Czy Wielki Wybuch był głośny? 11 rozmów o historii i życiu codziennym Wszechświata

Czy Wielki Wybuch był głośny? 11 rozmów o historii i życiu codziennym Wszechświata

Autorzy: Karolina Głowacka Jean-Pierre Lasota

Wydawnictwo: Prószyński i s-ka

Kategorie: Popularnonaukowe

Typ: e-book

Formaty: MOBI EPUB

Ilość stron: 488

Cena książki papierowej: 45.00 zł

cena od: 28.80 zł

Przyszłość i przeszłość Wszechświata, czarne dziury, gwiazdy neutronowe, planety słoneczne i pozasłoneczne, czerwone olbrzymy, białe karły, fale grawitacyjne… Astrofizyka jest fascynująca, ale i niełatwa. Ta książka prowadzi czytelnika krok po kroku – nie tylko daje odpowiedzi, ale i podsuwa pytania.
Karolina i Jean-Pierre, których rozmowy zostały zapisane w tej książce, to postacie stworzone przez autorów: dziennikarkę radiową Karolinę Głowacką i astrofizyka Jeana-Pierre’a Lasotę. Oprócz imion, autorzy oddali postaciom wiele z samych siebie. Karolina Karolinie – ciekawość, dociekliwość, wizję tego, co człowiek, który nie jest fizykiem, wie o fizyce i – nie ukrywajmy – odwagę w rozmowie z uczonymi. Jean-Pierre Jeanowi-Pierre’owi użyczył wiedzy, poglądów, dowcipu, dokonań naukowych, wspomnień i ochoty na wystawianie się na pytania młodych, bardzo dociekliwych osób.

Karolina Głowacka – dziennikarka, w Radiu TOK FM prowadzi m.in. audycję Radiowa Akademia Nauk. Teksty popularnonaukowe publikuje głównie w „Focusie”. W 2016 wyróżniona w konkursie Popularyzator Nauki organizowanym przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego oraz serwis PAP Nauka w Polsce. Mieszka w Warszawie.


Jean-Pierre Lasota – fizyk teoretyk i astrofizyk, autor ponad 250 prac naukowych i kilku książek. Profesor honorowy w Instytucie Astrofizyki w Paryżu i profesor zwyczajny w Centrum Astronomicznym im. Mikołaja Kopernika PAN w Warszawie. Przez wiele lat kierował Wydziałem Astrofizyki Relatywistycznej i Kosmologii Obserwatorium Paryskiego i był doradcą naukowym prezesa francuskiego Narodowego Centrum Badań Naukowych. Wieloletni członek komitetów nadzorujących budowę i działanie detektora fal grawitacyjnych Virgo. Mieszka z żoną w Paryżu i Warszawie.

Copyright © Karolina Głowacka, Jean-Pierre Lasota, 2017

Projekt okładki

Zbigniew Larwa

Zdjęcia na okładce

© ESA/HUBBLE

Ilustracje w środku książki

© Autorzy/Zbigniew Larwa;

© A. Riazuelo

Redaktor serii

Adrian Markowski

Redakcja

Michał Załuska

Korekta

Maciej Korbasiński

Marianna Chałupczak

ISBN 978-83-8097-258-2

Warszawa 2017

Wydawca

Prószyński Media Sp. z o.o.

02–697 Warszawa, ul. Rzymowskiego 28

www.proszynski.pl

Wstęp

Karolina chce wreszcie naprawdę zrozumieć, o czym mówią i co robią astrofizycy, zadaje więc pytania Jean-Pierre’owi, który sporo na ten temat wie i lubi o tym opowiadać. Ich rozmowy zostały spisane w tej książce.

Mówi ona o sprawach fascynujących, ale czasem trudnych do zrozumienia. Postanowiliśmy nie prześlizgiwać się nad żadną wątpliwością, bardzo rzadko znajdziecie zdanie Jean-Pierre’a, że „po prostu tak jest”. Chcieliśmy opowiedzieć uczciwie o współczesnych dokonaniach astrofizyki. Uczciwie, czyli bez zbytniego upraszczania. Jednocześnie przystępnie, choć to tak wyświechtane słowo. Liczymy, że formuła rozmowy pozwoli Wam na wspólne rozumowanie, krok po kroku, razem z Karoliną.

Ta książka nie jest podręcznikiem, dlatego też daleko jej do podręcznikowego układu. Zdarzy się, że będziemy rozmawiać o czymś, czego podstawy teoretyczne wyjaśnione zostaną później.

W rozmowach znajdziecie opowieści o naszym pochodzeniu, sąsiedztwie, miejscu we Wszechświecie, jego początkach i jego przyszłości, o czerwonych olbrzymach i białych karłach, o supernowych, gwiazdach neutronowych, pulsarach, kwazarach, czarnych dziurach, planetach dużych i małych… i wreszcie o falach grawitacyjnych, jednym z najważniejszych odkryć naukowych ostatnich lat. Będzie też trochę teorii, i to nie byle jakiej, bo szczególnej i ogólnej teorii względności. Na koniec ­Jean-Pierre­ opowiada o tym, jak pracują fizycy. Sygnalizujemy też temat miejsca – lub jego braku – Boga w fizyce. Nasze rozmowy nie są encyklopedią i z całą pewnością brak w nich ważnych tematów. Z góry za to przepraszamy, ale nasza książka musiała mieć rozsądne rozmiary.

Rozmowy prowadzą Karolina i Jean-Pierre, ale choć noszą nasze imiona, nie są nami. Naszym postaciom daliśmy jednak wiele z siebie. Karolina użyczyła Karolinie ciekawości, dociekliwości, wizji „przeciętnej wiedzy”, swobody i – nie ukrywajmy – odwagi w rozmawianiu z profesorami. Jean-Pierre zaś Jean-Pierre’owi – wiedzy, poglądów, dowcipu, dokonań naukowych, wspomnień i ochoty w wystawianiu się na pytania młodych i bardzo dociek­liwych osób. Ale to nie my.

Książka powstała z rozmów i wspólnego pisania. Wiele uwag, które zgłasza książkowa Karolina, to autentyczne wątpliwości, które roztrząsaliśmy w rozmowach. To była dla nas osobista przygoda, dzięki której oboje realnie wiele się nauczyliśmy.

Jeśli natkniecie się w tekście na tak zwane trudne słowo, poszukajcie go w Leksykonie na końcu książki. Jean-Pierre postarał się, żeby nie był to typowo nudny leksykon. Objaśnia w nim także znaczenie jednostek używanych do mierzenia niektórych wielkości fizycznych.

Reszta należy do Was.

Poznajmy się

Karolina – chce wiedzieć, jak działa Wszechświat. O ciekawostkach, kosmitach i podróżach w czasie – też. Ale przede wszystkim konkrety: skąd się wzięliśmy, skąd wzięły się planety, dlaczego jest tak, jak jest, jaka jest przeszłość i jaka przyszłość Wszechświata. I o co chodzi z ogólną teorią względności, o której wszyscy mówią. Wiedzę ma przeciętną i fragmentaryczną, ze szkoły, z artykułów popularnonaukowych itp. Teraz chciałaby zająć się tym porządnie.

Będzie zadawać wszystkie pytania, jakie przyjdą jej do głowy. Naprawdę chce zrozumieć.

Wielka zwolenniczka logicznego myślenia, o czym lubi przypominać rozmówcy. Z początku traktuje Jean-Pierre’a z przesadnym respektem wynikającym z jego profesury, ale szybko jej to przechodzi. Wielbicielka przyrody i wegetarianka, uważa, że my, ludzie, pozwalamy sobie na zbyt wiele na naszej planecie.

Jean-Pierre – fizyk teoretyk i astrofizyk. Cudzoziemiec, ale wykształcony w Polsce, mówi staroświecką polszczyzną. Nie używa na przykład słowa „obciach”, choć chyba wie, co ono znaczy.

Choć jest profesorem już tyle lat, nie zapomniał, że można mieć wątpliwości w sprawie działania Wszechświata. Mimo że pytania Karoliny czasem go zdziwią, a nawet zirytują, uczciwie na wszystkie odpowie. Przyzna się, jeśli nie będzie znał odpowiedzi, opowie, dlaczego jest pewny w innych sprawach, czasem bardzo – wydawałoby się – dziwnych. Naprawdę chce wytłumaczyć.

