Wstęp

Gdybym był bogiem i mógł decydować, dokonywałbym mało imponujących cudów, za to stworzyłbym więcej wszechświatów. Na tyle dużo, aby umożliwić naukowcowi mojego pokroju przeprowadzenie ambitnego eksperymentu, o którym marzę i o którym marzy - jestem o tym przekonany - wielu innych. Pragnąłbym odtworzyć identyczne warunki, jakie panowały w momencie powstania naszego wszechświata, przesunąć wskazówki zegara do przodu i zbadać, ile z powstałych wszechświatów rozwinęłoby się na tyle, by mogły stać się dla nas domem.

Dołożyłbym starań, by dla każdego z tych wszechświatów punkt początkowy wypadł dokładnie w tym samym momencie. Po 13 miliardach 770 milionach lat, bo taki właśnie jest wiek naszego wszechświata, udałbym się tam, gdzie w tych eksperymentalnych modelach byłby Układ Słoneczny. Gdyby było nasze Słońce, poszukałbym Ziemi, a potem ciebie i siebie. Czy zawsze bylibyśmy tam, gdzie jesteśmy teraz? A może bylibyśmy tylko w kilku wszechświatach? Może w żadnym? Czy w niektórych przypadkach zamiast ludzi zastałbym małych zielonych kosmitów z gigantycznymi uszami? W innych najprawdopodobniej nie byłoby śladu naszego Słońca ani Ziemi. A może Ziemia byłaby jałowa, bezksiężycowa, pozbawiona roślin i zwierząt, bo krążyłaby nazbyt daleko od Słońca, aby życie mogło rozkwitnąć? Być może w niektórych wszechświatach życie byłoby obfite, w innych ledwo rozwinięte lub całkowicie nieobecne. Jak dotąd wiemy, że nasza Ziemia jest jedyną planetą podtrzymującą życie w naszym wszechświecie, chociaż zbadaliśmy tylko niewielką jego część.

Mój eksperyment ujawniłby, czy dzieje naszego wszechświata były przesądzone już w momencie jego narodzin, czy też losy każdej repliki potoczyłyby się niezależnie i dały inny wynik. Gdyby każde odtworzenie "nagrania" skutkowało powstaniem gatunku ludzkiego, wówczas naukowcy określiliby wszechświat jako deterministyczny. Dzięki ciężkiej pracy i ogromnej liczby obliczeń moglibyśmy doskonale przewidzieć przyszłość każdego wszechświata od jego narodzin do samego końca. Niektórzy fizycy twierdzą, że tak właśnie by było, gdyby przeprowadzono opisany przeze mnie eksperyment. Uważają, że pewnego dnia fizyka wykaże, że to, co obecnie uznajemy za zdarzenia losowe, w tym zachowanie maleńkich cząstek, jest deterministyczne. W przeciwieństwie do tego, gdyby każdy wynik był inny, za czym opowiada się większość biologów i pozostałych naukowców, oznaczałoby to, że rozwój naszego wszechświata ukształtowały zdarzenia losowe. Przypadkowa różnica w dziejach każdego z tych wszechświatów mogłaby skutkować całkowicie innym ostatecznym wynikiem. Być może gdyby planetoida, która zabiła dinozaury, minęła Ziemię, nie uderzając w nią, ludzie nigdy by nie wyewoluowali, a tę książkę zamiast mnie pisałby przedstawiciel inteligentnego gatunku dinozaurów.

Wszechświaty, których przyszłości nie można przewidzieć na skutek przypadkowych zdarzeń, naukowcy określają jako stochastyczne. Jeśli wypadki losowe odgrywają rolę w historii naszego wszechświata i naszego istnienia, to nie będziemy w stanie trafnie przewidzieć przyszłości, co nie oznacza jednak, że wszelka przewidywalność staje się wykluczona. Gdybyśmy monitorowali rozwój tysiąca wszechświatów w ramach opisanego przeze mnie eksperymentu, być może okazałoby się, że inteligentne życie powstało 531 razy, a nie udało mu się powstać w 469 przypadkach. Gdybyśmy w zakładach bukmacherskich prapoczątków czasu postawili na inteligentne życie, mielibyśmy nieco ponad 50 procent szans na wygraną. Przy stawce nieco mniejszej niż dwa do jednego powstanie życia oznaczałoby, że wygraliśmy dwa razy tyle, ile postawiliśmy.

Niestety nie jestem bogiem, a my nie mamy możliwości, by przeprowadzić mój eksperyment myślowy i ocenić, czy wszechświat jest deterministyczny, czy stochastyczny. Tworzenie nowych wszechświatów na zawołanie i badanie ich ewolucji przekracza nasze możliwości techniczne. Dlatego odpowiedź na pytanie, czy narodziny twoje i moje były nieuchronne już w momencie powstania naszego wszechświata, czy też po prostu dopisało nam niewiarygodne szczęście, wymaga innego podejścia: zastosowania nauki, która jest dziś dostępna. Ta książka ma na celu równoległe opowiedzenie dwóch historii - o dziejach wszechświata od jego narodzin do narodzin twoich i moich oraz o tym, co musiało się wydarzyć, abyśmy mogli zaistnieć. Obie te historie to epopeje trwające 13 miliardów 770 milionów lat. Obejmują niewyobrażalną przemoc, śmierć oraz dużo seksu i chociaż często zakrawają na tragedię, ostatecznie są opowieścią o odniesieniu sukcesu. "Detektywi", którzy pracowali, by poskładać w całość historie o tym, jak to się stało, że ty i ja istniejemy (i wiemy o tym), są bardziej łebscy i przebiegli niż panna Marple, Sherlock Holmes, Nancy Drew i Herkules Poirot razem wzięci. Zaliczają się do nich Albert Einstein, Maria Skłodowska-Curie, Isaac Newton, Rosalind Franklin i Charles Darwin oraz tysiące innych, o których prawdopodobnie nigdy nie słyszałeś. Ta opowieść wciąż jest na etapie powstawania, a fabuła może ulec zmianie, jako że genialne umysły coraz częściej rozwiązują zagadkę, dlaczego ty jesteś tobą, a ja mną. Jednak nawet niekompletna historia zapiera dech w piersiach, więc warto, by każdy ją poznał.

Mój niekłamany podziw budzi fakt, że naukowcy zdołali odtworzyć tak wiele z dziejów wszechświata od Wielkiego Wybuchu aż po nasze czasy. Być może jeszcze bardziej niesamowite jest zarabianie na życie jako naukowiec prowadzący badania w celu zidentyfikowania nowych drobnych fragmentów tej historii, aby wzbogacić o nowe rozumienie te niezwykłe ustalenia dokonane przez wielu innych. Jestem pod tak wielkim wrażeniem tej historii, że postanowiłem opowiedzieć ją w sposób przystępny dla każdego, a nie tylko dla innych naukowców. Pragnę to zrobić, bo spotkałem wielu ludzi kompletnie nieświadomych nadzwyczajnego postępu nauki. Z powodu tej nieświadomości wykazują również nieufność wobec niej. Owszem, nauka może być trudna i przytłaczająca, często posługuje się językiem technicznym, a jej koncepcje niełatwo zrozumieć. Chociaż osobiście lubię czytać teksty na temat chemii głębokomorskich kominów hydrotermalnych lub modeli pierwszych mikrosekund istnienia naszego wszechświata, to często muszę sprawdzać znaczenie słów pomimo trzydziestoletniej pracy w charakterze biologa. W tej książce chcę przedstawić wyjaśnienia, używając słów, których znaczenia czytelnik nie będzie musiał sprawdzać w leksykonach.

***

Człowiek to zadziwiająco skomplikowana istota. Gdyby nas rozłożono na części pierwsze, kawałek po kawałku, a każdy rodzaj tych cegiełek (z których składa się wszelkie życie) lądowałby w odrębnym zbiorze 30 lub więcej bilionów komórek, z których składa się nasze ciało, znalazłoby się ono w około 220 zbiorach. Jeden zbiór składałby się z czerwonych krwinek, inny z komórek nerwowych, kolejny z komórek skóry i tak dalej. Trzydzieści bilionów to ogromna liczba, pierwsza z wielu ogromnych liczb, o których będzie mowa w tej książce. Zrozumienie, jak duża to liczba, jest prawie niemożliwe, niemniej powinniśmy przynajmniej spróbować. Trzydzieści bilionów sekund to 950 000 lat lub 9500 stuleci. Trudno sobie wyobrazić taką ilość czasu. Możemy łatwo uchwycić pojedynczą sekundę, ale wyobrażenie sobie 950 tysiącleci wyrażających sekundy wydaje się nieprawdopodobne. A jednak 30 bilionów to mało w porównaniu z liczbą, którą otrzymujemy, gdy zaczniemy rozkładać każdą komórkę na części składowe: cząsteczki. Każda z 30 bilionów komórek zawiera średnio ponad 40 milionów cząsteczek białka, które są kluczowe dla zachowania życia. Trzydzieści bilionów razy 40 milionów to 1,2 miliarda bilionów (dwadzieścia zer). Lecz w porównaniu z innymi rodzajami cząsteczek w naszym ciele cząsteczki białka są w rzeczywistości dość rzadkie. Najbardziej powszechną cząsteczką w organizmie jest woda, a 99 procent wszystkich cząsteczek w ciele i około 60 procent jego masy (woda jest lżejsza niż większość innych cząsteczek w organizmie) to H2O. Liczba cząsteczek w organizmie znacznie wzrasta, gdy zaczniemy liczyć wszystkie ich rodzaje, a nie tylko białko. Gdybyśmy mieli następnie rozłożyć każdą komórkę w każdym zbiorze komórek i tworzyć nowe zbiory, skończyłoby się na 30 000 oddzielnych zbiorach. Niektóre z nich zawierałyby ogromną liczbę cząsteczek, inne o wiele mniej. Na przykład mamy tylko około 0,003 g kobaltu w organizmie, jednak jest on niezbędny dla zachowania zdrowia. Większość atomów kobaltu znajduje się w cząsteczkach witaminy B12, których niedobór może prowadzić do problemów neurologicznych, bólu stawów, kłopotów ze wzrokiem i do depresji.

Moglibyśmy kontynuować nasze ćwiczenie poprzez rozbijanie cząsteczek na ich części składowe, a więc atomy, i tworzenie nowych zbiorów. Byłoby ich teraz sześćdziesiąt. Byłby zbiór atomów węgla, zbiór atomów żelaza, kolejny atomów tlenu i tak dalej. Następnie moglibyśmy rozbić każdy atom w każdym z tych zbiorów na składniki i stworzyć nowe zbiory, kończąc na protonach, neutronach i elektronach - to nazwy budulca atomów. Następnie możemy rozbić protony i neutrony na składowe zwane kwarkami górnymi i dolnymi, natomiast tych dziwnych stworków, podobnie jak elektronów, nie da się dalej rozłożyć.

Cząstki te wyłoniły się z energii na początku historii wszechświata, więc ostatnim krokiem mogłoby być przekształcenie tych zbiorów cząstek fundamentalnych z powrotem w energię. Gdybyśmy tego dokonali, otrzymalibyśmy mnóstwo energii, z której wzięło się wszystko, nie wyłączając ciebie i mnie. Wszechświat rozpoczął się jako mikroskopijne ukłucie intensywnej energii. Skoro tak, to jak to się stało, że rozwinął się do tego stopnia, że obejmuje nas? Opiszę etapy, które musiały wydarzyć się, by do tego doszło. Podsumowując i zarazem unikając spoilerów, należy stwierdzić, że część energii przekształciła się w kwarki i elektrony. Kiedy kwarki oddziałują ze sobą, stają się bardziej złożonymi cząstkami zwanymi protonami i neutronami, które z kolei też mogą wchodzić w interakcje, wiążąc się w jeszcze bardziej złożone twory zwane jądrami atomów. Jądra wiążą się następnie z elektronami i tak powstają całe atomy, które z kolei mogą wchodzić w interakcje, tworząc cząsteczki. We wszechświecie istnieje ogromna liczba różnych rodzajów cząsteczek; jest ich o wiele więcej niż 30 000 różnych typów, które składają się na człowieka. W pewnych okolicznościach cząsteczki te mogą oddziaływać na siebie, tworząc planety, komórki i żywe organizmy. Różne gatunki tych organizmów wchodzą w interakcje na wiele sposobów, a w ciągu miliardów lat te interakcje międzygatunkowe spowodowały ewolucję niektórych organizmów - stawały się one coraz bardziej złożone, aż w końcu wyłonił się człowiek.

Naukowcy ukształtowali nasze rozumienie wszechświata drogą obserwacji i eksperymentu. Dobrze obmyślony eksperyment to świetny sposób na poddanie sprawdzianowi idei lub hipotezy i ustalenie nowych faktów. Nauka odstręcza wiele osób, a przecież w głębi ducha wszyscy jesteśmy eksperymentującymi naukowcami. Brzmi niewiarygodnie? Zatem wyjaśnię. Jeśli mamy praktyczny problem do rozwiązania, prawdopodobnie wypróbowujemy kilka różnych podejść przed znalezieniem takiego, które okaże się skuteczne. Czy przekupujemy dziecko, aby posprzątało swój pokój, surowym tonem nakazujemy mu to zrobić, wstrzymujemy wypłatę kieszonkowego do czasu, aż to się stanie, czy dajemy przykład? Żadne z tych podejść nie poskutkowało w przypadku moich dzieci, niemniej na polu kulinariów metoda prób i błędów przyniosła mi większy sukces. Eksperymentując z ilością poszczególnych składników i dostosowując temperaturę piekarnika i czas jego pracy, w końcu nauczyłem się robić idealne scotch egg.

Naukowcy eksperymentują w swoich dziedzinach w taki sam sposób jak ja w kuchni. Dostosowują warunki w laboratorium, aby zobaczyć, jaki mają one wpływ na wynik. Efektem dociekań naukowych nie będzie wysprzątany pokój ani smaczna przekąska, lecz raczej wgląd w to, jak funkcjonuje świat fizyki, chemii lub biologii. Niektóre eksperymenty przeprowadzane przez naukowców mają ogromną skalę. Największa maszyna na świecie to Wielki Zderzacz Hadronów (ang. Large Hadron Collider, LHC). Znajduje się w szwajcarskim Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (CERN) i składa się z podziemnego kolistego tunelu o długości 27 kilometrów. Olbrzymie elektromagnesy w tunelu przyśpieszają ruch cząstek niemalże do prędkości światła, a więc do górnej granicy prędkości we wszechświecie, po czym następuje ich zderzenie. Ogromne detektory w podziemnych pomieszczeniach wielkości katedry rejestrują wyniki tych kolizji. Analiza zgromadzonych informacji ujawniła istnienie cząstek subatomowych, z których zbudowany jest wszechświat, a te odkrycia doprowadziły niektórych fizyków do przekonania, że jesteśmy o krok od stworzenia "teorii wszystkiego", która opisuje wszelkie interakcje wszelkich cząstek w naszym wszechświecie. Nie mamy jeszcze teorii wszystkiego, ale fizycy, chemicy, biolodzy, matematycy, historycy, archeolodzy i badacze z wielu innych dziedzin dokonali zdumiewających postępów.

Dociekliwi, łebscy uczeni ustalili, że miało miejsce wiele kluczowych zdarzeń koniecznych do tego, byśmy w końcu zaistnieli, ty i ja. Poczynili wielkie postępy w identyfikowaniu tych zdarzeń poprzez zadawanie starannie obmyślonych pytań, aby wyjaśnić, dlaczego w ogóle do nich doszło. Wiemy, że życie istnieje w naszym wszechświecie, bo wystarczy spojrzeć w lustro, ale czy w ogóle by się narodziło, gdyby przyciąganie ziemskie było choćby odrobinę słabsze albo gdyby lód tonął w wodzie, zamiast się unosić? Uważa się, że wulkany odegrały kluczową rolę w narodzinach życia, a Ziemia jest niezwykle wulkaniczna w porównaniu z innymi skalistymi planetami, które zbadano. Pływy być może również przyczyniły się do powstania życia, a za to winniśmy dziękować Księżycowi. Geolodzy uważają, że Księżyc powstał, gdy planeta o nazwie Theia zderzyła się z młodą Ziemią. Gdyby Theia minęła Ziemię, nie mielibyśmy Księżyca i prawdopodobnie nie narodziłoby się życie. Co by było, gdyby 300 milionów lat temu, w karbonie, nie wykształcił się węgiel? Czy wymyślilibyśmy, jak wykorzystywać światło słoneczne i wiatr do napędzania naszego rozwoju technicznego i czy uniknęlibyśmy antropogenicznych zmian klimatu? Nasza supremacja techniczna niemal na pewno zależy od martwych roślin sprzed 300 milionów lat, z których powstał węgiel. Czy to oznacza, że węgiel musiałby powstać na wszystkich planetach zamieszkanych przez technicznie zaawansowane cywilizacje i, jeśli to jest wymóg, jak często powstaje? Poczyniliśmy duże postępy w udzielaniu odpowiedzi na niektóre z tych pytań, a także na inne, bardzo istotne, takie jak: na ile powszechnym zjawiskiem może być życie w naszym wszechświecie. Innymi słowy, czy cywilizacja taka jak nasza to reguła czy wyjątek?

Historia dociekań naukowych, które dały nam pojęcie o pierwszych 13 miliardach 770 milionach lat dziejów wszechświata, pełna jest przykładów wytrwałości i niezwykłych, a czasami absolutnie oszałamiających odkryć. Po drodze było wiele naukowych ślepych zaułków - obiecujące pomysły okazywały się błędne - ale także wiele chwil zasługujących na okrzyk "eureka!", kiedy to ze zdumiewających obserwacji wyłaniał się nagle sens. Wiele tych przełomowych odkryć naukowych doprowadziło do rozwoju technicznego, który ukształtował współczesny świat. GPS, panele słoneczne, energia jądrowa, wysokie plony, nowoczesna medycyna i smartfony są możliwe tylko dzięki dokonaniom będącym owocem ciężkiej pracy naukowców. W kilku przypadkach badacze osiągnęli sławę, w kilku innych zbili majątek na swoich odkryciach, lecz przeważającą większość odkryć dokonali oddani sprawie ludzie, których motywacją była chęć rozwiązania problemu i zrozumienia tego czy innego aspektu wszechświata, a nie pogoń za sławą i pieniądzem.

Ludzkość ma ogromny dług wdzięczności wobec tych niezliczonych badaczy, którzy przez całe życie usiłowali zrozumieć zjawiska naturalne i dzieje naszego wszechświata. Z reguły unikam opisywania historii o tym, jak naukowcy odkryli to, co przedstawiam, nie dlatego, że są nieciekawe, ale dlatego, że wolę skupić się na tym, co dzięki nim wiemy. Ponadto przedstawienie całej drogi dochodzenia do ustaleń wymagałoby znacznie większej publikacji.

Opowiedzenie w jednej skromnej książce o dziejach trwających 13,77 miliarda lat wymagało podjęcia wielu decyzji dotyczących tego, co uwzględnić, a co pominąć. Skupiłem się na kluczowych zjawiskach, które musiały się wydarzyć, abyśmy mogli istnieć. Wszechświat musiał się ukształtować i cztery oddziaływania podstawowe (grawitacyjne, elektromagnetyczne, jądrowe silne i słabe) również musiały się wyłonić i nabrać odpowiedniej siły. Musiały zaistnieć kwarki i elektrony, następnie kwarki łączyły się, by powstały protony i neutrony, które z kolei łączyły się z elektronami, tworząc atomy wodoru i helu. Musiały się wytworzyć pierwsze gwiazdy, aby powstały cięższe pierwiastki, takie jak węgiel i tlen, a te musiały następnie wejść w interakcję, aby stworzyć szeroką gamę cząsteczek. Musiała powstać Droga Mleczna, układy gwiezdne, a w szczególności Słońce i Ziemia, musiały zaistnieć warunki odpowiednie do narodzin życia. Warunki na naszej planecie musiały utrzymywać się w określonych granicach, aby takie życie, jakie znamy, mogło się rozprzestrzeniać i ewoluować, ostatecznie prowadząc do powstania złożonych, świadomych organizmów, takich jak ty i ja. Różne zdarzenia ukształtowały naszą osobowość. Najpierw opiszę naukowo te kluczowe zdarzenia, następnie określę, czy były one nieuniknione, czy po prostu dopisało nam niewiarygodne szczęście.

To, co zamieściłem w tej książce, można byłoby opisać znacznie bardziej szczegółowo, a badania naukowe stojące za ustaleniami przedstawionymi w każdym rozdziale zapełniłyby całe biblioteki. Moim celem jest pokazanie, jakże zdumiewających postępów dokonali naukowcy w pojmowaniu tak wielu aspektów naszego wszechświata, nie zaś opisywanie niuansów i badań w ramach konkretnych, szczegółowych zagadnień. Dla tych, którzy chcieliby dowiedzieć się więcej, w załączniku podaję wykaz kilku publikacji naukowych w języku angielskim, które zawierają więcej szczegółów na temat fizyki, chemii, nauk o Ziemi, ewolucji i historii ludzkości.

Nasuwa się pytanie, jakie mam wykształcenie i wiedzę, skoro podjąłem się tego zadania. Istnieje małe prawdopodobieństwo, by ktoś zetknął się z moimi pracami, chyba że jest badaczem w dziedzinie ekologii i ewolucji. To moja pierwsza próba napisania książki popularnonaukowej, zatem nie mam żadnego dorobku w tej dziedzinie. Jestem profesorem na Uniwersytecie Oksfordzkim i obecnie współkieruję tamtejszym Wydziałem Biologii. Od ponad trzydziestu lat pracuję jako naukowiec w instytutach badawczych i na uniwersytetach, a moje zainteresowania koncentrują się na zrozumieniu, jak funkcjonuje świat przyrody. Kiedy nauczam, staram się w przystępny sposób przedstawiać złożone idee, a także czerpię radość z wygłaszania publicznych wykładów.

Kiedy moja żona Sonya powiedziała bliskim przyjaciołom, że umawia się na randki z uczonym z Oksfordu, wkrótce po tym, gdy poznaliśmy się w 2013 roku, sądzili, że okażę się człowiekiem wyniosłym, nadętym i aroganckim. Nie dlatego, że znali innych profesorów z Oksfordu, lecz dlatego, że w powszechnym wyobrażeniu naukowcy, szczególnie ci zatrudnieni przez wiodące uniwersytety, są ludźmi mało ujmującymi. Ucieszyłem się, że jej przyjaciele mnie polubili i że pod tym względem nie spełniłem ich oczekiwań. Owszem, poznałem wyniosłych, nadętych i aroganckich profesorów z Oksfordu, ale spotkałem też podobnych prawników, księgowych i potentatów przemysłowych. Chociaż nauka może się wydawać dziedziną nieszczególnie interesującą, naukowcy są jak wszyscy inni. Jedni bywają skromni, inni nie. Naukowcy są czasem nerwowi, popełniają błędy, wydają się poważni lub zabawni. Nigdy nie zamierzałem zostać profesorem Oksfordu - doszło do tego w wyniku serii szczęśliwych i niezaplanowanych wydarzeń, z których część przedstawiam w tej książce, wplatając w opowieść wątki własnej wędrówki. Robię to z kilku powodów. Po pierwsze, chcę nie tylko ukazać naukę w przystępnym świetle, ale też zaprezentować ludzką stronę bycia uczonym. Po drugie, pod koniec książki próbuję przyjrzeć się temu, jak powstają osobowości. Część rozdziału dotyczy tego, jak ukształtowały mnie pewne kluczowe wydarzenia w moim życiu, bo chciałbym, żebyś, czytelniku, wiedział choć trochę, jakim człowiekiem jestem. Wreszcie, w ostatnim rozdziale, poruszam kwestię tego, czego uczy nas nauka, i tu znów osobista perspektywa okazuje się pomocna.

Pisanie tej książki stanowiło część osobistej wędrówki rozpoczętej ponad trzydzieści lat temu, kiedy byłem młodym mężczyzną. Jako nastolatek nie miałem pojęcia, co chcę robić, gdy dorosnę, niemniej ubiegałem się z powodzeniem o miejsce na wydziale matematyki jednego z uniwersytetów w Wielkiej Brytanii. Uznałem bowiem, że mając wykształcenie matematyczne, zyskam sporo możliwości zatrudnienia na rynku pracy. Miałem szczęście, bo lubiłem matematykę. Zanim poszedłem na uniwersytet, przez rok uczyłem w wiejskiej szkole w Zimbabwe. Pewnego dnia w trakcie spaceru przez busz zaobserwowałem stado antylop. Uznałem wtedy, że bycie biologiem to chyba trafniejszy wybór niż bycie matematykiem, zmieniłem więc zainteresowania i w ten sposób zacząłem studiować biologię na Uniwersytecie Yorku w północnej Anglii.

Podczas roku spędzonego w Zimbabwe zakochałem się w tym kraju i jego mieszkańcach. Tęskniłem za Afryką. Sposobność do powrotu nadarzyła się, gdy wybierałem licencjacki projekt badawczy pod koniec drugiego roku studiów. Okazało się, że można przedstawić własny projekt pod warunkiem, że jeden z pracowników wydziału zgodzi się być jego opiekunem.

Kuzyn o rozległych kontaktach zorganizował mi pobyt w Narodowym Rezerwacie Kora w Kenii, w obozowisku George'a Adamsona, przedstawiciela starej szkoły ochrony przyrody, opromienionego sławą po ukazaniu się książki i filmu Elza z afrykańskiego buszu, w których przedstawiono fragmenty życia jego i jego żony Joy. To Joy napisała książkę. Celem projektu, w którym brałem udział, było porównanie zachowania młodych lwów w stanie dzikim z zachowaniem tych wychowywanych przez człowieka. Matkę tych drugich zastrzelono i George opiekował się nimi z zamiarem późniejszego wypuszczenia ich na wolność. Spędziłem kilka tygodni w obozie, obserwując i rejestrując zachowanie lwów, a potem zjawiła się moja ówczesna dziewczyna i kilkoro przyjaciół i wtedy ruszyliśmy z Kenii autostopem do Tanzanii, potem do Malawi, po czym poleciliśmy z powrotem do domu.

Kolejnym razem spędziłem w Afryce bajeczne dni i cieszyłem się każdą chwilą, mimo że mój projekt badawczy był słaby pod względem naukowym. Jako mały chłopiec chciałem być Tarzanem, gdy dorosnę. Jako dwudziestojednoletni mężczyzna pracujący z lwami zbliżyłem się do realizacji swojego marzenia, ale zrozumiałem, że nie nadaję się do tego. Niemniej w Afryce przeżyłem sporo, a to ukierunkowało mnie na drodze do zostania uczonym.

W pewnym momencie po opuszczeniu Kenii zachorowałem na malarię mózgową, wywoływaną przez patogen Plasmodium falciparum. Przyjmowałem leki profilaktyczne, ale ujawniła się u mnie odporność na zażywane specyfiki. Nie pomogło również to, że, o zgrozo, pomyliłem tabletki do uzdatniania wody z lekami przeciwmalarycznymi. Woda, którą wypiłem, nie nadawała się do picia, wskutek czego rozwinęła się u mnie infekcja żołądkowa. Podczas choroby przestałem przyjmować leki profilaktyczne i w efekcie dopadła mnie malaria. Wyjaśniło się również, dlaczego za każdym razem, gdy zażywałem to, co brałem za tabletki na malarię, bolał mnie brzuch - to chlor zawarty w tabletkach do uzdatniania wody palił mi ściany żołądka.

Malaria mózgowa przychodzi falami co kilka dni. Źle się czułem, ale nie znałem przyczyny. Dzień po powrocie do Wielkiej Brytanii dostałem majaków i trafiłem do szpitala w pobliżu domu moich rodziców, pod Cambridge. Nie pamiętam zbyt wiele z tego czasu, przypominam sobie jednak, że po postawieniu diagnozy i rozpoczęciu leczenia powiedziano mi, że nawrót choroby by mnie zabił. Na szczęście ten rodzaj malarii można wyleczyć i z czasem wyzdrowiałem w pełni. Zdałem sobie sprawę, że miałem szczęście, bo napad choroby wydarzył się po moim powrocie, a nie na poboczu drogi w trakcie podróży autostopem przez Malawi. Ta świadomość podziałała na mnie otrzeźwiająco. Nigdy wcześniej nie zastanawiałem się nad swoją śmiertelnością. Spotkanie z malarią wpłynęło na niektóre aspekty mojego życia.

W kolejnych miesiącach zacząłem myśleć o tym, co chciałbym osiągnąć w życiu. Zastanawiałem się, co chciałbym czuć, leżąc na łożu śmierci. Gdybym umarł na malarię, byłbym zawiedziony, że zaprzepaściłem swoje najlepsze lata. Uznałem, że umierając, chciałbym móc spojrzeć wstecz na swoje życie i dojść do wniosku, że generalnie miałem frajdę i coś osiągnąłem. Mniej więcej w tym czasie dotarło do mnie, że nie wierzę w żadnego boga, i zacząłem widzieć naukę jako sposób zdobywania wiedzy. Uznałem, że dzięki temu pod koniec życia będę dość dobrze rozumiał, dlaczego istniałem i dlaczego rozwinąłem się jako osobowość, która całkiem niedługo zgaśnie. Był to również okres, kiedy zdecydowałem, że chcę zostać naukowcem.

Odtąd zastanawiałem się nad swoim istnieniem i badałem to zjawisko. Wielu naukowców chce się przyczynić do zmniejszenia cierpienia ludzi i zwierząt, poprawy standardów życia lub zapobieżenia zagrożeniom dla świata, takim jak zmiana klimatu. Moja motywacja była bardziej osobista. Chciałem po prostu zrozumieć, dlaczego istnieję i co musiało się wydarzyć, żebym się tutaj pojawił.

Te doniosłe decyzje podjąłem ponad trzydzieści lat temu. Zajęło mi to wszystko bardzo dużo czasu, bo życie wciąż się wtrącało. Musiałem zarabiać na chleb, ożeniłem się, założyłem rodzinę, rozwiodłem się i ożeniłem ponownie. Moje życie było czasem zabawne, czasem smutne, łatwe, ciężkie, frustrujące i satysfakcjonujące, tak jak w przypadku każdego człowieka. Lecz pragnienie, by zrozumieć, dlaczego istnieję, towarzyszy mi do dziś. Kiedy zobaczyłem, że inni, tacy jak Bill Bryson i David Christian, piszą znakomite książki o wszechświecie, przyszło mi do głowy, że też mógłbym napisać książkę, ale taką, która wykazuje inne podejście niż te powstałe wcześniej. Nie znam wszystkich odpowiedzi na pytanie, dlaczego istniejemy, ale dość dobrze rozumiem, co musiało się wydarzyć, żeby to się stało, doceniam również to, że naukowcy wyjaśnili, dlaczego miały miejsce kluczowe zdarzenia.

Gdy pracowałem jako naukowiec, zacząłem rozumieć także to, że wielu ludzi okazywało nieufność wobec nauki i trzymało się od niej z daleka. Nauka bywa trudna, niektóre jej ustalenia przeczą intuicji, a w szkołach przedmioty ścisłe nie zawsze nauczane są w sposób interesujący. Pewna nieufność wobec nauki rodzi się również dlatego, że postęp techniczny umożliwiony przez nią w ostatnich dziesięcioleciach jest wręcz oszałamiający, jednak nie wszystkie osiągnięcia techniczne zostały wykorzystane z pożytkiem dla ludzkości. Rozszczepienie atomu było niezwykłym osiągnięciem naukowym, a przecież zapoczątkowało wiek bomb nuklearnych, które mogą zniszczyć ludzkość. Lasery są wykorzystywane w okulistyce, ale mogą być także stosowane jako broń ofensywna, podczas gdy drony bezzałogowe mogą rozsiewać nasiona z powietrza bez wzruszania gleby, ale mogą także być używane do wysadzania ludzi w powietrze setki kilometrów od swego operatora.

Nauka nie ponosi winy za to, jak jest wykorzystywana. Kiedy wykorzystuje się ją do krzywdzenia lub zabijania ludzi, dzieje się tak dlatego, że ktoś zdecydował o użyciu jej w tym celu. Podobnie gdy jest wykorzystywana dla dobra ludzkości, wynika to z ludzkiego wyboru. Nauka to tylko sposób odkrywania faktów o świecie. Korzyści płynące z nauki obejmują przedłużenie życia ludzkiego poprzez powstrzymywanie, zwalczanie i leczenie licznych chorób aż po zwiększenie bezpieczeństwa żywnościowego w wielu częściach świata. Mniej jasne jest, czy ten pozytywny wpływ przyczynił się do ludzkiego szczęścia. Technika daje nam więcej czasu, zarówno ułatwiając nam wykonywanie codziennych czynności, jak i zwiększając liczbę lat, które statystycznie przeżyjemy, ale może również rodzić niepokój. Czy sztuczna inteligencja lepiej napisałaby tę książkę? Czy przyszłe wersje ChatGPT sprawią, że stanę się zbędny? Nie wiem tego, ale kiedy ludzie rozumieją naukę, mogą wnieść cenny wkład w debatę o tym, jak należy jej używać. Skupiwszy się na pytaniu, dlaczego istniejemy, zdałem sobie sprawę, że chcę być również orędownikiem nauki. To dziedzina trudniejsza niż historia czy filozofia, zarazem napędza postęp, jakiego nie napędza żadna inna. Bez nauki i techniki siedzielibyśmy pod gołym niebem zdani na łaskę pogody, spierając się o to, dlaczego coś się wydarzyło, i spekulując, czy trzęsienie ziemi spowodował rozgniewany duch przodka, czy stanowi ono zapowiedź konfliktu. Dzięki nauce wiemy, że trzęsienia ziemi występują, gdy ogromne płyty skalne tworzące powierzchnię naszej planety ślizgają się po sobie. Nauka jest niezwykła. To dzięki niej rozumiemy, jak powstał rodzaj ludzki, ale jej zastosowanie doprowadziło również do wielkich zmian na świecie w ostatnich dziesięcioleciach. Pierwszy rozdział opowiada o tym, jak funkcjonuje nauka i jak ustalamy fakty. Nie wiedzielibyśmy nic o powstaniu i funkcjonowaniu wszechświata, gdyby nie metoda naukowa, której opracowanie jest prawdopodobnie największym osiągnięciem ludzkości.

