Tytuł oryginału

DARK MATTER AND THE DINOSAURS.

THE ASTOUNDING INTERCONNECTEDNESS OF THE UNIVERSE

Copyright © 2015, by Lisa Randall

All rights reserved

Projekt okładki

Prószyński Media

Grafika na okładce

Aleksandra Olszewska

Redaktor serii

Adrian Markowski

Redakcja i korekta

Anna Kaniewska

ISBN 978-83-8097-804-1

Warszawa 2016

Wydawca

Prószyński Media Sp. z o.o.

02-697 Warszawa, ul. Rzymowskiego 28

www.proszynski.pl

Wstęp

Słowa „ciemna materia” i „dinozaury” rzadko występują obok siebie – no, może moglibyśmy je usłyszeć wymówione jednym tchem w trakcie gorącej dyskusji na szkolnym boisku, w klubie miłośników gier fabularnych czy w jakimś nowym filmie Spielberga. Ciemna materia jest ową nieuchwytną substancją wypełniającą Wszechświat, która oddziałuje grawitacyjnie tak jak zwyczajna materia, ale nie emituje światła ani go nie pochłania. Astronomowie wykrywają jej wpływ grawitacyjny, ale nie mogą jej zobaczyć. Natomiast dinozaury... Cóż, chyba nie muszę wyjaśniać, czym one są. Oczywiście chodzi o kręgowce, które były dominującą formą życia na Ziemi w okresie od 231 do 66 milionów lat temu.

Zarówno ciemna materia, jak i dinozaury są już same w sobie niezwykle fascynujące i mogłoby się wydawać, że tej niewidocznej fizycznej substancji i słynnych wymarłych zwierząt nic ze sobą nie łączy. I faktycznie może tak być. Jednak Wszechświat z definicji jest jednym obiektem i w zasadzie wszystkie jego elementy jakoś ze sobą oddziałują. W tej książce rozważymy hipotetyczny scenariusz, który zaproponowałam razem ze swoimi współpracownikami, zakładający, że ciemna materia może w ostatecznym rozrachunku (w sposób pośredni) ponosić odpowiedzialność za wyginięcie dinozaurów.

Paleontolodzy, geolodzy i fizycy udowodnili, że 66 milionów lat temu w Ziemię uderzył obiekt kosmiczny o średnicy przynajmniej dziesięciu kilometrów, co doprowadziło do wyginięcia zamieszkujących naszą planetę dinozaurów, a także trzech czwartych pozostałych gatunków występujących na jej powierzchni. Obiektem tym mogła być kometa z odległych zakątków Układu Słonecznego, ale nikt nie wie, dlaczego tor jej ruchu został zakłócony, tak że opuściła swoją luźno związaną, ale jednak stabilną orbitę.

Nasza propozycja zakłada, że podczas przejścia Słońca przez płaszczyznę Drogi Mlecznej – ów pas gwiazd i jasnego pyłu, który widać na bezchmurnym nocnym niebie – Układ Słoneczny natrafił na dysk ciemnej materii, który zakłócił ruch jednego z takich odległych obiektów kosmicznych i tym samym doprowadził do katastrofalnego zderzenia. Uczonym udało się już ustalić, że w bezpośrednim sąsiedztwie Galaktyki przeważająca część otaczającej nas ciemnej materii ma postać gładkiego, rozproszonego, sferycznego halo.

Ten rodzaj ciemnej materii, który doprowadził do wyginięcia dinozaurów, musiał mieć jednak zupełnie inny rozkład od tego, jaki obserwujemy w nieuchwytnej ciemnej materii wypełniającej Wszechświat. Taki dodatkowy typ ciemnej materii nie może wpływać na halo, ale za sprawą zupełnie odmiennych oddziaływań powinien tworzyć gęsty dysk w samym środku płaszczyzny Drogi Mlecznej. Słońce wraz z całym Układem Słonecznym krąży po orbicie wewnątrz Galaktyki i podczas przejścia przez taki wąski obszar o ogromnej gęstości dysk ciemnej materii musiałby na nie wywierać niezwykle silny wpływ grawitacyjny. Jego przyciąganie grawitacyjne mogłoby wybijać komety z zewnętrznych obszarów Układu Słonecznego, ponieważ oddziaływanie Słońca jest tam zbyt słabe, by temu zapobiec. Takie błąkające się komety mogłyby zostać wyrzucone z naszego układu planetarnego lub – co miałoby dużo poważniejsze konsekwencje – skierowane w stronę jego środka, gdzie mogłoby dojść do ich zderzenia z Ziemią.

Powiem może od razu, że nie wiem, czy ta koncepcja jest poprawna. Jedynie jakiś niezwykły rodzaj ciemnej materii mógłby wywierać zauważalny wpływ na żywe organizmy (a raczej, w tym wypadku, na organizmy dawno już wymarłe). Ta książka jest opowieścią o naszej niezwykłej hipotezie dotyczącej takiej właśnie dziwnej ciemnej materii, która wywiera zauważalny wpływ.

