej i niedbale, lecz w trochę inny sposób niż jego towarzysz. Obaj szli głęboko pochłonięci rozmową, obojętni na witryny mijanych sklepów. Starszy mężczyzna słuchał w zamyśleniu, co jakiś czas marszcząc delikatnie czoło; jego młodszy towarzysz entuzjastycznie bronił swojej tezy, gestykulując gwałtownie i nieustannie perorując. Dla żadnego z nich angielski nie był językiem ojczystym, lecz mówili z akcentem odmiennej proweniencji. Chcąc przejść przez ulicę, zatrzymali się przy krawężniku przed przejeżdżającymi samochodami. Gdy zapaliło się zielone światło, ruszyli spokojnym krokiem przed siebie, koncentrując się na kwestiach światła, dźwięku i ruchu względnego. Nagle sytuacja uległa zmianie. Wyższy z rozmówców powiedział coś, wykonując przy tym zamaszysty ruch ręką, na co starszy mężczyzna zastygł nieruchomo, ignorując zarówno auta, jak i spieszących się przechodniów. Słowa jego towarzysza zaabsorbowały go bez reszty. Samochody wściekle trąbiły, omijając ich niczym rozbitków pośród motoryzacyjnego morza. Starszy mężczyzna nadal pogrążony był w swych myślach, podczas gdy młodszy go o czymś uporczywie przekonywał. Ostatecznie zdawszy sobie sprawę z tego, co się wokoło dzieje, lecz zapomniawszy, dokąd podążali, obaj spokojnie wycofali się na chodnik – tenże sam, z którego przed chwilą zeszli – i udali się z powrotem w kierunku, skąd przyszli, ani na moment nie przerywając dyskusji nad nową ideą.

Ci dwaj mężczyźni rozmawiali o wszechświatach3. Działo się to w Princeton w stanie New Jersey podczas drugiej wojny światowej. Młodszym z nich był George Gamow, dla przyjaciół „Gee-Gee”, emigrant ze Związku Radzieckiego, a starszym – Albert Einstein, który już trzydzieści lat wcześniej wykazał, że zachowanie się wszechświata jako całości da się prosto ująć matematycznie. Natomiast Gamow doszedł do wniosku, że taki wszechświat musiał mieć przeszłość niewyobrażalnie odmienną od teraźniejszości. Tym, co zatrzymało ich obu pośrodku jezdni, była sugestia Gamowa, że prawa fizyki nie wykluczają sytuacji, iż coś powstaje z niczego. I tym czymś może być nie tylko pojedyncza gwiazda, ale i cały wszechświat!

ACH TE ZABAWNE WSZECHŚWIATY

Historia to ogół wszystkich rzeczy, których można było uniknąć.

Konrad Adenauer

Co to jest wszechświat? Skąd się wziął i ku czemu zmierza? Te na pozór proste pytania należą do najgłębszych, jakie kiedykolwiek zadawał sobie człowiek. W zależności od tego, ile się wie, można udzielać różnych odpowiedzi na pytanie, co rozumie się przez pojęcie „wszechświata”4. Czy są to wszystkie obiekty, jakie dostrzegamy w przestrzeni kosmicznej, być może z samą tą przestrzenią na dokładkę? A może jest to wszystko, co istnieje w sensie fizycznym? Sporządzając listę tego, co należałoby zaliczyć do owego „wszystko”, zaczynamy się zastanawiać, co zrobić z tym, co fizycy określają mianem „praw przyrody”, oraz przedmiotami innymi „nieuchwytnych” pojęć, takich jak przestrzeń i czas. Jakkolwiek nie da się ich dotknąć ani zobaczyć, mają one namacalne skutki, wydają się bardzo ważne i jak najbardziej realne – coś na kształt przepisów gry w futbol – zatem dobrze byłoby je również dorzucić. A co z przyszłością i przeszłością? Skupianie się wyłącznie na tym, co istnieje teraz, zakrawa na zbytnie ograniczenie. A jeśli uwzględnimy wszystko, co kiedykolwiek istniało jako część wszechświata, to dlaczego mielibyśmy pomijać przyszłość? Zostajemy więc z definicją, że wszechświat to wszystko, co istniało, istnieje i będzie istniało.