Rozdział 1. Metoda naukowa

rozdział 1

Metoda naukowa

Talesa z Miletu uważa się za pierwszego naukowca na świecie. Był także pierwszym z siedmiu mędrców starożytnej Grecji, ludzi słynących z osiągnięć w dziedzinie filozofii, prawa i polityki, których szanowano za mądrość i wiedzę. Tales żył 2600 lat temu w mieście, o którym mówi jego przydomek, i jeśli wszystko, co o nim napisano, jest prawdą, prowadził niezwykłe życie i był swoistym celebrytą.

Złożenie życia Talesa z Miletu w spójny obraz wcale nie jest łatwe, bo wiele z przypisywanych mu osiągnięć zostało odnotowanych dopiero całe dekady po jego śmierci. Współczesne mu relacje o jego dokonaniach są rzadkością, nadto historykom nie udało się odnaleźć żadnych tekstów jego autorstwa. Tales był jednak bardzo szanowany przez starożytnych historyków greckich, takich jak Herodot i Eudemos, którzy pośród jego najbardziej niezwykłych osiągnięć wymieniają pomiar średnicy Słońca i Księżyca, obliczenie, że rok ma 365 dni, ulepszenie nawigacji morskiej dzięki wykorzystaniu gwiazd, przewidywanie zaćmień Słońca, wyznaczanie przesilenia letniego i zimowego, zmianę biegu rzeki Halys, aby mogło ją przekroczyć wojsko, opracowanie licznych twierdzeń matematycznych, wynalezienie handlu kontraktami terminowymi i określenie kulistości Ziemi. Niektóre świadectwa potwierdzające te dokonania są bardziej przekonujące niż inne, niemniej przez te wszystkie historie przewija się jeden lejtmotyw: Tales szukał prawdy, stawiając hipotezy, które mógłby poddać weryfikacji.

Naukowcy, od Talesa z Miletu po czasy współczesne, dążą do odkrywania faktów o świecie. Robią to za pomocą tak zwanej metody naukowej. Nie jest to nic skomplikowanego, niemniej okazuje się potężnym narzędziem. Wszystkie fakty przedstawione w tej książce zostały ustalone właśnie dzięki zastosowaniu metody naukowej.

Nauka polega na wyjaśnianiu, dlaczego dana obserwacja ma miejsce, oraz przewidywaniu przyszłych zdarzeń. Najprostsze obserwacje dotyczą tego, co ciągle się dzieje, na przykład że gdy podskoczymy, opadniemy z powrotem na ziemię. Kiedy unosimy się do góry, nigdy nie odlatujemy w przestrzeń kosmiczną - za to musimy podziękować przyciąganiu ziemskiemu. Grawitacja zawsze ściąga nas w dół, ale inne obserwacje są bardziej zmienne, czasami coś się dzieje, kiedy indziej - nie. Lód pozostawiony sam sobie czasem zmienia się w wodę, a innym razem pozostaje lodem. Gdy temperatura spada poniżej zera (przynajmniej gdy znajdujemy się na poziomie morza), lód pozostaje lodem, ale kiedy wzrasta powyżej zera, lód zmieni się w wodę. Nauka ma na celu nadawanie sensu obserwacjom i wskazywanie okoliczności, w których występują określone zdarzenia. Podskakiwanie i topnienie lub nietopnienie lodu prowadzą do stosunkowo prostych obserwacji, które można powtarzać bez końca.

Rzadsze zdarzenia są trudniejsze do zbadania. Skonstatowanie, że istniejemy, i rozstrzygnięcie, czy twoje i moje narodziny były przesądzone w chwili powstania wszechświata, wymagają obserwacji, która jest znacznie trudniejsza do przewidzenia i zrozumienia, ponieważ powstanie wszechświata zdarzyło się tylko raz. Niemniej naukowcy konfrontują się z tym problemem. Zdarzenia, które miały miejsce dawno temu, są również trudne do zbadania. Im dalej wstecz sięgamy, tym mniej informacji na ogół mamy do dyspozycji. Wiemy znacznie więcej o życiu współczesnych celebrytów - często o wiele więcej, niż byśmy chcieli - niż o wybitnych myślicielach starożytnej Grecji. Jednocześnie o mieszkańcach starożytnego Miletu wiemy więcej niż o mieszkańcach Çatalhöyük, pierwszego miasta w dziejach, które osiągnęło apogeum rozwoju około 9000 lat temu. Nasza wiedza staje się jeszcze bardziej wybrakowana, gdy cofniemy się dalej w czasie. Fosylia, które przyczyniają się do naszego rozumienia dziejów życia, są skąpe i przeważnie jednolite. Bardzo niewielu przedstawicieli dawnych gatunków stało się po śmierci skamielinami. Do chwili obecnej paleontolodzy odkryli trzydzieści dwie skamieliny zwierające szczątki dorosłego Tyranozaurusa rexa. T. rex był dużym zwierzęciem o masywnych kościach i kłach, a to właśnie te części najczęściej stają się skamielinami. Można pomyśleć, że trzydzieści dwie to wcale niemało, i w porównaniu z pozostałościami innych gatunków tak właśnie jest, ale ten przerażający i ogromny dinozaur grasował po Ziemi przez 2,5 miliona lat, a paleontolodzy oszacowali, że łącznie mogło żyć nawet 2,5 miliarda przedstawicieli tego gatunku! Gdybyśmy ten współczynnik fosylizacji przełożyli na ludzi żyjących dzisiaj, szczątki tylko około 100 z nas przetrwałyby jako skamieniałości przez 66 milionów lat. To oznacza, że tylko 0,00000128 procent ludzi staje się skamieliną.

Aby zwierzę (lub roślina) stało się skamieliną, musi umrzeć albo zwiędnąć w odpowiednich warunkach i w odpowiednim środowisku. Jeśli chcemy zmaksymalizować prawdopodobieństwo fosylizacji, najlepszym rozwiązaniem byłoby szybkie zasypanie nas osadem z gwałtownej powodzi albo popiołem z erupcji wulkanu, a wtedy nasze zwłoki powinny leżeć w nienaruszonym stanie przez co najmniej 10 000 lat, niemniej wciąż nie byłoby gwarancji. Chciałbym zostać skamieliną - moje dzieci twierdzą, że już nią jestem - choć wolałbym skończyć mniej gwałtownie niż jako ofiara pogrzebana żywcem przez powódź czy wybuch wulkanu. Chciałbym zostać skamieliną, ponieważ pomogłoby to przyszłym naukowcom zinterpretować historię, którą dziś tworzymy. Gdyby przyszli paleontolodzy odkryli moją skamielinę, bardziej przydatny dla ludzkości mógłbym okazać się po śmierci niźli za życia.

Historia organizmów żyjących w przeszłości jest częściowo zapisana w odciskach skalnych, ale te ślady występują rzadko i często są mało przydatne przy rozwiązywaniu zagadki, jak to się stało, że ty i ja się narodziliśmy. Pomimo to paleontolodzy badający skamieniałości dokonali niezwykłych ustaleń dotyczących dziejów życia.

W tym rozdziale chcę się przyjrzeć, jak funkcjonuje nauka. Metoda naukowa składa się z kilku technik, które pozwalają nam dowiedzieć się czegoś o wszechświecie. W odróżnieniu od twierdzeń niektórych populistycznych polityków i guru mediów społecznościowych powtarzanie w kółko zmyśleń nie ma nic wspólnego z nauką. To mocno przestarzały i nieudolny sposób nadawania sensu światu. Zanim człowiek uzyskał wiedzę za pomocą metody naukowej, wyjaśniał obserwacje dotyczące świata za pomocą opowieści. Wiele z nich to świetne historie, chociaż najczęściej są one niczym więcej niż zwykłym mitem.

Biorąc pod uwagę, ile wiedzy nagromadziliśmy dzięki nauce, jestem zdumiony i zarazem rozczarowany tym, jak dużą rolę wciąż odgrywają mity i mitotwórstwo. Spotkałem zwolenników teorii spiskowych, którzy wierzą, że brytyjska rodzina królewska to gatunek jaszczurów z kosmosu, że Elvis Presley wciąż żyje, tylko się ukrywa, że Donald Trump wygrał wybory w Ameryce w 2020 roku, że lądowanie na Księżycu było mistyfikacją i że Keanu Reeves jest nieśmiertelny, a w rzeczywistości może nawet być wampirem. Co bardziej bezsensowne teorie mogą wzbudzać pusty śmiech, ale kiedy ludzie z uporem odrzucają twarde fakty na rzecz niepopartych niczym bzdur, może to się okazać szkodliwe. Nauka przekonująco wykazała, że ani homeopatia, ani leczenie na odległość nie skutkują oraz że imbir nie może wyleczyć raka. Mimo to wiele osób trzyma się kurczowo tych błędnych przekonań. Nauka i medycyna nie mogą wyeliminować wszystkich chorób, niemniej poczyniły zdumiewające postępy w leczeniu wielu z nich. Zrezygnowanie z nowoczesnych metod leczenia tylko dlatego, że niespotkany nigdy mistyk z Timbuktu twierdzi, że modli się za nasze zdrowie, to igranie ze śmiercią. Zaufajmy nauce. Nauka dostarcza dowodów na poparcie lub obalenie hipotez i wyjaśnia to, co dotąd było niewyjaśnione. Mity i spiski nie opierają się na dowodach. Nasza cywilizacja jest zaawansowana dzięki nauce, a nie dlatego, że za kulisami działa zakon iluminatów, pociągając za sznurki. Fakty mówiące o tym, dlaczego ty i ja się narodziliśmy, są bardziej inspirujące, niż mogłyby być jakikolwiek mit lub teoria spiskowa. Ponadto te fakty można zweryfikować.

***

Metoda naukowa rozpoczyna się od obserwacji, często wyrażonej w formie pytania. Obserwacja może dotyczyć dowolnego aspektu świata przyrody lub ludzkiej cywilizacji. Może to być proste jak: "Dlaczego to drzewo tam rośnie?" lub "Dlaczego rośnie tam akurat ten gatunek drzewa, a nie inny?". Albo: "Dlaczego choruję?" i "Dlaczego zdrowieję?", wreszcie "Dlaczego po podskoku zawsze ląduję na ziemi" tudzież "Dlaczego w Anglii nie pada już tyle śniegu, ile padało, gdy moi rodzice byli młodzi?". Obserwacja, do której odnoszę się w tej książce, to: "Ty i ja istniejemy", a pytanie, które zadaję, brzmi: "Dlaczego ty i ja istniejemy?". Nauka odbyła długą wędrówkę, by na to odpowiedzieć.

Zadawałem te pytania od najmłodszych lat i podejrzewam, że czasami doprowadzały one moich rodziców do szału. Pierwszy raz zabrali mnie nad morze, gdy byłem trzy-, może czterolatkiem. Podobno wpatrywałem się w fale przez kilka minut, a potem spytałem, dlaczego tak się poruszają w górę i w dół. Moi rodzice są dobrze wykształceni i mają pewne pojęcie o nauce, jednak wkrótce zacząłem zadawać pytania, na które nie potrafili odpowiedzieć, więc wypożyczyliśmy stosowne książki naukowe z biblioteki. Gdy byłem nastolatkiem, wykupili dla mnie prenumeratę czasopisma naukowego dla dorastającej młodzieży. Z niecierpliwością czekałem na każdy numer i czytałem go od deski do deski, czasami rysowałem wykresy i próbowałem pisać równania, aby lepiej zrozumieć koncepcje, o których czytałem.

Gdyby w dzieciństwie zbadał mnie psycholog, zapewne zostałbym sklasyfikowany jako dziwny chłopiec o skłonnościach maniakalnych. A gdyby przyjrzał się moim rodzicom, zauważyłby, że moje zafiksowanie na nauce w połączeniu ze słabymi stopniami w szkole czasem mocno ich niepokoiło. Nie lubiłem szkoły - nie tylko dlatego, że wielu uczniów z mojej klasy uważało mnie za lekkiego dziwaka - i nie pomagało mi to, że przez większość okresu nastoletniego nosiłem spodnie do golfa, szpiczaste skórzane buty, trencz i zielony kapelusz trilby - ale także dlatego, że nie nauczono nas, jak funkcjonuje świat, tylko zalewano faktami do wykucia na pamięć. W szkole nie przedstawiono mi metody naukowej. Dowiedziałem się o niej na własną rękę, w domu.

Po poczynieniu obserwacji następnym krokiem w metodzie naukowej jest postawienie hipotezy. Hipoteza jest prawdopodobnym wyjaśnieniem określonej obserwacji. Psycholog obserwujący mnie w dzieciństwie mógłby postawić hipotezę, że jestem genetycznie predestynowany do bycia maniakiem opętanym przez naukę, ale na początku lat osiemdziesiątych niełatwo było coś takiego zbadać. Hipotezy są użyteczne tylko wtedy, gdy można je poddać sprawdzianowi za pomocą dalszych obserwacji lub eksperymentów, tudzież jednego i drugiego. Niesprawdzalna hipoteza jest odpowiednikiem mitu lub ludowego podania: może brzmieć przekonująco, jednak prawdziwa wiedza nie wykracza poza to, co zostało zaobserwowane.

Aby zaprezentować, jak postawić hipotezę, skupię się na pierwszym z pytań zadanych powyżej: "Dlaczego to drzewo tam rośnie?". Wybrałem to pytanie z dwóch powodów. Po pierwsze, jest to coś, co dla każdego brzmi swojsko, ale być może nigdy nie zadaliśmy takiego pytania, patrząc na drzewo. Po drugie, zaraz po tym, gdy zacząłem studia doktoranckie, usiadłem pewnego razu na polu i przez mniej więcej godzinę patrzyłem na brzozę brodawkowatą, roztrząsając w myśli właśnie to pytanie. Przyczyniło się to do określenia tematu mojej pracy doktorskiej: "W jaki sposób zwierzęta takie jak wiewiórki i sarny przyczyniają się do rozkładu gatunków drzew w okolicy?".

Natychmiastowa odpowiedź na pytanie, dlaczego konkretne drzewo rośnie w konkretnym miejscu, brzmi następująco: żywotne nasiono tego gatunku drzewa znalazło się w tym miejscu, w którym panowały warunki odpowiednie do tego, by z nasiona wykiełkowała sadzonka i dalej w procesie wzrostu powstało dorosłe drzewo. Aby tak się stało, drzewo musiało przetrwać zagrożenie ze strony roślinożerców i infekujących je patogenów, jednocześnie zdobywając potrzebną ilość wody, światła i składników odżywczych. Chociaż ta odpowiedź jest oczywista, to jakie hipotezy musiały być postawione i zweryfikowane w celu uzyskania tej wiedzy? Okazuje się, że tych hipotez było całkiem sporo.

Należy najpierw postawić i sprawdzić hipotezę, że drzewa rozwijają się z nasion - teraz to oczywistość dla ciebie i dla mnie. Hipotezę można przetestować za pomocą eksperymentu, który obejmuje zbieranie nasion wytwarzanych przez kilka gatunków drzew, sadzenie ich w znanych lokalizacjach i sprawdzanie, co z tego wyniknie. Biorąc pod uwagę naszą dzisiejszą wiedzę, można by pomyśleć, że ta hipoteza jest śmieszna i trywialna. Ale jeszcze nie tak dawno temu, bo w połowie XIX wieku, wielu ludzi wciąż wierzyło w teorię samorództwa, a więc że żywe istoty mogły powstawać z materii nieożywionej, takiej jak skały i woda. Wyrażali takie przekonanie pomimo świadomości, że uprawy wyrastają z nasion, jednak niezbędność nasiona do powstania sadzonki nie była powszechnie przyjętą wiedzą, albowiem wierzono, że w pewnych okolicznościach formy życia powstają spontanicznie. W XVII wieku kilku pisarzy dowodziło na przykład, że pszenica i szmaty spontanicznie prowadzą do rozrodu myszy.

Kiedy nasiona są zbierane i sadzone w ramach eksperymentu, nie wszystkie wykiełkują i się rozwiną, ale jeśli stanie się tak z dostateczną ich liczbą, uzyskamy dowody na to, że nasiona mogą przekształcić się w młode drzewa. Jednakże to spostrzeżenie naturalnie prowadzi do nowego pytania: "Dlaczego z niektórych nasion nie wyrosły drzewa?". Możemy postawić hipotezę, że lokalne warunki decydują o tym, czy nasiona wykiełkują i przetrwają do momentu przekształcenia się w sadzonki. Wówczas możemy przeprowadzić eksperyment polegający na zasadzeniu nasion w różnych typach gleby i na zapewnieniu im różnej ilości światła, wody i składników odżywczych, aby zobaczyć, które się rozwiną. Jeśli nasiona kiełkują w pewnych warunkach, a w innych nie, mamy dowód, że to środowisko jest odpowiedzialne za to, że nie wszystkie nasiona kiełkują, co potwierdza naszą obserwację.

Jeśli nawet mamy warunki odpowiednie do kiełkowania i rozwoju nasion, nie wszystkie sadzonki przetrwają i staną się drzewami. Możemy zadać kolejne pytanie: "Dlaczego tak jest?". Niektóre sadzonki być może padły ofiarą roślinożerców takich jak owady, ślimaki, króliki lub sarny. Inne wyglądają na chore, bo być może zostały zaatakowane przez wirusy, bakterie albo grzyby. Te obserwacje naturalnie prowadzą do nowych hipotez, a mianowicie, że choroby i roślinożercy stanowią ważną przyczynę śmiertelności sadzonek. Kolejnym eksperymentem byłoby porównanie "osiągów" nasion, sadzonek i drzewek w sprzyjających warunkach - odpowiednie światło, woda, substancje odżywcze - z uwzględnieniem podziału na te, które są narażone na roślinożerców i patogeny, oraz te, które narażone nie są. Jeśli wskaźniki śmiertelności w tych dwóch grupach różniłyby się między sobą, stanowiłoby to dowód, że roślinożercy i patogeny odgrywają istotną rolę w określaniu, czy nasiona przetrwają na tyle, aby wyrosły z nich drzewa.

Lecz jeśli nawet zapewnimy odpowiednie ilości wody, składników odżywczych i światła i wyeliminujemy patogeny i roślinożerców, nadal możliwe jest, że niektóre nasiona nie wykiełkują. Możemy wtedy postawić hipotezę, że coś jest nie tak z samymi nasionami. Być może nie rozwinęły się prawidłowo, zepsuły się lub mają wadliwe geny, co oznacza, że nie mogą kiełkować. Aby sprawdzić hipotezę o genach, musielibyśmy przenieść się z pola i szklarni do laboratorium. Używalibyśmy mikroskopów, wagi, spektrometrów masowych, urządzeń do sekwencjonowania genów, a nawet inżynierii genetycznej w celu porównania morfologii, metabolizmu i kodu genetycznego nasion przed zasadzeniem ich w idealnym środowisku, a następnie przyglądalibyśmy się, które zakiełkują, a które nie.

W ramach doktoratu przeprowadziłem eksperymenty, które polegały na wyeliminowaniu saren z części lasu, aby zbadać, jak wpływają na przeżywalność nasion i sadzonek. Zrobiłem to poprzez ogrodzenie określonych obszarów. Następnie wybrałem nieogrodzone obszary tej samej wielkości, do których sarny miały swobodny dostęp. Potem zasadziłem nasiona i sadzonki na każdym obszarze. Dołożyłem starań, by obszary ogrodzone i nieogrodzone były jak najbardziej podobne do siebie - jedyną różnicę stanowiła obecność lub nieobecność saren. Kosą usunąłem podszycie leśne na wszystkich obszarach. W pewnym momencie dopadła mnie lekka nuda, więc aby ją odpędzić, zacząłem wymachiwać kosą, mówiąc: "Jestem Ponurym Żniwiarzem". Akurat w tym momencie ukazała się kobieta spacerująca z psem. Zobaczyła, jak się miotam, i szybko się oddaliła. Mój teren znajdował się w pobliżu szpitala psychiatrycznego o zaostrzonym rygorze, w którym leczono niepoczytalnych przestępców, pośpiesznie więc się ulotniłem na wypadek, gdyby spacerowiczka zgłosiła na policji, że groźny pacjent uciekł z wariatkowa. Ech, przynajmniej nie nosiłem już trencza i zielonego kapelusza trilby. Pomimo sporej czkawki eksperyment się powiódł i w następnej kolejności oszacowałem, że sarny wpływają istotnie na przeżywalność nasion i sadzonek kilku gatunków drzew w miejscu moich badań.

Pod koniec swoich badań terenowych przyczyniłem się do lepszego zrozumienia, gdzie i dlaczego drzewa mogą z powodzeniem rosnąć. Był to pożyteczny krok naprzód, ale nie rozwiązał problemu zawartego w drugim z zadanych wcześniej pytań: Dlaczego drzewo, na które patrzę, to przedstawiciel jednego gatunku, a nie innego? Dlaczego drzewem, na które gapiłem się lata temu, była brzoza brodawkowata, a nie lodoicja seszelska? Aby odpowiedzieć na to pytanie, musimy opracować nowy zestaw hipotez.

Hipotezy mogą uwzględniać to, czy określone warunki środowiskowe sprzyjają nasionom niektórych gatunków drzew kosztem innych lub czy bliskość potencjalnych drzew matecznych i zwykłe szczęście powodują, że nasiona określonego gatunku docierają do określonego miejsca akurat w czasie, który okazuje się odpowiedni dla kiełkowania i rozwoju. Być może nasiona brzozy brodawkowatej potrzebują innej ilości światła, wody i składników odżywczych do zakiełkowania i wzrostu niż nasiona lodoicji seszelskiej. To może skłonić do zastanowienia, dlaczego różne gatunki mają nasiona tak różne pod względem wielkości i kształtu oraz czy wielkość i kształt nasion umożliwiają niektórym gatunkom rozwój w niektórych środowiskach, a w innych nie. Naukowcy zajęli się tymi problemami i dzięki zastosowaniu metody naukowej zdołali wyjaśnić, dlaczego pewien gatunek ma szczególnie duże nasiona.

Lodoicja seszelska to gatunek palmy występujący tylko na dwóch wyspach archipelagu Seszeli. Rodzi największe nasiona spośród wszystkich roślin. Stawanie pod takim drzewem, gdy kokosy są dojrzałe, to czysta głupota. Każdy może ważyć do 20 kilogramów i mieć średnicę 30 centymetrów. Bezpośrednie uderzenie w głowę grozi śmiercią. W przeciwieństwie do tego zapewne nie zauważylibyśmy, gdyby nasionko brzozy brodawkowatej spadło nam na głowę. Takie nasiono ma średnicę od 1 do 2 milimetrów i waży ułamek grama. W przeciwieństwie do kokosa lodoicji seszelskiej brzoza brodawkowata to drzewo, które podbiło większy obszar od dwóch wysp - występuje w dużej części Europy i Azji. Biolodzy nie poświęcili zbyt wiele uwagi drobnym nasionom brzozy brodawkowatej, natomiast intrygowała ich wielkość nasion lodoicji, więc teraz wiemy już, dlaczego rosną aż tak duże.

Najwcześniejsze palmy wyewoluowały 80 milionów lat temu, około 14 milionów lat przed wyginięciem dinozaurów. Od czasu pojawienia się palm gatunek lodoicji seszelskiej ewoluował, aby rozwijać się w glebach słabej jakości, w których występuje niedobór minerałów i składników odżywczych. Gatunek ten wykształcił cechy charakterystyczne, dzięki którym stał się specjalistą w radzeniu sobie w trudnych warunkach, zwykle skazujących przedstawicieli innych gatunków na przedwczesny koniec. Kosztem możliwości życia w niesprzyjających środowiskach jest to, że w żyznych glebach to inne gatunki radzą sobie lepiej niż lodoicja seszelska. Jakie zatem właściwości ma lodoicja, że stała się specjalistką od przetrwania w środowiskach ubogich w składniki odżywcze?

Ewolucja ukształtowała liście lodoicji seszelskiej w taki sposób, by działały jak rynny, kierując wodę w pobliże pnia. Padający deszcz zmywa ptasie odchody, pyłki i inne zanieczyszczenia, które osadziły się na liściach. Deszcz, teraz pełny cennych składników odżywczych i minerałów zmytych z liści, kierowany jest do gleby w pobliżu pnia. Minerały i składniki odżywcze wsiąkają w glebę i są wchłaniane przez korzenie drzewa, po czym wykorzystywane do rozwoju nowych gałęzi, liści, owoców lub kolejnych korzeni. Lodoicja seszelska wykształciła liście o unikatowym kształcie, aby wychwytywać składniki odżywcze i minerały będące rzadkością w środowisku, w którym żyje.

Lodoicja wykazuje się również niezwykłą skutecznością w pozyskiwaniu składników odżywczych ze starych liści przed ich zrzuceniem. Żaden inny zbadany gatunek roślin nie potrafi tak świetnie wykorzystywać ponownie składników odżywczych. Środowisko lodoicji seszelskiej jest na tyle niegościnne, że wszystkie zasoby trafiają z powrotem do obiegu, jeśli to tylko możliwe. Nic nie powinno się marnować. Lecz to wciąż nie wyjaśnia, dlaczego nasiona są tak duże.

Lodoicja te cenne zasoby przechowuje w ogromnych orzechach, potrzebujących niekiedy aż czterech lat, by urosnąć, i dwóch lat, aby wykiełkować po spadnięciu na ziemię. Drzewo wykształciło tak duże orzechy, wypełnione składnikami odżywczymi, aby zapewnić kiełkującym sadzonkom świetny start w życiu. Sadzonki lodoicji są tak dobrze zaopatrzone przez własne nasiona, że mogą szybko urosnąć do odpowiedniej wielkości, by przechwytywać rzadkie minerały i składniki odżywcze za pomocą liści przypominających rynny. Zaczynają życie z wrodzoną przewagą nad gatunkami o mniejszych nasionach, które nie mogą urosnąć aż do tej wielkości dzięki substancjom odżywczym z drzew matecznych.

Duże nasiona spadają blisko drzewa matecznego, a to oznacza, że w przypadku lodoicji seszelskiej większość nasion kiełkuje w cieniu "rodzica". Naprawdę niezwykłe jest to, że lodoicja seszelska to jedyna znana nam roślina, która "troszczy się o swoje młode". Robi to wiele gatunków zwierząt, ale tylko jeden gatunek roślin, jak się wydaje. Eksperymenty wykazały, że nasiona, które spadają bezpośrednio pod drzewo mateczne, rosną szybciej niż te, które wylądowały dalej. Częściowo wynika to z faktu, że rynnowe liście drzewa matecznego kierujące wodę i detrytus w pobliżu pnia zapewniają również korzyści pobliskiemu "potomstwu". Nie jest to jednak cała historia. Wiele drzew aktywnie wytwarza substancje chemiczne, aby powstrzymać nasiona własnego gatunku od kiełkowania pod ich koroną i w ten sposób zmniejszyć konkurencję. Lodoicja tego nie robi - odwrotnie, drzewo mateczne zapewnia odpowiednie środowisko, które aktywnie pomaga jego "potomstwu".

Zamiast rodzić tylko jedno lub kilka nasion każdego roku, jak lodoicja seszelska, brzoza brodawkowata rodzi setki tysięcy nasion rocznie. Te drobne nasionka mają małe skrzydełka, dzięki czemu mogą być niesione przez wiatr przez wiele kilometrów. Nasiona brzozy brodawkowatej rzadko radzą sobie dobrze wśród gęstych koron drzew; o wiele lepiej rozwijają się w otwartym środowisku z niewielką konkurencją. Oznacza to, że niewiele z nich dociera do miejsc, gdzie występują odpowiednie warunki do kiełkowania. Styl życia brzozy brodawkowatej jest zatem bardzo odmienny od lodoicji seszelskiej. To drzewo rodzi miliony nasion i prawie wszystkie spotka wczesny koniec, podczas gdy lodoicja rodzi bardzo niewiele nasion w ciągu swojego życia, ale każde ma sporą szansę na przetrwanie i przemianę w drzewo. Botanicy wykorzystali metodę naukową - obserwacja, hipoteza, eksperyment i powtórzenie - aby dogłębnie zrozumieć, dlaczego poszczególne gatunki są takie, jakie są, i dlaczego mają określone cechy, które pozwalają im zaadaptować się w danym środowisku.

Być może nigdy nie zastanawiałeś się, dlaczego konkretne drzewo rośnie tam, gdzie rośnie, lecz gdyby ktoś poprosił cię o wyjaśnienie tego, prawdopodobnie wysunąłbyś hipotezę mówiącą, jak nasiona znalazły się w tym miejscu, dlaczego wykiełkowały i wyrosło z nich drzewo. Byłoby tak, ponieważ w głębi serca wszyscy jesteśmy naukowcami. Wszyscy konstruujemy hipotezy, aby wyjaśnić aspekty otaczającego nas świata. Hipotezy te mogą obejmować sprawy tak błahe jak to, dlaczego ktoś zaczepił nas na ulicy dzisiejszego ranka, aż po coś tak doniosłego jak dociekanie sensu życia. Często pojawią się konkurujące ze sobą hipotezy, aby wyjaśnić konkretną obserwację. Nie wiem, dlaczego mój pies Woofler zwymiotował na dywan - może to być spowodowane tym, że podczas wieczornego spaceru zjadł śmierdzącego kebaba wyrzuconego w parku. Albo dlatego, że dwa dni wcześniej został zaszczepiony przeciwko wściekliźnie.

Stawianie hipotez jest drugim krokiem w procesie metody naukowej, tuż po dokonaniu obserwacji. Następny krok to zbieranie informacji w celu sprawdzenia hipotezy. Jak to robimy? Co jest dobrym dowodem, a co nie? Ile dowodów wystarczy? Metoda naukowa to coś więcej niż obserwacje, hipotezy i eksperymenty. Obejmuje również świadomość, że obserwacje lub wyniki eksperymentalne są powtarzalne, nie przypadkowe. W jaki sposób naukowiec waży dowody i decyduje, czy hipoteza jest uzasadniona, czy nie?

***

Odważne twierdzenia wymagają silnego poparcia w faktach - jeśli ogłaszamy, że mamy lek na raka, musimy to zademonstrować w sposób, który przekona innych naukowców. Część metody naukowej to umiejętność przedstawienia dowodów na poparcie swoich wniosków - aby inni mogli powtórzyć nasze dociekania i uzyskać te same wyniki. Co z tego, że postawimy hipotezę i obmyślimy eksperyment, aby ją sprawdzić, skoro przekonamy się, że zebrane dane nie wystarczają do przekonującego jej potwierdzenia? Przyjrzyjmy się trzem gatunkom istot podobnych do człowieka jako przykładom różnych rodzajów dowodzenia słuszności naszych twierdzeń.

Skrzaty to nadprzyrodzone ludziki pochodzące z baśni. Są niskie i - przynajmniej osobniki płci męskiej - przedstawiane często jako brodate stworzonka ubrane na czerwono. Mógłbym powiedzieć, i to przekonującym tonem, że w moim ogrodzie mieszka skrzat, lecz dopóki nie przedłożę dowodów na poparcie swoich słów, lepiej mi nie wierzyć. Same słowa to jeszcze nie dowód. Jakich dowodów byś chciał? Najlepiej byłoby napotkać skrzata osobiście lub zobaczyć jego zwłoki, jeśli odszedł z tego świata. Być może przyjąłbyś jako dowód nieretuszowane zdjęcia wysokiej jakości lub próbkę genetyczną tego gatunku istot. W każdym razie nie należy brać mych słów za dobrą monetę bez względu na to, jak przekonująco brzmią. Wielką moc nauki stanowi opieranie się na dowodach, a dowody należy przedłożyć, by poprzeć lub obalić daną hipotezę. Gdy hipoteza zostaje potwierdzona w ramach wielu eksperymentów, staje się faktem. Dla porządku: nie mam żadnych dowodów na to, że w moim ogrodzie mieszka skrzat. Nie mieszka. Ale to żadna niespodzianka, bo jak tak mała istotka mogłaby przeżyć stratowanie przez stado jednorożców?

Prawdopodobnie pomyślałbyś, że wszelkie twierdzenia o skrzatach, które wygłosiłem, są mocno naciągane, ale czy słyszałeś o Orang-pendeku? Co jakiś czas ktoś donosi, że natrafił na świadectwa istnienia nieznanego gatunku istot podobnych do człowieka. Ktoś powraca z wyprawy z "dowodami" na istnienie yeti, Wielkiej Stopy lub Orang-pendeka: dwunożnego małpoluda, który rzekomo żyje w odległych górskich lasach Sumatry. Zawsze odbywa się to według tego samego scenariusza: poszukiwacz przygód wraca z wyprawy i przedstawia zgromadzone dowody na istnienie nieznanego gatunku istot, czy będzie to Wielka Stopa, małposkunks czy batutut, a media dostają obłędu. Lecz zainteresowanie szybko mija i media skupiają się zaraz na skandalu wywołanym przez tego polityka lub tamtego celebrytę - na czymkolwiek, co pochłonie uwagę odbiorców programów informacyjnych. Gdy kurz opadnie, stopniowo staje się jasne, że dowody świadczące o istnieniu nieznanego gatunku są słabe: niewyraźne zdjęcie mogące przedstawiać prawie wszystko, mało przekonujący gipsowy odlew śladu stopy, rzekomy włos z ciała bestii, nieweryfikowalne relacje członków miejscowej społeczności. W niektórych przypadkach włos zostaje zbadany przez genetyków i wtedy okazuje się, że pochodzi od krowy, kozy lub psa tudzież że w ogóle nie można wydobyć z niego żadnego DNA (kwas dezoksyrybonukleinowy, nośnik informacji genetycznej). Osoba, która zebrała te wątłe dowody, jest często przekonana o swojej racji, ale nie zawsze rozumie, że większość naukowców wymaga bardziej przekonujących świadectw - najlepszy byłby szkielet osobnika będącego przedstawicielem domniemanego gatunku.