Tak jak Karolina jest wielbicielem logicznego myślenia, co wbrew pozorom prowadzi czasem do konfliktów. Wyłącznie intelektualnych. Nie lubi przyrody, bo ma alergię na pyłki i – za znanym francuskim malarzem François Boucherem – uważa, że za dużo w niej zieleni i że jest źle oświetlona. Steki wołowe lubi krwiste.

Po co nam to wszystko?

Czyli rozmowa o tym, że fizyka i astronomia w końcu nie są aż tak trudne do zrozumienia, i o pożytkach, jakie z tych nauk można mieć.

Karolina: Kiedy umawialiśmy się na nasze rozmowy, byłam pełna entuzjazmu, ale teraz mam wątpliwości.

Jean-Pierre: A to dlaczego?

Jest tak: chcę się dowiedzieć, jak działa Wszechświat, czym dokładnie są czarne dziury czy te słynne fale grawitacyjne, dlaczego planety są kulami, jak długo będzie żyło Słońce… ale tylko przez ciekawość. Nigdy z tego nie skorzystam. Może to dla mnie strata czasu?

„Tylko przez ciekawość”? Ależ właśnie dokładnie o to chodzi! Albo raczej – przede wszystkim o to chodzi. Tacy jesteśmy my, ludzie, że chcemy i musimy wiedzieć, skąd się wzięliśmy, na jakiej zasadzie działa to, co nas otacza. Już małe dzieci pytają: „Dlaczego?”. Ciekawość świata jest częścią nas, naszej kultury, a może i natury.

Kiedyś szukano odpowiedzi głównie w religii, ale nie dawało to zadowalających odpowiedzi, na przykład na pytanie dotyczące przyczyn ruchu ciał niebieskich. Zresztą religie, nawet te przypisujące tym ruchom cechy boskie, nie starały się ich opisać, mimo, a może dlatego, że szamani i kapłani byli często wyrafinowanymi astronomami-obserwatorami.

Z drugiej strony Biblia opisuje wyłącznie powstanie Wszechświata, ale nie jego działanie. Czytamy tylko, że Bóg rzekł: „Niechaj powstaną ciała niebieskie, świecące na sklepieniu nieba, aby oddzielały dzień od nocy, aby wyznaczały pory roku, dni i lata; aby były ciałami jaśniejącymi na sklepieniu nieba i aby świeciły nad ziemią”. Następnie „Bóg uczynił dwa duże ciała jaśniejące: większe, aby rządziło dniem, i mniejsze, aby rządziło nocą, oraz gwiazdy. I umieścił je Bóg na sklepieniu nieba, aby świeciły nad ziemią; aby rządziły dniem i nocą i oddzielały światłość od ciemności”. I już. Umieścił, wyznaczył im role, ale nie kierował ich ruchem ani nie wysłał aniołów, by tego przypilnowały. Ale Biblia hebrajska nie jest podręcznikiem kosmologii i nie o fizykę w niej chodzi.

Fizyka, a właściwie nauka, rozpoczęła się gdzie indziej. To starożytni Grecy, począwszy od Pitagorasa, szukali wyjaśnienia przyrody w ogólnych prawach i zasadach. Grecy dokonali cudu, odkrywając, że przyrodę można opisać matematycznie. Jednocześ­nie nie do końca zrozumieli, na czym ten cud polega: zauważyli, że świat matematyki jest światem idealnym, doskonałym – nazywamy to teraz platońskim poglądem na matematykę – podczas gdy świat rzeczywisty idealnym nie był.

I gdzie tu problem?

Zaraz ci to wyjaśnię. Wielki kłopot sprawiały im liczby niewymierne, to znaczy liczby, które nie są ilorazem dwóch liczb całkowitych. Zauważyli bowiem, że z twierdzenia Pitagorasa wynika, że przeciwprostokątna trójkąta równoramiennego o boku równym 1 jest równa pierwiastkowi z 2, czyli liczbie niewymiernej. Można było więc utworzyć trójkąt z dwoma wymiernymi bokami i jednym niewymiernym, a więc móc zmierzyć dwa, a jednego nie. Tak rozumując, Grecy doszli do wniosku, że „czysta” matematyka nie ma zastosowania w rzeczywistości. Ukoronowanie myśli greckiej – opis przyrody stworzony przez Arystotelesa w IV wieku p.n.e. – to nie był opis matematyczny.

No ale istniała chyba grecka astronomia?

Ano właśnie. Ciała niebieskie, zdaniem Arystotelesa, zbudowane były z boskiej substancji zwanej eterem. Uważano wtedy, że ich wieczny i regularny ruch nie należy do „tego” świata, ale do idealnego świata geometrii, a więc do świata figur geometrycznych.

Opis świata geometrii stworzony przez Euklidesa około roku 300 p.n.e. nie zawierał liczb. Właściwości figur geometrycznych otrzymywało się z aksjomatów na drodze konstrukcji używającej długości, kątów, łuków itd. Zresztą ciągle uczą w szkołach geometrii euklidesowej. Warto też zajrzeć do Elementów Euklidesa – łatwo je znaleźć w internecie – jest tam wyłącznie rozumowanie oparte na wykresach. Choć geometria wywodziła się z mierzenia długości i powierzchni, dzięki Euklidesowi oderwała się od podejrzanego świata liczb.

Geometrii do opisu Wszechświata, a więc planet, Słońca i sfery gwiazd stałych krążących wokół Ziemi, użył Ptolemeusz w 140 r. n.e. Jego opis zawarty w traktacie Almagest obowiązywał przez następne 1400 lat, aż do pojawienia się De Revolutionibus Mikołaja Kopernika.

Tak długo?

Tak długo trwało oddzielenie świata rzeczywistego, ziemskiego od idealnego świata sfer niebieskich. Ten podział był spowodowany, jak twierdzi Nathalie Deruelle, wybitny fizyk i moja przyjaciółka, przez podejrzany √2.

Dziwne rzeczy mówisz, przecież ludzie korzystali z matematyki w praktyce, mierzyli pola, budowali domy, świątynie, robili meble.

O tak, jasne! Ale to byli inżynierowie, technicy i rzemieślnicy, a nie uczeni. Zdaniem filozofów gatunek ludzi poślednich, którzy nie przejmowali się brakiem definicji jakichś liczb – na przykład liczby π, która też nie jest wymierna, jak wiadomo było ze słynnego problemu kwadratury koła – tylko robili swoje, zdając sobie sprawę, że pomiary i tak mogą być tylko przybliżone. Ale to była pogardzana praktyka. Zauważ też, że nauka wtedy i długo potem nie była doświadczalna, jej reguły starano się odkryć czystym rozumowaniem.

To na czym polegała rewolucja kopernikańska?

Głównie na tym, że umieszczając Słońce w środku Układu Słonecznego, Kopernik przeniósł Ziemię w sfery niebieskie. Tę „nieczys­tą”, ewidentnie nie z eteru zbudowaną Ziemię! Można powiedzieć, że Kopernik był tym, który połączył niebo i Ziemię po ich długiej separacji. Nie było to natychmiastowe. Nawet nie było oczywiste, że Słońce musi być w centrum. Znakomity astronom duński Tycho Brahe zgadzał się z Kopernikiem, że planety krążą wokół Słońca, ale cała ta czereda miała według niego krążyć wokół Ziemi, która zachowywała swoje centralne miejsce we Wszechświecie.

Co za dziwny pomysł!

Prawda? I zapomniany, bo asystent Brahego, Johannes Kepler, przedstawił model, zgodnie z którym planety poruszały się wokół Słońca po elipsach, i odkrył słynne trzy prawa, według których ten ruch się odbywał. Ale nie były to prawa fizyki, były to opisy tego ruchu. Kepler wywiódł je geometrycznie z właściwości wielościanów, a swoje trzecie prawo, mówiące, że „kwadrat okresu obiegu planety wokół Słońca jest proporcjonalny do sześcianu odległości od Słońca”, otrzymał, analizując w Harmonii Świata pitagorejską muzykę sfer. Z fałszywych powodów otrzymał prawdziwe prawa.

Dziwne.

Tak, ale pamiętaj, że Kepler opisywał obserwacje, a nie szukał praw przyrody. Dla niego Wszechświat, czyli Układ Słoneczny, był obrazem Trójcy Świętej: Słońce jako Ojciec, sfera gwiazd jako Syn, a przestrzeń między nimi jako Duch Święty.

Dopiero wielki Izaak Newton odkrył prawa przyrody, których wynikiem były prawa ruchu Keplera. I choć Newton był bardzo pobożny, nie było w jego teorii miejsca na siły nadprzyrodzone. To był początek prawdziwej nauki.

A Galileusz?