Gdybyśmy chcieli być naprawdę skrupulatni, moglibyśmy przyjąć jeszcze szerszą definicję wszechświata, obejmującą nie tylko to, co istnieje, lecz także to, co mogłoby istnieć – a ostatecznie nawet i to, co istnieć nie może. Niektórych średniowiecznych filozofów5 tego rodzaju kompletność wielce pociągała, zatem w katalogu składników wszechświata uwzględniali dodatkowo to, co nie istniało, nie istnieje i nie będzie istnieć. Podejście takie stwarza jednak moc nowych problemów, chociaż jest ich już i tak bez liku. Niemniej ostatnio wystąpiło ono ponownie we współczesnych rozważaniach o wszechświecie, jakkolwiek pod nieco odmienną postacią. Dzisiejsi kosmolodzy interesują się nie tylko budową i historią naszego wszechświata, lecz także innymi możliwymi wszechświatami. Nasz wszechświat ma szereg szczególnych i (przynajmniej dla nas) zaskakujących właściwości i zależy nam na tym, by się przekonać, czy mogłoby być inaczej. W tym celu musimy podać przykłady „innych” wszechświatów, by dało się dokonać odpowiednich porównań.

Tym właśnie zajmuje się współczesna kosmologia. Jest ona nie tylko próbą jak najpełniejszego i najbardziej precyzyjnego opisania naszego wszechświata, lecz także stara się umieścić ów opis w kontekście możliwości odmiennych od tej, która się zrealizowała. Stawia pytanie, „dlaczego” nasz wszechświat ma właśnie te, a nie inne cechy. Oczywiście, mogłoby się okazać, że nie jest możliwy żaden inny wszechświat (czyli taki, którego budowa, zawartość, prawa fizyki, wiek i tak dalej, byłyby różne – o ile jesteśmy w stanie to sobie wyobrazić). Przez długi czas kosmolodzy w zasadzie spodziewali się – wręcz mieli nadzieję – że tak właśnie będzie. Jednak ostatnio sprawy przybierają odmienny obrót i wszystko wskazuje na to, że prawa fizyki dopuszczają wiele możliwych, różniących się od siebie wszechświatów. A na dodatek może być tak, że te inne wszechświaty nie mają statusu wyłącznie niezrealizowanych możliwości, lecz istnieją w każdym sensie, jaki przypisujemy wszelkim obiektom realnym, takim jak ja i wy, tu i teraz.

WYRÓŻNIONA POZYCJA

We śnie [Jakub] ujrzał drabinę opartą na ziemi, sięgającą swym wierzchołkiem nieba, oraz aniołów Bożych, którzy wchodzili w górę i schodzili na dół.

Księga Rodzaju6

Ludzie posługują się pojęciem wszechświata od tysięcy lat. Oczywiście zawsze chodziło im o ich wszechświat, a nie to, co obecnie przez to rozumiemy. Dla wielu był to po prostu obszar pozostający w zasięgu ich podróży. Albo też nocne niebo z planetami i gwiazdami dostrzegalnymi gołym okiem. W większości starożytnych kultur próbowano stworzyć obraz bądź narrację obejmującą wszystko, co widać dokoła, czy to na niebie, na ziemi, czy w morzu7. Takie konstruowanie całościowego obrazu nie było początkowo związane z uprawianiem kosmologii. Jego twórcom zależało po prostu na przekonaniu siebie i innych o sensie wszechrzeczy oraz o fakcie, że oni są istotnym elementem owego sensu. Przyznanie, że istnieją obszary rzeczywistości, których nie można sobie wyobrazić ani na nie wpływać, oznaczałoby niebezpieczny stan niepewności. To dlatego właśnie starożytne mity dotyczące wszechświata są tak kompletne – wszystko ma w nim wyznaczone sobie miejsce i jest miejsce na wszystko. Żadnych „być może”, zastrzeżeń, wątpliwości czy ewentualności wymagających dopiero rozstrzygnięcia. Były to istne „teorie wszystkiego”, tyle że niemające w sobie nic z nauki.

Czas i miejsce, w jakim przyszło nam żyć na Ziemi, wyznacza to, jak postrzegamy otaczający nas wszechświat. Dla mieszkańców okolic równika ruchy gwiazd po nieboskłonie były proste i oczywiste. Gwiazdy wschodziły, przesuwały się w górze i zachodziły za przeciwległym horyzontem. Każdej nocy wyglądało to tak samo i można było odnieść wrażenie pozostawania w centrum tego kosmicznego ruchu. Dla tych wszakże, którzy zamieszkiwali z dala od tropików, niebo wyglądało zupełnie inaczej. Jedne gwiazdy wyłaniały się spod horyzontu i znikały pod nim ponownie jeszcze przed upływem nocy, wznosiły się prosto w górę, by przejść nad głowami i obniżyć się z powrotem ku horyzontowi. Inne nigdy nie wschodziły ani nie zachodziły, pozostając zawsze ponad horyzontem. Wydawało się, że zataczają okręgi wokół jednego punktu na sferze niebieskiej, jak gdyby były przymocowane na wielkim kole obracającym się wokół swej osi. Musiało to zmuszać do zastanowienia, cóż jest takiego szczególnego w miejscu, wokół którego obracają się gwiazdy. Wśród mieszkańców rejonów na północy powstało wiele mitów i legend wyjaśniających sens tego kolistego ruchu gwiazd.