Pewnego razu uczestniczyłem w wykładzie na temat Orang-pendeka w Instytucie Zoologii, ramieniu badawczym Londyńskiego Ogrodu Zoologicznego. Prelegent był przekonany o jednoznaczności prezentowanych przez siebie dowodów, publiczność - nie. W trakcie dyskusji, która wywiązała się po wykładzie, stało się jasne, że większość osób na widowni pragnęła, aby Orang-pendek istniał. Odkrycie nowej małpy człekokształtnej byłoby wielkim sukcesem zasługującym na gromkie brawa. Jednak wielu widzów uważało, że wyświetlane zdjęcia są zbyt rozmyte, aby mogły być uznane za dowód, i nie przywiązywało większej wagi do wywiadu z członkiem lokalnej społeczności, którego rewelacje przedstawiono jako dowód na istnienie Orang-pendeka. Prelegent był najwyraźniej ekspertem w dziedzinie tamtejszej fauny i flory, ponieważ spędził wiele lat w dżungli. A jednak nie potrafił odnaleźć miejsca, w którym jakoby pochował martwego Orang-pendeka, a jego oświadczenie, że istota ta potrafi przekręcać stopy tyłem do przodu w celu zmylenia tropicieli, brzmiało niewiarygodnie, albowiem żadna inna małpa, a właściwie żaden gatunek zwierząt, tego nie potrafi. Taka cecha byłaby osobliwością ewolucyjną, gdyż ograniczałaby zdolność do rodzenia potomstwa - która jest napędem ewolucji - w porównaniu z gatunkami o stabilnym stawie skokowym. Jeden ze słuchaczy uznał, że twierdzenie prelegenta o byciu gołębiem w poprzednim życiu jest bardziej wiarygodne niż doniesienie o obrotowej stopie. Życzyliśmy badaczowi powodzenia w zgromadzeniu większej ilości danych, wyjaśniając zarazem, że nie zdołał nas przekonać, i wyliczając, co musiałby zrobić, aby to zmienić. Wciąż mam nadzieję, że pewnego dnia usłyszę o odnalezieniu nieznanego gatunku małpy człekokształtnej w ostępach Sumatry, ale nie mogę stwierdzić, że nie sypiam z tego powodu. Chciałbym również dowiedzieć się, że yeti istotnie żyje w odległych częściach naszej planety, ale znowu, uznaję to za mało prawdopodobne.

Nie zawsze potrzeba dużo materiału dowodowego, aby wykazać niezbicie, że istnieje określony gatunek istot. Skrzaty nie istnieją, Orang-pendek prawdopodobnie też nie istnieje, ale "kobieta X" istniała i pochodziła z grupy osobników zwanych denisowianami. Denisowianie byli pradawnym gatunkiem, podobnie jak neandertalczycy, ale żyli raczej w Azji Środkowej, nie w Europie, i byli blisko spokrewnieni z nami. Naukowcy nie odnaleźli wystarczającej ilości materiału, aby sklasyfikować denisowian jako nowy gatunek, mimo to ustalenia są niezwykłe. Większość tego, co wiemy, wynika z badań pojedynczej kości palca poddanej skomplikowanej analizie, która rzuciła wiele światła na dzieje naszego gatunku.

Historia rozpoczyna się w jaskini w paśmie górskim Ałtaj na Syberii. Jaskinia była w XVIII wieku domem rosyjskiego pustelnika o imieniu Dionizy. "Denis" to angielski odpowiednik "Dionizego", dlatego jaskinię nazwano Denisową. Dionizy nie był pierwszym człowiekiem, który korzystał z tej jaskini. Rosyjscy archeolodzy, którzy tam pracowali, znaleźli dowody na to, że jaskinię zamieszkiwali neandertalczycy, "kobieta X" i, najpóźniej, współcześni ludzie przez co najmniej 100 000 lat. Kobietę X zidentyfikowano na podstawie kości palca należącego do dziecka, które nie było ani neandertalczykiem, ani Homo sapiens - łacińska nazwa współczesnych ludzi. Ujawniła to nie budowa kości, lecz sekwencje DNA wyodrębnione z palca.

Dziewczyna, której była to kość, mieszkała w jaskini w okresie od 30 000 do 50 000 lat temu. Biolodzy nie potrafią jak dotąd stwierdzić, czy dziewczyna należy do innego gatunku niż my, czy też pochodzi z populacji podgatunku, a to oznacza, że istotom tym nie nadano jeszcze miejsca w systematyce. Biolodzy klasyfikują organizmy jako należące lub nienależące do określonego gatunku, ale zdefiniowanie gatunku może okazać się nie lada wyzwaniem, ponieważ osobniki tego samego gatunku mogą się znacznie różnić od siebie w zależności od populacji w jego obrębie. Na przykład tygrys bengalski (Panthera tigris tigris), tygrys sumatrzański (Panthera tigris sumatrae) i tygrys syberyjski (Panthera tigris altaica) różnią się nieco wyglądem, są genetycznie odmienne, a ich populacje ewoluowały z dala od siebie przez setki pokoleń. Niemniej jednak wszystkie są tygrysami, mogą łączyć się ze sobą w pary i rodzić zdrowe potomstwo. W związku z tym zostały opisane jako podgatunki. Kobieta X jest zwykle określana jako denisowianin, a gdybym miał decydować, sklasyfikowałbym denisowian, neandertalczyków i współczesnych ludzi jako podgatunki, nie zaś odrębne gatunki, co może irytować niektórych paleontologów.

Niewiele wiemy o życiu kobiety X, niemniej z kości jej palca pobrano sekwencje DNA przy użyciu najnowocześniejszych metod. Genom tej dziewczyny porównano z genomami współczesnych ludzi z całego świata, a także z neandertalczykami. Okazało się, że kobieta X nie była neandertalczykiem ani współczesnym człowiekiem. Być może jej śmierć nie stanowiła niezwykłego wydarzenia, chociaż nie mam wątpliwości, że opłakiwali ją najbliżsi. A przecież odnalezienie kości jej palca to zdumiewająca spuścizna: naukowcy muszą ponownie przyjrzeć się historii naszego gatunku.

Odkrycie denisowian wywołało wiele naukowych dyskusji, ale to nie pierwszy raz, kiedy świadectwa pozostałe po wymarłym podgatunku podobnym do nas wzbudziły duże zainteresowanie. W 1856 roku, trzy lata przed wydaniem przez Darwina O powstawaniu gatunków, w jaskini w niemieckim Neandertalu odkryto kości, które wyraźnie różniły się od kości współczesnych ludzi. Gdy o znalezisku doniosła lokalna gazeta w Elberfeld, wybuchła sensacja. W następnych latach rozmaici uczeni i badacze twierdzili kolejno, że kości pochodzą od rosyjskiego Kozaka, rdzennego Amerykanina, żołnierza z armii Attyli, mężczyzny, który cierpiał z powodu krzywicy, i członka wymarłego ludu prymitywnych wieśniaków, którzy zamieszkiwali Europę przed nastaniem współczesnych ludzi. William King opublikował w 1864 roku pracę, w której wskazywał na podobieństwa między skamieniałymi kośćmi a kośćmi małp człekokształtnych, takich jak szympansy i goryle, i zasugerował, że należą one do nieznanego gatunku, który nazwał Homo neanderthalensis. Naukowcy zaczęli powoli akceptować, że inny gatunek (lub podgatunek) podobny do człowieka żył dawniej w Europie. Uznano, że generalnie neandertalczycy byli brutalnymi, prymitywnymi dzikusami. Trzeba było prawie 150 lat, by naukowcy obalili ten pogląd.

Zanim uzyskaliśmy zdolność do sekwencjonowania niewielkich ilości DNA z zachowanych kości, obowiązujący pogląd na ewolucję człowieka głosił, że gatunek zwany Homo erectus wyewoluował w Afryce i rozprzestrzenił się po Europie i Azji dwa miliony lat temu. Odniósł zadziwiający sukces, przeobrażając się w neandertalczyków i różne inne gatunki, w tym drobnego Homo floresiensis, czyli "hobbita" z indonezyjskiej wyspy Flores. W Afryce potomkowie Homo erectus przekształcili się we współczesnego człowieka około 300 000 lat temu. Pierwsi Homo sapiens wywędrowali z Afryki 125 000 lat później, ale dotarli jedynie na Półwysep Arabski, do Syrii i Turcji. Nie udało im się wykształcić stałych populacji poza Afryką i w konsekwencji wymarli. Ale 60 000 lat później nastąpiła druga migracja z Afryki. Nowi przedstawiciele Homo sapiens odnieśli większy sukces, docierając do Azji Południowej w okresie od 50 000 do 60 000 lat temu, wreszcie do Australii kilka tysięcy lat później. Europa została pomyślnie skolonizowana mniej więcej 40 000 lat temu. Ameryka później, w okresie od 25 000 do 16 500 lat temu. W miarę jak Homo sapiens rozprzestrzeniał się na całym świecie, prześcignął bardziej prymitywne gatunki homininów, które wyewoluowały z Homo erectus, a neandertalczycy byli ostatnim, który wyginął, około 30 000 lat temu.

W połowie lat dziewięćdziesiątych rumieńców nabrała debata o tym, czy ludzie rozprzestrzeniający się z Afryki mieszali się z neandertalczykami, ale z powodu braku skamieniałości kopulujących par będących przedstawicielami obu podgatunków spekulacje te nie były poparte żadnymi dowodami. Pamiętam, że w 1994 roku mój kolega został zapytany podczas wywiadu telewizyjnego, czy nasi przodkowie kojarzyli się z neandertalczykami. Wyjaśnił, że nie ma na to dowodów, i dodał, że jego zdaniem tak nie było. Kilka dni później otrzymał list od widza, który napisał: "Neandertalczycy i współcześni ludzie rozmnażali się razem i mam na to dowody. W załączeniu przesyłam zdjęcie mojej partnerki". Zabawna anegdota, owszem, ale biorąc pod uwagę, że neandertalczycy wymarli wiele tysiącleci temu, w latach dziewięćdziesiątych wydawało się, że nigdy się nie dowiemy, czy dochodziło do krzyżówek. To niezwykłe, jak w ciągu ostatnich trzech dekad genetyka pchnęła do przodu badania nad ewolucją człowieka.

Odkrycie kości palca kobiety X wraz ze znaleziskami dobrze zachowanych szczątków neandertalczyków i w połączeniu z istotnym postępem technicznym w ekstrakcji DNA z pradawnych skamieniałości oraz w składaniu sekwencji genomów z fragmentów pozwoliły biologom zbadać kwestię krzyżowania się neandertalczyków, Homo sapiens i denisowian w naukowo rygorystyczny sposób. Lecz dociekania te należało przeprowadzić niezwykle ostrożnie.

Z biegiem czasu DNA w martwym ciele ulega degradacji, bo pękają wiązania między atomami, z których kwas jest zbudowany. Tempo rozkładu zależy od środowiska. Od czasu śmierci kobiety X średnia temperatura w Denisowej Jaskini oscylowała w okolicy zera stopni Celsjusza, a względnie suche powietrze oznaczało, że część DNA przetrwała. Dlatego naukowcy zdołali wyodrębnić niewielkie ilości DNA z kości palca. Dokonując tego, musieli uważać, żeby paliczek nie został zanieczyszczony przez DNA innych osób, w tym Dionizego i naukowców, którzy kość odkryli. Musieli również uzyskać pewność, że wyodrębniony DNA należał do osobnika blisko spokrewnionego z ludźmi, a nie do jakiegoś zwierzęcia lub bakterii, które mogły przebywać w jaskini. Zachowując surowe procedury, aby mieć stuprocentową gwarancję, że DNA nie został zanieczyszczony, grupa biologów w Niemczech zdołała odczytać, inaczej zsekwencjonować, DNA kobiety X. Następnie porównali jej DNA z DNA wielu współcześnie żyjących ludzi z różnych części świata i z DNA uzyskanym z kości i zębów neandertalczyków.

Materiał użyty na początku analizy pochodził z pojedynczej kości palca, a jednak dostarczył wielu danych. DNA składa się z łańcuchów cząsteczek zwanych zasadami azotowymi, które występują w czterech odmianach: adenina, guanina, cytozyna i tymina, inaczej A, G, C i T. Kolejność zasad azotowych w nici DNA nazywana jest sekwencją DNA, przy czym AACACTGT to sekwencja inna od ATTAGAGC. Twój genom składa się z około 3 miliardów zasad azotowych połączonych ze sobą w 46 różnych łańcuchach, a każdy łańcuch określa się jako chromosom. Genom kobiety X został początkowo zsekwencjonowany do głębokości 1,9 raza, co oznacza, że średnio każdą zasadę azotową w każdym chromosomie odczytano niespełna dwukrotnie. Każda pojedyncza A, G, C lub T w obrębie łańcucha była rejestrowana przez urządzenie zaprojektowane do odczytywania ciągów zasad azotowych. W przypadku każdej zasady azotowej istniała możliwość pominięcia lub kilkakrotnego odczytania, ale średnia liczba odczytań każdej wynosiła 1,9. Moment, po co odczytywać każdą zasadę azotową więcej niż raz?

Przy pracy nad ustalaniem genomu nie jest obecnie możliwe odczytanie za jednym razem kolejności zasad azotowych w całym chromosomie. Powodem jest to, że sekwencjonowanie obejmuje pobieranie próbki DNA z wielu komórek, co skutkuje fragmentaryzacją każdego chromosomu. Wiele z nich jest krótkich, składa się zaledwie z kilkudziesięciu zasad azotowych. Sekwencjonowanie genetyczne polega na odczytywaniu kolejności zasad w bardzo wielu fragmentach DNA, a następnie użyciu algorytmów komputerowych do ich połączenia.

Im więcej razy każda zasada azotowa zostanie odczytana pospołu z sąsiednimi w różnych fragmentach DNA, tym większa pewność, że sekwencja genowa chromosomu będzie prawidłowo złożona z różnych fragmentów. Można się zastanawiać, dlaczego to tak skomplikowane. Wyobraźmy sobie bardzo krótką sekwencję złożoną z ACAGTCAGA, która dzieli się na dwa fragmenty: ACAG i TCAGA. W jaki sposób należy je połączyć? Najpierw ACAG, następnie TCAGA czy może TCAGA najpierw, a ACAG potem? Sprawa jest jeszcze bardziej złożona, gdyż nie wiemy, czy każdy fragment reprezentuje DNA w kodzie genetycznym od lewej do prawej, czy od prawej do lewej. Czy powinniśmy mieć ACAG, czy GACA? Uzyskawszy głębokość 1,9, niełatwo połączyć cały genom z przekonaniem, że zrobiliśmy to właściwie. W dzisiejszych czasach nie jest niczym niezwykłym sekwencjonowanie genomów do głębokości 30 razy - w istocie w pracach nad genomem kobiety X podjętych pięć lat po pierwszym badaniu osiągnięto zbliżony wynik.

Oto analogia pomagająca zrozumieć sekwencjonowanie genomu: wyobraźmy sobie, że mamy wiele egzemplarzy tej książki, następnie drzemy wszystkie na strzępy, aż robi się mnóstwo fragmentów po kilka słów, i wreszcie próbujemy ponownie złożyć z nich cały tekst. W przypadku sekwencji genetycznych jest o wiele trudniej, bo występują tylko cztery litery, a nie trzydzieści dwie, nie ma spacji i - w przeciwieństwie do słów - nie wiemy, czy dany fragment czytać od lewej do prawej, czy odwrotnie. Ponadto w tej książce zawiera się niecały milion znaków, podczas gdy genomy człowieka i jego przodków są znacznie dłuższe. Konstruowanie sekwencji genetycznych to ciężki kawałek chleba.

Wielkość genomu neandertalczyków, ludzi i denisowian to około 3 miliardów par zasad azotowych. Naukowcy, którzy opracowali genotyp kobiety X, porównali sekwencje genomu denisowianina, neandertalczyka, dwunastu ludzi z różnych części świata i szympansa. To ogromna ilość danych: około 45 miliardów zasad azotowych. Dzięki tym porównaniom ujawniono fragmenty DNA denisowian u współczesnych ludzi żyjących w niektórych częściach Azji Południowej i Oceanii, podczas gdy fragmenty DNA neandertalczyków znaleziono we współczesnych populacjach euroazjatyckich.

Jakie dowody byłyby bardziej przekonujące, gdybyśmy rozważali, czy istniały lub istnieją gatunki podobne do ludzi? Moje zapewnienia o skrzatach mieszkających w moim ogrodzie, zamazane zdjęcie i twierdzenia o istnieniu Orang-pendeka ze strony faceta, który w poprzednim wcieleniu był gołębiem, czy może 45 miliardów zasad azotowych, kilka niezwykle starannych sekwencjonowań genomu i analizy statystyczne kobiety X? Nauka opiera się na dowodach, a dowody, że nasi przodkowie łączyli się z neandertalczykami i denisowianami, są niezwykle przekonujące. Pomimo to znajdzie się niekiedy naukowiec, który próbuje wskazać na inne procesy, takie jak tendencyjne wzorce w wyniku błędów w replikacji genetycznej (mutacje DNA), co może tworzyć te same wzorce w danych, ale niewiele osób uznaje te wyjaśnienia za przekonujące. Lecz stawianie alternatywnych hipotez jest ważne. Nauka polega na formułowaniu i sprawdzaniu hipotez, aby wskazać te, które pozwalają zaobserwować prawidłowość.

Nie tylko historia gatunku ludzkiego skorzystała z postępu technicznego, dzięki któremu można uzyskiwać ogromne ilości danych. Zderzenia cząstek, do których dochodzi w Wielkim Zderzaczu Hadronów, obfitują w tak wiele danych na temat cząstek elementarnych, stanowiących budulec wszechświata, że przechowywany jest tylko ułamek tych danych - ułamek, który wygląda obiecująco, bo może doprowadzić do nowych ekscytujących ustaleń naukowych - reszta zaś zostaje pominięta. Teleskopy kosmiczne, takie jak niedawno uruchomiony Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, również wytwarzają ogromne ilości danych. Orbitujący teleskop wysyła z powrotem na Ziemię dużą liczbę zdjęć wysokiej jakości przedstawiających galaktyki położone miliardy lat świetlnych i biliony kilometrów stąd. Ty też tworzysz wiele danych, bo twój telefon komórkowy komunikuje się z masztami telekomunikacyjnymi i rejestruje kroki na spacerze lub liczbę pokonanych schodów. Twoje posty w mediach społecznościowych oraz inne wpisy, które przeglądasz, to całe sieci rozmaitych punktów widzenia. Transakcje dokonywane za pomocą kart kredytowych i debetowych także tworzą dane. Szacuje się, że ludzkość wytwarza 1,145 biliona megabajtów danych każdego dnia. Aby dać ci wyobrażenie, jak wiele to informacji: zapisanie około 130 000 słów, które składają się na tę książkę, zajmuje mniej niż pół megabajta.

Tendencja do gromadzenia coraz większej ilości danych będzie prawdopodobnie rosła - ludzkość podwaja ich ilość co półtora roku, najwyżej co dwa lata. W 1945 roku podwojenie ilości zajmowało dwadzieścia pięć lat. Nikt nie jest w stanie śledzić wszystkich nowych danych, a przeanalizowanie choćby części stanowi wyzwanie, którego podjęła się nowa dziedzina nauki: danologia. Jeśli potrafisz przetwarzać i analizować dane, jesteś pracownikiem poszukiwanym w tak różnorodnych branżach jak bankowość, polityka i hazard. W miarę jak zwiększa się arsenał sprzętu dostępnego dla naukowców do dokonywania coraz dokładniejszych obserwacji, podobnie wzrasta tempo gromadzenia danych. I prawdopodobnie także ludzka wiedza.

Aby zbierać dane, trzeba poddać coś obserwacji i pomiarom - bez względu na to, czy materiałem jest sekwencja DNA, pozostałości cząstek zderzających się w Wielkim Zderzaczu Hadronów, czy skamieniałe szczątki T. rexa sprzed 125 milionów lat. Więcej jest współczesnych zjawisk do mierzenia niż obiektów z przeszłości. Wiemy znacznie więcej o życiu Talesa z Miletu niż kobiety X, częściowo dlatego, że ona żyła tysiące lat przed narodzinami greckiego myśliciela. Przyszła na świat przed powstaniem pierwszych miast, zanim wynaleziono pismo i zaczęto prowadzić zapisy. Niemniej szczegółowe analizy informacji zapisanych w jej DNA ukazały nam części historii rodzaju ludzkiego. Dzięki naszej zdolności do pobrania próbek genetycznych z palca kobiety X i rozumieniu ogólnych zasad funkcjonowania genetyki byliśmy w stanie poskładać w całość obraz tego, jak ewoluowali ludzie. Chociaż hipotezy, które podlegają weryfikacji, są znacznie bardziej złożone niż te dotyczące występowania określonego gatunku drzewa w określonej lokalizacji, wszystkie one opierają się na metodzie naukowej. Dlatego właśnie metoda naukowa jest największym osiągnięciem ludzkości. Pomaga nam odpowiedzieć na pytania dotyczące nie tylko naszych dziejów czy występowania i adaptacji gatunków roślin, ale także historii wszechświata.

Przekonująca obserwacja jest warunkiem rzetelnej nauki, a my umiemy prowadzić precyzyjne i zróżnicowane obserwacje. Na tym jednak nie koniec. Wszystkie dane stanowią wyzwania. Analiza danych może wymagać nie tylko wielkiej mocy obliczeniowej, ale także odpowiedzi na pytania, jak silna musi być prawidłowość, byśmy nabrali przekonania, że nie jest przypadkowa lub że nie wzbudza żadnych wątpliwości?

Wśród moich studentów aż 61,4 procent nie lubi statystyki. Przekonanie większości ludzi, że statystyka to frajda i dziedzina bardzo pożyteczna, okazuje się zadaniem karkołomnym. A przecież analiza statystyczna to jeden z fundamentów współczesnej nauki. Celem statystyk jest osiągnięcie określonego stopnia pewności, że prawidłowość zaobserwowana w danych jest rzeczywista.

Wyobraź sobie, że masz dużą torbę słodyczy. Wkładasz rękę i wyjmujesz jeden cukierek. Jest czerwony. Czy to oznacza, że wszystkie pozostałe słodycze w torbie są czerwone? Intuicja podpowiada, że nie można przyjąć takiego wniosku tylko dlatego, że zobaczyliśmy - lub poddaliśmy próbkowaniu, jak powiedzieliby statystycy - jeden cukierek spośród być może kilkuset. Jeśli wyciągniemy dwa cukierki z torby i okaże się, że oba są czerwone, być może nabierzemy większej pewności, że w torbie znajdują się tylko słodycze czerwone. Nasza pewność jeszcze by wzrosła, gdybyśmy wyjęli pięćdziesiąt cukierków i wszystkie okazałyby się czerwone, ale przecież nadal nie mielibyśmy stuprocentowej gwarancji, że wszystkie cukierki w torbie mają czerwony kolor. Stuprocentową pewność zyskalibyśmy dopiero po wyjęciu wszystkich cukierków i zobaczeniu, że są czerwone. Statystyka daje nam określony stopień pewności co do prawidłowości obserwowanej w danych. W tym przypadku dane to liczba czerwonych cukierków wyciągniętych z torby, a prawidłowość polega na tym, że wszystkie mają kolor czerwony. Dążymy do powiedzenia czegoś w stylu "Jestem pewien w 85 procentach, że wszystkie słodycze są czerwone". Podobnie jak w głębi ducha wszyscy jesteśmy naukowcami, jesteśmy także statystykami. Nieustannie podejmujemy decyzje w oparciu o naszą pewność, że coś się wydarzy lub nie wydarzy. Kiedy pisałem tę książkę, uprawiałem swoisty hazard, licząc, że ktoś zechce ją wydać.

To biolog Ronald Fisher jest ojcem współczesnej statystyki. Urodził się w Anglii w 1890 roku, a zmarł w Australii w roku 1962, w wieku siedemdziesięciu dwóch lat. Lista narzędzi statystycznych opracowanych przez Fishera jest niezwykła i każdy, kto kiedykolwiek musiał wysiedzieć na lekcjach statystyki, może mu podziękować za wymyślenie takich rzeczy jak "maksymalne prawdopodobieństwo", "analiza wariancji" i "test F". Do dziś naucza się tego na studiach licencjackich na kierunkach ścisłych, medycznych i socjologicznych.

Odkąd Fisher położył podwaliny pod statystykę, dziedzina ta gwałtownie się rozwinęła. Obecnie mamy mnóstwo egzotycznie brzmiących metod statystycznych, w tym próbkowanie Monte Carlo łańcuchami Markowa ze skokiem odwracalnym, symulowane wyżarzanie i hierarchiczne modelowanie bayesowskie. Wszystkie te metody wywodzą się z fundamentalnego spostrzeżenia Fishera, że zmienność w obserwacjach dokonywanych przez naukowców można rozłożyć i przypisać różnym źródłom. Aby zilustrować tę logikę, wyobraźmy sobie, że zważyliśmy wszystkich mieszkańców sąsiedztwa. Różni ludzie będą mieli różną wagę, co oznacza, że istnieje zróżnicowanie wagi w obrębie populacji, z której zebrano dane. Metody statystyczne pozwolą wyjaśnić, skąd bierze się ta zmienność. Czy jest to wynik diety, miejsca urodzenia, genów, ilości ćwiczeń fizycznych, płci, wzrostu czy wieku? Fisher opracował metody szacowania, w jaki sposób czynniki takie przyczyniły się do zmienności danych, i przypisania uzyskanym wskaźnikom określonego stopnia pewności.

Zależnie od ilości zgromadzonych danych stopień pewności uznawany za akceptowalny może być różny. W fizyce wysokie prawdopodobieństwo nazywa się pięć sigma, co oznacza, że istnieje mniej więcej jedna szansa na milion, że wynik jest przypadkowy. W innych dziedzinach, w których występuje mniej danych, takich jak paleontologia, stopień pewności uważany za odpowiedni do uznania ustaleń za prawdopodobne, a nie spowodowane przypadkiem, to jeden na dwadzieścia.

Statystyka to sposób ustalania stopnia pewności co do wszelkich prawidłowości znalezionych w danych, a testy statystyczne mogą być stosowane zarówno do danych obserwacyjnych, jak i eksperymentalnych. Po wyodrębnieniu prawidłowości w danych obserwacyjnych następnym krokiem, jeśli to możliwe, będzie obmyślenie eksperymentu w celu zbadania, czy dany proces lub mechanizm, który według hipotezy tworzy daną prawidłowość, jest wiarygodny. Powracając do mojego wcześniejszego pytania: "Dlaczego to drzewo tam rośnie?", mógłbym zasadzić nasiona różnych drzew w różnych środowiskach glebowych i sprawdzić, co wykiełkuje. Dobry eksperyment obejmuje różne grupy eksperymentalne i grupę kontrolną. W tym przykładzie różne rodzaje nasion i różne rodzaje gleby byłyby grupami eksperymentalnymi, podczas gdy grupą kontrolną może być brak zasadzonych nasion lub nasiona bez gleby, a nawet bez jednego i drugiego, aby się przekonać, czy może dojść do spontanicznego powstawania form życia (nie może).

Dobry eksperyment obradza nowymi danymi służącymi do sprawdzenia hipotezy dotyczącej przyczyn prawidłowości zaobserwowanej w istniejących danych. Nowe dane można następnie poddać dalszej analizie statystycznej. Jeśli skutkiem eksperymentu jest poparcie hipotezy, kończymy go na etapie, kiedy zaobserwowaliśmy pewną prawidłowość w danych, postawiliśmy kilka hipotez dotyczących tego, co wytworzyło tę prawidłowość, i uzyskaliśmy dane z eksperymentów sprawdzających, która z hipotez jest wiarygodna. Jeśli hipoteza nie zyskuje potwierdzenia, jest to bardzo przydatna informacja, która może doprowadzić nas do opracowania nowego eksperymentu lub całego zestawu eksperymentów.

W niektórych przypadkach eksperymenty są po prostu niemożliwe. Na przykład nie umiemy odtworzyć warunków, jakie istniały przy narodzinach wszechświata, bo to przekracza nasze możliwości techniczne. W konsekwencji musimy polegać na obserwacjach odległych obiektów na nocnym niebie wykonanych przez teleskopy. Kiedy przeprowadzenie eksperymentu jest niemożliwe, najlepszym krokiem pozostaje stworzenie modelu matematycznego i sprawdzenie, czy generuje on prognozy, które są zbieżne z obserwacjami. Naukowcy zbudowali modele rozwoju wszechświata oraz badają wyniki każdego modelu, aby zobaczyć, które są najbardziej podobne do tego, co obserwujemy. Najpewniej to modele najlepiej odpowiadające rzeczywistości uchwycą procesy, które stworzyły zaobserwowane prawidłowości.

Matematyka jest językiem dokładnym i bezwzględnym. Językiem abstrakcyjnym, który opisuje, w jaki sposób różne rzeczy są ze sobą powiązane i jak zmieniają się one w czasie i w przestrzeni, a nawet w wymiarach abstrakcyjnych, których tak naprawdę nie jesteśmy w stanie sobie wyobrazić. Podobnie jak to się ma z wieloma ludzkimi przedsięwzięciami, takimi jak sport, muzyka, sztuka piękna lub nauka języków obcych, istnieje ogromne zróżnicowanie zdolności matematycznych pośród ludzi. Dla niektórych wszystko jest oczywiste, podczas gdy dla innych zawsze będzie to czarna magia, obojętne ile wysiłku włożą w opanowanie matematyki. Nie wszystkie nauki ścisłe wymagają użycia matematyki. Wielu znakomitych eksperymentatorów, pracowników terenowych i badaczy laboratoryjnych to genialni naukowcy, ale kiepscy lub mierni matematycy. Jeśli o mnie chodzi, matematykę opanowałem w stopniu przyzwoitym, choć orłem nie jestem, jestem natomiast beznadziejny w pracy w terenie. Na ogół staram się współpracować z ludźmi, którzy są ekspertami w dziedzinach dla mnie nieprzystępnych, a jedną z moich mocnych stron jest zdolność przyciągania ludzi o umiejętnościach, które się uzupełniają, abyśmy wspólnie mogli odpowiedzieć na interesujące nas pytania.

Istnieją modele matematyczne opisujące nie tylko rozwój wszechświata, ale także zachowanie układów gwiezdnych i galaktyk, reakcje chemiczne, zróżnicowanie form życia i funkcjonowanie ludzkiego mózgu. Nie przychodzi mi do głowy żaden aspekt nauki, który nie został ujęty jako model za pomocą równań. Podobnie jak istnieją różne gatunki muzyki i sztuki, istnieją różne gatunki modeli matematycznych. Niektóre modele są celowo uproszczone, aby można było zbadać, jak jeden proces może rodzić określoną prawidłowość, podczas gdy inne są bardzo skomplikowane, ukazując w czasie rzeczywistym precyzyjne opisy badanego systemu. Każdy rodzaj modelowania matematycznego jest w jakiś sposób użyteczny, a sztuka polega na tym, by wiedzieć, jakiego rodzaju model wykorzystać. Albert Einstein, jeden z największych uczonych wszech czasów, stwierdził, że "wszystko powinno być tak proste, jak to tylko możliwe, ale nie prostsze". Czasem rozumiano to jako stwierdzenie, że modele powinny być superproste, lecz nie jest to właściwa interpretacja. Niekiedy modele muszą być skomplikowane, aby osiągnąć swój cel. Wyobraźmy sobie na przykład, że opracowaliśmy skomplikowany model matematyczny, który doskonale przewiduje zachowania na rynku papierów wartościowych. Bylibyśmy niezwykle szczęśliwi. Jeśli każda próba uproszczenia tego modelu powodowałaby ograniczenie trafności prognoz, model nie służyłby już temu, do czego został obmyślony, i doszlibyśmy do wniosku, że pełna złożoność modelu jest niezbędna, aby umożliwił nam odejście na wcześniejszą emeryturę. Nie przejmowalibyśmy się zbytnio, gdybyśmy nie potrafili zrozumieć, dlaczego model okazał się skuteczny, po prostu bylibyśmy wniebowzięci, że spełnił swoją funkcję. W tym przypadku złożoność modelu jest na właściwym poziomie, ponieważ robi on to, do czego został obmyślony - pomnaża nasze pieniądze.

Modele są również niezwykle ważnym narzędziem w stawianiu nowych hipotez. Po skonstruowaniu modelu można go użyć do prognozowania, a prognozy te mogą czasami być sprawdzane za pomocą nowych obserwacji i eksperymentów. Model standardowy fizyki cząstek jest skomplikowanym równaniem, które opisuje działanie trzech z czterech oddziaływań podstawowych wszechświata: słabego i silnego jądrowego oraz elektromagnetycznego. Analiza modelu doprowadziła do postulowania cząstki zwanej bozonem Higgsa. Wielki Zderzacz Hadronów, czyli największa maszyna na świecie, został skonstruowany między innymi w celu poszukiwania tego bozonu. I proszę, udało się go znaleźć. Model matematyczny przewidział istnienie nieznanej cząstki elementarnej, a kiedy naukowcy się temu przyjrzeli, okazało się, że cząstka jest tam, gdzie przewidział model. To imponujący sukces modelu matematycznego na drodze do postawienia hipotezy, która znalazła potwierdzenie w eksperymencie.

Wielki Zderzacz Hadronów to spektakularne osiągnięcie. Jest świadectwem niezwykłego postępu technicznego, jakiego w ciągu ostatnich kilku stuleci dokonali naukowcy i inżynierowie. Teraz możemy wykonać nowe pomiary, które były nie do pomyślenia jeszcze dekadę temu, mało tego, możemy również mierzyć bardziej precyzyjnie, z mniejszym błędem niż kiedykolwiek wcześniej. Nauczyliśmy się również manipulować naturą na nowe sposoby, zmieniając wybrany jej aspekt, aby zobaczyć, jaki jest tego efekt.

Genetyka to jeden z tych obszarów, w którym nasza zdolność do rozumienia i zmieniania natury niepomiernie wzrosła. Kiedy studiowałem na uniwersytecie w późnych latach osiemdziesiątych, genetyka, którą się zajmowaliśmy, sprowadzała się prawie całkowicie do muszek owocowych, Drosophila melanogaster. Braliśmy muszki o różnych cechach, rozmnażaliśmy je, a następnie ocenialiśmy charakterystykę potomstwa. Cechami były na przykład kolor oczu lub liczba szczecinek na odnóżach. Nudna praca, ale potrafiliśmy wskazać wzorce dziedziczenia i ustalić, ile genów było w to zaangażowanych. Chociaż zawsze lubiłem statystykę i ewolucję, te zajęcia praktyczne okazały się dla mnie mało inspirujące. Niemniej czegoś się nauczyłem, a teraz prowadzę projekt, w którego ramach zdołaliśmy posunąć się znacznie dalej niż badanie muszek wyglądających prawie identycznie. To również projekt, w którym model matematyczny przyczynił się do istotnego pogłębienia naszej wiedzy.