Może powinienem był powiedzieć, że to Galileusz zapoczątkował prawdziwą naukę, czyli opis świata bez sił nadprzyrodzonych i boskiej ingerencji. Powiedziałem o Newtonie, bo był pierwszym, który stworzył teorię. Inni przedtem tego próbowali, na przykład Kartezjusz, ale im się nie udało, choć to dzięki Kartezjuszowi powstało pojęcie bezwładności, tak ważne w teorii Newtona. Ale słusznie pytasz o Galileusza, bo on był tym, który uważał, że księga, w której jest opisany Wszechświat, napisana jest językiem matematyki, a jednocześnie utrzymywał, że nauka musi wywodzić się z doświadczenia. A ta cała historia, od Pitagorasa przez Newtona do dziś, wzięła się głównie z ludzkiej ciekawości.

Ty też odczuwasz taką ciekawość?

Tak, na swoją miarę oczywiście, bo nie mam przywileju odkrywania praw przyrody.

Przywileju?

Tylko wyższe umysły tego dokonują, a taki umysł to dar, a więc przywilej, nie zasługa. Zasługą jest odpowiednie tego umysłu wykorzystanie. W każdym razie i mnie zdarza się nie móc zasnąć, bo dręczy mnie problem związany z tym, jak jakiś mechanizm we Wszechświecie działa.

A jak poradzono sobie z pierwiastkiem z dwóch, z liczbą pi?

Ha! Dopiero w 1872 roku niemiecki matematyk Richard Dedekind wyjaśnił, czym są liczby niewymierne, czyli, jak to w matematyce, podał ich ścisłą definicję. Może jednak nie będę ci jej przytaczać?

Na razie dziękuję.

Opisowo mówiąc, wynika z niej, że ci, co się przez wieki nie przejmowali podejrzaną naturą liczb niewymiernych – inżynierowie, a w świecie uczonych Galileusze, Kartezjusze, Newtony i inni, mieli rację.

I wiesz, mamy ciągle do czynienia z dwoma rodzajami uprawiania fizyki. Są tacy, którzy uważają, że nie ma co się za bardzo przejmować ścisłością matematyczną, gdy uprawia się fizykę, szczególnie gdy odkrywa się coś nowego. Taka wojskowa strategia: atakuje się szybko, mając nadzieję, że tabory nadążą. Inni uważają, że wszystko musi być dokładnie i ściśle zdefiniowane, że nie wolno posługiwać się pojęciami matematycznymi o niepewnym statusie, takimi jak √2 do 1872 roku. Ciekawe, że to podział typowo „narodowościowy”: pierwsze, pragmatyczne stanowisko jest typowe dla Amerykanów, a drugie, rygorystyczne, dla Francuzów i Polaków. Pamiętam prawie nienawiść w oczach studentów École Polytechnique, gdy mówiłem na wykładzie, że pewne człony w równaniu można zaniedbać, a więc po prostu z niego wyrzucić.

Zabawne. Ale ty jesteś wobec tego kim?

Ja jestem nietypowy.

Oho, dobrze się zapowiada. A jacy są Brytyjczycy?

Oni są tak pośrodku, ale z wyraźnym przechyłem w stronę Ameryki. Na przykład wielki Paul Adrien Maurice Dirac wprowadził do mechaniki kwantowej tak zwaną funkcję δ jako „wygodną notację”, nie przejmując się tym, że nie jest to funkcja, ale coś, co później zostało ściśle zdefiniowane i nazwane „dystrybucją” przez francuskiego matematyka Laurenta Schwartza. Ten ostatni dostał za to matematycznego Nobla, czyli Medal Fieldsa.

Dirac też dostał Nobla, choć nie za funkcję δ, ale za mechanikę kwantową, w której ta dystrybucja jest ważnym elementem. Choć wielu fizyków nie ma pojęcia, co to dystrybucja. Ale właśnie, Schwartz chętnie wtrąciłby się do naszej rozmowy. Powiedział on mianowicie: „Jaki jest pożytek z matematyki? Matematyka jest pomocna w fizyce. Fizyka pomaga nam produkować lodówki. Lodówki produkuje się po to, by przechowywać w nich langusty, które są pomocne matematykom, którzy, zjadając je, zwiększają swoje zdolności do uprawiania matematyki, która jest pomocna fizyce, która pomaga nam produkować lodówki, w których…” itd.

Teraz naprawdę rozumiem, do czego służy nauka.

Żart Schwartza jest oczywiście odpowiedzią na bardzo częs­to pojawiające się pytanie wobec badań naukowych: „Do czego to służy?”. Poważnie na takie pytanie odpowiedzieć można i trzeba pytaniem: „A do czego służą koncert fortepianowy Mozarta, ­Widok Delft Vermeera albo Boska komedia Dantego?”.

No, do wyższych przeżyć? Do zostawienia czegoś po sobie? Dla przyjemności?

Do tego wszystkiego, oczywiście. Ale ogólniej, chodziło mi o to, że rezultaty czy też produkty ludzkiej działalności nie muszą służyć jakimś doraźnym celom. Oczywiście, sprzedaż obrazu Vermeera przyniosłaby setki milionów euro, ale przecież nie na tym jego prawdziwa wartość polega. Nauka jest wytworem i częścią naszej kultury i naszej cywilizacji.

A z drugiej strony jesteśmy – jako społeczeństwa – tym, co wytworzyli i przechowali nasi poprzednicy, oraz tym, co sami tworzymy. Istotną tego częścią jest nauka.

No dobrze, tylko czy mnie osobiście wiedza o Wszechświecie będzie do czegoś potrzebna? Przyda się?

Na pewno. Przede wszystkim, jak się przekonasz, wiedza o Wszechświecie to nic innego jak zastosowanie fizyki do Wszechświata. Nie można zrozumieć Wszechświata, nie mając pojęcia o prawach fizyki. A znajomość praw fizyki może się przydać. Jeśli na przykład chcesz naprawić kontakt elektryczny.

Wiesz, że nie o to mi chodzi. Wiedza o czarnej dziurze nie pomoże mi naprawić kontaktu.

Tobie pewnie chodzi o to: Co mi z wiedzy, że Wszechświat się rozszerza? – bo o tym na pewno czytałaś.

Właśnie.

Mam na to prostą odpowiedź, empiryczną, to znaczy taką, którą będziemy mogli sprawdzić. Twierdzę, że po naszych rozmowach, gdy będziesz wiedzieć, czym są gwiazdy i jak ewoluują, co to znaczy, że Wszechświat się rozszerza, czym są fale grawitacyjne itd., będziesz mądrzejsza nie tylko dzięki tej wiedzy, ale głównie temu, że poznasz sposób rozumowania fizyków. A bycie inteligentniejszym chyba może się przydać?

Na pewno. Zobaczymy, jak wyjdzie, ale to dobry powód, zgadzam się.

Ale jest też trzeci powód, bardziej przyziemny. Astrofizyka i kosmologia są częścią nauk podstawowych, czyli nauk, których celem i zadaniem jest odkrywanie praw rządzących przyrodą, procesami zachodzącymi w naturze. Brzmi to dość pompatycznie, ale tak jest. A znajomość praw przyrody jest bardzo przydatna w praktyce, bo bez niej nie byłoby większości wynalazków i większości urządzeń, do których istnienia tak się już przyzwyczailiśmy, że mamy wrażenie, że istniały zawsze.

Gdy ktoś mnie pyta, do czego służą nauki podstawowe, odpowiadam pytaniem: „Czy wiesz, kto odkrył zasadę działania ­lasera?”. Wiesz kto?

Nie znam nazwiska.

Nazwisko znasz, tylko nie wiesz, że to on jest tym odkrywcą. Chodzi o Alberta Einsteina.

O!…

Einstein nie miał zamiaru dokonać żadnego praktycznego wynalazku, starał się tylko, jeśli można tak powiedzieć, opisać, jak zgodnie z zasadami fizyki kwantowej atomy pochłaniają i emitują fotony.

Wcale mnie nie dziwi, że nie szukał wynalazku. Z tego, co słyszałam, nie był zbyt praktycznym człowiekiem.

Bo nie nosił skarpetek? Zdziwisz się zatem, gdy ci powiem, że Einstein ma patent na agregat lodówki.

Poważnie?

Jak najbardziej. Razem z fizykiem węgierskiego pochodzenia, Leo Szilardem, wymyślili silnik chłodzący bez części ruchomych i opatentowali go.

To Schwartz nie tylko żartował. I ten silnik działa?