Jednak tego rodzaju spekulacje – choć niewątpliwie bardzo intrygujące – nie stanowią istoty książki. Równie ważne dla jej treści, co historia zabójczej komety, są związane z tym wątkiem badania prowadzone na gruncie uznanych dziedzin nauki, takich jak kosmologia i wiedza o Układzie Słonecznym. Mam ogromne szczęście, że zagadnienia, którymi się zajmuję, pozwalają mi się często zastanawiać nad wielkimi pytaniami, takimi jak: Z czego składa się materia? Jaka jest natura przestrzeni i czasu? Jak ewolucja Wszechświata doprowadziła do powstania świata, który widzimy wokół siebie? Mam nadzieję, że w tej książce uda mi się zająć również tego typu kwestiami.

Opisane tu badania stały się dla mnie pretekstem do snucia rozważań na temat kosmologii, astrofizyki, geologii, a nawet biologii. Wciąż skupiałam się na fizyce podstawowej, ale ponieważ przez całe życie zajmowałam się bardziej tradycyjną fizyką cząstek – czyli badaniem elementów składowych znanej nam materii, takiej jak papier czy ekran, na którym czytacie ten tekst – było coś niezwykle orzeźwiającego w tym, że mogłam się zająć analizą tego, co wiemy (i czego się wkrótce dowiemy) o ciemnej stronie świata, a także tym, jakie znaczenie mają podstawowe procesy fizyczne dla Układu Słonecznego i Ziemi.

W książce Ciemna materia i dinozaury wyjaśnimy, co obecnie wiemy o Wszechświecie, Drodze Mlecznej i Układzie Słonecznym, powiemy także, jakie warunki musiały być spełnione, żeby na Ziemi mogło powstać i rozwijać się życie. Omówimy kwestie związane z ciemną materią i kosmosem, a także zajmiemy się kometami, planetoidami oraz powstaniem i wyginięciem istot żywych, przy czym szczególną uwagę poświęcimy obiektowi kosmicznemu, który spadł na Ziemię i zgładził żyjące na niej dinozaury – a także znaczną część pozostałych stworzeń zamieszkujących naszą planetę. Mam nadzieję, że udało mi się przedstawić w tej książce wiele zdumiewających powiązań, dzięki którym znaleźliśmy się tutaj i możemy lepiej zrozumieć wszystko, co się obecnie dzieje. Zawsze gdy rozmyślamy o naszej planecie, powinniśmy dobrze rozumieć kontekst, w którym się wykształciła.

Gdy zaczęłam się zastanawiać nad pojęciami leżącymi u podstaw idei opisanych w tej książce, uderzył mnie i oczarował nie tylko ogrom wiedzy o naszym otoczeniu – lokalnym, planetarnym, galaktycznym i wszechświatowym – ale także to, jak wiele chcemy zrozumieć, oglądając świat z naszego przypadkowego, maleńkiego zakątka tu, na Ziemi. Zdumiały mnie również liczne związki łączące zjawiska, które ostatecznie doprowadziły do naszego istnienia. Żeby nie było wątpliwości: nie jestem osobą religijną. Nie czuję potrzeby przypisywania wszystkiemu celu lub sensu. Mimo to, gdy zastanawiam się nad ogromem Wszechświata, naszą przeszłością i nad tym, jak to wszystko do siebie pasuje, nie mogę się oprzeć uczuciom, które zwykle kojarzymy z religijnością. Dzięki nim możemy spojrzeć na troski życia codziennego z zupełnie innej perspektywy.

Te nowe badania sprawiły również, że inaczej patrzę teraz na świat i owe niezliczone kawałki Wszechświata, które doprowadziły do powstania Ziemi, a także nas. Gdy dorastałam w Queens, widziałam wokół siebie imponujące budynki Nowego Jorku, ale niewiele przyrody. Nieliczne przykłady świata przyrody, które miałam okazję zobaczyć, miały postać wypielęgnowanych parków i przystrzyżonych trawników – nie przypominały więc zbytnio tego, czym były przed pojawieniem się człowieka. A jednak gdy chodzimy po plaży, stąpamy w istocie po roztartych na pył stworzeniach – a raczej ich osłonkach. Wapienne urwiska, które możemy zobaczyć na wybrzeżu i w górach, również zbudowane są z istot żyjących na Ziemi przed milionami lat. Łańcuchy górskie powstały w wyniku zderzeń płyt tektonicznych, przemieszczających się za sprawą roztopionej magmy, która jest efektem oddziaływania substancji radioaktywnych uwięzionych głęboko w pobliżu jądra Ziemi. Używana przez nas energia powstała za sprawą procesów jądrowych zachodzących na Słońcu – przy czym po jej wyemitowaniu w reakcjach termojądrowych została później przetworzona i zmagazynowana w różnej postaci. Wiele wykorzystywanych przez nas zasobów naturalnych składa się z cięższych pierwiastków wytworzonych w przestrzeni kosmicznej, które zostały przyniesione na powierzchnię Ziemi przez planetoidy i komety. Również niektóre aminokwasy trafiły na powierzchnię Ziemi za sprawą meteoroidów – i być może doprowadziły do powstania życia. A zanim doszło do tego wszystkiego, ciemna materia utworzyła skupiska, które za sprawą grawitacji przyciągały do siebie coraz więcej materii i ostatecznie przekształciły się w galaktyki, gromady galaktyk i gwiazdy, takie jak Słońce. Zwyczajna materia – tak dla nas istotna – nie wyjaśnia wszystkiego.

