Dane oryginału:

First published in German under the title Faszinierende Physik; Ein bebilderter Streifzug vom Universum bis in die Welt der Elementarteilchen by Benjamin Bahr, Jörg Resag and Kristin Riebe, edition: 3

Copyright © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature, 2019 *

This edition has been translated and published under licence from

Springer-Verlag GmbH, DE, part of Springer Nature.

Springer-Verlag GmbH, DE, part of Springer Nature takes no responsibility and shall not

be made liable for the accuracy of the translation.

TŁUMACZENIE

Anna Władyka-Leittretter

Konsultacja merytoryczna tłumaczenia Mirosław Łukaszewski

Projekt okładki i stron tytułowych Lidia Michalak

Ilustracja na okładce kapona/123RF, doozydo/123RF

Wydawca Katarzyna Włodarczyk-Gil

Koordynator ds. redakcji Renata Ziółkowska

Redakcja i korekta Anna Bogdanienko

Koordynator produkcji Adam Krajewski

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwo Naukowe PWN S.A.:
Michał Latusek

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo.

Więcej na www.legalnakultura.pl .

Polska Izba Książki

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2023r. (Wydanie I)

Warszawa 2023

Copyright © for a Polish edition by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

Warszawa 2023

ISBN 978-83-01-23161-3

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 321, faks 22 69 54 288

infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl; reklama@pwn.pl

www.pwn.pl

Wstęp

Niniejsza publikacja zatytułowana Fascynująca fizyka to z jednej strony wędrówka przez świat współczesnych badań z zakresu fizyki, a z drugiej – ilustrowana podróż przez krainę zarówno rozwikłanych zagadek, jak i niewyjaśnionych tajemnic naszego wszechświata. Książkę tę można czytać według osobistych preferencji – na przykład przechodząc do dowolnego rozdziału poświęconego danej tematyce, uzupełnionego bogatym materiałem graficznym. Czytelnicy mogą czytać i przeglądać poszczególne strony wedle swoich upodobań, aż natrafią na zagadnienie, które szczególnie ich interesuje lub o którym już od dawna pragnęli dowiedzieć się więcej.

Trudniejsze pojęcia, na które mogą Państwo natrafić podczas lektury, są w większości umieszczone w dolnej części danej strony i opatrzone odsyłaczami do innych rozdziałów, w których są dokładniej objaśnione. Znajdą Państwo tam też odniesienia do literatury uzupełniającej oraz linki do stron internetowych poświęconych omawianej tematyce. Mogą Państwo również czytać rozdziały kolejno – są one umieszczone w logicznym porządku, a podstawowe pojęcia zostają wyjaśnione już na samym początku.

Kiedy Vera Spillner z wydawnictwa Springer Spektrum zwróciła się do nas – zespołu autorów – z pomysłem na niniejszą książkę, byliśmy wprost zachwyceni. Podobna publikacja powstała już w dziedzinie matematyki (Bilder der Mathematik autorstwa Georga Glaesera i Konrada Polthiera, Spektrum Akademischer Verlag, 2010). Sposób, w jaki autorom udało się przystępnie przedstawić zagadnienia matematyczne, zarówno za pomocą treści graficznych, jak i merytorycznych, wywarł na nas wrażenie. Zapragnęliśmy stworzyć podobną publikację dla fizyki!

Podczas dobierania zagadnień mających znaleźć się w naszym projekcie zdaliśmy sobie raz jeszcze sprawę, jak szerokie pole udało się zakreślić współczesnej fizyce od początku czasów nowożytnych. Zagadnienia i treści, które były znane już pod koniec XIX wieku, określamy dziś mianem fizyki klasycznej. Niektórym wydawało się, że fizyka jest w znacznej mierze skończoną nauką o zbadanym obszarze. W 1874 roku monachijski profesor fizyki Philipp von Jolly powiedział młodemu Maxowi Planckowi, że w fizyce wszystko zostało już zbadane i trzeba tylko uzupełnić pewne nieznaczne luki w wiedzy. Gdyby się nie mylił, niniejsza publikacja zawierałaby znacznie mniej ciekawych zagadnień. Na szczęście takie błędne stwierdzenia zdarzają się rzadko, a Max Planck nie zniechęcił się przez to do studiowania fizyki.

Dwudziesty wiek przyniósł ze sobą cały szereg odkryć fizycznych, o których w XIX wieku nie ośmielono by się nawet marzyć. Atomowa budowa materii została potwierdzona doświadczalnie i stopniowo odkrywano coraz bardziej szczegółową budowę atomów. W latach 1905 i 1916 Albert Einstein zrewolucjonizował swoją szczególną i ogólną teorią względności nasze rozumienie przestrzeni i czasu oraz udało się mu połączyć mechanikę z elektrodynamiką i grawitacją (zob. rozdział Teoria względności).

Obrazem naszego świata najbardziej wstrząsnęła mechanika kwantowa, której zręby stworzyli około 1925 roku Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg i inni badacze. Tylko za jej pomocą można było zrozumieć wewnętrzną budowę atomów. Sukces ten miał jednak swoją cenę – okazało się przez to, że cząstki nie mają dobrze zdefiniowanej orbity, a ich ruch w przestrzeni musi być opisywany przez fale prawdopodobieństwa. Tym samym zasada przypadkowości zaczęła nagle odgrywać w fizyce zasadniczą rolę, a wszelkie próby jej wyeliminowania kończyły się fiaskiem (i tak jest do chwili obecnej). Jakby na przekór temu Albert Einstein miał powiedzieć z niedowierzaniem: „Bóg nie gra w kości”. Po dziś dzień wśród fizyków nie ma zgody co do poprawnej interpretacji mechaniki kwantowej i jej znaczenia dla obiektywnego rozumienia naszej rzeczywistości. Jednocześnie mechanika kwantowa brawurowo zdała do tej pory każdy, nawet najbardziej wyrafinowany, test eksperymentalny, zatem stwierdzenie „shut up and calculate” („siedź cicho i licz”) jak najbardziej sprawdza się w praktyce. Więcej o tym w rozdziale Atomy i mechanika kwantowa.

W drugiej połowie XX wieku badacze zgłębiali coraz więcej tajemnic struktury materii, uzyskując coraz silniejsze przyspieszenia cząstek. Po zbadaniu atomu początkowo znane były jedynie trzy cząstki subatomowe: proton, neutron i elektron. Z biegiem czasu opisano cały szereg niestabilnych cząstek, które można było wygenerować na przykład z energii kinetycznej dwóch wysokoenergetycznych protonów w wyniku ich kolizji. Cząstki te istnieją jedynie przez ułamki sekund, a następnie rozpadają się. Skąd się one biorą i jakie siły powodują ich rozpad? Około 1967 roku fizykom, takim jak Steven Weinberg, Abdus Salam, Sheldon Lee Glashow, Peter Higgs (i wielu innym), udało się udzielić kompleksowych odpowiedzi na te pytania w ramach tzw. modelu standardowego, którym zajmiemy się w rozdziale Świat cząstek elementarnych.

Jednak nawet model standardowy nie jest w stanie odpowiedzieć na wszystkie pytania, z jakimi mierzymy się w fizyce. Dlaczego masy cząsteczkowe mają dokładnie takie wartości, jakie pojawiają się w eksperymentach? Jak połączyć ze sobą grawitację i mechanikę kwantową, które do dziś wydają się w znacznej mierze nie do pogodzenia? Z czego składa się ciemna materia przenikająca nasz wszechświat oraz – idąc dalej – z czego składa się tak zwana ciemna energia, która przyspiesza tempo rozszerzania się wszechświata? Czy nasz wszechświat jest po prostu niewielką częścią znacznie większego multiwersum (wieloświata)? W rozdziale Granice wiedzy przyjrzymy się dokładniej najnowszym wynikom badań oraz takim pojęciom jak supersymetria, teoria strun czy pętlowa grawitacja kwantowa.