Oczywiście! Szilard zresztą lubił patenty. Słynna jest historia o tym, jak czekając w Londynie na czerwone światło, by przejść na drugą stronę ulicy Southampton Row, wpadł na pomysł jądrowej reakcji łańcuchowej i pomysł ten niemal natychmiast opatentował.

Opatentował reakcję łańcuchową?

Tak, dzięki niej działają reaktory jądrowe i wybuchają bomby jądrowe, zwane potocznie, ale niesłusznie, atomowymi. To zresztą inny przykład zastosowania badań podstawowych, wolę więcej o nim nie mówić, bo może się źle kojarzyć.

Nauka nie zawsze przynosi dobro, to nic nowego.

To ludzie posługują się nauką i jej wynikami. To też nie jest nowe stwierdzenie.

Einstein odkrył więc, że poza normalnym procesem emisji, podczas którego w atomie elektron sam z siebie, spontanicznie przeskakuje z wyższego na niższy poziom energetyczny, istnieje również emisja „dla towarzystwa”, zwana po polsku „wymuszoną”, ale lepszy byłby termin „wywołana”. Chodzi o to, że fotony lubią się trzymać w kupie, więc emisja jednego wywołuje, czy też wymusza, emisję identycznych fotonów. Wskutek emisji spontanicznej mogą być emitowane różnego rodzaju fotony, natomiast emisja wymuszona produkuje fotony w dokładnie tym samym stanie. Na tej zasadzie działa laser.

To, że fotony lubią się trzymać w kupie, wynika z tego, że są bozonami, a więc cząstkami, które mogą być wszystkie w takim samym stanie, podczas gdy innym cząstkom, zwanym fermionami, jest to stricte zakazane. To jest jedno z podstawowych praw przyrody i bez jego znajomości zbudowanie laserów byłoby niemożliwe. Co tam zbudowanie?! W ogóle sam pomysł byłby niemożliwy.

No dobrze, idea lasera jest w porządku. Ale kiedy zaczynasz mówić: bozon, fermion, to od razu robi się nieswojo. Trudno się w tym połapać.

To prawda. W końcu fizyka naukowca kształci się na uniwersytecie przez 8 czy 9 lat. Ale przy odrobinie wysiłku i dobrej woli z obu stron: publiczności i uczonych, wiele rzeczy można przybliżyć niefachowcom, tak by mogli zrozumieć, czym zajmują się fizycy, czym jest fizyka. Jestem przekonany, że można częściowo przynajmniej wypełnić przepaść między „dwiema kulturami”, o której mówił już ponad 50 lat temu C.P. Snow, w swoim słynnym wykładzie1.

Nie znam.

To ci zastąpię lekturę anegdotką z Cambridge, tyle że tego w Massachusetts, a nie w Anglii, gdzie wykład był wygłoszony.

W supermarkecie jest kasa z wyraźnym napisem: „Mniej niż 10 zakupów”. Do kasy zbliża się młody człowiek z wypełnionym po brzegi koszykiem. Kasjerka: „Albo jesteś z MIT i nie umiesz czytać, albo z Harvardu i nie umiesz liczyć”.

To jest oczywiście żart, bo Harvard wypuścił więcej przyszłych laureatów Nobla z fizyki niż MIT, ale MIT jest bardziej politechniką niż uniwersytetem. Jest jednak prawdą, że często ci, co umieją liczyć, nie czytają, a ci, co czytają, nie umieją liczyć.

Ty mówisz o różnicy między ludźmi doskonale wykształconymi, tylko w różnych dziedzinach, a co mają zrobić ludzie, którzy nie interesują się na co dzień nauką? Przepaść między profesjonalistami a laikami jest tak duża, że można opowiadać zupełne brednie. Na przykład o jakichś kwantowych magiach, widziałam takie książki.

O! Właśnie o tym chciałem teraz mówić. Dlatego nasze rozmowy są ważne. Będziemy się starać tę przepaść zasypać. Myślę, że gdy zobaczysz i zrozumiesz, bo to nie jest takie trudne, jak fizycy rozumują, czym jest fizyka, jakie kryteria muszą spełniać wypowiedzi na temat świata fizycznego, będziesz uodporniona na takie bzdety. Zresztą już jesteś, jeśli nazywasz to bredniami. Nasze rozmowy tylko ci w tym pomogą i umocnią cię w nieufności wobec wymysłów i pomysłów różnych oszustów.

Ale z drugiej strony skąd można wiedzieć, że to, co mówią fizycy, ci poważni, to wszystko prawda, a nie jakieś tam wasze wymysły?

Bardzo prosto. Latasz samolotem. Używasz komputera. Gdyby wszystko, co mówią fizycy, było jakimś wymysłem, samoloty by nie latały, komputery nie działały, a langusty gniłyby w ciep­łych lodówkach. Pomyśl chociaż o tym, że GPS, który jest teraz w powszechnym użyciu, wykorzystuje teorię względności Einstei­na, a lasery wymuszoną emisję, którą ten genialny fizyk odkrył. A inni, mniej genialni, odkryli inne prawa przyrody, które mają zastosowanie w życiu codziennym. I nie tylko, czy myślisz, że lądownik Philae zdołałby usiąść na jądrze komety 67P/Czuriumow-Gierasimienko, gdyby to, co mówią fizycy, było tylko jakimś tam wymysłem?

No tak, ale jest wiele nowych różnych newsów naukowych, jeszcze niezastosowanych. Wszystko jest teraz „według naukowców”, mimo że czasem sprzeczne. Skąd mam wiedzieć, co jest dobrą nauką?

Nasze rozmowy mają ci w tym pomóc, ale nigdy nie będziesz miała stuprocentowej gwarancji, że coś jest dobrą nauką. Możesz zawsze zapytać mnie, ale ja też mogę się nabrać, tak jak się nabrałem na fale grawitacyjne rzekomo odkryte przez BICEP2. Ale mogę cię pocieszyć: wystarczy poczekać: zła nauka po prostu znika. Na ogół szybko.

To może jeszcze jedno pytanie: jak bardzo denerwuje cię, kiedy mylą ciebie – astronoma – z astrologiem?

Bardzo! Ale twoje pytanie mnie nie denerwuje, bo o tym ambarasującym problemie trzeba coś powiedzieć. Ambarasującym, bo mimo że astrologia nie ma żadnych, ale to żadnych naukowych podstaw, jest brana na poważnie przez olbrzymią część społeczeństwa, od polityków, artystów, sportowców do gospodyń domowych, a nawet proboszczów.

No tak, wróżby chyba nieszczególnie dają się pogodzić z katolicyzmem.

Więcej: astrologia była potępiona jako niebezpieczny zabobon przez Kościoły chrześcijańskie, prawie od zarania. Po nawróceniu Rzymu na chrześcijaństwo cesarz Konstantyn wydał edykt grożący karą śmierci za uprawianie astrologii, potępił ją święty Augustyn i jest potępiona w Katechizmie Kościoła katolickiego, zatwierdzonym przez Jana Pawła II.

Ale ty nie pytałaś o związek astrologii z religią, tylko z nauką. Wspomniałem o tym jedynie dlatego, że rzadko się zdarza, by coś, co jest ostro i zgodnie potępione zarówno przez Kościół, jak i naukę, cieszyło się takim społecznym powodzeniem. To chyba jedyny taki przykład.

A jednak do XVII wieku chyba wszyscy astronomowie byli też astrologami i zajmowali się stawianiem horoskopów. Kepler był astrologiem, ale już Galileusz uważał astrologię za przesąd. Związane jest z tym zabawne i pouczające nieporozumienie. Otóż Kepler uważał – poniekąd słusznie – że przypływy i odpływy mórz wywołane są różnicą przyciągań ziemskiego i księżycowego. Natomiast Galileusz niesłusznie uważał, że pływy wywołane są obrotem Ziemi wokół własnej osi i wokół Słońca. A pomysł Keplera, że Księżyc mógłby mieć wpływ na wody oceanów, uważał za niepoważny, wręcz „dziecinny”. Tym bardziej że w astrologii Księżyc związany jest z wodą. Dla Keplera fakt, że Księżyc ma wpływ na ocean, znaczył, że może on, i inne planety, mieć wpływ na człowieka, nie wiedział bowiem, skąd się bierze księżycowe przyciąganie. Teraz wiemy, dzięki Newtonowi, że chodzi o grawitację Księżyca i Słońca, które też odgrywa w tym pewną rolę. Wiemy też, że wpływ tej grawitacji na człowieka jest nieistotny.