Jednym z badanych przeze mnie systemów jest populacja wilka szarego w Parku Narodowym Yellowstone. To wspaniałe miejsce do pracy, a ponowna introdukcja tego gatunku okazała się jednym z największych sukcesów w dziedzinie ochrony przyrody, osiągniętym w dużej mierze dzięki niestrudzonym wysiłkom mojego przyjaciela i współpracownika Douga Smitha. Nie każdy lubi widywać wilki w swoim sąsiedztwie i choć dzięki nim zmniejszyła się nadmierna populacja łosi, wielu ludzi ma krytyczne zdanie o tych drapieżnikach. Na przykład biedni myśliwi muszą teraz wysiąść z samochodu, żeby upolować łosia - oto powód, by nie lubić wilków.

Chociaż zwyczajowa nazwa gatunku Canis lupis to wilk szary, osobniki mogą mieć sierść czarną lub szarą. Wariant genetyczny, który powoduje czarny kolor sierści, wyewoluował u psów domowych i przeniósł się na wilki, kiedy te kojarzyły się z psami wkrótce po przybyciu ludzi do Ameryki Północnej. Liczba czarnych wilków zaczęła wtedy rosnąć. Czarne wilki występują w całej Ameryce Północnej - ale ich populacja rośnie od dalekiego północnego wschodu w pobliżu Nowej Szkocji, gdzie nie występują w ogóle, w kierunku południowego zachodu aż po Meksyk, gdzie są zjawiskiem powszechnym. W pozostałych częściach świata czarne wilki nie występują lub występują skrajnie rzadko.

Gdybyśmy przeprowadzili z wilkami eksperymenty, jakie przeprowadzaliśmy z muszkami w szkole i na uniwersytecie, dowiedzielibyśmy się, że kolor sierści zależy od wariantu w jednym genie. Jeśli szary wilk kojarzy się z innym szarym wilkiem, ich potomstwo zawsze będzie miało szarą sierść. Jeśli czarny wilk łączy się z szarym wilkiem lub jeśli czarny wilk łączy się z innym czarnym wilkiem, młode mogą być czarne lub szare. Częstotliwość występowania czarnych i szarych wilcząt ujawnia, że na poziomie genu istnieją dwa warianty, inaczej allele - nazwijmy je Szarym i Czarnym lub S i C. Każdy wilk ma dwa allele. Jeśli oba są S, wilk ma szarą sierść, a jeśli oba są C, wilk jest czarny. Jeśli jeden to S, a drugi C, wówczas wilk jest również czarny. Mówi się, że allel C dominuje nad S. Naprawdę miałbym o wiele większą frajdę, gdybyśmy w szkole eksperymentowali z wilkami, zamiast użerać się z muszkami owocowymi, ale przepisy tego zabraniały.

Czarne wilki są powszechniejsze na obszarach zalesionych, postawiono więc hipotezę, że mają przewagę nad szarymi podczas łowów w lasach, albowiem lepiej się kamuflują wśród drzew. Przeprowadziliśmy analizy statystyczne wskaźników przeżywalności i reprodukcji wśród wilków z różnymi genami i znaleźliśmy coś intrygującego. Czarne wilki z jednym allelem C i jednym S - wilki CS - lepiej sobie radziły pod względem przetrwania i rozmnażania się niż wilki CC. Te czarne wilki CS okazywały się również nieco lepsze pod względem przetrwania od wilków SS. Ustalenia te nie oznaczały, że czarny kolor sierści daje przewagę na polowaniach w lasach, ale że warianty genetyczne w locusie, które sprawiają, że wilk jest czarny lub szary, decydują o czymś innym. Wniosek taki nasuwa się stąd, że choć wilki CC i wilki CS wyglądają identycznie, w chwili narodzin mają bardzo różną statystyczną długość życia. Gdyby posiadanie czarnej sierści przynosiło korzyść, to wilki CC powinny pod względem przetrwania radzić sobie równie dobrze jak wilki CS. Tymczasem wilki CC zwykle umierają młodo, a jeśli przeżyją dłużej, to rzadko się rozmnażają. Z kolei wilki CS rozwijają się znakomicie. Jeśli zaletą byłaby czarna sierść, to oba typy czarnych wilków powinny radzić sobie równie dobrze pod względem przetrwania i reprodukcji. Skoro tak nie jest, allele, które determinują kolor sierści, muszą decydować o czymś więcej niż tylko barwa.

Gen, który sprawia, że wilki są czarne lub szare, nazywa się CBD103 i wiemy, że u innych gatunków gen ten wiąże się z odpornością na choroby. Postawiliśmy więc nową hipotezę: wilki CS radzą sobie lepiej pod względem unikania lub zwalczania infekcji w porównaniu z wilkami CC lub SS. Co kilka lat wybucha w Yellowstone choroba zwana nosówką (ang. canine distemper virus - CDV). Wirus przypomina nieco odrę, atakuje wilki i inne drapieżniki. Postawiliśmy hipotezę, że w porównaniu z wilkami czarnymi CC i szarymi SS czarne wilki CS rzadziej umierają w latach, w których występują ogniska CDV. Analizy statystyczne potwierdziły tę hipotezę. Różnica w przeżywalności między CS a SS była znacznie mniej wyraźna w latach, w których CDV nie występował, natomiast wilki CC zawsze radzą sobie kiepsko.

CDV może zarażać wiele gatunków ssaków, w tym niedźwiedzie, szopy i skunksy. Choroba utrzymuje się na obszarach, na których występują rozmaite gatunki, które mogą być nią dotknięte. Gatunków tych jest więcej w kierunku południowo-zachodnim w obrębie występowania wilka, a mniej na północnym wschodzie. W konsekwencji obecność czarnych wilków była zdeterminowana przez obecność CDV, a obecność CDV była zdeterminowana przez liczbę gatunków, które mogły się nim zarazić na danym obszarze.

Chociaż było to bardzo ekscytujące, bo nasza hipoteza znalazła potwierdzenie, to jednak mogły istnieć inne wyjaśnienia zaobserwowanych prawidłowości. Z tego powodu niektórzy moi koledzy z Los Angeles pod kierunkiem niedawno zmarłego Boba Wayne'a zaprojektowali niezwykły eksperyment, który pokazuje, w jaki sposób technika zrewolucjonizowała badania nad dzikimi zwierzętami.

Aby badać wilki, musimy je znaleźć i w tym celu jednemu lub dwóm wilkom w watasze zakładamy obroże, które przesyłają sygnały radiowe. Taka obroża w żaden sposób nie rani wilka - przypomina grubą psią obrożę. Aby ją założyć, usypiamy wilka pociskiem ze środkiem nasennym. Dokonujemy oględzin śpiącego wilka pod kątem chorób, ważymy go, pobieramy próbkę krwi i wymaz z pyska. Komórki te są zamrażane, następnie transportowane do Los Angeles, gdzie moi koledzy hodują je w laboratorium. Każdy wilk, któremu założyliśmy obrożę, miał hodowlę swoich komórek policzkowych w laboratorium w Los Angeles. Stosując zaawansowaną metodę inżynierii genetycznej zwaną CRISPR, moi koledzy stworzyli trzy linie komórek policzkowych dla każdego wilka: jedną z genotypem CC w genie CBD103, drugą z genotypem CS, a trzecią z genotypem SS. Żadne inne geny nie zostały zmienione. Następnie kilka takich genetycznie zmodyfikowanych komórek wystawiono na działanie patogenów i zarejestrowano ich reakcję. Eksperymenty miały na celu sprawdzenie, czy to genotyp CS w genie CBD103 zapewnia wspomnianą przewagę, czy może inne geny. Wyniki ujawniły, że genotyp w CBD103 odgrywa ważną rolę w odporności, jednak wraz z wieloma innymi genami.

Chociaż technika modyfikacji genów jest niezwykła, a analizy statystyczne wykazały różne wskaźniki przetrwania między wilkami o różnych genotypach w latach występowania CDV i bez CDV, nie wiedzieliśmy, czy te różnice mają jakikolwiek realny wpływ na populację wilków. Wszystko musi kiedyś umrzeć, tak więc czy różne wskaźniki śmiertelności z powodu CDV wśród wilków o różnych genotypach mają jakiekolwiek znaczenie? Aby odnieść się do tego pytania, skonstruowaliśmy i przeanalizowaliśmy model matematyczny. Analiza naszego modelu doprowadziła nas do interesującej prognozy. Załóżmy na chwilę, że jesteś czarnym wilkiem żyjącym w Yellowstone, gdzie co kilka lat wybucha CDV. Najlepszą strategią przetrwania z perspektywy ewolucji byłoby maksymalizowanie liczby kopii własnych genów w przyszłych pokoleniach. W przypadku wilków optymalną strategią byłoby czarne potomstwo CS (pamiętajmy, że genotyp CS oznacza odporność na CDV). Jaki jest najlepszy sposób, aby to osiągnąć? Okazuje się, że jeśli jesteś czarnym wilkiem, powinieneś kojarzyć się z wilkiem szarym i odwrotnie. Niezależnie od tego, czy jesteś czarnym wilkiem CC, czy czarnym CS, największe szanse na potomstwo CS daje kojarzenie się z wilkiem przeciwnego koloru, a to samo dotyczy wilków szarych SS. Zatem pary wilków o różnym kolorze sierści powinny występować częściej niż pary wilków w tym samym kolorze. Przetestowaliśmy tę prognozę, sprawdzając, jak wilki łączą się w pary w Yellowstone, i odkryliśmy, że pary szaro-czarne występują częściej, niż można by oczekiwać, gdyby wilki kojarzyły się losowo. Czarny i szary wilk na ogół łączą się częściej w pary niż dwa czarne i dwa szare. Jednak nasz model przewidział również coś innego. Prognozowaliśmy, że w przypadku niewystępowania CDV zawsze byłoby lepiej mieć szare wilki SS. Jest tak dlatego, że szare wilki są ewolucyjnie lepiej przystosowane od czarnych na obszarach wolnych od występowania CDV. Szare wilki powinny łączyć się w pary z szarymi, a allel czarny, a więc także czarne wilki, powinien ostatecznie zniknąć z populacji. Przekonaliśmy się, że tak właśnie jest. Na obszarach Ameryki Północnej, gdzie ogniska wirusa CDV występują rzadko lub nie występują wcale, nie ma czarnych wilków!

Przewidywania naszego modelu nie były tak imponujące jak w przypadku modelu standardowego fizyki cząstek, który przewidział nieznaną cząstkę - znalezioną potem przez naukowców. Niemniej nasz model sformułował prognozy, które mogliśmy sprawdzić i w konsekwencji potwierdzić. Nasz model ukazuje, jak niezwykłą siłą jest ewolucja. Na obszarach, gdzie występuje CDV, wilki, które wykazywały skłonność do faworyzowania wilków innego koloru, miały większe szanse na posiadanie silnego potomstwa niż te, które wybierały partnerów tego samego koloru. Z biegiem czasu na obszarach, gdzie wybuchały ogniska CDV, pojawiła się coraz większa liczba wilków kojarzących się z osobnikami przeciwnego koloru, co spowodowało coraz częstsze występowanie czarnego wilka w Ameryce Północnej.

Postęp techniczny nie tylko zrewolucjonizował genetykę, ale także fizykę, chemię i informatykę. Możemy dziś obserwować galaktyki oddalone od nas o ponad 13 miliardów lat świetlnych, podobnie jak strukturę cząsteczek o średnicy kilku atomów. Możemy mierzyć bardzo słabe fale grawitacyjne spowodowane zderzeniem odległych czarnych dziur i za pomocą elektromagnesów możemy przyśpieszyć niektóre z elementarnych cząstek materii do 99,999999 procent prędkości światła. Sztuczna inteligencja potrafi wmówić nam, że komunikujemy się z drugim człowiekiem, a nie z komputerem, oraz napisać na zadowalającym poziomie pracę licencjacką. Nasza wędrówka techniczna rozpoczęła się wtedy, gdy nasi przodkowie po raz pierwszy odłupali kamień, aby uzyskać ostrą krawędź. Od tego czasu przeszliśmy długą drogę, a nasze najnowsze osiągnięcia techniczne budzą zarówno podziw, jak i niepokój.

Zdolność do modyfikowania genotypów w pojedynczych komórkach - jak to zrobiliśmy w przypadku wilków - to potencjalnie wielka szansa na leczenie wyniszczających chorób, o ile społeczeństwo zgodzi się na wykorzystywanie takich narzędzi. Badania moich kolegów z użyciem komórek pobranych od wilków pokazują, co leży w zasięgu naszych możliwości, a wyniki dowodzą, jak wiele można zdziałać. Musimy jednak podchodzić do takiej techniki z należnym respektem. Obecnie nie wiemy o ludzkim genomie dostatecznie dużo, aby poddać człowieka inżynierii genetycznej pod kątem odporności na choroby lub uzyskania określonych umiejętności tudzież uzdolnień, niemniej nasza wiedza w tym zakresie szybko rośnie, dlatego ważne jest, aby korzystanie z takiej techniki, nie wyłączając terapii genowej, było odpowiednio uregulowane przepisami. Podobne zastrzeżenia pojawiły się w związku z najnowszą generacją sztucznej inteligencji. ChatGPT jest bez wątpienia użytecznym narzędziem, ale musimy mieć pewność, że sięgamy po nie w dobrym celu.

Obserwacja opisuje prawidłowości, proces to prześledzenie, dlaczego prawidłowość występuje, a mechanizm wyjaśnia, w jaki sposób występuje proces. Na przykład obserwacja, że atomy wodoru i tlenu łączą się, tworząc cząsteczki wody, to prawidłowość; atomy zachowują się w ten sposób, bo atomy tlenu i wodoru mają przeciwne ładunki elektryczne, które się przyciągają, tworząc cząsteczkę; wiążą się, bo atomy mają wspólne cząstki zwane elektronami. Szczegółowe zrozumienie, dlaczego dana prawidłowość została zaobserwowana, wymaga znajomości zarówno procesu, jak i mechanizmu.

Niektóre mechanizmy są niezwykle skomplikowane, zwłaszcza te obecne w złożonych formach życia. Pojawienie się dwóch odrębnych linii, które ostatecznie doprowadziły do powstania szympansów i ludzi, wywodzących się od wspólnego przodka, który żył w okresie od 6 do 8 milionów lat temu, to prawidłowość; procesy, które spowodowały rozszczepienie na dwie linie, to ewolucja przez dobór naturalny; mechanizmy, które doprowadziły do wydzielenia się linii szympansów i ludzi, to błędy, inaczej mutacje, w kodzie genetycznym, który wpływa na to, jak rozwijają się jednostki każdego gatunku. Te dwie przeciwstawne trajektorie ewolucyjne obejmują włączanie i wyłączanie różnych genów w różnym czasie w rozwijającym się zarodku, wytwarzanie różnych białek w niektórych naszych komórkach, a białka te z kolei determinują, czy dorastamy, wyglądając jak człowiek, czy jak szympans. W tym przypadku prawidłowość została dobrze scharakteryzowana, proces jest dobrze zrozumiany, a mechanizmy rozwojowe zostały - częściowo, nie w całości - opisane. Szczegółowe opisy skomplikowanych mechanizmów same stają się bardzo skomplikowane, dlatego staram się unikać ich w tej książce. Skupiam się natomiast na procesach, które prowadzą od Wielkiego Wybuchu do ciebie i do mnie, a mechanizmy prezentuję tylko wtedy, gdy nie wymagają szczegółów technicznych.

Czasami, wraz z postępem nauki, może pojawić się wiele interpretacji zaobserwowanych prawidłowości. Kiedy tak się dzieje, część badaczy stara się zgromadzić więcej danych, które pozwoliłyby na poparcie jednej z konkurencyjnych hipotez i odrzucenie pozostałych, natomiast większość naukowców sięga po brzytwę Ockhama, aby zdecydować, za którą hipotezą należy się opowiedzieć. William Ockham był angielskim teologiem i filozofem urodzonym w Surrey w 1287 roku. Jego "brzytwa" sprowadza się do twierdzenia, że gdy istnieje wiele wyjaśnień danego zjawiska, należy wybrać najprostsze z nich. Takie właśnie podejście stosuję, gdy mam do czynienia z kilkoma równie wiarygodnymi wyjaśnieniami określonego zjawiska - stosuję tę zasadę zwłaszcza w ostatnim rozdziale tej książki, odpowiadając na pytanie, czy nasze istnienie było nieuchronne, czy też jest dziełem przypadku.

Pragnąłbym, aby ta książka, oprócz udzielenia odpowiedzi na powyższe pytanie, uświadomiła czytelnikowi niezwykłe osiągnięcia nauki. Na tych stronach mogę omówić jedynie niewielki ułamek naukowego rozumienia wszechświata, wystarczy jednak przedstawić historię naszego istnienia. Wielu ludzi podchodzi nieufnie do nauki, a to błąd. Dzieje i funkcjonowanie naszego wszechświata warto zrozumieć jak najlepiej, bo to coś niezwykłego i pięknego. Metody naukowej nie należy się obawiać, lecz należy ją przyjąć, albowiem wiedza odkryta dzięki ciężkiej pracy milionów naukowców ją stosujących zapiera dech w piersiach. Zacznijmy więc odkrywać historię tego, dlaczego istniejemy.

Rozdział 2. Początki

rozdział 2

Początki

Zawsze byłem zapalonym czytelnikiem. Rodzice musieli ponaglać mnie, żebym przestał czytać i wyszedł na dwór, więc było ze mną odwrotnie niż w przypadku "normalnych" dzieci. Kiedy kazali mi iść spać, chowałem się pod kołdrą z latarką i książką. Nie pamiętam pierwszej książki naukowej, którą przeczytałem, ale chodziłem do biblioteki objazdowej i wypożyczałem publikacje na rozmaite ważne tematy. Najlepszymi lekturami okazywały się pozycje o fizyce, w szczególności te, które odsłaniały tajemnice wszechświata, chociaż książki o dinozaurach zajmowały bliską, drugą lokatę. Pamiętam, jak marzyłem o tym, by naukowcy odkryli dinozaury żyjące na innych planetach.

Uwielbiałem czytać o fizyce - ale w domu, bo w szkole nauczano jej w sposób niewiarygodnie nudny. Program wymagał od nas uczenia się różnic między energią potencjalną a kinetyczną, tymczasem nigdy nie mówiono nam o tak ekscytujących zjawiskach jak supernowe. Obliczaliśmy kąt odbicia się piłki od ściany, lecz nigdy nie dowiedzieliśmy się o cząstkach takich jak kwarki czy fotony. W domu czytałem o tym, jak czas spowalnia, gdy ruch obiektów zbliża się do prędkości światła, ale w klasie najbardziej ekscytującą rzeczą związaną ze światłem było zbudowanie aparatu otworkowego.

Nauczyciele starali się, aby lekcje wypadały ciekawie, lecz ich wysiłki były skazane na niepowodzenie, albowiem ten, kto opracował program nauczania, miał najwyraźniej do spełnienia misję, by interesujący temat wydawał się nudny. Fizyka jest nauką, która wyjaśnia, dlaczego wszechświat funkcjonuje tak, a nie inaczej. Opisuje oddziaływania podstawowe, relację między energią a materią (wszystkim, co można zważyć i co zajmuje przestrzeń) oraz oddziaływanie wzajemne cząstek. Dziś wydaje mi się niepojęte, że moi koledzy z klasy i ja nie byliśmy zafascynowani tak niesamowitą wiedzą. Nie byłem nią zaintrygowany, ale na szczęście nie byłem też zrażony. Kontynuowałem dokształcanie się w domu, a wkrótce potem zdałem sobie sprawę, że świat nieożywiony może być fascynujący, ba, nawet energie kinetyczna i potencjalna mogą być interesujące. Nie wiem, czytelniku, czy musiałeś w szkole przecierpieć taki sam program nauczania fizyki jak ja, ale właśnie po raz ostatni wspomniałem o tych dwóch rodzajach energii.

Abyśmy mogli istnieć, zaistnieć musiał wszechświat. Ale jak powstał? Przyjmujemy za pewnik, że nasz wszechświat ma odpowiednie cechy, aby być siedliskiem życia, ale czy to było nieuchronne, że po powstaniu wszechświat rozwinął się w ten sposób? Czy mógł powstać wszechświat, który wykluczałby ewolucję życia? Naukowcy ustalili, że jeśli niektóre cechy charakterystyczne naszego wszechświata byłyby tylko odrobinę inne, wówczas nie mogłyby zaistnieć atomy, gwiazdy, planety. I ani ty, ani ja. Pierwsze kroki w naszej historii zaprowadzą nas do maleńkiego punktu intensywnej energii, z którego wyrósł wszechświat, do cząstek elementarnych, do pierwszych atomów, a następnie do pierwszych gwiazd. Wciąż pozostaje wiele do odkrycia na temat początków naszego wszechświata, niemniej naukowcy zgromadzili imponującą wiedzę o cząstkach, energii i siłach, które determinują funkcjonowanie naszego wszechświata, oraz o tym, jakie podwaliny położyły one pod życie na Ziemi. Zanim rozpoczniemy tę wędrówkę, przedstawię kilka faktów na temat naszego wszechświata.

Obecnie jest on naprawdę ogromny. Nikt nie wie do końca, jak duży jest, choć naukowcy oszacowali, że może mieć średnicę ponad 7 bilionów lat świetlnych. To oznacza, że wiązka światła potrzebowałaby 7 000 000 000 000 lat, aby pokonać ten olbrzymi dystans. Jeden rok świetlny to prawie 10 bilionów kilometrów - tak daleko światło się przemieszcza w ciągu roku - co oznacza, że wszechświat ma 70 bilionów bilionów kilometrów średnicy. Z Ziemi możemy zobaczyć tylko ułamek tego, co naukowcy nazywają obserwowalnym wszechświatem. To zaledwie odległość 93 miliardów lat świetlnych, niemniej wciąż się powiększa. W dalszej części tego rozdziału wyjaśniam, dlaczego się powiększa, a także dlaczego nie możemy zobaczyć całości.

Odległości mierzone w miliardach kilometrów nie mają większego sensu, biorąc pod uwagę nasze codzienne doświadczenia na Ziemi. Jeden z najdłuższych lotów bez międzylądowania to lot z Londynu do Perth w Australii. Podróż trwa 17 godzin, a samolot pokonuje odległość niemal 14 500 kilometrów. To ledwie 0,0000000015 roku świetlnego. Światło może pokonać tę drogę w czasie krótszym niż dwudziesta część sekundy. Boeing 787-9 Dreamliner, który wykonuje loty Londyn-Perth, rozwija maksymalną prędkość 1100 kilometrów na godzinę, a więc jest ślamazarnie powolny w porównaniu ze światłem. Jest również powolny w porównaniu z najszybszymi urządzeniami skonstruowanymi przez człowieka. Należąca do NASA sonda Parker Solar jest najszybszym takim urządzeniem. Osiąga 0,05 procent prędkości światła, rozwijając szybkość rzędu 531 083 kilometrów na godzinę w trakcie przelotu blisko Słońca, ale to wciąż tylko 1/2000 prędkości światła. Światło jest bardzo szybkie, a nasz wszechświat - naprawdę ogromny.

Aby zrozumieć, jak funkcjonuje nasz ogromny wszechświat, należy zbadać, jak zachowują się maleńkie cząstki, z których ty, ja i cała materia się składamy, wraz z tym, jak cząstki te oddziałują na siebie nawzajem. Cząstki te, o ile potrafimy precyzyjnie je zmierzyć, mają średnicę około jednej biliardowej części milimetra. Naukowcy określają te cząstki mianem elementarnych, ponieważ nie mogą ich rozłożyć na mniejsze elementy. Cząsteczki te są budulcem, z którego powstają wszystkie rzeczy.

Jesteśmy zaznajomieni z funkcjonowaniem dużych obiektów, takich jak skały, samochody, samoloty, asteroidy, Księżyc i inne planety naszego Układu Słonecznego. Nazwane zostały obiektami makroskopowymi, albowiem są duże w porównaniu z cząstkami elementarnymi. Wszystko, z czym się stykamy w codziennym życiu, począwszy od innych ludzi, poprzez książki, do szklanki wody, jest makroskopowe. Obiekty makroskopowe poruszają się w czasie i przestrzeni tak jak my. Nie istnieją w sposób rozmyty ani nie znikają z jednego miejsca, aby w tajemniczy sposób pojawić się w innym, jak to robią pewne cząstki elementarne - elektrony w atomie. W przeciwieństwie do tego w skali mikroskopowej, a więc w swojej skali przestrzennej, cząstki elementarne zachowują się zupełnie inaczej. Trudno przypisać je do określonego miejsca, a to sprawia, że ich zachowanie wydaje się bardzo osobliwe. Kiedy w tym i następnym rozdziale opisuję zachowanie cząstek elementarnych, przydałoby się trochę pohamować własne niedowierzanie. Znana nam rzeczywistość nie jest bowiem rzeczywistością w skali cząstek elementarnych.

Aż do połowy XX wieku większość naukowców zakładała, że wszechświat ma stałą wielkość, jest niezmienny, zawsze istniał i zawsze będzie istniał. Lecz w miarę jak konstruowaliśmy teleskopy o coraz większej mocy, stało się jasne, że wszechświat nie jest niezmienny, lecz się rozszerza, co sugeruje, że musiał mieć jakiś początek i na tym początku był z pewnością bardzo mały. Rozrósł się i sporo się zmienił od czasu swoich narodzin jako maleńki punkt intensywnej energii, którym zapewne był.

Na początku nasz wszechświat był mały, a teraz jest ogromny. Gdziekolwiek spojrzymy z Ziemi, widzimy wszechświat. Nie widzimy jego krańca, ale wciąż jest na co popatrzeć. Możemy wyobrazić sobie to, co dostrzegamy, rozważając hipotetyczną podróż w przestrzeni. Wyobraźmy sobie, że jesteśmy astronautą na statku kosmicznym, który znajduje się 400 kilometrów od powierzchni naszej planety - to znaczy na orbicie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Wyglądamy przez okno i widzimy nasz piękny świat. A teraz wyruszmy w podróż z dala od Ziemi. Gdy nasza rodzima planeta się oddala, następnym napotkanym obiektem będzie Księżyc, który, podobnie jak stacja kosmiczna, krąży wokół Ziemi, ale dalej od nas. Następnie zaczynamy napotykać inne planety w naszym Układzie Słonecznym. Widzimy całą ósemkę planet krążących wokół Słońca - Merkurego, Wenus, Ziemię, Marsa, Jowisza, Saturna, Urana oraz Neptuna - wraz z planetą karłowatą o nazwie Pluton i milionami mniejszych. Gdy opuszczamy Układ Słoneczny, światło Słońca słabnie tym bardziej, im dalej się zapuścimy, aż wreszcie inne gwiazdy świecą jaśniej niż nasza. W końcu zaczniemy mijać niektóre z tych gwiazd, a każda ma własny zestaw orbitujących planet i skał. W końcu gwiazdy zaczynają występować coraz rzadziej i zdajemy sobie sprawę, że nasze Słońce, teraz zagubione w rozległej chmurze innych gwiazd, jest tylko jedną z co najmniej 100 miliardów gwiazd wirujących wokół centralnego punktu. Wszystkie te gwiazdy znajdują się w naszej galaktyce, nazwanej Drogą Mleczną.

W części wszechświata, którą możemy zobaczyć, znajduje się około biliona galaktyk. Kiedy patrzymy przez teleskopy na galaktyki poza Drogą Mleczną, odkrywamy coś interesującego: większość z nich oddala się od nas, a im dalsza jest galaktyka, tym szybciej się porusza. Gdybyśmy odwrócili bieg czasu, a więc zrobili to, co robią kosmolodzy w komputerowych symulacjach wszechświata, przekonalibyśmy się, że cała materia i energia rozprzestrzenione obecnie na rozległych obszarach kosmosu były dawniej skompresowane w jednym punkcie o niebywałej gęstości, zwanym osobliwością. Osobliwość byłaby mniejsza niż najmniejsza z cząstek elementarnych, dodatkowo niezwykle gęsta i gorąca. To właśnie z tego punktu wyłonił się wszechświat, w którym przynajmniej raz wyewoluowało życie - tutaj, na naszej Ziemi. Fizycy wykazali, że kluczową rolę w funkcjonowaniu naszego wszechświata, w tym, że się rozszerza, odgrywają cztery oddziaływania podstawowe, istota naszej historii. Siły te determinują, w jaki sposób cząstki, atomy i większe obiekty, w tym planety, gwiazdy i galaktyki, oddziałują na siebie nawzajem. Są tak fundamentalne dla naszego istnienia, że zanim zastanowimy się, jak funkcjonują, warto je przedstawić. Są bohaterami tej książki, ponieważ bez nich nie byłoby tutaj ani ciebie, ani mnie, podobnie jak nie byłoby atomów, z których się składamy.

Wszystkie obiekty we wszechświecie składają się z atomów. Każdy atom z kolei składa się z centralnej części zwanej jądrem i z elektronów, które krążą wokół niej w różnych odległościach. Jądro atomu składa się z mniejszych cząstek zwanych protonami i neutronami. Każdy atom danego pierwiastka ma taką samą liczbę protonów i elektronów oraz - z wyjątkiem jednego typu wodoru, który nie ma neutronów - każdy atom zawiera co najmniej jeden neutron, przy czym ich liczba zależy od pierwiastka. Atomy wodoru zawsze mają jeden proton i jeden elektron. Jednak w naturze występują jądra wodoru, które mają jeden lub dwa neutrony lub nie mają żadnego. Te różne rodzaje wodoru to prot (brak neutronów), deuter (jeden neutron) i tryt (dwa neutrony). Te trzy rodzaje są znane jako izotopy wodoru. Neutrony i protony zbudowane są z kwarków. Kwarki utrzymuje razem silne oddziaływanie jądrowe. Utrzymuje także protony i neutrony, tworząc jądro atomu. Silne oddziaływanie zapobiega oddalaniu się od siebie neutronów i protonów, jednocześnie zapobiega też rozdzielaniu się kwarków. Gdyby silne oddziaływanie jądrowe nie istniało, nie istniałyby jądra atomów ani życie.

Kolejnym oddziaływaniem jest słabe oddziaływanie jądrowe. Ono również funkcjonuje w jądrach atomów i to wskutek niego izotopy niektórych pierwiastków są radioaktywne. Większość jąder atomów jest stabilna, a wtedy żaden z neutronów nie przekształca się nagle w proton lub odwrotnie, tworząc atom innego pierwiastka. Jednak izotopy niektórych pierwiastków mają niestabilną konfigurację neutronów i protonów, co może spowodować, że proton stanie się neutronem lub neutron - protonem. Kiedy tak się dzieje, emitowany jest pewien rodzaj promieniowania. Nie wszystkie pierwiastki promieniotwórcze rozpadają się w ten sposób, ale te, które to robią, jak tryt (izotop wodoru z dwoma neutronami), który przekształca się w hel, robią to na skutek słabego oddziaływania jądrowego. Można by pomyśleć, że słabe oddziaływanie jądrowe ma niewiele wspólnego z naszym życiem codziennym, ale bez niego fuzja jądrowa, która zasila nasze Słońce, byłaby niemożliwa. Fuzję jądrową powoduje słabe oddziaływanie jądrowe, a na Słońcu odpowiada ono za powstawanie helu z izotopów wodoru, co generuje dużo energii w postaci ciepła i światła. Bez słabego oddziaływania jądrowego nasz wszechświat byłby ciemny. Nie byłoby życia.

Protony i neutrony są często przedstawiane w diagramach jako małe kulki sklejone ze sobą, tworzące jądra atomów. To rozsądne zobrazowanie, nawet jeśli nie do końca trafne. Chmura elektronów krąży wokół jądra, tworząc rodzaj orbity, którą chemicy nazywają orbitalem. Oddziaływanie elektromagnetyczne utrzymuje elektrony we właściwym miejscu. Gdyby nie istniał elektromagnetyzm, elektrony dryfowałyby z dala od jąder atomów i atomy nie mogłyby istnieć.

To nie koniec funkcji elektromagnetyzmu. Atomy występują w różnych typach determinowanych przez liczbę protonów, neutronów i elektronów. Liczba protonów i elektronów w atomie jest równa i określa dany pierwiastek. Na przykład lit ma trzy protony i trzy elektrony, podczas gdy węgiel ma ich po sześć. Kiedy dochodzi do reakcji chemicznej, atomy dzielą się lub wymieniają elektronami między sobą dzięki oddziaływaniu elektromagnetycznemu. Gdy tak się dzieje, tworzą cząsteczki. Woda jest przykładem związku chemicznego złożonego z cząsteczek. Każda cząsteczka wody składa się z dwóch atomów wodoru i jednego atomu tlenu połączonych wspólnymi elektronami za pośrednictwem oddziaływania elektromagnetycznego. Dwutlenek węgla, metan i rdza to przykłady innych cząsteczek. Cząsteczki występują w niezwykle urozmaiconych konfiguracjach, ale każda składa się z atomów, a każdy atom składa się z protonów, neutronów i elektronów. Gdyby nie było oddziaływania elektromagnetycznego, nie byłoby również atomów ani cząsteczek.

