CZĘŚĆ I - Kosmos
Rozdział 1
Na samym początku: próg 1
Jeśli chcesz zrobić szarlotkę od zera, najpierw musisz wynaleźć wszechświat.
Carl Sagan, Kosmos (tłum. Maria Duch, Bronisław Rudak)
Tak musiało wyglądać po narodzinach zwykłego światła
W pierwszym, wirującym miejscu, konie urzeczone i ciepłe
Ze stajni pełnej rżenia i zielonej
Wybiegły na łąki chwały.
Dylan Thomas, Fern Hill (tłum. Stanisław Barańczak)
Historia początku - od samego początku
Termin bootstrapping opisuje niewykonalne zadanie polegające na uniesieniu własnego ciała w powietrze poprzez silne pociągnięcie za pętelki przy cholewkach własnych butów. Idea ta znalazła swoje odzwierciedlenie w żargonie komputerowym (jako booting i rebooting, czyli uruchamianie lub ponowne uruchamianie), opisując, w jaki sposób komputery budzą się z uśpienia, a następnie ładują instrukcje dyktujące im, co mają dalej robić. Oczywiście, bootstrapping jest, w sensie dosłownym, przedsięwzięciem niewykonalnym, ponieważ aby cokolwiek podnieść, potrzebne jest też coś, co zapewni punkt oparcia. "Dajcie mi punkt podparcia, a poruszę Ziemię" - mawiał grecki filozof Archimedes. Ale co mogło stanowić taki punkt podparcia dla narodzin nowego wszechświata? W jaki sposób dokonał się jego bootstrapping? A może chodzi o historię początku, która opisuje, w jaki sposób doszło do tego, że nowy wszechświat w ogóle się pojawił?
Bootstrapping historii początku jest prawie tak samo trudny jak bootstrapping wszechświata. Jednym z możliwych rozwiązań jest w ogóle pominięcie problemu narodzin wszechświata poprzez założenie, że wszechświat istniał od zawsze. Wówczas kwestia ta niknie z oczu. Wiele z historycznych opisów początku podążało tą drogą. Podobnie jak podąża nią wielu współczesnych astronomów, wśród nich także ci, którzy w połowie XX wieku opowiedzieli się za teorią stanu stacjonarnego. Panuje bowiem pogląd, że zasadniczo wszechświat zawsze miał mniej więcej taką formę, jaką ma dziś. Podobny, choć tylko nieco odmienny jest pomysł, że owszem, może kiedyś nastąpił taki moment stworzenia, kiedy to istniały we wszechświecie jakieś potężne siły lub istoty, tworząc nowe formy, ale od tego czasu nic się nie zmieniło. To w ten sposób mogła postrzegać wszechświat starszyzna plemienna znad jeziora Mungo, opisując świat jako powołany do życia mniej więcej w obecnej formie przez ich przodków. To Isaac Newton widział Boga jako "główny czynnik" wszelkiego stworzenia i twierdził, że był On obecny w każdym skrawku przestrzeni. Dlatego Newton uważał, że wszechświat jako całość niewiele się od tego czasu zmienił. Pisał kiedyś, że wszechświat stanowi "Boży byt, Istoty bezcielesnej, żywej i inteligentnej"1. Na początku XX wieku Einstein był pewien, iż wszechświat jest do tego stopnia (zasadniczo) niezmienny, że do swojej teorii względności dodał specjalną stałą, tak by pozwalała przewidywać stabilność czasoprzestrzeni.
Czy taka idea odwiecznego lub niezmiennego wszechświata nas zadowala? Niezupełnie, szczególnie jeśli pragniemy przemycić w niej postać Stwórcy, który rozniecił cały proces tworzenia, jak wtedy, gdy mówimy, że "Na początku nie było nic, a wtedy Bóg stworzył...". Tkwi w tym oczywisty błąd logiczny, chociaż jego wyraźne dostrzeżenie zajęło niektórym wysublimowanym umysłom naprawdę dużo czasu. Osiemnastoletni w owym czasie Bertrand Russell porzucił ideę boga-stwórcy po przeczytaniu następującego fragmentu autobiografii Johna Stuarta Milla: "Mój ojciec nauczył mnie, że nie sposób odpowiedzieć na pytanie: "Kto mnie stworzył?", ponieważ natychmiast pociąga ono za sobą dalsze pytanie: "Kto stworzył Boga?""2.
I oto kolejna zagadka. Jeśli jakiś bóg jest na tyle potężny, aby zaprojektować wszechświat, przy założeniu, że bóg-stwórca stanowi wyjaśnienie genialnej złożoności wszechświata i gdy wyobrazimy sobie coś jeszcze bardziej złożonego niż to, co po prostu... stworzył, to ten bóg musi z pewnością być bardziej złożony niż cały wszechświat. Znajdą się tacy, którzy uznają to za oszustwo.
Starożytne indyjskie hymny znane jako hymny wedyjskie również się w tej kwestii asekurują. "Nie było wówczas ani nieistnienia, ani istnienia; nie było ani sfery przestrzeni, ani nieba, które jest poza nią"3. Być może wszystko powstało z pewnego rodzaju pierwotnego napięcia między bytem a niebytem, mrocznego królestwa, które niespecjalnie było czymkolwiek, ale mogło się stać czymś.
Być może, jak głosi współczesne australijskie powiedzenie aborygeńskie, że nic nie jest całkowicie niczym4. Jest to dość chytry pogląd i, jeśli zabraknie zdecydowanych analogii do nowoczesnych idei osadzonej w fizyce kwantowej, że przestrzeń nigdy nie jest kompletną pustką, a wręcz jest pełna możliwości, niektórzy być może zechcą go odrzucić jako nie dość klarowny i mistyczny.
Czy istnieje zatem swego rodzaju energia lub potencjał oceaniczny, z którego biorą swój początek określone zjawiska, na wzór fal lub tsunami? Jest to tak powszechna koncepcja, że aż trudno nie pokusić się o stwierdzenie, że nasze wyobrażenia o zupełnym początku wszystkiego biorą się z własnych doświadczeń. Każdego ranka każdy z nas doświadcza tego, w jaki sposób dopuszczony do świadomości świat, wraz z jego formami, odczuciami i strukturami, wyłania się ze świata chaosu i nieświadomości. Joseph Campbell pisze: "Tak jak świadomość jednostki unosi się na powierzchni morza nocy, w którym pogrąża się we śnie i z którego w tajemniczy sposób wynurza się, gdy się budzi, tak wszechświat wykrystalizowuje się z wieczności, na której spoczywa i w której na powrót się rozpłynie"5. Takie ujęcie może jednak wydać się nazbyt metafizyczne. A być może zawarta w nim trudność jest zgoła logiczna. Stephen Hawking twierdzi, że kwestia poszukiwania początków jest po prostu źle postawiona. Jeśli geometria czasoprzestrzeni jest sferyczna, podobnie jak powierzchnia Ziemi, tyle że w większej liczbie wymiarów, to pytanie o to, co istniało przed wszechświatem, przypomina szukanie punktu startowego na powierzchni piłki tenisowej. A to wszystko nie tak. Nie ma bowiem ani punktu startowego, ani początku czasu, tak jak nie da się znaleźć ani punktu startowego, ani początku kuli ziemskiej6.
Dzisiaj niektórzy kosmologowie skłaniają się ku innym rozmaitym koncepcjom, które cofają nas od idei wszechświata nieposiadającego ani początku, ani końca. Być może nasz wszechświat jest częścią nieskończonego wieloświata, w którym ciągle z wielkich wybuchów wyłaniają się nowe wszechświaty. Może to i słuszne, ale jak na razie brak jakichkolwiek niezbitych dowodów na istnienie czegokolwiek przed naszym własnym, lokalnym wielkim wybuchem. Gdyż wygląda to tak, jakby stworzenie naszego wszechświata miało tak gwałtowny przebieg, że wszelkie informacje o tym, z czego on się wyłonił, zostały bezpowrotnie skasowane. A jeśli istnieją jeszcze jakieś inne kosmiczne wioski, to jak na razie nie potrafimy ich dostrzec.
Szczerze mówiąc, dzisiaj nie jesteśmy w stanie udzielić żadnych lepszych odpowiedzi na pytania dotyczące zupełnego początku niż te, którymi dysponowały jakiekolwiek wcześniejsze społeczności ludzkie. Bootstrapping całego wszechświata wciąż uchodzi za logiczny i metafizyczny paradoks. Nie wiemy, jakie warunki Złotowłosej pozwoliły na pojawienie się wszechświata i nadal nie możemy tego wyjaśnić lepiej niż pisarz Terry Pratchett, kiedy pisał: "Obecny stan wiedzy można podsumować następująco: Na początku było nic, które wybuchło"7.
Próg 1: kwantowy bootstrapping wszechświata
Punktem oparcia dla najpopularniejszego na świecie opisu zupełnego początku jest idea Wielkiego Wybuchu. Jest to jeden z głównych paradygmatów współczesnej nauki, na równi z doborem naturalnym w biologii lub ruchami tektonicznymi płyt w geologii8.
Kluczowe elementy historii wielkiego wybuchu pojawiły się dopiero na początku lat sześćdziesiątych XX wieku. Dopiero wtedy astronomowie po raz pierwszy odkryli istnienie kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła (promieniowanie reliktowe, Cosmic Microwave Background Radiation, CMBR) - energii pozostałej po Wielkim Wybuchu, a obecnej w każdym miejscu współczesnego świata. Chociaż kosmolodzy wciąż mają trudności ze zrozumieniem chwili, w której pojawił się nasz wszechświat, potrafią opowiedzieć przebieg szalonej historii, która zaczyna się (teraz czas na głęboki oddech, i mam nadzieję, że się nie pomylę) miliardową część miliardowej miliardowej miliardowej miliardowej sekundy po pojawieniu się wszechświata (około 10-43 sekund od momentu zero).
A z grubsza było to tak. Nasz wszechświat wziął swój początek z maleńkiego punktu, mniejszego niż atom. Czyli jakie to było duże? Umysły naszego gatunku ewoluowały tak, by radzić sobie z obiektami o wielkości wyrażanej w ludzkich skalach, więc mają one wielkie problemy z pojęciem obiektów tak malutkich, ale może warto wiedzieć, że na kropce wydrukowanej na końcu tego zdania można by wcisnąć aż milion atomów9. W chwili Wielkiego Wybuchu cały wszechświat był mniejszy niż atom. Skompresowana w nim była cała obecna w dzisiejszym wszechświecie energia i materia. Dokładnie wszystko. I może to niezbyt intrygujący pomysł i na pierwszy rzut oka może nawet wydawać się szalony, ale wszystkie dowody, którymi obecnie dysponujemy, mówią, że około 13,82 miliarda lat temu ten dziwny, malutki i fantastycznie gorący obiekt istniał naprawdę.
Nie rozumiemy jeszcze, jak i dlaczego to coś się w ogóle pojawiło. Jednak fizyka kwantowa dowodzi, a akceleratory cząstek - które rozpędzają cząstki subatomowe do dużych prędkości za pomocą pól elektrycznych lub elektromagnetycznych - wykazują, że w próżni naprawdę może się pojawić coś z niczego, aczkolwiek zrozumienie, co to oznacza, wymaga wyrafinowanych zdolności pojmowania niczego. We współczesnej fizyce kwantowej nie można dokładne określić ani położenia, ani ruchu cząstek subatomowych. Oznacza to, że nigdy nie można powiedzieć na pewno, że dany obszar przestrzeni jest zupełnie pusty, co świadczy o tym, że pustka oczekuje w napięciu, iż może się coś pojawić. Podobnie jak "ani nieistnienie, ani istnienie" w indyjskich hymnach wedyjskich napięcie to zdaje się dźwigać cały nasz wszechświat10.
Dziś określamy tę pierwszą chwilę istnienia wszechświata mianem Wielkiego Wybuchu, zupełnie tak jakby, niczym nowo narodzone dziecko, wszechświat krzyknął zaraz po swoim urodzeniu. Ten termin został ukuty w 1949 roku przez angielskiego astronoma, Freda Hoyle'a, który osobiście w zasadzie uważał ten pomysł za absurdalny. Na początku lat trzydziestych XX wieku, kiedy po raz pierwszy pojawiła się koncepcja Wielkiego Wybuchu, belgijski astronom (a zarazem ksiądz katolicki), Georges Lemaître, określił nowo narodzony wszechświat mianem "kosmiczne jajo" lub też "atom pierwotny". Było to dla, w owym czasie nielicznych jeszcze naukowców, którzy potraktowali tę koncepcję poważnie, oczywiste, że przy tak dużej ilości skompresowanej energii atom pierwotny musiał być niewiarygodnie gorący i nie miał innego wyjścia jak tylko rozprężać się w sposób niepohamowany w celu zredukowania ciśnienia. To rozszerzanie trwa do dziś; zupełnie jakby ta przeogromna sprężyna przez ponad trzynaście miliardów lat stale się rozciągała.
W pierwszych sekundach i minutach po Wielkim Wybuchu wiele się wydarzyło. Co najważniejsze, pojawiły się pierwsze interesujące struktury i wzory, pierwsze twory lub energie, które przybrały nieprzypadkowe formy i właściwości. Pojawienie się czegoś o nowych charakterystycznych cechach zawsze zdaje się nieść ze sobą jakiś pierwiastek magiczny. I jak się przekonamy, we współczesnej historii początku stale mamy z tym do czynienia, choć to, co jak na razie wydaje się istnieć za sprawą magii, może się wydać mniej magiczne, kiedy już zrozumiemy, że nowa rzecz i jej nowe cechy wcale nie wzięły się znikąd ani z niczego. Nowe twory o nowych właściwościach wykształcają się z już istniejących obiektów i sił, które zostają jedynie zorganizowane w nowy sposób. To nic innego jak tylko nowe konfiguracje, które tworzą nowe właściwości, podobnie jak ułożenie płytek podłogowych w inny sposób może dać całkiem nowy wzór na mozaice. Weźmy przykład z chemii. Zwykle uważamy, że wodór i tlen są bezbarwnymi gazami. Ale spróbujmy połączyć dwa atomy wodoru z pojedynczym atomem tlenu w określonej konfiguracji, a otrzymamy cząsteczkę wody. Zbierzmy wiele takich cząsteczek razem, a otrzymamy zupełnie nową cechę, którą uznamy za "wodnistość". Za każdym razem, kiedy widzimy nową formę lub strukturę o nowych cechach, tak naprawdę widzimy jedynie nowe aranżacje tego, co istniało już wcześniej. Innowacja to wykształcanie się czegoś nowego. Jeśli główną postacią naszej opowieści ma być właśnie zjawisko wyłaniania się czegoś nowego, to prawdopodobnie będzie to bohater tajemniczy i nieprzewidywalny, który być może niespodziewanie wyłoni się z cienia, żeby pchnąć fabułę w nowe, zaskakujące kierunki.
Pierwsze struktury i wzory we wszechświecie pojawiły się właśnie w ten sposób, ponieważ obiekty i siły, które zapoczątkował Wielki Wybuch, zostały zestawione w nowe konfiguracje.
W najwcześniejszym momencie, na co mamy pewne dowody, czyli zaledwie ułamek sekundy po Wielkim Wybuchu, wszechświat składał się z czystej, przypadkowej, niezróżnicowanej, bezkształtnej energii. Możemy pomyśleć o energii jako o potencjale zaistnienia czegoś, zdolności tworzenia rzeczy lub zmiany. Energia we wnętrzu atomu pierwotnego była wprost oszałamiająca, sięgająca kwintyliarda stopni powyżej zera absolutnego. Nastąpił wówczas krótki okres superszybkiej ekspansji, znanej jako inflacja kosmiczna. Rozprzestrzenianie to było tak gwałtowne, że duża porcja wszechświata mogła zostać wyrzucona daleko poza zasięg czegokolwiek, co kiedykolwiek zdołamy zobaczyć. Co oznacza, że to, co dziś widzimy, jest prawdopodobnie zaledwie niewielkim fragmenten całego naszego wszechświata.
Ułamek sekundy później tempo ekspansji uległo spowolnieniu. Nieposkromiona energia Wielkiego Wybuchu ustabilizowała się, a podczas gdy wszechświat wciąż się rozszerzał, obecna w nim energia ulegała rozprężeniu i rozrzedzeniu. Średnia temperatura zmalała i dalej spada, tak więc dziś większość wszechświata ma temperaturę zaledwie 2,76 stopnia powyżej zera bezwzględnego. (Zero bezwzględne to temperatura, która uniemożliwia nawet najmniejsze drgania materii). Ani my, ani żadne inne organizmy na Ziemi nie odczuwamy tego chłodu, ponieważ w cieple naszego Słońca grzejemy się jak przy ognisku.
W ekstremalnej temperaturze Wielkiego Wybuchu prawie wszystko było możliwe. Ale wraz z jej spadkiem możliwości te stawały się bardziej ograniczone. W pełnej chaosu mgle chłodnego wszechświata jak duchy zaczęły się wyłaniać odrębne twory, byty, które we wzburzonym kotle samego Wielkiego Wybuchu nie miały prawa powstać. Naukowcy owe zmiany formy i struktury określają mianem zmian fazowych. Zmiany fazowe możemy zaobserwować w życiu codziennym, kiedy para traci energię i zamienia się w wodę (której cząsteczki poruszają się w o wiele mniejszym zakresie niż cząsteczki pary) i kiedy woda zamienia się w lód (który ma tak mało energii, że jego molekuły po prostu ledwie drgają w miejscu). Woda i lód mogą istnieć tylko w wąskim zakresie bardzo niskiej temperatury.
