Jadro ciemnosci - Jeremiah P. Ostriker.pdf

Tytuł oryginału HEART OF DARKNESS Unraveling the Mysteries of the Invisible Universe Copyright © 2013 by Jeremiah P. Ostriker and Simon Mitton All rights reserved Projekt okładki Prószyński Media Ilustracja na okładce Sven Geier Redaktor serii Adrian Markowski Redakcja i korekta Anna Kaniewska ISBN 978-83-8069-770-6 Warszawa 2015 Wydawca Prószyński Media Sp. z o.o. 02-697 Warszawa, ul. Rzymowskiego 28 www.proszynski.pl

PODZIĘKOWANIA Historia współczesnej kosmologii przedstawiana w artykułach prasowych często wydaje się nieprzerwaną paradą bohaterów, których dokonania prezentuje się jako kolejne nieuniknione etapy rozwoju: Kopernik, Galileusz, rodzeństwo Herschelów, Einstein, Eddington, Hubble, Sandage, a potem już współczesny paradygmat. W istocie jednak jest to bardziej zagmatwana opowieść, a ci czołowi badacze, choć wnieśli do nauki wielki wkład, popełniali także poważne błędy. Z kolei prace innych, często pomijanych naukowców w sposób istotny przyczyniały się do rozwoju całej dziedziny. Obaj (Ostriker i Mitton) uczestniczymy w tym zbiorowym przedsięwzięciu już od niemal półwiecza, poznaliśmy więc dość dobrze wielu uczonych, którzy stworzyli tę dziedzinę. Podczas pisania tej książki zależało nam na wyraźnym pokazaniu roli, jaką odegrali liczni fizycy i astrofizycy, których kluczowy wkład w rozwój nauki często bywa pomijany w tradycyjnym ujęciu. Przykładem takich osób mogą być ksiądz Georges Lemaître, George Gamow, Fritz Zwicky i Beatrice Tinsley. W książce wspominamy także o dokonaniach licznych żyjących uczonych, jednak z pewnością nie udało nam się oddać sprawiedliwości niezliczonym wybitnym naukowcom, których prace nie zostały tu nawet wymienione, mimo że ich wkład w rozwój kosmologii był znaczący, a czasami nawet przełomowy. Naszym celem nie było napisanie naukowej, obszernej historii współczesnej kosmologii. Możemy się tłumaczyć jedynie tym, że musieliśmy dokonać wyboru z uwagi na ograniczoną objętość książki, która jest jedynie próbą pokazania najważniejszych aspektów tej historii i zagadnień arbitralnie wybranych z ogromnej liczby równie ważnych i godnych uwagi wątków. Zatem serdecznie przepraszamy naszych licznych kolegów, których wkład został umniejszony lub pominięty. Znamy i cenimy Wasze prace, ale w sposób dość arbitralny wybraliśmy niewielką liczbę naszych współtowarzyszy w odkrywaniu świata, których nie ma już wśród nas, a ich dorobeknie znajduje godnego odzwierciedlenia w tradycyjnym ujęciu historii rozwoju naszej dziedziny. Obaj zaciągnęliśmy ogromny dług wdzięczności u licznych kolegów z Princeton, Cambridge i całego świata. Uprawianie nauki wymaga współpracy na poziomie globalnym i spośród wszystkich współczesnych dziedzin wiedzy astrofizyka ma chyba najbardziej rozbudowaną sieć

międzynarodowych powiązań. Zatem lista tych, którzy nam służyli pomocą i radą, będzie niestety boleśnie niekompletna. Choć nie możemy wymienić tu wszystkich i podziękować im tak, jak na to zasługują, kilka osób pomogło nam tak bardzo w naszej pracy, że musimy tu wymienić każdą z nich z osobna. W Princeton Paul Steinhardt, Jim Peebles i Jim Gunn dostarczyli nam niezwykle cennej wiedzy historycznej i naukowej. Sami odegrali główną rolę w tym wielkim przedsięwzięciu i jesteśmy im niezmiernie wdzięczni za pomoc w poprawianiu błędów, wytykanie niedociągnięć i dzielenie się z nami swoją mądrością. W Cambridge Martin Rees i Donald Lynden-Bell w czasie całej naszej kariery naukowej służyli nam swoją wiedzą i cennymi wskazówkami. W czasie pisania tej książki nieocenionej pomocy edytorskiej udzieliła Ostrikerowi jego żona, poetka i eseistka Alicia Ostriker, a także jego dobry przyjaciel redaktor Robert Strassler oraz redaktorka z wydawnictwa Princeton University Press, Ingrid Gnerlich. Wszyscy oni czytali kolejne wersje rękopisu i przekazali niezliczone, ważne sugestie na temat ułożenia materiału i doboru słownictwa. Bez względu na to, jak dobre lub złe jest ostateczne dzieło, ich wielkoduszna i przemyślana pomoc odegrała kluczową rolę w przekształceniu nadmiernie naukowej, literacko niespójnej wersji początkowej w ostateczną wersję książki. Simon Mitton wyraża głęboką wdzięczność swojemu koledze z Cambridge i bliskiemu przyjacielowi od czterdziestu pięciu lat, Michaelowi Hoskinowi, który jest wybitnym specjalistą w dziedzinie historii astronomii i biografem rodziny Herschelów. Praktycznie nie było dnia, by Michael nie udzielił Simonowi jakiejś życzliwej rady na temat tego, jak być przekonującym uczonym. Podobnie Simon dziękuje Owenowi Gingerichowi, historykowi astronomii w tym drugim Cambridge (po drugiej stronie oceanu), za olbrzymie wsparcie i rady udzielane bezinteresownie i z serdecznością w ciągu kilku dziesięcioleci. Żona Simona, Jacqueline Mitton, która również pisze książki dla wydawnictwa Princeton University Press, przekazała wiele cennych uwag na temat rozbudowy rękopisu. Simon jest niezmiernie wdzięczny kierownictwu St Edmund’s College w Cambridge, gdzie mógł korzystać z cennych rad Michaela Robsona, Lee Macdonalda, Bruce’a Elsmore’a i Rodneya Holdera. Z ogromną przyjemnością dziękuje także swojej agentce Sarze Menguc i jej kolegom za okazane wsparcie.

Więcej na: www.ebook4all.pl PRZEDMOWA Kosmologia przekształca się w naukę opartą na danych Kosmologia, nauka zajmująca się badaniem natury, kształtowania się i ewolucji Wszechświata, uległa niezwykłemu wprost przeobrażeniu od czasów, gdy w latach sześćdziesiątych ubiegłego stulecia obaj byliśmy na studiach. W czasie naszych studiów doktoranckich w Chicago (Ostriker) i Cambridge (Mitton) istniały dwa solidne, ale rywalizujące ze sobą modele: Wielkiego Wybuchu i stanu stacjonarnego. Każdy z nich miał swoich zagorzałych zwolenników i uważano, że wybranie któregoś z nich jest wyłącznie kwestią wiary. Niemal codziennie można było usłyszeć bezkompromisowe stwierdzenia i argumentacje wielkich umysłów usilnie próbujących zrozumieć Wszechświat. Należało się liczyć z tym, że na każdym spotkaniu zawodowych astronomów może paść pytanie: „Czy wierzy pan w teorię stanu stacjonarnego?” lub „I co pan sądzi o całej tej koncepcji Wszechświata Wielkiego Wybuchu?”. W książkach popularnonaukowych poświęconych kosmologii – z tamtych czasów, ale i w najnowszych – daje się wyczuć tę wczesną, niemal teologiczną atmosferę. Kosmologia opierała się niepewnie na domniemaniach, ponieważ danych i twardych faktów mieliśmy wówczas niewiele. W ciągu minionego półwiecza dokonała się jednak całkowita przemiana kosmologii. Obecnie jest to nauka ścisła w pełnym znaczeniu tego słowa, oparta na zdobytych informacjach. Postęp ten zawdzięczamy spektakularnemu rozwojowi techniki i technologii przetwarzania informacji. Oczywiście wciąż mamy wielkie idee, ale teraz są one kształtowane i ograniczane napływem danych z teleskopów rozmieszczonych na powierzchni Ziemi i w kosmosie. Obserwacje potwierdziły, obficie i dogłębnie, że model Wielkiego Wybuchu jest w zasadzie poprawny. Dzięki wykorzystaniu Kosmicznego Teleskopu Hubble’a i wielu innych urządzeń udało nam się dokonać inwentaryzacji obiektów kosmicznych i sporządzić szczegółowe mapy naszego zakątka