To, że wygląd nocnego nieba jest odmienny na większych szerokościach geograficznych, wynika z nachylenia osi obrotu Ziemi (rysunek 1.1). Gdy Ziemia obiega Słońce, prosta przechodząca przez jej bieguny, północny i południowy8, wokół której obraca się w ruchu dziennym, nie jest prostopadła do toru orbity, lecz odchylona o kąt około 23,5°. Ma to istotne konsekwencje, powodując zróżnicowanie pór roku. Gdyby nie owo nachylenie, nie byłoby żadnych zmian klimatycznych w ciągu roku; przy większym nachyleniu zaś zmiany te stałyby się jeszcze bardziej radykalne. Jednak nawet gdyby ktoś nie wiedział w ogóle o ruchu Ziemi wokół Słońca oraz nachyleniu jej osi, to obserwując przemieszczanie się gwiazd na niebie na różnych szerokościach geograficznych, zauważyłby różnice będące efektem właśnie tego nachylenia.

Rys. 1.1 Oś obrotu Ziemi przechodząca przez biegun północny i południowy jest nachylona pod kątem około 23,5° względem prostej prostopadłej do płaszczyzny orbitalnej Ziemi.

Na przedłużeniu linii łączącej biegun południowy Ziemi z północnym leży punkt, który nazywamy biegunem północnym nieba. Po przeciwległej stronie sfery niebieskiej mamy biegun południowy. W konsekwencji obrotu Ziemi widzimy pozorny ruch gwiazd po nocnym niebie w przeciwnym kierunku. Gwiazdy, które pozostają przez cały czas widoczne ponad horyzontem, zataczają na sferze niebieskiej okrąg za każdym razem, gdy Ziemia wykona w ciągu doby pełny obrót. Jednakże dla większości gwiazd na niebie część tego okręgu nie jest widoczna, gdyż ukryta jest pod horyzontem. Na rysunku 1.2 pokazano, co widzi obserwator nieba znajdujący się na półkuli północnej na szerokości geograficznej L9.

Rys. 1.2 Sfera niebieska widziana przez astronomów znajdujących się na L stopni szerokości geograficznej północnej. W każdym momencie widzą oni jedynie połowę nieba. Niektóre gwiazdy, zwane północnymi gwiazdami okołobiegunowymi, są położone tak blisko północnego bieguna niebieskiego, że nigdy nie zachodzą pod horyzontem. Druga grupa, wokół południowego bieguna niebieskiego, zwana południowymi gwiazdami okołobiegunowymi, nie jest widoczna dla tych astronomów, ponieważ nigdy nie wschodzi ponad horyzont.

Horyzont naszego obserwatora dzieli sferę niebieską na dwie połowy. W danym momencie widoczna jest jedynie część położona powyżej widnokręgu. Ponieważ obserwacja dokonywana jest z miejsca o szerokości geograficznej L, biegun północny nieba położony jest L stopni nad horyzontem, natomiast biegun południowy nieba L stopni pod horyzontem. Obrót Ziemi sprawia, że wydaje się, jakby niebo obracało się w kierunku zachodnim wokół bieguna północnego nieba. Widzimy, że gwiazdy po pojawieniu się na wschodnim widnokręgu wznoszą się, aż osiągną najwyższy punkt, zwany zenitem, a następnie stopniowo zniżają się, by zniknąć pod widnokręgiem na zachodzie10.

Dwie grupy gwiazd na sferze niebieskiej wyłamują się z tego powtarzającego się każdej nocy cyklu wschodów i zachodów. Gwiazdy położone wewnątrz koła o promieniu L stopni, licząc od bieguna północnego nieba, zataczają okręgi na niebie, nigdy nie chowając się pod horyzontem. Na ciemnym i bezchmurnym niebie pozostają one widoczne przez cały czas11. Dla obserwatorów w Europie w czasach współczesnych są to między innymi gwiazdy wchodzące w skład gwiazdozbioru Kasjopei i Wielkiej Niedźwiedzicy. Z kolei gwiazdy nieba południowego położone wewnątrz analogicznego kolistego obszaru wokół bieguna południowego pozostają stale niewidoczne dla obserwatora z naszego przykładu, gdyż nie pojawiają się ponad jego horyzontem12. Dlatego właśnie w północnej Europie nigdy nie oglądamy konstelacji zwanej Krzyżem Południa. Zasadniczą sprawą jest to, że, jak się możemy przekonać, wielkość fragmentu sfery niebieskiej stale widocznego bądź stale niewidocznego zależy od szerokości geograficznej obserwatora. Gdy szerokość geograficzna wzrasta w miarę oddalania się od równika, wzrastają również rozmiary tych obszarów. Na rysunku 1.3 pokazano, jak widzą niebo obserwatorzy na trzech różnych szerokościach geograficznych.