Oprócz wspomnianych powyżej zagadnień istnieje wiele innych obszarów fizyki, które nie są ściśle związane z badaniem praw przyrody, lecz których przedmiotem jest raczej sama przyroda. W naszej publikacji uwzględniliśmy cztery takie dziedziny: fizykę ciała stałego, badającą właściwości fizyczne kryształów i innych ciał stałych; geofizykę, która zajmuje się budową naszej Ziemi i zachodzącymi w niej procesami fizycznymi (np. tektoniką płyt); astronomię i astrofizykę, które analizują cykl życia i śmierci planet, gwiazd i całych galaktyk oraz zachwycają nas spektakularnymi widokami, a także kosmologię, która obejmuje całość naszego wszechświata oraz jego rozwój i która w ostatnich latach pozwoliła nam wyciągnąć cały szereg nowych wniosków na podstawie badań dotyczących naszego świata. Z pewnością nie wyczerpuje to listy wszystkich interesujących zagadnień fizycznych. Mamy jednak nadzieję, że wśród 134 tematów omawianych w publikacji każdy z czytelników znajdzie dla siebie coś ciekawego, a książka ta zdobędzie liczne grono sympatyków.

Materiał ilustracyjny w niniejszej publikacji pochodzi z różnych źródeł. Wiele ze zdjęć, grafik i ilustracji zostało stworzonych przez zespół autorów – w szczególności przez Kristin Riebe. Inne zostały udostępnione przez rozmaitych artystów, fotografów oraz naukowców i ich placówki badawcze (zob. wykaz ilustracji na końcu książki oraz przypisy na dole poszczególnych stron i rozdziałów). Wszystkim im serdecznie dziękujemy.

Szczególnie pragniemy podziękować Verze Spillner z wydawnictwa Springer Spektrum, która dobrała zespół autorów i wspierała nas kreatywnymi sugestiami oraz konstruktywną krytyką we wszystkich momentach powstawania manuskryptu. Bez niej książka ta nie zaistniałaby w swoim obecnym kształcie. Dziękujemy również Biance Alton, która opiekowała się projektem książki od strony wydawniczej od samego początku aż do składu i druku. Wreszcie pragniemy złożyć podziękowania na ręce naszych przyjaciół i rodzin za ich cierpliwość oraz wyrozumiałość podczas czasochłonnej fazy pracy nad publikacją.

Benjamin Bahr

Jörg Resag

Kristin Riebe

maj 2013 r.

Przedmowa do wydania trzeciego

Od czasu ukazania się drugiego wydania Fascynującej fizyki upłynęło już trzy i pół roku. Pora więc, aby w nowym, trzecim wydaniu nie tylko skorygować drobne błędy, lecz także poszerzyć zakres tematyczny. Dodając nowe rozdziały, zwróciliśmy uwagę nie tylko na tematy aktualne, takie jak na przykład grożące nam ocieplenie klimatu czy ruchy lodowców. Uwzględniliśmy również zagadnienia, które od zawsze uważaliśmy za fascynujące, ale których nie udało się po prostu umieścić w wydaniach poprzednich. W bieżącym wydaniu przyglądamy się na przykład manewrom statków kosmicznych podróżujących w Układzie Słonecznym od planety do planety, zagadnieniu czasu i temu, jak przyroda rozróżnia prawą i lewą stronę, a także zasadzie najmniejszego działania, za pomocą której można sformułować prawa przyrody.

Na najnowsze wydanie wpływ miały również niedawne odkrycia z zakresu fizyki, jak na przykład ostateczne potwierdzenie we wrześniu 2015 roku istnienia postulowanych od dawna fal grawitacyjnych, za co w 2017 roku została przyznana Nagroda Nobla. Dzięki temu nowemu obszarowi badań – astronomii fal grawitacyjnych – nasza wiedza o wszechświecie rośnie odtąd w zawrotnym tempie. W związku z tym nie tylko dodaliśmy osobny rozdział specjalnie poświęcony temu zagadnieniu, lecz również zaktualizowaliśmy istniejące rozdziały, w których ten temat był poruszany.

Zmiany zaszły nawet w podstawach samej fizyki. Ustalono, że podstawowe jednostki miar wielkości fizycznych z Międzynarodowego Układu Jednostek Miar (SI) zostaną skalibrowane na nowo na podstawie stałych fizycznych. Jest to dobra okazja, aby w nowym rozdziale pochylić się nad tym, jak fizycy określają wielkości fizyczne.

Mamy nadzieję, że lektura niniejszej publikacji przyniesie Państwu tyle radości, co nam sprawiło jej tworzenie. W tym miejscu dziękujemy pani Lisie Edelhäuser, która opiekowała się projektem bieżącego wydania oraz licznym uważnym Czytelnikom, którzy zwracali naszą uwagę na drobne przeoczenia w dotychczasowych tekstach.

Benjamin Bahr

Jörg Resag

Kristin Riebe

sierpień 2018 r.

O autorach

Benjamin Bahr jest doktorem fizyki i prowadzi badania z zakresu pętlowej grawitacji kwantowej. W wolnym czasie uwielbia wyjaśniać zagadnienia fizyczne w zrozumiały dla wszystkich sposób. Swoją wiedzę prezentuje nawet w teatrze.

bbahr26@gmail.com

Jörg Resag uzyskał doktorat w dziedzinie fizyki teoretycznej cząstek elementarnych i jest poczytnym autorem książek popularnonaukowych, znanym z przedstawiania treści naukowych w przystępny i obrazowy sposób, zarówno w książkach jak i w Internecie.

www.joerg-resag.de

Kristin Riebe jest doktorem astrofizyki i doświadczoną graficzką. To ona zadbała o szczególną strukturę niniejszej publikacji, uzupełniając ją o zrozumiałe i fascynujące fotografie oraz materiały ilustracyjne.

www.kristin-riebe.de

Fragment

Wstęp

Przedmowa do wydania trzeciego

O autorach

1. Astronomia i astrofizyka

Słońce i jego pole magnetyczne. Plamy słoneczne i rozbłyski

Powstanie Układu Słonecznego. Dyski akrecyjne i protoplanety

Powstanie Księżyca. Jak kolizja planety Thei stworzyła Księżyc

Wulkany w Układzie Słonecznym. Siły pływowe, Księżyc niczym pizza i kriowulkany

Prawa Keplera. Ruchy planet

Satelity z orbitami geosynchronicznymi. Artystyczne pętle na niebie

Manewry rakiet. Taniec po Układzie Słonecznym

Na skraju Układu Słonecznego. Gdzie jest granica?

Planety pozasłoneczne. Poszukiwanie planet poza Układem Słonecznym

Rozgwieżdżone niebo. Gwiazdy, planety i Droga Mleczna

Narodziny gwiazd. Jak obłoki gazowe tworzą gwiazdy

Klasyfikacja widmowa. Jaki kolor mają gwiazdy?

Diagram Hertzsprunga–Russella. Temperatura, jasność i cykl życia gwiazd

Cefeidy. Pulsujące gwiazdy

Mgławice planetarne. Kres zwykłych gwiazd

Białe karły. Wypalone gwiazdy

Supernowe typu Ia. Kiedy białe karły stają się bombami atomowymi

Supernowe z kolapsu grawitacyjnego. Kres gwiazd o wielkiej masie

Gwiazdy neutronowe. Wypalone gwiazdy o wielkiej masie

Gwiazdy-giganty i hipernowe. Krótki żywot i wybuchowy kres wyjątkowo masywnych gwiazd

Świece standardowe. Latarnie kosmosu

Supermasywne czarne dziury. Giganty grawitacji w centrum galaktyk

Galaktyki aktywne. Międzygalaktyczne magnetyczne proce

Rodzaje galaktyk. Różnorodność galaktyk

Losy Drogi Mlecznej. Spotkanie Drogi Mlecznej i Galaktyki Andromedy

Kolizje galaktyk. Zderzenia gigantów

2. Elektromagnetyzm i światło

Pola wektorowe i linie pola. Pomocne szkice wskazujące kierunki

Oddziaływanie elektromagnetyczne. Równania Maxwella dla pól elektromagnetycznych

Dipol Hertza. Drganie i rozprzestrzenianie

Burza. Błyskawice, ognie świętego Elma i czerwone duszki

Kolory. Jak barwny jest świat?