Choć możemy ulegać złudzeniu, że żyjemy w niezależnym środowisku, to jednak każdego dnia o wschodzie Słońca i każdej nocy, gdy Księżyc i odległe gwiazdy pojawiają się na niebie, przekonujemy się, że nasza planeta nie jest sama we Wszechświecie. Gwiazdy i mgławice są kolejnymi dowodami na to, że żyjemy w Galaktyce stanowiącej część o wiele większego Wszechświata. Krążymy po orbicie w Układzie Słonecznym i zmieniające się pory roku przypominają nam o naszym położeniu w jego wnętrzu. Nawet stosowana przez nas miara czasu, operująca dniami i latami, świadczy o wpływie naszego otoczenia.

* * *

Przygotowując się do napisania tej książki, wiele czytałam i przeprowadziłam badania, dzięki którym uświadomiłam sobie cztery niezwykle inspirujące fakty, którymi chciałabym się tu z wami podzielić. Najbliższe memu sercu jest uczucie zadowolenia, jakie płynie ze zrozumienia tego, jak poszczególne fragmenty Wszechświata łączą się ze sobą na wiele wspaniałych sposobów. Najważniejszą nauką, jaka wynika z tego na najbardziej podstawowym poziomie, jest wniosek, że fizyka cząstek elementarnych, fizyka kosmosu i biologia życia są ze sobą ściśle związane – nie w jakimś bliżej niesprecyzowanym sensie rodem z filozofii New Age, ale w konkretny, niezwykły sposób, który warto dobrze zrozumieć.

Kosmiczna materia bezustannie bombarduje Ziemię. Mimo to naszą planetę łączy z otoczeniem związek, w którym nie wszystko jest negatywne. Niektóre elementy naszego kosmicznego środowiska mają korzystny wpływ na naszą planetę, ale wiele z nich może stanowić dla niej śmiertelne zagrożenie. Odpowiednie położenie Ziemi w Układzie Słonecznym zapewnia właściwą temperaturę na jej powierzchni. Planety zewnętrzne zmieniają tor ruchu planetoid i komet, zanim uderzą one w Ziemię. Wzajemne położenie Księżyca i Ziemi stabilizuje naszą orbitę na tyle, że nie dochodzi do skrajnych fluktuacji temperatury, a zewnętrzne obszary Układu Słonecznego osłaniają nas przed niebezpiecznymi promieniami kosmicznymi. Niewykluczone, że dzięki meteoroidom na naszej planecie pojawiły się związki niezbędne do powstania życia, ale nie ulega wątpliwości, że obiekty te wywarły również zgubny wpływ na rozwój organizmów żywych. Przynajmniej jeden z nich 66 milionów lat temu doprowadził do katastrofalnego wyginięcia organizmów żywych. Choć w wyniku tego zdarzenia z powierzchni Ziemi zniknęły dinozaury, to doprowadziło ono do wyewoluowania większych ssaków, w tym i nas samych.

Druga kwestia – nie mniej imponująca – związana jest z tym, że wiele faktów naukowych przedstawionych w tej książce poznaliśmy zupełnie niedawno. Być może następujące stwierdzenie można wygłosić w dowolnym momencie historii ludzkości, ale to nie umniejsza jego znaczenia: W ciągu ostatnich [tu należy wstawić liczbę właściwą dla danego kontekstu] lat dokonaliśmy ogromnego postępu naukowego. W odniesieniu do opisywanych tu osiągnięć liczba ta jest mniejsza niż 50. Gdy prowadziłam własne badania i czytałam o dokonaniach innych uczonych, raz za razem zdumiewało mnie to, że tak wiele niedawnych odkryć ma charakter przełomowy, a nawet rewolucyjny. Można podać liczne przykłady ludzkiej pomysłowości i uporu świadczące o tym, jak uczeni próbują pogodzić swoją wiedzę z często zaskakującymi, zawsze fascynującymi, a czasami przerażającymi rzeczami, których dowiadujemy się o świecie. Przedstawione tu fakty naukowe są częścią większej historii, obejmującej 13,8 lub 4,6 miliarda lat, w zależności od tego, czy skupiamy uwagę na Wszechświecie, czy na Układzie Słonecznym. Niemniej jednak historia istot ludzkich odkrywających te fakty liczy niewiele ponad sto lat.

Dinozaury wyginęły 66 milionów lat temu, ale paleontolodzy i geolodzy uświadomili sobie istotę tego zdarzenia dopiero w latach siedemdziesiątych i osiemdziesiątych XX wieku. Po przedstawieniu odpowiednich koncepcji społeczności uczonych wystarczyło już tylko kilka dziesięcioleci, by je w pełni ocenić. Umiejscowienie tych zdarzeń w czasie nie było całkowicie przypadkowe. Związek wyginięcia dinozaurów z uderzeniem pozaziemskiego obiektu nabrał większej wiarygodności, gdy astronauci wylądowali na Księżycu i mogli z bliska przyjrzeć się jego kraterom. Znaleźli w nich szczegółowe ślady działania procesów dynamicznych w Układzie Słonecznym.