Rys. 1.3 Nocne niebo oglądane z trzech różnych szerokości geograficznych na powierzchni Ziemi. Widoki te różnią się położeniem bieguna niebieskiego, wokół którego gwiazdy zataczają pozorne kręgi (a) z równika; (b) ze Stonehenge w Anglii; (c) z bieguna północnego.

Na równiku, gdzie szerokość geograficzna wynosi zero, obszary gwiazd stale widocznych i stale niewidocznych w ogóle nie występują. Znajdujący się tam obserwator jest w stanie dostrzec każdą dostatecznie jasną gwiazdę, jakkolwiek na ogół oba bieguny nieba giną na zamglonym w dali horyzoncie. Gwiazdy wschodzą i wznoszą się, dopóki nie osiągną najwyższego punktu swojej trajektorii na sferze niebieskiej. Po wzejściu każda z gwiazd porusza się pionowo, stanowiąc pośród ciemnej nocy doskonały świetlny punkt orientacyjny dla podróżujących na lądzie i na morzu. Niebo wydaje się czymś prostym i idealnie symetrycznym, a nasz obserwator odnosi wrażenie, że gwiazdy poruszają się w górze w przewidywalny sposób dla jego wygody. Wygląda to tak, jak gdyby znajdował się w centrum wszechrzeczy.

Drugim skrajnym przypadkiem jest biegun północny, gdzie szerokość geograficzna wynosi 90° i gwiazdy nigdy nie wschodzą ani nie zachodzą. Biegun północny sfery niebieskiej położony jest dokładnie nad głową obserwatora i wszystkie gwiazdy krążą wokół niego. Wydaje się, że jest on ośrodkiem wszechświata, a my znajdujemy się bezpośrednio pod nim.

Na umiarkowanych północnych szerokościach geograficznych, na przykład 51°, na której znajduje się prastare Stonehenge w Wielkiej Brytanii, mamy do czynienia z sytuacją pośrednią. Gwiazdy położone nie dalej niż 51° od północnego bieguna nieba zataczają na sferze niebieskiej koncentryczne kręgi, których środek pokrywa się z biegunem północnym. Pozostałe gwiazdy, które wzeszły na horyzoncie, wznoszą się aż do osiągnięcia punktu zenitu, a następnie obniżają się i zachodzą. Można odnieść wrażenie, że sfera niebieska jest przekręcona. Każda z gwiazd podąża swą indywidualną drogą od wschodu do zachodu. Najbardziej zdumiewający jest wszakże ów wielki korowód gwiazd wokół północnego bieguna nieba, jak gdyby był on osią olbrzymiego kosmicznego koła (rysunek 1.4). Jeśli ktoś spogląda na niebo, nie mając zielonego pojęcia o astronomii ani o ruchu Ziemi, wydaje mu się on wyróżnionym punktem na sferze niebieskiej.

Rys. 1.4 Na tej wykonanej przy zastosowaniu długiej ekspozycji fotografii okolic północnego bieguna nieba widać świetliste ślady gwiazd zataczających kręgi wokół bieguna znajdującego się tuż nad wierzchołkiem widocznego w środku drzewa. (LCGS Russ/Wikipedia)

Z tego właśnie względu mityczne opowieści o niebie i naturze otaczającego nas wszechświata uwarunkowane są geograficznie. Z dala od równika, w Skandynawii i na Syberii, natykamy się na legendy o olbrzymim kosmicznym kole – kamieniu młyńskim, w którego środku mają swą siedzibę bogowie. Gwieździe położonej najbliżej tego środka nadawane jest szczególne znaczenie – to na niej właśnie znajduje się tron władcy wszechświata, z którego rządzi on wszystkimi gwiazdami13.

Nie będziemy się tu bliżej zajmować owymi mitami. Chcemy jedynie pokazać, jak trudno było wyrobić sobie prawdziwy obraz wszechświata, obserwując niebo z powierzchni Ziemi. Nie wiedząc nic o gwiazdach, obrocie Ziemi i nachyleniu osi tego obrotu, łatwo było nieświadomie ulec złudzeniom.