W ciągu jednej miliardowej miliardowej miliardowej miliardowej części sekundy po Wielkim Wybuchu energia sama uległa zmianie fazowej. Rozszczepiła się na cztery znacznie odmienne rodzaje. Dzisiaj określamy je jako grawitację, siłę elektromagnetyczną oraz silne i słabe oddziaływanie jądrowe. Musimy umieć rozpoznawać ich różne osobowości, ponieważ to one ukształtowały nasz wszechświat. Siła grawitacji jest stosunkowo słaba, ale jej zasięg jest wyczuwalny na ogromne odległości i zawsze przyciąga wszystko do siebie, więc jej moc się kumuluje. Zwykle sprawia, że wszechświat ma przez to zwarty charakter. Energia elektromagnetyczna występuje w postaci negatywnej i pozytywnej, więc jej ładunki często się wzajemnie znoszą. Grawitacja, choć słaba, kształtuje wszechświat na dużą skalę. Oddziaływanie elektromagnetyczne zdominowało sferę chemii i biologii, a więc jest tym, co sprawia, że nasze ciało pozostaje w jednym kawałku. Trzecie i czwarte z tych zasadniczych sił określane są, dość beznamiętnie, mianem silnych i słabych sił jądrowych. Oddziałują na stosunkowo niewielkie odległości, więc mają znaczenie jedynie w skali subatomowej. My, ludzie, nie doświadczamy ich w sposób bezpośredni, ale w istocie kształtują one każdy aspekt naszego otoczenia, ponieważ decydują o tym, co się dzieje w głębi atomu.
Być może istnieją także inne gatunki energii. W latach dziewięćdziesiątych XX wieku nowe wskaźniki szybkości ekspansji wszechświata pozwoliły stwierdzić, że jej tempo nadal wzrasta. Dzięki idei zapoczątkowanej przez Einsteina wielu fizyków i astronomów twierdzi, że może istnieć forma antygrawitacji, która jest obecna w całej przestrzeni, a zatem jej moc będzie wzrastać wraz z rozszerzaniem się wszechświata. Dzisiaj masa tej energii może stanowić aż siedemdziesiąt procent całkowitej masy wszechświata. Ale nawet jeśli zaczyna już w nim dominować, to nie potrafimy jeszcze zrozumieć, czym jest ta energia ani jak działa, więc fizycy nazywają ją ciemną energią. Termin ten jest jedynie terminem roboczym. Niemniej miejmy lepiej na uwadze tę kwestię, gdyż zrozumienie ciemnej energii jest jednym z największych wyzwań współczesnej nauki.
Materia wyłoniła się w ciągu pierwszej sekundy po Wielkim Wybuchu. Materia to coś takiego, co stale ulega działaniu energii. Jeszcze ponad sto lat temu naukowcy i filozofowie zakładali, że materia i energia to twory odrębne. Teraz wiemy, że materia stanowi w istocie wysoce skompresowaną formę energii. Młody Albert Einstein zademonstrował to w swoim słynnym artykule z 1905 roku. Wzór - energia E jest równa masie m pomnożonej przez prędkość światła c do kwadratu, inaczej E = mc2 - obrazuje, ile energii zostało skompresowane wewnątrz danej ilości materii. Aby się dowiedzieć, ile energii jest uwięzione w odrobinie materii, pomnóż masę tej materii nie przez prędkość światła (która wynosi 300 000 kilometrów na sekundę), ale przez prędkość światła jeszcze dodatkowo pomnożoną przez siebie samą. Otrzymujemy wówczas ogromne wartości, więc dekompresując nawet niewielką ilość materii, uzyskujemy ogromną ilość energii. Tak się dzieje w momencie eksplozji bomby wodorowej. W początkach wszechświata nastąpił proces odwrotny. Ogromne ilości energii zostały ściśnięte do rozmiarów niewielkich porcji materii, takich jak drobinki pyłów zawieszonych w ogromnej mgławicy energii. Co warto zauważyć, nam, ludziom, udaje się na krótko odtworzyć takie procesy w Wielkim Zderzaczu Hadronów na przedmieściach Genewy. W ten sposób cząstki materii zaczynają wyskakiwać z wrzącego oceanu energii.
A my nadal jesteśmy dopiero w pierwszej sekundzie istnienia wszechświata...
Pierwsze struktury
W tej chaotycznej mgławicy tuż po Wielkim Wybuchu zaczęły powstawać wyraźne formy i struktury. Choć mgła energetyczna jest nadal obecna, twory, które się z niej zrodziły, nakreślą kształt i fabułę naszej opowieści o historii początku. Niektóre struktury lub wzorce przetrwają miliardy lat, a niektóre zaledwie ułamek sekundy, ale żadna z nich nie zdoła się zachować. Są one ulotne niczym fale na powierzchni oceanu. Pierwsza zasada termodynamiki mówi, że ocean energii jest zawsze obecny i nigdy nie zanika - w myśl zasady zachowania energii. Drugie prawo termodynamiki mówi jednak, że wszystkie powstające formy ostatecznie ponownie rozpłyną się w tym oceanie energii. W istocie, formy, takie jak na przykład choreograficzne ruchy tancerzy, istnieją jedynie przez chwilę, nie da się ich zachować na stałe.
W ciągu zaledwie sekundy od Wielkiego Wybuchu pojawiły się pewne odrębne struktury i formy. Tylko po co? Dlaczego wszechświat nie poprzestał jedynie na formie przypadkowego przepływu energii? To niewątpliwie nadal pozostaje jednym z najbardziej zasadniczych pytań.
Gdyby w naszej historii było miejsce dla boga-stwórcy, wyjaśnienie powstawania struktur byłoby łatwe. Moglibyśmy po prostu założyć (tak samo jak robi to wiele innych wersji historii początku), że Bóg wolał strukturę uporządkowaną niż chaos. Ale większość współczesnych wersji historii początku nie uwzględnia już idei boga-stwórcy, ponieważ współczesna nauka nie może znaleźć żadnego bezpośredniego dowodu na jego istnienie. Wielu ludzi doświadcza działania bogów, ale ich doświadczenia są różnorodne i sprzeczne, dlatego nie sposób ich powtórzyć. Są zbyt elastyczne, zbyt rozproszone lub zbyt osobiste, aby dostarczyć nam niezbitych naukowych dowodów.
Dlatego współczesna historia początku musi znaleźć inne sposoby wyjaśnienia powstawania struktur i form. A nie jest to łatwe, ponieważ druga zasada termodynamiki mówi, że prędzej czy później wszystkie struktury ostatecznie się rozpadną. Austriacki fizyk, Erwin Schrödinger, napisał: "Przekonujemy się więc, że to fundamentalne prawo fizyki wyraża naturalne dążenie układów (o ile pozostawiamy je samym sobie) do stanu chaosu, tak jak to się dzieje z książkami w bibliotece lub stosem rękopisów na biurku"11.
Jeśli we współczesnej historii początku istnieje jakiś czarny charakter, to z pewnością jest nim entropia, czyli niewątpliwie uniwersalna tendencja do rozbijania struktur i wprowadzania ich w stan nieuporządkowania. Entropia to lojalna sługa drugiego prawa termodynamiki. Jeśli więc pomyślimy o entropii jako o postaci z naszej opowieści, powinniśmy ją sobie wyobrazić jako rozwiązłą, czającą się, niewrażliwą na ból i cierpienie innych, niechcącą patrzeć prosto w oczy. Entropia jest również bardzo, ale to bardzo niebezpieczna, ponieważ na końcu dopadnie nas wszystkich. Entropia wkracza do akcji zwłaszcza w finale wszystkich opowieści o początku. Rozpuści wszystkie struktury, wszystkie kształty, każdą gwiazdę, każdą galaktykę i każdą żywą komórkę. Joseph Campbell w książce poświęconej mitom niezwykle poetycko opisał jej rolę: "...świat bowiem (...), jakim go widzimy, dostarcza tylko jednego zakończenia, którym jest śmierć, rozpad, rozczłonkowanie i rozdarcie naszych serc przemijaniem wszystkiego, co kochamy"12.
Współczesna nauka opisuje rolę entropii przy użyciu beznamiętnego języka statystyki. Spośród wszystkich niezliczonych sposobów, jakimi można zorganizować ze sobą różne obiekty, przytłaczająca większość zakłada brak uporządkowania, przypadkowość i w zasadzie brak jakiejkolwiek organizacji. Wszelkie zmiany przypominają wzięcie do rąk talii 1080 kart (innymi słowy 10 z jeszcze kolejnymi osiemdziesięcioma zerami, co obrazuje w przybliżeniu liczbę atomów we wszechświecie) i tasowanie jej w kółko w nadziei, że wszystkie asy znajdą się w końcu obok siebie. Jest to niebywale rzadko spotykany układ - tak rzadki, że jest mało prawdopodobne, aby do niego doprowadzić, nawet jeśli będzie się je bez przerwy tasować przez okres równy okresowi istnienia wszechświata. W efekcie rzadko bądź zgoła nigdy nie uzyskamy jakiejś sensownej struktury. Jeśli zrzucimy bombę na plac budowy pełen cegieł, cementu, drutów i farby, to jakie mamy szanse, że po opadnięciu pyłu ujrzymy budynek mieszkalny, z kompletem instalacji i wykończony, czekający na potencjalnych lokatorów? W świecie magii można zignorować działanie entropii, ale w naszym świecie pozwolić sobie na to nie możemy. Właśnie dlatego większość wszechświata, szczególnie rozległe puste przestrzenie między galaktykami, nie mają ani kształtu, ani struktury.
Entropia jest siłą tak potężną, że nie jest łatwo zrozumieć, w jaki sposób mogły się pojawić wszelkiego rodzaju struktury. Choć skądinąd wiemy, że się pojawiły. Wygląda jednak na to, że pojawiły się zgodnie z zasadami działania entropii. To tak, jakby w zamian za możliwość łączenia elementów w bardziej złożone struktury entropia domagała się podatku od złożoności, który byłby płacony w postaci energii. W rzeczywistości przekonamy się, że entropia zażądała wielu różnych rodzajów podatku od złożoności, podobnie jak Piotr Wielki, car Rosji, który utworzył specjalny urząd w celu wymyślania nowych podatków. Entropia lubi taki układ, ponieważ podatki płacone przez wszystkie złożone podmioty służą wypełnieniu przez nią ponurego zadania polegającego na zamienianiu całego wszechświata w swego rodzaju papkę. Sam akt płacenia podatków entropijnych prowadzi do jeszcze większego chaosu i marnotrawstwa, tak samo jak funkcjonowanie nowoczesnego miasta generuje ogromne ilości śmieci i ciepła. Wszyscy płacimy podatki entropijne i to w każdej sekundzie naszego życia. A przestaniemy je płacić w dniu, w którym umrzemy.
W jaki sposób zatem powstały pierwsze struktury? Jest to problem, na który nauka nie potrafi jeszcze udzielić pełnej odpowiedzi, choć nie brakuje dość obiecujących pomysłów.
Oprócz energii i materii w momencie Wielkiego Wybuchu pojawiły się pewne podstawowe zasady działania. To, jak bardzo fundamentalne są te zasady, naukowcy zrozumieli dopiero dzięki rewolucji naukowej, która nastąpiła w XVII wieku. Dzisiaj uznajemy je za podstawowe prawa fizyki. Wyjaśniają, dlaczego gwałtowne i chaotyczne postaci energii atomu pierwotnego nie były wcale tak zupełnie pozbawione kierunku - prawa fizyki kierowały zmianami konkretnych ścieżek i jednocześnie blokowały niemal nieskończony zakres innych możliwości. Prawa fizyki odfiltrowały konstrukcje wszechświata, które nie były z nimi kompatybilne, więc w dowolnym momencie istniał on tylko w jednym z wielu stanów, które były zgodne z zasadami działania wszechświata. Te nowe stany wygenerowały z kolei kolejne reguły, które rządziły zmianami podążającymi nowymi ścieżkami.
Owo nieustanne odfiltrowywanie stanów niemożliwych gwarantowało istnienie minimalnego zbioru struktur. Nie wiemy, dlaczego te reguły się pojawiły lub dlaczego przyjęły taką, a nie inną formę. Nie wiemy nawet, czy te reguły były nieuniknione. Być może istnieją inne wszechświaty podlegające nieco innym regułom. Być może w niektórych wszechświatach grawitacja jest silniejsza, a siły elektromagnetyczne słabsze. Jeśli tak, to mieszkańcy tych wszechświatów (jeśli takowi są) będą opowiadać inną historię początku. Może niektóre wszechświaty trwały zaledwie jedną milionową sekundy, podczas gdy inne będą istnieć znacznie dłużej niż nasz. Być może niektóre wszechświaty pozwalają na stworzenie licznych egzotycznych form życia, podczas gdy inne są biologicznymi cmentarzyskami. Jeśli rzeczywiście nasz wszechświat istnieje w wieloświecie, to możemy sobie wyobrazić stworzenie naszego wszechświata na zasadzie rzutu kośćmi, po którym pojawiła się zapowiedź: "W porządku, w tym wszechświecie będą działać siły grawitacji, a także siły elektromagnetyczne, przy czym elektromagnetyzm będzie 1036 razy silniejszy od grawitacji". (Tak naprawdę, to jest to właśnie stosunek siły grawitacji i siły oddziaływania elektromagnetycznego, przynajmniej w naszym wszechświecie). Istnienie tych zasad sprawiło, że nasz wszechświat nigdy nie będzie miał całkowicie chaotycznego charakteru. Tym samym było pewne, że pojawi się w nim coś interesującego.
Gdy tylko pojawiła się przybierająca różne formy energia, zaczęły powstawać pewne struktury i wzory. Gdy energia zastygała, tworząc pierwsze cząstki materii, te również podlegały określonym zasadom. Neutrony, protony i elektrony, podstawowe składniki atomów, pojawiły się w ciągu kilku sekund od Wielkiego Wybuchu, podobnie jak antycząstki protonów i elektronów (to znaczy, naładowane ujemnie protony i naładowane dodatnio elektrony) tworzące to, co fizycy nazywają materią i antymaterią. Gdy wszechświat ostygł do temperatury, w której z łatwością mogła się zrodzić materia i antymateria, rozpoczęło się gwałtowne, ogólnowszechświatowe autorodeo, w których materia i antymateria wzajemnie się pożerały, wyzwalając ogromne ilości energii. Na nasze szczęście z tej rzezi zachowała się pewna niewielka nadwyżka materii (być może jedna cząstka na miliard). Pozostałe cząstki materii zostały unieruchomione, ponieważ temperatura wkrótce była zbyt niska, aby zamienić je w czystą energię. A to, co pozostało, jest właśnie tym, z czego składa się nasz wszechświat.
Wraz ze spadkiem temperatury materia ulegała różnicowaniu. Elektrony i neutrina podlegały sile elektromagnetycznej i słabej sile jądrowej. Protony i neutrony, które tworzą jądra atomowe, zostały zbudowane z tripletów dziwnych cząstek, znanych pod nazwą kwarków, połączonych ze sobą silną siłą jądrową. Elektrony, neutrony, kwarki, protony, neutrina... w ciągu zaledwie kilku sekund od Wielkiego Wybuchu, nasz gwałtownie ochładzający się wszechświat uwięził w kilku odrębnych strukturach, z których każda miała własne nowe właściwości emergentne. Lecz gdy już huragan Wielkiego Wybuchu osłabł, ekstremalne energie potrzebne do odblokowania tych pierwotnych struktur zanikły, i też dlatego - dla nas - te różne formy energii i cząstek, takie jak protony i elektrony wydają się mniej lub bardziej niezniszczalne.
W ten sposób prawa prawdopodobieństwa i swego rodzaju konieczność przyczyniły się wspólnie do powstania pierwszych prostych struktur. Prawa fizyki zablokowały wiele innych możliwości - widocznie była taka konieczność. Prawa prawdopodobieństwa losowo pokierowały możliwościami, które się utrwaliły. Tak to wszystko działa. Nanofizyk, Peter Hoffmann, pisze: "Zahartowana przez prawa fizyki, które dodają szczyptę konieczności, siła przypadku staje się twórczą siłą, poruszającą i wstrząsającą naszym wszechświatem. Ogół piękna, jakie widzimy wokół nas, od galaktyk po słoneczniki, jest wynikiem tej twórczej współpracy między chaosem i koniecznością"13.
Pierwsze atomy
W kilku pierwszych minutach od Wielkiego Wybuchu, gdy połączyły się protony i neutrony, zrodziło się jeszcze więcej kolejnych struktur. Pojedynczy proton to jądro atomu wodoru; para protonów (z dwoma neutronami) tworzy jądro atomu helu, więc wszechświat zaczął budować pierwsze atomy. Ale do scalenia dwóch protonów potrzebne jest dużo energii, ponieważ ich dodatnie ładunki nawzajem się odpychają, a skoro tuż po Wielkim Wybuchu temperatura szybko malała, to niemożliwe było zespolenie większej ich liczby, tak by powstały jądra większych atomów. To tłumaczy, dlaczego tak właśnie wyglądał pierwotny obraz naszego wszechświata: prawie trzy czwarte wszystkich atomów w nim zawartych stanowił wodór, a większość pozostałych to hel.