Dzięki znaczącemu rozwojowi fizyki cząstek i kosmologii w ciągu ostatnich pięćdziesięciu lat dowiedzieliśmy się wiele o Modelu Standardowym, który opisuje podstawowe składniki materii takiej, jak ją obecnie rozumiemy. Jednak dopiero w ostatnich dziesięcioleciach XX wieku udało się nam ustalić, jaka jest ilość ciemnej materii i ciemnej energii we Wszechświecie. Mniej więcej w tym samym czasie zmieniła się też nasza wiedza o Układzie Słonecznym, a dopiero w latach dziewięćdziesiątych XX wieku uczeni odkryli w pobliżu Plutona obiekty tworzące pas Kuipera, świadczące o tym, że Pluton nie krąży sam po swojej orbicie. W efekcie zmniejszyła się liczba planet – a było to możliwe tylko dzięki temu, że fakty naukowe, które mogliśmy poznać już w szkole podstawowej, są obecnie znacznie bogatsze i bardziej złożone.

Trzeci ważny wniosek ma związek z tempem zmian. Dobór naturalny prowadzi do zmiany organizmów, ale pod warunkiem, że jest wystarczająco dużo czasu, by dany gatunek mógł wyewoluować. Taki proces adaptacji nie obejmuje zmian o charakterze radykalnym. Jest na to zdecydowanie za wolny. Dinozaury nie miały szans na to, by przygotować się na uderzenie w Ziemię meteoroidu o średnicy 10 kilometrów. Nie mogły się przystosować do nowych warunków. Te z nich, które znajdowały się na lądzie i były zbyt duże, by zagrzebać się pod ziemią, nie miały żadnych szans na przeżycie.

W czasach gdy wciąż pojawiają się nowe idee i rozwiązania techniczne, coraz większą rolę odgrywają rozważania na temat roli zmian stopniowych i radykalnych. Kluczem do zrozumienia większości nowych odkryć – naukowych i innych – jest tempo opisywanych przez nie procesów. Często słyszy się, że niektóre osiągnięcia, takie jak badania genetyczne lub postęp wynikający z rozwoju Internetu, miały niezwykle burzliwy przebieg. Nie jest to jednak do końca prawdą. Pełniejsze zrozumienie chorób czy układu krążenia, które nastąpiło już kilkaset lat temu, pociągnęło za sobą równie głębokie zmiany jak badania genetyczne obecnie. Wprowadzenie pisma, a później druku, wpłynęło na to, jak ludzie zdobywają wiedzę i jak myślą, w sposób nie mniej głęboki od tego, co nastąpiło w wyniku rozwoju Internetu.

Tak jak w wypadku tych osiągnięć, bardzo ważnym aspektem obecnej zmiany jest jej szybkość – kwestia ta ma znaczenie nie tylko dla badań naukowych, ale dotyczy także zmian środowiskowych i socjologicznych. Choć zagłada w wyniku uderzenia meteoroidu nie jest raczej obecnie naszym największym zmartwieniem, to jednak duże obawy budzi coraz większe tempo zmian środowiska i wymierania gatunków, a wpływ tych zjawisk może być pod wieloma względami porównywalny z katastrofą spowodowaną uderzeniem kosmicznego obiektu. Nie ukrywam, że jednym z celów napisania tej książki było umożliwienie lepszego zrozumienia zdumiewającej historii tego, jak się tu znaleźliśmy, i zachęcenie nas wszystkich do mądrego wykorzystania tej wiedzy.

Czwartym ważnym spostrzeżeniem jest to, że nauka potrafi w zdumiewający sposób opisać ukryte elementy naszego świata i jego rozwój – pozwala też określić, jak wiele o Wszechświecie możemy się w ogóle dowiedzieć. Wielu ludzi fascynuje idea multiwszechświata – możliwość istnienia innych wszechświatów znajdujących się poza naszym zasięgiem. Jednak nie mniej pasjonujące są liczne ukryte światy – zarówno biologiczne, jak i fizyczne – które możemy zbadać i lepiej poznać. Mam nadzieję, że w książce Ciemna materia i dinozaury uda mi się przekonać wszystkich, iż zastanawianie się nad tym, co już wiemy – a także nad tym, czego możemy się dowiedzieć w przyszłości – może być niezwykle inspirujące.

* * *

Książka zaczyna się od prezentacji kosmologii – nauki opisującej, jak ukształtował się Wszechświat. W pierwszej części omówimy teorię Wielkiego Wybuchu, kosmologiczną inflację i składniki Wszechświata. Powiemy również o tym, czym jest ciemna materia, jak dowiedzieliśmy się o jej istnieniu i dlaczego wywarła ona istotny wpływ na powstanie obecnej struktury Wszechświata.

Ciemna materia stanowi 85 procent materii wypełniającej Wszechświat, podczas gdy zwyczajna materia – taka jak ta tworząca gwiazdy, obłoki gazowe i ludzi – to zaledwie 15 procent. Mimo to ludzie interesują się głównie istnieniem i znaczeniem zwyczajnej materii, która, trzeba to uczciwie przyznać, oddziałuje o wiele silniej.