Nawet gdy w pierwszych rozwiniętych cywilizacjach zaczęto dokonywać obserwacji astronomicznych, wciąż obarczone one były wpływem naszej szczególnej perspektywy. Ludzie zamieszkują niewielką planetę, która wraz z wieloma innymi planetami obiega gwiazdę – Słońce. Obecnie wiemy już nie tylko o tym naszym układzie słonecznym, lecz także o setkach innych gwiazd, wokół których wykryto krążące planety (już ponad 500). Ta wiedza sprawia, że skłonni jesteśmy zapominać, jak trudno było się oderwać od perspektywy geocentrycznej i pojąć, jak poruszają się pozostałe planety. Aby unaocznić tę trudność, weźmy bardzo prosty przykład, jak wygląda z Ziemi ruch planety takiej jak Mars. Przyjmijmy przy tym, że zarówno Ziemia, jak i Mars obiegają Słońce po orbitach kołowych oraz że przebycie pełnej orbity przez Marsa trwa dwukrotnie dłużej niż w przypadku Ziemi. Zastanówmy się teraz, jak będzie się zmieniać odległość między obiema planetami w miarę upływu czasu. W ten sposób otrzymamy pozorny ruch Marsa oglądanego z Ziemi, przedstawiony na diagramie na rysunku 1.5b.

Rys. 1.5 Pozorny ruch Marsa obserwowanego z Ziemi. (a) Orbity Marsa i Ziemi, wyobrażone tutaj jako kołowe, przy czym promień orbity Marsa wynosi w przybliżeniu 1,5 promienia Ziemi. Pełny obieg orbity zajmuje Marsowi około dwóch lat ziemskich (687 dni ziemskich). (b) Poruszający się po orbicie Mars widziany z Ziemi zatacza tę zamkniętą figurę o sercowatym kształcie, zwaną „ślimakiem Pascala”. Początkowo Mars oddala się aż do osiągnięcia maksymalnej odległości -5, kiedy to Ziemia i Mars znajdują się po przeciwnych stronach Słońca, a następnie powraca do punktu największego zbliżenia z Ziemią, ale nagle zmienia kierunek i zaczyna się oddalać.

Jest to interesująca sercowata krzywa zamknięta z zapętleniem. Przechodząc w jej górnej części od prawej do lewej, widzimy, że Mars oddala się od Ziemi. Na przecięciu z osią poziomą w punkcie -5 obie planety znajdują się po przeciwnej stronie Słońca, w najdalszej możliwej odległości od siebie. Następnie, gdy Mars zawraca, dzieje się coś bardzo dziwnego. Planeta zbliża się ku Ziemi i wygląda to, jak gdyby miała się z nią zderzyć, ale nagle zaczyna się znów oddalać i z dala od Ziemi podejmuje cały cykl na nowo. Ten „wsteczny” ruch Marsa da się zaobserwować gołym okiem na niebie w ciągu kilku nocy w okresie jego największego zbliżenia do Ziemi i można się naocznie przekonać, że zjawisko to następuje za każdym razem, gdy obie planety maksymalnie zbliżą się do siebie. Jeśli zamiast Marsa weźmiemy którąś z odległych planet zewnętrznych, na przykład Saturna, któremu okrążenie orbity zajmuje 29,5 roku ziemskiego, podczas pełnego obiegu do zbliżeń Saturna do Ziemi dochodzi kilkakrotnie, zatem wykres jego widocznej trajektorii zawiera kilka zapętleń14.

Wypływa stąd nauka, że ruchy ciał na sferze niebieskiej trudno zinterpretować, jeśli nie dysponuje się ich całościowym obrazem – czyli teorią. Dawny astronom, obserwując Marsa w ciągu dwóch lat, widziałby go oddalającego się od nas, następnie przybliżającego się i nagle jak gdyby odepchniętego od Ziemi, by znów się oddalać. Jakie siły mogłyby tu wchodzić w grę? Dlaczego ruch planety ulega odwróceniu? Na pytania te trudno znaleźć odpowiedź, jeśli będąc przywiązani do Ziemi, nie uświadamiamy sobie, że wszystkie planety (w tym i ta, na której znajduje się nasz punkt obserwacyjny) krążą z różną szybkością po orbitach wokół Słońca.

C.d. w pełnej wersji

1 C. Cotterill, The Coroner’s Lunch, Quercus, Londyn 2007, s. 123.

2 Wystąpienie przewodniczącego Royal Astronomical Society, luty 1963 r., zob. W.H. McCrea, w: „Quarterly Journal of the Royal Astronomical Society” 1963, nr 4, s. 185.