O wiele więcej materii wchodzi w skład tak zwanej ciemnej materii, czegoś, czego jeszcze do końca nie rozumiemy, choć wiemy, że istnieje, gdyż jej przyciąganie grawitacyjne determinuje strukturę i rozkład galaktyk. Tak więc, kilka minut po Wielkim Wybuchu nasz wszechświat składał się z ogromnych chmur ciemnej materii, w których była osadzona drżąca plazma protonów i elektronów, przez które przenikały fotony światła. Dzisiaj stan plazmy odnaleźć można jedynie w jądrach gwiazd.
W tym miejscu musimy się zatrzymać i zaczekać około 380 tysięcy lat (prawie dwa razy dłużej, niż istnieje na Ziemi nasz gatunek). W tym czasie wszechświat nadal ulegał ochłodzeniu. Gdy temperatura spadła poniżej dziesięciu tysięcy stopni Celsjusza, nastąpiła kolejna faza, podobna do tej, gdy para wodna zamienia się w ciekłą wodę. Aby wyjaśnić tę zmianę, musimy zrozumieć, że ciepło jest w rzeczywistości miarą ruchu atomów. Wszystkie cząstki materii nieustannie dość dynamicznie się poruszają, zupełnie jak nadpobudliwe dzieci, a temperatura jest miarą średniego stopnia ich drgania. To drganie ma charakter rzeczywisty. W słynnym artykule opublikowanym w 1905 roku Einstein wykazał, że drganie atomów powoduje losowe ruchy cząstek pyłu w powietrzu. Gdy temperatura spada, cząstki drgają słabiej, aż w końcu nadchodzi moment, w którym są w stanie się połączyć. Wraz z ochładzaniem się wszechświata, siła elektromagnetyczna zaczęła przeciągać ujemnie naładowane elektrony w kierunku dodatnio naładowanych protonów, aż uspokoiły się one na tyle, by wpaść w orbitę wokół protonów. I voila! Uzyskaliśmy pierwsze atomy, podstawowe składniki całej otaczającej nas materii.
Zwykle odizolowane atomy pozostają elektrycznie obojętne, ponieważ ładunki dodatnie i ujemne ich protonów i elektronów znoszą się nawzajem. Kiedy powstały pierwsze atomy wodoru i helu, większość materii we wszechświecie nagle zyskała ładunek obojętny, a drżąca plazma po prostu wyparowała. Fotony, czyli nośniki siły elektromagnetycznej, mogły teraz swobodnie przepływać przez elektrycznie obojętną mgiełkę atomów i ciemnej materii. Dzisiaj astronomowie potrafią zidentyfikować skutki tej zmiany fazowej, ponieważ fotony, które wyrwały się z plazmy, wytwarzają cieniutki szum energetyczny tła (kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła), które wciąż przenika cały wszechświat.
Nasza historia początku przekroczyła swój pierwszy próg. Mamy wszechświat. Już ma on określone struktury o wyróżniających się właściwościach. Istnieją w nim różne formy energii i materii, a każda ma własną osobowość. Ma on już atomy, a także swoje własne zasady działania.
Jakie są na to dowody?
Bez względu na to jak dziwna może się wydawać ta historia, gdy słyszy się ją po raz pierwszy, warto potraktować ją poważnie, ponieważ poparta została ogromną liczbą dowodów.
Pierwszą wskazówką, że Wielki Wybuch naprawdę nastąpił, było odkrycie, iż wszechświat się rozszerza. Jeśli teraz się rozszerza, to logika podpowiada nam, że kiedyś w odległej przeszłości musiał on być nieskończenie mały. Wiemy na pewno, że wszechświat się rozszerza, ponieważ mamy instrumenty i techniki obserwacyjne, które nie były dostępne tubylcom znad jeziora Mungo, chociaż możemy być pewni, że byli znakomitymi astronomami, mimo że mogli badać wszechświat jedynie gołym okiem.
Większość astronomów od czasów Newtona zakładała, że wszechświat musi być nieskończony, ponieważ gdyby tak nie było, prawa grawitacji powinny zgromadzić jego zawartość w jedną zwartą masę jak olej w misce olejowej. Do XIX wieku astronomowie dysponowali już wystarczająco precyzyjnymi narzędziami, aby zacząć wskazywać rozmieszczenie gwiazd i galaktyk, a stworzone przez nich mapy astronomiczne zaczęły ukazywać zupełnie inny obraz wszechświata.
Kreślenie map wszechświata rozpoczęło się od identyfikowania mglistych, rozmytych plam, które pojawiły się na wszystkich mapach gwiazd. (Teraz wiemy, że większość z tych mgławic to całe galaktyki, a w każdej z nich mieszczą się miliardy gwiazd). Jak odległe były te mgławice? Czym dokładnie były? Czy się poruszały? Z biegiem czasu astronomowie nauczyli się, jak ze światła emitowanego przez gwiazdy czerpać o nich coraz więcej informacji. Informacje dotyczyły ich odległości od nas oraz tego, czy się zbliżają, czy oddalają.
Jedna z najbardziej zmyślnych metod badania ruchu gwiazd i mgławic wykorzystuje efekt Dopplera (nazwany tak na cześć dziewiętnastowiecznego austriackiego matematyka, Christiana Andreasa Dopplera) do pomiaru prędkości, z jaką gwiazdy lub mgławice zbliżają się lub oddalają od nas. Energia rozchodzi się falami, a fale, podobnie jak te obserwowane na plaży, mają określoną częstotliwość. Osiągają najwyższe wychylenie w regularnym tempie, który można zmierzyć. Ale częstotliwość ta zmienia się, jeśli się poruszamy. Jeśli wskoczymy do oceanu i zaczniemy płynąć, pozornie częstotliwość, z jaką będziemy napotykać fale, wzrośnie. To samo się dzieje z falami dźwiękowymi. Jeśli obiekt, taki jak motocykl wydający warkot silnika zbliża się, częstotliwość fal dźwiękowych będzie się zwiększać, a nasze uszy będą interpretować wyższą częstotliwość jako wyższy ton. Gdy motocykl nas minie, ton ten opadnie, bo teraz fale ulegają rozciągnięciu. Jednak motocyklista, który oczywiście nie porusza się w stosunku do motocykla, słyszy stale ten sam ton. Efekt Dopplera stanowi pozorną zmianę częstotliwości emisji fal elektromagnetycznych, gdy obiekty się do siebie zbliżają lub oddalają.
Ta sama zasada dotyczy światła emitowanego przez gwiazdy. Jeśli gwiazda lub galaktyka porusza się w kierunku Ziemi, częstotliwość jej fal świetlnych będzie się zwiększać. Nasze oczy interpretują światło widzialne o wyższej częstotliwości jako światło niebieskie, mówi się wtedy, że przesunęło się w kierunku niebieskiego końca widma elektromagnetycznego. Ale jeśli obiekt odsunie się od Ziemi, częstotliwość jego światła będzie się przesuwać w kierunku czerwonego końca spektrum; astronomowie wówczas twierdzą, że jest przesunięty w kierunku czerwieni. I możemy wtedy wskazać, jak szybko porusza się dana gwiazda lub galaktyka, mierząc, o ile zmieniła się określona częstotliwość.
W 1814 roku młody niemiecki naukowiec, Joseph von Fraunhofer, stworzył pierwszy spektroskop analityczny, wyspecjalizowany pryzmat, który rozszczepia częstotliwość światła gwiazd, tak jak szklany pryzmat dzieli światło na kolory tęczy. Fraunhofer odkrył, że spektrum światła słonecznego miało cienkie, ciemne linie o określonej częstotliwości, tak jakby kosmologiczne kody kreskowe. Dwaj inni niemieccy naukowcy, Gustav Kirchhoff i Robert Bunsen, w końcu wykazali w warunkach laboratoryjnych, że poszczególne pierwiastki emitują lub pochłaniają energię świetlną o określonej częstotliwości. Wydawało się, że ciemne linie stanowią obraz światła pochodzącego z jądra Słońca, a pochłoniętego przez atomy różnych pierwiastków znajdujących się w chłodnych zewnętrznych powłokach Słońca. Zmniejszało to energię na tych częstotliwościach, pozostawiając ciemne linie na widmie emisji. Nazywamy te ciemne linie liniami absorpcyjnymi, a różne pierwiastki generują różne wzory linii absorpcyjnych. Na przykład istnieją linie, które są typowe dla węgla i żelaza. Jeśli światło gwiazd jest przesunięte w kierunku czerwieni, wszystkie te linie przesuwają się na czerwony koniec spektrum, a my możemy nawet dokładnie zmierzyć, jak daleko się przesunęły. To jest w rękach astronoma ni mniej, ni więcej odpowiednik policyjnego fotoradaru.
Na początku XX wieku amerykański astronom, Vesto Slipher, użył tych technik, aby wykazać, że zaskakująca liczba obiektów astronomicznych została przesunięta w obszary czerwieni, co znaczy, że oddalały się one od Ziemi i robiły to dość szybko. Rozproszenie to wydawało się bardzo dziwne. Jego prawdziwe znaczenie stało się jasne dopiero wtedy, gdy inny amerykański astronom, Edwin Hubble, połączył te odkrycia z pomiarami odległości do tych odległych obiektów.
Szacowanie odległości do gwiazd i mgławic jest trudne. Zasadniczo, tak jak przyjmowali to Grecy, dla potwierdzenia można tu skorzystać z metody paralaksy. W ciągu miesięcy, gdy Ziemia obraca się wokół Słońca, da się zaobserwować, czy niektóre gwiazdy na nocnym niebie przesuwają się względem innych gwiazd. Jeśli tak, to za pomocą zasad trygonometrii, można sprawdzić, jak daleko się znajdują. Niestety, nawet najbliższa gwiazda, Proxima Centauri, jest tak bardzo oddalona (około czterech lat świetlnych od Ziemi), że bez wyrafinowanego sprzętu nie można wykryć żadnego ruchu. Dopiero w XIX wieku astronomowie byli w stanie zmierzyć odległość do najbliższych gwiazd za pomocą paralaksy. W każdym razie obiekty, które studiował Vesto Slipher, były znacznie dalej.
Na szczęście na początku XX wieku Henrietta Leavitt, astronomka z Obserwatorium Harvarda, znalazła sposób na zmierzenie odległości do oddalonych gwiazd i mgławic za pomocą szczególnego typu gwiazdy znanej jako zmienna cefeidalna - gwiazdy, której jasność zmienia się z dużą regularnością (Gwiazda Polarna jest przykładem takiej właśnie cefeidy). Odkryła ona prostą korelację między częstotliwością obserwowanych wariacji a luminacją gwiazdy, czy też jej jasnością, więc mogła również obliczyć jasność absolutną cefeidy. Następnie, porównując ją z jasnością pozorną widzianą z Ziemi, mogła obliczyć, jak bardzo jest oddalona, ponieważ ilość światła gwiazdy zmniejsza się o kwadrat odległości, jaką musi pokonać. Ta wspaniała technika pozwoliła astronomom odkryć świece standardowe, których akurat Edwin Hubble potrzebował, aby dokonać dwóch przełomowych odkryć dotyczących naszego wszechświata.
Na początku XX wieku większość astronomów uważała, że cały wszechświat mieści się w obrębie naszej Galaktyki, w Drodze Mlecznej. W 1923 roku Hubble użył jednego z najpotężniejszych teleskopów na świecie w Obserwatorium Mount Wilson w Los Angeles, aby wykazać, że zmienne cefeidalne w tak zwanej Mgławicy Andromedy były tak odległe, że nie mogły się znajdować w naszej Galaktyce. To zaś dowiodło czegoś, co niektórzy astronomowie już wcześniej podejrzewali: że wszechświat jest znacznie większy niż Droga Mleczna i składa się z wielu galaktyk, a nie tylko z naszej.
Hubble dokonał jeszcze jednego, bardziej zadziwiającego odkrycia, kiedy za pomocą zmiennych cefeid zaczął mierzyć odległość do wielu innych odległych obiektów. W 1929 roku udowodnił, że prawie wszystkie galaktyki oddalają się od nas i że najodleglejsze obiekty wydają się mieć największe przesunięcia widma w kierunku czerwieni. Innymi słowy, im bardziej oddalony był dany obiekt, tym szybciej się oddalał. A to sugerowało, że cały wszechświat się rozszerza. Belgijski astronom, Georges Lemaître, podejrzewał to już wcześniej z czysto teoretycznych względów. I, jak sam podkreślał, skoro wszechświat obecnie się rozszerza, to kiedyś w przeszłości, wszystko w nim zawarte musiało być skompresowane w maleńką przestrzeń, innymi słowy w coś, co określił mianem atomu pierwotnego.
Dla większości astronomów idea rozszerzającego się wszechświata była szokiem i przyjęli oni, że w obliczeniach Hubble'a wystąpił błąd. Sam Hubble nie był wcale tego pewien, a Einstein wręcz był tak przekonany, że wszechświat jest stabilny, że manipulował równaniami ogólnej teorii względności, aby wykazać jego stabilność, wprowadzając termin stałej kosmologicznej.
Sceptycyzm astronomów brał się poniekąd z tego, że rzeczywiście istniały pewne problemy z szacunkami Hubble'a. Obliczył on bowiem, że ekspansja wszechświata rozpoczęła się zaledwie dwa miliardy lat temu, ale astronomowie już wiedzieli, że Ziemia i Układ Słoneczny są znacznie starsze. To jeden z powodów, dla których przez kilka dziesięcioleci większość astronomów co prawda uważała pomysł rozszerzającego się wszechświata za arcyciekawy, ale prawdopodobnie błędny. Wielu wolało alternatywną koncepcję wszechświata w stanie statycznym, zaproponowaną w 1948 roku przez Hermanna Bondiego, Thomasa Golda i Freda Hoyle'a. Owszem, jak zgodzili się zwolennicy modelu statycznego, galaktyki zdawały się oddalać, ale jednocześnie powstawała nowa materia, więc w dużych skalach wszechświat pozostawał w tej samej gęstości i niewiele się zmieniał.
Ostatecznie jednak dowody przechyliły szalę na korzyść koncepcji ekspansji wszechświata. W latach czterdziestych Walter Baade, pracujący w Obserwatorium Mount Wilson w Los Angeles (to samo obserwatorium, w którym pracował Hubble), wykazał, że istnieją dwa typy gwiazd zmiennych cefeidalnych, i dawały one dwa różne szacunki odległości. Weryfikacja obliczeń Baade'a wskazała na to, że Wielki Wybuch musiał nastąpić ponad dziesięć miliardów lat temu (obecnie najlepsze szacunki sugerują, że było to nawet 13,82 miliarda lat temu). Zamknęło to wreszcie problem chronologii. Dziś nie znamy obiektów astronomicznych starszych niż 13,82 miliarda lat, co jest mocnym argumentem za słusznością kosmologii Wielkiego Wybuchu. W końcu, jeśli wszechświat byłby niezmienny i odwieczny, to tak naprawdę powinno istnieć wiele obiektów, których wiek przekraczałby 13,8 miliarda lat.
Rozstrzygające dowody pojawiły się w połowie lat sześćdziesiątych XX wieku i dotyczyły odkrycia kosmicznego promieniowania tła (CMBR). Jest to promieniowanie emitowane podczas powstawania pierwszych atomów, około 380 tysięcy lat po Wielkim Wybuchu. CMBR okazało się kluczowym dowodem rozszerzającego się wszechświata. Dlaczego?
W latach czterdziestych niektórzy astronomowie i fizycy byli pod takim wrażeniem danych Hubble'a, że próbowali się dowiedzieć, co by się stało, gdyby naprawdę Wielki Wybuch nastąpił. Jaki byłby wszechświat na początku, gdyby wszystko zostało skompresowane w przestrzeni jednego atomu pierwotnego? Gdyby Hubble i Lemaître mieli rację, wczesny wszechświat byłby bardzo gęsty i gorący, a to oznacza, że musiał szybko się rozszerzać i ulegać ochłodzeniu. Jak zachowuje się materia i energia w tak ekstremalnych warunkach? Podczas drugiej wojny światowej Projekt Manhattan, związany z budową bomby atomowej, zachęcił do badań w dziedzinie fizyki bardzo wysokich temperatur. Pod koniec lat czterdziestych urodzony w Rosji fizyk, George Gamow, wykorzystał odkrycia towarzyszące pracom nad Projektem Manhattan, aby sprawdzić, co prawdopodobnie się działo we wszechświecie tuż po Wielkim Wybuchu. Wraz z kolegą, Ralphem Alpherem, stwierdził, że wszechświat w końcu musiał wystygnąć na tyle, by powstały atomy, a kiedy powstały pierwsze atomy, powinno było nastąpić ogromne uwolnienie energii, gdyż fotony uciekły z silnie naładowanej plazmy, która istniała w erze przedatomowej, i zaczęły płynąć swobodnie przez elektrycznie obojętny wszechświat. Co więcej, o czym byli niezbicie przekonani, ten błysk energii powinien być nadal wykrywalny, chociaż jego częstotliwość byłaby teraz bliska zeru, ponieważ uległa już rozciągnięciu w rozszerzającym się wszechświecie. Gdyby naukowcy przyjrzeli się uważnie, w temperaturach zbliżonych do zera bezwzględnego odkryliby promieniowanie dobiegające ze wszystkich stron. Dla wielu było to dość szalonym pomysłem, dlatego nikt nie zaczął w tak niskiej temperaturze szukać promieniowania przenikającego cały wszechświat.
