Nie mamy pojęciaTekst

0
Recenzje
Przeczytaj fragment
Oznacz jako przeczytane
Jak czytać książkę po zakupie
Czcionka:Mniejsze АаWiększe Aa


Tytuł oryginału

We Have No Idea. A Guide to the Unknown Universe

Copyright © 2017 by Jorge Cham and Daniel Whiteson

First published 2017 by Riverhead Books

An imprint of Penguin Random House LLC,

375 Hudson Street, New York, New York 10014

All rights reserved.

Przekład z języka angielskiego © Michał Romanek

Adaptacja językowa rysunków na stronach 122, 180, 181 i 164 (dół)

Tomasz Brzozowski

Redakcja

Tomasz Brzozowski, Maria Brzozowska

Korekta

Julia Diduch, Marcin Piątek

Skład, polska wersja okładki i opracowanie ilustracji

Tomasz Brzozowski

Projekt oryginalnego wydania książki

Gretchen Achilles

Projekt oryginalnej okładki

Jorge Cham

Copyright © for this edition

Insignis Media, Kraków 2017. Wszelkie prawa zastrzeżone.

ISBN 978-83-65743-67-1


Insignis Media

ul. Lubicz17D/21–22, 31-503 Kraków

tel. +48 (12) 636 01 90

biuro@insignis.pl, www.insignis.pl

facebook.com/Wydawnictwo.Insignis

twitter.com/insignis_media (@insignis_media)

instagram.com/insignis_media (@insignis_media)

Snapchat: insignis_media

Mojej córce Elinor.

J.C.

Mojej rodzinie, która mnie wspiera w każdym rozdziale mojego życia, nawet kiedy zdarza mi się sadzić same suchary.

D.W.

Wprowadzenie


Chciałbyś wiedzieć, jak powstał wszechświat, z czego się składa i jak się skończy? Zrozumieć, skąd się wzięły czas i przestrzeń? Dowiedzieć się, czy jesteśmy sami we wszechświecie?

To fatalnie! Bo w tej książce nie odpowiadamy na żadne z tych pytań.

Przeczytasz w niej za to o wszystkim, czego o wszechświecie nie wiemy: dowiesz się o istnieniu zasadniczych pytań, na które – jak mogłoby ci się wydawać – ludzkość znalazła już odpowiedź, choć wcale tak nie jest.

Często słyszymy w wiadomościach, że dokonano jakiegoś doniosłego odkrycia, które wyjaśnia taką czy inną zawiłą zagadkę naszego wszechświata. Ale ilu ludzi słyszało o niej wcześniej, zanim dowiedzieli się, jakie jest jej rozwiązanie? I ile takich fundamentalnych pytań ciągle pozostaje bez odpowiedzi? Właśnie po to napisaliśmy tę książkę: żeby zapoznać cię z tymi otwartymi zagadnieniami.

Na kolejnych stronach będziemy przestawiać najważniejsze pytania o wszechświat, na które brakuje nam odpowiedzi, i objaśniać, dlaczego wciąż pozostają zagadką. Po skończonej lekturze będziesz lepiej rozumieć, dlaczego pogląd, że mamy jakiekolwiek pojęcie, o co w tym wszystkim chodzi albo w jaki sposób tak naprawdę funkcjonuje wszechświat, jest po prostu absurdalny. Z pozytywów: będziesz mieć przynajmniej jakieś pojęcie, dlaczego nie mamy pojęcia.

Napisaliśmy tę książkę nie po to, żeby zasmucać cię tym, czego nie wiemy, ale po to, byś mógł poczuć to radosne podniecenie na myśl, jak niewiarygodnie wiele jest jeszcze nieznanych terytoriów do zbadania. Przy omawianiu każdej nierozwikłanej tajemnicy kosmosu będziemy też pokazywać, co jej rozwiązanie może oznaczać dla ludzkości oraz jakie fantastyczne niespodzianki mogą się skrywać w każdej niewiadomej. Nauczymy cię patrzeć na świat w inny sposób: dzięki świadomości braków w naszej wiedzy możemy dostrzec, że przyszłość wciąż pełna jest niesamowitych możliwości.

Dlatego zapnij pasy, usiądź wygodnie i przygotuj się na penetrowanie głębin naszej ignorancji, bo pierwszym krokiem do każdego odkrycia jest wiedzieć, czego się nie wie. Za chwilę ruszamy w podróż przez największe tajemnice wszechświata.


Dokument chroniony elektronicznym znakiem wodnym

20% rabatu na kolejne zakupy na litres.pl z kodem RABAT20

1

Z czego składa się wszechświat?