Załamanie światła. Światło na zakręcie

Tęcza. Estetyczne załamanie światła na kropli wody

Anizotropia. Podwójne widzenie bez alkoholu

Soczewki optyczne. Odwzorowania i jego błędy

Optyka adaptatywna. Inteligentne zwierciadła

Miraże. Latający Holender, fatamorgana i wyspy-widma

Urządzenia maskujące. Metamateriały i sen o byciu niewidzialnym

3. Mechanika i termodynamika

Zasady dynamiki Newtona. Dlaczego ciała się poruszają?

Zasada najmniejszego działania. Twierdzenie Noether

Wahadło Foucaulta. Dowód na ruch obiegowy Ziemi

Żyroskopy, na które nie działają żadne siły. Swobodnie obracające się ciała w stanie nieważkości

Żyroskopy z zewnętrznym momentem obrotowym. Precesja i nutacja

Prawo powszechnego ciążenia. O spadających jabłkach i krążących planetach

Prędkości kosmiczne. Wznoszenie się i spadanie w polu ciężkości ciał niebieskich

Pływy. Jak Księżyc powoduje przypływy i odpływy

Prawo Archimedesa. Czyli dlaczego statki mogą zatonąć w Trójkącie Bermudzkim

Fizyka płynów. Wiry i turbulencje

Dlaczego samolot lata? Bernoulli czy Newton?

Zwyczajne fale wodne. Ich wyjątkowe właściwości fizyczne

Nadzwyczajne fale wodne. Tsunami, solitony i fale-giganty

Efekt lotosu. Współzawodnictwo między kohezją i adhezją

Ruchy chaotyczne. Deterministyczne, lecz nieprzewidywalne

Drgające struny i płyty. Czy można zobaczyć dźwięki?

Rezonans. Wychwycić właściwą nutę z drgań

Siły pozorne. Odczuwalne siły bez przyczyny

Materia granularna. Ciekła i zarazem stała

Ruchy Browna. Nieprzewidywalne zachowanie kurzu, pyłków i kursów akcji

Entropia i drugie prawo termodynamiki. Co nadaje czasowi kierunek

Maszyna parowa i spółka. Na ile sprawdza się maszyna na energię cieplną?

Ujemne temperatury bezwzględne. Goręcej niż gorąco

4. Teoria względności

Czym jest czas? Uporczywa iluzja

Prędkość światła i szczególna teoria względności. Światła nie można prześcignąć

Rotacja Terrella. Zawiła sprawa

E = mc^2. Masa jako uwięziona energia

Grawitacja i ogólna teoria względności. Einsteina teoria powszechnego ciążenia

Czasoprzestrzeń nierotujących czarnych dziur. W mackach przestrzeni i czasu

Czasoprzestrzeń rotujących czarnych dziur. W wirze przestrzeni i czasu

Napęd warp. Jak prześcignąć światło

Tunele czasoprzestrzenne. Na skróty przez przestrzeń i czas

GPS. Określanie lokalizacji przez sygnał satelitarny

5. Kosmologia

Głębokie spojrzenie we wszechświat. Oko w oko z przeszłością dzięki teleskopowi Hubble’a

Rozszerzający się wszechświat. Dlaczego nocne niebo jest ciemne?

Mikrofalowe promieniowanie tła. Mikrofale z wczesnej fazy istnienia wszechświata

Ciemna materia. Wszechświat jest cięższy niż się wydaje

Przyspieszona ekspansja i ciemna energia. Brakująca forma materii we wszechświecie

Wielki Wybuch i inflacja kosmologiczna. Dlaczego przestrzeń jest płaska, a tło wszędzie jednakowo zimne

Narodziny materii. Co wydarzyło się 10–10 sekund po Wielkim Wybuchu

Horyzonty kosmiczne. Jak daleko sięga wzrok w czasie i przestrzeni

Struktury kosmiczne. Siatka materii

Powstawanie struktur kosmicznych. Potęga grawitacji

Soczewkowanie grawitacyjne. Jak zważyć wszechświat za pomocą pozornie zniekształconych galaktyk

Fale grawitacyjne. Rytmiczne zniekształcenia czasu i przestrzeni

Pośredni dowód istnienia fal grawitacyjnych. Sygnały kosmiczne służące pomiarowi czasoprzestrzeni

Bezpośredni dowód istnienia fal grawitacyjnych. Pomiar niewielkich zniekształceń

6. Atomy i mechanika kwantowa

Model atomu Bohra. Czym jest atom?

Jądra atomowe. Znane od stu lat i wciąż nie do końca zrozumiane

Rozpad promieniotwórczy. Jądra atomowe w stanie nierównowagi

Dualizm korpuskularno-falowy. Cząstki poruszają się jak fale

Funkcja falowa. Rozmyte cząstki

Efekt tunelowy. Cząstki bez pozwolenia na pobyt

Eksperyment Francka–Hertza. Skoki energetyczne w atomach

Spin cząstki. Kwantowanie obrotu

Reguła Pauliego. Dlaczego elektrony unikają się nawzajem

Paradoks EPR i nierówności Bella. Czy mechanika kwantowa jest niepełna?

Teleportacja kwantowa. Beam me up, Scotty!

Interpretacja mechaniki kwantowej. Kot Schrödingera i koncepcja wieloświatów Everetta

Plazma. Czwarty stan skupienia

Reaktory jądrowe. Zaawansowana technologicznie energia z ognia słonecznego

Przemiany fazowe. Stałe, ciekłe, gazowe… i inne!

Kondensaty Bosego–Einsteina. Atomy w kwantowo-mechanicznym równym kroku

Stany topologiczne materii. Wiry i zwoje

Chłodzenie laserem. Dlaczego gazy mogą się schładzać po naświetleniu

Nadprzewodnictwo. Opór jest daremny

Nadciecze. Jeszcze bardziej mokro

Próżnia kwantowa. Jak mocno uciska nicość?

Mikroskopia elektronowa. Mikroskopy dla skali nanometrowej

Skaningowy mikroskop tunelowy. Jak ujrzeć pojedyncze atomy

Nanoświaty. Na samym dole jest jeszcze pełno miejsca

Lasery. Maszerujące cząstki światła

Komputer kwantowy. Bity kwantowe: tak, nie, być może

Jednostki SI. Miara świata

7. Świat cząstek elementarnych

Model standardowy fizyki cząstek. Kwarki, leptony i trzy oddziaływania podstawowe

Diagramy Feynmana. Język relatywistycznej teorii pola kwantowego

Oddziaływanie silne. Siła łącząca kwarki

Oddziaływanie słabe. Rozpady cząstek, bozony W, Z oraz Higgsa

Neutrina. Efemeryczne cząstki-widma

Antymateria. Odbicie zwierciadlane materii i jej niszczycielska siła

Naruszenie symetrii zwierciadlanej. Inne oblicze świata po drugiej stronie lustra

Plazma kwarkowo-gluonowa. Stopione protony i neutrony

Promieniowanie kosmiczne. Bogatsze w energię niż promieniowanie w największym akceleratorze

Wielki Zderzacz Hadronów (LHC). Najpotężniejszy akcelerator cząstek

Odkrycie cząstki Higgsa. Krok milowy w fizyce cząstek

8. Kryształy i inne ciała stałe

Plazmony. Olśniewający blask kwantów

Ferromagnetyzm. Siła magnesów podstawowych

Sieć krystaliczna. Czternaście sposobów na okresowe wypełnienie przestrzeni

Krystalizacja. Od zalążka do dojrzałego kryształu

Kwazikryształy. Nieperiodyczne, a jednak symetryczne

Ciekłe kryształy. Porządnie mokre

Elektrony w półprzewodnikach krystalicznych. Od izolatora do przewodnika za sprawą szczypty arsenu

Diody półprzewodnikowe. Elektryczne ulice jednokierunkowe

Diody elektroluminescencyjne. Świecące kryształy i giętkie ekrany

9. Geofizyka

Budowa wnętrza Ziemi. Podróż do podziemia

Dryf kontynentów. Prądy konwekcyjne i tektonika płyt

Izostazja. Wspólne cechy kontynentów i gór lodowych

Trzęsienia Ziemi i fale sejsmiczne. Starcia płyt kontynentalnych

Jądro Ziemi jako źródło pola magnetycznego Ziemi. Wewnętrzne geodynamo naszej Ziemi

Pole magnetyczne Ziemi i zorze polarne. Kiedy wiatr słoneczny rozświetla niebo

Epoki lodowcowe i cykle Milankovicia. Skąd biorą się zlodowacenia?