Ale i tak astrologia nie mówi, na czym ten wpływ miałby polegać, a zasady stawiania horoskopów są zupełnie arbitralne, na co jest mnóstwo dowodów.

Mój przyjaciel i uczeń, profesor Marek Abramowicz, świetny astronom, katolik i racjonalista, miał już dość, podczas dyskusji z astrologami, wysłuchiwania komentarzy w stylu: „a bo panowie nie znacie naszych metod”. Marek się tych metod nauczył i mógł stawiać horoskopy jak zawodowy astrolog. Kiedyś postanowił zdemaskować arbitralność astrologii w telewizji. Opowiada o tym zabawnie znakomity astronom, profesor Józef Smak, w książce pt. Opowiadania starego astronoma2. Marek po skutecznym, wydawałoby się, wykazaniu przed telewizyjną publicznością nienaukowych metod astrologii wybierał się zadowolony z siebie do domu, gdy okazało się to niemożliwe: przed studiem natknął się na długą kolejkę czekających na niego pracowniczek telewizji. Po gmachu bowiem lotem błyskawicy rozeszła się wiadomość: tu jest prawdziwy astronom, które umie stawiać prawdziwe horoskopy!

Wyborne! I jak się skończyło?

Nie wiem i wolę nie pytać. Ale, jak widzisz, nic i nikt nie daje rady. Ani Kościół, ani nauka, ani wykazanie krok po kroku, na czym polega całkowita dowolność metody.

Ze mną będziesz miał łatwiej, będę pytać tylko o fizykę i astronomię. Chociaż to trudniejsze niż wiara w astrologię, bo w nauce, fizyce, żeby coś zrozumieć, dostać nagrodę w postaci satysfakcji, trzeba się napracować. Ja też się trochę nagłówkuję w czasie naszych rozmów, prawda?

Tak, ale będę się starał, by to wszystko nie było za trudne, a za to zabawne. Ty będziesz mnie pilnowała, tego jestem pewien. Mamy komfortową sytuację, bo nie będziemy spisywać podręcznika, a zaspokajać twoją ciekawość. Trochę wysiłku się opłaci, obiecuję!

Skąd się wzięliśmy?

Czyli o tym, czym jesteśmy, skąd się wzięliśmy i gdzie jest nasze miejsce we Wszechświecie.

Muszę się przyznać do ignorancji.

W jakiej dziedzinie?

Chcę zrozumieć, jak działa Wszechświat, a jednocześnie nie umiem myśleć o sobie jako o jego części. Pamiętam, że Ziemia jest w Kosmosie, ale wydaje mi się on taki poza nami, obcy, zewnętrzny, za duży.

Ależ nie ma się czym martwić. Nie jesteś pierwsza, która ma taki kłopot. Przyznawał się do tego sam Blaise Pascal: mówił, że przestrzeń Wszechświata go „pochłania jak punkt”, ale zaraz dodawał, że „myślą go ogarnia”. Twierdził, że wobec ogromu Wszechświata jesteśmy jak trzcina, ale za to trzcina myśląca. Wszechświat jest ogromny, ale nie bój się o nim myśleć.

Wiem, że dobry cytat pomaga ci na wykładach, ale mnie niewiele wyjaśnia. Chociaż trochę, przyznaję, pociesza.

Dobrze, rozważmy to dokładniej.

Najpierw pomyśl o sobie jako o mieszkance Ziemi, która to Ziemia jest częścią układu planetarnego zwanego Układem Słonecznym. Następnie pomyśl o Słońcu jako o gwieździe podobnej do dziesiątków miliardów innych – większość gwiazd w Drodze Mlecznej przypomina Słońce. Jesteś już na poziomie galaktyki. Tych znów są setki miliardów… I wtedy zaczyna się „Wszechświat”. Choć Wszechświat to wszystko, dla astronoma to słowo dotyczy perspektywy większej niż jedna galaktyka. O skali Wszechświata mówimy wtedy, gdy obserwujemy jego ekspansję, a to widać przez oddalające się od siebie galaktyki.

I widzisz. Już mi się kręci w głowie.

Dlatego że skupiasz się na tym olbrzymim, dalekim, astronomicznym Wszechświecie. Jeśli chcesz uniknąć zawrotu głowy, myśl poziomami. Od bardzo małego do bardzo dużego. Bo to „wszystko” składa się najpierw z cząstek elementarnych, które tworzą większe cząstki, te z kolei tworzą atomy, a z nich zbudowane są struktury materii, z których składasz się i ty, i gromady galaktyk. Jeśli chcesz zrozumieć swoje miejsce we Wszechświecie, odpowiedz sobie na pytanie, skąd się wzięłaś: twoje oczy, włosy, mózg, serce, ręka i noga.

Wchodzę w to. Skąd zatem wzięła się moja noga?

Z gwiazd.

Rozmawiajmy poważnie.

Jestem jak najbardziej poważny. Większość pierwiastków, z których składa się twoja noga, powstała wiele lat temu w gwiazdach. Azot w naszym DNA, wapń w zębach, żelazo we krwi i węgiel w razowcu3 – tak wyliczał znakomity popularyzator nauki Carl Sagan – to wszystko pochodzi z gwiezdnej materii. Daj mi chwilę, a wyjaśnię.

Dla mnie, fizyka, twoja noga składa się z atomów. W atomie, jak pamiętasz, mamy jądro złożone z nukleonów, czyli protonów i neutronów, oraz krążące wokół niego elektrony. Taka na przykład cząsteczka wody, która jest podstawą naszego istnienia, składa się z trzech atomów: dwóch wodoru i jednego tlenu: H2O. Wodór to najprostszy pierwiastek – składa się z jednego protonu i jednego elektronu. Tlen jest już bardziej złożony, a w twojej nodze, mam nadzieję, są też jeszcze bardziej skomplikowane pierwiastki: żelazo, magnez, potas. We Wszechświecie jest jeszcze kilkadziesiąt cięższych pierwiastków.

Najcięższym pierwiastkiem stabilnym, to znaczy nieradioaktywnym, jest ołów, który ma 82 protony i może zawierać do 126 neutronów. Wszystkie cięższe pierwiastki są radioaktywne, co znaczy, że się rozpadają. Tak jak uran, z którego po serii rozpadów robi się w końcu ołów. Właśnie stosunek ilości uranu 238 do ilości ołowiu służy do wyznaczania wieku Ziemi i Układu Słonecznego. Znając szybkość rozpadu uranu, badając, ile go jest w stosunku do ołowiu, możemy ocenić, od kiedy istnieje w skałach czy meteorytach. Do scharakteryzowania tej szybkości fizycy używają pojęcia „czasu połowicznego rozpadu”, to znaczy czasu, podczas którego rozpada się połowa ilości danego pierwiastka4. Ale z tego wynika, że obecny na Ziemi uran istniał przed powstaniem naszej planety. Skąd się tu wziął?

Tak jak wszystko? Z Wielkiego Wybuchu?

Otóż nie. W wyniku Big Bangu powstały tylko wodór, jego izotop deuter, trochę helu, odrobina litu i berylu. Tylko najlżejsze pierwiastki. Cała reszta nie mogła zostać utworzona, gdyż ekspansja Wszechświata była wtedy jeszcze na tyle szybka, że dużo wolniejsze od niej reakcje jądrowe nie miały czasu na budowę cięższych pierwiastków. Na początku mieliśmy więc Wszechświat, który w prawie trzech czwartych składał się z wodoru, w około jednej czwartej z helu i śladowych ilości pozostałych.

Teraz mnie zaciekawiłeś. Skąd więc w moim ciele wzięły się węgiel, tlen, potas?

Mówiłem ci, ale myślałaś, że żartuję. Z gwiazd.

Konkretne atomy konkretnej mnie pochodzą z gwiazd? Przecież one są niewyobrażalnie daleko!

Najbliższa, czyli Słońce, jest tuż-tuż.

Chcesz powiedzieć, że moje atomy pochodzą ze Słońca?

Ależ nie. Atomy was obojga, twoje i Słońca, pochodzą z gwiazdy, która wybuchła tu niedaleko, ale bardzo, bardzo dawno temu.

Słońce, tak jak Ziemia, zawiera już pierwiastki cięższe od helu – na przykład węgiel, azot czy tlen. Samo ich nie wyprodukowało, były w nim od początku, tak samo jak były na Ziemi. Cały Układ Słoneczny powstał z dysku materii, w którym znajdowały się te wszystkie pierwiastki. Skądś musiały się wziąć.