Wiedz, że jesteś dziwny i wyjątkowy


Jeśli jesteś człowiekiem (póki co będziemy tak zakładać), to pewnie trochę cię ciekawi, jak to jest z tym wszystkim, co nas otacza. Bez tej ciekawości świata nie byłbyś człowiekiem, bez tej ciekawości nie sięgnąłbyś po tę książkę.

To nic nowego. Od zarania dziejów ludzie szukali odpowiedzi na fundamentalne i ważkie pytania dotyczące świata wokół nich:

Z czego składa się wszechświat?

Czy duże kamienie składają się z mniejszych?

Dlaczego nie możemy jeść kamieni?

Jak to jest być nietoperzem?[1]

Pierwsze z tych pytań to naprawdę szerokie zagadnienie. Szerokie nie tylko ze względu na temat, z którym się wiąże (trudno o coś szerszego niż wszechświat), ale też dlatego, że dotyczy każdego. Jest trochę podobne do pytania, z czego składa się twój dom i wszystko, co się w nim znajduje (w tym również ty sam). Nie trzeba dogłębnej wiedzy z matematyki czy fizyki, by zrozumieć, że pytanie to dotyczy każdego z nas bez wyjątku.

Załóżmy, że jesteś pierwszym człowiekiem w dziejach, który próbuje odpowiedzieć na pytanie: „Z czego składa się wszechświat?”. Dobrym pomysłem byłoby zacząć na próbę od najprostszego, najbardziej naiwnego wytłumaczenia. Mógłbyś na przykład stwierdzić, że wszechświat składa się z tego, co w nim widzimy, odpowiedziałbyś więc na to pytanie, robiąc spis tych rzeczy. Taka lista mogłaby się zaczynać jakoś tak:


Ale z takim pomysłem wiążą się spore problemy. Przede wszystkim twoja lista będzie bardzo, bardzo długa. Musi się na niej znaleźć każdy kamień na każdej planecie we wszechświecie, a także sama ta lista (ona też jest częścią wszechświata). Jeśli zechcesz, żeby twój spis obejmował zarówno przedmioty, jak i to, co się na nie składa, to może się okazać, że będzie on nieskończenie długi. Jeśli nie upierasz się, by na liście wymieniać składniki przedmiotów, to możesz na niej zamieścić tylko jedną pozycję: „wszechświat”. Widać wyraźnie, że bez względu na to, jak do tego podejść, pomysł z listą jest mocno problematyczny.

Ale co ważniejsze, spisanie listy tak naprawdę wcale nie jest odpowiedzią na nasze pytanie. Odpowiedź, która by nas zadowalała, nie może być po prostu spisem tego, co składa się na otaczającą nas złożoność – niemal nieskończoną różnorodność rzeczy. Dobra odpowiedź powinna nam jeszcze tę złożoność jakoś upraszczać. Na tym właśnie polega sukces układu okresowego pierwiastków (tej tabelki z tlenem, żelazem, węglem itd.). Pozwala on opisać każdy przedmiot, jaki ludzie kiedykolwiek widzieli, próbowali ugryźć[2], jakiego dotykali czy jakim w siebie rzucali – a wszystko to przy wykorzystaniu mniej więcej stu podstawowych klocków. Układ okresowy pierwiastków pokazuje, że wszechświat ma strukturę podobną do klocków Lego. Z jednego zestawu maleńkich plastikowych klocków możesz zbudować zabawkowe dinozaury, samoloty albo piratów – albo stworzyć hybrydę: latającego dinopirata.


Z pierwiastkami jest podobnie jak z Lego: kilka podstawowych klocków (czyli właśnie pierwiastków) pozwala w naszym wszechświecie zbudować wiele rzeczy – gwiazdy, kamienie, kurz, lody, lamy. Ta porządkująca zasada, zgodnie z którą obiekty złożone tak naprawdę składają się z obiektów prostych, pozwala nam dojść do głębszego rozumienia świata właśnie przez odkrywanie tych prostych składników.

Ale dlaczego wszechświat stosuje się do filozofii Lego? O ile wiemy, nie ma żadnego powodu, dla którego takie uproszczenie miałoby w ogóle być możliwe. Zdaniem prehistorycznych naukowców świat mógł funkcjonować na mnóstwo innych sposobów. Jaskiniowi uczeni, profesor Uk i profesor Grug, bazowali wyłącznie na własnym doświadczeniu, które dawało się pogodzić z całym mnóstwem różnych pomysłów na to, z czego składa się wszechświat.