Wszechświata, a także, co bardziej zdumiewające, zdołaliśmy przeprowadzić obserwacje sięgające coraz głębiej w czas i przestrzeń i możemy nawet powiedzieć, że teleskopy penetrujące kosmos są swoistymi wehikułami czasu. Gdy za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble’a badamy wycinek nieba odległy od nas o siedem miliardów lat świetlnych, oglądamy w istocie świat taki, jaki był siedem miliardów lat temu, czyli gdy Wszechświat był o połowę młodszy. Dzięki temu możemy bezpośrednio zobaczyć i zmierzyć różnice między ówczesnym i obecnym kosmosem i opisać jego ewolucję. Nie musimy już uciekać się do domysłów. A raczej, mówiąc ściślej, możemy sprawdzić nasze domysły na temat ewolucji kosmosu, przeprowadzając bezpośrednie obserwacje. Choć nie zdołamy zajrzeć aż do samego Wielkiego Wybuchu, który nastąpił 13,7 miliarda lat temu, potrafimy prześledzić ewolucję zwyczajnych galaktyk niemal do okresu ich narodzin. Co więcej, radioteleskopy krążące na ziemskiej orbicie pozwalają nam cofnąć się w czasie aż do chwili, gdy fotony wyłoniły się po raz pierwszy z pierwotnej zupy, w której były uwięzione przez pierwsze 300 000 lat po Wielkim Wybuchu – możemy zobaczyć promieniowanie będące pozostałością po tym okresie. Dzięki temu da się bezpośrednio obejrzeć i zmierzyć niewielkie pierwotne fluktuacje, które powiększyły się za sprawą grawitacji i przekształciły w bogaty, otaczający nas świat galaktyk, gwiazd i planet. We współczesnych rozważaniach kosmologicznych każda teoria musi być zgodna z szerokim wachlarzem obserwacji wykonanych w zakresie rentgenowskim, nadfiolecie, świetle widzialnym i podczerwonym, a także w radiowym obszarze widma elektromagnetycznego. Wyniki tych obserwacji, gromadzone w licznych bazach danych, pokazują nam wyraźnie, jak wygląda Wszechświat w naszej epoce, jakdoszedł do obecnego stanu i jaksię to wszystko zaczęło. Badania kosmologiczne wciąż jeszcze nie opierają się tak silnie na doświadczeniu i nie są aż tak weryfikowalne jak w innych dziedzinach, na przykład w inżynierii, ale w dużym stopniu pozbyły się odurzającego zapachu „teologii naturalnej”. Podobnie jak znajomość faktów geologicznych i biologicznych związanych z naszą macierzystą planetą przegnała na karty literatury fantastycznonaukowej wszelkie rozważania o „potworach z głębokich otchłani”, tak wcześniejsze niczym nieskrępowane kosmiczne fantazje muszą się obecnie poddać ograniczeniom wynikającym z tych wspaniałych, ciągle powiększających się bibliotek kosmologicznej informacji. Równolegle z tym procesem zakotwiczenia w faktach rozwinęliśmy ilościowe, weryfikowalne teorie oparte na znanych prawach chemii, fizyki i matematyki, które tworzą ramy pozwalające nam odpowiednio zaprezentować te nowe obserwacje. Ponieważ dysponujemy dobrze sprawdzonymi prawami fizyki Isaaca Newtona, opisanie grawitacyjnego wzrostu fluktuacji pierwotnej materii, z których powstały gwiazdy i galaktyki, jest w zasadzie tak proste, jak wyliczenie trajektorii lotu piłki baseballowej lub ruchu okrętu unoszącego się na wodzie. Tego rodzaju obliczenia są oczywiście bardziej złożone, ale nie wymagają użycia matematyki ani teorii naukowych, co do których mamy jakieś wątpliwości. Za sprawą rozwoju techniki dysponujemy też obecnie urządzeniami potrzebnymi do rozwiązania takich równań. Możliwości obliczeniowe komputerów, zgodnie ze słynnym prawem Gordona Moore’a o wzroście złożoności układów scalonych, powiększyły się od lat sześćdziesiątych ponad milion razy. Obecnie potrafimy przekształcić dowolną teorię w szeroko zakrojone symulacje komputerowe i wychodząc od stanu początkowego zgodnego z obserwacjami radioteleskopowymi, wyliczyć, co się będzie działo dalej, wykorzystując do tego teorie fizyczne

Isaaca Newtona, Alberta Einsteina i Nielsa Bohra. Dzięki temu możemy się przekonać, czy potrafimy odtworzyć w komputerze i wizualizacjach uzyskanych wyników obraz świata wokół nas z jego bogactwem szczegółów. To może się udać lub nie, ale nie ma mowy o żadnych oszustwach. Ponieważ obserwacje i obliczenia stają się coraz dokładniejsze, uczeni mają coraz mniej miejsca na niczym nieuzasadnione argumentowanie, że świat „musi działać” w taki a taki sposób, by wszystko było po naszej myśli. Odkryliśmy, że możemy prowadzić tego typu badania zarówno obserwacyjnie (wykorzystując teleskopy w roli wehikułu czasu), jak i obliczeniowo, i dzięki temu opisać ewolucję Wszechświata z akceptowalną dokładnością. Animacje przygotowane na podstawie wyników symulacji komputerowych naprawdę przypominają rozwój wypadków w naszym Wszechświecie i zgadzają się z tym, co widzimy w naszym kosmicznym wehikule czasu. Jednak osiągnięcie tych wspaniałych wyników wymagało przyjęcia pewnych założeń. Nasz model ewolucji Wszechświata do jego obecnej postaci działa tylko wtedy, gdy założymy istnienie dwóch fantastycznych składników, które nazywamy, z braku lepszego określenia, ciemną materią i ciemną energią. Odkrycie obu tych bytów było dużym zaskoczeniem i początkowo wielu uczonych (co zrozumiałe) sprzeciwiało się ich wprowadzeniu do nauki. Argumentowali oni, że w ten sposób dodajemy jedynie kolejne koła zębate do i tak już złożonego i rozklekotanego mechanizmu w nadziei, iż w ten sposób całe urządzenie zacznie działać poprawnie. Co więcej, tego typu propozycje wydawały się sprzeczne z nowoczesną metodą naukową, ponieważ nie było żadnych niezależnych dowodów przemawiających za istnieniem ciemnej materii i ciemnej energii. W żadnym z laboratoriów na Ziemi nie odkryto jeszcze bezpośredniego dowodu wskazującego na istnienie takich substancji. Są one zbyt rozrzedzone, by można je było łatwo wykryć na Ziemi (choć wielu uczonych cały czas próbuje tego dokonać) i jedynie na ogromnych połaciach przestrzeni kosmicznej wywierają rzeczywisty, obserwowalny wpływ. Stopniowo jednak odkrywano coraz więcej dowodów na to, że ciemna materia i ciemna energia dominują we Wszechświecie. Wkrótce potem zaczęto przedstawiać różne niezależne argumentacje, które zmusiły astronomów, by poważnie potraktowali istnienie obu tych substancji. Sprawę rozstrzygnął fakt, że te niezależne podejścia stopniowo zaczęły się zbiegać do takich samych wartości oszacowań ilości ciemnej materii i ciemnej energii. Ogólnie rzecz biorąc, w nauce obowiązuje zasada, że jeśli rozwiązanie jakiejś zagadki wymaga wprowadzenia nowej substancji o szczególnych właściwościach, to należy zachować wobec takiej propozycji daleko idący sceptycyzm. Jednak coraz więcej dowodów wskazywało, że taki sceptycyzm jest w tym wypadku nie​uzasadniony, ponieważ każde nowe zaobserwowane zjawisko potwierdzało poprzednie oszacowania ilości ciemnej materii i ciemnej energii. Wystarczy podać jeden przykład. W rozdziale 6 dowiemy się, że ciemną materię odkryto po raz pierwszy w latach trzydziestych ubieg​łego wieku w olbrzymich gromadach galaktyk, które są największymi obiektami we Wszechświecie utrzymującymi się w całości pod wpływem własnej grawitacji. Uczeni doszli do wniosku, że ciemna materia znajduje się w przestrzeni między galaktykami. Potem, w latach siedemdziesiątych, odkryto ją na peryferiach pobliskich zwyczajnych galaktyk – naukowcy ustalili, że musi ona tworzyć wokół galaktyk swoiste ciemne halo. Po przeprowadzeniu szczegółowych obliczeń okazało się, że taka sama kosmiczna obfitość ciemnej materii mogłaby wyjaśniać zarówno te zaobserwowane zjawiska, jak i bardziej podstawowy proces powstawania i ewolucji galaktyk i ich gromad. W rozdziałach 5 i 8