Jednak, tak jak w odniesieniu do ludzkości, nie powinniśmy skupiać całej uwagi na niewielkim ułamku całości, który wywiera nieproporcjonalnie duży wpływ. Dominujące 15 procent materii, którą możemy zobaczyć i poczuć, stanowi jedynie część całego obrazu. Jak się przekonamy, ciemna materia odegrała kluczową rolę we Wszechświecie – w procesie powstawania zarówno galaktyk, jak i gromad galaktyk, które wykształciły się z bezpostaciowej kosmicznej plazmy wypełniającej wczesny Wszechświat, a obecnie jest niezbędna dla zapewnienia stabilności powstałych struktur.

W drugiej części książki skupimy się na Układzie Słonecznym. Oczywiście opis naszego układu planetarnego mógłby być tematem oddzielnej książki, jeśli nie encyklopedii. Skoncentrujemy się więc tylko na tych jego składnikach, które mogły mieć znaczenie dla dinozaurów – na meteoroidach, planetoidach i kometach. W tej części opiszemy obiekty, o których wiemy, że uderzyły w przeszłości w Ziemię, a także te, które mogłyby się z nią zderzyć w przyszłości. Omówimy też nieliczne, ale trudne do jednoznacznego odrzucenia dowody przemawiające za tym, że w regularnych odstępach czasu, wynoszących około 30 milionów lat, na Ziemi dochodzi do masowych wyginięć gatunków, być może spowodowanych uderzeniem meteoroidu. W tej części zajmiemy się też procesem powstawania życia, a także jego unicestwiania i dokonamy przeglądu naszej wiedzy o pięciu znanych przypadkach masowego wymierania gatunków, w tym katastrofalnego zdarzenia, w którego wyniku zniknęły z powierzchni Ziemi dinozaury.

W trzeciej i ostatniej części książki połączymy ze sobą przedstawione wcześniej idee, zaczynając od omówienia modeli ciemnej materii. Przedstawimy bardziej znane hipotezy próbujące wyjaśnić, z czego składa się ta tajemnicza substancja, zajmiemy się też nowszymi sugestiami wskazującymi na możliwość innych oddziaływań ciemnej materii, o których wspomnieliśmy na początku.

W chwili obecnej wiemy jedynie to, że ciemna i zwyczajna materia mogą oddziaływać ze sobą za pośrednictwem grawitacji. Wpływ grawitacyjny jest w ogólnym przypadku tak słaby, że możemy go wykryć tylko w odniesieniu do ciał o olbrzymiej masie – takich jak Ziemia czy Słońce – ale nawet w tej sytuacji oddziaływanie to nie jest zbyt silne. Za pomocą niewielkiego magnesu możemy przecież bez trudu podnieść spinacz biurowy, skutecznie przeciwstawiając się wpływowi grawitacyjnemu całej Ziemi.

Ciemna materia mogłaby jednak być podatna również na wpływ innych oddziaływań. Nasz nowy model podważa powszechnie przyjmowane założenie – i przesąd – że jedynie zwyczajna materia może oddziaływać za pomocą pozostałych sił: elektromagnetyzmu oraz słabego i silnego oddziaływania jądrowego. Te oddziaływania zwyczajnej materii, znacznie silniejsze niż grawitacja, pozwalają wyjaśnić wiele interesujących cech naszego świata. A co by było, gdyby część ciemnej materii także była podatna na wpływ takich silniejszych, niegrawitacyjnych oddziaływań? W takim wypadku oddziaływania ciemnej materii mogłyby doprowadzić do powstania niezwykłych związków między podstawową materią i zjawiskami makroskopowymi na jeszcze głębszym poziomie niż poznane dotąd tego typu powiązania.

Choć w zasadzie we Wszechświecie wszystko mogłoby na siebie wzajemnie wpływać, większość takich oddziaływań jest zbyt słaba, by można je było wykryć. Możemy obserwować tylko to, co wpływa na nas w sposób możliwy do wykrycia. Gdybyśmy mieli do czynienia z obiektem wywierającym tylko bardzo mały wpływ, moglibyśmy go w ogóle nie zauważyć, nawet gdyby znajdował się tuż pod naszym nosem. Prawdopodobnie właśnie dlatego nie udało się nam dotąd wykryć pojedynczych cząstek ciemnej materii, mimo że zapewne otaczają nas ze wszystkich stron.

W trzeciej części książki przekonamy się, że szersze spojrzenie na kwestię ciemnej materii – zastanowienie się nad tym, dlaczego ciemny wszechświat miałby być tak prosty, skoro nasz jest tak skomplikowany – może prowadzić do uświadomienia sobie kilku nowych możliwości. Może jakaś część ciemnej materii odczuwa wpływ własnego oddziaływania – jakiegoś „ciemnego światła”. Jeśli powszechnie uważa się, że większość ciemnej materii tworzy mało wpływowe 85 procent materii Wszechświata, to możemy sobie wyobrazić, że taki nowy rodzaj ciemnej materii jest swego rodzaju prężnie rozwijającą się klasą średnią, charakteryzującą się oddziaływaniami podobnymi do tych, jakie przejawia zwyczajna materia. Takie dodatkowe oddziaływania wpłynęłyby na skład galaktyk, a nowa postać ciemnej materii mogłaby mieć znaczenie dla ruchu gwiazd i innych obiektów zbudowanych ze zwyczajnej materii.