Ostatnim rodzajem oddziaływania jest oddziaływanie grawitacyjne. Rzadko myślimy o tym, że chodzimy po ziemi bez unoszenia się w przestrzeń kosmiczną. Grawitacja jest odpowiedzialna za zakotwiczenie nas na planecie. Jest to siła, która przyciąga obiekty do siebie, a to oznacza, że rzeczy posiadające masę, w tym atomy, mają skłonność do zlepiania się. Grawitacja wpływa na duże i małe obiekty. Utrzymuje Księżyc krążący dokoła Ziemi, Ziemię krążącą wokół Słońca i Słońce krążące wokół centrum naszej galaktyki. Wszyscy wiedzą, że potrzeba jednego roku, aby Ziemia okrążyła Słońce. Potrzeba 27 dni, by Księżyc okrążył Ziemię, i około 250 milionów lat, by nasze Słońce i Układ Słoneczny okrążyły centrum Drogi Mlecznej. Znajdujemy się na skale krążącej wokół gwiazdy krążącej wokół centrum naszej galaktyki. Grawitacja jest siłą, która utrzymuje ten taniec w ruchu, a bez niej nie istniałoby życie, ponieważ nie byłoby Słońca, Ziemi i Księżyca.

Wszystkie te cztery oddziaływania mają kluczowe znaczenie dla życia, ponieważ determinują funkcjonowanie naszego wszechświata. Zrozumienie tych sił jest w konsekwencji ważnym krokiem w opowieści o tym, dlaczego istniejemy. Składamy się z cząstek elementarnych, które połączyły się w atomy i cząsteczki, a te z kolei tworzą ciebie i mnie. Naszym następnym krokiem jest zbadanie, jak cztery podstawowe oddziaływania wpływają na materię.

Cząstki mogą łączyć się i oddziaływać na wiele różnych sposobów. Zasady ich interakcji są niezmienne w całym wszechświecie, ale wynik interakcji zależy od tego, jak materia jest rozłożona w przestrzeni. Dzieje się tak między innymi dlatego, że niektóre siły działają na bardzo krótkich dystansach, podczas gdy działanie innych sięga znacznie dalej. Na przykład silne oddziaływanie jądrowe występuje w najmniejszej skali, następne w kolejności jest słabe oddziaływanie jądrowe, a elektromagnetyzm i grawitacja działają w skali bardzo dużej.

Silne i słabe oddziaływanie jądrowe oraz elektromagnetyzm funkcjonują bardzo podobnie - kwarki i elektrony nieustannie wymieniają się tak zwanymi nośnikami oddziaływań. Cząstki nośnika siły w przypadku silnego i słabego oddziaływania jądrowego to odpowiednio gluony i bozony, podczas gdy cząstka nośnika siły elektromagnetycznej zwana jest fotonem. Naukowcy podejrzewają, że grawitacja funkcjonuje również za pośrednictwem cząsteczki nośnika siły, ale jak dotąd nie zdołali jej wykryć. Tę hipotetyczną cząstkę nazwano grawitonem. Wykrycie grawitonów wymagałoby więcej energii, niż mamy jej na Ziemi. Niektóre szacunki sugerują, że musielibyśmy zbudować urządzenie podobne do Wielkiego Zderzacza Hadronów, o wielkości naszego Układu Słonecznego, następnie musielibyśmy je umieścić w pobliżu bardzo gęstej gwiazdy, lecz nawet wtedy moglibyśmy zaobserwować tylko jeden grawiton na dekadę. Jeśli grawitony istnieją, to są nieuchwytne. Na szczęście cząstki nośnika siły, które determinują inne oddziaływania, okazują się łatwiejsze do wykrycia i wszystkie zostały opisane. Każda cząstka nośnika siły jest powiązana z polem sił, a każda siła ma swoje własne pole.

Te pola sił przenikają wszechświat w każdym kierunku i w każdym punkcie, nawet w pustej przestrzeni między galaktykami. Najprostszym sposobem wyobrażenia sobie tych pól jest przyjrzenie się polu magnetycznemu wokół magnesu. Możemy zaobserwować to pole magnetyczne poprzez posypanie opiłkami żelaza arkusza papieru umieszczonego nad magnesem i delikatne postukanie w papier. Opiłki żelaza ułożą się w łuki od jednego bieguna magnesu do drugiego. Widzimy wtedy pole oddziaływania elektromagnetycznego. Inne pola sił trudniej zaobserwować, ale są wszędzie przez cały czas.

Każde pole sił składa się z energii. Występują ciągłe fluktuacje tej energii, co skutkuje tym, że pojawiają się i znikają cząstki nośnika siły. Nie istnieją długo, ledwie ułamek sekundy, po czym ponownie znikają. Cząstki nośnika siły są czasami określane jako cząstki wirtualne, chociaż są w istocie bardzo realne. Te wirtualne cząstki pojawiają się i znikają tym częściej, im bliżej materii się znajdują, mimo to nawet w częściach wszechświata bardzo odległych od wszelkiej materii energia raz po raz przekształca się w te cząstki i odwrotnie.

Chociaż te wirtualne cząstki są małe i nie mogą być rozłożone na mniejsze elementy, podobne zjawiska mogą występować nawet w mniejszej skali. Niektórzy fizycy opowiadają się za teorią zwaną teorią strun, która zakłada, że istnieją małe, wibrujące, podobne do strun struktury, które determinują całą materię. Częstotliwość, z jaką wibruje każda struna, określa typ cząstki, którą obserwujemy. W skali strun przestrzeń wygląda zupełnie inaczej niż to, jak my ją postrzegamy. Uważamy, że przestrzeń jest gładka i niepokawałkowana. Kiedy maszerujemy lub jedziemy autem, nie przeskakujemy z jednego miejsca do sąsiedniego, ale raczej przemieszczamy się płynnie w przestrzeni. Naukowcy uważają, że w niezwykle małej skali, w której wibrują postulowane struktury podobne do strun, przestrzeń traci ciągłość i staje się podzielona na odrębne miniaturowe wielkości, trochę jak nieskończona sterta maleńkich pudełek. Fizycy określają tę skalę skalą Plancka, a długość Plancka (bok jednego z tych pudełek) stanowi najmniejszą istniejącą długość. Nie można jej już podzielić. Zatem koncepcja połowy długości Plancka nie ma sensu. W skali Plancka maleńkie struny być może wibrują, a to sprawiłoby, że przestrzeń wyglądałaby jak bulgocząca piana, gdybyśmy tylko potrafili prowadzić obserwację w tak małym wymiarze. Do wniosków tych naukowcy doszli poprzez analizę modeli matematycznych, albowiem nie dysponujemy techniką umożliwiającą oglądanie przestrzeni w wymiarze skali Plancka.

Skala Plancka nie jest jedynym aspektem wszechświata, który pozostaje nieuchwytny dla fizyków. Nasz wszechświat składa się z materii (w tym czegoś zwanego antymaterią; więcej na ten temat nieco później) w postaci cząstek elementarnych, następnie z energii w postaci ciepła i światła, z czegoś, co nazywa się ciemną energią, która bez wątpienia istnieje, choć naukowcy nie potrafią jeszcze w pełni jej zrozumieć, oraz cząstek wirtualnych, które nieustannie powstają i znikają, pozwalając innym cząstkom na interakcję. Wszystkie te elementy składowe wszechświata muszą być ze sobą powiązane, choć wciąż nie jest jasne, jak to wygląda w przypadku ciemnej energii. Niemniej fizycy wiedzą, w jaki sposób materia powiązana jest ze zwykłą energią w postaci ciepła i światła, dzięki najsłynniejszemu równaniu w dziejach nauki, einsteinowskiemu E = mc2. E oznacza energię, m to masa, a c prędkość światła w próżni, a więc w przestrzeni niezawierającej materii. Równanie łączy energię z materią, pokazując, w jaki sposób są one ze sobą powiązane. Ilość energii związanej w materii jest bardzo duża, ponieważ prędkość światła w próżni (c) to wysoka wartość - 299 792 458 metrów na sekundę. Podniesienie tej liczby do kwadratu, a więc 299 792 458 × 299 792 458, to liczba jeszcze o wiele większa. Oznacza to, że jeśli materię zmusiłoby się do uwolnienia tej energii, jak to się dzieje w gwiazdach i bombach atomowych, efekt byłby niebywały. I odwrotnie, gdy materia jest tworzona z energii, to więzi jej bardzo dużo.

W chwili swoich narodzin, 13,77 miliarda lat temu, wszechświat był punktem gorącej energii, po czym część tej energii przekształciła się w kwarki i elektrony, które jednak nie przekształciły się natychmiast z powrotem w energię, jak robią to cząstki wirtualne. Przetrwały, co pozwoliło nam zaistnieć. "Utknęły" jako materia, a naukowcy nie wiedzą, dlaczego tak się stało. Wiedzą jednak, że te cząstki elementarne wkrótce zaczęły wchodzić ze sobą w interakcje i kiedy wszechświat ostygł do temperatury 1 miliarda stopni Celsjusza, kwarki zaczęły się łączyć, tworząc protony i neutrony znajdujące się w jądrach atomów.

Neutrony i protony są pospołu nazywane nukleonami. Każdy nukleon składa się z trzech kwarków, przy czym kwarki, które tworzą nukleony, występują w dwóch różnych typach, jako kwarki górne i dolne. Protony składają się z dwóch kwarków górnych i jednego dolnego, a neutrony - z dwóch kwarków dolnych i jednego górnego. Kwarki te są ze sobą związane, uwięzione w małej przestrzeni przez cząstki wirtualne zwane gluonami, a każda para kwarków nieustannie wymienia się gluonami. Gdy kwarki oddalają się od siebie, siła wiążąca wzrasta, bo między nimi pojawia się i znika coraz więcej cząstek wirtualnych, co skutkuje zbliżaniem ich z powrotem do siebie. Każdy wymieniany gluon istnieje tylko przez maleńki ułamek sekundy, gdy przemieszcza się od jednego kwarka do drugiego, ale właśnie ten ruch silnie je wiąże.

Każdy kwark ma kilka cech, które naukowcy wykorzystują do opisywania tych cząstek. Niektóre z tych cech to kolor, masa, spin i ładunek elektryczny. Kwark górny ma ładunek elektryczny +2/3, podczas gdy kwark dolny ma ładunek -1/3. Kiedy łączą się, tworząc protony, dwa ładunki +2/3 i jeden ładunek -1/3 sumują się, dając ładunek równy +1. W neutronie ładunek +2/3 i dwa ładunki -1/3 łączą się, dając ładunek elektryczny równy 0. Ładunek kolorowy jest koncepcyjnie podobny do ładunku elektrycznego, ale występuje w trzech rodzajach: czerwonym, zielonym i niebieskim - w odróżnieniu od dodatniego i ujemnego ładunku elektrycznego. Kolorów tych nie należy rozumieć dosłownie, to po prostu narzędzie, którego fizycy używają do rozróżniania trzech typów ładunku kolorowego. Kiedy kwarki oddziałują na siebie poprzez wymianę gluonów, zmieniają również swój ładunek kolorowy.

Silne oddziaływanie jądrowe wiąże ze sobą nie tylko kwarki, tworząc nukleony, ale też protony i neutrony, tworząc jądra atomów. Dwie cząstki o takim samym ładunku elektrycznym odpychają się poprzez oddziaływanie elektromagnetyczne, podobnie jak bieguny magnetyczne tego samego rodzaju. Wszystkie protony mają ładunek dodatni, dlatego oddziaływanie elektromagnetyczne odpycha je od siebie. Niemniej jednak silne oddziaływanie jądrowe jest wystarczająco potężne, aby zapobiec odpychaniu się protonów o ładunku dodatnim przez oddziaływanie elektromagnetyczne - robi to poprzez łączenie protonów i neutronów. Tego połączenia dokonuje nie za pomocą gluonów, ale za pomocą innej cząstki wirtualnej zwanej mezonem. Z określonych powodów, nad którymi nie będę się rozwodził, mezony nie są zdefiniowane jako cząstki nośnika siły, chociaż odgrywają kluczową rolę w tym, jak funkcjonuje silne oddziaływanie jądrowe. Niemniej, podobnie jak gluony, mezony występują tylko w bardzo małej skali, nieznacznie większej niż nukleon. Ich zdolność do wiązania jest imponująca. Siła wiązania mezonów wystarcza, aby utrzymać razem wiele protonów o ładunku dodatnim w jądrach atomów, połączonych neutronami o ładunku obojętnym.

Słabe oddziaływanie jądrowe, jak sama nazwa wskazuje, jest słabsze od silnego oddziaływania jądrowego i podobnie jak ono występuje w małej skali. Tak jak w przypadku innych sił istnieje pole słabego oddziaływania jądrowego, które przenika wszechświat, a siła ta jest przenoszona przez cząstki nośnika siły zwane bozonami W i Z. Istnieją w rzeczywistości dwa typy bozonu W, ale nie będziemy wdawać się w szczegóły. Kiedy słabe oddziaływanie jądrowe zmienia protony w neutrony i odwrotnie, emitowana jest cząstka zwana cząstką beta. Cząstki beta są wysokoenergetycznymi cząstkami produkowanymi w rozpadach promieniotwórczych. Pierwiastki, z których jesteśmy zbudowani, w tym wodór, tlen, węgiel, azot i wapń, nie ulegają rozkładowi na inne pierwiastki. Są stabilne, a to wielkie szczęście, bo gdyby nie były, najprawdopodobniej szybko byśmy się rozpadli jak domek z kart.

Pierwszymi jądrami atomowymi, które uformowały się we wszechświecie, były jądra wodoru i helu. Jądra te utrzymywały się w gorącej plazmie wraz z niezwiązanymi elektronami, cząstkami, które posiadają ładunek elektryczny -1, aż wszechświat ostygł na tyle, że mogły powstać pierwsze atomy. Na tym etapie to elektromagnetyzm zaczął odgrywać główną rolę w powstaniu materii.

Elektromagnetyzm jest oddziaływaniem sto razy słabszym niż silne oddziaływanie jądrowe, ale funkcjonuje na znacznie większe odległości niż oddziaływania jądrowe. Wraz z grawitacją jest to siła, której najmocniej doświadczamy w naszym codziennym życiu. Sprawia, że związki chemiczne są stałe, ciekłe lub gazowe, i pozwala atomom wiązać się ze sobą w postaci cząsteczek. Podobnie jak w całym wszechświecie istnieją pola słabego i silnego oddziaływania jądrowego, z gluonami i bozonami W i Z jako cząstkami nośnika siły, istnieją również pola oddziaływania elektromagnetycznego. Cząstki, które przenoszą oddziaływanie elektromagnetyczne i umożliwiają interakcję między protonami i elektronami, nazywane są fotonami. Są to również cząstki, z których powstaje światło. Podczas interakcji kwarki wymieniają się gluonami, natomiast elektrony i protony wymieniają się wirtualnymi fotonami. Wirtualne fotony pojawiają się i znikają, gdy oddziałują na siebie protony w jądrach atomów i elektrony na orbitalach wokół nich.

Najsłabszą siłą ze wszystkich oddziaływań jest grawitacja. Jest 1038 razy słabsza niż silne oddziaływanie jądrowe. Choć siła przyciągania grawitacyjnego jest słaba, to gdy obiekty są duże, też staje się duża. Ziemia jest wystarczająco ogromna, abyśmy nie pożeglowali w przestrzeń kosmiczną. W przeciwieństwie do silnego i słabego oddziaływania jądrowego, a podobnie do elektromagnetyzmu grawitacja działa na bardzo duże odległości. Grawitacja i elektromagnetyzm wpływają na nasze codzienne życie bardziej niż pozostałe dwa oddziaływania, albowiem jesteśmy ogromni w porównaniu ze skalą, w której występują siły jądrowe.

Kwarki górne, kwarki dolne i elektrony nie są jedynymi cząstkami elementarnymi. Dotychczas skupiałem się wyłącznie na jednej z trzech grup cząstek elementarnych. Fizycy odnoszą się do tych grup jako do generacji. Opisałem pierwszą generację, i to właśnie z niej składa się cała materia, którą dziś obserwujemy. Podczas opisywania tej generacji nie wspomniałem o cząstce zwanej neutrino. Neutrina to zjawisko powszechne, ale rzadko wchodzą w interakcje z jądrami atomów i elektronami. Być może to oczywiste, ale można coś zaobserwować tylko wtedy, gdy wchodzi w interakcję z czymś innym, a nie wszystkie cząstki podlegają wszystkim czterem oddziaływaniom podstawowym. Neutrina wchodzą ze sobą w interakcje tylko wskutek słabego oddziaływania jądrowego i grawitacji; nie ma na nie wpływu silne oddziaływanie jądrowe ani elektromagnetyczne. Co sekundę miliony neutrin emitowanych ze Słońca przenikają przez Ziemię bez wchodzenia w interakcje z jakąkolwiek materią będącą jej budulcem. Niemniej pewna niewielka część neutrin oddziałuje z jądrami atomów. Nie omawiałem dotąd neutrin, ponieważ nie są częścią nas, mimo to zasługują na wzmiankę, abyśmy mogli docenić, jak niezwykłe jest ludzkie pojmowanie wszechświata osiągnięte dzięki fizykom i kosmologom.

Pierwsza generacja zawiera cztery cząstki: kwarki górne i dolne, elektrony i neutrina (lub, dokładniej, neutrina elektronowe). Cięższe wersje tych cząstek tworzą drugą generację, podczas gdy jeszcze cięższe odpowiedniki stanowią trzecią. Na przykład druga generacja materii składa się z kwarka powabnego i kwarka dziwnego, mionu (zamiast elektronu) i neutrina mionowego.

"Powabny" i "dziwny" to raczej określenia stosowane dla rozróżnienia. Nie znaczą tego, że jedna z tych cząstek ma nadzwyczajny urok, a druga wydaje się osobliwa. Kwark dziwny jest cięższy od kwarka dolnego, swojej bratniej cząstki z pierwszej generacji. Cząstki z drugiej i trzeciej generacji materii nie są stabilne, a kiedy powstają przy wysokich energiach, szybko się rozpadają, tworząc cząstki generacji pierwszej.

Cztery cząstki w każdej z trzech generacji łączą się, tworząc w sumie dwanaście cząstek elementarnych, które są budulcem materii. Przedstawiłem również cztery cząstki nośników oddziaływań: gluon, foton oraz bozony W i Z, które umożliwiają oddziaływanie pozostałych dwunastu cząstek. Pomijając grawitony, których istnienie jest hipotetyczne, bo niepotwierdzone, mamy szesnaście cząstek. Jest jeszcze jedna, która zasługuje na wzmiankę i która nazywa się bozonem Higgsa, a wtedy ogółem mamy ich siedemnaście. Bez bozonu Higgsa żadne cząstki nie miałyby masy, a gwiazdy, planety, ty i ja nie moglibyśmy istnieć. Historia odkrycia bozonu Higgsa pokazuje, jak dobrze fizycy rozumieją dynamikę trzech generacji materii i cząstek nośnika siły.

Model standardowy to teoria opracowana przez fizyków w celu opisania tego, jak oddziałuje ze sobą i zachowuje się siedemnaście cząstek wymienionych powyżej. Pełne równanie modelu standardowego ma odstręczającą matematyczną formę. Nie można go uznać za szczególnie eleganckie, ale stanowi niesamowite osiągnięcie i zapewnia zdumiewająco dokładne prognozy dotyczące tego, jak cząstki wchodzą w interakcje pod wpływem oddziaływania elektromagnetycznego oraz silnego i słabego jądrowego. Model standardowy jest skomplikowany, można go jednak podzielić na cztery części. Pierwsza opisuje cztery oddziaływania, druga ukazuje sposób, w jaki te cztery oddziaływania wpływają na każdą z cząstek elementarnych w trzech generacjach materii. Trzecia część wyjaśnia, że bozon Higgsa określa masę każdej z cząstek elementarnych, podczas gdy czwarta przedstawia, w jaki sposób bozon Higgsa to robi. Problem do niedawna polegał na tym, że nikt nie wykrył bozonu Higgsa. Model standardowy zależał od istnienia tej cząstki, ale co byłoby, gdyby nie istniała? Fizycy musieliby wrócić do tablicy i opracować nowy model, ponieważ dotychczasowe rozumienie wszechświata okazałoby się błędne.

Wykrycie bozonu Higgsa nie było łatwe. Wymagałoby stworzenia warunków podobnych do tych, jakie panowały na etapie wczesnego wszechświata, a do tego byłaby potrzebna ogromna ilości energii. Bozon musiałby zostać wykryty natychmiast po jego powstaniu, zanim rozpadłby się na inne cząstki. Fizycy zbudowali największą na świecie maszynę do poszukiwania bozonu Higgsa. Miałem szczęście zobaczyć to cudo.

Podobnie jak ja, moja najstarsza córka Sophie zawsze była zapaloną czytelniczką i miała w życiu okres, kiedy pochłaniała książki na temat fizyki. Niedaleko pada jabłko od jabłoni. Od moich czasów program nauczania w szkołach został na szczęście istotnie zmieniony, a córka tak bardzo polubiła fizykę, że zaczęła ją studiować na uniwersytecie, a następnie pracowała w firmie startupowej w Oksfordzie, gdzie mieszkam ze swoją żoną Sonyą. Gdy zbliżały się osiemnaste urodziny Sophie, zapytałem ją, co chciałaby dostać w prezencie, i usłyszałem, że pragnęłaby zobaczyć Wielki Zderzacz Hadronów, maszynę, którą fizycy zbudowali w celu wykrycia bozonu Higgsa.

Być może największą radość z pracy na uniwersytecie daje mi to, że mam sposobność spotykania ekspertów z różnych dziedzin, i tak się złożyło, że poznałem fizyka, który pracował w Oksfordzie i w CERN. Wypytałem go o możliwości przyjazdu, a on podpowiedział, abyśmy zjawili się, kiedy zderzacz będzie zamknięty z powodu konserwacji. Miałem chyba zdezorientowaną minę, bo zaraz dodał, że jeśli przyjdziemy wtedy, umożliwi nam zejście pod ziemię, byśmy zobaczyli samo serce maszyny. Sophie i ja udaliśmy się do Genewy, a mój znajomy zabrał nas na zwiedzanie części urządzenia zwanej detektorem ATLAS. Jako biolog terenowy, który spędza sporo czasu w dzikich zakątkach naszej planety, przywykłem do zazdrości kolegów z innych dziedzin o moje miejsca pracy. Rzadko zdarza mi się żałować, że nie wybrałem innej ścieżki kariery, ale podczas wizyty w Wielkim Zderzaczu Hadronów poczułem dużą zazdrość. Jest to jedno z największych osiągnięć nauki i całej ludzkości.

W Wielkim Zderzaczu Hadronów wiązki protonów, a czasami także innych cząstek, są przyśpieszane do prędkości bardzo bliskiej prędkości światła, po czym zderzają się ze sobą w jednym z czterech miejsc na dwudziestosiedmiokilometrowej podziemnej trasie, która jest sercem tej konstrukcji. W każdym z tych miejsc znajduje się bardzo skomplikowany sprzęt zaprojektowany do wykrywania cząstek, które powstają wskutek zderzeń przeciwbieżnych wiązek protonów poruszających się z ogromną prędkością. Cząstki wytwarzane przez te kolizje szybko rozpadają się na inne cząstki, wydzielając energię, lub oddziałują z protonami, neutronami i elektronami. Detektor ATLAS znajduje się w jednym z ośmiu miejsc wydzielonych w Wielkim Zderzaczu Hadronów i jest jednym z dwóch detektorów, które wykryły bozon Higgsa w 2012 roku. Usytuowany w podziemnej jaskini wielkości katedry ma wymiary 25 metrów na 45 metrów. Detektor został zaprojektowany do pomiaru masy, trajektorii oraz czasu życia cząstek powstałych podczas zderzenia przeciwbieżnych wiązek protonów.

Wielki Zderzacz Hadronów i jego cztery detektory stanowią nie tylko największą maszynę na świecie, ale także najbardziej zaawansowane urządzenie pod względem technicznym. Cząstki są przyśpieszane i utrzymywane w pętli z wykorzystaniem silnie chłodzonych magnesów o potężnej mocy, po czym zderzają się ze sobą z niezwykłą precyzją. Wielki Zderzacz Hadronów znacznie poszerzył naszą wiedzę na temat fizyki cząstek, niemniej to odkrycie bozonu Higgsa okazało się największym sukcesem.

Model standardowy jest prawie tak niezwykły jak Wielki Zderzacz Hadronów. To matematyczne sformułowanie tego, jak kwarki, elektrony i neutrina (oraz cząstki wyższych generacji) oddziałują ze sobą pod wpływem oddziaływania elektromagnetycznego oraz silnego i słabego jądrowego. Dokładnie opisuje to, co dzieje się w świecie fizycznym wokół nas, i przewidział istnienie cząstki, która nie została wcześniej zaobserwowana. Kiedy fizycy zaczęli jej szukać, znaleźli ją tam, gdzie przewidział model standardowy. Tysiące fizyków i inżynierów współpracowało, aby zaprojektować i zbudować największą na świecie maszynę służącą do wykrycia cząstki. Jej budowa kosztowała 3,8 miliarda funtów, a roczne utrzymanie to około 1 miliard funtów, lecz moim zdaniem przedsięwzięcie było warte każdego wydanego pensa. Dzięki temu rozumiemy teraz, jak funkcjonuje wszechświat. Jednak nie wszyscy fizycy są uszczęśliwieni. Czegoś zabrakło, a to skłoniło niektórych uczonych do przekonania, że potrzebujemy całkowitego zrewidowania modelu standardowego. Każda nowa wersja musi okazać się tak niezawodna jak obecna, będzie jednak większa i lepsza.

Model standardowy jest niekompletny, ponieważ nie uwzględnia grawitacji. Wyjaśnia, jak zachowuje się siedemnaście cząstek elementarnych przy braku grawitacji. A zatem w modelu tym brakuje jednego z czterech oddziaływań podstawowych. Ogromnym wyzwaniem dla dzisiejszej fizyki jest powiązanie naszego zrozumienia grawitacji z modelem standardowym.

Fizycy opracowali teorię grawitacji, która jest niezwykła i równie imponująca w swoich przewidywaniach jak model standardowy. Teoria ta, nazwana ogólną teorią względności, została zaproponowana na początku XX wieku przez Alberta Einsteina. Ogólna teoria względności jest rozszerzeniem wcześniejszej teorii, również opracowanej przez Einsteina i nazwanej szczególną teorią względności. Razem te dwie teorie ukazują, jak grawitacja, energia, przestrzeń, czas i masa są ze sobą powiązane oraz że prędkość światła ma kluczowe znaczenie dla związku między energią a masą. Einstein czerpał z fundamentalnych dociekań dotyczących grawitacji rozpoczętych przez Isaaca Newtona, kolejnego tytana nauki.

Wszechświat ma maksymalne ograniczenie prędkości, którym jest prędkość światła w próżni. To maksimum, jak wspomniałem powyżej, wynosi 299 792 498 metrów na sekundę - oto prędkość, z jaką fotony przemierzają pustą przestrzeń. Gdybyśmy w swoim ruchu mieli zbliżyć się do prędkości światła, zadziałyby się dziwne rzeczy. Po pierwsze, czas zwolniłby, po drugie, masa by wzrosła. To niemożliwe, aby coś mającego masę osiągnęło prędkość światła, bo masa musiałaby stać się nieskończona, ale gdyby do tego doszło, czas by się zatrzymał. Fotony mogą przemieszczać się z prędkością światła, ponieważ nie mają masy. Każdy foton to pakiet energii przelatujący przez przestrzeń.

Rozważając teorie względności Einsteina, musimy mocno uruchomić swoją wyobraźnię i zapomnieć o codziennej "zdroworozsądkowości". Na przykład gdy zmierzymy, ile czasu potrzebuje światło, aby przebyć odległość ze Słońca na Ziemię, wyniesie to osiem minut i dwadzieścia sekund. To jest nasze postrzeganie czasu. Albowiem z perspektywy fotonów, które składają się na wiązkę światła przemieszczającą się przez próżnię kosmiczną, każdy z nich znajduje się jednocześnie na Słońcu i na Ziemi. Z perspektywy fotonu nie ma czasu, ponieważ czas się zatrzymał. Einstein właściwie nazwał swoją teorię, ponieważ rzeczywistość jest względna w zależności od prędkości, z jaką się poruszamy.

Prędkość i czas są ze sobą powiązane, toteż niezależnie od tego, jak szybko się poruszamy, gdy w trakcie przemieszczania się zapalilibyśmy latarkę, światło oddalające się od nas zawsze miałoby prędkość 299 792 498 metrów na sekundę. Niezależnie od tego, czy stoimy, czy poruszamy się z prędkością zaledwie 1 kilometra na godzinę wolniej niż prędkość światła, to gdybyśmy włączyli latarkę i zmierzyli prędkość, z jaką snop światła wystrzeliłby i oddalił się od nas, pomiar zawsze wyniósłby tyle samo: 299 792 498 metrów na sekundę. Nie ma znaczenia, jak szybko się przemieszczamy - zawsze widzielibyśmy to samo, światło oddalające się od nas niezwykle szybko. Dzieje się tak, albowiem godzina trwa znacznie dłużej, gdy przemieszczamy się z prędkością bliską prędkości światła niż podczas postoju. Prędkość światła jest wartością stałą niezależnie od tego, jak szybko się przemieszczamy.

Takie mechanizmy bardzo różnią się od naszych doświadczeń na Ziemi. Jeśli podróżujemy samochodem z prędkością 95 km/h, a inny pojazd wyprzedza nas z prędkością 100 km/h, nie wydaje nam się, że przemieszcza się o wiele szybciej. Natomiast jeśli jedziemy z prędkością 100 km/h, a mija nas samochód poruszający się z prędkością 200 km/h, to oddala się on od nas bardzo szybko. Przy niskich prędkościach nie zauważamy, że czas biegnie w różnym tempie jako funkcja tego, jak szybko podróżujemy, ale nawet w tych warunkach czas upływa z nieco inną prędkością.

Związek między prędkością a czasem ma pewne niezwykłe konsekwencje. Gdyby jeden z bliźniaków w wieku dwudziestu lat wyruszył w podróż kosmiczną z prędkością 99,99 procent prędkości światła i powrócił na Ziemię po tym, co wydaje mu się upływem roku, miałby dwadzieścia jeden lat, ale jego brat bliźniak miałby już dziewięćdziesiąt. Na Ziemi uważamy czas za wartość stałą - zegar zawsze tyka w tym samym tempie, ale to okazuje się nieprawdą, gdy zaczniemy poruszać się szybciej. Czas jest względny.

Jako nastolatek byłem zafascynowany myślą o podróżowaniu z prędkością światła, chociaż wiedziałem, że to się nigdy nie wydarzy. Zastanawiałem się, jak wyglądałby wszechświat z perspektywy mojego statku kosmicznego osiągającego prędkość światła. Czas zatrzymałby się dla mnie, ale nie dla obiektów poruszających się z prędkością mniejszą niż prędkość światła, zatem czy byłbym w stanie zobaczyć przyszłe lokalizacje wszystkich obiektów we wszechświecie? Czy obiegi Ziemi dokoła Słońca wyglądałyby jak smugi w przestrzeni? Wyobrażając to sobie, popełniałem błąd logiczny, ale wyciągnąłem z tego ważną naukę. Błąd polegał na pominięciu tego, że przestrzeń i czas są ze sobą powiązane. Gdy prędkość rośnie w kierunku prędkości światła, a czas spowalnia, przestrzeń się kurczy, a to oznacza, że wszechświat wydaje się coraz mniejszy, aż przy prędkości światła wygląda jak bardzo jasna, ale nieskończenie mała kropka. Lekcja, którą z tego wyciągnąłem, polega na tym, że nauka opiera się na próbach i błędach. Coś, co wydaje się świetnym pomysłem, może okazać się błądzeniem. W nauce chodzi o wyjaśnianie prawidłowości zaobserwowanych w danych poprzez wykluczanie hipotez, które okazują się błędne. Zapominając, że przestrzeń kurczy się, kiedy rośnie prędkość, doszedłem do błędnej hipotezy, ale dowiedziałem się czegoś ważnego: że nauka rozwija się poprzez obalanie kolejnych hipotez.

Einstein to wszystko zrozumiał. Pokazał nie tylko, że przestrzeń i czas zmieniają się pod wpływem prędkości, ale także że znajdują się pod wpływem grawitacji. Jego ogólna teoria względności obejmuje przestrzeń, czas, prędkość i grawitację. Im silniejsza jest grawitacja, tym wolniejszy upływ czasu. Możliwe jest nawet zmierzenie tego efektu na Ziemi, bo czas biegnie szybciej na szczycie góry niż na poziomie morza. Ta różnica, obserwowana na Ziemi, jest bardzo mała, ale właśnie to przewidują równania Einsteina.

Grawitacja zakrzywia przestrzeń, a także spowalnia czas. Gdy wiązka światła przemieszcza się w przestrzeni i mija obiekt o dużej masie, jej trajektoria się zakrzywia. Powszechnie używaną analogią do opisu oddziaływania grawitacji na przestrzeń, ale w dwóch wymiarach zamiast trzech, jest wyobrażenie sobie pustej trampoliny. Załóżmy, że powierzchnia trampoliny jest idealnie płaska, do tego stopnia, że gdybyśmy potoczyli po niej kulkę z marmuru, nakreśliłaby ona linię prostą i spadła z drugiej strony. Teraz powtórzymy eksperyment, ale najpierw umieścimy ciężarek na środku trampoliny. Ciężarek jest wystarczająco duży, aby spowodować ugięcie się powierzchni. Jeśli kulka przemieszcza się dostatecznie szybko, trajektoria jej ruchu po powierzchni trampoliny będzie teraz zakrzywiona. Grawitacja obiektu zakrzywia przestrzeń w podobny sposób, jak waga ciężarka zmieniła powierzchnię trampoliny, odkształcając płaszczyznę. A jeśli ciężki obiekt byłby bardzo ciężki, wówczas trajektoria zakrzywiłaby się tak mocno, że kulka weszłaby na orbitę wokół niego.

Im większa masa obiektu, tym silniejsza staje się grawitacja. Na przykład Słońce ma znacznie silniejszą grawitację niż Ziemia, albowiem jego masa jest ponad 333 000 razy większa. Słońce zakrzywia przestrzeń w większym stopniu niż Ziemia, a czas płynie wolniej, im bliżej Słońca się znajdujemy. Ale nawet siła grawitacyjna Słońca blednie w porównaniu z czarnymi dziurami. Wokół każdej czarnej dziury znajduje się tak zwany horyzont zdarzeń. Jest to punkt, w którym grawitacja staje się tak silna, że nawet światło nie może uciec przed jej przyciąganiem. Grawitacja w czarnych dziurach zakrzywia czasoprzestrzeń tak silnie, że dla zewnętrznego obserwatora czas obiektów zbliżających się do horyzontu zdarzeń zdaje się zatrzymywać.