W 1964 roku błysk promieniowania proponowany przez Gamowa wykryto przypadkowo. W Bell Labs w Holmdel w New Jersey, dwóch radioastronomów, Arno Penzias i Robert Wilson, budowali precyzyjną antenę radiową do komunikacji ze sztucznymi satelitami. Aby wyeliminować interferencje, ochłodzono odbiornik do około 3,5 stopnia Celsjusza powyżej zera absolutnego, ale mimo tak niskiej temperatury nie pozbyli się brzęczenia. Wydawało się, że dochodzi ono ze wszystkich stron, jasne więc było, że nie pochodzi z jakiejś masywnej gwiezdnej eksplozji. Podejrzewając usterkę w swoim odbiorniku, przegonili parę gołębi siedzących na przypominającej rogi antenie i usunęli pozostawione przez nie odchody, ale to nie miało znaczenia. (Niestety, gołębie próbowały wrócić na antenę i ostatecznie musiały zostać zastrzelone). W nieodległym Princeton zespół astronomów pod kierownictwem Roberta Dicke'a właśnie zaczął szukać promieniowania tła Gamowa, kiedy usłyszeli o obserwacjach Penziasa i Wilsona. Natychmiast uświadomili sobie, że energia ta została skądś zaczerpnięta. Obie ekipy postanowiły współpracować przy pracach opisujących to odkrycie. Argumentowali, że prawdopodobnie jest to energia powstała tuż po Wielkim Wybuchu, zasugerowana przez Gamowa.
Odkrycie kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła przekonało większość astronomów, że Wielki Wybuch jest faktem, ponieważ żadna inna teoria nie może wyjaśnić tego wszechprzenikającego promieniowania. Snucie dziwnych, ale ostatecznie pomyślnych prognoz takich jak ta, jest jednym z najpotężniejszych sposobów przekonania naukowców, że własna teoria jest trafna. Wszechświat, jak się wydawało, naprawdę się rozszerza i naprawdę powstał w wyniku Wielkiego Wybuchu.
Dziś dowody, że nasz wszechświat powstał z Wielkiego Wybuchu, są zdecydowane. Wiele szczegółów pozostaje jeszcze do ustalenia, ale na razie podstawowa idea jest mocno ugruntowana jako pierwszy rozdział nowoczesnej historii początku. To jest właśnie ów wspomniany na początku bootstrapping. A ponieważ fizyka kwantowa dopuszcza, by coś wyłoniło się z próżni, wydaje się, że cały wszechświat rzeczywiście wyłonił się z czegoś w rodzaju nicości, aczkolwiek pełnej potencjału14.
1 Richard S. Westfall, The Life of Isaac Newton, Cambridge, Cambridge University Press, 1993, s. 259.
2 Bertrand Russell, "Dlaczego nie jestem chrześcijaninem", wykład wygłoszony w Battersea Town Hall, London, March 1927. Tłumaczenie Zielona Góra, 1999.
3 Cytowane już w: David Christian, Maps of Time, s. 17.
4 Deborah Bird Rose, Nourishing Terrains: Australian Aboriginal Views of Landscape and Wilderness, Canberra, Australian Heritage Commission, 1996, s. 23.
5 Joseph Campbell, Bohater o tysiącu twarzy, tłum. Andrzej Jankowski, Zysk i S-ka Wydawnictwo, Poznań 1997, s. 196.
6 Stephen Hawking, Krótka historia czasu. tłum. Piotr Amsterdamski, Zysk i S-ka Wydawnictwo, Poznań 2007.
7 Dziękuję Elise Bohan za ten cytat z Terry'ego Pratchetta, Panowie i damy, tłum. Piotr W. Cholewa, Prószyński i S-ka, Warszawa 2002, s. 3.
8 Jeśli chodzi o paradygmaty, to do klasycznych tekstów zaliczyć trzeba: Thomas Kuhn, Struktura rewolucji naukowych, tłum. Helena Ostromęcka, Aletheia, Warszawa 2011.
9 Peter Atkins, Chemistry: A Very Short Introduction, Oxford, Oxford University Press, 2015, loc. 722, Kindle.
10 Lawrence Krauss, Wszechświat z niczego. Dlaczego istnieje raczej coś niż nic, Prószyński i S-ka, Warszawa 2014.
11 Erwin Schrödinger, Umysł i materia, tłum. Stefan Amsterdamski, Prószyński i S-ka, Warszawa 1998, s. 89
12 Campbell, Bohater o tysiącu twarzy, s. 32.
13 Peter M. Hoffmann, Life's Ratchet: How Molecular Machines Extract Order from Chaos, New York, Basic Books, 2012, loc. 179, Kindle.
14 Aby dowiedzieć się więcej na ten temat, zob. Krauss, Wszechświat z niczego.
Rozdział 2
Gwiazdy i galaktyki: progi 2 i 3
Ludzkość składa się z gwiazd.
Harlow Shapley, View from a Distant Star
Wielki Wybuch dał nam wszechświat, ale przez kilkaset milionów lat pozostawał on skrajnie prosty. Jednak w głębi miało się kotłować wiele ciekawych nowych możliwości, aż w końcu gwiazdy i galaktyki zaczęły rozświetlać ciemność. Wykreowały one zupełnie nowych bohaterów, nowe właściwości emergentne i nowe formy złożoności, co doprowadziło wszechświat do drugiego progu coraz to większej złożoności. Aby wyjaśnić, jak powstały te majestatyczne nowe obiekty, musimy powrócić do początku.
Darmowa energia: siła napędowa złożoności
W pierwszych sekundach i minutach po Wielkim Wybuchu wszechświat znajdował się w stanie termodynamicznego swobodnego opadania. Przez kilka oślepiających chwil było na tyle dużo energii, by tworzyć i kruszyć nowe egzotyczne formy energii i materii. Ale kiedy temperatura spadła, energia i materia zastygły w ograniczonej liczbie prostych struktur. W piecu Wielkiego Wybuchu siły i cząstki ustabilizowały się jak wypalana ceramika. Gwałtowna energia obecna przy Wielkim Wybuchu wraz z kilkoma prostymi regułami działania wspólnie doprowadziły do powstania struktur, takich jak protony i elektrony, które miały się okazać wyjątkowo stabilne, gdyż temperatura konieczna do ich stworzenia miała już tylko z rzadka pojawiać się ponownie w ochładzającym się wszechświecie.
Potem początkowo gwałtowny spadek temperatury uległ spowolnieniu, zupełnie jakby wszechświat sprawił, że termodynamiczna góra zwaliła się na dno doliny. Gradienty temperatury uległy spłaszczeniu, wskaźniki temperatury malały mniej gwałtownie, a tempo zmian uległo spowolnieniu, gdy termodynamiczna ściana klifu obecna we wczesnym stadium istnienia wszechświata ustąpiła miejsca płaskiemu pofałdowanemu krajobrazowi, w którym temperatura mogła rosnąć i opadać. Wówczas nowym strukturom trudniej już było zastygnąć na stałe, ponieważ można je było rozbić nawet przy niewielkim wzroście temperatury. Atomy obecne w pierwszych gwiazdach rozpadały się, na przykład wtedy, gdy temperatura wzrosła powyżej około dziesięciu tysięcy stopni Celsjusza.
W tych mniej przewidywalnych warunkach środowiska skomplikowane struktury, gdyby miały przyjąć stabilną formę, wymagałyby dodatkowego wzmocnienia. Ową stabilność zapewniały kontrolowane, nieprzypadkowe przepływy energii. Gwiazdy zachowują swoją spójność dzięki przepływowi energii generowanej w ich rdzeniu. Organizmy żywe, takie jak również ty i ja, nie rozpadają się dzięki subtelnym i precyzyjnie ukierunkowanym przepływom energii zarządzanym przez skomplikowane procesy metaboliczne w naszych komórkach. We wszechświecie powstałym w następstwie Wielkiego Wybuchu obserwuje się stałą pracę na rzecz budowy i utrwalenia nowych złożonych struktur. Dlatego istnieje ścisły związek między formą, złożonością i ukierunkowanymi lub ustrukturyzowanymi przepływami energii.
Ustrukturyzowane przepływy energii to raczej termin intuicyjny, a nie przykład naukowego żargonu. Oto idea, którą próbuje on wyrazić: teoria termodynamiki odróżnia te przepływy energii, które są całkowicie losowe, od tych, które mają kierunek, strukturę i spójność, dzięki czemu mogą działać. Ustrukturyzowane przepływy energii znane są jako energia swobodna, a nieustrukturyzowane przepływy określa się mianem energii cieplnej. Rozróżnienie to nie ma charakteru bezwyjątkowego. Naprawdę mówimy o stopniach koherencji lub przypadkowości. Niemniej jednak rozróżnienie między energią swobodną a energią cieplną stanowi jedną z podstaw naszej opowieści.
Pierwsza zasada termodynamiki mówi, że całkowita ilość energii we wszechświecie nigdy się nie zmienia. Ulega zachowaniu. Wydaje się, że nasz wszechświat wyłonił się jako posiadający ściśle określony potencjał tego, co może się zdarzyć. Tak więc pierwsze prawo tak naprawdę mówi o pierwotnym oceanie możliwości. Druga zasada termodynamiki mówi, że to, co wyłania się z oceanu możliwości, może być mniej lub bardziej ustrukturyzowane, jak zmarszczki na powierzchni strumienia. Powinniśmy jednak się spodziewać, że większość z tych rzeczy będzie słabiej ustrukturyzowana, a z czasem stanie się jeszcze mniej uporządkowana. Wszystko dlatego, że większość ewentualnych układów materii i energii ma słabą strukturę lub jej nie ma, a jeśli już przypadkiem napotkamy jakąś strukturę, to spodziewajmy się, że szybko się ona rozpadnie.
Dobrą ilustracją takiej sytuacji jest wodospad. Znajdujemy w nim wiele struktur, ale ostatecznie i one ulegną rozproszeniu. Cząsteczki wody u jego szczytu nie poruszają się losowo tak, jak cząsteczki w słoiku z powietrzem. Poruszają się w tym samym kierunku jak grasujące koty, przyciskając się do siebie jak najbliżej. Dzieje się tak dlatego, że w przeciwieństwie do cząsteczek gazu, które poruszają się samodzielnie, cząsteczki cieczy są utrzymywane razem dzięki siłom elektromagnetycznym. Zatem grawitacja może je popychać w ściśle określonej formacji i w tym samym kierunku - i przypominają wówczas żołnierzy podczas marszu. Gdy woda przelewa się przez krawędź, energia potencjalna zamienia się w energię kinetyczną lub energię ruchu. Jest to też skoordynowany ruch w jednym kierunku. Jest uporządkowany, więc energię, która go napędza, możemy opisać jako energię swobodną. Energia swobodna, w przeciwieństwie do losowej energii cieplnej cząsteczek gazu, może działać, ponieważ ma pewną strukturę i kształt i może popychać obiekty w jednym kierunku, zamiast je popychać w każdy dowolny sposób1. Jeśli zechcesz, możesz skierować przepływ energii swobodnej na turbinę i w ten sposób generować elektryczność. Wolna energia jest tym, co sprawia, że to działa. To niczym szybko poruszający się, trudny do powstrzymania królik Energizera z naszej historii początku.
W przeciwieństwie do energii w ogóle, energia swobodna nie podlega zasadzie zachowania. Jest niestabilna jak rozwijająca się sprężyna. Kiedy działa, traci zarówno swoją strukturę, jak i zdolność do wykonywania większej ilości pracy. Kiedy woda z wodospadu rozbija się o skały u dołu, zamienia się w rozproszoną, niekoherentną energię cieplną. Każda cząsteczka porusza się mniej lub bardziej niezależnie. Energia jako taka wciąż tam jest; wciąż zostaje zachowana (w myśl pierwszej zasady). Ale cząsteczki rozpychają się w tak wielu kierunkach, że ich energia nie jest już w stanie napędzać turbiny. Energia swobodna zamieniła się w energię cieplną. Druga zasada termodynamiki mówi, że na dłuższą metę cała energia swobodna zamieni się w energię cieplną.
Energia cieplna - jak pijany policjant kierujący ruchem - kieruje energię w każdą stronę, wywołując chaos. Energia swobodna - niczym trzeźwy policjant ruchu drogowego - kieruje energię w dół na określone trasy i tworzy porządek. Na nasze szczęście we wczesnym wszechświecie istniała jakaś energia swobodna wynikająca z podstawowych zasad działania naszego wszechświata. Reguły te ukierunkowały energię na konkretne, nieprzypadkowe ścieżki i zapewniły co najmniej minimalny stopień ustrukturyzowania.
Galaktyki i gwiazdy: próg 2
Energia swobodna doprowadziła do powstania pierwszych dużych struktur: galaktyk i gwiazd. Strategicznym źródłem energii swobodnej dla tej części naszej historii początku była grawitacja. Jak kosmologiczny pies pasterski grawitacja lubi skupiać swoje stado. A obiekty, które udało jej się zebrać, były prostymi formami materii powstałymi w wyniku Wielkiego Wybuchu. Grawitacja wraz z materią stworzyły warunki Złotowłosej konieczne do wyłonienia się gwiazd i galaktyk.
Badania kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła pokazują, że we wczesnym wszechświecie w skalach makro struktur było niewiele. Pomyślcie o cieniutkiej niczym pajęczyna mgle wodoru i atomów helu pływających w ciepłej kąpieli ciemnej materii przesyconej fotonami światła. A wszystko to w mniej więcej tej samej temperaturze. Ponieważ na podstawie CMBR jesteśmy w stanie zmierzyć różnice temperatury, wiemy, że wczesny wszechświat miał charakter jednorodny. Odkrywamy mianowicie, że najgorętsze elementy wczesnego wszechświata były tylko o jedną setną stopnia cieplejsze niż elementy najchłodniejsze. Brakowało w nim użytecznych gradientów temperatury, nie było żadnych wodospadów energii, które mogłyby budować nowe struktury. W tej chwili znacznie większą różnicę temperatur możemy wygenerować poprzez pocieranie palcem po twarzy.
Wówczas to grawitacja zaczęła kształtować ten, bądź co bądź, mało obiecujący materiał w coś bardziej interesującego. Podczas gdy Wielki Wybuch rozdzielał przestrzeń na drobniutkie elementy, grawitacja krążyła wokół, próbując połączyć energię z materią.
Idea grawitacji była kluczową kwestią w sposobie pojmowania wszechświata przez Newtona i stanowiła jedną z głównych idei jednoczących myślicieli rewolucji naukowej. To, w jaki sposób grawitacja funkcjonuje, Newton wyjaśnił w jednej z najważniejszych prac naukowych wszech czasów: Phiosophiae Naturalis Principia Mathematica (w Matematycznych zasadach filozofii naturalnej) wydanych w roku 1687. Newton postrzegł grawitację jako uniwersalną siłę przyciągania, która działała pomiędzy wszystkimi obiektami mającymi masę. Dwa i pół wieku później Einstein wykazał, że sama energia może wytwarzać siłę przyciągania grawitacyjnego, ponieważ energia jest tym, z czego również złożona jest materia.
Einstein wysnuł jeszcze jedną ważną prognozę dotyczącą grawitacji, mianowicie że jest ona formą energii, więc podobnie jak siły elektromagnetyczne czy dźwięk powinna generować fale. Jednak Einstein obawiał się, że fale będą tak małe, iż nikomu nie uda się ich wykryć. We wrześniu 2015 roku w spektakularnym pokazie naukowym w najlepszym wydaniu fale grawitacyjne zostały w końcu wykryte przez dwie olbrzymie maszyny - jedna stała w Luizjanie, a druga w stanie Waszyngton. Były one obsługiwane przez laserowy detektor fal grawitacyjnych (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) inaczej LIGO. W 2017 roku trzej panowie, którzy wnieśli znaczący wkład w ten projekt, zostali uhonorowani Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki. Wykryte za pomocą LIGO fale grawitacyjne zostały wygenerowane około sto milionów lat temu, kiedy dwie czarne dziury zderzyły się w odległej galaktyce gdzieś na południowym niebie. (Kiedy doszło do tego zderzenia, dinozaury wciąż panowały na naszej planecie). Na Ziemi obie maszyny LIGO dzieliły wiązki światła na dwie części i wysyłały je nawzajem do siebie pod kątem prostym, w tę i z powrotem dwiema czterokilometrowymi rurami, na których końcach zainstalowano zwierciadła. Kiedy te wiązki laserowe wróciły po prawie trzystu podróżach, okazało się, że nie dotarły dokładnie w tym samym czasie. Małe fale grawitacyjne biegnąc w jednym kierunku, rozciągały te rury, a skracały je, biegnąc w drugim o odległość znacznie mniejszą niż średnica protonu. Teraz, kiedy astronomowie wiedzą, że fale grawitacyjne istnieją, pojawiła się nadzieja, iż będą mogli wykorzystać je jako nowy sposób badania wszechświata.
Z punktu widzenia grawitacji wczesny wszechświat był zbyt jednorodny. Trzeba było go zbrylić. Taka tendencja grawitacji do zmiany wszechświata wyjaśnia, dlaczego możemy myśleć o wczesnym wszechświecie jako środowisku o niskim poziomie entropii, o takim rodzaju uporządkowania, w którym entropia może dopuszczać się wielorakich manipulacji przez kolejne kilka miliardów lat. Kiedy już to się zaczęło, grawitacji potrzeba było zaledwie kilkuset milionów lat, aby zamienić delikatną mgiełkę, z jaką mieliśmy do czynienia we wczesnym wszechświecie, w bardziej chaotyczną i bardziej zwartą przestrzeń pełną gwiazd i galaktyk.