opowiemy o tym, jakcała kosmiczna struktura wyrosła pod wpływem grawitacji z nieznacznych fluktuacji zarodkowych i przekształciła się w nasz lokalny Wszechświat. Źródłem grawitacji są skupiska materii – dowiódł tego już Newton w XVII wieku. W latach dziewięćdziesiątych XX stulecia odkryliśmy, że aby mogła się wytworzyć odpowiednia struktura, materii i wynikającej z niej grawitacji musi być „w sam raz”. Taka sama ilość ciemnej materii, jaka potrzebna jest do wyjaśnienia pochodzenia struktury kosmosu, wyjaśnia również dwa pozostałe zjawiska: własności gromad galaktyk i ciemne halo w galaktykach. W końcu w rozdziale 8 dowiemy się, że dzięki gigantycznym teleskopom optycznym udało się nam niedawno odkryć jasne, zniekształcone obrazy niezwykle dalekich obiektów. Tego typu obrazy można wyjaśnić jedynie tym, że na drodze światła muszą się znajdować jakieś skupiska materii działającej niczym soczewka grawitacyjna, która powiększa obraz dużo dalszych obiektów – możliwość wystąpienia takiego efektu przewidział już Einstein. I takjakpoprzednio okazało się, że ilość takiej materii potrzebna do wytworzenia zaobserwowanych obrazów jest zgodna z ilością potrzebną do wywołania omawianych przed chwilą zjawisk. Mamy zatem aż trzy dowody prowadzące do tego samego wniosku. Wydaje się, że gmach współczesnej kosmologii został postawiony na solidnych fundamentach – ale oczywiście jedynie czas pokaże, czy to prawda. Myślimy, że nakreślony przez nas ogólny obraz jest poprawny, ale naiwnością (i głupotą) byłoby sądzić, że zbliżamy się już do końca epoki odkryć i teraz wreszcie „nam się udało”. W chwili obecnej nie mamy żadnych solidnych przesłanek, które pozwalałyby nam odkryć fizyczną naturę ciemnej materii lub ciemnej energii, nie ulega więc wątpliwości, że wciąż jeszcze musimy się wiele dowiedzieć. Czy powinniśmy się jednak spodziewać jakichś rewolucyjnych odkryć podważających prawdziwość tej opowieści, która wydaje się tak spójna? Czy nauka rozwija się skokowo, przez zmianę kolejnych paradygmatów i wywracanie całego obrazu do góry nogami? Istnieje szkoła myślenia, która kwestionuje zasadność normalnej metody naukowej i pojęcie postępu naukowego. Jej zwolenników bardziej przekonuje opis, w którym zmiany naszego obrazu świata są wynikiem przypadku i bardziej zależą od relacji społecznych między badaczami niż od rzeczywistego zrozumienia przyrody. Sądzimy jednak, że uważna analiza dotychczasowej historii nauki wyraźnie pokazuje, że taki punkt widzenia jest nieprawdziwy. W ciągu całej długiej historii kosmologii najważniejsi myśliciele zazwyczaj wierzyli, że mają poprawny model, nawet jeśli ulegał on zmianom. Faktem jest, że od powstania współczesnej nauki w epoce renesansu uczeni zwykle mieli rację – choć jednocześnie ich obraz świata cały czas był niepełny. Ich obserwacje i teorie opierały się na „lokalnym” świecie, do którego mieli dostęp, i większy obraz ukazywał się ich oczom dopiero po przesunięciu horyzontu. Udamy się ich śladem w podróż będącą nieustannym poszerzaniem się zarówno pojęciowego, jak i obserwacyjnego horyzontu od naszej planety, poprzez Układ Słoneczny i Galaktykę, aż po cały rozszerzający się Wszechświat. Także nasz horyzont czasowy przesuwał się w odpowiednim tempie, od ludzkiego, historycznego czasu rzędu tysięcy lat, poprzez kilkumiliardową historię Ziemi, aż po nieograniczone być może kosmiczne skale czasowe. W tym procesie odkrywaliśmy raz za razem, że nasz w zasadzie poprawny obraz lokalnego wszechświata jest zanurzony w znacznie większym kosmosie oraz że głównymi składnikami tego wyłaniającego się świata są nowe, dziwne siły i substancje, natomiast znane nam z poprzedniego modelu składniki rzeczywistości okazują się stosunkowo mało istotnymi elementami lokalnymi.