Mogłoby być tak, że liczba różnych rodzajów materii jest prawie nieskończona. W takim wszechświecie kamienie mogłyby składać się z cząsteczek należących do pierwiastka o nazwie kamień. Powietrze składałoby się z cząsteczek pierwiastka powietrze. Słonie mogłyby się składać z cząsteczek pierwiastka słoń (nazwijmy je dumbotronami). W takim hipotetycznym wszechświecie układ pierwiastków zawierałby prawie nieskończoną liczbę pozycji.

 

Albo też, co byłoby jeszcze dziwniejsze, moglibyśmy żyć we wszechświecie, w którym rzeczy w ogóle nie składają się z małych cząsteczek. W takim wszechświecie kamienie zbudowane by były z rozciągłej kamiennej masy, którą można by w nieskończoność rozcinać na coraz mniejsze kawałki, tyle że trzeba by do tego mieć nieskończenie ostry nóż.

Oba te wyobrażenia odpowiadały danym, które zebrali profesorowie Uk i Grug w ramach swoich słynnych eksperymentów ze zderzaniem kamieni. Wspominamy o tych możliwościach nie dlatego, że naszym zdaniem tak właśnie funkcjonuje wszechświat, tylko po to, by ci przypomnieć, że nasza część wszechświata w zasadzie mogłaby tak funkcjonować i że to nadal może być prawdą w odniesieniu do innego rodzaju materii we wszechświecie, której jeszcze nie zbadaliśmy.

Dlatego właśnie opisane w tej książce tajemnice wszechświata, których nie udało się jeszcze wyjaśnić, powinny cię raczej natchnąć i pobudzić do poszukiwania niż sfrustrować czy zniechęcić. Pokazują one, ile jeszcze mamy do zbadania i odkrycia.

Wydaje się, że we wszechświecie, który znamy i kochamy, otaczające nas rzeczy składają się z maleńkich cząstek. Po tysiącach lat badań i refleksji mamy naprawdę świetną teorię materii[3]. Od czasów pierwszych eksperymentów, które przeprowadzali profesorowie Uk i Grug, aż do dziś przebyliśmy długą drogę, na której przekroczyliśmy etap układu okresowego i zajrzeliśmy do środka atomu.

Materia, jaką znamy, składa się z atomów pierwiastków ujętych w układzie okresowym. Każdy atom to jądro otoczone chmurą elektronów. Jądro zawiera protony i neutrony, a każdy z nich zbudowany jest z kwarków górnych i kwarków dolnych. Mając więc kwarki górne, kwarki dolne i elektrony, możemy zbudować każdy pierwiastek z układu okresowego. Cóż za osiągnięcie! Skróciliśmy listę składników wszechświata najpierw z nieskończenie długiej do mniej więcej setki pierwiastków układu okresowego, a następnie do zaledwie trzech cząstek. Wszystko, co kiedykolwiek widzieliśmy, czego dotykaliśmy, co wąchaliśmy albo o co boleśnie uderzyliśmy palcami stopy, można zbudować z trzech podstawowych klocków. Pogratulujmy sobie zbiorowego wysiłku milionów ludzkich mózgów!


Wprawdzie jako gatunek mamy powody do dumy, jednak cały ten opis jest niepełny z dwóch bardzo ważnych powodów.

Po pierwsze są jeszcze inne cząstki, a nie tylko elektron i dwa kwarki. Te trzy cząstki wystarczą do budowy normalnej materii, ale w ubiegłym wieku fizycy cząstek elementarnych odkryli jeszcze dziewięć kolejnych cząstek materii i pięć innych cząstek, które przenoszą oddziaływania. Niektóre z tych cząstek są bardzo dziwne, na przykład te zwane neutrinami – potrafią przebyć w ołowiu całe biliony kilometrów niczym widmo, nie zderzając się z jakąkolwiek inną cząstką[4]. Dla neutrin ołów jest przezroczysty. Inne cząstki są bardzo podobne do tych trzech, z których składa się materia, ale są dużo, dużo cięższe.


Dlaczego mamy te dodatkowe cząstki? Po co nam one? Kto je do nas zaprosił? Ile jeszcze innych cząstek istnieje? Nie wiemy. Więcej: nie mamy pojęcia! Niektóre z tych dziwnych cząstek i ich intrygujące wzorce zachowań omówimy szczegółowo w rozdziale 4.