Teoria względności Einsteina była wielokrotnie poddawana sprawdzianowi i zawsze uznawano ją za niezwykle precyzyjną. Opisuje, jak (i dlaczego) Księżyc krąży wokół Ziemi, a Ziemia krąży wokół Słońca i dlaczego nie odlatujemy w kosmos; wykorzystano ją, by określić wiek wszechświata i wyjaśnić, dlaczego on wciąż się rozszerza. Ujawnia również, że musi istnieć inny rodzaj materii. Bez tej materii galaktyki nie mogłyby istnieć.

Kiedy naukowcy odkryli, że galaktyki obracają się z taką prędkością, że układy planetarne na ich obrzeżach nie powinny być utrzymywane na orbitach przez grawitacyjne przyciąganie reszty galaktyki, wtedy pojawił się problem. Kosmolodzy rozwiązali ten dylemat, opracowując hipotezę, wedle której istnieją cząstki, które nie wchodzą w interakcję z innymi cząstkami pod wpływem silnego i słabego oddziaływania jądrowego oraz oddziaływania elektromagnetycznego. Nazwali je "ciemną materią". Zgodnie z teorią cząstki te oddziałują jedynie przez grawitację. To sprawia, że są niezwykle trudne do wykrycia i, jak dotąd, naukowcy nie zdołali zaobserwować cząstek ciemnej materii, nawet w Wielkim Zderzaczu Hadronów. Niemniej cząstki ciemnej materii muszą być powszechnym zjawiskiem, zważywszy na to, że dotąd teoria Einsteina okazywała się trafna.

Ciemna materia nie jest jedyną, której istnienie postulują naukowcy, jeśli teoria Einsteina jest właściwa. Wszechświat szybko się rozszerza, a tempo jego ekspansji rośnie. Fizycy doszli do wniosku, że musi istnieć coś innego niż ciemna i obserwowalna materia, aby wyjaśnić tę ekspansję. W bardzo wielkiej skali coś odpycha galaktyki od siebie. Naukowcy nazwali tę tajemniczą siłę ciemną energią - o której wspomniałem wcześniej w tym rozdziale. Ciemna materia i ciemna energia muszą być niezwykle obfite, tak przynajmniej wynika z dokonanych obserwacji wszechświata. Z oszacowań wynika, że 5 procent wszechświata składa się z energii i materii, które potrafimy zaobserwować, 27 procent to ciemna materia i aż 68 procent to ciemna energia.

Chociaż naukowcy niewiele wiedzą o cząstkach ciemnej materii i o tym, skąd pochodzi ciemna energia, istnieje wiele pomiarów wskazujących, że jedno i drugie z pewnością istnieje. Twierdzenia, że istnieją cząstki i energia, o których wiemy tak niewiele, nie należy bynajmniej traktować jako pobożnego życzenia. Przed odkryciem bozonu Higgsa można było argumentować, że model standardowy zapewne jest błędny, gdyż stanowiąca jego fundament cząstka nie została zaobserwowana. Dlatego to, że nie potrafimy dotąd bezpośrednio wykryć ciemnej energii i zobaczyć ciemnej materii, nie oznacza koniecznie, że one nie istnieją. Ponadto, jak już się przekonaliśmy, nie na wszystkie cząstki w modelu standardowym wpływają wszystkie cztery oddziaływania podstawowe. W istocie tylko kwarki poddane są silnemu i słabemu oddziaływaniu jądrowemu, elektromagnetycznemu oraz grawitacyjnemu. Elektrony nie ulegają wpływowi silnego oddziaływania jądrowego, neutrina zaś są tak trudne do zbadania, bo wchodzą w interakcję z innymi cząstkami wyłącznie pod wpływem słabej siły jądrowej i grawitacji. Skoro, jak się domniemywa, ciemna materia nie podlega oddziaływaniu elektromagnetycznemu ani słabemu, ani silnemu, cząstki, które ją tworzą, trudno będzie zaobserwować bezpośrednio, bo wymagałoby to poziomów energii znacznie przekraczających te generowane przez Wielki Zderzacz Hadronów.

Krótko podsumujmy, na czym stoimy, zanim powrócimy do opowieści o historii wczesnego wszechświata. Naukowcy mają jedną teorię, a więc model standardowy, która okazuje się zadziwiająco trafna w opisywaniu tego, jak trzy z czterech oddziaływań podstawowych wchodzą w interakcję. Mają oddzielną teorię, która wyjaśnia, w jaki sposób funkcjonuje czwarte oddziaływanie, czyli grawitacja. Lecz napotkali problem, który sprowadza się do tego, że połączenie tych dwóch teorii w teorię wszystkiego jest niezwykle wymagającym zadaniem pod względem matematycznym. Model standardowy zawodzi, gdy grawitacja zniekształca przestrzeń i czas, i nie można go rozszerzyć, aby uwzględniał grawitację, używając zabiegów matematycznych fundamentalnych dla jego opracowania.

Mimo to istnieją teorie, w tym teoria strun wspomniana wcześniej, M-teoria oraz pętlowa grawitacja kwantowa, sformułowane jako sposoby połączenia grawitacji z pozostałymi trzema oddziaływaniami podstawowymi. Obecnie nie mamy możliwości zweryfikowania prognoz każdej z tych teorii, a to oznacza, że nie istnieje szeroko zaakceptowana wielka teoria wszystkiego. Ogólna teoria wszystkiego pomogłaby nam dalej dociekać historii wczesnego wszechświata, ale nawet bez niej naukowcy zdołali ustalić całkiem sporo o jego dzieciństwie. Udało im się również opracować symulacje komputerowe, w których zmieniają siłę czterech oddziaływań podstawowych, aby sprawdzić, czy powstałyby atomy i gwiazdy. Okazuje się, że wszechświat, w którym może zaistnieć życie, nie powstałby niezależnie od wartości czterech oddziaływań, zatem powinniśmy być wdzięczni, że są właśnie takie, jakie są. Nie wiemy, dlaczego oddziaływania mają akurat taką siłę, ale cieszmy się, że tak jest. Gdyby tak nie było, nie czytałbyś tej książki.

Wnioski wypływające z modelu standardowego, ogólna teoria względności, zderzenia maleńkich cząstek w najbardziej skomplikowanej maszynie, symulacje komputerowe i obserwacje galaktyk na całym niebie pozwoliły naukowcom poskładać historię wczesnego wszechświata w spójny obraz. Wyposażeni w tę wiedzę, możemy przejść od energii do kwarków i elektronów, dalej do atomów całej grupy pierwiastków, a zatem do pierwszych niezbędnych elementów naszej historii powszechnej. To, co się wydarzyło, przedstawiam poniżej. Historia wszechświata rozwinęła się od osobliwości do gwiazd, które widzimy, gdy wpatrujemy się nocą w niebo.

Naukowcy przypuszczają, że przed narodzinami naszego wszechświata była nicość. Kiedy używam słowa "nicość", możemy sobie wyobrazić pustą przestrzeń, być może taką jak przestrzeń między Ziemią a Księżycem lub między krawędzią naszego Układu Słonecznego a Alfa Centauri, najbliższym nam układem gwiazd. Tyle że ta przestrzeń nie jest pusta. Zawiera energię i pola sił, a w skali Plancka może wyglądać jak bulgocząca piana. Naukowcy zakładają, że zanim powstał wszechświat, nie było nic. Nicość oznacza brak energii i pól sił. Jakimś sposobem z tej nicości zmaterializował się nasz wszechświat - dotąd naukowcy nie wiedzą, jak to się stało. Niektórzy badacze wysunęli określone teorie, lecz obecnie nie ma możliwości zgromadzenia danych, by teorie te poddać weryfikacji. Na przykład niektórzy matematycy argumentują, że nicość, z której narodził się nasz wszechświat, była niestabilna i uległa kolapsowi, tworząc osobliwość, która była naszym bardzo wczesnym wszechświatem, ale w rzeczywistości nie mamy możliwości, by to sprawdzić.

Osobliwość, która pojawiła się 13,77 miliarda lat temu i z której narodził się wszechświat, mogła mieć temperaturę ponad miliarda miliardów stopni Celsjusza i była bardzo, ale to bardzo gęsta, a cała masa i energia dzisiejszego wszechświata zawierały się w pojedynczym punkcie, mniejszym niż najmniejsza cząstka obserwowana obecnie. Cztery oddziaływania podstawowe, które przenikają nasz dzisiejszy wszechświat, nie istniały w momencie jego narodzin, a siła (lub siły) działająca w pierwszej chwili powstania naszego wszechświata mogła być prostsza niż te, które rządzą naszym życiem. W ułamku ułamka sekundy po osobliwości nastąpił okres tak zwanej inflacji, trwający krócej niż miliardowa część sekundy, kiedy to wszechświat rozszerzył się zdumiewająco szybko. W tym okresie powiększył się 1 z 78 zerami razy. Nawet po tym okresie szybkiej ekspansji miałby wielkość czegoś pomiędzy ziarnkiem piasku a piłką do koszykówki. W pozostałej części pierwszego ułamka sekundy życia wszechświata pojawiły się cztery oddziaływania podstawowe.

W miarę rozszerzania się młody wszechświat zaczął się ochładzać, a znane nam dziś cztery działania podstawowe dały o sobie znać. Jako pierwsza pojawiła się grawitacja, następnie - silne oddziaływanie jądrowe. Kosmolodzy nie są zgodni co do tego, czy silne oddziaływanie jądrowe oddzieliło się od oddziaływania elektrosłabego - a więc połączonego słabego oddziaływania jądrowego i elektromagnetycznego - natychmiast przed inflacją lub po niej, ale jego pojawienie się wypełniło wszechświat gorącą zupą kwarków i gluonów. Zaraz po pojawieniu się silnego oddziaływania jądrowego czasy oddziaływania elektrosłabego dobiegły końca, albowiem pojawiły się dwie pozostałe siły - elektromagnetyzm i słabe oddziaływanie jądrowe - i wtedy powstały elektrony. Wszystko to wydarzyło się niezwykle szybko i gdy wiek wszechświata wynosił 0,000001 sekundy, ostygł on już na tyle, że mogły się utworzyć neutrony i protony.

Gorąca zupa złożona z protonów i elektronów była nieprzezroczysta, a energia, w postaci fotonów, nie mogła się przemieszczać tak łatwo, jak przemieszcza się przez dzisiejszy wszechświat. W rezultacie wczesny wszechświat był miejscem ciemnym. Kosmolodzy badają jego historię, przyglądając się różnym rodzajom promieniowania elektromagnetycznego: promieniom gamma, promieniowaniu rentgenowskiemu, światłu ultrafioletowemu, światłu widzialnemu, podczerwieni, mikrofalom i falom radiowym. Te różne rodzaje promieniowania elektromagnetycznego przemieszczają się przez wszechświat jako fotony, które są nie tylko cząstkami, ale także falami (wyjaśnienie w następnym rozdziale). Skalę promieniowania elektromagnetycznego definiuje się w zależności od odległości między grzbietami kolejnych fal. Fale radiowe mają największą długość, a promienie gamma - najmniejszą. Żadne z nich nie mogły się przemieszczać we wczesnym wszechświecie, ponieważ fotony przenoszące energię nieustannie wchodziły w interakcję z zupą złożoną z kwarków i elektronów.

Gdy wszechświat osiągnął wiek 380 000 lat, schłodził się do tego stopnia, że protony, neutrony i elektrony mogły się łączyć i tworzyć atomy wodoru i helu. Na tym etapie stał się przezroczysty i promieniowanie elektromagnetyczne mogło się przemieszczać. Najstarsze promieniowanie, które możemy dziś wykryć na Ziemi, przemieszcza się przez wszechświat, odkąd liczył on sobie 380 000 lat, a więc to wędrówka trwająca ponad 13,7 miliarda lat. Nazwane zostało mikrofalowym promieniowaniem tła.

Mikrofalowe promieniowanie tła występuje wszędzie, gdzie spojrzymy, i ma bardzo podobne właściwości niezależnie od tego, czy patrzymy w kierunku centrum naszej galaktyki, czy jak najdalej od niego. Model, który cofnął czas od teraz do osobliwości przy narodzinach wszechświata, przewidywał, że powinno istnieć takie promieniowanie. Odkrycie to pomogło udowodnić, że wszechświat rozpoczął się od osobliwości i Wielkiego Wybuchu.

Od lat sześćdziesiątych XX wieku, kiedy to odkryto mikrofalowe promieniowanie tła, zostało ono zmapowane w wielu projektach badawczych, a zwieńczeniem była opracowana w 2013 roku i charakteryzująca się niesłychanie wysoką rozdzielczością mapa całego nieba. Mapa ujawniła, że promieniowanie nie było identyczne w każdym kierunku, lecz wykazywało bardzo małe wahania. W niektórych punktach było nieco cieplejsze, w innych - chłodniejsze. Promieniowanie to przenikało wszechświat od jego zarania, toteż nierównomierna temperatura odzwierciedla niewielkie różnice w rozkładzie energii i materii na bardzo wczesnym etapie. Naukowcy uważają, że właśnie ta zmienność doprowadziła do powstania galaktyk i dużych struktur wszechświata obserwowanego obecnie.

Szczegółowa mapa mikrofalowego promieniowania tła stanowiła również istotne wsparcie dla przekonania o istnieniu okresu inflacji, a niewielkie wahania były spowodowane drobnymi różnicami w rozkładzie materii na bardzo wczesnym etapie rozwoju wszechświata. Mapa ta pozwoliła również kosmologom obliczyć wiek wszechświata - 13,772 miliarda lat - a precyzja tego obliczenia wynosi plus minus 59 milionów lat.

Wszechświat jest oszałamiająco rozległy, dlatego światło, które przybywa na Ziemię, może przemieszczać się w przestrzeni kosmicznej przez miliony, a nawet miliardy lat. Kiedy patrzymy na obiekt na nocnym niebie, nie postrzegamy go takim, jakim jest, ale takim, jakim był, gdy widziane teraz przez nas promieniowanie go opuściło. Światło opuszczające Księżyc potrzebuje 1,3 sekundy, aby dosięgnąć Ziemi. Światło z Alfa Centauri potrzebuje nieco ponad czterech lat i trzech miesięcy, aby dotrzeć na Ziemię. Jeśli coś katastrofalnego miałoby się stać z Alfa Centauri, dowiedzielibyśmy się o tym dopiero po pięćdziesięciu dwóch miesiącach. A zatem kiedy patrzymy w przestrzeń kosmiczną, nieuchronnie patrzymy w przeszłość, trochę jak geolog przekopujący się przez warstwy czasu w skałach. Geolog patrzy na nieruchomy obraz przeszłości, tymczasem astronom widzi film. Jeśli pozaziemscy astronomowie krążący wokół gwiazdy oddalonej o 70 milionów lat świetlnych kierują w tej chwili na nas swoje potężne teleskopy, oglądają tyranozaury szarżujące w epoce kredy.

Im dalej znajduje się obiekt, tym więcej czasu zajęło, by dotarło do nas promieniowanie elektromagnetyczne. Dlatego patrząc na obiekty znajdujące się w różnych odległościach, naukowcy mogą poskładać historię wszechświata. Obserwowalny wszechświat rozrósł się z małego obszaru, w którym się znajdował, kiedy stał się przezroczysty. Mikrofalowe promieniowanie tła jest pierwszym światłem pochodzącym z tego kawałka wszechświata, w którym znajdowała się nasza dzisiejsza "okolica", kiedy stał się on przezroczysty. Wszystkie galaktyki, które widzimy rozciągające się na miliardy lat świetlnych, to materia ściśnięta w małej lokalizacji, gdy wszechświat miał 380 000 lat.

Jednym ze sposobów wyobrażenia sobie tego procesu jest naniesienie kropli tuszu na nienadmuchany balon. Powierzchnia nienadmuchanego balonu przypomina trochę wszechświat, ale w dwóch wymiarach. Kiedy wszechświat stał się przezroczysty i światło mogło zacząć się przemieszczać, nasza okolica była jak kropla tuszu na nienadmuchanym balonie. Teraz wyobraźmy sobie, że nadmuchujemy balon. W miarę jak powierzchnia balonu się rozszerza, kropla tuszu staje się coraz większa. Nadmuchiwanie balonu przypomina rozszerzanie się wszechświata. Rozszerzona kropla tuszu to to, co widzimy teraz - obserwowalny wszechświat. Istnieje duża część balonu, której nie możemy dostrzec - wszechświat nieobserwowalny. O mikrofalowym promieniowaniu tła można pomyśleć jako o świetle, które znajdowało się w kropli tuszu na nienadmuchanym balonie. Galaktyki to cała materia, która zawierała się w tym małym kleksie z tuszu na nienadmuchanym balonie. Kosmolodzy wiedzą, że wszechświat wciąż się rozrasta, a tempo ekspansji przyśpiesza. To jak balon nadmuchiwany z coraz większą szybkością. Analogia "wszechświata jako balonu" jest użyteczna, ale nie idealna, gdyż powierzchnia rozszerzającego się balonu jest zakrzywiona, tymczasem naukowcy wykazali, że wszechświat nie jest zakrzywiony, lecz płaski. Analogia z balonem ma również inne wady. Gdy balon zostanie nadmuchany nadmiernie, pęknie. Miejmy nadzieję, że ze wszechświatem będzie inaczej.

Do czasu, kiedy wszechświat stał się przezroczysty, powiększył się już znacznie w porównaniu z osobliwością, z której się narodził, i miał średnicę około 1,4 miliona lat świetlnych. Nie możemy zobaczyć krawędzi wszechświata dlatego, że ten jego kawałek, który widzimy dzisiaj, nie znajdował się na skraju, kiedy wszechświat stał się przezroczysty. Gdy wszechświat miał 380 000 lat, fragment, który stał się wszechświatem obserwowanym przez nas dzisiaj, był otoczony materią i energią we wszystkich kierunkach. Nie mamy pojęcia, czy jesteśmy bliżej krawędzi, czy środka wszechświata. Być może nigdy się tego nie dowiemy.

Kiedy wszechświat zrobił się przezroczysty, a atomy wodoru i helu stały się powszechne, wtedy grawitacja przystąpiła do pracy. Pierwsze atomy i cząsteczki zaczęły się przyciągać, aż utworzyły pierwsze gwiazdy. Gwiazdy te wypaliły się, gdy wszechświat miał około 100 milionów lat. Były wielokrotnie większe od Słońca, ale istniały krócej.

Gwiazdy świecą jasno, ponieważ ich ogromna grawitacja ściska materię w ich wnętrzu, podnosząc temperaturę i ciśnienie do ekstremalnych wartości. W takich warunkach jądra wodoru i helu poruszają się z olbrzymimi prędkościami i mogą zderzać się ze sobą na tyle energicznie, by pokonać wzajemne odpychanie elektrostatyczne. Zderzenia te prowadzą do reakcji syntezy jądrowej: lekkie jądra łączą się, tworząc cięższe pierwiastki. W młodych gwiazdach powstaje w ten sposób przede wszystkim hel, natomiast na późniejszych etapach ewolucji masywne gwiazdy mogą także syntetyzować pierwiastki takie jak węgiel, azot czy tlen.

Jaśniejsze, masywniejsze gwiazdy zużywają swoje paliwo wodorowe i helowe znacznie szybciej niż gwiazdy o mniejszej masie. W ich gorących i gęstych wnętrzach zachodzą kolejne etapy syntezy jądrowej: po wodorze i helu spalają one także węgiel, tlen czy krzem, wytwarzając coraz cięższe jądra aż do żelaza. Jednak synteza pierwiastków cięższych niż żelazo nie zachodzi w spokojnie świecących gwiazdach, ponieważ wymaga dostarczenia energii, zamiast ją uwalniać.

Najcięższe elementy we wszechświecie - takie jak złoto, platyna, uran czy pluton - powstają dopiero w najbardziej katastroficznych wydarzeniach kosmicznych, gdy zapadająca się gwiazda wybucha jako supernowa albo gdy zderzają się ze sobą dwie gwiazdy neutronowe. To właśnie tam ekstremalne temperatury, gęstości i strumienie neutronów umożliwiają szybkie wychwytywanie neutronów i tworzenie jąder znacznie cięższych od żelaza. Fascynujące jest to, że cała różnorodność ciężkich pierwiastków wywodzi się ostatecznie z wodoru - najprostszego składnika kosmosu - dzięki działaniu oddziaływań jądrowych oraz grawitacji prowadzącej gwiazdy do zapadania się i eksplozji.

W środku gwiazdy jądra wodoru są przekształcane w jądra helu i to, co nazwano rdzeniem helowym. Fuzja jądrowa w gwieździe jest wyzwalana, ponieważ na skutek grawitacji atomy zbliżają się do siebie, zyskując wielką energię. Fuzja ta generuje dużo energii w postaci ciepła i światła, co powoduje ciśnienie, które z kolei zapobiega zapadaniu się zewnętrznych warstw gwiazdy na jądro. Przez większość życia gwiazdy skutki grawitacji popychającej atomy ku sobie i ciśnienie wytwarzane przez fuzję jądrową emitującą energię pozostają mniej więcej w równowadze. Jednak pod koniec ta równowaga zostaje zachwiana. Co dokładnie się dzieje, zależy od masy gwiazdy. Nasze Słońce będzie nadal stawało się coraz gorętsze i rosło w ciągu następnych od 5 do 6 miliardów lat, aż wreszcie przejdzie przez cykle rozszerzania się i kurczenia. Maksymalnie rozszerzy się do tego stopnia, że dosięgnie orbity Jowisza, po czym skurczy do wielkości mniejszej niż obecnie. Te naprzemienne skurcze i ekspansje doprowadzą do tego, że rdzeń helowy ulegnie wielkiej kompresji i osiągnie temperaturę aż 100 milionów stopni Celsjusza. Hel ulega syntezie w węgiel i tlen, a uwalniana przy tym energia sprawia, że Słońce ponownie rozszerzy się do ogromnych rozmiarów, stając się czerwonym olbrzymem. Gdy reakcje syntezy jądrowej ustaną, Słońce odrzuci swoje zewnętrzne warstwy, tworząc mgławicę planetarną, natomiast pozostałe jądro przekształci się w białego karła. Ziemia zostanie wchłonięta i spalona podczas jednej z ekspansji umierającego Słońca i nasza planeta przestanie istnieć.

Kiedy gwiazdom o masie w przybliżeniu osiem razy większej od masy naszego Słońca kończy się paliwo, grawitacja powoduje ich zapadanie się, aż powstaną supernowe - najbardziej brutalne eksplozje we wszechświecie. Gwiazda, która staje się supernową, eksploduje i podczas tego procesu wytwarzają się pierwiastki cięższe niż żelazo. Pierwiastki, pył i szczątki z supernowej przenikają przestrzeń i mogą tworzyć mgławice, z których powstaną kolejne generacje gwiazd. Pierwiastki ciężkie występują dość obficie na Ziemi i w innych miejscach naszego Układu Słonecznego, stanowiąc dowód na to, że nasze Słońce nie może być gwiazdą pierwszej generacji. W istocie naukowcy wiedzą, że wszechświat istniał już od ponad 9,25 miliarda lat, kiedy uformował się nasz Układ Słoneczny. Być może Ziemia powstała ze szczątków gwiazdy drugiej, trzeciej lub czwartej generacji - nie wiemy. Wiemy natomiast, że pierwiastki ciężkie utworzone w wyniku śmierci gwiazd wcześniejszych generacji były niezbędne do powstania naszej planety i życia.

Na tym etapie naszej historii przeszliśmy od osobliwości do naszej lokalizacji we wszechświecie, gdzie wodór i hel powstałe we wczesnym okresie przekształciły się w procesie znanym jako nukleosynteza - zachodzącym w sercu gwiazd - w pierwiastki ciężkie. Naszym następnym krokiem w tej wędrówce będzie przyjrzenie się, w jaki sposób te pierwiastki ciężkie łączą się, tworząc cząsteczki takie jak woda, dwutlenek węgla i metan - grupy atomów różnych pierwiastków powiązanych wskutek oddziaływania elektromagnetycznego.

W tym rozdziale omówiliśmy to, co musiało się wydarzyć, abyśmy mogli istnieć. Otóż 13,77 miliarda lat temu powstała bardzo gorąca i bardzo gęsta osobliwość o wielkiej energii. Wszechświat zaczął się rozszerzać i ochładzać, co trwa do dziś. Wszechświat zaczął się również starzeć, ale w pierwszym okamgnieniu wykształciły się cztery oddziaływania podstawowe, a energia została przekształcona w materię w postaci cząstek elementarnych. Związek między energią a materią jest absolutnie kluczowy dla funkcjonowania naszego wszechświata oraz dla twojego i mojego istnienia. Kwarki wkrótce zaczęły tworzyć protony i neutrony, a następnie jądra najlżejszych pierwiastków. Gdy wszechświat dalej się ochładzał, jądra łączyły się z elektronami, tworząc pierwsze atomy. Przyciągając się, ostatecznie stworzyły pierwsze gwiazdy oraz lokalne zakątki intensywnego ciepła, co przyczyniło się do powstania cięższych pierwiastków, a te ostatecznie, w naszym kosmicznym mateczniku, połączyły się, dając początek naszemu Słońcu i Układowi Słonecznemu. Żałuję, że nie uczono mnie tego w szkole, ponieważ każde dziecko powinno pojąć, jak niezwykłą wiedzą dysponują fizycy o przyczynach i sposobie powstania atomów układu okresowego pierwiastków. Chemia jest kolejnym krokiem w naszej historii - w szczególności to, dlaczego zachodzą reakcje chemiczne. Ty i ja składamy się ze skomplikowanych procesów chemicznych, więc poznanie, jak i dlaczego atomy wchodzą w interakcje, okazuje się kluczowe dla zrozumienia, dlaczego w ogóle tutaj jesteśmy.

Rozdział 3. Cząsteczki

rozdział 3

Cząsteczki

Z całej chemii nauczanej w szkole lubiłem właściwie tylko to, co kończyło się wybuchem. Takie gwałtowne reakcje zdarzały się jednak rzadko, głównie dlatego, że moi nauczyciele byli dobrymi chemikami i zawsze upewniali się, że dają nam składniki, które po zmieszaniu nie grożą katastrofą. Miałem w domu zestaw młodego chemika, ale z jego pomocą też trudno było spowodować wiele zniszczeń. W końcu dowiedziałem się, że chemikalia, które są najbardziej wybuchowe, muszą być przechowywane w niereaktywnych cieczach i właśnie dlatego nie wchodziły w skład żadnych zabawkowych zestawów, a w szkole były trzymane pod kluczem. Metale takie jak sód są przechowywane w oleju, ponieważ gdy tylko zetkną się z powietrzem, zaczynają reagować z zawartym w nim tlenem. Jednakże nawet reakcje najbardziej lotnych substancji chemicznych są niczym w porównaniu ze śmiercią gwiazd opisaną w poprzednim rozdziale lub konsekwencjami zmieszania materii i antymaterii. Większość tego rozdziału będzie poświęcona reakcjom na skutek oddziaływania elektromagnetycznego oraz temu, jak zachowują się elektrony, jak organizują się wokół jąder atomów i tworzą różne rodzaje wiązań atomowych. Lecz zanim skupimy się na elektronach, warto wspomnieć o jeszcze jednym rodzaju interakcji, albowiem ona również jest kluczowa dla naszego istnienia.

Krótko po narodzinach naszego wszechświata, kiedy powstały kwarki, elektrony i neutrina, podobnie powstały cząstki antymaterii. Są nazywane antykwarkami i pozytonami. Antykwarki mogą się łączyć, tworząc antyprotony, a nawet antyneutrony. Niektóre z najbardziej imponujących eksplozji we wszechświecie miały miejsce wtedy, gdy doszło do zderzenia materii i antymaterii, co spowodowało zniszczenie ich obu i wytworzenie ogromnych ilości energii. Na przykład jeśli zderzymy elektron o ładunku ujemnym z jego odpowiednikiem z antymaterii, a więc pozytonem o ładunku dodatnim, wytworzą się dwa fotony o dużej energii. Antymateria jest rzadkim zjawiskiem w naszym wszechświecie, ponieważ wkrótce po powstaniu cząstka antymaterii zderza się z cząstką materii - unicestwiają siebie nawzajem, tworząc energię. Jedną z tajemnic niewyjaśnionych przez naukę jest to, dlaczego na wczesnym etapie istnienia wszechświata materia wzięła górę nad antymaterią. Pewna teoria sugeruje, że materia i antymateria powinny były powstać w równych ilościach i natychmiast całkowicie się unicestwić, prowadząc do przedwczesnego końca naszego wszechświata. Teoria ta ma wyraźne braki, ponieważ istniało nieco więcej materii niż antymaterii, co doprowadziło do powstania wszechświata istniejącego w obecnej formie. Nie istnielibyśmy, gdyby powstało tyle samo antymaterii i materii.

Antymateria nie powstała wyłącznie podczas narodzin wszechświata. Powstaje niekiedy w najbardziej nieoczekiwanych miejscach. Banany w misce z owocami tworzą stały strumień pozytonów, przy czym każdy banan wydziela jeden pozyton mniej więcej co godzinę i piętnaście minut. Banany zawierają pierwiastek zwany potasem, w tym rzadki izotop tego metalu o nazwie potas-40, który bardzo, bardzo powoli rozpada się na wapń-40 wskutek słabego oddziaływania jądrowego. Gdybyśmy mieli gram potasu-40, to prawie połowa rozpadłaby się na wapń-40 za miliard lat. Nie możemy przewidzieć, kiedy wskutek słabego oddziaływania jądrowego konkretny atom potasu-40 rozpadnie się na wapń-40, wiemy jednak, że średnio zajmuje to 1 290 000 000 lat. To wartość średnia, zatem niektóre atomy potasu-40 rozpadną się znacznie szybciej, podczas gdy inne mogą istnieć kilka miliardów lat, zanim się rozpadną. Biorąc pod uwagę, że jeden atom potasu-40 rozpada się w każdym bananie mniej więcej co siedemdziesiąt pięć minut, nasuwa się wniosek, że musi być dużo atomów potasu-40 w każdym bananie. I tak jest. Tylko jeden gram potasu-40 zawiera atomy w liczbie 15 z 21 zerami. Przeciętny banan zawiera tylko około 0,015 g potasu-40, ale to wciąż bardzo duża liczba atomów. Kiedy atom potasu-40 rozpada się, uwalnia cząstkę beta - w tym przypadku wysokoenergetyczny pozyton - która jest anihilowana, gdy napotyka elektron. Mamy za słaby wzrok, by dojrzeć to unicestwienie, ale ma ono miejsce i uwalnia energię. Gdybyśmy zwiększyli skalę, unicestwiając 1 gram materii z 1 gramem antymaterii, wytworzyłaby się energia będąca odpowiednikiem bomby atomowej zrzuconej na Hiroszimę. Mamy więc szczęście, że antymateria nie powstaje zbyt szybko w naszej misce z owocami. Gdyby tak było, przygotowywanie bananowego smoothie skończyłoby się katastrofą. Antymateria nie odgrywa większej roli w opowieści o tym, dlaczego ty i ja istniejemy, ale powinniśmy czuć wdzięczność, że w naszym wszechświecie nie jest zjawiskiem powszechnym. W przeciwnym razie nas by nie było.

Reakcje chemiczne nie wiążą się z unicestwieniem materii i antymaterii. Nie podlegają słabemu oddziaływaniu jądrowemu, lecz oddziaływaniu elektromagnetycznemu. Pomimo to niektóre reakcje chemiczne są zdumiewająco gwałtowne. 1-diazydokarbamoilo-5-azydotetrazol, inaczej azydek azydoazydku, to jedna z najbardziej lotnych cząsteczek znanych ludzkości. Jego przechowywanie jest prawie niemożliwe, albowiem niewielka zmiana ciśnienia lub temperatury tudzież ekspozycja na światło mogą spowodować jego eksplozję. Jest tak niestabilny, że w jego przypadku nie można zastosować standardowych instrumentów do pomiaru lotności substancji chemicznej, ponieważ to również wywołałoby eksplozję. Na drugim końcu spektrum istnieją cząsteczki, które są bardzo trudne do włączenia w reakcje chemiczne. Hel, na przykład, jest bardzo stabilny i na ogół nie wchodzi w reakcje z innymi substancjami. Składa się z dwóch protonów, dwóch neutronów i dwóch elektronów. Nie oznacza to, że hel nie jest użyteczny; wprost przeciwnie, ma wiele zastosowań. Jest lżejszy od powietrza, dzięki czemu balony z helem się unoszą. Zabawne okazuje się również wciągnięcie helu w płuca, bo nagle nasz głos robi się piskliwy. Co sprawia, że niektóre substancje chemiczne są bardziej reaktywne niż inne?

W poprzednim rozdziale przedstawiłem cztery oddziaływania podstawowe, jednak najbardziej skupiłem się na słabym i silnym oddziaływaniu jądrowym. Opisałem, jak cykl życia gwiazd przekształca jądra wodoru w jądra helu, a jądra helu w jądra cięższych pierwiastków. Jądra te następnie połączyły się z elektronami, tworząc atomy cięższych pierwiastków. Kolejną kluczową częścią naszej historii jest pojawienie się cząsteczek spowodowane łączeniem się pierwiastków w celu wytworzenia ogromnej gamy związków chemicznych. Dzieje się to za pośrednictwem oddziaływania elektromagnetycznego i nadszedł czas, aby to właśnie ono wysunęło się na plan pierwszy. Oddziaływanie to napędza wszystkie reakcje chemiczne, od prostych interakcji między małymi cząsteczkami do tego, jak pewne leki hamują działanie niektórych złożonych cząsteczek w naszych komórkach.