3 G. Gamow, My World Line, Viking, Nowy Jork 1970, s. 150.

4 Po angielsku universe; etymologia tego słowa prowadzi do starofrancuskiego univers używanego w XII wieku, które z kolei wywodzi się z wcześniejszego łacińskiego universum. Słowo to powstało od unus, „jeden”, oraz versus, imiesłowu czasu przeszłego czasownika vertere, oznaczającego „obracać, zmieniać, uczynić”. Mamy zatem dosłowne znaczenie „wszystkiego uczynionego w jedno”. Użycie to (w poetyckim skrócie z universum do unvorsum) znajdujemy po raz pierwszy w łacińskim poemacie Lukrecjusza De rerum natura [O naturze wszechrzeczy], ks. IV, 262, napisanym około 50 roku p.n.e. Inna hipoteza wywodzi je przede wszystkim z idei „wszystkiego obróconego w jedno”, traktowanej jako echo antycznych greckich kosmologii, w których zewnętrzne kryształowe sfery niebios, obracając się, wprawiały w ruch sfery planetarne znajdujące się wewnątrz nich, z Ziemią spoczywającą nieruchomo w ich wspólnym środku.

5 Zwłaszcza irlandzkiego filozofa Johannesa Scotusa Eriugenę (Jana Szkota), 815–877 n.e. Podzielił on Naturę (najobszerniejszy zbiór rzeczy) na to, co istnieje (posiada byt), i to, co nie istnieje (nie posiada bytu). Następnie wyodrębnił cztery klasy: to, co stwarza, i nie jest stworzone; (2) to, co jest stworzone, i stwarza; (3) to, co jest stworzone i nie stwarza; (4) i to, nie jest stworzone i nie stwarza. Boga zaliczył do kategorii (1) i (4), jako początek i ostateczny kres wszystkich rzeczy. Świat form platońskich należy do (2), a (3) to świat fizyczny, w którego obrębie działa Bóg. Pod koniec XIII wieku średniowieczny Kościół uznawał trzy rozróżnienia w debatach o „światach” (czyli wszechświatach), rozważając: pojedyncze światy istniejące jeden po drugim w czasie, światy, które współistniały jednocześnie, oraz światy, które współistniały w przestrzeni z oddzielającą je pustą przestrzenią.

6 Księga Rodzaju 28: 12–13 (wszystkie cytaty za Biblią Tysiąclecia, Wydawnictwo Pallotinum, Poznań–Warszawa 1980).

7 Istnieje długa tradycja doszukiwania się początku świata i koncepcji, jak i czy w ogóle się on skończy. Początkowo odwoływano się do mitologicznych wyjaśnień, w których wszechświat traktowany był jako „rzecz”, podobna do tych rzeczy, które otaczają Ziemię. Tak jak one był on zrobiony z czegoś innego. Pojawiały się rozmaite paradygmaty, inspirowane wartościami życiowymi tych, którzy je tworzyli. Dla niektórych był on istotą żywą zrodzoną w wyniku działalności bogów. Inni zaś twierdzili, że wyłowił go nurek z dna morskiego, a jeszcze inni widzieli, jak wyłonił się ze starcia walczących Tytanów. Byli i tacy, którzy widzieli wszechświat kiełkujący i wzrastający z nasienia, potem ginący, gdy nadeszła pora, i ponownie się odradzający, w niekończących się cyklach śmierci i ponownych narodzin. W niektórych kulturach nie odczuwano potrzeby, aby wszechświat w ogóle miał początek; uważano, że jest wieczny. Nie wyobrażano sobie sytuacji, w której nie istniałoby absolutnie nic – wszechświat był czymś, a coś nie może być nicością. Również w późniejszej chrześcijańskiej wizji „stworzenia z niczego” Bóg istniał zawsze, nawet kiedy nie było jeszcze wszechświata materialnego. Dla antycznych greckich filozofów, na przykład Platona, zawsze istniały odwieczne prawa, czyli idee, ukryte pod pozorami rzeczy. W starożytności nie pojawiła się żadna wizja, w której wszechświat zaistniałby bez przyczyny czy racji swojego bytu. A jednak była to niezwykła idea. Jesteśmy przyzwyczajeni, że wszystkie otaczające nas rzeczy i zdarzenia mają przyczyny. Moje biurko ma wcześniejszą historię, przyczynę, dzięki której powstało ze stanu mniej uporządkowanego drewna. Czy jednak wszechświat jest „rzeczą” tak jak moje biurko? Czy też zbiorowiskiem rzeczy jak społeczeństwo? Rozróżnienie to może być istotne, ponieważ jakkolwiek każdy członek społeczeństwa ma przyczynę – matkę – to społeczeństwo jako całość nie ma matki. Szersze omówienie mitów o stworzeniu w różnych kulturach zob.: M. Eliade, Mit wiecznego powrotu, przeł. Krzysztof Kocjan, Wydawnictwo KR, Warszawa 1998; M. Leach, The Beginning: Creation Myths around the World, Funk i Wagnalls, Nowy Jork 1956; C.H. Long, Alpha: The Myths of Creation, George Braziller, Nowy Jork 1963; E.O. James, Creation and Cosmology, E.J. Brill, Leiden 1969, oraz C. Blacker i M. Loewe (red.), Ancient Cosmologies, Allen and Unwin, Londyn 1975.