Ale nasz opis jest niepełny z jeszcze innego bardzo ważnego powodu. Wprawdzie do zbudowania gwiazd, planet, komet i korniszonów wystarczą nam zaledwie trzy cząstki, okazuje się jednak, że te rzeczy stanowią zaledwie drobną część wszechświata. Ten typ materii, który uważamy za normalny – bo to jej jedyny rodzaj, jaki znamy – jest tak naprawdę całkiem niezwykły. Stanowi on raptem 5 procent wszystkiego (materii i energii) we wszechświecie.

Z czego się składa pozostałe 95 procent wszechświata? Nie wiemy!

Gdybyśmy narysowali diagram kołowy wszechświata, wyglądałby mniej więcej tak:


Ten diagram wygląda dość zagadkowo. Zaledwie 5 procent koła to rzeczy, które znamy, w tym gwiazdy, planety i wszystko, co się na nich mieści. Całe 27 procent stanowi coś, co nazywamy „ciemną materią”. Pozostałe 68 procent wszechświata to coś, z czego ledwie cokolwiek pojmujemy. Fizycy nazywają to „ciemną energią”. Sądzimy, że powoduje ona rozszerzanie się wszechświata, ale to w zasadzie wszystko, co o niej wiemy. Oba te pojęcia oraz to, jak doszliśmy do tych właśnie liczb, wyjaśnimy w dalszych rozdziałach.

A to jeszcze nie koniec złych wiadomości. Nawet w ramach tych 5 procent, które znamy, nadal jest mnóstwo rzeczy, których nie wiemy (pamiętacie o tych „dodatkowych” cząstkach?). W niektórych wypadkach nie wiemy nawet, jak zadawać właściwe pytania, które mogłyby naprowadzić nas na metodę rozwikłania tych tajemnic.

W takim oto miejscu znajdujemy się jako gatunek. Zaledwie kilka akapitów wcześniej gratulowaliśmy sobie z powodu niewiarygodnych osiągnięć w zakresie intelektualnego zgłębiania świata, czyli opisania całej znanej nam materii za pomocą prostych kategorii. Teraz wiwaty te wydają się nieco przedwczesne, ponieważ większość wszechświata składa się z czego innego! To trochę tak, jakbyśmy od tysięcy lat badali słonia i nagle odkryli, że patrzymy tylko na jego ogon!


Taką wiadomość możesz odebrać jako pewne rozczarowanie. Być może myślałeś, że osiągnęliśmy szczyty rozumienia wszechświata i panowania nad nim (mamy przecież roboty, które odkurzają nam domy!). Warto jednak spróbować spojrzeć na to nie jak na rozczarowanie, ale jak na niesamowitą szansę: okazję do badania, uczenia się i zgłębiania rzeczywistości. Co byś poczuł, gdybyś na przykład dowiedział się, że zbadaliśmy dopiero 5 procent powierzchni Ziemi? Albo że próbowałeś dotychczas zaledwie 5 procent smaków lodów, jakie są produkowane na świecie? Twoja dusza naukowca domagałaby się gruntownego wyjaśnienia (a twoje ciało – dodatkowych łyżeczek) i nie mogłaby się doczekać, jakich nowych odkryć będzie mogła dokonać.

Przypomnij sobie, jak w szkole podstawowej uczyłeś się o wspaniałych dokonaniach największych odkrywców w dziejach. Żeglowali w nieznane, odkrywali nowe lądy i rysowali mapę świata. Pewnie wydawało ci się to ekscytujące, ale być może czułeś też ukłucie smutku i żalu, że obecnie wszystkie kontynenty są już odkryte, najmniejsze nawet wyspy – ponazywane i że wraz z nadejściem epoki satelitów oraz GPS-u era badań i odkryć odeszła w przeszłość. Dobra wiadomość jest taka, że wcale tak nie jest.

Zostało jeszcze ogromnie wiele do zbadania! Tak naprawdę znajdujemy się w początkowym okresie całkiem nowej epoki badań. Wkraczamy w etap, w którym przypuszczalnie dojdzie do przedefiniowania naszego rozumienia wszechświata. Z jednej strony wiemy, jak bardzo mało wiemy (5 procent, pamiętasz?), mamy więc pewne pomysły, o co pytać. A z drugiej – budujemy fantastyczne nowe narzędzia, takie jak potężne zderzacze cząstek, detektory fal grawitacyjnych i teleskopy, które pomogą nam znaleźć odpowiedzi. To wszystko dzieje się właśnie teraz!