Chociaż w szkole nie lubiłem chemii, to jednak odegrała ona ważną rolę w moim wczesnym życiu. Kiedy dorastałem, moi rodzice prowadzili aptekę. Właściwie mieli sieć aptek w Cambridgeshire realizujących recepty i sprzedających leki na drobne dolegliwości, choroby i kontuzje. Przez pewien czas zastanawiałem się nad dołączeniem do rodzinnego interesu, ale jako nastolatek nigdy nie lubiłem pomagać w aptece. To nie byłaby właściwa praca dla mnie. Rodzice byli farmaceutami, więc prawdopodobnie poczuli lekkie rozczarowanie moimi marnymi stopniami z chemii. Niemniej, podobnie jak w przypadku moich pozaszkolnych lektur z dziedziny fizyki, uzupełniałem wiedzę w domu, sięgając po książki. Nie zdołałem zrozumieć, jak funkcjonuje oddziaływanie elektromagnetyczne, dowiedziałem się natomiast, że cząsteczki mogą leczyć i eliminować choroby. Rodzice mieli dużą księgę zawierającą długą listę dolegliwości i chorób oraz leków, które stosowano w ich przypadku. To była fascynująca lektura, a dla mnie niezwykłe okazało się uświadomienie sobie, że jest tak wiele chorób i tak wiele sposobów łagodzenia ich objawów. Problem polegał na tym, że ilekroć miałem gorączkę, zmiany skórne czy wysypkę, diagnozowałem sam siebie, obawiając się najgorszego. Jako farmaceuci rodzice byli bardzo odpowiedzialnymi ludźmi i nie szafowali lekarstwami, toteż z wyjątkiem aplikowanej mi sporadycznie aspiryny moje prośby o specyfiki stosowane w leczeniu szkorbutu, drakunkulozy, słoniowacizny lub dżumy trafiały w próżnię.

W wieku dziesięciu lub jedenastu lat przeczytałem o chorobie, która wzbudziła we mnie bogobojny strach, ponieważ nie było na nią lekarstwa i wywoływała straszliwe objawy: wścieklizna. Każdego roku jeździliśmy na wakacje do Francji i przez kilka letnich sezonów prawie nie zmrużyłem oka. Byłem przekonany, że każdy napotkany kot, pies, krowa i owca są wściekłe i chcą mnie dopaść. Podejrzewam, że z powodu moich fobii mama, tata i moja siostra Fiona nie mieli wielkiej frajdy z tych wyjazdów.

Był taki moment w moim życiu, że podejrzewałem u siebie wściekliznę. Podczas pobytu w Zimbabwe zostałem ugryziony przez psa i wtedy na krótko powróciły dawne lęki. Poszedłem do miejscowej przychodni i dowiedziałem się, że mogę się zaszczepić, ale wymagałoby to otrzymania siedmiu nieprzyjemnych zastrzyków w brzuch, w dodatku musiałbym udać się w tym celu do stolicy, Harare, która znajdowała się dość daleko od miejsca mojego pobytu. Pies ugryzł mnie, bo spał, a ja się o niego potknąłem, wyszedłszy z baru po kilku głębszych. Zorientowałem się, że od wielu miesięcy w okolicy nie odnotowano żadnych przypadków wścieklizny. Uznałem więc, że ryzyko śmierci w wyniku zarażenia się wścieklizną jest nikłe, i zrezygnowałem z zastrzyków. Mimo to przez kilka następnych tygodni obserwowałem siebie, próbując ocenić, czy zaczynam wariować lub czy do głosu dochodzi gwałtowne pragnienie. Czytałem sporo o wściekliźnie, a kiedy dowiedziałem się o istnieniu niezawodnej szczepionki, szczepiłem się przed wyjazdami służbowymi, które mogłyby skutkować kontaktem z dzikimi zwierzętami.

Moja fiksacja na punkcie chorób, szczepionek i leków na receptę poskutkowała tym, że dowiedziałem się, jak niezwykłe jest działanie niektórych cząsteczek. Do dziś zapierają mi dech w piersiach przełomowe odkrycia dokonywane przez chemików. Na przykład szczepionki mRNA, takie jak szczepionka Pfizera zastosowana podczas pandemii COVID-u, opierają się na niezwykłym rozumieniu chemii naszego układu odpornościowego. Sztuczne środki chemiczne przenikają nasze życie, od leczenia chorób przez konserwowanie żywności do likwidowania szkodników i farbowania ubrań, a wszystkie skutkują dzięki oddziaływaniu elektromagnetycznemu. Szacuje się, że co roku chemicy na całym świecie syntetyzują aż 10 milionów nowych związków chemicznych, a 2000 z nich jest rokrocznie dopuszczanych do użytku komercyjnego w samych Stanach Zjednoczonych. Pierwiastki mogą łączyć się w najprzeróżniejsze konfiguracje, tworząc nieskończoną liczbę substancji. Niektóre z nich są dla nas pożyteczne, inne - szkodliwe. Fosgen, będący bronią chemiczną, był stosowany w obu wojnach światowych i jest jedną z najbardziej trujących syntetycznych substancji chemicznych. Wystarczy 200 cząsteczek na milion w powietrzu, aby zabić człowieka. To straszne, ale nie tak straszne jak jad kiełbasiany, wytwarzany naturalnie przez bakterię Clostridium botulinum. Zaledwie 1 gram jadu kiełbasianego może zabić nawet milion osób. Niektórzy ludzie wstrzykują sobie jego niewielkie ilości do organizmu, bo jest istotnym składnikiem botoksu.

Chemia działa, ponieważ atomy różnych pierwiastków łączą się ze sobą, tworząc cząsteczki, a rozmaite cząsteczki z kolei łączą się ze sobą na wiele różnych sposobów. Ty i ja składamy się z ogromnej liczby cząsteczek - niektóre są tak proste jak woda, która jest małą cząsteczką, inne bardziej złożone jak DNA, cząsteczka tysiące razy większa. Gdyby pierwiastki nie mogły się łączyć, by tworzyć cząsteczki, wszechświat byłby znacznie mniej interesujący, a my nie moglibyśmy istnieć. Następny krok w naszej opowieści to zbadanie, dlaczego pierwiastki łączą się, tworząc cząsteczki, i dlaczego niektóre z tych cząsteczek, takie jak DNA, są bardzo stabilne w odróżnieniu od innych, na przykład 1-diazydokarbamoilo-5-azydotetrazolu. Układ okresowy pomaga nam zrozumieć, jak i dlaczego pierwiastki się różnią.

Chemicy porządkują pierwiastki w układzie okresowym. Układ zaczyna się z lewej strony od wodoru, najlżejszego pierwiastka zbudowanego z atomów zawierających pojedynczy proton i elektron, i zawiera kolejne pierwiastki w porządku rosnącym, rząd po rzędzie, aż do oganesonu, którego atomy mają 118 protonów i 118 elektronów. Układ przedstawia pierwiastki według tego, jak ułożone są ich elektrony, co opiszę szczegółowo poniżej. Ostatni i najcięższy pierwiastek w układzie, wspomniany już oganeson, nie występuje naturalnie, ponieważ jest wysoce niestabilny i szybko się rozpada, niemniej chemicy stworzyli w laboratorium pięć, a być może nawet sześć izotopów tego pierwiastka. Jest to jeden z dwudziestu czterech pierwiastków stworzonych przez człowieka. Uważam to za niesamowite, że chemicy mogą tworzyć w laboratorium pierwiastki, które nie występują w naturze. Czy Ziemia jest jedyną planetą, na której pierwiastki te zostały stworzone, czy też kosmici znajdujący się w innych częściach wszechświata również mają swój oganeson?

Układ okresowy dzieli pierwiastki na metale, takie jak lit i sód po lewej stronie, i niemetale, takie jak chlor i tlen po stronie prawej. Każda kolumna zawiera pierwiastki pogrupowane według ich właściwości, takich jak sposób wchodzenia w interakcje z innymi pierwiastkami. Metale wyszczególnione w układzie chcą oddawać elektrony, gdy reagują z innymi atomami, podczas gdy niemetale po prawej chcą elektrony pozyskiwać. W odróżnieniu od nich znajdujące się pośrodku raczej wymieniają się elektronami. W obecnych czasach chemicy rozumieją, dlaczego pierwiastki zachowują się tak, jak się zachowują, jak również dlaczego różne atomy różnych pierwiastków mają daną liczbę protonów, neutronów i elektronów, jednak dociekanie tego zajęło dużo czasu. Właściwie przez tysiące lat nie wiedziano, czym dokładnie jest pierwiastek. Odpowiedź na pytanie, z czego składają się rzeczy, nie należy do najłatwiejszych.

Od czasów starożytnej Grecji, a prawdopodobnie nawet wcześniej, ludzie interesowali się tym, z czego składa się natura. Prawie 2500 lat temu Empedokles stwierdził, że istnieją podstawowe żywioły: ziemia, ogień, powietrze i woda. Pół wieku później Demokryt ze starożytnej Grecji i Kamala z Indii niezależnie dowodzili, że materię można rozłożyć na mniejsze niepodzielne części, ale nie było jasne, czym one są. Grecy nazwali je atomami, świadomi, że są zbyt małe, aby zostały zaobserwowane.

W średniowieczu odwrócono się od poszukiwania pierwiastków w stronę tworzenia pożytecznych substancji, a w szczególności do opracowania sposobu zmieniania tanich i obficie występujących metali, takich jak żelazo, w rzadsze i droższe, jak złoto. Obserwacje wykazały, że nowe związki można tworzyć poprzez łączenie określonych składników, a głównym celem alchemii było przekształcenie jednego metalu w inny. Alchemia była szanowaną dyscypliną naukową jeszcze w czasach Isaaca Newtona i należała do jego zainteresowań. W dzisiejszych czasach myślimy o alchemii raczej jako o szarlataństwie, a przecież fascynowała ona jednego z największych myślicieli w dziejach ludzkości i zarazem jednego z dwóch ludzi, którzy dali nam rachunek różniczkowy, kluczowy dialekt języka matematycznego stosowanego w nauce.

Z nadejściem XVIII wieku naukowcy i filozofowie zaczęli odwracać się od alchemii i tak rozpoczęła się era chemii nowoczesnej. Przez cały wiek XVIII wydzielono i nazwano różne pierwiastki i związki, zarówno gazy, jak i metale. Wodór wydzielił w 1766 roku i nazwał "łatwopalnym powietrzem" brytyjski naukowiec Henry Cavendish. W 1773 roku szwedzki chemik Carl Wilhelm Scheele odkrył tlen, odkryty również niezależnie rok później w Anglii.

Pierwszy tekst chemiczny opisujący pierwiastki został opublikowany przez francuskiego chemika Antoine'a Lavoisiera w 1789 roku. Wymieniono w nim wodór, azot, tlen, fosfor, siarkę, cynk oraz rtęć jako substancje, których nie można dalej rozłożyć. Wspomniano o innych substancjach chemicznych, o których obecnie wiemy, że nie są pierwiastkami, lecz pomimo tych błędów książka Lavoisiera stanowiła ważne podsumowanie wiedzy i teorii chemicznej u końca XVIII wieku. Na początku XIX stulecia odkrywano nowe pierwiastki w coraz szybszym tempie - warto wskazać angielskiego chemika Humphry'ego Davy'ego, który odkrył sód, potas, wapń, bor, magnez, stront i bar, głównie za pomocą techniki znanej jako elektroliza, która wykorzystuje energię elektryczną do rozkładu związku chemicznego na elementy składowe.

Pod koniec lat sześćdziesiątych XIX wieku, prawie sto lat po odkryciu wodoru, znano już sześćdziesiąt sześć pierwiastków i oszacowano ich masę. Rosyjski chemik Mendelejew opracował pierwszą wersję układu okresowego w 1869 roku. Zrewidował ją w roku 1871, dokonując korekt mas niektórych pierwiastków i przewidując istnienie trzech pierwiastków obecnie znanych jako skand, gal i german. Odkrycie galu i skandu pod koniec lat siedemdziesiątych XIX wieku, a także germanu w 1886 roku, doprowadziło do tego, że układ okresowy Mendelejewa przyjął się powszechnie. Chemia stała się nauką prognostyczną, a Mendelejew zapisał się w dziejach jako jeden z największych chemików.

W tym samym czasie, kiedy Mendelejew rozwijał swój układ okresowy pierwiastków, powstały pierwsze teorie na temat tego, jak łączą się pierwiastki, tworząc związki chemiczne. Usiłowano zrozumieć, jak atomy łączą się za pomocą wiązań chemicznych. Elektron został odkryty przez J.J. Thomsona w 1897 roku, a przełomów w dziedzinie radioaktywności dokonali polska chemiczka Maria Skłodowska-Curie i nowozelandzki fizyk Ernest Rutherford. Mechanika kwantowa, o której więcej opowiem później, została sformułowana w pierwszej połowie XX wieku, a w drugiej połowie tego stulecia chemia była już dojrzałą dyscypliną naukową. Ludzie dowiedzieli się, jak i dlaczego następują reakcje chemiczne, a nawet potrafili przewidzieć wiele z nich.

Rozwój chemii jest wspaniałym przykładem zastosowania metody naukowej, jednak pokazuje zarazem, że postęp może zająć całe pokolenia. Wczesne obserwacje dowiodły, że niektóre substancje mogą wchodzić w reakcje, na przykład z żelazem i srebrem, utleniającymi się pod wpływem wody i powietrza, a inne można podzielić na części składowe. Hipoteza, że wiele rzeczy można rozłożyć na pierwiastki, uległa udoskonaleniu, a eksperymentatorzy zdołali wyodrębnić różne ich rodzaje. Mendelejew zdał sobie sprawę, że wiele pierwiastków zachowuje się podobnie, i opracował sposób ich klasyfikowania. To klasyfikowanie wskazywało na pewne podstawowe zasady dotyczące interakcji pierwiastków, a chemicy i fizycy sformułowali hipotezy dotyczące tego, w jaki sposób może się to odbywać. Niektóre z tych hipotez, jak na przykład istnienie flogistonu, pierwiastka występującego we wszystkich związkach palnych, lub przyrównanie struktury atomu do wypieku z rodzynkami - elektrony osadzone w jądrze miękkim i gąbczastym jak ciasto - okazały się błędne. Ale inne hipotezy znalazły poparcie - opracowywano i przeprowadzano coraz bardziej wyrafinowane i technicznie wymagające eksperymenty.

Podobnie jak w przypadku fizyki sformułowano równania matematyczne, aby uchwycić chemię i działanie atomów i cząsteczek. Zrozumiano, jak funkcjonuje oddziaływanie elektromagnetyczne, a to pozwoliło ostatecznie połączyć je z silnym i słabym oddziaływaniem jądrowym w modelu standardowym. Fizyka to zapewne najbardziej zaawansowana dziedzina nauki, ale chemia depcze jej po piętach w tym wyścigu. W obu dyscyplinach niektóre pytania wciąż pozostają bez odpowiedzi, lecz z pewnością doczekamy się nowych przełomów i zastosowań, choć prawdopodobnie dojdzie do nich w wolniejszym tempie niż w przyrodoznawstwie. Odkryjemy nowe zastosowania dla cząsteczek, jak również odkryjemy nowe cząsteczki, aby rozwiązać problemy ludzkości. Zapewne odkryjemy nowe niuanse w funkcjonowaniu oddziaływania elektromagnetycznego, mając nadzieję, że uda się je połączyć z grawitacją jako część teorii wszystkiego. Ale to kwestia przyszłości. Wróćmy teraz do tego, co wiemy obecnie, i przyjrzyjmy się, dlaczego atomy oddziałują ze sobą, tworząc cząsteczki, które są niezbędne do życia.

Wszystkie protony i neutrony, niezależnie od pierwiastka, z którego pochodzą, składają się z kwarków górnych i dolnych, zatem jądra atomów każdego pierwiastka składają się z tych samych cząstek elementarnych. Protony zawsze mają dodatni ładunek elektryczny, podczas gdy elektrony, tworzące zewnętrzną powłokę atomu, mają zawsze ujemny ładunek elektryczny. Różnica w ładunku między protonami a elektronami oznacza, że przyciągają się wzajemnie. Pomimo że wszystkie pierwiastki składają się z tych samych cząstek o ładunku ujemnym i dodatnim, każdy jest inny. Niekiedy trudno doprowadzić atomy niektórych pierwiastków, takich jak argon, do połączenia się z innymi atomami wskutek oddziaływania elektromagnetycznego. W przeciwieństwie do tego atomy innych pierwiastków, takich jak tlen, są wysoce reaktywne i wchodzą w interakcje z atomami innych pierwiastków, tworząc wszelkiego rodzaju związki chemiczne.

Nie tylko atomy różnych pierwiastków zachowują się różnie, gdy napotykają inne atomy - także pierwiastki różnią się od siebie pod względem właściwości. W temperaturze pokojowej wodór i tlen są gazami, rtęć jest cieczą, a lit i żelazo są ciałami stałymi. Gdy wodór i tlen reagują, tworząc wodę, dwa gazy łączą się i powstaje substancja, która jest cieczą. Chyba że temperatura spadnie poniżej zera stopni Celsjusza, bo wtedy mamy lód, lub wzrośnie powyżej 100 stopni Celsjusza, bo wtedy mamy parę wodną. Wartości te zmieniają się wraz z ciśnieniem, dlatego na większych wysokościach, gdzie ciśnienie powietrza jest niższe, para tworzy się w temperaturach poniżej 100 stopni Celsjusza.

Ty i ja jesteśmy złożoną formą reakcji chemicznych i aby zrozumieć, jak to się stało, że zaistnieliśmy, należy liznąć trochę chemii. Każdej sekundy miliony reakcji chemicznych zachodzą wewnątrz każdej komórki, a reakcje te wymagają występowania atomów pierwiastków, które są reaktywne. Gdyby wszystkie pierwiastki były obojętne, tak jak hel i neon, życie nigdy by nie powstało. Następnym etapem w naszej wędrówce od Wielkiego Wybuchu do ciebie i mnie jest przeskok od atomów do cząsteczek. Jeśli niektóre pojęcia wprowadzone w poprzednim rozdziale wydają się dziwne, na przykład to, że obowiązuje maksymalna prędkość we wszechświecie lub że grawitacja może spowolnić czas, tudzież że obserwowana w skali Plancka przestrzeń wyglądałaby jak bulgocząca piana, to niestety sprawy w skali kwantowej, w której atomy dzielą się lub wymieniają elektronami, wyglądają bardzo osobliwie.

W świecie, którego doświadczamy na co dzień, obiekty nie znikają nagle w jednym miejscu, by pojawić się w innym. Mój pies Woofler nie dematerializuje się nagle w sypialni, po czym natychmiast pojawia się w ogrodzie - bez względu na to, jak bardzo pragnąłby to zrobić. Podobnie obiekty mogą znajdować się tylko w jednym miejscu w tym samym czasie. Nie mogę być jednocześnie w biurze i w pubie, choćbym nie wiem jak się starał. Świat w bardzo małej skali, zamieszkany przez cząstki elementarne i atomy, jest jednak inny.

Całe promieniowanie elektromagnetyczne, takie jak światło widzialne, przemieszcza się w postaci fal. Jednak takie promieniowanie składa się z cząstek zwanych fotonami. Świat bardzo małych rzeczy jest dziwny, ponieważ fotony, a także inne cząstki, takie jak elektrony, poszczególne atomy, a nawet małe cząsteczki, są jednocześnie cząstkami i falami. Bycie dwiema rzeczami jednocześnie nie ma za wiele sensu z naszej perspektywy, bo zawsze jesteśmy jednym: ciałem. Lecz choć może to brzmieć niewiarygodnie, ty, ja, drzewa na wsi, samochody na drodze, planety i w istocie cały wszechświat jesteśmy zarówno obiektami stałymi, jak i falami. Fale tworzone przez te duże obiekty są miliardy razy mniejsze niż one same i nie wpływają na nasze codzienne życie, dlatego możemy je ignorować. Jednak robi się osobliwie wtedy, gdy fala jest większa niż sam obiekt, i to właśnie dzieje się z fotonami, elektronami i atomami. Obiekty, których fale są większe niż one same, wykazują to, co naukowcy nazywają zachowaniem kwantowym. Jednym ze sposobów wykazania tego zjawiska, zwanego również dualizmem korpuskularno-falowym, jest pewien zgrabny eksperyment.

Naukowcy niejednokrotnie przeprowadzali tak zwany eksperyment dwuszczelinowy, zawsze uzyskując ten sam wynik: wydaje się, że atomy znajdują się w dwóch miejscach jednocześnie. Aby wykonać eksperyment, należy mieć urządzenie do wystrzeliwania pojedynczych atomów w kierunku ekranu, który zarejestruje miejsce zderzenia. Urządzenie i ekran znajdują się w stałej pozycji. Następnie należy wziąć kawałek materiału z dwiema położonymi blisko siebie równoległymi pionowymi szczelinami i umieścić go między emiterem a ekranem. Szczeliny są wystarczająco szerokie, aby atomy mogły się przez nie przedostać. Teraz wystrzeliwujemy pojedyncze atomy w przesłonę z materiału i rejestrujemy, w których miejscach pojawiają się na ekranie.

Zacznijmy od wyobrażenia sobie, czego moglibyśmy się spodziewać, biorąc pod uwagę klasyczny świat, w którym żyjemy. Wyobraźmy sobie przeskalowanie tego eksperymentu w taki sposób, że strzelamy piłkami tenisowymi z wyrzutni przez szczeliny w materiale wprost na ekran obłożony rzepem. Każda piłka przeleci przez jedną lub drugą szczelinę i przylgnie do ekranu. W efekcie otrzymujemy dwie pionowe linie złożone z piłek tenisowych przyczepionych do ekranu, a wszystko determinuje pozycja wyrzutni i szczelin.

W świecie kwantowym niektóre z wystrzeliwanych atomów zdają się zachowywać jak piłki tenisowe. Opuszczają emiter, przechodzą przez jedną lub drugą szczelinę w arkuszu i pozostawiają po sobie ślad na ekranie. Ślad, szczelina i źródło będą znajdować się w jednej linii. Okazuje się wszakże, że to tylko kwestia przypadku, że kilka atomów zachowuje się jak piłki tenisowe, bo większość zachowuje się inaczej. Pojawią się inne pionowe linie uformowane przez ślady zderzeń między atomami a ekranem. Ukaże się zbiór wielu równoległych linii, oddzielonych przez obszary, w których nie zarejestrowano żadnych atomów. Przez którą szczelinę przeszedł atom, gdy ekran zarejestrował jego ruch za pomocą śladu, który nie znajduje się w linii prostej z urządzeniem ani jedną lub drugą szczeliną? Odpowiedź brzmi: przez obie. Każdy atom przechodzi przez obie szczeliny w tym samym czasie. To naprawdę niesamowity wniosek, biorąc pod uwagę naszą egzystencję w klasycznym świecie, w którym piłka tenisowa może przejść tylko przez jeden lub drugi otwór.

Każdy atom, a właściwie każdy obiekt, ma powiązaną z nim falę. Każda fala może być opisana matematycznie za pomocą tak zwanej funkcji falowej. Funkcja falowa dla lokalizacji dowolnego obiektu opisuje wszystkie możliwe miejsca, w których obiekt może się znajdować, nadając każdemu z nich określone prawdopodobieństwo. Duże obiekty o bardzo małych falach zawsze znajdują się w tym samym miejscu. Natomiast małe obiekty o dużych falach mogą przebywać w wielu miejscach. W przypadku atomu fala może być postrzegana jako opis wszelkiej możliwej przyszłości, gdyby został on zmuszony do ujawnienia swojego miejsca pobytu jako cząstka. Obiekty zdają się znajdować w dwóch miejscach, gdy fala jest większa niż cząstka. Kiedy wspominam o chmurze elektronów wokół jądra atomu, opisuję funkcję falową elektronów.

W filmie Faceci w czerni 3 Michael Stuhlbarg gra postać o imieniu Griffin, obcego z planety Archanan. Kosmici ci są przedstawieni jako istoty wielowymiarowe, które postrzegają nieskończoną liczbę alternatywnych osi czasowych i możliwych wersji przyszłości. Nie potrafią przewidzieć, która wersja przyszłości nastąpi, ale w miarę rozwoju wypadków niektóre wersje znikają i pojawiają się nowe. Griffin wykorzystuje tę zdolność, by pokierować facetami w czerni w stronę jedynej wersji przyszłości, która uratuje świat, zarazem przyznaje, że umiejętność dostrzegania tak wielu możliwości naraz jest trochę uciążliwa. Wyobrażam sobie. Dar Griffina przypomina trochę oglądanie funkcji falowych świata wokół. Widziane funkcje falowe zmieniają się w miarę upływu czasu, podobnie jak możliwe wersje przyszłości, bo niektóre stają się bardziej prawdopodobne, inne mniej. Fala cząstki to mniej więcej coś takiego. Jednak świat w ujęciu fizyki kwantowej jest jeszcze bardziej zdumiewający.

Można dokonać wielu pomiarów dotyczących atomu, elektronu i innych cząstek, w tym ich lokalizacji i prędkości poruszania się. Każda z tych właściwości ma funkcję falową, a różne funkcje falowe są powiązane. Oznacza to, że im więcej wiemy, na przykład o tym, gdzie może znajdować się cząstka, tym mniej wiemy o jej prędkości. Jeśli wiemy, gdzie znajduje się cząstka, nie wiemy nic o jej prędkości; jeśli wiemy, jak szybko się porusza, nie mamy pojęcia, gdzie się znajduje. Niezdolność do określenia obu tych właściwości jednocześnie nazywana jest zasadą nieoznaczoności Heisenberga, na cześć niemieckiego fizyka, który pierwszy ją opisał. Świat kwantowy opiera się na niepewnościach, które naukowcy mogą opisać za pomocą prawdopodobieństwa. Zachowanie kwantowe małych cząstek i atomów jest probabilistyczne i ostatecznie wszystko sprowadza się do tego, że ich fale są większe od nich samych.

Funkcja falowa, która opisuje prawdopodobieństwo, gdzie atom może się pojawić w eksperymencie dwuszczelinowym, tworzy tak zwany wzór interferencyjny i to właśnie są wielokrotne pionowe linie na ekranie oddzielone obszarami, w których nie ma atomów. Jednym ze sposobów wyobrażenia sobie wzoru interferencyjnego jest przyjrzenie się, jak zachowuje się woda. Wyobraźmy sobie falę wody płynącą w kierunku dwóch szczelin. Uderza ona w szczeliny i wyłania się po drugiej stronie. Z każdej szczeliny rozchodzą się półokrągłe fale. Każda z tych fal oddala się od swojej szczeliny, po czym nakłada się na fale powstające w drugiej szczelinie. Zderzenie tworzy wzór interferencyjny grzbietów i dolin w falach wody. Możemy zobaczyć coś podobnego, gdy na powierzchni wody spotykają się dwa kilwatery. Woda staje się wzburzona, wznosi się i opada. To samo zjawisko występuje w przypadku funkcji falowej atomu wystrzelonego z emitera. Funkcja falowa atomu też jest sinusoidalna, grzbiety ukazują miejsca, w których cząstka najpewniej się pojawi, a doliny to miejsca, w których jest to mało prawdopodobne. Pionowe prążki, które tworzą się na ekranie w eksperymencie dwuszczelinowym, to szczyty, podczas gdy ciemne pasy to doliny. Eksperyment ten to bardzo inteligentny sposób wykorzystania wielu atomów do określenia, jak wygląda funkcja falowa pojedynczego atomu.

Gdy atom jest wystrzeliwany ze źródła, tworzy falę, która przechodzi przez szczeliny, po czym cząstka wyłania się z fali w określonym miejscu detektora w postaci ekranu. Szczeliny muszą znajdować się blisko siebie, aby eksperyment się powiódł, a szerokość każdej z nich musi być zbliżona do długości fali cząstki - właściwości funkcji falowej - żeby powstał wzór interferencyjny. Kiedy te warunki są spełnione, eksperyment można powtarzać i zaobserwować efekty. Wszystko to rodzi pytanie: co sprawia, że cząstka wyłania się ze swojej fali i pojawia się w jednym miejscu na ekranie?

Gdy w trakcie eksperymentu dwuszczelinowego atom trafia w ekran, mówi się, że jego funkcja falowa ulega kolapsowi, a on pojawia się w określonej lokalizacji. To trochę tak, jakbyśmy opuszczali budynek jednocześnie przednimi i tylnymi drzwiami, po czym jak za dotknięciem czarodziejskiej różdżki pojawili się w jednym miejscu na ulicy. Funkcja falowa opisuje długość fali obiektu. Im większy obiekt, tym mniejsza staje się długość fali i obiekt ten pojawia się w jednym miejscu.

Na marginesie wypada dodać, że duże obiekty mogą zachowywać się jak małe cząstki, jeśli długości fal wszystkich atomów wchodzących w ich skład będą skorelowane w określony sposób, ale jest to bardzo trudne do osiągnięcia w przypadku obiektów większych niż pojedyncza cząsteczka. Przybliżoną analogią dla skorelowanych funkcji falowych jest rząd metronomów tykających w idealnej synchronizacji. W większości przypadków atomy w obiekcie nie są synchronizowane w ten sposób - bardziej przypominają rząd metronomów, z których każdy tyka niezależnie. To właśnie dzieje się w nas, w tobie i we mnie. Długość twojej fali wynosi około miliardowej części miliardowej części miliardowej części centymetra, bo funkcje falowe atomów nie są zsynchronizowane. Jesteś znacznie, znacznie większy i zachowujesz się jak ciało sztywne, dlatego możemy zignorować funkcję falową. Gdybyś mógł zharmonizować funkcje falowe wszystkich atomów w swoim ciele, zachowywałbyś się jak fala. Mógłbyś zachowywać się jak cząstka kwantowa, opuścić budynek przez rozmaite wyjścia i pojawić się w jednym miejscu na ulicy. Nie umiesz zsynchronizować funkcji falowych atomów, a to oznacza, że w twoim przypadku eksperyment dwuszczelinowy nie poskutkuje - nie zmieściłbyś się w niezwykle wąskich szczelinach, co jest wymogiem przeprowadzenia eksperymentu. Byłoby to jak przeprowadzanie wielbłąda przez ucho igielne. Eksperyment dwuszczelinowy sprawdza się wyłącznie w przypadku obiektów, które mają długość fali większą od siebie, a są to cząstki i atomy. Na przykład długość fali elektronu jest kilka tysięcy razy większa niż sama ta cząstka.

Gdy w trakcie eksperymentu dwuszczelinowego atom przechodzi przez szczelinę i napotyka ekran detektora, tworzy chemiczne wiązania z detektorem, łącząc się ze znacznie większym obiektem. Atom i ekran mają określoną długość fali, ponieważ jednak długości fal atomów na ekranie nie są zsynchronizowane, atom pojawia się teraz tylko w jednym miejscu jako część ekranu. Gdyby atom został uwolniony z detektora, odzyskałby swoje właściwości kwantowe. Gdy atomy łączą się, tworząc cząsteczki, a cząsteczki łączą się, tworząc duże obiekty, które możemy zobaczyć, ich długości fal zwykle stają się nieistotne dla ich zachowania. Obiekty zachowują się jak przedmioty, które znamy z codziennego życia, a nie jak cząstki w świecie kwantowym.

Przy opisywaniu wczesnego wszechświata wspomniałem o mikrofalowym promieniowaniu tła, a więc najstarszym promieniowaniu w kosmosie. Zaznaczyłem, że to promieniowanie ma fluktuacje. Kosmolodzy uważają, że ta zmienność pochodzi z bardzo wczesnego etapu istnienia wszechświata, kiedy był on tak mały, że jego funkcja falowa była większa niż on sam.

Amplitudy tej kwantowej funkcji falowej uległy zwiększeniu, kiedy wszechświat gwałtownie się rozszerzył, co spowodowało zmiany w rozkładzie materii. Z czasem te różnice w gęstości materii doprowadziły do powstania galaktyk zawierających miliardy gwiazd oraz bezgwiezdnych obszarów pomiędzy nimi. Wielkoskalowa struktura naszego rozległego wszechświata wynika najpewniej z jego zachowania kwantowego, gdy był jeszcze niewyobrażalnie mały.

Zachowanie kwantowe atomów jest bardzo osobliwe, nie wyjaśniłem jednak dotąd, jak pomaga nam ono zrozumieć wchodzenie atomów w interakcje. Nie mogłem tego pojąć w czasach szkolnych, bo nikt nas tego nie uczył. W rzeczywistości zdałem sobie sprawę, że tylko trzy rzeczy pozostały mi w pamięci z tych lekcji. Po pierwsze, pamiętam chłopaka o imieniu Gary, który w wyniku eksperymentu wypełnił klasę gazem o gryzącej woni, aż wszyscy zaczęli kaszleć i ewakuowano całe skrzydło budynku. Na wszystkich pozostałych lekcjach chemii Gary usiłował powtórzyć ten wyczyn, ale bez powodzenia. Po drugie, pamiętam, jak powiedziałem mojemu przyjacielowi Mike'owi, że gdyby podłączył palnik Bunsena do kranu z wodą, prawdopodobnie spowodowałoby to wystrzelenie potężnego strumienia wody, który trafiłby nauczyciela stojącego pięć metrów dalej. Nie uwierzył mi, więc podłączył palnik do kranu, ale nie miał odwagi, by wycelować w nauczyciela. Po prostu odkręcił kran z wodą, a palnik stał na blacie. Woda uderzyła w sufit i przez resztę lekcji kapała na nas z góry. Po trzecie, uczono nas, że atomy są trochę jak Układ Słoneczny - jądro w centrum, a dokoła krążą cząstki zwane elektronami, które zachowują się jak planety. Lepiej byłoby zapamiętać coś bardziej wartościowego niż pierwsze dwa zdarzenia, zaś trzeci "fakt" niezbyt odpowiada prawdzie.

Owszem, trafnym elementem analogii do Układu Słonecznego jest to, że większość atomu to pusta przestrzeń, ale na tym koniec. Atomem o najprostszej budowie jest atom wodoru, składający się z jednego protonu i jednego elektronu. Gdybyśmy powiększyli proton do wielkości Słońca, to elektron znajdowałby się najprawdopodobniej dziesięć razy dalej niż Pluton w stosunku do Słońca. To bardzo długa droga. Merkury z kolei, najbliższa Słońcu planeta, byłby bliżej jądra, niż spodziewalibyśmy się znaleźć jakikolwiek elektron, gdyby Układ Słoneczny miał wielkość atomu.