8 W rzeczywistości oś obrotu nie pokrywa się dokładnie z linią przechodzącą przez północny i południowy biegun magnetyczny.

9 Londyn leży na 51,5° szerokości geograficznej północnej, a Singapur jedynie na 1° szerokości geograficznej północnej.

10 Słońce w swym obiegu rocznym zatacza wielki krąg, który w czasach starożytnych podzielono na dwanaście „znaków”, bądź „domów”, zodiaku, nazwanych od dwunastu gwiazdozbiorów, przez które Słońce przechodzi w swej podróży wokół Ziemi, uważanej za centrum wszelkich ruchów ciał niebieskich. Każdy znak był wybrany tak, by pokrywał obszar o rozciągłości kątowej około 30° na sferze niebieskiej (w ten sposób dwanaście znaków składało się na kąt pełny) i szerokości około 18° (umownie).

11 Noszą one nazwę północnych gwiazd okołobiegunowych.

12 Istnienie tych niewidocznych obszarów i fakt, że zmieniają się one wraz z szerokością geograficzną oraz w czasie (ponieważ oś obrotowa Ziemi zakreśla koło, niczym oś wirującego bąka, w okresie 26 tysięcy lat), doprowadziły do kilku prób wyznaczenia czasu, kiedy żyli starożytni twórcy gwiazdozbiorów, oraz szerokości geograficznej, na jakiej obserwowali niebo. W antycznych mapach gwiazdozbiorów występują luki, ponieważ niektórych gwiazd nigdy nie widziano ponad horyzontem. Podsumowanie tych analiz, które nastręczają wielu trudności, można znaleźć w: J.D. Barrow, Cosmic Imagery, Bodley Head, Londyn 2008, s. 11–19.

13 Interesujący przegląd legend ludów północy, w których występuje wielki młyn na niebie, zob. Hertha von Dechend i Giorgio de Santillana, Hamlet’s Mill, Gambit, Boston 1969. Autorzy podkreślają kulturowe powinowactwo mitów o niebie mieszkańców półkuli północnej, o którym świadczy powszechność wyobrażenia młyna. Niemniej książka ta spotkała się z głosami krytyki ze strony badaczy zajmujących się archeoastronomią ze względu na zbyt daleko posunięte uogólnienia; zob. C. Payne-Gaposchkin, w: „Journal for the History of Astronomy” 1972, nr 3, s. 206.

14 D.G. Saari, Collisions, Rings, and Other Newtonian N-Body Problems, American Mathematical Society, Providence, RI 2005.

Rozdział 2

Czy jesteśmy ważni na serio

Symetria mnie uspokaja. Brak symetrii doprowadza mnie do szału.

Yves Saint Laurent

Dostępne w pełnej wersji

Rozdział 3

Wszechświaty Einsteina

Einstein wyjaśniał mi codziennie swoją teorię i na zakończenie podróży byłem już w pełni przekonany, że on ją rozumie.

Chaim Weizmann, towarzyszący Einsteinowi w rejsie przez Atlantyk do Nowego Jorku w 1921 roku15

Dostępne w pełnej wersji

15 R.W. Clark, Einstein: The Life and Times, World Pub. Co., Nowy Jork 1971, s. 385–386.

Rozdział 4

Wszechświaty zaskakujące – okres rokoko

Podobnie jak w przypadku w kurortu narciarskiego, gdzie roi się od młodych dziewcząt polujących na mężów i mężów polujących na młode dziewczyny, nie mamy tu do czynienia z sytuacją tak symetryczną, jak się w pierwszej chwili wydaje.

Alan Mackay

Dostępne w pełnej wersji

Rozdział 5

A teraz coś z zupełnie innej beczki

Spotkałam raz filozofa Richarda Rorty’ego, jak stał cokolwiek oszołomiony w supermarkecie spożywczym Davidsona. Ściszonym głosem powiedział mi, że właśnie widział Gödla na mrożonkach.