Ruchy lodowców. Wędrujące olbrzymy

Globalne ocieplenie. W jaki sposób gazy cieplarniane podgrzewają naszą planetę?

10. Granice wiedzy

Supersymetria. W poszukiwaniu superpartnerów

Teoria strun i M-teoria. Poszukiwanie wzoru na świat

Ukryte wymiary. Ile wymiarów ma przestrzeń?

Multiwersum i zasada antropiczna. Za horyzontem

Światy bran. Teoria strun to więcej niż tylko struny

Entropia i temperatura czarnych dziur. Czarne dziury nie są całkowicie czarne

Zasada holograficzna. Czy nasz świat to hologram?

Pętlowa grawitacja kwantowa. Kwanty czasoprzestrzeni

Wykaz ilustracji

Pozostałe rozdziały dostępne w pełnej wersji e-booka.

1. Astronomia i astrofizyka

Jak powstały Słońce, Księżyc i gwiazdy? Czym są mgławice planetarne i jakie rozmiary mają gwiazdy nazywane nad- czy też hiperolbrzymami? Po całych stuleciach badań sklepienia niebieskiego i praw przyrody fizycy są wreszcie w stanie udzielić odpowiedzi na te pytania z dość dużą dokładnością.

Niebo od zarania dziejów było dla ludzkości przedmiotem ogromnej fascynacji. Nierzadko doszukiwano się na nim znaków, które interpretowano w duchu mitologii. Innym razem stanowiło ono praktyczną pomoc w nawigacji lub określaniu pór roku. Wraz z wynalezieniem teleskopu około 4000 lat temu badacze zaczęli coraz lepiej rozumieć, co kryje się za zjawiskami obserwowanymi na niebie. Gwiazdy, takie jak nasze Słońce, okazały się rozżarzonymi kulami gazowymi, a planety – ciałami niebieskimi, które – tak jak nasza Ziemia – krążą wokół Słońca po eliptycznych orbitach. Z biegiem czasu zrozumiano, że nawet gwiazdy nie świecą wiecznie. Powstają bowiem z obłoków gazu i pyłu, trwają przez kilka milionów czy miliardów lat, a u kresu swojego życia ulegają wybuchowi lub eksplozji zwanej supernową.

Ludzie zaczęli opisywać swoje otoczenie astronomiczne za pomocą równań fizycznych. Obecnie dzięki ogromnym teleskopom możemy obserwować coraz dalsze zakątki kosmosu, szukać planet spoza Układu Słonecznego, badać cykl życia bliższych i dalszych gwiazd, a nawet prognozować przyszłość Drogi Mlecznej i wszechświata. W tym rozdziale zebraliśmy niektóre z najciekawszych zagadnień i odkryć z zakresu astronomii oraz astrofizyki.

Słońce i jego pole magnetyczne
Plamy słoneczne i rozbłyski

Nasze Słońce jest ogromną kulą gazową, składającą się w ok. 73,5% z wodoru, 25% z helu i w 1,5% z innych pierwiastków. W jego wewnętrznym jądrze, w temperaturze około piętnastu milionów kelwinów płonie ogień rozniecany przez reakcje termojądrowe. Zanim wygenerowana we wnętrzu energia dotrze w końcu do powierzchni Słońca (fotosfery), oddalonej od jego jądra o około sto promieni Ziemi, i stamtąd zostanie wyemitowana w kosmos przy temperaturze zaledwie 5800 kelwinów, mija kilka milionów lat.

Ponad fotosferą Słońca znajduje się chromosfera, której czerwonawą poświatę można czasem zaobserwować podczas całkowitego zaćmienia Słońca. Na najbardziej zewnętrznej części atmosfery słonecznej znajduje się korona słoneczna, która jest bardzo gorąca, lecz ma znacznie mniej gęstą materię. Może rozpościerać się w głąb kosmosu na odległość równą średnicy Słońca (dwóm promieniom Słońca). Podczas zaćmienia Słońca jest widoczna w postaci jasnej otoczki.

Mieszanina gazów (helu i wodoru), z których składa się Słońce, występuje tu w postaci zjonizowanej plazmy (↓) o właściwościach przewodzących prąd elektryczny. W Słońcu – tak jak w płynnym zewnętrznym jądrze Ziemi – w wyniku tzw. efektu dynama powstaje pole magnetyczne, które – analogicznie do pola magnetycznego Ziemi (↓) – najczęściej ma strukturę zbliżoną do dipolu, tak jak magnes podłużny. Podczas gdy przebiegunowanie pola magnetycznego Ziemi zachodzi w nieregularnych odstępach średnio co 250 000 lat, w przypadku Słońca proces ten pojawia się znacznie częściej – mniej więcej co jedenaście lat (nastąpiło np. w roku 2000).

Wnętrze Słońca

Zdjęcie korony słonecznej podczas zaćmienia Słońca 11 sierpnia 1999 r.

Podczas fazy przebiegunowania linie pól magnetycznych (↓) splatają się ze sobą, a rury magnetyczne przebijają się łukami ponad fotosferą, w wyniku czego dochodzi do silnej aktywności słonecznej (Solar Maximum). Kanały te są ściśle powiązane z gorącą plazmą, przewodzącą prąd elektryczny, dlatego uniemożliwiają jej wypływanie w punktach ujścia na powierzchnię. Dzięki temu punkty te mogą się schłodzić do temperatury około 4000 kelwinów. Na tle gorętszego otoczenia jawią się w świetle widzialnym jako ciemne plamy słoneczne. Ponadto plazma może dotrzeć do łukowatych rur magnetycznych, a w przypadku ich przerwania – może zostać wyrzucona w przestrzeń kosmiczną. Zjawisko to określamy mianem rozbłysku słonecznego (ang. flare).

Fotografia w świetle UV rozbłysku Słońca w lipcu 2002 r.

Na fotografiach wykonanych w widmie promieniowania UV Słońca, emitowanego przez bardzo gorącą plazmę, można wyraźnie rozpoznać strukturę pól magnetycznych w chromosferze i koronie. Fotografia widoczna w prawym dolnym rogu została wykonana przez sondę badawczą SOHO. Przedstawia ona skrajnie nadfioletowe promieniowanie Słońca w dzień, w którym powstał niniejszy rozdział. Pod adresem https://soho.nascom.nasa.gov/data/realtime-images.html można w dowolnym momencie zobaczyć aktualne fotografie Słońca wykonane przez sondę SOHO.

Po prawej: Słońce w skrajnym obszarze widmowym światła UV

Po lewej: fotografia w świetle UV plamy słonecznej AR 9169 wykonane we wrześniu 2000 r. w pobliżu horyzontu Słońca

Powstanie Układu Słonecznego
Dyski akrecyjne i protoplanety

Dokładny proces powstania planet i księżyców naszego Układu Słonecznego nie został jeszcze wyczerpująco wyjaśniony. Niemniej jednak dostępne modele narodzin Układu Słonecznego są w wielu punktach ze sobą zgodne i tworzą spójny obraz.