Błędem byłoby oczywiście przecenianie tej ewolucji i odmalowywanie jej jako nieprzerwanego marszu ku postępowi. Próby zrozumienia mechanizmu działania niebios w starożytności czy średniowieczu często kończyły się wprowadzaniem doraźnych poprawek do obowiązującego modelu. Skłonność do jaknajszybszego załatania wszelkich lukw teorii nigdy nas nie opuszcza. Nawet Einstein zdecydował się na taki krok, gdy wprowadził do swoich równań arbitralną stałą, by umożliwić istnienie statycznego wszechświata, zgodnego z jego ówczesnym wyobrażeniem. Obecnie jednak, w obliczu zalewu danych z coraz liczniejszych obserwatoriów – dzięki którym uczeni spoglądają w kosmos sponad przesłaniającej obraz ziemskiej atmosfery i widzą Wszechświat coraz dokładniej, w coraz szerszym zakresie długości fal – pozostało już niewiele miejsca na tego typu błędy. Dzisiejsi uczeni są przekonani, że podążając śladem odkrywanych faktów, uzyskali wiarygodny, uzgodniony obraz początków, historii i obecnego stanu Wszechświata oraz że współczesny model, potwierdzony tak wieloma różnorodnymi dowodami, faktycznie wydaje się solidny. Możemy jednak być pewni, że w przyszłości czekają nas jeszcze nowe odkrycia i niespodzianki. Plan naszej podróży W tej książce opowiemy o tym, jak ludzkość osiągnęła obecny poziom zrozumienia Wszechświata, który zamieszkuje. Choć postrzeganie rozwoju naszego rozumienia jako ciągu nieustających postępów przestało już być modne, to pozostaje faktem, że wcześniejsze obrazy świata nie były w większości wypadków całkowicie błędne. Były raczej, jak już powiedzieliśmy, niepełne i włączano je w coraz większy i dokładniejszy obraz świata. W prologu podsumujemy wiedzę, którą ludzkość zgromadziła od starożytności do renesansu, i omówimy pierwszy okres istnienia obserwacyjnej nauki operującej konkretnymi faktami. Przed dwoma tysiącami lat Grecy mieli już dość dokładny model geometryczny układu Ziemia-Księżyc-Słońce, odkryli zjawisko precesji punktów równonocy, a nawet sporządzili pierwsze katalogi gwiazd. Rewolucja kopernikańska, rozszerzona i wzbogacona za sprawą fizyki matematycznej Johannesa Keplera, teleskopów Galileusza i newtonowskiego prawa powszechnego ciążenia, umieściła ten obraz świata w dokładnym modelu Układu Słonecznego. W XVIII i XIX stuleciu uczeni przekonali się, że Układ Słoneczny jest częścią znacznie większego dysku gwiazd widocznego na nocnym niebie, który nazwali Drogą Mleczną. Wokół naszej Galaktyki dostrzegli także zagadkowe mgławice i zastanawiali się, czy są one jakimiś gazowymi obłokami w zewnętrznych jej rejonach, czy też może niezależnymi wszechświatami wyspowymi. Rozdział 1, „Narzędzia Einsteina i ich zastosowanie”, zaczyna się od omówienia dwóch rewolucji, które dokonały się w XX stuleciu: teorii względności i mechaniki kwantowej. Dzięki tym teoriom poznaliśmy prawa fizyczne pozwalające zrozumieć otaczający nas świat.

W rozdziale 2, „Królestwo mgławic”, rozpoczniemy badanie kosmosu i opowiemy o okresie, w którym teleskopy obserwujące ciemne niebo nad Nowym Światem stały się na tyle mocne, że Vesto Slipher, Edwin Hubble i inni mogli się przekonać, iż tajemnicze mgławice spiralne są częścią rozszerzającego się układu galaktyk, nierzadko podobnych do Drogi Mlecznej. Rozdział 3, „Zajmijmy się kosmologią!”, i związany z nim bardziej matematyczny dodatek (dodatek 1) pokażą, jak możemy zrozumieć niektóre podstawowe idee fizyczne kosmologii oraz tajemnice rozszerzającego się Wszechświata bez odwoływania się do matematyki i fizyki wykraczającej poza program szkoły średniej. W rozdziale 4, „Odkrycie Wielkiego Wybuchu”, umieścimy ten obraz świata w kontekście równań Einsteina i nakreślimy współczesny obraz rozszerzającego się, ewoluującego i bardzo gorącego na początku kosmosu, który nazywamy modelem Wielkiego Wybuchu. W drugiej połowie XX wieku odkryliśmy, że niebo skąpane jest w mikrofalowym (radiowym) promieniowaniu tła oraz że lżejsze pierwiastki chemiczne powstały w kosmologicznym piecu. Oba te odkrycia potwierdzają przyjęty model i obecnie wszyscy, którzy zajmują się tą tematyką, uznają prawdziwość teorii znanej jako standardowy model gorącego Wielkiego Wybuchu. Badania teoretyczne przeprowadzone do tego momentu skupiały się na ewolucji Wszechświata jako całości i były próbą rozstrzygnięcia, czy będzie się rozszerzał wiecznie, czy też w końcu się zatrzyma, a potem ponownie skurczy. Obiekty wypełniające Wszechświat, takie jak galaktyki oraz ich grupy i gromady, były w pewnym sensie traktowane jako dane. W kosmologii przyjmowano po prostu, że są, i nie zastanawiano się, skąd się wzięły. Nikt nie pytał, kiedy i jak powstały te obiekty będące obserwowalnymi składnikami Wszechświata. Później jednak, jak przekonamy się w rozdziale 5, „Pochodzenie struktury we Wszechświecie”, w ostatnim ćwierćwieczu XX stulecia opracowano w końcu współczesną teorię pochodzenia struktury kosmicznej i przedstawiono idee opisujące proces powstawania galaktyk i innych wielkoskalowych struktur kosmologicznych. Jednocześnie w tym samym okresie wzrosła wśród uczonych świadomość, że istnieją jeszcze dwa podstawowe, dodatkowe i dość dziwne składniki – ciemna materia i ciemna energia – których natura pozostaje nieznana, ale są one niezbędne, by cała ta maszyneria mogła poprawnie działać. Fascynujące odkrycia tych dwóch kluczowych składników naszego Wszechświata, dokonane w ostatnich dziesięcioleciach XX wieku, opisano szczegółowo w rozdziale 6, „Ciemna materia albo najlepszy pomysł Fritza Zwicky’ego”, oraz 7, „Ciemna energia albo największa pomyłka Alberta Einsteina”. Grawitacja ciemnej materii jest siłą napędową powodującą skupianie się zwyczajnej materii w galaktyki. Obecnie wiemy już, że zwyczajna materia znana nam z chemii, z której zbudowane są planety i gwiazdy – materia emitująca i pochłaniająca światło – stanowi zaledwie jakieś 4 procent zawartości Wszechświata. Jest więc jedynie niewielkim dodatkiem, niczym lukier na powierzchni ciasta. Samo ciasto składa się z ciemnej materii, ciemnej energii i promieniowania elektromagnetycznego, przy czym ciemna energia odgrywa tu rolę drożdży, które w przedziwny sposób rozpychają całą masę. Tak wygląda plan naszej kosmicznej podróży, którą odbędziemy w następnych rozdziałach. Podsumowanie całej wyprawy, płynące z niej wnioski i nierozstrzygnięte wciąż kwestie omówimy w rozdziałach 8, „Współczesny paradygmat i granice naszej wiedzy”, oraz 9, „Granica: najważniejsze niewyjaśnione zagadki”. Współczesny obraz świata jest fascynujący, nowy i – powiedzmy to śmiało – zapewne oparty na solidnych, prawdziwych fundamentach.

W żadnym jednakrazie nie jest to obraz pełny, ponieważ, jakjuż zauważyliśmy, wciąż nie mamy pojęcia, co tworzy ciemną materię i ciemną energię. Rozpoczynamy naszą podróż od okresu nazywanego w historii Zachodu klasyczną starożytnością, ale szybko dotrzemy do renesansu, epoki, w której mądrość starożytnych, przechowana, udoskonalona i przekazana dalej przez islamskich mędrców, zaczęła ponownie docierać do zacofanej intelektualnie, ale budzącej się Europy Zachodniej. Coraz silniejsze opieranie się na trzech aspektach racjonalnego myślenia ostatecznie przekształciło nie tylko astronomię, lecz także wszystkie inne obszary badań otaczającego nas świata. Owe trzy kluczowe pojęcia to: dokonywanie bezpośrednich pomiarów i obserwacji, wprowadzenie modelowania matematycznego i wymaganie, by hipotezy były weryfikowalne. W ten sposób, dzięki podważeniu przez ludzi renesansu modelu astronomicznego filozofii scholastycznej, narodziła się metoda naukowa w znanej nam postaci. Ta nowa metoda, której ostatecznym sprawdzianem było opisanie otaczającego nas astronomicznego świata, stała się później podstawą całego przyszłego rozwoju technicznego, od elektroniki po odkrycia w biologii. Doprowadziła nas do obecnego obrazu Wszechświata, opisanego w rozdziałach końcowych, i nie ma wątpliwości, że w przyszłości zaprowadzi nas jeszcze dalej.