W ciągu najbliższych pięciu lat obserwacje satelitarne pozwolą nam zmierzyć kształt Galaktyki, jej skład i własności z dużo większą dokładnością niż dotychczas. Dzięki temu lepiej poznamy nasze galaktyczne otoczenie i będziemy mogli sprawdzić, czy owa hipoteza jest prawdziwa. Fakt, że możemy przeprowadzić takie obserwacje, sprawia, iż ciemna materia i nasz model są częścią prawdziwej nauki, którą warto się zajmować – nawet jeśli ciemna materia nie wchodzi w skład cząstek tworzących ludzkie ciało. Istnienie takiej ciemnej materii mogłoby wpływać na ruch meteoroidów – a jeden z nich mógłby stanowić ogniwo łączące ciemną materię ze zniknięciem dinozaurów, tak jak sugeruje tytuł tej książki.

Pojęcia i zagadnienia związane z tymi zjawiskami tworzą ogromny, trójwymiarowy obraz Wszechświata. Pisząc tę książkę, chciałam się podzielić z wami tymi ideami i zachęcić was, byście starali się samodzielnie badać, doceniać i chronić to niezwykłe bogactwo naszego świata.

Część I

Ewolucja Wszechświata

Rozdział 1

Tajne stowarzyszenie ciemnej materii

Często nie zauważamy tego, czego się nie spodziewamy. W bezksiężycową noc niebo rozświetlają krótkie błyski meteorów, nieznane zwierzęta śledzą nas, gdy przechadzamy się po lesie, a gdy spacerujemy miejską ulicą, otaczają nas wspaniałe szczegóły architektoniczne. Mimo to często nie dostrzegamy tych wspaniałości – nawet wtedy, gdy znajdują się w naszym polu widzenia. Nasze ciało zamieszkują ogromne kolonie bakterii, które pomagają nam w przeżyciu. Organizm człowieka zawiera dziesięciokrotnie więcej komórek bakteryjnych niż komórek ludzkiego ciała. A przecież w zasadzie nie mamy świadomości istnienia tych mikroskopijnych stworzeń, które żyją w naszym wnętrzu, pobierają substancje odżywcze i pomagają nam w procesie trawienia. Większość z nas zdaje sobie sprawę z istnienia bakterii dopiero wtedy, gdy zaczynają się źle zachowywać i wywołują chorobę.

Aby coś zobaczyć, musimy popatrzeć. Musimy też wiedzieć, jak należy patrzeć. Jednak przynajmniej wymienione przed chwilą zjawiska w zasadzie można zobaczyć. Spróbujmy sobie wyobrazić, z jakimi wyzwaniami trzeba się zmierzyć, gdy chcemy zrozumieć coś, czego dosłownie nie można zobaczyć. Tak właśnie jest w wypadku ciemnej materii, owej nieuchwytnej substancji wypełniającej Wszechświat, która jedynie w bardzo niewielkim stopniu oddziałuje ze znaną nam materią. W następnym rozdziale opowiemy o różnych pomiarach, dzięki którym astronomowie i fizycy wykryli istnienie tej substancji. W tym natomiast przedstawimy ową nieuchwytną materię: powiemy, czym jest i dlaczego, choć jest tak niezmiernie zagadkowa, z pewnego ważnego punktu widzenia wydaje się dość zrozumiała.

NIEWIDZIALNY ŚWIAT WOKÓŁ NAS

Choć Internet jest jedną gigantyczną siecią, z którą łączą się jednocześnie miliardy ludzi, większość osób używających serwisów społecznościowych nie komunikuje się ze sobą w sposób bezpośredni – ani nawet pośredni. Użytkownicy poszukują zazwyczaj kontaktu z ludźmi myślącymi podobnie jak oni, śledzą poczynania innych osób o takich samych zainteresowaniach i przeszukują serwisy informacyjne odzwierciedlające ich konkretny światopogląd. Z uwagi na tak ograniczone interakcje ogromna liczba osób łączących się z Internetem tworzy oddzielne, niekomunikujące się ze sobą grupy znajomych i w toczących się dyskusjach bardzo rzadko pojawiają się opinie niezgodne z punktem widzenia danej społeczności. Nawet znajomi znajomych nie głoszą sprzecznych opinii pojawiających się w innych grupach i dlatego większość użytkowników Internetu nie ma świadomości istnienia nieznanych im społeczności o odmiennym punkcie widzenia.

Nie wszyscy są zamknięci na możliwość istnienia innych światów, ale jeśli chodzi o ciemną materię, tak właśnie jest. Ciemna materia po prostu nie należy do serwisu społecznościowego zwyczajnej materii. Przebywa na czacie w pokoju, do którego nie potrafimy się jeszcze dostać. Znajduje się w tym samym Wszechświecie, a nawet zajmuje te same obszary przestrzeni co widoczna materia, ale cząstki ciemnej materii oddziałują ze zwyczajną, znaną nam materią tak słabo, że oddziaływania te pozostają niemal niezauważalne. Wygląda to więc podobnie jak społeczności internetowe, o których istnieniu nie mamy pojęcia – jeśli nikt nam nie powie o ciemnej materii, to nic, z czym spotykamy się na co dzień, nie uświadomi nam jej istnienia.