Otóż Słońce nie należy do pierwszej generacji gwiazd. Przed nim rodziły się i, co ważne, umierały inne, masywniejsze gwiazdy. Umierały szybciej, niż umrze Słońce, bo im masywniejsza gwiazda, tym krótszy jej żywot. Pierwsze istniały najpewniej przez kilka milionów lat.

To właśnie w tych pierwotnych gwiazdach powstawały cięższe pierwiastki, które podczas – mniej lub bardziej gwałtownej – śmierci gwiazdy zostawały wyrzucane w przestrzeń, zanieczyszczając znajdującą się w niej materię wodorowo-helową. Z obłoków takiej zanieczyszczonej materii powstawały następne pokolenia gwiazd, między innymi Słońce ze swoimi planetami i wreszcie, na jednej z nich, ty.

To robi wrażenie… ale poproszę o więcej szczegółów. Po pierwsze, jak doszło do powstania pierwszych gwiazd? Dlaczego wszystko nie zostało taką zupą wypełnioną cząstkami?

Z powodu grawitacji. W dużej – a z naszej perspektywy olbrzymiej – skali Wszechświat nadal jest jednorodny. Podobnie jak właśnie zupa. Ale nawet w takiej zupie powstają jakieś grudki, zaburzenia, które tworzą pierwotne obłoki.

W nich tworzą się mniejsze, bardziej zagęszczone obłoki. Niektóre z nich gęstnieją tak bardzo, że stają się niestabilne grawitacyjnie. Grawitacja zaczyna przeważać.

Przeważać nad czym?

Nad ciśnieniem, czyli siłą odpychającą tworzoną przez ruchy cząsteczek obłoku. W pewnych warunkach grawitacja wygrywa i obłok coraz bardziej zapada się w sobie. Ważne, że pierwsze takie obłoki składały się wyłącznie z wodoru i helu, bo przecież w całym Wszechświecie w zasadzie nie było wtedy nic innego.

Masa obłoku, z którego powstanie gwiazda – zwana masą Jeansa, od nazwiska znanego angielskiego astrofizyka – zależy od jego temperatury, a ta z kolei od tego, jak dobrze obłok stygnie. Otóż obłoki wodorowo-helowe marnie stygną, mówiąc inaczej: mają kłopoty z chłodzeniem. Przy czym chłodzenie, które mam na myśli, to wyświecanie, emitowanie fotonów. Wodór świeci marnie, nie mówiąc już o helu. Wskutek tego pierwsze gwiazdy były prawdopodobnie bardzo masywne, dużo bardziej niż obecnie obserwowane populacje gwiazd.

Prawdopodobnie?

Wielu rzeczy nie wiemy. Masy tych gwiazd zależały od tego, w jakiej postaci występował w nich wodór. Jeśli w postaci cząsteczkowej, czyli jako dwa połączone atomy wodoru, to chłodził się zupełnie nieźle, a więc pierwsze gwiazdy nie byłyby tak bardzo masywne. Z drugiej strony wodór cząsteczkowy mógłby być zniszczony przez intensywne promieniowanie ultrafioletowe z nowo powstających gwiazd. Z trzeciej strony, jeśli mogę tak powiedzieć, pierwsze gwiazdy, tak jak i obecne, mogłyby powstawać w gęstych obłokach cząsteczkowych, które osłaniałyby je przed promieniowaniem ultrafioletowym.

Kosmiczny krem przeciwsłoneczny?

Coś w tym rodzaju. Nie wiadomo jednak, czy – z czwartej strony – chronił pierwsze gwiazdy przed fotodysocjacją, bo tak to się nazywa, wodoru cząsteczkowego. Sama widzisz, ile jest niewiadomych w tej sprawie.

Powiem ci tylko, że gdy zajrzałem niedawno do jednej z ostatnich prac o pierwszych gwiazdach, przeczytałem, że autorzy biorą pod uwagę dwie hipotezy co do ich mas. Jedna zakłada, że mieściły się one między 1 a około 100 mas Słońca, tak jak gwiazdy dzisiejsze, druga – od 140 do 260.

Zacznijmy od drugiego scenariusza. Skąd górna granica 260 mas Słońca?

Bo masywniejsze gwiazdy nie wybuchają pod koniec życia, lecz zapadają się, tworząc bezpośrednio czarne dziury. Z punktu widzenia rozrzucania pierwiastków są bezużyteczne. Można powiedzieć, że ich grawitacja jest zbyt duża, by dopuścić do wybuchu.

W porządku, czyli macie górną granicę. Ale i tak zostaje duża rozpiętość możliwości. Przyznaj, niewiele wiecie o tym, co się działo w pierwszych gwiazdach.

Bo niby skąd mamy wiedzieć? Nie da się ich przecież bez­pośrednio obserwować. Istniały tak dawno temu, że nie możemy ich zobaczyć nawet w najdalszych zakątkach dostępnego nam Wszechświata.

Dawno – to znaczy kiedy?

Zgodnie z obserwacjami satelity Planck Europejskiej Agencji Kosmicznej, w skrócie ESA, pierwsze gwiazdy powstały, gdy Wszechświat miał około 550 milionów lat. Według tych samych obserwacji wiek Wszechświata wynosi 13 miliardów i 799 milionów lat. Zatem, szybko licząc, 13 249 miliardów lat temu to raczej, przyznasz, dawno.

Jak satelita Planck mógł dostarczyć nam informacji o pierwszych gwiazdach? Przed chwilą powiedziałeś, że nie da się ich obserwować.

Ha! Samych gwiazd nie widać, ale można zobaczyć skutki ich pojawienia się, a konkretnie ślad ich powstania na promieniowaniu tła, które mierzył Planck.

O jakich śladach mówię? Widzisz, początkowo Wszechświat był gorący do tego stopnia, że elektrony były oddzielone od jąder atomowych – miały za dużo własnej energii, by być z nimi związane. Mówimy, że Wszechświat był całkowicie zjonizowany. Wtedy gorące promieniowanie było w równowadze z elektronami, to znaczy, że dzięki wzajemnym zderzeniom miały tę samą, wysoką temperaturę. Ale rozszerzając się, Wszechświat stygł, aż w końcu elektrony miały na tyle niską energię, że mogły połączyć się z jądrami, tworząc atomy. Takie tworzenie się atomów nazywamy rekombinacją. W końcu wszystkie elektrony znalazły się związane w atomach i promieniowanie nie miało już się na czym rozpraszać. Rekombinacja zaszła, gdy Wszechświat miał około 380 000 lat.

Później trwał okres zwany ciemnymi wiekami, aż do momentu, gdy Wszechświat miał już 550 milionów lat i nastąpiła rejonizacja (od jonizacji, a nie rejonu) – znowu pojawiło się skądś promieniowanie, które wyrwało elektrony z atomów. Myśli się, że źródłem tego promieniowania były pierwsze gwiazdy, lub raczej pierwsze pokolenia gwiazd.

To na razie hipoteza, ale przyszłe teleskopy naziemne lub umieszczone w przestrzeni są, czy będą, budowane między innymi w celu jej sprawdzenia.

A masy? Czy pozwala to ustalić, jakie były masy pierwszych gwiazd?

Widzę, że nie podoba ci się ta rozpiętość. I słusznie. Ale obserwacje Plancka mówią nam tylko, kiedy nastąpiła rejonizacja. To i tak dużo, bo jeszcze niedawno myślano, że jej przyczyną mogły być kwazary, czyli bardzo masywne czarne dziury połykające materię w jądrach galaktyk. Kłopot w tym, że do 550 000 roku istnienia Wszechświata nie miały one czasu powstać. Wśród podejrzanych pozostają więc tylko gwiazdy. Musiały być na tyle gorące, by ich promieniowanie mogło wyrwać elektrony z atomów wodoru, czyli ich temperatura musiała być powyżej 10 000 stopni. Ale nie mówi to wiele o ich masach.

Temperatura Słońca to chyba 6000 stopni, niewiele mniej.

No właśnie. Więc nie możemy na razie rozstrzygnąć, czy pierwsze gwiazdy były bardzo masywne, czy też miały masy mniej więcej takie jak gwiazdy dzisiejsze. Musimy brać pod uwagę obydwa scenariusze. Może na początek narysuję ci, o czym będę mówił.

Zacznijmy od scenariusza, w którym gwiazdy są bardzo masywne.