Rebecca Goldstein16

Dostępne w pełnej wersji

16 R. Goldstein, Incompleteness: The Proof and Paradox of Kurt Gödel, W.W. Norton, Nowy Jork 2005.

Rozdział 6

Kariera i upadek mężów stanu (stacjonarnego)

Gdy tylko będziemy dysponować fotografią Ziemi wykonaną z dalszego kosmosu, wzbogaci to nas o dodatkowy wymiar w sensie emocjonalnym […] gdy samotność Ziemi wobec ogromu przestrzeni uświadomi sobie każdy człowiek, niezależnie od narodowości i wyznania, zrodzi się nowa idea, potężniejsza niż jakakolwiek inna w dziejach ludzkości. I sądzę, że to wcale już nie tak odległe wydarzenie wyjdzie nam przypuszczalnie na dobre, gdyż nieuchronnie ukaże absurdalność konfliktów na tle nacjonalistycznym. Analogicznie Nowa Kosmologia może przeobrazić całe społeczeństwo […] Spektakularny widok zawieszonej pośród pustki Ziemi będzie zapewne dla międzyplanetarnego podróżnika czymś o wiele wspanialszym aniżeli widoki innych planet.

Fred Hoyle17

Dostępne w pełnej wersji

17 F. Hoyle, The Nature of the Universe, Blackwell, Oksford 1950, s. 9–10; książka oparta na pogadankach radiowych nadawanych przez BBC w 1949 roku.

Rozdział 7

O wszechświatach bez ściemy

Jestem Kotem, który zawsze sam chadza własnymi drogami, i wszystko mi jedno kędy!

Rudyard Kipling, Takie sobie bajeczki

Dostępne w pełnej wersji

Rozdział 8

Początek dla początkujących

Aby zrobić szarlotkę naprawdę od podstaw, trzeba zacząć od stworzenia wszechświata.

Carl Sagan

Dostępne w pełnej wersji

Rozdział 9

Nowe wspaniałe światy

Wyimaginowane wszechświaty są znacznie piękniejsze niż ten głupio pomyślany „prawdziwy”.

G.H. Hardy

Dostępne w pełnej wersji

Rozdział 10

Wszechświaty postmodernistyczne

Kiedy dojdziesz do rozstajnych dróg, pójdź nimi.

Yogi Berra

Dostępne w pełnej wersji

Rozdział 11

Wszechświaty egzotyczne

Teorie, teorie, miriady miriad teorii, ogarnęły mnie niczym niesione wiatrem liście, niczym zawartość magazynów jakiejś gigantycznej fabryki papieru rozwiana przez huragan, niczym burza piaskowa postępu ludzkiego umysłu. Usiłując złapać oddech pośród tej kłębiącej się, suchej nawałnicy, niemal zapomniałem, że w każdej jej drobinie tkwią jakieś zarodniki prawdy o naturze, najczęściej wyschnięte na pieprz i martwe, lecz niekiedy żywe, płodne, znaczące.

Olaf Stapledon18

Dostępne w pełnej wersji

18 O. Stapledon, Last and First Men, Penguin Books, Harmondsworth 1972; pierwsze wyd. 1930, s. 379.

Rozdział 12

Wszechświat nieokiełznany

Wszechświat przypomina nieco Los Angeles.

Jedna trzecia konkretu i dwie trzecie energii.

Robert Kirshner19

Dostępne w pełnej wersji

19 Cyt. w: C. Brownlee, Hubble’s Guide to the Expanding Universe, National Academy of Sciences Classics, on line pod adresem http://www.pnas.org/misc/classics2.shtml.

Spis treści

PRZEDMOWA

Rozdział 1. Być we właściwym miejscu o właściwym czasie DWAJ MĘŻCZYŹNI NA PRZECHADZCE

ACH TE ZABAWNE WSZECHŚWIATY

WYRÓŻNIONA POZYCJA

Rozdział 2. Czy jesteśmy ważni na serio

Rozdział 3. Wszechświaty Einsteina

Rozdział 4. Wszechświaty zaskakujące – okres rokoko

Rozdział 5. A teraz coś z zupełnie innej beczki

Rozdział 6. Kariera i upadek mężów stanu (stacjonarnego)

Rozdział 7. O wszechświatach bez ściemy

Rozdział 8. Początek dla początkujących

Rozdział 9. Nowe wspaniałe światy

Rozdział 10. Wszechświaty postmodernistyczne

Rozdział 11. Wszechświaty egzotyczne

Rozdział 12. Wszechświat nieokiełznany

KSIĄŻKI TEGO AUTORA

Nowe Teorie Wszystkiego. W poszukiwaniu ostatecznego wyjaśnienia Stałe natury. O liczbach skrywających najgłębsze tajemnice Wszechświata Początek wszechświata Książka o niczym Księga wszechświatów 

POLECANE W TEJ KATEGORII

Nauka w kuchni #SEXEDPL. Rozmowy Anji Rubik o dojrzewaniu, miłości i seksie Jak czytać wodę Przewodnik wędrowca Duchowe życie zwierząt Medyczna Marihuana. Historia hipokryzji