Zgodnie z nimi około 4,6 miliarda lat temu, wskutek grawitacji, spowodowanej być może zakłóceniami po niezbyt odległym wybuchu supernowej (↓), doszło do zagęszczania się obłoku złożonego z wodoru, helu oraz pyłu międzygwiezdnego w postaci fal uderzeniowych, które przemieszczały się w ośrodku międzygwiazdowym. W wyniku tego procesu obłok złożony z gazów i pyłu rozpadał się na pomniejsze obłoki, które – zapadając się – miały dawać początek licznym nowym gwiazdom.

Układ planet powstaje z kurczącego się obłoku gazu i pyłu

Obłoki nie zapadały się jednak równomiernie we wszystkich kierunkach. Część obłoku, z której powstał nasz Układ Słoneczny, obracała się z pewną prędkością wokół własnej osi. Przez to kontrakcja równoległa do osi rotacji była silniejsza niż w płaszczyźnie prostopadłej do niej, w której przeciwdziałała siła odśrodkowa (siły pozorne ↓) wzajemnego przyciągania. W ten sposób obłok zagęszczał się pod postacią obracającego się naleśnika, który naukowo nazywamy dyskiem akrecyjnym.

Centrum dysku wykazywało największą gęstość materii. Pod wpływem własnej masy dysk zapadał się nieustannie, aż gęstość i temperatura osiągnęły tak dużą wartość, że wodór mógł przekształcić się w hel. Zapoczątkowało to proces syntezy (fuzji) jądrowej, w wyniku której powstało nasze Słońce. Ciśnienie promieniowania uwalnianego podczas fuzji przeciwdziałało dalszemu zapadaniu się Słońca i stabilizowało je. Ponadto powodowało ono wyrzucanie jeszcze niezagęszczonego gazu z wnętrza dysku akrecyjnego.

Jednak pozostała część gazu otaczającego centrum oraz pył międzygwiezdny w niektórych miejscach zagęściły się tak intensywnie, że pozostały w obrębie dysku akrecyjnego. Jedna ze współczesnych teorii genezy Układu Słonecznego głosi, że owa materia protoplanetarna, pozostająca pod wpływem fluktuacji grawitacyjnych, otaczała Słońce pod postacią spiralnych ramion – podobnie jak galaktyczne ramiona spiralne wokół centrum Drogi Mlecznej.

W ramionach tych materia zagęszczała się dokładnie tak, jak w centrum dysku. W miejscach, w których materia była choć trochę gęstsza niż w innych, siła grawitacji dodatkowo przyspieszała zagęszczanie. Ponadto cząstki pyłu zaczęły się ze sobą zlepiać, przyczyniając się w ten sposób do powstawania poszczególnych planet. Masa powstających ciał niebieskich była jednak niewystarczająca do zainicjowania reakcji fuzji jądrowej.

W obszarze „Filarów Stworzenia”, odległym o około 7000 lat świetlnych, nieustannie powstają mgławice W5, nowe gwiazdy i układy planet

Artystyczna wizja układu planet

Decydującą rolę w tym procesie odgrywała odległość do Słońca. Planety, które powstały w pobliżu Słońca, składały się niemal wyłącznie z cząstek pyłu, gdyż tak zwany wiatr słoneczny (por. rozdział dotyczący krańców Układu Słonecznego ↓) wyparł wcześniej gaz międzygwiezdny z ich otoczenia. Z tego względu Merkury, Wenus, Ziemia i Mars są obecnie stosunkowo niewielkimi, stałymi planetami złożonymi ze skał, podczas gdy planety zewnętrzne Układu, takie jak Jowisz i Saturn, pochłonęły dużą część gazów – wodoru i helu, stając się olbrzymimi planetami gazowymi.

Część materii, która nie została pochłonięta przez planety, zagęściła się, tworząc mniejsze obiekty, jak np. planetoidy w pasie planetoid. Jest to pas złożony z niewielkich, międzyplanetarnych obiektów między orbitami Marsa i Jowisza. Niektóre teorie głoszą, że to właśnie bliskie położenie Jowisza i jego wpływ grawitacyjny uniemożliwiły tym obiektom zagęszczenie się i utworzenie planet.

Mimo to nadal istnieje wiele niewyjaśnionych kwestii dotyczących dokładnego mechanizmu powstania Układu Słonecznego. Pojawiają się one także w toku odkrywania nowych egzoplanet (↓) w innych układach planetarnych.

Powstanie Księżyca
Jak kolizja planety Thei stworzyła Księżyc

W naszym Układzie Słonecznym jedynie Ziemia ma stosunkowo duży Księżyc w porównaniu ze swym rozmiarem. Jego średnica wynosi aż 0,27 średnicy Ziemi. Z kolei Merkury i Wenus nie mają księżyców. Mars ma dwa małe księżyce (Fobos i Deimos), które są w zasadzie jedynie odłamkami skał o nieregularnym kształcie i rozmiarze między 10 a 30 km. Jowisz i inne olbrzymie planety gazowe są znacznie większe niż ich księżyce. Jedynie Pluton – planeta karłowata – ma stosunkowo duży księżyc o nazwie Charon.

Porównanie rozmiarów Ziemi i Księżyca

Wydaje się, że nasz Księżyc – w przeciwieństwie do Ziemi – ma jedynie stosunkowo małe, złożone z żelaza jądro, gdyż jego średnia gęstość (3,34 g/cm^3) jest znacznie mniejsza od gęstości Ziemi (5,51 g/cm^3). W ten sposób, mimo swoich rozmiarów, stanowi zaledwie 1/81 masy Ziemi. Należy przy tym dodać, że skały na powierzchni Księżyca wykazują bardzo podobny skład, jaki mają skały skorupy ziemskiej.

Artystyczna wizja zderzenia Thei z Ziemią

Przyczynę tych osobliwości musi skrywać historia powstania Księżyca. Z obecnej perspektywy najbardziej prawdopodobna wydaje się teoria zderzenia. Kiedy około 4,6 miliarda lat temu Układ Słoneczny wykształcał się wraz ze swoimi planetami z obłoku gazu i pyłu (↓), na tej samej orbicie, obok Ziemi, w jednym z tzw. punktów libracyjnych^1 (L4 lub L5), powstała kolejna niewielka planeta. W literaturze najczęściej nazywa się ją Theia^2 – od imienia tytanidy, która w mitologii greckiej była matką bogini Księżyca – Selene. Siły grawitacji i odśrodkowe w punktach libracyjnych L4 i L5 sumują się w taki sposób, że położone w nich obiekty o niewielkiej masie mogą krążyć wokół Słońca, zachowując stały odstęp. Taka planeta zawsze nieznacznie wyprzedza naszą lub jest tuż za nią.

Pozycja wyrzuconej materii po około pięćdziesięciu minutach po rozpoczęciu zderzenia Ziemi z Theią (zaznaczona czerwonym okręgiem), na podstawie symulacji komputerowej wykonanej przez Robina M. Canupa

Punkty Lagrange’a w układzie Ziemia–Słońce. Słońce znajduje się w centrum; niebieska kula to Ziemia

W pewnym momencie Theia osiągnęła jednak około 10–15% masy Ziemi, uzyskując w przybliżeniu rozmiary Marsa, przez co jej pozycja w punkcie libracyjnym stała się niestabilna. Theia zaczęła powoli zbliżać się do Ziemi. Około dziesięć milionów lat po powstaniu Układu Słonecznego doszło do kolizji Thei z ówczesną Ziemią pod kątem (nie centralnie). Wówczas Ziemia miała około 90% swojej obecnej masy. W wyniku tego zderzenia części Thei oraz ogromne ilości materii ze skorupy ziemskiej i płaszcza ziemskiego zostały wyrzucone w kosmos, gdzie w ciągu zaledwie kilkuset lat powstał z nich Księżyc (w odległości trzech do pięciu promieni Ziemi). Większa część Thei, a w szczególności jej ciężkie, złożone z żelaza jądro połączyło się z Ziemią.