Ekscytujące jest to, że wielkie naukowe tajemnice faktycznie mają prawdziwe, niezbite wyjaśnienia. Tylko my jeszcze ich nie znamy. Jest szansa, że uda się je znaleźć jeszcze za naszego życia. Na przykład gdzieś we wszechświecie właśnie teraz żyją, albo i nie, istoty rozumne. Odpowiedź na to pytanie z pewnością istnieje (agent Mulder miał rację: prawda istnieje!). Poznanie takich odpowiedzi zmieniłoby w fundamentalny sposób nasze rozumienie świata.

Historia nauki to dzieje rewolucji, w wyniku których za każdym razem odkrywamy, że naszą wizję świata zniekształca szczególna perspektywa, z jakiej dotychczas na niego patrzyliśmy. Płaska Ziemia, Ziemia w centrum Układu Słonecznego, wszechświat zdominowany przez gwiazdy i planety – wszystko to były rozsądne wyobrażenia, biorąc pod uwagę dane, którymi dysponowaliśmy, i czas, kiedy powstawały, choć teraz uważamy je za żenująco naiwne. Niemal na pewno czeka nas więcej tego rodzaju rewolucji, w ramach których mogą się zachwiać różne akceptowane przez nas ważne koncepcje, takie jak teoria względności i fizyka kwantowa, a ich miejsce mogą zająć nowe, fantastyczne idee. Za dwieście lat ludzie pewnie będą spoglądać na nasze pojmowanie wszechświata tak samo, jak my dziś patrzymy na jaskiniowców próbujących zrozumieć swój świat.

Podróż ludzkości ku zrozumieniu wszechświata jeszcze długo się nie skończy, a ty właśnie zaczynasz w niej uczestniczyć! Będzie smakowicie!


[1] Ostatnie pytanie stanowi tytuł jednego z najczęściej cytowanych tekstów filozoficznych, napisanego przez amerykańskiego filozofa Thomasa Nagela. (Uwaga, spoiler! Odpowiedź brzmi: „Tego nigdy się nie dowiemy”).

[2] Tak, zgadza się: nawet jaszczurkę, której smak próbował poznać twój kolega w trzeciej klasie.

[3] Nauka w swojej nowożytnej postaci, z doświadczeniami, danymi i białymi fartuchami, ma zaledwie kilka stuleci, ale historia refleksji nad tymi zagadnieniami obejmuje już tysiące lat.

[4] Tak sądzimy. Nikt nie próbował przeprowadzić dokładnie takiego doświadczenia.

2

Co to jest ciemna materia?

Właśnie w niej pływasz!

Oto wykres kolumnowy masy i energii w znanym nam wszechświecie:


Fizycy uważają, że aż 27 procent materii i energii w znanym wszechświecie składa się z czegoś, co nazywają „ciemną materią”. Znaczy to, że większość materii we wszechświecie to inna materia niż ta, którą od wieków badamy. Tej tajemniczej materii jest aż pięć razy więcej niż materii „normalnej” – tej, którą znamy. Tak naprawdę to właściwie niezbyt słusznie nazywamy tę naszą materię „normalną”, skoro w rzeczywistości jest ona dość rzadko spotykana we wszechświecie.

Czym zatem jest ta ciemna materia? Czy jest niebezpieczna? Czy może ci pobrudzić ubranie? Skąd wiemy, że istnieje?

Ciemna materia jest wszędzie. Właśnie teraz w niej pływasz. Hipotezę, że istnieje, po raz pierwszy zaproponowano w latach dwudziestych XX wieku, a potraktowano poważnie w latach sześćdziesiątych, kiedy to astronomowie zauważyli coś dziwnego w ruchu obrotowym galaktyk i powiązali to z wielkością ich masy.

Skąd wiemy, że ciemna materia istnieje?

1. Wirujące galaktyki

By zrozumieć związek ciemnej materii z wirującymi galaktykami, wyobraź sobie, że rozsypujesz mnóstwo piłeczek pingpongowych na podłodze dużej karuzeli w wesołym miasteczku. A teraz wyobraź sobie, że karuzela zaczyna się kręcić. Domyślasz się pewnie, że piłeczki potoczą się w kierunku od środka i pospadają z karuzeli. Wirująca galaktyka działa prawie tak samo[1]. Ponieważ galaktyka się obraca, należące do niej gwiazdy powinny chcieć z niej wylecieć. Jedyne, co je w niej trzyma, to siła grawitacji, która pochodzi z całej masy obecnej w galaktyce (grawitacja ściąga do siebie rzeczy obdarzone masą). Im szybciej wiruje galaktyka, tym więcej masy potrzeba, by utrzymać w niej składające się na nią gwiazdy. I odwrotnie: jeśli zna się masę galaktyki, to można przewidzieć, jak szybko galaktyka potrafi wirować.