Gwiazdy z masami między 140 a 260 mas Słońca kończą swoją ewolucję w bardzo specjalny, wręcz unikalny sposób. Pod koniec życia w ich jądrach jest dużo więcej promieniowania niż w zwyk­łych gwiazdach. To powoduje tworzenie się tam par cząstek składających się z elektronu i jego antycząstki – pozytonu. Nazywa się to skrótowo kreacją par. Odwrotność tego nazywa się anihilacją, czyli unicestwieniem – gdy elektron i pozyton spotykają się, anihilują, zamieniając się w fotony.

Otóż kreacja par, czyli przekształcanie się fotonów w elektrony i pozytony, jest dla naszych gwiazd bardzo szkodliwa. W bardzo gorących gwiazdach ciśnienie przeciwstawiające się grawitacji pochodzi właśnie od fotonów. Ale gdy zamieniają się one na elektrony i pozytony, część ich energii musi zamienić się na masę tych cząstek – nie ma żartów z E=mc2!

Ta utrata energii ma katastrofalne skutki: ciśnienie staje się za słabe, żeby wygrać z grawitacją. Jądro gwiazdy gwałtownie się zapada, wywołując wybuch termojądrowy i zupełne rozlecenie się gwiazdy. Na tym polega wybuch supernowej wywołany niestabilnością kreacji par. Wszystkie pierwiastki wyprodukowane w gwieździe przed wybuchem zanieczyszczają materię międzygwiezdną, z tej materii tworzą się obłoki, z obłoków gwiazdy i planety. To mógł być mechanizm, który powodował wybuchy pierwotnych gwiazd.

A co, jeśli pierwsze gwiazdy nie były bardziej masywne od współczesnych?

Ewolucja takich gwiazd przypominałaby ewolucję gwiazd kolejnych pokoleń, o których opowiem ci później, chociaż byłyby istotne różnice. Gwiazdy, które możemy dzisiaj dostrzec, mają w sobie bardzo dużo różnych pierwiastków, inaczej się chłodzą, inaczej się zachowują. Natomiast pierwotne gwiazdy, jak mówiłem, były bardzo gorące. Temperatura sięgała w nich kilkudziesięciu milionów stopni. Dla porównania, we wnętrzu Słońca jest ok. 16 milionów stopni.

Czyli najpewniej pierwotne gwiazdy były bardzo masywne i bardzo gorące. Albo nie takie znowu masywne, ale nadal bardzo gorące. Potem wybuchały i zanieczyszczały przestrzeń kosmiczną nowymi pierwiastkami. Ale nadal nie wiem, skąd te nowe pierwiastki się w nich wzięły.

Zaraz ci powiem.

Pierwiastki cięższe od helu powstały w wyniku reakcji termojądrowych w jądrach gwiazd. Te reakcje polegają na łączeniu się nukleonów, czyli na nukleosyntezie. Można w uproszczeniu powiedzieć, że jest tak gorąco i ciasno, że protony i neutrony po prostu muszą się do siebie poprzyklejać. Ale nie wyobrażaj sobie, że oto spotykają się dwa neutrony, dwa protony i łączą się w nowe jądro. To bardziej skomplikowany proces. Dla nas ważne w tej chwili jest, że ostatecznie w tym wielkim piecu, w jądrze pierwotnych gwiazd z wodoru powstał hel-4 z dwoma protonami i dwoma neutronami w jądrze. To był pierwszy krok w historii do utworzenia cięższych pierwiastków.

Dostrzegam wagę tego wydarzenia, ale podrasowany hel to nadal daleko do, dajmy na to, węgla, na którym opiera się życie na Ziemi.

To prawda, ale jesteśmy na dobrej drodze. Tak oto we wnęt­rzu gwiazdy, gdzie większość stanowił wodór, mamy teraz hel, jądro gwiezdne składające się z helu. I to mógłby być koniec, ale na szczęście nie był. Przyczyną dalszych zmian była paląca się na powierzchni jądra warstwa wodorowa. Ponieważ wodór w tej warstwie przekształca się w hel, masa jądra rosła, rosła też temperatura, aż w końcu zapalił się sam hel. W efekcie utworzył się następny pierwiastek – węgiel. I to jest ten podstawowy mechanizm, który powoduje tworzenie się cięższych pierwiastków.

Zadziałał w gwiazdach pierwotnych i działa w gwiazdach współczesnych. Tylko pamiętaj, że we współczesnych gwiazdach mamy już domieszki cięższych pierwiastków. Najpewniej dopiero gwiazdy od drugiego pokolenia mogły wytworzyć wszystkie pierwiastki do żelaza, bo do wytworzenia niektórych z nich są potrzebne inne niż dostępne na początku wodór i hel.

Współcześnie to, czy po węglu powstają kolejne pierwiastki, zależy od masy gwiazdy: im masywniejsza, tym cięższe może wytworzyć pierwiastki. W wyniku kolejnych reakcji powstają tlen, neon, magnez, siarka, i w końcu krzem, z którego robi się żelazo. A żelazo jest jednym z najmocniej związanych jąder5 i już się nie może palić.

No dobrze, ale dlaczego taka gwiezdna cebula wybucha?

Musi. Jeśli jest na tyle masywna, że wytwarza żelazne jądro, po prostu musi. A to dlatego, że żelazo się nie pali, ale ciągle go przybywa, bo pali się wokół niego krzem. Masa żelaza rośnie, a tu brakuje źródła energii, które mogłoby podtrzymywać ciśnienie przeciwstawiające się rosnącej grawitacji. Wszystko wtedy odbywa się nieprawdopodobnie szybko.

W masywnej gwieździe wodór palił się, powiedzmy, dziesięć milionów lat6. Potem hel spalił się w ciągu miliona lat, węgiel tysiąca. A potem to już jest z górki: neon w rok, a ostatni w kolejce krzem spala się w jeden dzień! Pozostają tylko palące się warstwy, a w środku gorąca żelazna kula o temperaturze rzędu miliardów stopni.

Wybuchają z tych samych powodów, co ewentualnie istniejące bardzo masywne gwiazdy pierwotne? Jak to było… przez kreację par?

Och, nie. Gwiazdy, o których teraz mówimy, są za gęste na to, by tworzyły się w nich pary elektronów i pozytonów. Katastrofa spowodowana jest czymś innym. Po pierwsze, wyobraź sobie, że fotony zaczynają rozbijać jądra żelaza.

Niemożliwe!

A jednak. Fotony w środku gwiazd przedsupernowych mają tyle energii, że rozbijają najsilniej związane jądra atomowe. Nazywa się to fotodysocjacją, tak jak w przypadku cząsteczek wodoru, tyle że tu fotony rozbijają jądra atomowe. W ostatnich chwilach życia masywnej gwiazdy, a są to naprawdę chwile, całe to żmudnie wyprodukowane żelazo zostaje rozbite w pył.

Jaki znowu pył…?

Nie dosłownie, raczej w protony i neutrony. Taki pył nuklearny. Ale to nie koniec. To było dzieło temperatury. Do tego dochodzi efekt gęstości. Otóż źródłem ciśnienia są elektrony, ale przy gęstościach panujących w jądrze gwiazdy jest im za ciasno – elektronów nie można upakować, jak się chce7 – więc wyobraź sobie, że zaczynają, że tak powiem, wskakiwać do protonów, zamieniając je w neutrony, wydzielając przy tym neutrina. Odbywa się neutronizacja materii. Ma to dramatyczne skutki.

Po pierwsze dlatego, że obydwa te procesy są energochłonne. Jądro żelaza jest maksymalnie mocno związane, co znaczy, że do rozbicia go potrzeba użycia energii. Jak pamiętasz, reakcja odwrotna, czyli synteza, energię wydziela.

Po drugie, wskakiwanie elektronów do protonów też pochłania energię. Oto mamy sytuację, w której reakcje jądrowe nie tylko nie produkują energii, ale ją zabierają. A najgorsze są te neutrina. W mgnieniu oka uciekają z jądra, unosząc ze sobą energię8. I nagle kula gorącego żelaza nie daje rady przeciwstawić się swojemu ciążeniu i w ciągu jednej sekundy zapada się. Kosmiczna katastrofa!

Rzeczywiście, brzmi dramatycznie.

Bo to jest dramatyczne! Gwiazda tworzyła się długo, powoli, a zapada się w mgnieniu oka. Wydobywa się olbrzymia ilość energii grawitacyjnej. Następuje potężny wybuch. Otoczka jądra zostaje wyrzucona w przestrzeń międzygwiezdną. Gwiazda umiera, zamieniając się w gwiazdę neutronową. To zjawisko nazywa się supernową, typu core collapse, to znaczy supernową wywołaną zapadnięciem się jądra gwiazdy.

Rozumiem, dlaczego gwiazda się zapada, ale nie rozumiem, skąd ten wielki wybuch.