Z biegiem lat siły pływowe (↓) przenosiły coraz więcej energii rotacyjnej z Ziemi na Księżyc, w wyniku czego jego odległość od Ziemi wzrosła około dziesięciokrotnie w porównaniu z odległością w momencie jego powstania. Dystans ten zwiększa się również obecnie – o niecałe cztery centymetry rocznie. Jednocześnie prędkość rotacji Ziemi ulegała zmniejszeniu. Przez to, we wczesnych latach istnienia Ziemi, dni były znacznie krótsze niż obecnie.

Wulkany w Układzie Słonecznym
Siły pływowe, Księżyc niczym pizza i kriowulkany

Wulkan na Wyspie Białej w Nowej Zelandii

Gdy mówimy o wulkanach w naszym Układzie Słonecznym, w pierwszej kolejności myślimy o wulkanach na Ziemi. W jej wnętrzu zmagazynowana jest dostateczna energia cieplna (wynikająca z jej genezy oraz rozpadów promieniotwórczych), która powoduje erupcję wielu z nich każdego roku. Erupcje największych z tych wulkanów – tak zwanych superwulkanów – mogą wywołać groźne w skutkach katastrofy klimatyczne. Uważa się, że masowe wymieranie na skalę globalną pod koniec permu (około 250 mln lat temu, czyli jeszcze przed pojawieniem się dinozaurów) zostało prawdopodobnie zapoczątkowane przez ogromne erupcje wulkaniczne na terenie obecnej Syberii.

Wulkany występują również na innych ciałach niebieskich. Wyjątkowym przykładem jest położony na Marsie wulkan o nazwie Olympus Mons o wysokości 26 km, który jednocześnie stanowi najwyższy szczyt w Układzie Słonecznym. Nie wiadomo, czy wulkan ten jest jeszcze aktywny. Być może wnętrze Marsa ma zbyt niską temperaturę, aby doszło do kolejnych erupcji.

Olympus Mons, wulkan na Marsie

Liczne wulkany znajdują się w jeszcze innym miejscu w Układzie Słonecznym, a mianowicie na księżycu Jowisza o nazwie Io. Siły pływowe, którymi ta olbrzymia planeta gazowa oddziałuje na Io, są tysiąckrotnie silniejsze niż siły pływowe, które nasz Księżyc wywiera na Ziemię, powodując przypływy i odpływy (↓). Wąska, lekko eliptyczna orbita księżyca Io sprawia, że jego odstęp od Jowisza delikatnie się waha, a zmienne siły pływowe naprzemiennie rozciągają ten niewielki księżyc – raz mocniej, raz słabiej. Wnętrze Io jest nieustannie ściskane i podgrzewane, co odpowiada za tak skrajną aktywność wulkaniczną.

Wyrzucana lawa zawiera – oprócz ciekłych skał – również żółtą siarkę i jej związki, które pokrywają powierzchnię tego księżyca niczym barwny dywan przypominający wyglądem pizzę.

Kriowulkany na Enceladusie (wizja artystyczna)

Ahuna Mons na planecie karłowatej Ceres

Zupełnie inny rodzaj wulkanizmu odkryto na księżycu Saturna – Enceladusie. Wulkany tego lodowego księżyca nie wyrzucają rozżarzonej lawy, lecz mieszaninę substancji wytopionych z jego lodowego pancerza, takich jak woda, dwutlenek węgla, metan i amoniak. Prawdopodobnie również i w tym przypadku energii do tych erupcji dostarczają zróżnicowane siły pływowe. W 2005 roku sondzie Cassini udało się bezpośrednio sfotografować aktywność takich kriowulkanów i uwiecznić ją na fotografiach. Materiał z erupcji jest częściowo wyrzucany w przestrzeń kosmiczną, tworząc tzw. pierścień E Saturna.

Wybuch wulkanu na Io

Na wielu oblodzonych ciałach niebieskich znajdujemy pośrednie ślady istnienia kriowulkanów. Wulkanopodobne formacje lodowe zostały zaobserwowane na przykład na Tytanie, największym księżycu Saturna oraz na Plutonie – planecie karłowatej. Nawet na Ceres, będącej również planetą karłowatą, której orbity sięgają pasa planetoid, odkryto wzniesienie (Ahuna Mons) o wysokości 20 km i szerokości 4 km, prawdopodobnie będące kriowulkanem. Byłby to więc położony najbliżej Słońca znany nam kriowulkan.

Prawa Keplera
Ruchy planet

Johannes Kepler (1571−1630)

W 1609 roku Johannes Kepler, nadworny matematyk ówczesnego cesarza, opublikował w swoim dziele Astronomia Nova (Nowa astronomia) prawa, które opisują ruchy planet wokół Słońca (por. tabela po prawej).

Dwa pierwsze prawa udało się mu sformułować dopiero po wieloletnich, żmudnych obliczeniach na podstawie szczegółowych danych obserwacyjnych jego poprzednika, Tychona Brahego (1546–1601) i po licznych pomyłkach. Dzięki dogłębnej analizie danych dotyczących ruchów orbitalnych sformułował w ciągu kolejnych dziesięciu lat trzecie prawo, które opublikował w 1619 roku w swoim dziele Harmonices mundi libri V (Harmonia światów).

Prawa Keplera

1. Każda planeta Układu Słonecznego porusza się wokół Słońca po orbicie w kształcie elipsy, w której jednym z ognisk jest Słońce.

2. Promień wodzący łączący Słońce z planetą zakreśla równe pola w jednakowych odstępach czasu.

3. Stosunek kwadratu okresu obiegu T planety wokół Słońca do sześcianu wielkiej półosi jej orbity d, czyli wyrażenie T^2/d^3, jest stały dla wszystkich planet (w Układzie Słonecznym).

Obliczył na przykład, że okres obiegu Jowisza wynosi 11,863 lat ziemskich (obiegów Ziemi), a wielka półoś jego obiegu jest równa 11,8632/3, czyli 5,2 razy większa od ziemskiej.

Z perspektywy Ziemi wydaje się, że planety poruszają się po niebie po dziwnych pętlach

Kepler jako jeden z pierwszych próbował uzasadnić odkryte przez niego ruchy planet prawami fizyki. Nie mogąc jednak oprzeć się na koncepcji bezwładności (inercji) (↓) i prawie powszechnego ciążenia (↓), które nie zostały jeszcze sformułowane, nie był w stanie zaproponować poprawnego fizycznie rozwiązania. Przypuszczał więc jedynie, że rotacja Słońca – podobnie jak ruch koła łopatkowego – wprawia planety w ruch przez magnetyczny przepływ sił (łac. anima motrix – siła poruszająca) i w takim stanie je utrzymuje, przy czym wpływ Słońca maleje wraz z rosnącą odległością od niego. Dopiero w 1686 roku, czyli 56 lat po śmierci Keplera, angielskiemu fizykowi Isaacowi Newtonowi udało się sformułować poprawne z perspektywy fizycznej uzasadnienie.

Według Newtona pierwsze prawo Keplera jest konsekwencją zależności siły grawitacyjnej od odwrotności kwadratu odległości od Słońca, przy czym dopiero konkretne rozwiązanie newtonowskiego równania ruchu ujawniało eliptyczny kształt orbit planet.

Wewnętrzny i zewnętrzny Układ Słoneczny. Planety poruszają się po orbitach w kształcie elipsy

Drugie prawo Keplera wynika bezpośrednio z prawa zachowania momentu pędu. Można to sobie wyobrazić, rozkładając eliptyczne ruchy po orbitach na liczne maleńkie i proste odcinki, odpowiadające tym samym interwałom czasowym. W ich załamaniach (rogach) siła grawitacji punktowo odwraca planety w kierunku Słońca. Na przedstawionym tu rysunku siła ta działa w punkcie B, czyli do dołu. Zgodnie z prawem bezwładności składowa prędkości prostopadła do kierunku działania tej siły pozostaje niezmieniona, przez co wysokość h obu niebieskich trójkątów ZAB i ZBC, mierzona od tej samej podstawy a jest identyczna, a oba te trójkąty mają takie samo pole powierzchni (a · h/2).