Jak wykazał Newton, siła grawitacji wzrasta tam, gdzie następuje wzrost masy i gdzie obiekty znajdują się blisko siebie. Dlatego Ziemia ma znacznie większe przyciąganie grawitacyjne względem różnych obiektów niż ty, i dlatego przyciąga cię dużo słabiej, jeśli przebywasz z dala od jej powierzchni - dajmy na to na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Teraz skupmy się na niewielkim sześcianie mgiełki swobodnych cząstek, jaka charakteryzowała obraz wczesnego wszechświata. Wyobraźmy sobie, że ciemna materia i atomy zostają zupełnie przypadkowo nieco bardziej skoncentrowane w jednym rogu sześcianu niż w innym. Zasady Newtona mówią, że grawitacja będzie silniejsza w gęstszym narożniku, więc tutaj materia zostanie skompresowana mocniej, a różnica pomiędzy gęstszymi a słabiej skoncentrowanymi obszarami będzie się zwiększać. W ten sposób - sześcian po sześcianie - grawitacja przez miliony lat sprawiła, że wszechświat stawał się coraz bardziej ziarnisty i zbity.
Gdy grawitacja wymusiła powstanie pierwszych atomów, zderzały się one ze sobą częściej i harcowały niestrudzenie. To z kolei doprowadziło do wzrostu temperatury w obszarach o większym skupieniu, ponieważ więcej ciepła koncentrowało się w mniejszej objętości przestrzeni. (Ta sama zasada tłumaczy, dlaczego opona staje się cieplejsza, gdy ją napompujesz). Podczas gdy większość wszechświata wciąż ulegała ochłodzeniu, zbite okruchy zaczynały się ponownie nagrzewać. W końcu niektóre grudki stały się tak gorące, że protony nie mogły już dłużej utrzymać swoich elektronów. Atomy rozpadały się, tworząc na nowo naładowaną plazmę wewnątrz każdego skupiska materii trzaskającą elektrycznością, która kiedyś przenikała cały wszechświat.
Gdy grawitacja potęgowała ciśnienie, gęstsze obszary stawały się jeszcze gęstsze, a ich rdzenie stawały się jeszcze gorętsze, i w ten sposób siła grawitacji zaczęła na nowo generować wysokie poziomy energii obserwowane we wczesnym stadium rozwoju wszechświata. W przybliżeniu było to dziesięć milionów stopni Celsjusza, bo tyle energii mają protony, gdy gwałtownie się ze sobą zderzają, przezwyciężając odpychanie się ładunków dodatnich. Po pokonaniu tej bariery protony zaczęły się łączyć w pary siłą energii jądrowej, która działa tylko na niewielkie odległości. Pary protonów tworzyły tym samym jądra helu, tak jak to było już wcześniej, zaraz po Wielkim Wybuchu.
Kiedy protony uległy połączeniu, część ich masy zamieniła się w czystą energię, a - jak już obserwowaliśmy to wcześniej - nawet niewielka ilość materii ma przeogromną ilość energii. Taka sama kolosalna energia zostaje uwolniona w momencie wybuchu bomby wodorowej, która czerpie siłę, tak jak każda gwiazda z fuzji protonów. Tak więc, gdy jądro gęstej chmury materii przekracza krytyczny próg około dziesięciu milionów stopni, tryliony protonów zaczynają się spajać w jądra helu, pełniąc rolę pieca, który uwalnia olbrzymie ilości energii. Gdy już się napali w tym piecu, ogień w nim nie zagaśnie dopóty, dopóki nie zabraknie opału w postaci wolnych protonów gotowych do syntezy.
Ogromna energia uwolniona przez fuzję protonów rozgrzeje rdzeń materii tak, że zacznie się on rozszerzać i rozpychać wbrew grawitacji. Wówczas ta cała nowa struktura ustabilizuje się na miliony lub miliardy lat. Właśnie jesteśmy świadkami narodzin gwiazdy.
Wszechświat, jego galaktyki i gwiazdy
Ale nie była to tylko jedna gwiazda; w każdym skondensowanym obszarze wszechświata pojawiły się miliardy gwiazd, a teraz te całe ogromne miasta gwiazd, które nazywamy galaktykami, zaczęły błyszczeć, rozświetlając ciemność młodego wciąż wszechświata.
Tenże wszechświat wraz ze swoimi galaktykami i gwiazdami jest dalece inny od wszechświata z okresu powstania pierwszych atomów. Teraz ma on strukturę zarówno w skali makro, jak i w skali mikro i możemy uznać, że cały wszechświat jest o wiele bardziej złożony. Ma zarówno ciemne, puste obszary między galaktykami, jak i jasne, gęste przestrzenie wewnątrz galaktyk. Galaktyki stanowią zagęszczenie materii i energii, a przestrzeń pomiędzy nimi pozostaje zimna i pusta. Nie jest ona już tak rozmazana jak mgła, wartościowe cząstki materii koncentrują się na ogromnych połaciach i łańcuchach galaktyk, przypominając nici pajęczej sieci. Każda galaktyka ma określoną strukturę. Większość z nich to galaktyki spiralne, takie jak nasza rodzima Droga Mleczna, a setki miliardów gwiazd krążą powoli wokół jej gęstego rdzenia, w którym zazwyczaj znajduje się czarna dziura. Jednak galaktyki, które zderzyły się z innymi galaktykami, często zatracały swój porządek, tworząc "galaktyki nieregularne". Galaktyki z kolei pod wpływem grawitacji, skupiały się w gromady, a potem w gromady gromad, tworząc gwiezdne archipelagi rozciągające się na cały wszechświat.
Istnieją też pojedyncze gwiazdy porozrzucane po wszechświecie jak gorące rodzynki w zimnym budyniu, ale one również mają pewne struktury i nowe właściwości emergentne. Każda gwiazda ma gorący rdzeń, w którym protony łączą się ze sobą, wytwarzając energię, która z kolei rozpycha wszystko wbrew grawitacji. Wokół rdzenia warstwy zewnętrzne wciskają się do wnętrza, dostarczając protonowego paliwa. Długość życia gwiazdy będzie zależeć przede wszystkim od jej masy w momencie narodzin: od ilości materiału na samym początku. Masywne gwiazdy generują większe ciśnienie grawitacyjne, więc są znacznie gorętsze niż gwiazdy o mniejszej masie. To tłumaczy, dlaczego szybko spalają zgromadzone paliwo i dokonują żywota w ciągu zaledwie kilku milionów lat. Gwiazdy o mniejszej masie palą się wolniej, a wiele małych gwiazd będzie świecić jeszcze dłużej niż to, ile wszechświat liczy sobie do dziś.
Ten bardziej zróżnicowany wszechświat miał też bardziej zróżnicowane środowisko, większy potencjał twórczy i mnóstwo gradientów energii. Były w nim gradienty światła, temperatury i gęstości, w których, tak jak woda nad wodospadem, przepływała energia swobodna. Każda gwiazda emitowała swoją energię do otaczających ją zimniejszych obszarów, generując przepływy ciepła, światła i energii chemicznej, które można wykorzystać do budowy nowych form złożoności w sąsiadujących z nimi przestrzeniach. Są to takie przepływy energii swobodnej, które tutaj na Ziemi pozwalają rozwijać się życiu.
Grawitacja rozpoczęła przekształcanie materii w gwiazdy poprzez łączenie protonów pomimo bariery, jaką stanowiło odpychanie się ich jednakowych ładunków dodatnich. Jest to wzór, z którym będziemy mieli stale do czynienia. To trochę tak jak z filiżanką kawy, która pomaga w porannym rozruchu. Chemicy określają ten początkowy przypływ energii mianem energii aktywacji; jest to energia zapalonej zapałki, od której może wybuchnąć wielki pożar. Jest to ten rodzaj energii, który zmienia coś, a to coś w rezultacie wyzwala inne przepływy energii swobodnej, które są znacznie większe niż sama energia aktywacji. W opowieści o powstawaniu gwiazd grawitacja zapewniała energię aktywacji do fuzji protonów i powstania gwiazd jak również tego wszystkiego, co nastąpiło później.
A teraz czas na zagadkę. Co z drugą zasadą termodynamiki? Entropia nie znosi struktury, więc dlaczego pozwala na pojawianie się bardziej złożonych obiektów?
Jeśli przyjrzymy się strumieniom energii, zobaczymy, że złożone struktury, takie jak gwiazdy, płacą wysoką cenę za swoją złożoność. Spójrzmy na całą energię z syntezy jądrowej. Pierwszą rzeczą, której dokonuje energia, jest podtrzymywanie istnienia gwiazdy, zapobieganie jej rozpadowi. Jest to niczym haracz płacony entropii, swego rodzaju podatek od złożoności. Kiedy gwiazda przestanie wytwarzać energię, rozpadnie się. Pomysł podatku od złożoności pomaga wyjaśnić ważne zjawisko odnotowane przez astrofizyka, Erica Chaissona. Z grubsza biorąc, bardziej złożone zjawiska wymagają gęstszych przepływów energii, czyli więcej energii na gram na sekundę. Chaisson obliczył na przykład, że gęstość energii przepływającej przez współczesne ludzkie społeczeństwo jest około miliona razy większa niż gęstość energii przepływającej przez Słońce, podczas gdy energia przepływająca przez większość żywych organizmów leży gdzieś pomiędzy tymi skrajnościami. To tak, jakby entropia domagała się więcej energii od danej istoty, jeśli stara się ona być bardziej złożona; bardziej złożone struktury muszą znaleźć i zarządzać większymi i bardziej skomplikowanymi przepływami energii swobodnej. Nic dziwnego, że tworzyć i utrzymywać bardziej skomplikowane rzeczy jest trudniej, i nic dziwnego, że zazwyczaj rozpadają się one szybciej niż rzeczy prostsze. Jest to motyw, który pojawia się nader często we współczesnej historii początku i mówi wiele na temat współczesnych ludzkich cywilizacji2.
Entropii odpowiada taki układ, ponieważ energia, która podtrzymuje strukturę gwiazdy, tak jak energia wodospadu, w końcu ulega degradacji, kiedy zostaje wyemitowana w kosmos. Tak więc, podczas gdy gwiazda staje się bardziej złożona, pomaga również entropii sprowadzać energię swobodną do energii cieplnej. I to też będziemy obserwować w najnowszej historii początku. Większa złożoność nie jest triumfem nad entropią. Paradoksalnie, przepływy energii, które podtrzymują istnienie obiektów złożonych (również takich jak ty i ja), pomagają entropii w jej ponurym zadaniu powolnego niszczenia wszelkich form porządku i struktury.
Nowe pierwiastki i wzrost złożoności chemicznej: próg 3
Miliard lat po Wielkim Wybuchu wszechświat, zupełnie jak małe dziecko, zachowywał się już w dość interesujący sposób, choć z chemicznego punktu widzenia było to bardzo nudne. Istniał w nim jedynie wodór i hel. Przekroczenie trzeciego progu zwiększania złożoności przyniosło nowe formy materii, mianowicie pojawienie się wszystkich pozostałych pierwiastków z układu okresowego. Wszechświat z ponad dziewięćdziesięcioma odrębnymi pierwiastkami może stworzyć o wiele więcej niż wszechświat dysponujący zaledwie wodorem i helem.
Wodór i hel były pierwsze, ponieważ są najprostsze. Wodór ma jeden proton w swoim jądrze, więc mówimy, że ma on liczbę atomową 1. Hel ma już dwa protony, więc jego liczba atomowa wynosi 2. W emitowanym - około 380 tysięcy lat po Wielkim Wybuchu - CMBR można już znaleźć także drobiny litu (liczba atomowa 3) i berylu (liczba atomowa 4). I to by było tyle. Były to jedyne pierwiastki powstałe w wyniku Wielkiego Wybuchu.
Warunki Złotowłosej konieczne do tworzenia większej liczby pierwiastków o większych jądrach były proste: potrzeba wielu protonów i bardzo wysokich temperatur - temperatur, jakie nie istniały od czasu tuż po Wielkim Wybuchu. Temperatury te byłyby do uzyskania jedynie w dramatycznym, skonfliktowanym świecie umierających gwiazd. Gdy ich paliwo się wyczerpało, żyjące ostatkiem sił, w końcu się rozpadły, nie będąc już w stanie zapłacić entropii podatków od złożoności.
Aby zrozumieć, w jaki sposób gwiazdy w swoich agonalnych podrygach wytwarzają nowe pierwiastki, musimy najpierw pojąć, jak żyją i jak się starzeją.
Gwiazdy żyją przez miliony lub miliardy lat, więc nie jesteśmy w stanie obserwować ich starzenia. Dlatego współczesna opowieść o ich życiu i śmierci nie mogła być gołym okiem zbadana przez astronomów, takich jak ci z królestwa Majów lub ludów znad jeziora Mungo czy ze starożytnych Aten. Nasza współczesna wiedza opiera się na badaniach prowadzonych na całym świecie przy użyciu instrumentów i baz danych stworzonych w ciągu zaledwie ostatnich dwóch stuleci. Pozwalają one współczesnym astronomom dzielić się informacjami na temat milionów gwiazd na różnych etapach ich życia. Jak ujął to angielski astronom, Arthur Eddington, astronomia to jak spacerowanie po lesie, w którym napotyka się sadzonki, dojrzałe drzewa i stare okazy bliskie śmierci3. Dzięki badaniu drzew w różnych momentach ich cyklu życia można w końcu się dowiedzieć, jak rosną, dojrzewają i obumierają.
Dla astronomów istnieje jedna podstawowa mapa, która skupia ogromną ilość informacji o gwiazdach: diagram Hertzsprunga-Russella. Jest to dla astronoma odpowiednik globusa, jakie kiedyś stały w klasach szkolnych, i tak jak globus pomaga nam wyciągnąć sens z ogromnej ilości informacji.
Stworzony około 1910 roku diagram Hertzsprunga-Russella klasyfikuje gwiazdy według dwóch podstawowych właściwości. Pierwszą właściwością, wykreśloną na osi pionowej, jest ich wewnętrzna jasność lub moc promieniowania - to tak naprawdę ilość energii, którą wysyłają w kosmos - w porównaniu do Słońca. Drugą właściwością jest barwa, który informuje o ich temperaturze na ich powierzchni wyrażana w kelwinach (K). Zazwyczaj jest ona nanoszona na osi poziomej. Ponieważ te dwie wielkości w ciągu życia gwiazdy ulegają zmianom, wykres może pomóc nam zrozumieć biografie różnych typów gwiazd. Główne różnice w historii życia gwiazd zależą od jeszcze jednej zmiennej: masy chmury materii, z której powstały. Gwiazdy o wysokiej masie mają biografie odmienne niż gwiazdy o masie mniejszej4.
Diagram Hertzsprunga-Russella (wersja uproszczona) z podanymi w przybliżeniu położeniami przykładów różnych typów gwiazd
Najjaśniej świecące gwiazdy, te które emitują najwięcej energii, takie jak Syriusz, znajdują się u góry diagramu Hertzsprunga-Russella. Są to zwykle gwiazdy o największej masie. Najsłabiej świecące, takie jak nasz bliski sąsiad, Proxima Centauri, znajdują się poniżej. Nasze Słońce (o jasności 1) plasuje się pośrodku. Gwiazdy o bardzo wysokiej temperaturze na powierzchni są przesunięte w lewo, a te o niskiej temperaturze powierzchni leżą w prawej części diagramu.
Istnieją trzy główne obszary zainteresowania tym diagramem. Przecinająca go, szeroka, zakrzywiona wstęga rozciągająca się od prawego dolnego do lewego górnego rogu, to ciąg główny. Większość gwiazd przez około 90 procent ich życia znajduje się w jednym z obszarów w obrębie ciągu głównego. To, gdzie się uplasują, zależy od ich masy, ale wszystkie gwiazdy w ciągu głównym generują potrzebną im energię, łącząc protony w jądra helu. I tak właśnie postępuje teraz nasze Słońce. Jest w średnim wieku i nadal mieści się w ciągu głównym. Po prawej górnej stronie diagramu znajdują się czerwone nadolbrzymy, takie jak Betelgeza w konstelacji Oriona. Są to starzejące się gwiazdy, które zużyły już większość protonów w swoich rdzeniach i zasilają swoje piece, spalając inne, większe jądra. Mają chłodniejszą powierzchnię, ponieważ rozszerzyły się do wielkości około dwustu razy większej niż promień Słońca. Całkowita ilość emitowanego światła jest tak ogromna, gdyż są one bardzo duże i dlatego znajdują się w górnej części diagramu. Trzeci ważny obszar mieści się w lewym dolnym rogu. Tutaj znajdziemy białe karły. Były to kiedyś czerwone olbrzymy, dopóki nie utraciły większości zewnętrznych powłok, pozostawiając tylko gorące, gęste rdzenie.