Astronomowie najpierw próbowali odgadnąć masę galaktyk, licząc, z ilu gwiazd się składają. Kiedy jednak użyli tak oszacowanej masy do wyliczenia, jak szybko galaktyki te powinny wirować, wyszło na jaw, że coś się nie zgadza. Pomiary wykazały, że galaktyki wirują szybciej, niż przewidywano na podstawie liczby zawartych w nich gwiazd. Innymi słowy, przy prędkości takiej jak ta zmierzona, gwiazdy powinny wylatywać poza granice swoich galaktyk, dokładnie tak jak piłeczki pingpongowe na karuzeli. Aby wyjaśnić tę wysoką prędkość obrotową, astronomowie musieli w swoich obliczeniach do mas galaktyk dodać duże liczby – dopiero wówczas wszystkie gwiazdy trzymały się razem. Naukowcy nie widzieli jednak nigdzie tej dodatkowej wprowadzonej do obliczeń masy. Tę sprzeczność można było rozwiązać, zakładając, że w każdej galaktyce jest bardzo dużo jakiejś ciężkiej materii, która jest niewidoczna, to znaczy „ciemna”.

 

Takie twierdzenie było zupełnie nadzwyczajne. A jak powiedział kiedyś słynny astronom Carl Sagan: „Nadzwyczajne twierdzenia wymagają nadzwyczajnych dowodów”. Dlatego ta dziwna zagadka w środowisku astronomów przez całe dziesięciolecia pozostawała niezrozumiała. Z upływem lat zaczęto coraz powszechniej uznawać istnienie tego tajemniczego, niewidzialnego, ciężkiego czegoś (albo ciemnej materii, jak przyjęło się ją nazywać).


2. Soczewkowanie grawitacyjne

Inną ważną wskazówką, która przekonała naukowców, że ciemna materia istnieje naprawdę, było dostrzeżenie, że może ona zakrzywiać światło. Nazywa się to soczewkowaniem grawitacyjnym.

Astronomom zdarza się czasem spojrzeć w niebo i wypatrzyć coś dziwnego. Bywa, że zobaczą w jakimś miejscu na niebie obraz galaktyki. Nie ma w tym nic niezwykłego, ale zdarza się, że jeśli odrobinę przesuną teleskop, zobaczą obraz innej galaktyki, która wygląda bardzo podobnie do tej poprzedniej. Kształt, kolor i światło dochodzące z tych galaktyk są tak podobne, że astronomowie nie mają wątpliwości: to ta sama galaktyka. Ale jak to możliwe? W jaki sposób ta sama galaktyka może pojawiać się na niebie w dwóch miejscach?


Występowanie dwóch obrazów tej samej galaktyki można wyjaśnić, jeśli pomiędzy obserwatorem a tą galaktyką znajduje się coś ciężkiego (i niewidzialnego); ta niewidzialna ciężka masa może działać jak gigantyczna soczewka, zakrzywiając światło biegnące z galaktyki tak, że wydaje się, jakby docierało do obserwatora z dwóch kierunków.

Wyobraź sobie światło rozchodzące się z tej galaktyki na wszystkie strony. Teraz przyjrzyj się dwóm cząstkom światła, znanym jako fotony, które opuszczają obserwowaną galaktykę i zmierzają w twoją stronę, mijając cię odrobinę z obu stron. Jeśli między tobą a tą galaktyką znajduje się coś ciężkiego, to grawitacja tego czegoś zniekształci przestrzeń i sprawi, że cząstki światła zakrzywią swój tor w twoim kierunku[2].


Na Ziemi zobaczysz to w swoim teleskopie jako dwa obrazy tej samej galaktyki docierające z różnych kierunków – z różnych miejsc na niebie. Efekt ten zaobserwowano na całym nocnym niebie; to ciężkie i niewidzialne coś wydawało się występować wszędzie. Wkrótce ciemna materia przestała być szalonym pomysłem. Gdzie okiem sięgnąć, widać było dowody na jej istnienie.

3. Zderzenie galaktyk

Najbardziej przekonujący dowód na istnienie ciemnej materii pojawił się podczas obserwacji gigantycznego zderzenia galaktyk. Przed milionami lat miało miejsce niezwykłe wydarzenie: wpadły na siebie dwie gromady galaktyk; spóźniliśmy się na sam moment zderzenia, ale ponieważ biegnące stamtąd światło potrzebuje milionów lat, by do nas dotrzeć, możemy rozsiąść się wygodnie w fotelu i oglądać eksplozje, które to zderzenie spowodowało.