Trzecie prawo Keplera wynika wreszcie z równowagi między siłą odśrodkową a siłą grawitacji. Zgodnie z tym dana planeta, np. po czterokrotnym powiększeniu orbity (2^2), będzie poruszała się o połowę wolniej i w związku z tym będzie potrzebowała ośmiokrotnie więcej czasu (2^3) na pokonanie tej czterokrotnie dłuższej drogi.

Satelity z orbitami geosynchronicznymi
Artystyczne pętle na niebie

Satelity są wykorzystywane do najróżniejszych zastosowań: telefonowania, rejestrowania obrazów do Google Maps lub do prognozy pogody. Nieustannie krążą wokół Ziemi, przemieszczając się nad rozmaitymi punktami na jej powierzchni w różnych chwilach.

Istnieją też szczególnie stabilne i długotrwałe orbity (↓), które są chętnie wykorzystywane do zastosowań komunikacyjnych i pogodowych dla obiektów satelitarnych. Są to tak zwane orbity geosynchroniczne. Poruszając się po nich, satelity okrążają Ziemię dokładnie raz na dany dzień, czyli po upływie doby gwiazdowej (ok. 23 godziny, 56 minut i 4 sekundy) znajdują się ponownie dokładnie w tym samym położeniu geograficznym na Ziemi.

Szczególnym rodzajem takich orbit są orbity geostacjonarne. W tym przypadku satelita porusza się wokół Ziemi po orbicie kołowej w płaszczyźnie równika. Ziemia obraca się dokładnie wraz z obiektem satelitarnym, więc ten nieustannie znajduje się nad tym samym punktem równika. Obserwatorowi na Ziemi mogłoby zatem zdawać się, że satelita geostacjonarny tkwi w jednym miejscu na niebie, mimo że ten w rzeczywistości krąży wokół Ziemi z zawrotną prędkością ponad 11 000 km/h.

Orbita geosynchroniczna może być zasadniczo także eliptyczna i/lub przebiegać w jednej płaszczyźnie, względnie pochylonej (↓) względem płaszczyzny równika. Aby móc sobie wyobrazić, jak taka orbita satelity jawi się obserwatorowi na powierzchni Ziemi, przywołajmy dwa skrajne przykłady.

Satelita poruszający się wokół Ziemi po orbicie eliptycznej w płaszczyźnie równika w każdym miejscu swojej orbity znajduje się nad równikiem, lecz nie zawsze nad tym samym punktem. Gdy satelita oddala się od Ziemi, porusza się wolniej, a punkt na równiku w ten sposób go wyprzedza. Dla obserwatora na Ziemi satelita dryfuje więc na zachód. Z kolei gdy satelita znajduje się bliżej Ziemi (np. gdy przebiega przez perygeum swojej orbity), wydaje się, że porusza się na wschód. Obserwatorowi na Ziemi zdaje się zatem, że satelita geosynchroniczny przemieszcza się chwiejnie wzdłuż równika, czasem przybliżając się, a czasem oddalając.

Krzywa, którą zakreśla po niebie satelita geosynchroniczny, wygląda dla obserwatorów na Ziemi jak ósemka o szerokich łukach

W drugim przykładzie satelita porusza się po orbicie polarnej, czyli po okręgu wokół Ziemi, który w jednej z płaszczyzn leży prostopadle do płaszczyzny równika. Gdy taki satelita znajduje się w południe nad danym punktem na równiku i stąd porusza się bezpośrednio w kierunku bieguna północnego, stojący w tym punkcie obserwator widzi (jako że sam obraca się na Ziemi w kierunku wschodnim), jak satelita znika w kierunku północno-zachodnim. Gdy w punkcie obserwatora zachodzi Słońce, satelita dociera dokładnie do (geograficznego) bieguna północnego. O północy znajdzie się bezpośrednio nad obserwatorem, który zobaczy, że satelita nadchodzi z północnego wschodu i znika w kierunku południowego zachodu. Po upływie kolejnych niemal dwunastu godzin satelita dotrze – nadchodząc pozornie z południowego wschodu – znów do punktu wyjścia. Widoczna z powierzchni Ziemi orbita, którą zatacza na niebie satelita, przypomina zatem pętlę.

Najogólniejszym przypadkiem orbity geosynchronicznej jest pochylona elipsa. Obserwatorowi na Ziemi jawi się ona jako figura określana nazwą analemma. Ma ona kształt ósemki. W zależności od spłaszczenia orbity satelity ma dwie pętle o różnych rozmiarach. Wybór orbity dla danego satelity geostacjonarnego zależy w dużym stopniu od tego, nad jakimi obszarami Ziemi będzie on miał przeważnie stacjonować.

Orbity Clarke’a

Pierwsza drukowana wzmianka o satelicie geostacjonarnym pochodzi od twórcy literatury fantastyczno-naukowej, Arthura C. Clarke’a, który w 1945 roku zasugerował utworzenie bezprzewodowej, globalnej komunikacji przy użyciu trzech satelitów geostacjonarnych nieustannie okrążających Ziemię. Choć z początku kpiono z tego pomysłu, 19 lat później, czyli 19 sierpnia 1964 roku, na orbicie został umieszczony pierwszy satelita geostacjonarny – SYNCOM 3, który transmitował stamtąd Igrzyska Olimpijskie z Japonii do USA. Obecnie orbity geostacjonarne są nazywane orbitami Clarke’a.

Gdy krzywa orbity jest lekko pochylona, orbita pozorna (zwana analemmą) ulega zniekształceniu

Manewry rakiet
Taniec po Układzie Słonecznym

Wszystkie elementy Układu Słonecznego (↓) krążą wokół siebie. Planety orbitują wokół Słońca, księżyce wokół planet. Wokół naszej Ziemi krążą też sztuczne satelity GPS (↓). Nawet Słońce nie tkwi nieruchomo na firmamencie, lecz okrąża centrum Drogi Mlecznej (↓) raz na około 225 milionów lat. Wzajemne krążenie wokół siebie planet, księżyców i komet określają dwie fundamentalne zasady fizyczne: zasada zachowania energii oraz zasada zachowania momentu pędu (↓). Naprzemienne działanie obu tych praw definiuje wszelkie ruchy ciał niebieskich względem siebie (czy wokół siebie). Ściśle podlegają im także trajektorie rakiet i statków kosmicznych oraz sond.

Manewr transferowy Hohmanna pozwala przejść rakiecie z niższej orbity na wyższą. W tym celu należy nadać rakiecie przez krótki czasu impuls w perycentrum (1), aby zdeformować orbitę, nadając jej kształt elipsy (2). W apocentrum (3) należy nadać kolejny impuls, aby przekształcić elipsę w orbitę o kształcie okręgu

Istnieje szereg manewrów, które mogą doprowadzić statek kosmiczny podróżujący przez Układ Słoneczny do celu. Manewr transferowy Hohmanna jest wykorzystywany do zmiany danej orbity kołowej (biegnącej np. wokół planety) statku kosmicznego na wyższą orbitę. W tym celu statek potrzebuje impulsu w kierunku lotu. Impuls ten nadaje statkowi większą prędkość. Zgodnie z zasadą zachowania momentu pędu statek ten musi znaleźć się na orbicie eliptycznej, a dokładniej – w jej najniższym punkcie, czyli tzw. perycentrum (↓). Wówczas statek kosmiczny porusza się (bez dodatkowego efektu pchnięcia) po eliptycznym torze, nieustannie spowalniając, aż do osiągnięcia najwyższego punktu – apocentrum. Aby nie zacząć spadać w kierunku planety, w apocentrum statek odpala ponownie silniki – znów w kierunku lotu – aż eliptyczny tor ponownie stanie się orbitą kołową, lecz tym razem znacznie bardziej oddaloną od planety.