Kiedy gwiazdy stają się już bardzo stare, w końcu zabraknie im wolnych protonów, a ich rdzeń zaczyna się wypełniać popiołem ze stopionych protonów - innymi słowy, jądrami helu. Łączenie jąder helowych wymaga znacznie wyższych temperatur niż łączenie pojedynczych protonów, więc ostatecznie piece w ich rdzeniu przestają działać. Kiedy tak się dzieje, kontrolę przejmuje grawitacja, a gwiazdy zapadają się do środka pod ciężarem własnej masy. Ale to jeszcze nie koniec. W wyniku zapadnięcia się gwiazdy nagrzewa się ona ponownie, ponieważ grawitacja potęguje ciśnienie. Oddalone od rdzenia zewnętrzne warstwy gwiazdy rozszerzają się i schładzają, aby utrzymać wszystko w równowadze. Dla naszego oka te chłodniejsze warstwy zewnętrzne mają barwę czerwoną, dlatego na tym etapie nazywamy je czerwonymi olbrzymami. Kiedy nasze Słońce osiągnie ten etap, rozszerzy się, zwiększając swoje obecne rozmiary około dwustukrotnie i spowoduje wyparowanie bliższych planet, w tym Ziemi.
Jeśli czerwony olbrzym ma odpowiednią masę, grawitacja ściska go tak mocno, że jego rdzeń staje się gorętszy niż kiedykolwiek wcześniej, na tyle gorący, aby zacząć łączyć jądra helu w cięższe jądra, takie jak węgiel (z sześcioma protonami) i tlen (z ośmioma protonami). Gwiazda zdaje się ożywać, ale łączenie jąder helowych jest procesem bardziej skomplikowanym niż łączenie protonów i generuje mniej energii, więc gwiazdy na tym etapie mają znacznie krótszą oczekiwaną długość życia. Bardzo duże gwiazdy przejdą kilka etapów coraz bardziej gwałtownej ekspansji i kurczenia się. Węgiel i tlen będą ulegać dalszym fuzjom, tworząc nowe pierwiastki, począwszy od magnezu poprzez krzem, a na żelazie skończywszy. Kiedy te gwiazdy ponownie się nagrzewają, uruchamia się jeszcze inny mechanizm przekształcający neutrony w protony, aby stworzyć nowe typy jąder. Rdzeń stopniowo stanie się wielką kulą żelaza otoczoną warstwami innych pierwiastków.
A i to jeszcze nie koniec drogi, ponieważ nie da się wytwarzać energii przez łączenie jąder żelaza. Ostatecznie większość gwiazd odrzuci zewnętrzne warstwy i skończy jako białe karły, które plasują się w lewym dolnym rogu diagramu Hertzsprunga-Russella. Białe karły są gwiezdnymi zombie, pozbawione pieca w swoim sercu, niezwykle gęste, często zaledwie wielkości Ziemi, ale z masą dorównującą Słońcu. Gdyby ktoś spróbował podnieść łyżeczkę materii tworzącej białe karły, to się mu to nie uda, bo waży co najmniej tonę. Są nadal gorące i będą się ochładzać jeszcze przez miliardy lat. Ale wykonały już swoją pracę, ponieważ napełniły otoczenie nowymi pierwiastkami. Niektóre białe karły, jeśli zostaną zassane przez pobliskie gwiazdy, giną w bardziej spektakularny sposób w olbrzymich wybuchach supernowych. Te eksplozje są tak gorące, że mogą posłużyć do wytworzyć jeszcze wielu innych pierwiastków z układu okresowego. Spektakularne śmiertelne wybuchy białych karłów skutkują pojawieniem się supernowych typu 1a. Wszystkie z nich wybuchają w mniej więcej tej samej temperaturze, więc gdy się taką gwiazdę obserwuje, a wiadomo, jaka jest jej jasność, możliwe jest oszacowanie jej rzeczywistej odległości. Supernowe typu 1a pozwalają astronomom oszacować odległości setki razy większe niż za pomocą zmiennych cefeid.
Gwiazdy mające masę ponad siedem razy większą od naszego Słońca również dokonają żywota w spektakularny sposób w wyniku innego rodzaju eksplozji, znanego jako supernowa z zapadniętym rdzeniem. Kiedy rdzeń utworzy kulę żelaza większą niż nasze Słońce, centralny piec wyłączy się po raz ostatni. Grawitacja rozkruszy taki rdzeń w ułamku sekundy z niebywałą brutalnością, wytwarzając energię i temperaturę wyższą niż na jakimkolwiek wcześniejszym etapie życia gwiazdy. Gwiazda eksploduje jako supernowa i jest w stanie przez krótki czas emitować tyle energii co cała galaktyka. W ciągu zaledwie kilku minut produkuje mnóstwo innych pierwiastków układu okresowego i wyrzuca je w kosmos. Być może najsłynniejszy przykład supernowej z zapadniętym rdzeniem mieści się w sercu Mgławicy Kraba. Betelgeza może przejść w supernową w dowolnym momencie w ciągu następnego miliona lat.
Większość nadolbrzymów, odrzucając swoje zewnętrzne warstwy w supernowych, będzie się kurczyć tak gwałtownie, że protony i elektrony zostaną ze sobą zbite, tworząc neutrony. Następnie cała ta masywna kula zostanie zgnieciona, dając początek gwieździe neutronowej, obiektowi zbudowanemu z neutronów upakowanych tak blisko siebie jak elementy tworzące jądra atomowe. Jest to bardzo rzadko spotykana i niezwykle gęsta forma materii, ponieważ zazwyczaj większość atomów składa się głównie z pustej przestrzeni. Gwiazda neutronowa o średnicy zaledwie dwudziestu kilometrów ważyłaby dwa razy więcej niż nasze Słońce, a łyżeczka materii znalezionej w gwiazdach neutronowych ważyłaby miliard ton5. Istnieje kilka dowodów na to, że wiele cięższych pierwiastków w układzie okresowym mogło powstać nie w standardowych supernowych, lecz podczas gwałtownych fuzji zachodzących w materii gwiazd neutronowych.
Gwiazdy neutronowe, które wirują bardzo szybko, niczym sygnały świetlne samochodów uprzywilejowanych, zostały po raz pierwszy zaobserwowane w 1967 roku w serii następujących szybko po sobie błysków energii. Obracające się gwiazdy neutronowe są znane również pod nazwą pulsarów. Wkrótce po odkryciu pierwszego pulsara wykryto również następny znajdujący się w sercu Mgławicy Kraba, będący pozostałością supernowej zaobserwowanej przez chińskich astronomów w 1054 roku. Mgławica Kraba jest mniej więcej wielkości miasta i wiruje z szybkością trzydziestu obrotów na sekundę.
Najbardziej masywne gwiazdy czeka jeszcze inny, bardziej zaskakujący koniec. Implozja ich rdzenia jest tak gwałtowna, że nic nie jest w stanie powstrzymać ich zapadnięcia i zamieniają się w czarne dziury, najgęstsze obiekty, jakie znamy. Einstein przepowiadał istnienie czarnych dziur, obiektów tak gęstych, że nic nie uchroni się przed ich grawitacją, nawet światło, i dlatego tak mało wiemy o ich wewnętrznej budowie. Czarne dziury są bardzo dziwnymi astronomicznymi potworami, ale mamy obecnie mnóstwo dowodów na to, że naprawdę istnieją. Pierwsze gwiazdy w naszym wszechświecie były prawdopodobnie ogromne, więc jest możliwe, że wiele z nich zapadło się, tworząc wielkie czarne dziury, a te mogły stanowić ośrodki grawitacyjne, wokół których utworzyły się całe galaktyki, tak jak perła wokół ziarenka piasku. Dzisiaj astronomowie są w stanie wykrywać duże czarne dziury w centrach większości galaktyk, również naszej rodzimej Galaktyki. Ich ogromne pola grawitacyjne są w stanie wciągać pobliskie gwiazdy w swą paszczę. Gdy gwiazda zostaje przeciągnięta przez granicę czarnej dziury (jej horyzont zdarzeń), wyzwala z siebie ogromne ilości energii, coś w rodzaju ostatniego krzyku. Te przedśmiertne wrzaski prowadzą do powstania wyjątkowo jasnych obiektów zwanych kwazarami.
Granica lub inaczej horyzont zdarzeń czarnej dziury to punkt, za którym nie ma już odwrotu. Stanowi on również granicę naszej wiedzy, ponieważ tak niewiele informacji może się wydostać ze szponów czarnej dziury. Możemy oszacować masę obiektu, który utworzył czarną dziurę, a także jej ruch wirowy. I to mniej więcej tyle, co jesteśmy w stanie zrobić. Stephen Hawking wykazał jednak, że subtelne efekty kwantowe pozwalają na wyciek niewielkich ilości energii z czarnych dziur. Być może są to również przecieki informacji, ale jeśli tak jest, to jeszcze nie wiemy, jak je odczytać.
Na takie to różne sposoby umierające gwiazdy wzbogaciły i użyźniły młody wszechświat. Pierwiastki układu okresowego wyprodukowane w umierających gwiazdach i supernowych zgromadziły się w ogromnych chmurach pyłu między gwiazdami. Atomy zaczęły się łączyć, tworząc proste cząsteczki, a dzięki swego rodzajowi fermentacji nawarzyły nowych form materii.
Ta ogromna wiedza o gwiazdach powstała dzięki astronomom, którzy opracowali techniki pozwalające określić, co się dzieje wewnątrz gwiazd odległych o wiele milionów lat świetlnych od Ziemi. Doświadczyliśmy już tego, jak wiele informacji astronomowie są w stanie wydobyć z gwiazd. Ale ich widzialne światło stanowi jedynie niewielką część energii emitowanej przez gwiazdy i galaktyki. Dzięki nowoczesnym teleskopom astronomowie mogą badać emisję energii we wszystkich częstotliwościach widma elektromagnetycznego, od najdłuższych i najleniwszych fal radiowych do najkrótszych i najbardziej nadpobudliwych promieni gamma. Komputery pozwalają nam przetwarzać ogromne ilości informacji z wielką precyzją, a teleskopy kosmiczne, takie jak Kosmiczny Teleskop Hubble'a, umożliwiają astronomom obserwować wszechświat wolny od zniekształceń wywołanych przez atmosferę Ziemi. Te nowoczesne zabawki naukowe dostarczają nam ogromnej wiedzy o naszym galaktycznym otoczeniu.
Starsze instrumenty, takie jak teleskopy optyczne i spektroskopy, są również niezwykle pożyteczne. Linie absorpcji wykryte za pomocą spektroskopów mówią nam, w jakich proporcjach i jakie pierwiastki tworzą się w gwiazdach. Chcesz wiedzieć, ile złota znajduje się w Słońcu? Skieruj swój spektroskop na Słońce, zbadaj linie absorpcji złota i zmierz ciemność ich barwy. Przekonasz się, że złoto stanowi mniej niż jedną bilionową całej masy Słońca. Słońce zaś jest tak duże, że wydobycie całego tego złota sprawiłoby, iż staniesz się niezwykle bogaty, ponieważ jest go znacznie więcej niż złota na całej kuli ziemskiej.
Astronomowie mogą określić temperaturę powierzchni gwiazdy na podstawie barwy (lub częstotliwości) emitowanego przez nią światła, więc wiemy, że temperatura powierzchni może wynosić zarówno 2,5 tysiąca K, jak i nawet 30 tysięcy K. I, jak już wykazaliśmy, możliwe jest obliczenie całkowitej ilości światła emitowanego przez gwiazdę (jej jasność), mierząc jej pozorną jasność, a następnie obliczając, o ile jaśniejsza byłaby ona z bliska. Te dwa pomiary - temperatura powierzchni i jasność - stanowią podstawowe dane wyjściowe diagramu Hertzsprunga-Russella. A ponadto, jeśli znamy jasność gwiazdy, często potrafimy oszacować jej masę. Podobne techniki pomagają nam oszacować odległość, wielkość, ruch i energię całych galaktyk.
Tego typu techniki zrewolucjonizowały w ciągu ostatnich pięćdziesięciu lat nasze pojmowanie gwiazd i galaktyk. Pomogły zrozumieć ewolucję gwiazd i galaktyk, sposób ich rozkładu i to, jak pomogły tworzyć tak urozmaicony pod względem chemicznym wszechświat. I to był kluczowy warunek Złotowłosej do budowania złożonych cząsteczek, które mogłyby kreować nowe obiekty astronomiczne, takie jak nasza Ziemia i jej Księżyc.
1 "Z molekularnego punktu widzenia podnoszenie ciężaru dotyczy wszystkich jego atomów poruszających się w tym samym kierunku (...) Praca stanowi transfer energii, który wykorzystuje jednolity ruch atomów w otoczeniu". Peter Atkins, Four Laws That Drive the Universe, Oxford, Oxford University Press, 2007, s. 32.
2 Zob. Chaisson, Cosmic Evolution; Spier, Big History.
3 Andrew King, Stars: A Very Short Introduction, Oxford, Oxford University Press, 2012, s. 49.
Rozdział 3
Cząsteczki i księżyce: próg 4
W rzeczywistości istnieją tylko atomy i próżnia.
Demokryt
Jesteś na Ziemi. Nie ma na to lekarstwa.
Samuel Beckett, Końcówka
Od pyłu gwiezdnego do cząsteczek
Do tej pory przekonaliśmy się, w jaki sposób gwałtowne procesy wykorzystujące nadzwyczajne energie i kierowane przez podstawowe zasady działania wszechświata doprowadziły do stworzenia galaktyk, gwiazd i nowych pierwiastków. To, co się wówczas stało, było kosmologicznym odpowiednikiem rzeźbienia za pomocą piły łańcuchowej, a grawitacja jest wręcz wirtuozem tego typu rzeźbiarstwa. W bliskim otoczeniu gwiazd owa toporna rzeźba zagwarantowała powstanie nowego środowiska, w którym możliwe było tworzenie się bardziej wyrafinowanych rzeźbień. Aby zrozumieć te nowe rodzaje struktur, musimy przejść od obiektów bardzo dużych do rzeczy bardzo małych i skupić się na wzajemnym oddziaływaniu między atomami.
Złożoność chemiczna zależy od maleńkich przepływów energii elektromagnetycznej, które mogą wykonywać pracę w maluteńkich skalach polegającą na przestawianiu pojedynczych atomów i cząsteczek. Ale takie delikatne strumienie energii swobodnej są powszechne tylko w ukrytych i rzadko spotykanych środowiskach, w których możliwe jest spełnienie warunków Złotowłosej. Wysoka temperatura raczej rozrywa cząsteczki i atomy, więc chemiczna złożoność w obrębie gwiazd jest niemożliwa. Ale złożoność chemiczna wymaga jednak odrobiny energii, więc nie jest również możliwa w martwej strefie głębokiego kosmosu. Idealne środowisko wydaje się pojawiać blisko, choć nie za blisko gwiazdy, w regionach o trwałym, ale łagodnym przepływie wolnej energii.
My, ludzie, odczuwamy działanie grawitacji, ale w nanoświecie, w którym krążą atomy, grawitacja nie jest aż tak ważna. Nie ma ona nawet większego znaczenia dla małych obiektów, takich jak bakterie, lub dla form wodnych, które większym zainteresowaniem darzą, odpowiednio, pobliskie ładunki elektryczne lub napięcie powierzchniowe wody. W skali cząsteczek rządzą siły elektromagnetyczne. Są to siły, które są w stanie sklejać atomy i cząsteczki lub je rozdzielać. Cząsteczki i atomy przemieszczają się przez lepki świat elektromagnetycznych haczyków, sond, przynęt i lass.
Chemia zaczęła się w galaktycznych chmurach pyłu wypełnionych nowymi pierwiastkami. Nawet dzisiaj około 98 procent masy międzygwiazdowych chmur pyłowych składa się z wodoru i helu. Ale pomiędzy atomami wodoru i helu są porozrzucane atomy wszystkich innych pierwiastków z tablicy Mendelejewa. Astronomowie mylnie określają wszystkie pierwiastki cięższe od helu, mianem metali. Sugerując nam tym samym, że wraz ze śmiercią coraz większych gwiazd wszechświat stałby się bardziej metaliczny. Podobnie, możemy powiedzieć, że nasze Słońce jest bardziej metaliczne niż wcześniejsze generacje gwiazd, ponieważ zawiera większe porcje metali.
Za pomocą spektroskopów jesteśmy w stanie określić, które pierwiastki występują w chmurach galaktycznych i w jakich ilościach. Spektroskopy mogą również identyfikować cząsteczki, skupiska atomów związanych ze sobą przez siły elektromagnetyczne. Mogą powiedzieć na przykład, czy chmura zawiera cząsteczki wody lub lodu albo struktury krzemianów, które składają się głównie z krzemu i tlenu, a tworzą większość pyłu i skał na Ziemi. Wiemy już też, że istnieje wiele prostych cząsteczek w galaktycznych obłokach pyłowych, a zalicza się do nich te, które, jak na przykład aminokwasy (budulec białek) mają kluczowe znaczenie dla życia na Ziemi.
Chemia to dyscyplina, która bada, w jaki sposób siły elektromagnetyczne budują cząsteczki i jak atomy łączą się oraz zmieniają konfiguracje, tworząc kalejdoskopową różnorodność materialną naszego świata.