JĄDRO CIEMNOŚCI

PROLOG OD MITU DO RZECZYWISTOŚCI Astronomia: bezkresna granica Gdy spoglądamy na bezchmurne nocne niebo, jego obraz nad naszymi głowami wzbudza w nas zachwyt i ciekawość. Takie same uczucia wzbudzał w naszych przodkach, z którymi łączy nas długa, wspaniała historia prób zrozumienia natury, pochodzenia i zachowania się tych migoczących punktów i plam światła nad nami i wokół nas. Z czego zbudowane jest niebo? Jakie miejsce zajmuje Ziemia w otaczającym nas kosmosie? Pytania te intrygowały starożytnych filozofów przez całe stulecia. Fascynowały takich wybitnych uczonych jak Mikołaj Kopernik, Galileusz i Isaac Newton, a obecnie wciąż przykuwają uwagę największych naukowców naszych czasów. Sporządziliśmy ambitne katalogi milionów odległych galaktyk, a dzięki misjom kosmicznym przygotowaliśmy niezwykle szczegółowe mapy energii uwolnionej na początku Wszechświata. Zdobyte w ten sposób informacje przybliżyły nas do zrozumienia natury, ewolucji i losu Wszechświata, a mimo to wciąż stawiamy sobie te same pytania, choć od starożytności dzieli nas już wiele stuleci. Pytania te, które w przeszłości dały początek wielu mitom, obecnie prowadzą do hipotez opartych na obserwacjach astronomicznych i znajomości praw fizyki odkrytych w laboratoriach. Rozumiemy teraz, że, jak ujął to Vannevar Bush w 1945 roku, nauka jest „bezkresną granicą”: nowe odkrycia zawsze będą prowadziły do poszerzenia naszej wiedzy i pojawienia się kolejnych pytań. W ciągu całej historii kosmologii filozofowie przyrody, a później uczeni, opierali swoje teorie na obserwacjach otaczającego ich świata. Wysuwali najlepsze hipotezy, jakie mogli,

wykorzystując do tego najpierw wyłącznie doskonały ludzki wzrok, a potem urządzenia pozwalające spoglądać coraz dalej: wielokrotnie ulepszane teleskopy, a ostatnio także kosmiczne przyrządy obserwacyjne. Zatem, jak powiedzieliśmy już wcześniej, historia kosmologii jest opowieścią o rozszerzaniu się – pola widzenia, sposobu myślenia i samego fizycznego Wszechświata. Gdy udało nam się wreszcie zobaczyć odległe krańce kosmosu, naszym oczom ukazał się rozszerzający się Wszechświat, a nasze rozumienie natury kosmosu stało się jednocześnie szersze i bardziej wyrafinowane, choć wciąż pozostaje niepełne. Im więcej dowiadywaliśmy się na temat Wszechświata, w którym żyjemy, tym wyraźniej dostrzegaliśmy ową ciemność, tajemnicę drzemiącą w jego jądrze. Choć mamy już obecnie nadzwyczaj dobry model roboczy kosmosu – tak dobry, że każde wynikające z niego przewidywanie zostaje od razu potwierdzone niezmiernie dokładnymi pomiarami – to jednak wciąż dwa najbardziej kluczowe jego składniki, ciemna materia i ciemna energia, opierają się wszelkim próbom ich zrozumienia. W prologu opowiemy o tym, jak ludzkość doszła do współczesnego rozumienia Wszechświata. Po krótkim przeglądzie odkryć świata antycznego historia ta poprowadzi nas przez renesans i narodziny współczesnej nauki oraz metody naukowej – rewolucję kopernikańską, przełomowe obserwacje Galileusza i fundamentalne badania grawitacji przeprowadzone przez Newtona – aż do XVIII i XIX stulecia, kiedy to dowiedzieliśmy się, że jesteśmy częścią skupiska gwiazd zwanego Drogą Mleczną oraz że nasza Galaktyka jest tylko jednym z wielu podobnych wszechświatów wyspowych rozsianych w bezkresnym kosmosie (choć ta ostatnia hipoteza została potwierdzona dopiero później). Po dotarciu w naszej opowieści do tego miejsca wkroczymy do rozdziału 1 i omówimy XX-wieczną rewolucję, która położyła podwaliny pod współczesny model kosmologiczny. Zanim jednak rzucimy się w wir teraźniejszości, powróćmy do początków i przyjrzyjmy się różnym obrazom świata stworzonym przez wnikliwych i dociekliwych myślicieli minionych epok. Najlepszym sposobem zrozumienia naszego obecnego obrazu świata jest przyjrzenie się jego historii – w ten sposób przekonamy się, że z prostych początków stopniowo rozwinął się w obecny, obszerny model dzięki stałemu łączeniu w coraz większą całość kolejnych obserwacji i obliczeń. Mapy i modele niebios Mniej więcej godzinę po zachodzie słońca w 134 roku p.n.e. astronom Hipparch (190‒120 p.n.e.) spojrzał na gwiazdy pojawiające się na ciemniejącym niebie nad swoim domem na wyspie Rodos i dokonał zadziwiającego odkrycia: zauważył w gwiazdozbiorze Skorpiona nową gwiazdę. Żaden starożytny obserwator nie wspominał o nagłym pojawieniu się jakiegoś nowego obiektu. Zaintrygowany tym niezwykłym wydarzeniem, postanowił sporządzić dokładny katalog gwiazd.