Mówienie w kategoriach prawdopodobieństwa - na przykład "najbardziej prawdopodobna pozycja elektronu" - brzmi dziwnie, szczególnie kiedy myślimy o planetach. O wiele łatwiej byłoby napisać, że elektron "znajduje się dziesięć razy dalej niż Pluton od Słońca", zamiast że "jest to jego najbardziej prawdopodobna pozycja". Niestety, podobnie jak nie wiemy, gdzie znajduje się atom, gdy wystrzelony opuszcza emiter i jeszcze nie trafił w ekran w ramach eksperymentu dwuszczelinowego, tak samo nie wiemy, gdzie znajduje się elektron względem jądra atomu. Wiemy tylko, gdzie mniej więcej powinien być, a to oznacza, że musimy mówić w kategoriach prawdopodobieństwa. W konsekwencji nie potrafimy opisać elektronu jako krążącego wokół jądra atomu. Jego funkcja falowa jest rozmazana wokół jądra, a on sam mógłby pojawić się w dowolnym miejscu tej funkcji, gdyby pojawić się musiał. Aby opisać tę złożoność, chemicy używają określenia "orbital". Elektrony tworzą orbitale wokół jąder atomu i zachodzi prawdopodobieństwo, że znajdują się w dowolnym punkcie tego orbitala. Gdyby planety tworzyły orbitale, a nie orbity, ukazywałyby się jako mgła rozmazana po nocnym niebie. W niektórych miejscach ta mgła byłaby gęstsza niż gdzie indziej - jej natężenie oznaczałoby miejsca, w których pozycja planety jest najbardziej prawdopodobna. Prawdopodobieństwo komplikuje sprawę, ale przecież wszyscy czasem używamy kategorii prawdopodobieństwa w naszym codziennym życiu.

W mojej rodzinie nie używa się telefonów komórkowych do śledzenia siebie nawzajem, dlatego w tej chwili, pisząc w swoim gabinecie, nie mam pojęcia, gdzie znajduje się moja żona Sonya czy troje naszych dzieci, Sophie, Georgia i Luke. Mogę natomiast domniemywać, że Sonya pracuje w biurze, wybrała się na zakupy lub na kawę z koleżankami, lecz żeby nie zaszkodzić naszemu szczęściu małżeńskiemu, nie określę prawdopodobieństwa tych trzech ewentualności. Luke prawdopodobnie jest w szkole, ale jeśli dopisuje pogoda i akurat odwołano lekcję, może być w skateparku lub robi zdjęcia w ramach swojego projektu fotograficznego. Elektrony prowadzą mniej ekscytujące życie niż członkowie mojej rodziny, jednak w stosunku do nich chemicy potrafią określić prawdopodobieństwo znalezienia się w dowolnym miejscu wokół jądra w taki sam sposób, w jaki ja mogę domniemywać o miejscu pobytu mojej żony czy dzieci.

Typowy atom wodoru składa się z jednego protonu, który tworzy jądro, oraz jednego elektronu. Funkcja falowa, która opisuje, gdzie może znajdować się elektron, wskazuje na dowolne miejsce wokół jądra, określając zarazem, że o wiele bardziej prawdopodobne jest, że elektron znajduje się w zakresie odległości pośrednich, a nie bliżej czy dalej.

ATOM WODORU

Poziom energetyczny elektronu determinuje jego funkcję falową oraz orbital wokół jądra, a w konsekwencji odległość, w jakiej elektron może znajdować się od protonu. Elektrony o większej energii znajdują się w bardziej odległych miejscach niż te o energii słabszej.

Elektrony są przyciągane do jądra i lubią się znajdować na najbliższym orbitalu. Aby tak było, muszą mieć jak najmniej energii. Atom wodoru składający się z protonu i wysokoenergetycznego elektronu na odległym orbitalu traci energię, a elektron znika z odległego orbitala i pojawia się na bliższym. To foton niesie z atomu energię wytworzoną przez elektron. Kiedy to się dzieje, elektron znika z zewnętrznego orbitala i pojawia się na bardziej wewnętrznym.

Elektrony mają właściwość zwaną spinem, z której wynika, z jaką prawidłowością układają się w atomach pierwiastków mających więcej niż jeden elektron. Spin sprowadza się do tego, jak porusza się elektron, ale jego matematyczna definicja jest dość skomplikowana. Istnieją dwa rodzaje spinów - skierowany do góry i skierowany w dół. Dobrą analogią byłoby wyobrażenie sobie, że elektron o spinie skierowanym w górę wiruje zgodnie z ruchem wskazówek zegara, a elektron o spinie skierowanym w dół obraca się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. Ale podobnie jak "powab" i "kolor" w świecie fizyki kwantowej, "spin" także nie ma idealnego odpowiednika w języku codziennym. Elektrony nie obracają się jak lecąca piłka do krykieta.

Każdy orbital może zawierać maksymalnie dwa elektrony, ale muszą to być dwa elektrony o przeciwnym spinie. Orbitale są rozmieszczone wokół atomów w strukturach zwanych powłokami. Powłoka znajdująca się najbliżej jądra zawiera jeden orbital, druga zawiera cztery orbitale, trzecia dziewięć, czwarta szesnaście, piąta dwadzieścia pięć, a szósta trzydzieści sześć. Powłoki od pierwszej do szóstej mogą odpowiednio posiadać maksymalnie dwa, osiem, osiemnaście, trzydzieści dwa, pięćdziesiąt i siedemdziesiąt dwa elektrony.

Wodór ma jeden elektron na pierwszej powłoce, podczas gdy hel, drugi najlżejszy pierwiastek, którego jądro atomu składa się z dwóch protonów i dwóch neutronów, ma dwa elektrony na pierwszej powłoce - jeden o spinie skierowanym górę i jeden o spinie skierowanym w dół. Atom litu, następnego w kolejności najlżejszego pierwiastka, ma jądro składające się z trzech protonów i czterech neutronów, a w konsekwencji ma trzy elektrony, ponieważ atom ma taką samą liczbę protonów i elektronów. Zawiera dwa elektrony na pierwszej powłoce i jeden na drugiej. Oganeson ma dwa elektrony na pierwszej powłoce, osiem na drugiej, osiemnaście na trzeciej, trzydzieści dwa na czwartej, trzydzieści dwa na piątej, osiemnaście na szóstej i osiem na siódmej. Tak przynajmniej przewidują chemicy, albowiem żaden atom oganesonu nie istniał wystarczająco długo, aby dokładnie określić konfigurację jego elektronów.

Lżejsze pierwiastki całkowicie wypełniają swoje wewnętrzne powłoki przed przejściem do następnej w kolejności od jądra. Cięższe pierwiastki wypełniają swoje powłoki w bardziej skomplikowany sposób. Na przykład w przypadku oganesonu 118 elektronów jest rozmieszczonych na siedmiu powłokach, ale zmieściłyby się na sześciu. Cięższe pierwiastki wypełniają swoje powłoki w bardziej złożony sposób, gdyż powłoki położone dalej od jądra dzielą się na podpowłoki, a ilość energii potrzebnej elektronowi do zajęcia orbitala różni się między podpowłokami. Czasem elektron potrzebuje mniej energii, żeby znaleźć się na niskoenergetycznej podpowłoce powłoki położonej dalej od jądra niż na wysokoenergetycznej położonej bliżej. Czytając to, co napisałem powyżej, rozumiem już, dlaczego w programie nauczania chemii w mojej szkole pominięto te szczegóły i pośpiesznie sięgnięto po naciąganą analogię do Układu Słonecznego. Atomy to sprawa skomplikowana. A jednak cała ta złożoność pozwala chemikom przewidzieć, jak atomy różnych pierwiastków będą reagować ze sobą, a te reakcje mają fundamentalne znaczenie dla naszego istnienia.

Atomy są najbardziej stabilne, gdy mają jak najmniej energii. Atom w tym stanie podstawowym ma elektrony zajmujące najmniej energetyczny orbital. Jeśli atom jest wzbudzony i jeden elektron zostaje wypchnięty do orbitala o wyższej energii, to powróci do stanu podstawowego tak szybko, jak to możliwe poprzez emisję fotonu. Atom wodoru z jednym elektronem na drugiej powłoce nie znajduje się w stanie podstawowym, a elektron będzie chciał utracić energię, uwalniając foton, co umożliwi elektronowi zniknięcie z zewnętrznej powłoki i pojawienie się na najbardziej wewnętrznej. Uwolniony foton ma długość fali określoną przez jego poziom energetyczny. W przypadku elektronu na drugiej powłoce atomu wodoru uwolniony foton, kiedy atom powraca do stanu podstawowego, znajduje się w widmie ultrafioletowym, którego nie widzimy gołym okiem. Mniej energii zostaje uwolnione, gdy elektron przemieszcza się z trzeciej powłoki atomu wodoru do powłoki drugiej, a fotony, które są uwalniane, gdy to się dzieje, mają w konsekwencji mniej energii. Mają większą długość fali i wydają się nam czerwone.

Nawet jeśli atomy są w stanie podstawowym, to i tak mogą być reaktywne. Atomy wykazują najmniejszą reaktywność, kiedy powłoki, następnie podpowłoki i orbitale są zapełnione elektronami. Samotny elektron w orbitalu sprawia, że niektóre pierwiastki są wysoce reaktywne. Wodór, lit, sód, potas, rubid, cez i wapń to pierwiastki z jednym elektronem na najbardziej zewnętrznej powłoce, gdy znajdują się w stanie podstawowym. Widzimy je po lewej stronie układu okresowego pierwiastków. W temperaturze pokojowej wodór jest gazem, ale wszystkie pozostałe pierwiastki są stałe i łącznie nazywane metalami alkalicznymi. Gdy metal alkaliczny przekazuje elektron ze swojej najbardziej zewnętrznej powłoki innemu atomowi, staje się jonem dodatnim. Oznacza to, że ma więcej protonów w jądrze niż elektronów na powłokach i to nadaje mu ładunek dodatni. Jon dodatni nazywa się kationem i przyciągają go ładunki ujemne.

Fluor, chlor, brom, jod, astat i tenes mają o jeden elektron za mało, by posiadać zapełnioną podpowłokę lub powłokę zewnętrzną, i zwane są fluorowcami. Występują po prawej stronie układu okresowego pierwiastków. W przeciwieństwie do metali alkalicznych nie chcą stracić elektronu, lecz go pozyskać, a kiedy tak się dzieje, stają się anionami o ujemnym ładunku elektrycznym. Są przyciągane przez ładunki dodatnie. Co się dzieje, gdy atomy metali alkalicznych i fluorowców się spotykają? Elektron z atomu metalu jest przekazywany do atomu fluorowca i powstaje związek chemiczny. Związek powstaje poprzez wiązanie chemiczne zwane jonowym - to silna forma wiązania elektrostatycznego. Ściśle mówiąc, związki utworzone wyłącznie przez wiązania jonowe nie są cząsteczkami, chociaż to rozróżnienie jest często pomijane w języku potocznym. Chlorek sodu jest związkiem, ale najprawdopodobniej znamy go raczej jako sól.

Chlorek sodu powstaje przez zmieszanie sodu i chloru. Atomy sodu oddają elektrony ze swych zewnętrznych powłok, aby wypełnić zewnętrzną powłokę atomów chloru. Atom sodu zyskuje ładunek dodatni, a atom chloru ujemny i przyciągają się nawzajem. Kiedy dużo jonów sodu i chloru wiąże się jonowo, powstają kryształki soli. Gdy sól jest wytwarzana w laboratorium z chloru gazowego i sodu metalicznego, często trzeba zapewnić trochę dodatkowej energii, aby rozpocząć reakcję, ale kiedy to już się stanie i pary atomów sodu i chloru przekazują elektron, reakcja generuje energię, którą można zobaczyć jako jasnożółte światło. Ilość energii wymagana do zainicjowania reakcji chemicznej nazywa się energią aktywacji.

Wiązanie jonowe to tylko jeden rodzaj wiązań chemicznych. Inny sposób łączenia atomów to wiązania kowalencyjne, kiedy następuje uwspólnienie elektronów przez atomy. Cząsteczki wody składają się z dwóch atomów wodoru i jednego atomu tlenu połączonych kowalencyjnie. Wiązania te powodują, że każdy z trzech atomów wypełnia swoje zewnętrzne powłoki, choć dzielą się elektronami. Im więcej elektronów współdzielonych między atomami, tym silniejsze wiązanie kowalencyjne. Widać to ładnie na przykładzie atomów węgla, kiedy to ich pary wiążą się poprzez współdzielenie jednego, dwóch lub trzech elektronów. Znacznie trudniej jest rozdzielić atomy węgla, gdy współdzielą trzy elektrony, niż wtedy, gdy współdzielą dwa. Tak samo trudniej jest rozdzielić atom o podwójnym wiązaniu niż o pojedynczym. Kiedy atomy pierwiastków łączą się poprzez wiązania kowalencyjne, wtedy tworzą cząsteczki.

Chemicy dzielą wiązania kowalencyjne na dwa rodzaje: spolaryzowane i niespolaryzowane. Wiązania pomiędzy parami atomów węgla są niespolaryzowane, gdy elektrony zostają równo podzielone między dwoma atomami. Funkcja falowa opisująca, w którym miejscu może znajdować się elektron, będzie symetryczna pomiędzy dwoma atomami. Gdybyśmy mogli zmusić wspólny elektron do pojawienia się, przez połowę czasu będzie on bliżej jednego z atomów, a przez połowę - bliżej drugiego. Wiązania spolaryzowane dotyczą przypadków, w których istnieje średnio większe prawdopodobieństwo znalezienia elektronu bliżej jednego z atomów niż drugiego. Woda jest takim przykładem. Każdy współdzielony elektron wykazuje większe prawdopodobieństwo przebywania bliżej atomu tlenu niż atomu wodoru.

Wiązania spolaryzowane oznaczają, że niektóre części cząsteczek mają skłonność do uzyskiwania ładunków dodatnich lub ujemnych. Te naładowane obszary nazywają się dipolami, a przeciwnie naładowane dipole mogą się przyciągać, tworząc słabe wiązania elektrostatyczne. W wodzie biegun tlenu jest dipolem o ładunku ujemnym, ponieważ blokuje współdzielone elektrony, podczas gdy atomy wodoru są dipolem o ładunku dodatnim. Dodatni ładunek pozwala atomowi wodoru tworzyć słabe wiązania z dipolem tlenu o ładunku ujemnym, a tego typu wiązania nazywane są wiązaniami wodorowymi. Chociaż słabe w porównaniu z wiązaniami jonowymi, wiązania wodorowe są stosunkowo silne jak na wiązania elektrostatyczne. Mają również niezwykłe znaczenie dla życia. Gdyby chemia nie funkcjonowała w ten sposób, ty i ja byśmy nie istnieli.

To właśnie na skutek wiązań wodorowych lód unosi się na wodzie. Gdy woda znajduje się w stanie ciekłym, atomy w niej zawarte są w nieustannym ruchu. Mają dość energii, by wiązania wodorowe tworzyły się na krótko, a cząsteczki często zderzają się ze sobą. Gdy woda się ochładza i następuje utrata energii, zaczyna tworzyć sieć krystaliczną. Dzieje się tak, ponieważ atomy wodoru w jednej cząsteczce wody tworzą wiązania wodorowe z atomami tlenu w innych cząsteczkach wody, w wyniku czego powstaje sześcioboczna sieć krystaliczna. Wiązania wodorowe utrzymują cząsteczki wody w rozdzieleniu, w wyniku czego powstaje ciało stałe z wieloma szczelinami między cząsteczkami. Duża pusta przestrzeń sprawia, że lód ma mniejszą gęstość niż woda. Bez wiązań wodorowych lód nie unosiłby się na wodzie ani w ginie z tonikiem. Związki na ogół nie zachowują się w ten sposób. Większość z nas nie zastanawia się nad zachowaniem wody, ale jest ono dość niezwykłe.

Ostatnią właściwością atomu, która determinuje jego reaktywność, jest wielkość, gdyż wpływa ona na to, jak łatwo dochodzi do współdzielenia, oddawania lub przyjmowania elektronów. Im więcej protonów i elektronów ma metal alkaliczny, tym łatwiej oddaje elektrony. Potas jest bardziej reaktywny niż jego lżejszy odpowiednik sód, ponieważ może oddać swój jedyny elektron na zewnętrznej powłoce przy mniejszym wysiłku. Dla odróżnienia najmniejsze fluorowce najłatwiej przyjmują elektrony, a najbardziej reaktywnym spośród nich jest fluor. Ponieważ jest mały, a wszystkie jego elektrony znajdują się blisko jądra, świetnie przyjmuje elektrony z innych związków, co czyni go bardziej reaktywnym niż jego kuzyn chlor, który jest cięższy.

Fluor jest tak reaktywny, że występuje w dwóch najbardziej niebezpiecznych związkach chemicznych na naszej planecie. Najsilniejszy kwas na świecie to kwas fluoroantymonowy, czyli mieszanina dwóch cząsteczek, które zawierają fluor: pentafluorku antymonu i fluorowodoru. Najsilniejszy kwas, na jaki natykamy się w naszym codziennym życiu, to kwas siarkowy, który może nam poparzyć skórę. Kwas fluoroantymonowy jest blisko 10 biliardów (czyli 1 z 16 zerami) razy silniejszy niż kwas siarkowy. Reaguje gwałtownie z prawie wszystkim i niezwykle trudno jest go przechowywać, bo wymaga pojemników wykonanych ze związków takich jak teflon, które nie ulegają korozji.

Trifluorek chloru to drugi oparty na fluorze związek, który jest wysoce reaktywny. Składa się z trzech atomów fluoru i jednego atomu chloru połączonych wiązaniem kowalencyjnym. Jego elektrony ułożone są w taki sposób, że jest bardzo niestabilny. Spala azbest, związek, który był powszechnie stosowany jako środek przeciwpożarowy w połowie XX wieku. Można nim nawet podpalić popiół powstały ze spalonego drewna. Chociaż związek ten jest wysoce reaktywny, stosuje się go w niewielkich ilościach w paliwie rakietowym i branży komputerowej. W życiu codziennym uważany jest za bezpieczny na poziomie 0,1 części na milion, co oznacza bardzo duże rozcieńczenie. W latach pięćdziesiątych wyprodukowano 900 kilogramów czystego trifluorku chloru. Powstało spore zagrożenie, kiedy podczas przenoszenia w magazynie substancja została nieumyślnie rozlana. Przepaliła trzydziestocentymetrową warstwę betonu i dziewięćdziesięciocentymetrową warstwę żwiru, po czym wszystkie cząsteczki weszły w reakcję i ogień się wypalił.

Wysoce reaktywne cząsteczki rzadko występują w przyrodzie, ponieważ szybko reagują z innymi cząsteczkami, tworząc coś bardziej stabilnego. Życie nie wykorzystuje silnie wybuchowych związków, takich jak trifluorek chloru, 1-diazydokarbamoilo-5-azydotetrazol czy kwas fluoroantymonowy. Życie wprawdzie wymaga energii - a wysoce reaktywne cząsteczki łatwo ją uwalniają - ale znalazło znacznie łatwiejsze sposoby wykorzystania chemii.

Jeśli fizyka jest sposobem wszechświata na przekształcanie energii w atomy, to chemia jest sposobem, w jaki kosmos przekształca pierwiastki w życie. Życie okazuje się wybredne, jeśli chodzi o wykorzystywanie pierwiastków. Żelazo stanowi prawie jedną trzecią masy naszej planety, ale mniej niż 0,01 procent naszego ciała. Tlen to drugi najobficiej występujący pierwiastek na Ziemi, stanowiący 30 procent jej masy, ale w ludzkim organizmie jest go jeszcze więcej - stanowi 65 procent jego masy. Krzem, magnez, siarka i nikiel są jednymi z najbardziej rozpowszechnionych pierwiastków na Ziemi, jednak życie wykorzystuje je w niewielkim stopniu, ledwie w ułamku procenta. Być może powstaliśmy z pyłu gwiezdnego, ale życie wybiórczo sięga po to, co chce wykorzystać.

Węgiel to pierwiastek absolutnie niezbędny do życia na Ziemi i prawdopodobnie do życia w innych częściach wszechświata, jeśli ono tam występuje. Pod względem wagi jesteśmy węglem w 18,5 procent. Atom węgla ma sześć protonów i sześć elektronów oraz od dwóch do szesnastu neutronów. Większość atomów węgla ma sześć neutronów i występuje w izotopie znanym jako węgiel-12, a w przyrodzie znajdujemy jeszcze tylko dwa inne izotopy, węgiel-13 i węgiel-14. Węgiel-14 jest słabo radioaktywny i rozpada się na azot-14, a właściwość tę archeolodzy wykorzystują do datowania znalezisk. Wszystkie inne izotopy węgla zostały stworzone w laboratoriach i są niestabilne.

Gdy węgiel znajduje się w stanie podstawowym, ma dwa elektrony na wewnętrznej powłoce i cztery na powłoce drugiej. W rezultacie może utworzyć do czterech wiązań kowalencyjnych z innymi atomami poprzez współdzielenie elektronów. Atom węgla jest mały, toteż tworzone wiązania kowalencyjne są dość silne, umożliwiając powstawanie stabilnych związków. Każdy atom może łączyć się na kilka sposobów, tworząc związki o bardzo różnych właściwościach. Na przykład pod wysokim ciśnieniem każdy atom węgla może tworzyć pojedyncze wiązanie z czterema innymi atomami węgla w strukturze trójkątnej piramidy, czworościanu, i wtedy powstaje diament. W odróżnieniu od tego przy niskim ciśnieniu (i odpowiedniej temperaturze) tworzy się grafit. W tej cząsteczce, która ma szaroczarny kolor, każdy atom węgla łączy się z trzema innymi atomami węgla poprzez skomplikowane współdzielenie elektronów. Tworzy się arkusz połączonych atomów węgla, a arkusze te utrzymywane są razem warstwowo przez wiązania elektrostatyczne, mając strukturę podobną do ryzy papieru.

Atomy węgla nie tylko łączą się z innymi atomami węgla, ale mogą też tworzyć wiązania kowalencyjne z atomami innych pierwiastków, w tym z niektórymi metalami. W świecie przyrody węgiel często wiąże się z atomami azotu, wodoru i tlenu, a ponieważ może tworzyć wiele wiązań kowalencyjnych, często powstają duże cząsteczki, które są tak ważne dla życia.

Nie ma cząsteczki, która byłaby lepszym synonimem życia niż kwas dezoksyrybonukleinowy. Pojedyncza cząsteczka DNA może zawierać miliardy atomów. Każda cząsteczka DNA zawiera część kodu genetycznego do tworzenia organizmów, czy będą to bakterie, rośliny, grzyby czy zwierzęta. Cząsteczki te są stabilne, a DNA nie reaguje z innymi cząsteczkami, aby zmienić swoją strukturę atomową - to dobrze, ponieważ gdyby było inaczej, instrukcja samodzielnego montażu ludzkiego ciała szybko by przepadła. Wiele innych cząsteczek życia jest stabilnych w podobny sposób. Magazynujemy energię w postaci cząsteczek tłuszczu, które mogą być przechowywane aż do momentu, gdy staną się potrzebne do uwolnienia energii. Pozostają stabilne w naszych komórkach, dopóki nie potrzebujemy energii, a następnie mogą zostać rozłożone. Białka, które są wołami roboczymi życia, również wykazują stabilność, raz po raz ułatwiając inne reakcje. Chemia życia polega na kontrolowaniu reakcji w celu rozłożenia cząsteczek, aby powstała energia, lub wykorzystaniu energii do budowy komórek i struktur, takich jak kości i mózg.

Podobnie jak wszystkie reakcje chemiczne, te potrzebne do życia również charakteryzują się określoną energią aktywacji. Cząsteczki, które łatwo reagują ze sobą, tworzą reakcje o bardzo niskiej energii aktywacji, podczas gdy inne, takie jak rozłożenie cząsteczek wody na wodór i tlen, wymagają więcej energii. Uruchomiona reakcja chemiczna może oddać energię lub pobrać ją z otoczenia. Reakcja generująca energię uwalnia ciepło i światło i jest określana jako egzotermiczna. W przeciwieństwie do tego reakcja wykorzystująca ciepło jest endotermiczna. Jeśli coś spalamy, tworzymy reakcję egzotermiczną, podczas gdy fotosynteza, a więc reakcje chemiczne wykorzystywane przez rośliny do życia i rozwoju, jest przykładem reakcji endotermicznej, ponieważ stosuje fotony, cząstki przenoszące energię, do zasilania wytwarzania cukrów potrzebnych roślinie do wzrostu.

Życie wykorzystuje zarówno reakcje egzotermiczne, jak i endotermiczne - ponadto wymyśliło sprytną sztuczkę, aby zmniejszyć energię aktywacji wielu z nich. Robi to za pomocą tak zwanych enzymów. Enzymy są prawie zawsze białkami, cząsteczkami zbudowanymi z długich łańcuchów mniejszych cząsteczek zwanych aminokwasami, które tworzą duże, złożone struktury. W organizmie biliony enzymów są aktywne w tym samym czasie. Są one odpowiedzialne za łączenie cząsteczek w celu powstania ciała, a także za rozbijanie cząsteczek podczas spalania żywności, aby zapewnić energię potrzebną do codziennego życia. Enzymy są niezwykłe - bez nich nie byłoby życia.

Enzymy są duże i złożone, przyjmują skomplikowane trójwymiarowe kształty. Często mają doliny i kanały i osobliwie uformowane wypukłości. Niewielka liczba aminokwasów w tych strukturach tworzy tak zwane miejsce wiązania, które jest specyficzne dla każdego enzymu i w którym zachodzi uproszczona reakcja chemiczna. Miejsce wiązania umożliwia enzymowi tworzenie wiązań elektrostatycznych z określoną substancją chemiczną, która jest kluczem do katalizowanej przez niego reakcji.

Katalizator to dowolny związek, który może przyśpieszyć reakcję chemiczną - ułatwia ją poprzez obniżenie wymaganej energii aktywacji. Enzymy są katalizatorami najczęściej wykorzystywanymi przez życie, ale katalizatory odgrywają również rolę w chemii nieorganicznej. Cząsteczka, którą enzym rozbija lub buduje, nazywana jest substratem - enzym zmienia strukturę substratu. Niektóre enzymy zarządzają samą reakcją chemiczną, podczas gdy pozostałe używają innych cząsteczek zwanych kofaktorami. Enzym wiąże się z substratem, obniża energię aktywacji, wyzwala reakcję, następnie uwalnia produkty końcowe, które mogą być nowym budulcem dla naszego ciała, paliwem do uruchomienia komórek lub do usunięcia cząsteczek. Sam enzym nie ulega chemicznym zmianom w wyniku reakcji - trwa, aby wielokrotnie powtarzać katalizowaną reakcję.

Substrat może wiązać się z aktywnym miejscem białka tylko w jeden sposób. W przypadku niektórych enzymów substrat ściśle przylega do miejsca, trochę jak w układance 3D. W innych przypadkach substrat lub enzym - albo jeden i drugi - tymczasowo zmieniają kształt, aby umożliwić ścisłe wiązanie. Wiązanie ma zwykle charakter wodorowy lub inny charakter słabych wiązań elektrostatycznych. Jednak niektóre enzymy tworzą tymczasowe niespolaryzowane, a niekiedy spolaryzowane wiązania kowalencyjne. Gdy miejsce aktywne i substrat są związane, mogą wystąpić różne procesy, by uruchomić reakcję. Niektóre z nich mają bardzo złożony charakter, są więc poza naszym zainteresowaniem, inne jednak łatwiej zrozumieć.

Gdy substrat zostaje zmuszony do zmiany kształtu przez enzym, powoduje to obciążenie kowalencyjnych wiązań elektronowych, ułatwiające ich rozbicie przez kofaktor lub inną część białka, która może przekazać lub pobrać protony albo elektrony. W innych przypadkach enzym ukierunkowuje substrat w taki sposób, aby ułatwić innym cząsteczkom uczestniczącym w reakcji dostosowanie się i zareagowanie lub połączenie się z substratem. Niezależnie od procesu energia aktywacji potrzebna do reakcji zostaje zmniejszona, a reakcja ulega przyśpieszeniu.

Przyśpieszenie reakcji chemicznych katalizowanych przez enzymy bywa dość niezwykłe - niekiedy wynosi kilka milionów razy. Wykazały to pewne analizy dawnych skamielin. Sześćdziesiąt osiem milionów lat temu padła samica tyranozaura. Nie wiemy, jak to się stało - to jedno z niewielu zwierząt, które skamieniały. Co ciekawe, przetrwały nawet niektóre mięśnie i ścięgna. W 2007 roku Mary Schweitzer, paleontolog molekularna z Uniwersytetu Stanowego Karoliny Północnej, poddała tkankę analizie, wystawiając jej odrobinę na działanie enzymu zwanego kolagenazą. Enzym ten rozłożył cząsteczki kolagenu w tkance miękkiej w ciągu kilku godzin.

Kolagen to wytrzymałe białko, które odgrywa kluczową rolę w budowie ciała. Występuje w skórze, chrząstkach, ścięgnach i kościach. Bez kolagenazy trudno rozbić kolagen - między innymi dlatego chrząstki i ścięgna mogą pozostać twarde i żylaste nawet po ugotowaniu mięsa. Właśnie dlatego te części organizmów zwierzęcych należą też do najwolniej rozkładanych przez drobnoustroje. Pomimo znanej wytrzymałości kolagenu wnioski wypływające z dokonanej przez Schweitzer analizy mikroskopijnych pozostałości tkanki miękkiej liczących miliony lat okazały się kontrowersyjne i tak jest do dziś. Niektórym badaczom udało się uzyskać podobne wyniki, innym - nie. Nauka często funkcjonuje w ten sposób. Obowiązuje zasada, że wysuwane twierdzenia wymagają wielu niezależnych weryfikacji, dopiero potem mogą być ogólnie przyjęte. Nie wszyscy badacze w dziedzinie biologii molekularnej i paleontologii są gotowi zaakceptować ustalenia Mary Schweitzer i jej współpracowników, ale o ile się orientuję w sytuacji, wahadło przesunęło się na jej korzyść. Coraz więcej naukowców, w tym ja, jest przekonanych, że badaczka ma rację.

Zdecydowałem się wspomnieć o tych odkryciach, choć są bardziej kontrowersyjne niż reszta tego rozdziału. Jeśli wytrzymają próbę czasu, pokażą, że enzym może wywołać reakcję z substratem, który pozostał stabilny przez prawie 70 milionów lat. Przed ustaleniami dokonanymi przez Schweitzer wiadomo było, że kolagenaza przyśpiesza rozpad kolagenu dziesiątki razy, ale analiza pozostałości tyranozaura sugeruje, że ta wartość może być znacznie większa.

Gdy enzym taki jak kolagenaza katalizuje reakcję chemiczną, musi uwolnić produkt. Wszelkie tymczasowe wiązania chemiczne między enzymem a wytworzonymi produktami muszą zostać zerwane. Czasami samo przekształcenie ładunku w zmodyfikowanym substracie może wystarczyć, by produkty się oddzieliły i rozproszyły, ale w innych przypadkach potrzeba czegoś więcej. Po reakcji enzym może powrócić do pierwotnego stanu sprzed wiązania, pomagając uwolnić nowy produkt. Enzym jest ponownie gotowy do ułatwienia reakcji z nową cząsteczką substratu.

Reakcje chemiczne są regulowane przez oddziaływanie elektromagnetyczne. Gdyby oddziaływanie elektromagnetyczne było znacznie silniejsze lub słabsze, powłoki elektronowe oraz dodatnie i ujemne ładunki kationów i anionów miałyby inne wartości i życie byłoby niemożliwe. Gdyby atomy mocniej lub słabiej utrzymywały swoje elektrony, wiele reakcji chemicznych nie mogłoby zajść lub wymagałoby to znacznie wyższych temperatur i ciśnień. Nasze istnienie zawdzięczamy chemii, a chemia funkcjonuje tak, a nie inaczej właśnie z powodu oddziaływania elektromagnetycznego.

Właściwie w tym rozdziale ledwie poskrobałem po powierzchni współczesnej chemii, niemniej poruszyłem kwestię tego, jak zachowują się atomy, jak współdzielą się elektronami i dlaczego zachodzą reakcje chemiczne oraz powstają cząsteczki. Procesy te mają fundamentalne znaczenie dla tego, byśmy ty i ja mogli istnieć. Chemia życia nie jest aż tak spektakularna jak niektóre z opisanych reakcji, obejmujących związki wysoce reaktywne i wybuchowe, mimo to funkcjonuje w sposób zdumiewający. Naukowcy zgłębili świat wszystkich czterech podstawowych sił natury i dzięki determinacji dokonali wielkiego wglądu w zasady oddziaływania elektromagnetycznego, co oznacza, że mogą przewidzieć wynik bardzo wielu reakcji, zanim jeszcze zmieszają składniki. Niemniej pewne aspekty wymagają dalszych badań.

Chemicy wciąż nie potrafią zgłębić wielu aspektów chemii organicznej, a więc leżącej u podstaw życia. Nie wiemy na przykład, jak wiele reakcji zachodzących wewnątrz żywych organizmów jest nieustannie kontrolowanych i powstrzymywanych, by nie zachodziły nieustannie. Kolejną rzeczą, której nie wiemy, a dotyczy to wszystkich czterech oddziaływań podstawowych, nie tylko elektromagnetyzmu, jest to, dlaczego oddziaływania mają taką siłę, a nie inną. Dlaczego oddziaływanie elektromagnetyczne jest takie, że powłoki elektronowe nie są rozmieszczone bliżej lub dalej od atomów? Czy to nieuchronne, że oddziaływanie elektromagnetyczne jest właśnie takie, jakie jest, czy też to fuks w dziejach naszego wszechświata? Wiemy, że oddziaływanie elektromagnetyczne definiuje chemię, której doświadczamy, i że bez chemii życie nie mogłoby istnieć. Ale nie jest to jedyna siła, która musiała mieć określoną wartość, by powstało życie. Potrzebowaliśmy słabszego oddziaływania grawitacyjnego, które umożliwiło uformowanie się naszego Układu Słonecznego i Ziemi w jego obrębie. Przejdę teraz do roli grawitacji w naszym życiu.