Chemiczne randkowanie: jak atomy łączą się ze sobą
Atomy są maleńkie. W kropce postawionej na końcu tego zdania można by umieścić milion atomów węgla. Nie należy jednak myśleć o atomach jako stałych kulach materii. Składają się bowiem one prawie wyłącznie z pustej przestrzeni. Każdy z nich ma w środku małe jądro zbudowane z protonów (z ładunkami dodatnimi) i neutronów (które nie mają żadnego ładunku) związanych ze sobą na zasadzie działania siły jądrowej. Reszta atomu jest w większości pusta. Wokół jądra w ogromnym oddaleniu orbitują chmury elektronów, mniej więcej jeden na każdy proton zawarty w jądrze. Na początku XX wieku Ernest Rutherford, jeden z pionierów współczesnej fizyki jądrowej, zobrazował wielkość jądra, porównując je do "muchy w katedrze".
Skala rozmiarów, jaką Rutherford zasugerował, jest trafna. Ale zrobił to, zanim jeszcze zaczęła się ewolucja współczesnej fizyki kwantowej, która wykazała, że jego metafora wprowadza nas poniekąd w błąd. Elektrony są maleńkie i stanowią około 1/1836 masy protonu. Fizyka kwantowa pokazała, że nigdy nie jesteśmy w stanie określić ich dokładnej prędkości ani pozycji. Potrafimy wskazać, gdzie mniej więcej znajduje się dany elektron, ale nigdy dokładnie tam, gdzie rzeczywiście jest, ponieważ każda próba zlokalizowania go będzie wymagała użycia energii (jak gdyby oświetlenia go latarką), a ponieważ elektrony są bardzo lekkie, energia użyta do ich wykrywania zaburza ich prędkość i trajektorię. Oto dlaczego fizycy kwantowi określają położenie orbitujących elektronów w kategoriach "mgły prawdopodobieństwa", która gęstnieje w pewnych odległościach od jądra, a zmniejsza się w innych. Mgła prawdopodobieństwa wypełnia większość objętości atomowej "katedry", a także może wykraczać poza jej zewnętrzne ściany1.
Chemia sprowadza się do randkowania i wojen toczonych w mgłach prawdopodobieństwa. A dużo się w nich dzieje. Pomiędzy protonami i elektronami tworzą się więzi, które następnie są rozbijane, stare relacje się kończą, a rozpoczynają nowe, czego rezultatem jest pojawienie się zupełnie nowych form materii. Siłą napędową tej aktywności jest prosty fakt, że elektrony mają ładunki ujemne, które się nawzajem odpychają, ale za to przyciągają je do dodatnich ładunków protonów albo w obrębie ich własnego atomu, albo w atomach sąsiednich. Chemicy badają tego rodzaju flirty i rywalizacje oraz związki i napięcia, które zachodzą, kiedy elektrony łączą się z sąsiednimi atomami, tworząc cząsteczki wiążące kilka, czasem miliony, a nawet miliardy atomów w struktury bardziej złożone niż najbardziej złożona gwiazda. Każdy wzorzec molekularny ma charakterystyczne nowe właściwości emergentne, więc możliwości związków chemicznych wydają się nieograniczone. Niemniej jednak te obserwowane zaloty mają swoje własne zasady działania (czasami tak przewrotne, jak zasady flirtowania u ludzi) i to one rządzą tym, w jaki sposób siły elektromagnetyczne sprzyjają tworzeniu chemicznej złożoności.
Głównymi graczami są tu elektrony. Podobnie jak kochankowie elektrony są nieprzewidywalne, zmienne i zawsze otwarte na lepsze oferty. Krążą wokół protonów na różnych orbitach, z których każda jest związana z innym poziomem energii. Kiedy to tylko możliwe, elektrony kierują się do orbit położonych najbliżej jądra atomu, które ma najmniejsze wymagania energetyczne. A jednak liczba miejsc na każdej z orbit jest ograniczona i jeśli nie ma żadnych wolnych miejsc na orbitach bliższych jądru, muszą się zadowolić miejscami na orbicie zewnętrznej. Jeśli taka orbita ma odpowiednią liczbę elektronów, wszyscy są szczęśliwi. Tak się dzieje w przypadku tak zwanych gazów szlachetnych, takich jak hel lub argon, których miejsce jest po prawej stronie układu okresowego. Nie łączą się z innymi atomami, ponieważ są bardziej lub mniej zadowolone ze swojego status quo.
Jeśli jednak zewnętrzne orbity atomu nie są do końca wypełnione, co stanowi swego rodzaju niezręczność, problemy, napięcia i niekończące walki o pozycję stanowią przyczyny pozwalające wyjaśniać wiele zjawisk chemicznych. Niektóre elektrony opuszczają swój własny statek i kierują się ku sąsiednim atomom. Jeśli to zrobią, atom, który opuściły, straci ładunek ujemny, więc może się połączyć z atomem, który ma jakiś dodatkowy elektron, tworząc wiązanie jonowe. Tak powstaje sól z atomów sodu, których najbardziej zewnętrzny elektron jest zwykle skłonny do skoku, oraz chloru, który często szuka dodatkowego elektronu, by wypełnił jego zewnętrzną orbitę. Czasami elektrony czują się najlepiej, gdy krążą wokół dwóch jąder, więc jądra w sposób produktywny dzielą się swoimi ładunkami w wiązaniu kowalencyjnym. W ten sposób łączą się atomy wodoru i tlenu, tworząc cząsteczki wody. Ale powstająca w ten sposób cząsteczka jest asymetryczna, z dwoma maleńkimi atomami wodoru uczepionymi po jednej stronie większego atomu tlenu. Ten dziwny kształt rozkłada ładunki ujemne i dodatnie w sposób nierównomierny na powierzchni cząsteczki i wprowadza dezorientację atomów wodoru, które często czują pociąg do atomów tlenu w sąsiadujących cząsteczkach. Tego rodzaju przyciąganie wyjaśnia, dlaczego cząsteczki wody potrafią się sklejać w kropelki, wykorzystując słabe wiązania wodorowe. Wiązania wodorowe odgrywają zasadniczą rolę w tak zwanej chemii życia, ponieważ odpowiadają za większość zachowań cząsteczek budujących materiał genetyczny, taki jak DNA. W metalach elektrony zachowują się bardzo różnie. Wokół jąder tych pierwiastków krążą tłumy elektronów, a to tłumaczy, dlaczego metale tak dobrze się spisują w przewodzeniu prądu elektrycznego, który w rzeczywistości jest niczym innym jak wielkim strumieniem elektronów.
Węgiel z sześcioma protonami w jądrze to istny Don Juan, bohater atomowych romansów. Zwykle ma cztery elektrony na swojej zewnętrznej orbicie, ale jest tam wystarczająco miejsca dla ośmiu, a więc można uszczęśliwić atom węgla przez usunięcie czterech elektronów z jego zewnętrznej powłoki przez dodanie mu czterech elektronów lub przez udostępnienie tych czterech elektronów innym atomom. Taka sytuacja otwiera całą gamę możliwości i dlatego węgiel może tworzyć skomplikowane cząsteczki w formie pierścieni, łańcuchów i innych egzotycznych kształtów. Tego rodzaju mistrzostwo wyjaśnia, dlaczego węgiel jest tak ważny dla chemii życia.
Podstawowe zasady chemii mają charakter uniwersalny. Wiemy o tym, ponieważ spektroskopy pokazują, że wiele prostych cząsteczek występujących na Ziemi istnieje również w chmurach międzygwiezdnego pyłu. Jednak chemia z obszarów międzygwiezdnych wydaje się dość nieskomplikowana, żadne bowiem z wykrytych do tej pory międzygwiezdnych cząsteczek nie miały więcej niż sto atomów. I tu nie ma się czemu dziwić. Wszakże w kosmosie atomy są dalece rozproszone, a więc trudno im się nawzajem ze sobą sprzęgać. Poza tym panująca tam temperatura jest niska, więc istnieje niedostatek energii aktywacji, która jest potrzebna, by pokierować atomy w kierunku długotrwałych związków. Najbardziej uderzające w obrębie chemii międzygwiezdnej jest to, że jest ona w stanie tworzyć nie tylko proste cząsteczki, z których powstają później planety, takie jak woda czy krzemiany, ale także wiele podstawowych cząsteczek życia, takich jak aminokwasy stanowiące składnik białek. Teraz już wiemy, że proste cząsteczki organiczne są we wszechświecie dość powszechne, co zwiększa prawdopodobieństwo idei, że życie poza Ziemią również istnieje.
Próg 4: od cząsteczek do księżyców, planet i systemów słonecznych
Proste cząsteczki chemiczne krążące wokół młodych gwiazd stworzyły warunki Złotowłosej dla naszego kolejnego progu coraz większej złożoności, ponieważ stały się one budulcem zupełnie nowych obiektów astronomicznych: planet, księżyców i asteroid. Ciała niebieskie były pod względem chemicznym bogatsze niż gwiazdy i znacznie chłodniejsze, dzięki czemu oferowały idealne środowisko i warunki Złotowłosej dla chemii rozbudowanych substancji. I co najmniej na jednej planecie (naszej własnej) i prawdopodobnie na wielu innych sprawiły, że chemia ostatecznie będzie w stanie doprowadzić do powstania życia.
Przez dłuższy czas ludzie wiedzieli o istnieniu tylko jednego układu słonecznego. Ale w 1995 roku astronomowie odkryli istnienie egzoplanet, planet krążących wokół innych gwiazd w naszej Galaktyce. Udało się to dzięki wykryciu niewielkich drgań w ruchach gwiazd lub niewielkich różnic w ich jasności, gdy planety, przelatując przed nimi, nieznacznie je zasłaniały. Od tego czasu dowiedzieliśmy się, że większość gwiazd ma planety, więc w naszej Galaktyce mogą istnieć dziesiątki miliardów różnego typu systemów planetarnych. Do połowy 2016 roku astronomowie zidentyfikowali ponad trzy tysiące egzoplanet. W następnej dekadzie lub w dwóch kolejnych badania innych systemów planetarnych powinny dać nam lepszy obraz najczęściej spotykanych konfiguracji. Wkrótce powinniśmy być również w stanie zbadać ich atmosferę, co pozwoli ocenić, ile z nich może się okazać przyjaznych dla życia. Wiemy już, że wiele z nich ma podobną wielkość jak Ziemia i wiele z ich orbit znajduje się w odpowiedniej odległości od swoich gwiazd, aby dysponować płynną wodą - kluczowym składnikiem życia.
Odkrycie planet poza Układem Słonecznym mówi nam, że podobnie jak próg 3, również próg 4 udawało się wielokrotnie przekroczyć. Po raz pierwszy można było tego dokonać dość wcześnie w historii wszechświata w okolicy gwiazdy, której prawdopodobnie nigdy nie uda nam się zidentyfikować. Ale przynajmniej teraz wiemy już całkiem sporo o tym, na czym polega przekraczanie tego progu.
Powstawanie systemów planetarnych jest procesem niechlujnym i chaotycznym. Jest produktem ubocznym powstawania gwiazd w tych obszarach kosmosu, w których doszło do nagromadzenia pierwiastków chemicznych. Miliardy lat po Wielkim Wybuchu przestrzeń międzygwiezdna była wypełniona chmurami materii bogatej w wiele różnych pierwiastków chemicznych. Wodór i hel nadal stanowiły prawie 98 procent tych chmur, a jednak pozostałe 2 procent czyniło sporą różnicę. Podobnie jak we wczesnym wszechświecie to grawitacja sprawiła, że chmury coraz bardziej gęstniały. W naszym obszarze grawitacja mogła być spotęgowana przez wybuch supernowej, który zatrząsł wszystkim w okolicy i zapoczątkował kurczenie się ogromnej chmury gazu i pyłu około 4,567 miliarda lat temu. Supernowa ta zostawiła swoją wizytówkę w postaci charakterystycznych materiałów radioaktywnych, które teraz znajdujemy w meteorytach krążących po Układzie Słonecznym.
Chmura pyłu w trakcie kurczenia rozpadła się na wiele mgławic słonecznych, z których jedna utworzyła nasze Słońce. Słońce pochłonęło 99,9 procent całej materii zawartej w chmurze pyłu, z której powstało. Ale teraz zajmiemy się tym, co pozostało, czyli pierścieniami odpadów krążących wokół młodego Słońca. Gdy grawitacja doprowadziła do skurczenia się tej mgławicy słonecznej, krążąca masa gazu, pyłu i cząsteczek lodu wirowała coraz szybciej, aż siły odśrodkowe spłaszczyły ją jak ciasto na pizzę, w rezultacie tworząc cienką płaszczyznę dzisiejszego Układu Słonecznego. Nawet teraz jesteśmy w stanie obserwować tego typu dyski protoplanetarne w pobliskich przestrzeniach rodzących się gwiazd, więc wiemy, że są one dość powszechnie spotykane.
Do przekształcenia wirującego dysku materii w planety, księżyce i asteroidy przyczyniły się dwa procesy. Pierwszym z nich było swojego rodzaju sortowanie chemiczne. Gwałtowne wybuchy naładowanych cząstek młodego Słońca - noszące miano wiatru słonecznego - wyrzucały lżejsze pierwiastki, takie jak wodór i hel, z dala od wewnętrznych orbit, w związku z czym doszło do wyodrębnienia dwóch obszarów. Zewnętrzne obszary młodego Układu Słonecznego, podobnie jak większość wszechświata, składały się głównie z pierwiastków pierwotnych, wodoru i helu. Za to wewnętrzne, w których powstawały skaliste planety - takie jak Merkury, Wenus, Ziemia i Mars - zostały pozbawione tak dużych ilości wodoru i helu, że zyskały rzadko spotykaną chemiczną różnorodność. Tlen, krzem, aluminium i żelazo stanowią ponad osiemdziesiąt procent skorupy ziemskiej, natomiast takie pierwiastki jak wapń, węgiel i fosfor mają w niej o wiele mniejszy udział. Na Ziemi wodór odgrywa wręcz marginalną rolę, helu zaś prawie się nie spotyka.
Drugim procesem, który ukształtował nasz Układ Słoneczny, była akrecja, inaczej narastanie. Na różnych orbitach wokół młodego Słońca nieśpiesznie dochodziło do nagromadzenia cząstek materii. W gazowych obszarach peryferyjnych był to prawdopodobnie proces dość łagodny. Grawitacja gromadziła materiał budulcowy wielkich planet gazowych, takich jak Jowisz i Saturn, składających się głównie z wodoru i helu, pokrytych zaledwie cienką warstwą pyłu i lodu. Jednak w obszarach wewnętrznych akrecja była procesem bardziej gwałtownym i chaotycznym, ponieważ tutaj dużo więcej materii przybrało stały stan skupienia. Cząsteczki pyłów i lodu sklejały się ze sobą w całość. W ten sposób powstawały małe okruchy skał i lodu, które krążyły, czasem rozbijając się nawzajem na mniejsze kawałeczki, a czasami zlepiając się ze sobą, budując większe obiekty. Z czasem pojawiły się nawet większe obiekty, takie jak meteory i asteroidy - i na każdej z orbit zderzały się ze sobą lub łączyły, tworząc obiekty tak duże, że ich grawitacja mogła pochłonąć większość pozostałych drobin. W końcu procesy te doprowadziły do powstania rozmieszczonych na różnych orbitach wokół Słońca planet, które możemy oglądać do dziś.
Tego typu opis procesu nie oddaje atmosfery chaosu i gwałtowności działania akrecji. Orbity niektórych obiektów krzyżowały się, wypychając młode planety i księżyce ze swojej trajektorii lub rozbijając je na kawałki. Ogromna protoplaneta Jowisza prawdopodobnie próbowała przesunąć się do wewnątrz, jej grawitacyjne przyciąganie rozbijało każdą z nie w pełni jeszcze uformowanych planet, która pojawiła się w czymś, co nazywamy pasem asteroid. Nienaturalne odchylenie i obrót Uranu są prawdopodobnie wynikiem gwałtownego zderzenia z innym dużym ciałem. Wystrzępione ciała wielu asteroid to blizny po brutalnych kolizjach, jakich doświadczyły we wczesnym okresie istnienia Układu Słonecznego.
Do zderzeń dochodziło przez dłuższy czas, nawet jeszcze wtedy, gdy Układ Słoneczny już się mniej więcej ustabilizował. Nasz Księżyc powstał prawdopodobnie z kolizji, do jakiej doszło pomiędzy młodą jeszcze Ziemią a protoplanetą wielkości Marsa (Theia) około stu milionów lat po narodzinach Układu Słonecznego. To zderzenie spowodowało wyrzucenie ogromnej chmury materii na orbitę wokół Ziemi, po której prawdopodobnie następnie krążyła jak pierścienie Saturna (które notabene również mogą być pozostałościami z rozbitego księżyca), aż do momentu, gdy proces akrecji doprowadził do uformowania znanego nam Księżyca.
Na przestrzeni pięćdziesięciu milionów lat Układ Słoneczny w końcu zyskał swój zasadniczy kształt, jaki dane nam jest obecnie obserwować, i od tego czasu jest on całkiem stabilny. Miliardy systemów planetarnych w naszym wszechświecie, chociaż mają wiele odmiennych i różnorodnych konfiguracji, przypuszczalnie powstały w podobny sposób. Wszystkie ciała planetarne są chłodniejsze niż gwiazdy, bogatsze pod względem budowy chemicznej i bardziej zróżnicowane. Dlatego zapewniły one warunki Złotowłosej, które umożliwiły budowanie kolejnych nowych form złożoności. Bądź co bądź, co najmniej jeden z tych obiektów, a niewykluczone, że o wiele więcej niż jeden, pozwolił na pojawienie się na nim życia.