Być może doszedł do wniosku, że przy następnej okazji, gdy jakaś nowa gwiazda pojawi się zupełnie znikąd, dobrze będzie mieć pod ręką listę położeń znanych gwiazd. W niezwykle pracowitym okresie od 134 do około 127 roku p.n.e. Hipparch spędzał w swoim obserwatorium długie godziny na mierzeniu kątów. Zebrane w ten sposób dane wykorzystał do sporządzenia katalogu położeń 850 gwiazd. Przy okazji porównał położenie niektórych z nich z obserwacjami około dwudziestu gwiazd przeprowadzonymi przed mniej więcej 150 laty w Aleksandrii. Tym sposobem dokonał kolejnego zaskakującego odkrycia: w ciągu 150 lat gwiazdy przesunęły się na wschód o mniej więcej dwa stopnie. Wynikało z tego, że cała sfera niebieska (dla starożytnych Greków była ona zewnętrzną granicą kosmosu) powoli się porusza. Hipparch odkrył precesję punktów równonocy. Te stałe, jak sądzono, punkty odniesienia, stanowiące podstawę kosmicznego układu współrzędnych, w istocie powoli, ale nieustannie przesuwają się na wschód za sprawą powolnej precesji osi Ziemi, która wynika z działania sił grawitacyjnych. Przeprowadzając staranne obserwacje, Hipparch wprowadził znacznie dokładniejsze dane do modeli geometrycznych, które skonstruowano w celu wyjaśnienia ruchu ciał niebieskich, i zastosowane przez niego poprawki były używane przez kolejne trzy stulecia. Hipparch nie był pierwszym badaczem wpisującym się w taką tradycję uprawiania nauki. Greccy filozofowie wprowadzili do świata zachodniego przekonanie, że naturę da się zrozumieć dzięki pomiarom, matematyce i logicznym wywodom. W trzecim stuleciu przed naszą erą Arystarch z Samos zaproponował model Układu Słonecznego ze Słońcem w środku i planetami krążącymi wokół niego w prawidłowej kolejności. Wyznaczył także odległości Księżyca i Słońca od Ziemi, wykorzystując do tego poprawną argumentację geometryczną – ale oczywiście zmierzone przez niego wartości były bardzo przybliżone. Uświadomił sobie, że dowodem na to, iż Ziemia okrąża Słońce w ciągu jednego roku, powinno być nieznaczne, pozorne chybotanie się najbliższych gwiazd (paralaksa), ale efekt ten jest zbyt mały, by można go zauważyć gołym okiem. Po Arystarchu badaniami, które moglibyśmy określić jako astronomię opartą na faktach, zajął się kolejny młody matematyk, Eratostenes. W trzecim wieku przed naszą erą wykorzystał sprytną metodę geometryczną do wyznaczenia rozmiaru Ziemi. Wiedział, że w Asuanie w Górnym Egipcie w dniu letniego przesilenia słońce świeci w południe dokładnie pionowo. W położonej mniej więcej na północ od Asuanu Aleksandrii zmierzył długość cienia rzucanego w południe tego dnia przez pionowy patyk (nazywany gnomonem), wyznaczył iloraz zmierzonej długości cienia i patyka, a następnie wykorzystał tę proporcję do przeprowadzenia wywodu geometrycznego, który doprowadził go do wniosku, że odległość między Aleksandrią i Asuanem wynosi 2 procent obwodu Ziemi. Najważniejsza w tym wszystkim była nie dokładność pomiaru, ale śmiałość, z jaką postanowił pokazać, że łącząc pomiary z geometrią, można wyznaczyć jedną z właściwości rzeczywistego Wszechświata. Jednak spośród wszystkich greckich filozofów największy wpływ na późniejszą zachodnią szkołę myślenia, obowiązującą aż do epoki renesansu, wywarł Platon oraz jego uczeń Arystoteles, najbardziej znany z wkładu, jaki wniósł do rozważań na temat polityki, moralności i estetyki. W przeciwieństwie do omawianych przed chwilą astronomów i matematyków kierujących się w swoich badaniach obserwacjami, Platon i Arystoteles byli częścią formalistycznej, aksjomatycznej tradycji, która nie bazowała na doświadczeniu i pomiarze. Arystoteles twierdził na przykład, że ciała ciężkie spadają szybciej od lżejszych, nie zadawszy

sobie nawet trudu, by to sprawdzić. W ostatecznym rozrachunku okazało się, że jego olbrzymie umiejętności retoryczne miały największe znaczenie, a jego wkład do filozofii naturalnej uznano za szkodliwy z perspektywy czasu i przesłonił on wspaniałe dokonania metodologiczne i obserwacyjne bardziej pragmatycznych badaczy starożytnej Grecji, którzy pokazali, że wykorzystując jedynie własne oczy, intelekt i podstawową geometrię, można wyznaczyć rozmiar Ziemi i Księżyca, odległość dzielącą nas od naszego satelity i wiele więcej. Kosmiczny Teleskop Hubble’a i współczesne zdobycze techniki nie są potrzebne do odkrycia tego, co udało się stwierdzić już starożytnym astronomom. Każdy czytelnik tej książki jest zdolny do prawidłowego zrozumienia naszego astronomicznego otoczenia. Metody wykorzystywane przez starożytnych Greków, oparte głównie na geometrii, zostały wskrzeszone i udoskonalone przez uczonych epoki renesansu, którzy doprowadzili do prawdziwego odrodzenia filozofii przyrody. W najlepszym okresie epoki klasycznej powstawały coraz bardziej szczegółowe i dokładne katalogi obserwacyjne. Klaudiusz Ptolemeusz (90‒168 n.e.), obywatel rzymski mieszkający w Aleksandrii, był filozofem, geografem, astrologiem i astronomem działającym trzysta lat po Hipparchu. Jego największe dzieło astronomiczne ukazało się około roku 150. Znamy je pod łacińsko-arabskim tytułem: Almagest. Była to pierwsza próba przedstawienia syntezy i analizy całej użytecznej wiedzy astronomicznej, jaką znali starożytni. Dzieło to zyskało ogromne poważanie i było obowiązującym podręcznikiem astronomii przez niemal półtora tysiąclecia. (Wiadomo, że posługiwał się nim jeszcze Kopernik). Ptolemeusz wykazał się największą pomysłowością w częściach Almagestu poświęconych ruchowi planet. Wprowadził dwie ważne poprawki do modelu ruchu planet udoskonalonego przez Hipparcha. Po pierwsze, zezwolił na przesunięcie Ziemi nieco poza środek geometryczny orbit kołowych pozostałych planet. Po drugie, dzięki wprowadzeniu dość technicznej poprawki udało mu się lepiej oddać tor ruchu Marsa, który już od dawna zastanawiał matematyków (i jeszcze długo będzie stanowił dla nich zagadkę). W następnych stuleciach po Ptolemeuszu nauka klasyczna zaczęła się chylić ku upadkowi, potem całkowicie się załamała i przestała istnieć w chrześcijańskiej Europie Zachodniej. Na szczęście dzięki uczonym świata islamskiego greckie teksty nie zaginęły bez śladu w mrokach średniowiecza. O wkładzie kultury islamskiej w rozwój nauki w czasie, gdy Europa spała, przypominają nam dzisiaj rzeczowniki i przymiotniki, takie jak algebra, algorytm, alkaliczny, alkohol, zero, a także nazwy gwiazd: Aldebaran, Algol i tak dalej. Potem, osiem stuleci po Ptolemeuszu, w Europie Zachodniej zaczęły powstawać liczne klasztory, co zaowocowało założeniem pierwszych uniwersytetów (Bolonia 1088, Paryż około 1150, Oksford 1167, Cambridge 1209) i narodzinami nauki średniowiecznej, która pozwoliła mistrzom i ich uczniom odkryć na nowo starożytną filozofię. W arabskich i europejskich ośrodkach naukowych Almagest Ptolemeusza był standardowym podręcznikiem opisującym ruch planet przez około 1400 lat, aż do chwili, gdy rewolucja kopernikańska obaliła przedstawiony w nim model świata.