Start misji Zuma prywatnej firmy lotów kosmicznych. Misją rakiety, która wystartowała w listopadzie 2017 roku, było umieszczenie amerykańskiego satelity wojskowego na orbicie Ziemi

Manewr transferowy Hohmanna można również wykorzystać odwrotnie, aby przejść z orbity wyższej na niższą. W tym celu statek musi wysłać impuls w kierunku przeciwnym do własnego kierunku lotu, czyli zahamować. Przy tak zmniejszonym momencie pędu statek zaczyna niejako spadać w kierunku planety. Wówczas przyspiesza, a gdy dotrze do perycentrum, musi znów zahamować, aby nie wejść na wyższą orbitę, lecz pozostać na niższej orbicie kołowej.

W manewrze flyby sonda (1) zbliża się do planety z tyłu, po czym zostaje wypchnięta przez siłę przyciągania planety (2). Następnie sonda opuszcza orbitę z dużą prędkością (3)

Kolejnym, często wykorzystywanym manewrem jest tzw. manewr swingby czy też flyby^1. Musi on zostać wykonany bardzo precyzyjnie w określonym czasie. W celu zaoszczędzenia paliwa między dwoma manewrami transferowymi Hohmanna, pierwszy z nich wykonuje się tak, aby statek dotarł do apocentrum bezpośrednio za planetą. Siła przyciągania planety „przerzuca” statek dalej, który przemieszcza się wówczas dalej po kosmosie, przygotowując się do kolejnego transferu. Zatem dzięki sile przyciągania energia kinetyczna zostaje przeniesiona z planety na statek. Planety są dużo cięższe, dlatego praktycznie nie zaburza to ich orbit, lecz dla statków czy rakiet, z których paliwem należy obchodzić się oszczędnie, każdy impuls jest niebywale pomocny! Sonda Voyager 2 (↓) zastosowała ten manewr kilkakrotnie. Dzięki wyjątkowo korzystnej pozycji planet zewnętrznych sonda mogła wykonać manewry asysty grawitacyjnej przy Jowiszu, Saturnie, Uranie i Neptunie.

Tesla Roadster, który został wprowadzony na orbitę Ziemi jako obciążenie użytkowe rakiety Falcon Heavy firmy SpaceX. Pierwsza faza manewru transferowego Hohmanna na Marsa została sfinalizowana. Niestety rakieta nie ma już więcej paliwa, dlatego niemożliwe jest przeprowadzenie drugiego etapu, czyli nadanie drugiego impulsu w apocentrum. Bieżącą pozycję pojazdu można sprawdzić pod następującym adresem: http://www.whereisroadster.com/

Oglądając filmy science-fiction, możemy odnieść wrażenie, że statki kosmiczne po prostu przemieszczają się z jednego punktu do drugiego i że w tym celu wystarczy odpowiednio nakierować statek i odpalić silniki. Niestety to tak nie działa! Aby przemieścić się z jednego miejsca do innego, konieczne są dokładna znajomość pozycji planet i ich prędkości, a także manewry precyzyjnie zaplanowane w czasie. Co ciekawe, w nowszych filmach aspekty te są coraz częściej przedstawiane realistycznie. Na przykład w serialu fantastycznonaukowym „The Expanse” czy w filmie „Marsjanin” ważną rolę odgrywa poprawna nawigacja w Układzie Słonecznym.

Na skraju Układu Słonecznego
Gdzie jest granica?

Jakie rozmiary ma nasz Układ Słoneczny? Gdzie się kończy? I gdzie zaczyna się przestrzeń „zewnętrzna”, czyli przestrzeń międzygwiazdowa? Na te pytania nie jest łatwo udzielić odpowiedzi, bo zależą one od definicji skraju Układu Słonecznego. Aby ułatwić sobie te rozważania, wygodnie jest liczyć w tak zwanych jednostkach astronomicznych (ang. astronomical unit, AU). Jedna jednostka astronomiczna [AU] to średnia odległość Ziemi od Słońca. Wynosi ona niecałe 150 milionów kilometrów.

Łukowa fala uderzeniowa wokół młodej gwiazdy w mgławicy Oriona

W niektórych źródłach spotykamy się z informacją, że Układ Słoneczny składa się ze Słońca i jego planet. Czy to oznacza, że kończy się po prostu na najbardziej oddalonej od Słońca planecie? Choć stanowi to jedną z możliwości zdefiniowania krańców Układu Słonecznego, nie jest ona zbyt adekwatna. Po pierwsze, taka definicja zależałaby od definicji „planety”, która może na przestrzeni lat ulec zmianie, jak się to stało w przypadku Plutona. Po drugie, za najdalszą planetą – Neptunem – oddalonym ok. 30 AU od Słońca, znajduje się ogromna liczba planet karłowatych, odłamków skalnych i pyłów różnych rozmiarów, które najprawdopodobniej są pozostałościami po procesie powstania Słońca i jego planet. Warstwa ta nazywana jest pasem Kuipera i rozpościera się za orbitą Neptuna nawet na odległość 50 AU.

Wpływ Słońca sięga jednak znacznie dalej. W wyniku syntezy jądrowej zachodzącej w jego wnętrzu niestrudzenie następuje wyrzucanie strumienia naładowanych cząsteczek do kosmosu – jest to wiatr słoneczny. Na szczęście chroni nas przed nim pole magnetyczne Ziemi. To jakby od Słońca wiał nieustannie strumień powietrza suszarki. Wiatr ten powstrzymuje międzygwiazdowy gaz, złożony w większości z wodoru i helu, przed wtargnięciem do naszego Układu Słonecznego i wypełnia przestrzeń między gwiazdami.

Nasz Układ Słoneczny przedziera się przez ośrodek międzygwiazdowy

Co prawda siła wiatru słonecznego maleje wraz z odległością od Słońca, jednak sięga daleko poza pas Kuipera. W miejscu, gdzie wiatr słoneczny miesza się z gazem międzygwiazdowym, tworzy otoczkę wokół Układu Słonecznego – tak zwany płaszcz Układu Słonecznego (ang. heliosheath). Jego grubość w zależności od aktualnej siły wiatru słonecznego najprawdopodobniej waha się między 20 a 60 AU. Wewnętrzna, skierowana ku Słońcu część płaszcza nazywana jest szokiem końcowym (ang. termination shock) i znajduje się w odległości ok. 80–90 AU od Słońca.

Sondy Voyager 1 i Voyager 2 przekroczyły w 2004 i 2007 roku szok końcowy i w momencie druku książki znajdowały się w płaszczu Układu Słonecznego. Wiemy to, gdyż w momencie przekroczenia szoku końcowego sondy zarejestrowały gwałtowny wzrost temperatury otaczającej ich materii do niemal 200 000 kelwinów – jest to konsekwencja zderzenia wiatru słonecznego z gazem międzygwiazdowym. Na szczęście znajdujący się tam gorący gaz jest wyjątkowo rozrzedzony, dzięki czemu sonda nie nagrzewa się zbytnio.

Odległości od Słońca do Alfa Centauri w skali logarytmicznej

W czasie powstania tej książki sonda Voyager 1 znajdowała się w odległości około 120 AU od Słońca, zbliżając się do zewnętrznej granicy płaszcza, czyli heliopauzy, którą miała przekroczyć do roku 2014 i tym samym opuścić obszar wpływu Słońca (heliosferę), będąc otoczona jedynie ośrodkiem międzygwiazdowym.

Choć oddaloną o ok. 130–150 AU heliopauzę można byłoby jak najbardziej określić mianem skraju Układu Słonecznego, to jednak wpływ grawitacyjny Słońca jest odczuwalny znacznie dalej. Tak zwana sfera Hilla, która oznacza zauważalny wpływ grawitacyjny Słońca, sięga na odległość ponad 200 000 AU w głąb kosmosu. To już niedaleko do następnej gwiazdy, Proxima Centauri, która jest oddalona od nas o około 4,2 lat świetlnych (260 000 AU).

Bliższe otoczenie Układu Słonecznego