Planeta Ziemia
Nasz Układ Słoneczny leży w galaktyce, którą nazywamy Drogą Mleczną, na gwiezdnym przedmieściu jednego z ramion spiralnych Drogi Mlecznej, tak zwanego Ramienia Oriona. Droga Mleczna jest jedną z grupy około pięćdziesięciu galaktyk znanych pod niezbyt romantyczną nazwą: Grupa Lokalna. Grupa Lokalna leży w zewnętrznych obszarach gromady galaktyk w Pannie, która liczy około tysiąca konstelacji. Jest to część Supergromady Lokalnej, która obejmuje setki grup takich galaktyk. Przebycie jej z prędkością światła zajęłoby niemal sto milionów lat. W 2014 roku okazało się, że Supergromada Lokalna jest częścią rozległego kosmicznego imperium obejmującego swą przestrzenią prawdopodobnie prawie sto tysięcy galaktyk, a na podróż przez nie z prędkością światła potrzeba by czterystu milionów lat. To imperium określa się mianem Supergromada Laniakei (co w języku hawajskim oznacza "niezmierzone niebiosa"). Obecnie jest to największa znana nam zorganizowana jednostka we wszechświecie. Zakładamy, że Laniakea wspiera się na rusztowaniu postawionym z ciemnej materii, której przyciąganie grawitacyjne utrzymuje wszystkie te galaktyki razem, mimo że wszechświat się w istocie rozszerza.
Powróćmy jednak na przedmieścia Laniakei, do naszej rodzimej Grupy Lokalnej, do naszej własnej galaktyki, do Ramienia Oriona, gdzie znajdziemy nasze własne Słońce i planetę Ziemia. Kiedy w wyniku akrecji doszło do uformowania się Ziemi, ostatnim cięciem rzeźbiarza posługującego się piłą łańcuchową było nadanie jej charakterystycznej struktury wewnętrznej. Geolodzy nazywają ten proces różnicowaniem.
Młoda Ziemia uległa rozgrzaniu i stopieniu. Ogrzewanie było skutkiem gwałtownych zderzeń towarzyszących procesowi akrecji, obecności radioaktywnych pierwiastków (powstałych w wyniku wybuchu supernowej, która zresztą dostarczyła większości materiału do budowy naszego Układu Słonecznego) oraz zwiększającego się ciśnienia w miarę narastania masy planety. W końcu młoda Ziemia była tak gorąca, że jej część uległa stopieniu w lepki szlam, a gdy już osiągnęła stan płynny, jej różne warstwy zostały posortowane pod względem gęstości, nadając jej strukturę, którą podziwiamy do dziś.
Cięższe pierwiastki, głównie żelazo i nikiel oraz trochę krzemu, przenikały przez gorący szlam do środka, tworząc metaliczne jądro Ziemi. W wyniku ruchu obrotowego jądro zaczęło wytwarzać pole magnetyczne, które chroniło powierzchnię przed szkodliwymi naładowanymi cząstkami wiatru słonecznego. Lżejsze skały, takie jak bazalty, skupiły się nad rdzeniem, tworząc drugą warstwę, głęboką na trzy tysiące kilometrów sferę na wpół stopionej skały zmieszanej z gazem i wodą, znaną jako płaszcz Ziemi. To w tej warstwie dochodzi do powstania lawy wyrzucanej przez wulkany. Najlżejsze skały, z których wiele było granitami, wypłynęły na powierzchnię, gdzie ostygły i przyjęły stały stan skupienia, tworząc trzecią warstwę: cienką jak skorupka jaja, którą określamy mianem skorupy ziemskiej, i którą dziś pokrywają oceany i kontynenty. Pod dnem oceanów skorupa ma niekiedy zaledwie pięć kilometrów grubości, ale pod kontynentami może osiągać grubość do pięćdziesięciu kilometrów. Skorupa ziemska jest szczególnie interesująca pod względem chemicznym. Można w niej znaleźć substancje stałe, płynne i gazowe, które wielokrotnie były rozgrzewane przez wulkany, uderzenia asteroid, ostre światło młodego Słońca, a na koniec w wyniku schłodzenia skroplone tworzące zaczątki pierwszych ziemskich oceanów. To w skorupie, ale także w płaszczu Ziemi ciepło i cyrkulacja pierwiastków doprowadziły prawdopodobnie do powstania dwustu pięćdziesięciu nowych minerałów2. Gazy, w tym dwutlenek węgla i para wodna, kipiały z płaszcza Ziemi na zewnątrz planety przez wulkany i pęknięcia w powierzchni, tworząc czwartą warstwę: mianowicie pierwszą ziemską atmosferę. Zarówno skorupa, jak i atmosfera również zostały wzbogacone w gazy, wodę, złożone cząsteczki i inne materiały pochodzące z asteroid i komet.
Gorący, stopiony rdzeń podsycał dynamiczny rozwój młodej Ziemi, gdyż energia z wnętrza przedzierała się przez jej powłoki, ogrzewając i napierając na jej zewnętrzne warstwy, tworząc prądy cyrkulujących miękkich skał w płaszczu, znajdujących ujście poprzez wulkany, którymi była usiana jej powierzchnia. Ciepło z rdzenia nadal jest motorem zmian w zewnętrznych warstwach Ziemi. Dzisiaj możemy śledzić ruch na jej powierzchni za pomocą systemów GPS i wiemy, że płyty tektoniczne skorupy na powierzchni poruszają się z prędkością podobną do tej, z jaką rosną nam paznokcie; najszybsze z tych obiektów suną z prędkością około dwudziestu pięciu centymetrów rocznie.
Geolodzy dzielą dzieje Ziemi na podokresy, z których największą jednostkę stanowi eon. Pierwszym z nich jest hadeik ("piekielny" eon). Trwał on od momentu, gdy doszło do wyodrębnienia Ziemi, czyli około czterech miliardów lat temu, aż do momentu nadejścia kolejnego okresu, którym był archaik. Gdyby odwiedzić Ziemię w czasie trwania eonu hadeańskiego, zobaczylibyśmy planetę wciąż biorącą udział w swoistym autorodeo charakteryzującym proces akrecji. Wyżłobienia i rozdarcia na powierzchni Księżyca i innych planet pokazują, że od 4,0 do 3,8 miliarda lat temu bliższe Słońcu planety Układu Słonecznego były celem zmasowanego bombardowania przez asteroidy i inne zabłąkane obiekty. Okres ten nosi nazwę późnego wielkiego bombardowania, które prawdopodobnie było spowodowane zachwianiem orbit Jowisza i Saturna, które rozrzucały w sposób losowy różne obiekty po całym młodym jeszcze Układzie Słonecznym. Dzisiaj większość asteroid krąży pomiędzy Jowiszem i Marsem, więc niewykluczone, że stanowiły one budulec i elementy wiążące planety, która nigdy nie powstała z powodu niszczycielskiego grawitacyjnego przyciągania Jowisza. Obecnie znamy około trzystu tysięcy asteroid. Chociaż większość z nich ma niewielkie rozmiary, to i tak stanowią dużą ilość niezagospodarowanych materiałów, którymi można bombardować planety bliższe Słońcu3.
Eksploracja Ziemi: sejsmografy i datowanie radiometryczne
Pomimo że Hollywood próbuje nam niekiedy to wmówić, wkopanie się głęboko w Ziemię jest niemożliwe. Najgłębszy jak dotąd odwiert mierzy zaledwie około dwunastu kilometrów, co stanowi około 0,2 procent odległości od jądra Ziemi. Odwiert ten został wykonany w ramach badań geologicznych na Półwyspie Kolskim na dalekim północnym zachodzie Rosji. O wnętrzu Ziemi dowiadujemy się dzięki innemu sprytnemu trikowi naukowemu, mianowicie geologicznemu odpowiednikowi zdjęć rentgenowskich. Otóż trzęsienia ziemi generują drgania, które rozchodzą się po wnętrzu Ziemi. Sejsmografy mierzą te drgania w różnych miejscach na jej powierzchni. Zatem porównując wyniki z różnych obszarów, można się dowiedzieć, jak szybko i jak daleko przenikają one wnętrze planety. Wiemy również, że różne rodzaje drgań są przenoszone przez różne materiały z różną prędkością, a ponadto niektóre rozchodzą się tylko w ciałach stałych, podczas gdy inne mogą być przenoszone również przez ciecze. Śledzenie tych wstrząsów za pomocą wielu sejsmografów może nam wiele powiedzieć o wewnętrznej budowie planety.
Określanie wieku Ziemi i wielu innych dotyczących jej dat w nowoczesnej historii początku stało się możliwe dopiero w drugiej połowie XX wieku, a opierało się na pewnej niezwykle sprytnej dziedzinie nauki.
Pierwsze kroki w kierunku odkrycia nowoczesnej historii powstania planety Ziemia zostały podjęte w XVII wieku. Wtedy niektórzy pionierzy współczesnej geologii zdali sobie sprawę, że możliwe jest ustalenie porządku wydarzeń w historii Ziemi, nawet jeśli nikt nie miał pojęcia, kiedy dokładnie wszystko to się wydarzyło. W XVII wieku mieszkający we Włoszech duński ksiądz, Nicholas Steno, wykazał, że dzięki uważnemu badaniu skał osadowych można określić kolejność, w jakiej odkładały się poszczególne warstwy skalne. Wszystkie skały osadowe tworzą się warstwa po warstwie, więc wiemy, że najstarsze warstwy zwykle są położone najgłębiej. Wszystko, co jest powyżej, musi być młodsze.
Na początku XIX wieku angielski geodeta, Willy Smith, wykazał, że w różnych miejscach występują identyczne układy skamielin w formacjach skalnych. Sensowne byłoby zatem założenie, że te podobne skamieliny pochodzą z mniej więcej tego samego okresu, a co za tym idzie, w ten sposób na całym świecie można zidentyfikować warstwy powstałe w tym samym czasie. Tak więc zasady te pozwoliły dziewiętnastowiecznym geologom nakreślić względne ramy czasowe historii Ziemi. Wyznaczona przez nich oś czasu jest nadal spójna z nowoczesnymi geologicznymi systemami datowania i zaczyna się od okresu kambryjskiego, pierwszego okresu, którego warstwy zawierały skamieliny widoczne gołym okiem.
Tymczasem nadal nikt nie wiedział, kiedy ten okres kambryjski nastąpił, a wielu geologów rozpaczało, że nigdy nie uda się ustalić względnych dat powstawania różnych warstw. W 1788 roku James Hutton napisał: "Nie jesteśmy w stanie znaleźć ani śladu początku, ani poznać perspektywy końca"4. Nawet na początku XX wieku jedynym sposobem określania względnej daty jakiegokolwiek wydarzenia było znalezienie pisemnej wzmianki na dany temat. Oznaczało to, jak zauważył H.G. Wells, kiedy tuż po pierwszej wojnie światowej próbował napisać nowoczesną historię początku, że względne ramy czasowe sięgają nie dalej niż kilka tysięcy lat wstecz.
Chociaż H.G. Wells o tym nie wiedział, niektóre z odkryć, pozwalające ostatecznie określać pewne daty, zostały już dokonane. Kluczem do tego było skorzystanie z dobrodziejstw promieniotwórczości, formy energii odkrytej przez Henriego Becquerela w 1896 roku. W atomach o dużych jądrach, takich jak uran, odpychająca siła wielu jednakowo dodatnio naładowanych protonów może zdestabilizować jądro, aż w końcu spontanicznie się ono rozpadnie, emitując wysokoenergetyczne elektrony, fotony, a nawet całe jądra helu. Wraz z wyrzucaniem kawałków jądra pierwiastek przekształca się w inny pierwiastek o mniejszej liczbie protonów. Na przykład uran ostatecznie rozpada się, przyjmując postać ołowiu. W pierwszej dekadzie XX wieku Ernest Rutherford zdał sobie sprawę, że nawet jeśli nie można stwierdzić, kiedy konkretne jądro jest gotowe się rozpaść, to sam rozpad radioaktywny jest bardzo regularnym procesem, o ile rozpad miliardów cząsteczek zostanie uśredniony. Każdy izotop tego samego pierwiastka (izotopy mają taką samą liczbę protonów, ale różnią się liczbą neutronów) rozpada się w różnym, ale regularnym tempie, możliwe jest więc dokładne określenie, ile czasu zajmie rozpad połowy atomów danego izotopu. Na przykład okres połowicznego rozpadu uranu-238 (z 92 protonami i 146 neutronami) wynosi cztery i pół miliarda lat, podczas gdy dla uranu-235 (z 92 protonami i 143 neutronami) jest to siedemset milionów lat.
Rutherford zdał sobie sprawę, że rozpad radioaktywny może stanowić swego rodzaju geologiczny zegar, jeśli uda się ustalić, jak dużo atomów z danej próbki uległo rozpadowi. W 1904 roku próbował on zmierzyć rozpad próbki uranu i stwierdził, że Ziemia liczy sobie około pięciuset milionów lat. Zasadniczo idea była słuszna, ale oszacowanie wieku Ziemi w jego wykonaniu było dość kontrowersyjne, ponieważ okazało się, że Ziemia jest o wiele starsza niż przyjęty powszechnie wiek poniżej stu milionów lat.
Z biegiem czasu coraz większa liczba geologów zaczęła jednak skłaniać się ku założeniu, że Ziemia może być znacznie starsza, niż kiedyś sądzili. Jednak techniczne problemy pomiaru rozpadu promieniotwórczego były wciąż ogromne. Rozwiązano je dopiero pod koniec lat czterdziestych, stosując metody opracowane w ramach Projektu Manhattan, którego celem było wyprodukowanie pierwszej bomby atomowej. Aby stworzyć bombę, konieczne było posortowanie różnych izotopów uranu w celu uzyskania oczyszczonych próbek uranu-235. Amerykański fizyk, Willard Libby, pomógł opracować techniki rozdzielania i mierzenia różnych izotopów uranu, które okazały się kluczowe w kwestii mierzenia rozpadu promieniotwórczego.
W 1948 roku zespołowi Libby'ego udało się podać dokładny wiek materiału z grobowca faraona Dżesera, który został udostępniony przez Metropolitan Museum5. Użyli oni węgla C-14, radioaktywnego izotopu, którego okres połowicznego rozpadu wynosi 5730 lat, co czyni go niezwykle przydatnym instrumentem do badania materiałów organicznych, takich jak drewno. Różne materiały radioaktywne działały w różnych skalach i były przydatne do badania różnych materiałów. Dla geologów rozpad uranu do postaci ołowiu był szczególnie cenny, a fakt, że różne izotopy uranu rozpadały się z rozmaitą szybkością, umożliwił krzyżową weryfikację wyników6. W 1953 roku Clair Patterson określił wiek żelaznego meteorytu, wykorzystując połowiczny rozpad uranu do postaci ołowiu. Postawił on trafne założenie, że meteoryty składają się z pierwotnego materiału pochodzącego z okresu młodego Układu Słonecznego i dlatego możliwe będzie podanie wieku całego Układu Słonecznego. Jego pomiary wskazywały, że Ziemia ma około czterech i pół miliarda lat, dużo więcej, niż oszacował Rutherford. Daty ustalone przez Pattersona obowiązują do dziś.
Jednocześnie z radiometrycznymi technikami datowania pojawiły się też inne techniki, które mogą posłużyć do wzajemnej weryfikacji. Daty w ciągu ostatnich tysiącleci można czasem określić, licząc pierścienie przyrostu starożytnych drzew, takich jak sosna długowieczna, które mogą żyć kilka tysięcy lat. Astronomowie używają własnych technik datowania historii wszechświata, a biolodzy odkryli, że DNA ewoluuje w dość regularnym tempie, więc można z grubsza określić, kiedy rozdzieliły się linie rozwojowe dwóch gatunków pochodzących od wspólnego przodka, mierząc różnice obserwowane w ich genomach. Techniki oparte na dokładnym badaniu procesów takich jak rozpad radioaktywny, a także opracowanie nowych instrumentów do precyzyjnego ich pomiaru pozwoliły ustalić ramy czasowe, wokół których opisujemy naszą nowoczesną historię początku.
Do tej pory przyglądaliśmy się bliżej wzrostowi złożoności obiektów, które co prawda są niezwykle interesujące, ale jednak nieożywione. Za chwilę dotrzemy do jednego z najbardziej podstawowych ze wszystkich interesujących nas progów, mianowicie do pojawienia się życia na Ziemi. W kontekście życia zetkniemy się z zupełnie nowym typem i poziomem złożoności oraz całą serią nowych koncepcji, takich jak informacja, cele, a - ostatecznie nawet świadomość.
Zapraszamy do zakupu pełnej wersji książki
1 Peter Atkins, Chemistry: A Very Short Introduction, Oxford, Oxford University Press, 2015, loc. 788, Kindle.
2 Robert M. Hazen, Evolution of Minerals, "Scientific American" March 2010, s. 61.
3 John Chambers, Jacqueline Mitton, Od pyłu do życia: Pochodzenie i ewolucja Układu Słonecznego, tłum. Beata Kenig, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2018.
4 Doug Macdougall, Why Geology Matters: Decoding the Past, Anticipating the Future, Berkeley, University of California Press, 2011, s. 4.
5 Doug Macdougall, Nature's Clocks: How Scientists Measure the Age of Almost Everything, Berkeley, University of California Press, 2008, s. 58-60.
6 Tim Lenton, Earth Systems Science: A Very Short Introduction, Oxford, Oxford University Press, 2016, loc. 1297, Kindle.