Ryc. P.1. Na fresku Szkoła ateńska widzimy grupę matematyków wpatrzonych w tabliczkę. Przypomina nam to o tym, że geometria odgrywała główną rolę w greckiej kosmologii. Klaudiusz Ptolemeusz stoi odwrócony tyłem do nas, z koroną na głowie (często bywa mylony z Ptolemeuszami, którzy rządzili Egiptem). Kopernik: „ostatni grecki kosmolog” Mikołaj Kopernik (1473‒1543) zerwał ze średniowieczną przeszłością, odgrzebując model Arystarcha z Samos i wysuwając postulat zupełnie niewiarygodny dla wszystkich uczonych

biegłych w scholastyce Arystotelesa i Tomasza z Akwinu – zaproponował mianowicie umieszczenie Słońca w środku naszego układu planetarnego. Do roku 1514 architekt nowego Układu Słonecznego dokonał na tyle znaczących postępów w rozwoju swojej teorii heliocentrycznej, że zdobył się na napisanie krótkiej pracy zatytułowanej Commentariolus1, którą rozesłał do niektórych astronomów. W swojej pracy Kopernik twierdził, że jego nowy model rozwiązuje szereg problemów starożytnej astronomii. Pozostawił Ziemi rolę środka grawitacji i środka orbity Księżyca, ale poza tym wszystkie planety, włącznie z Ziemią, krążą w jego modelu wokół Słońca. Ruch orbitalny i obrotowy Ziemi wywołuje pozorne wrażenie ruchu niebios. Praca ta była jednak zaledwie dłuższym listem i Kopernik wyjaśniał adresatom, że zabrał się już do pisania znacznie większego dzieła, w którym zamieści pełne wyprowadzenia matematyczne – dzieło to będzie nosiło tytuł De revolutionibus orbium coelestium (O obrotach sfer niebieskich). Kopernik pracował nad modelem ruchu planet przez kolejne dwa dziesięciolecia, powoli gromadząc coraz więcej obserwacji, by jaknajdokładniej opisać kształt orbit. W tym czasie jego teoria istniała jedynie na kartach jednego rękopisu, nie mogła więc wpłynąć na rozwój myślenia kosmologicznego. Niemniej wieści o jego śmiałym modelu docierały powoli na Zachód. W Norymberdze Jerzy Joachim Retykdowiedział się z kopii Commentariolusa, że Kopernikzmusił statyczną Ziemię do gwałtownego ruchu, i doszedł do wniosku, że radykalna kosmologia Kopernika wymaga bliższego zbadania. W 1539 roku wyruszył w podróż z południowych Niemiec w kierunku polskiego wybrzeża Bałtyku. Na szczęście dla Retyka starzejący się kanonik przywitał ciepło młodego entuzjastę nauki i gościł go u siebie przez długi okres. Niczym współczesny profesor i doktorant, obaj badacze pracowali wspólnie nad rękopisem przez wiele tygodni. Możemy sobie tylko wyobrażać, że podczas pierwszych spotkań Kopernik musiał wyjaśnić Retykowi, iż jego model opiera się na kilku hipotezach. Główna koncepcja polega na umieszczeniu Słońca w środku Układu Słonecznego, w którym wszystkie planety krążą po orbitach wokół naszej gwiazdy. W ciągu następnych dni Kopernikwyjaśniał kolejne szczegóły modelu, a Retyk nabierał coraz większego przekonania, że świat powinien usłyszeć o dokonaniach kanonika z Fromborka. W 1542 roku Kopernik zgodził się, by Retyk zabrał znaczną część rękopisu do Norymbergi i zajął się publikacją dzieła. Spędziwszy wiele miesięcy u boku Kopernika jako jego prawa ręka, Retykwyruszył do Saksonii z cennym odpisem. W końcu wiosną 1543 roku druk dzieła w drukarni Johannesa Petreiusa w Norymberdze dobiegł końca. Setki egzemplarzy były gotowe do rozesłania w różne zakątki Europy. Na stronie tytułowej wydawca chwalił dzieło, pisząc, że zawiera ono „cudownie nowe, godne podziwu hipotezy”, na podstawie których czytelnik może „obliczać trafnie ruchy planet dla dowolnej daty. Zatem: kupujcie, czytajcie i korzystajcie”.

Ryc. P.2. Model heliocentryczny Układu Słonecznego w kopii rękopisu należącego do Kopernika. Widoczne tu okręgi opisuje się często jako orbity planet. W istocie jednaksą to dwuwymiarowe rzuty współśrodkowych sfer z opisanymi na nich orbitami poszczególnych planet. Wydanie drukiem tej największej pracy naukowej XVI stulecia było wydarzeniem epokowym, oznaczającym narodzimy współczesnych badań naukowych natury Wszechświata – jego początków, historii, architektury i naszego miejsca w tym olbrzymim kosmosie. Można powiedzieć, że rewolucja naukowa, która odmieniła Europę, a potem i resztę świata, rozpoczęła się w 1543 roku, wraz z ukazaniem się dzieła Kopernika. Świat nauki zaczął przesiąkać duchem rewolucji. Dobrze uchwycił to angielski naukowiec William Gilbert, jeden z pierwszych zwolenników modelu kopernikańskiego, gdy pisał w 1600 roku: W odkrywaniu tego, co ukryte, i w badaniu niewidocznych przyczyn bardziej wiarygodne wyjaśnienia uzyskuje się z niepozostawiających wątpliwości doświadczeń i udowodnionych wywodów niż z prawdopodobnie wyglądających

hipotez i dywagacji pospolitych filozofów. Najbardziej przekonującym zwolennikiem nowego podejścia i niezwykłym orędownikiem tego, co później nazwano metodą naukową, był Galileusz. Galileusz: nowe podejście do mechaniki i kosmologii Relacjonując wydarzenia z okresu między narodzinami Kopernika (1473‒1543) a śmiercią Isaaca Newtona (1643‒1727), zajmiemy się najpierw wkładem Galileusza (1564‒1642) w rozwój mechaniki i kosmologii. Galileusz, kluczowa postać w rozwoju współczesnej fizyki, był zadziorny i zawsze skory do ciętych dowcipów, odnosił się z należytym szacunkiem do autorytetów w kwestiach kościelnych i państwowych, ale nie szczędził zgryźliwości swoim naukowym (lub literackim) przeciwnikom. Do dziś jego osoba wzbudza kontrowersje. W młodości i później, gdy był już dojrzałym mężczyzną, z niespożytą energią zajmował się każdym aspektem nauk fizycznych, jaki tylko wyniknął w toku prowadzonych przez niego badań. Twierdził, że nauka (to on wprowadził to słowo do współczesnego języka) musi być oparta na pomiarach i sprawdzalnych prawach formułowanych w języku matematyki. Jak dobrze wszystkim wiadomo, Galileusz stworzył podwaliny teorii poruszania się ciał na powierzchni Ziemi (mechaniki). To on jako pierwszy uświadomił sobie, że należy skupić uwagę na przyspieszeniu, a nie prędkości, że siły działające na ciała wymuszają ruch przyspieszony, a wzrost prędkości jest tu jedynie skutkiem ubocznym. W trakcie badań opracował wiele pomysłowych doświadczeń pozwalających poznać zachowanie ciał zsuwających się swobodnie po nachylonych powierzchniach. To dzięki Galileuszowi poznaliśmy prawa dynamiki i język potrzebny do opisu tych zjawisk. Swoje rozumienie ruchu sprawdzał w doświadczeniach z równią pochyłą. Dzięki tym badaniom wprowadził ilościowe pojęcie siły jako przyczyny ruchu przyspieszonego. Galileusz rozumiał, że ciała spadają, ponieważ pewna siła, grawitacja, przyciąga je na dół, i oczywiście jego najsłynniejszym dokonaniem jest ustalenie, że wszystkie spadające ciała, bez względu na swoją masę, przyspieszają pod wpływem grawitacji w takim samym tempie. Choć nie wiadomo taknaprawdę, czy faktycznie przeprowadzał doświadczenia, zrzucając różne obiekty z Krzywej Wieży w Pizie, nie ulega wątpliwości, że wniosek, do którego doszedł, zachęcił Newtona do zainteresowania się tym problemem i w ostatecznym rozrachunku wysunięcia koncepcji, że siła grawitacyjna działająca na wszystkie ciała jest proporcjonalna do ich masy. Galileusz stwierdził także, że naturalnym stanem ciała, na które nie działają żadne siły, jest stan