Podobnie jak bakterie w naszym organizmie, ciemna materia jest jednym z wielu „wszechświatów” istniejących tuż pod naszym nosem. I podobnie jak te mikroskopijne stworzenia, również ona jest wszędzie wokół nas. Ciemna materia przechodzi na wylot przez nasze ciała – znajduje się w otaczającym nas świecie. Mimo to nie zauważamy jej istnienia, ponieważ oddziałuje bardzo słabo – do tego stopnia, że tworzy całkowicie niezależną grupę. Jest to społeczność istniejąca zupełnie oddzielnie od znanej nam materii.

Jest to jednak ważna grupa. Komórki bakterii – choć liczne – stanowią zaledwie od jednego do dwóch procent naszej masy, natomiast ciemna materia – choć jej udział w masie naszego ciała jest nieistotny – stanowi około 85 procent materii Wszechświata. Na każdy centymetr sześcienny przestrzeni wokół nas przypada ilość materii o masie wynoszącej około jednej masy protonu. Może się wydawać, że to dużo albo mało, w zależności od tego, jak na to spojrzeć. Oznacza to jednak, że jeśli ciemna materia składa się z cząstek o masie porównywalnej z masą znanych nam cząstek i jeśli cząstki te poruszają się z prędkościami, jakich się spodziewamy na podstawie poznanych zasad fizyki, to w ciągu każdej sekundy przez każdego z nas przechodzą miliardy cząstek ciemnej materii. A mimo to nikt nie zauważa ich istnienia. Okazuje się, że nawet wpływ miliardów cząstek ciemnej materii na nasze ciało jest dla nas niezauważalny.

Wynika to stąd, że w żaden sposób nie potrafimy wykryć ciemnej materii. Ciemna materia nie oddziałuje ze światłem – a przynajmniej żadnych takich oddziaływań nie udało się stwierdzić w przeprowadzonych dotychczas eksperymentach. Nie jest też utworzona z takiego samego materiału jak zwyczajna materia – nie składa się z atomów czy znanych nam cząstek elementarnych oddziałujących ze światłem, a takie oddziaływanie jest niezbędne, byśmy mogli cokolwiek zobaczyć. Ja i moi koledzy bardzo chcielibyśmy się dowiedzieć, z czego składa się ciemna materia. Czy tworzy ją jakiś nowy rodzaj cząstek? Jeśli tak, to jakie mają własności? Czy są podatne na wpływ jakichś innych oddziaływań poza grawitacją? Jeśli dopisze nam szczęście, to w prowadzonych obecnie doświadczeniach może się okazać, że cząstki ciemnej materii są jednak podatne na oddziaływania elektromagnetyczne w jakimś minimalnym stopniu, który jest tak mały, że dotychczas nie udało się tego wykryć. Specjalnie w tym celu skonstruowane detektory cały czas poszukują tego efektu – w trzeciej części książki wyjaśnimy w jaki sposób. Jak dotąd jednak ciemna materia pozostaje niewidoczna. Nie wywarła żadnego zauważalnego wpływu na działające obecnie detektory.

Mimo to gdy olbrzymie ilości ciemnej materii skupiają się na ograniczonym obszarze, jej wypadkowe oddziaływanie grawitacyjne jest znaczące i wywiera mierzalny wpływ na gwiazdy i pobliskie galaktyki. Ciemna materia wpływa na ekspansję Wszechświata, bieg promieni światła docierających do nas z odległych obiektów, orbity gwiazd krążących wokół środków galaktyk i wiele innych mierzalnych zjawisk w taki sposób, że jesteśmy przekonani o jej istnieniu. Wszystkie te mierzalne efekty grawitacyjne jednoznacznie świadczą o istnieniu ciemnej materii.

Co więcej, ciemna materia, choć niewidoczna i trudna do bezpośredniego wykrycia, odegrała kluczową rolę w tworzeniu się struktury Wszechświata. Można ją porównać do niedocenianej warstwy społecznej zwyczajnych zjadaczy chleba. Choć niewidoczne dla decydentów tworzących elitę społeczeństwa, niezliczone rzesze robotników, którzy wznosili piramidy, budowali autostrady czy montowali urządzenia elektroniczne, odegrały kluczową rolę w rozwoju cywilizacji. Podobnie jak niewidoczne grupy społeczne w naszym otoczeniu przyczyniły się do powstania cywilizacji, ciemna materia miała kluczowe znaczenie dla stworzenia naszego świata.