W zasadzie z odbicia. Ta żelazna kula wielkości Ziemi, którą jest jądro gwiazdy, nie zapada się równomiernie. Najszybciej zapada się jej część środkowa o masie 70% masy Słońca i w ciągu ułamka sekundy osiąga gęstość jądra atomowego. Wtedy odpychające siły jądrowe zatrzymują spadek, tworząc twardą kulę, od której odbija się pozostała, zewnętrzna część żelaznego jądra. Ponieważ ich spadek jest naddźwiękowy, przy odbiciu tworzy się fala uderzeniowa, która powoduje wyrzucenie otoczki, czyli wybuch supernowej.

Brzmi rozsądnie. Tylko że coś mi się nie zgadza. Wybuchy miały rozrzucić po Wszechświecie żelazo, a przecież powiedziałeś, że tuż przed wybuchem zostaje ono zniszczone.

Żelazo, a właściwie nikiel tworzony jest w fali uderzeniowej, która gwałtownie powiększa temperaturę i gęstość materii, przez którą przechodzi. W tej materii są jądra helu, węgla, tlenu i krzemu w postaci 4He, 12C, 16O i 28Si, które są świetnym paliwem jądrowym. W wyniku tego powstaje izotop niklu 56Ni, który zostaje wyrzucony w przestrzeń. Ale ten izotop niklu jest radioaktywny i przekształca się w ciągu sześciu i pół dnia w kobalt 56Co. Z kolei ten izotop kobaltu też jest radioaktywny i rozpada się na żelazo 56Fe. To trwa dłużej, bo prawie 78 dni, ale to już koniec przemian, bo ten izotop żelaza jest trwały.

Strasznie skomplikowane.

Trochę tak, przyznaję. Ale jeśli chcesz poznać pochodzenie swojej nogi, nie ma innej rady. I nie musisz zapamiętać tych numerków i literek. Tym bardziej że to nie jest jedyny sposób na tworzenie się żelaza, ale tylko na mniej więcej połowę jego zawartości we Wszechświecie. Druga połowa tworzy się w wybuchu supernowych typu Ia, które są wybuchającymi białymi karłami. Wybuchają w nich termojądrowo węgiel i tlen, z którego się głównie składają, i w rezultacie, z tych samych powodów, tworzy się nikiel 56…

…który rozpada się na kobalt, który rozpada się na żelazo, tak?

Jasne. Prawa przyrody są nieubłagane.

Jesteście pewni, że to tak wygląda?

O, tak. Obserwując supernowe, widać nikiel, jego rozpad itd.

Czyli to są potwierdzone modele wybuchu supernowej…

No cóż… hmm… z tym jest gorzej. Niby wszystko powinno się tak odbywać, ale gdy się to wszystko opisuje równaniami i rozwiązuje za pomocą najpotężniejszych komputerów, które ludzkość ma do swojej dyspozycji, to w wyniku obliczeń w naszych modelach supernowa nie wybucha. Niewiele brakuje, by wybuchła, ale nie wybucha. Czegoś nie rozumiemy. Również w przypadku supernowych typu Ia mamy kłopoty z ich wybuchami.

Kłopoty?

No, tak. Przy supernowych powstających w wyniku zapadnięcia się jądra wiemy, że ten wybuch jest śmiercią, ostatnim etapem ewolucji gwiazd masywnych. Wiemy, bo możemy sprawdzić, co było na miejscu tych supernowych przed wybuchem, oglądając obserwacje archiwalne – gwiazdy masywne są bardzo jasne, nietrudno więc je znaleźć. Natomiast w przypadku supernowych typu Ia wiemy tylko, że wybucha biały karzeł.

To raczej poważna sprawa.

Nie taka znowu poważna, bo to są szczegóły w porównaniu z wiedzą o najważniejszym, a mianowicie o tym, że po wybuchach kolejnych pokoleń supernowych wytworzyła się wystarczająca ilość atomów rozmaitych pierwiastków, by mogły tworzyć się planety.

Wokół miliardów gwiazd powstawały układy planetarne i powstała przynajmniej jedna planeta, na której jest życie – Ziemia. W tej Ziemi – przynajmniej tu Biblia ma rację, nazywając pierwszego człowieka Adamem, „człowiekiem z ziemi” – były już pierwiastki, z których się składamy. Oto jesteśmy.

Będę z większym szacunkiem patrzeć na swoją nogę…

Słusznie. Ma długą przeszłość.

Wiesz, to fascynująca historia, ale nie wyjaśnia, skąd się wzięły jeszcze cięższe pierwiastki. Żelazo nie jest nawet w połowie układu okresowego!

Na ten temat toczy się dyskusja. Wiadomo, że muszą się tworzyć przez szybki wychwyt neutronów, w tak zwanych procesach „r”, z angielskiego rapid, czyli „szybki”. Kiedyś uważano, że tworzą się podczas samego wybuchu supernowych, ale wyniki takiego modelu nie zgadzały się z obserwacjami. Po wybuchu supernowej pozostaje gwiazda neutronowa, czyli po prostu gwiazda składająca się z neutronów. Mówiąc mniej elegancko, to trup masywnej gwiazdy, chociaż trup bardzo interesujący. Hipoteza mówi, że pierwiastki cięższe niż żelazo powstają w wyniku połączenia dwóch gwiazd neutronowych krążących wokół siebie. Kiedy na siebie spadają i zlewają się – następuje kolejny wielki wybuch, którego wynikiem jest błysk gamma. Wtedy właśnie miałyby się tworzyć w procesach „r” pozostałe pierwiastki.

Ciągle te hipotezy…

Na tym polega nauka: na wypowiadaniu hipotez i ich sprawdzaniu. Im więcej wiemy, tym więcej możemy zadawać pytań.

Racja. Na koniec, żebym dobrze zrozumiała… czyli to jest tak, że konkretny atom węgla, który jest częścią mnie, kawałek mnie, był kiedyś, miliardy lat temu w gwieździe?

Tak jest. Jądra atomów budujące twoje ciało powstały kiedyś w gwiazdach. A wodór praktycznie w Big Bangu.

Czyli składam się z cząstek, które są stare jak Wszechświat cały…

Jakżeby inaczej? Skoro Wszechświat, to także ty. I masz już odpowiedź na swoją wątpliwość, od której zaczęliśmy. Kosmos nie jest zewnętrzny, obcy. Pochodzisz z niego, jesteście jednym.

I tak w sensie podstawowym jesteś stara jak Wszechświat.

Postaram się o tym myśleć jak o komplemencie.

CIĄG DALSZY DOSTĘPNY W PEŁNEJ, PŁATNEJ WERSJI

1 C.P. Snow, Dwie kultury, Prószyński i S-ka 1999.

2 TNOiK i PTA, Toruń 2010.

3 W oryginale jest apple-pie, co się na ogół tłumaczy jako „szarlotka”, ale w amerykańskim angielskim apple-pie znaczy również zdrowy, uczciwy czy też prosty, więc razowiec chyba lepiej tu pasuje niż szarlotka.

4 Okres połowicznego rozpadu izotopu uranu 238 wynosi 4,5 miliarda lat.

5 Najmocniej związane są jądra żelaza i niklu. Jądro izotopu niklu 62Ni28 jest najsilniej związane, ale jest go 10 razy mniej niż żelaza – ma taką strukturę, że niełatwo się tworzy. Astrofizycy często piszą, że żelazo ma najmocniej związane jądro. Ale to, że czegoś jest dużo, nie świadczy koniecznie o tym, że jest najmocniejsze.

6 Dla porównania Słońce pali wodór od mniej więcej 4 miliardów lat, a jest dopiero w połowie swojego życia.

7 Nukleonów też nie. Wynika to z zakazu Pauliego, któremu podlegają i elektrony, i nukleony, będące fermionami.

8 Neutrina wysłane podczas wybuchu supernowej 1987A (pierwszej supernowej w roku 1987) zostały zaobserwowane przez trzy detektory umieszczone na powierzchni Ziemi.

Spis treści

Wstęp

Poznajmy się

Po co nam to wszystko?

KSIĄŻKI TEGO AUTORA

Czy Wielki Wybuch był głośny? 11 rozmów o historii i życiu codziennym Wszechświata Echa dawnej Warszawy. Praga 

POLECANE W TEJ KATEGORII

Przewodnik wędrowca Duchowe życie zwierząt Medyczna Marihuana. Historia hipokryzji Małe wielkie odkrycia Na drugie Stanisław Człowiek. Biografia