spoczynku lub ruch jednostajny. Sformułował też zasadę bezwładności, która zdaniem niektórych uczonych jest jego największym wkładem w rozwój fizyki: jeśli na poruszające się ciało nie działa żadna zewnętrzna siła, to pozostanie ono w ruchu. Nie wolno nam zapominać, że Galileusz skutecznie rozwinął także inne podstawowe narzędzie współczesnej nauki, a mianowicie: metodę matematyczną. Starożytni uważali prawa przyrody za coś danego, natomiast Galileusz pokazał, że prawa ruchu można opisać językiem matematyki. Wprowadził nową, niezwykle skuteczną metodę analizy, którą później posługiwał się Newton i wszyscy jego następcy na gruncie naukfizycznych. Galileusz był nie tylko nowatorskim matematykiem, ale także obserwatorem. Wielu z nas zna zapewne często powtarzaną historię o tym, jak wynalazł teleskop astronomiczny, i o odkryciach, jakich dzięki niemu dokonał w latach 1609‒1610. Choć w Niderlandach posługiwano się już wcześniej lunetami, potrzeba było geniuszu Galileusza, żeby poprawić ich parametry optyczne na tyle, by nadawały się do obserwacji astronomicznych. W sierpniu 1609 roku Galileusz miał już teleskop o ośmiokrotnym powiększeniu i zademonstrował go władzom Wenecji, wywołując „bezbrzeżne zdumienie wszystkich”. Na początku 1610 roku uzyskał powiększenie dwudziestokrotne, a potem trzydziestodwukrotne, i wtedy zaczął spoglądać przez swój przyrząd na nocne niebo. Co takiego ujrzał? Wiele mówi się – i słusznie – o przeprowadzonych przez niego obserwacjach Jowisza i jego czterech księżyców, które obecnie określa się imieniem wielkiego uczonego, a także o obserwacjach faz Wenus. Obserwacje te jednym ciosem rozbiły arystotelesowski kosmos w pył, ale doskonale się zgadzały z modelem kopernikańskim. Wprawne oko i bystry umysł Galileusza potwierdziły, że struktura Układu Słonecznego jest taka, jakopisał ją Kopernikw swojej hipotezie heliocentrycznej.

Ryc. P.3. Strona tytułowa książki Sidereus nuncius, w której Galileusz opisuje swoje wielkie odkrycia dokonane za pomocą teleskopu w latach 1609‒1610 Nas najbardziej interesuje jednak, co odkrył Galileusz, gdy skierował wzrok poza Układ Słoneczny, w stronę rozciągającego się dalej królestwa gwiazd. Gdziekolwiek skierował teleskop, dostrzegał więcej gwiazd, niż widać gołym okiem. W 1610 roku opublikował swoje odkrycia w przystępnie napisanej książce Sidereus nuncius (Gwiezdny posłaniec). Napisanie tego dzieła zajęło mu trzy miesiące i za jego sprawą zdobył popularność. W samym tylko gwiazdozbiorze Oriona odkrył w krótkim odstępie czasu pięćset nowych gwiazd. Pisał, że przez teleskop ujrzał „grupy małych gwiazd skupionych razem w cudowny sposób”. Najbardziej jednak spektakularnym odkryciem było dostrzeżenie niezliczonych gwiazd Drogi Mlecznej, dzięki czemu jako pierwszy uświadomił sobie, że składa się ona z oddzielnych populacji gwiazd:

Obserwowaliśmy […] esencję, a mianowicie materię, Drogi Mlecznej, którą można zobaczyć tak wyraźnie za pomocą teleskopu, że to, co przez stulecia było dla filozofów nierozwiązywalnym problemem, można rozstrzygnąć jednym pewnym spojrzeniem, uwalniając się tym samym od czczych dysput. Bowiem Galaktyka jest niczym więcej, jak tylko zbiorowiskiem niezliczonych gwiazd skupionych razem. Ryc. P.4. Strona tytułowa popularnej książki Galileusza o dwóch modelach Układu Słonecznego: heliocentrycznym i geocentrycznym. Na rycinie pokazano Arystotelesa, Ptolemeusza i Kopernika na tle morskiego pejzażu. To dzieło wpędziło Galileusza w poważne tarapaty. W 1611 roku Galileusz złożył triumfalną wizytę w Rzymie, gdzie kardynał Robert Bellarmin,

stojący na czele Kolegium Rzymskiego, poprosił swoich matematyków o opinię na temat odkryć badacza. Matematycy wszystko potwierdzili. Wydarzenie to jest początkiem osławionego procesu, tak zwanej sprawy Galileusza, który toczył się w Rzymie aż do 1633 roku i zakończył oskarżeniem o herezję i wyrokiem skazującym. Mimo że teolodzy katoliccy odnosili się do dzieła Galileusza z nieugiętą wrogością, w połowie stulecia model heliocentryczny w zasadzie niepodzielnie już królował w nauce, co w dużej mierze było zasługą kolejnej książki popularnonaukowej Galileusza, Dialogu o dwu najważniejszych układach świata. Uczony zyskał taką sławę międzynarodową, że w 1638 roku, w okresie, gdy przebywał w areszcie domowym, odwiedził go nawet młody angielski poeta John Milton. Wpływ Kopernika: prawa Keplera Johannes Kepler, niemiecki matematyki astronom, zapożyczył od Galileusza ideę, że jedno ciało materialne może w niewidoczny sposób działać pewną siłą na inne. Koncepcja istnienia w środku Układu Słonecznego niewidzialnego pola sił miała później wywrzeć ogromny wpływ na innych – jak się przekonamy, stanowiła ona podstawę odkryć Newtona. Kepler wyobraził sobie, że Słońce obraca się wokół swej osi i wywiera niewidzialny wpływ, który maleje z odległością. Bazując na takim intuicyjnym modelu, sformułował wniosek, który doprowadził do przełomu: Słońce działa na planety zgodnie z trzema prawami. W swojej współczesnej postaci pierwsze prawo stwierdza, że orbity wszystkich planet są elipsami, a nie okręgami, ze Słońcem w jednym z ognisk. Za jednym zamachem, wprowadzając jedno proste rozwiązanie – elipsę – Kepler pozbył się wszystkich doskonałych okręgów starożytności i średniowiecza. Ponieważ rzeczywiste orbity planet nie są okręgami, w dawnym opisie musiano stosować dodatkowe, coraz mniejsze epicykle – teraz można je było odrzucić. Drugie prawo Keplera głosi, że odcinek łączący planetę ze Słońcem zakreśla w takich samych odstępach czasu jednakowe pole. Gdy planeta jest bliżej Słońca, porusza się szybciej, niż gdy jest daleko. To prawo uwolniło uczonych od klasycznej obsesji ruchu jednostajnego (we współczesnym ujęciu mówi ono o stałej wartości momentu pędu ciała krążącego po orbicie). W końcu trzecie prawo, z którego Kepler był najbardziej dumny, mówi o niebiańskiej harmonii: kwadraty okresów obiegu planet (okres obiegu planety jest czasem potrzebnym do wykonania jednego pełnego okrążenia wokół Słońca – dla Ziemi jest to rok) są proporcjonalne do sześcianów ich odległości od Słońca. Dzięki tym prawom Kepler stworzył mechanikę nieba i ostatecznie zerwał z koncepcjami Arystotelesa. Po raz pierwszy w historii udało się pokazać, że orbity ciał Układu Słonecznego mają wspólną, matematyczną strukturę. Jeszcze raz się okazało, że matematyka, a mówiąc konkretnie: geometria, odniosła zwycięstwo na niebie. W tym samym czasie gdy Galileusz prowadził swoje badania na Półwyspie Apenińskim,