Kiedy dwie gromady galaktyk wpadły na siebie, gaz i pył w każdej z nich zderzyły się ze sobą, dając w rezultacie wspaniałe widowisko: wielkie eksplozje, rozrywające się gigantyczne chmury materii – spektakularny pokaz efektów specjalnych. Być może łatwiej będzie to sobie wyobrazić jako zderzenie dwóch olbrzymich grup balonów z wodą, które ciśnięto na siebie z potworną prędkością.

Astronomowie zauważyli jednak coś jeszcze. W pobliżu miejsca zderzenia dostrzegli dwa gigantyczne skupiska ciemnej materii; oczywiście ta ciemna materia była niewidzialna, ale naukowcom udało się wykryć ją pośrednio, dokonując pomiarów wywołanego przez te skupiska zniekształcenia światła, które pochodziło od znajdujących się za nimi galaktyk. Te dwa skupiska ciemnej materii wydawały się poruszać wzdłuż kierunku, wzdłuż którego doszło do zderzenia, jak gdyby nic w tym miejscu się nie stało.

Astronomowie połączyli to wszystko tak: były dwie gromady galaktyk, w każdej znajdowała się zwykła materia (w większości gaz i pył plus trochę gwiazd) oraz ciemna materia. Kiedy te dwie gromady się zderzyły, większość zwykłej materii wpadła na siebie, tak jak się można było tego spodziewać. Ale co się dzieje, kiedy ciemna materia wpada na ciemną materię? O ile dobrze widzimy – nic! Skupiska ciemnej materii przemieszczają się dalej i przechodzą przez siebie na wylot – prawie jakby były dla siebie niewidzialne. Podobnie stało się z większością gwiazd – ale to dlatego, że są przestrzennie rozproszone.

Olbrzymie ilości materii, większe niż wiele galaktyk, przeszły wprost przez siebie. W zasadzie w wyniku tego zderzenia galaktyki zostały pozbawione ciemnej materii.


Co wiemy o ciemnej materii?

W tym momencie powinno być całkiem jasne, że ciemna materia istnieje i że jest to coś dziwnego, różniącego się od materii, którą znamy. Oto co wiemy o ciemnej materii:

• Ma masę.

• Jest niewidzialna.

• Lubi towarzystwo galaktyk.

• Zdaje się, że zwykła materia nie może jej dotknąć.

• Zdaje się, że inna ciemna materia też nie może jej dotknąć[3]. • Ma naprawdę spoko nazwę.

Teraz myślisz sobie pewnie: „O jaaa! Ale bym się chciał składać z ciemnej materii. Byłbym fantastycznym superbohaterem!”. Nie? No dobra, może tylko my tak mamy.

Jedną z rzeczy, które wiemy o ciemnej materii, jest to, że nie skrywa się nigdzie daleko. Ciemna materia na ogół rośnie kępami w potężnych skupiskach, które unoszą się w przestrzeni i lubią towarzystwo galaktyk. A skoro tak, to jest bardzo prawdopodobne, że właśnie teraz otacza cię ciemna materia. Bardzo możliwe, że kiedy czytasz tę stronę, ciemna materia przechodzi przez tę książkę i przez ciebie. Ale jeśli jest wszędzie wokół, to dlaczego jest taka tajemnicza? Dlaczego nie da się jej zobaczyć ani dotknąć? Jak to możliwe, żeby coś istniało, ale nie można było tego zobaczyć?

Badanie ciemnej materii jest trudne, ponieważ nie jesteśmy w stanie na nią oddziaływać (i vice versa). Nie widzimy jej (dlatego nazywa się ją ciemną), ale wiemy, że ma masę (dlatego nazywa się ją materią). By wyjaśnić, jak to wszystko jest możliwe, musimy najpierw przyjrzeć się oddziaływaniu zwykłej materii.

Jak oddziałuje materia?

Istnieją cztery główne sposoby oddziaływania materii:

Grawitacja

Jeśli jakieś dwie rzeczy mają masę, doznają siły przyciągania do siebie nawzajem.

Elektromagnetyzm

To oddziaływanie, któremu podlegają dwie cząstki, jeśli mają ładunek elektryczny. Siła z nim związana może być przyciągająca albo odpychająca w zależności od tego, czy ładunki są przeciwne czy nie.


Tak naprawdę możesz poczuć tę siłę w codziennym życiu. Jeśli naciskasz palcem na tę książkę, papier nie kruszy się, a twoja ręka nie przechodzi przez niego na wylot: dzieje się tak dlatego, że cząsteczki tworzące papier mocno trzymają się siebie dzięki wiązaniom elektromagnetycznym, a odpychają cząsteczki twojej dłoni.

Elektromagnetyzm jest także odpowiedzialny za światło oraz oczywiście za elektryczność i magnetyzm. Na temat światła i głębokich związków między cząstkami i oddziaływaniami powiemy więcej w dalszej części.

Oddziaływanie słabe

To oddziaływanie jest pod wieloma względami podobne do elektromagnetyzmu, ale dużo, dużo słabsze. Na przykład neutrina oddziałują w ten sposób (słabo!) na inne cząstki. W wypadku bardzo wysokiej energii oddziaływanie słabe staje się równie silne jak elektromagnetyzm i wykazano, że jest ono tylko jednym z przejawów zunifikowanego oddziaływania zwanego „elektrosłabym”.

Oddziaływanie silne

To siła, która spaja protony i neutrony wewnątrz jądra atomu. Bez niej wszystkie te dodatnio naładowane protony w jądrze po prostu by się odpychały i odleciały od siebie.


W jaki sposób oddziałuje ciemna materia?

Warto zaznaczyć, że przedstawiona wyżej lista oddziaływań jest tylko opisowa. Pod tym względem fizyka przypomina czasem botanikę. Nie rozumiemy, dlaczego istnieją te wszystkie oddziaływania. To po prostu podsumowanie naszych obserwacji. Nie wiemy nawet, czy jest kompletne. Jak dotąd jednak potrafimy wyjaśnić każde doświadczenie z zakresu fizyki cząstek elementarnych przy użyciu tych czterech oddziaływań.

Dlaczego więc ciemna materia jest taka ciemna? Podsumujmy: ciemna materia ma masę, więc podlega oddziaływaniu grawitacyjnemu. Ale to właściwie wszystko, co o jej oddziaływaniach wiemy na pewno. Sądzimy, że nie oddziałuje elektromagnetycznie. Z tego, co wiemy, nie odbija światła ani go nie emituje – to właśnie z tego powodu tak trudno nam ją zobaczyć bezpośrednio. Wydaje się, że ciemnej materii nie dotyczy również ani oddziaływanie słabe, ani silne.

Wobec tego, o ile nie pojawią się jakieś nieodkryte jeszcze oddziaływania, wydaje się, że ciemna materia nie może oddziaływać ani z nami, ani z naszymi teleskopami czy detektorami, jeśli myślimy o wykorzystywaniu „normalnych” zjawisk. To sprawia, że bardzo trudno ją badać.


Spośród czterech znanych nam podstawowych sposobów oddziaływania rzeczy jedyną, o której wiemy na pewno, że stosuje się do ciemnej materii, jest grawitacja. To stąd pochodzi słowo „materia” w nazwie ciemnej materii. Ciemna materia ma w sobie coś. Ma masę, a skoro ma masę, podlega oddziaływaniu grawitacyjnemu.

Jak możemy badać ciemną materię?

Mamy nadzieję, że przekonaliśmy cię do istnienia ciemnej materii. Na pewno coś tam jest: coś, co powstrzymuje gwiazdy przed rozproszeniem się w pustej przestrzeni, co zakrzywia światło pochodzące z galaktyk i co wychodzi z gigantycznych kosmicznych zderzeń niczym bohaterowie kina akcji, w zwolnionym tempie odchodzący od eksplodujących samochodów (nawet nie oglądając się za siebie). Taka odlotowa jest ta ciemna materia.

Ale pozostaje pytanie: z czego się ona składa? Nie możemy udawać, że znaleźliśmy odpowiedź na ogólniejsze pytanie, z czego składa się wszechświat, jeśli zbadaliśmy tylko jego najłatwiejsze 5 procent. Nie możemy ignorować faktu, że aż 27 procent to ciemna materia. Najkrócej mówiąc, wciąż mamy bardzo niewielkie pojęcie, czym jest ciemna materia. Wiemy, że jest, wiemy, ile jej jest, i wiemy mniej więcej, gdzie jest, ale nie wiemy, z jakiego rodzaju cząstek się składa – ani nawet tego, czy w ogóle składa się z cząstek. Pamiętaj, że musimy być bardzo ostrożni z rozszerzaniem wniosków z jednego rzadko spotykanego rodzaju materii na cały wszechświat[4]. Trzeba zachować otwarty umysł, żeby móc dokonywać odkryć, które zmienią sposób naszego myślenia o wszechświecie i naszym miejscu w nim.