Gdyby ciemna materia nie była obecna we wczesnym Wszechświecie, w ogóle by nas teraz tutaj nie było i nie moglibyśmy się nad tym zastanawiać, nie mówiąc już o przedstawianiu jakiegokolwiek spójnego obrazu ewolucji Wszechświata. Bez ciemnej materii Wszechświat nie miałby wystarczająco dużo czasu na wytworzenie obserwowanej obecnie struktury. Jej skupiska były zarodkami, z których powstała Droga Mleczna, a także inne galaktyki i ich gromady. Gdyby nie pojawiły się galaktyki, nie byłoby też gwiazd ani Układu Słonecznego, ani życia w znanej nam postaci. Nawet obecnie wypadkowe oddziaływanie ciemnej materii pozwala utrzymać w całości galaktyki i ich gromady. Ciemna materia mogłaby też mieć znaczenie nawet dla trajektorii ruchu Układu Słonecznego, jeśli tylko ciemne dyski, o których wspomnieliśmy we wstępie, faktycznie istnieją.

A mimo to nie udaje nam się wykryć ciemnej materii w sposób bezpośredni. Uczeni zbadali już wiele różnych postaci materii, ale za każdym razem poznaliśmy ich skład dzięki przeprowadzeniu obserwacji za pomocą jakiejś postaci światła – czyli, mówiąc ogólniej, promieniowania elektromagnetycznego. Promieniowanie elektromagnetyczne o częstotliwości z zakresu światła widzialnego odbieramy właśnie jako światło, ale może ono również przyjmować postać na przykład fal radiowych czy promieniowania ultrafioletowego, gdy ma częstotliwość spoza tego zakresu. Jego wpływ można obserwować pod mikroskopem, za pomocą radaru lub obrazów powstających na kliszy fotograficznej. Zawsze jednak mamy do czynienia z jakimś rodzajem oddziaływania elektromagnetycznego. Niekoniecznie są to oddziaływania bezpośrednie – w taki sposób oddziałują ze światłem obiekty obdarzone ładunkiem elektrycznym. Jednak wszystkie składniki Modelu Standardowego fizyki cząstek – najbardziej podstawowe składniki materii, jakie znamy – oddziałują wzajemnie ze sobą w taki sposób, że jeśli światło nie należy do grona bliskich znajomych danej cząstki, to już na pewno jest znajomym znajomego.

Nie tylko wzrok, ale także pozostałe zmysły – dotyk, węch, smak i słuch – opierają się na oddziaływaniach atomów, które z kolei bazują na oddziaływaniach cząstek naładowanych elektrycznie. Nawet zmysł dotyku, choć z nieco bardziej skomplikowanych powodów, działa dzięki drganiom i oddziaływaniom elektromagnetycznym. Ponieważ wszystkie ludzkie zmysły wykorzystują jakąś postać oddziaływania elektromagnetycznego, nie potrafimy tak po prostu wykryć bezpośrednio ciemnej materii. Choć ciemna materia otacza nas ze wszystkich stron, nie możemy jej ani zobaczyć, ani poczuć. Światło padające na ciemną materię nie wywołuje żadnego efektu. Po prostu przechodzi przez nią na wylot.

Ponieważ nikt nigdy nie widział (ani nie czuł) ciemnej materii, ludzie, z którymi o tym rozmawiałam, często byli zdziwieni jej istnieniem i uznawali ten fakt za dość tajemniczy – a nawet zastanawiali się, czy nie zaszła tu może jakaś pomyłka. Pytali mnie, jak to możliwe, że nie potrafimy wykryć za pomocą tradycyjnych teleskopów większej części materii – ciemnej materii jest przecież około pięciu razy więcej niż zwyczajnej. Ja natomiast zdziwiłabym się, gdyby było inaczej (choć przyznaję, że nie wszyscy tak na to patrzą). W moim odczuciu mielibyśmy do czynienia z dużo większą zagadką, gdyby materia, którą możemy zobaczyć, była całą materią, jaka istnieje. Dlaczego mielibyśmy być obdarzeni doskonałymi zmysłami, które pozwalają nam wykryć wszystko w sposób bezpośredni? Historia rozwoju fizyki dobitnie świadczy o tym, że wiele rzeczy i zjawisk ukrywa się przed naszym wzrokiem. Gdy spojrzymy z takiego punktu widzenia, pojawi się raczej pytanie, dlaczego znana nam materia stanowi aż tak duży ułamek gęstości energii Wszechświata.

Wprowadzenie ciemnej materii może się wydawać dość egzotyczną koncepcją, ale wysunięcie hipotezy jej istnienia jest o wiele mniej pochopnym rozwiązaniem niż zmiana praw grawitacji – a takie podejście sugerują niektórzy przeciwnicy jej istnienia. Ciemna materia – choć faktycznie nie znamy jej natury – znajdzie zapewne mniej lub bardziej konwencjonalne wyjaśnienie, które okaże się całkowicie zgodne ze wszystkimi znanymi prawami fizyki. No bo niby dlaczego cała materia przestrzegająca znanych praw grawitacji miałaby się zachowywać tak samo jak ta znana nam? Mówiąc krótko, dlaczego cała materia miałaby oddziaływać ze światłem? Ciemna materia może być po prostu materią obdarzoną jakimś innym rodzajem ładunku lub całkowicie go pozbawioną. Bez ładunku elektrycznego i możliwości oddziaływania z naładowanymi cząstkami taka forma materii po prostu nie mogłaby ani pochłaniać, ani emitować światła.

W koncepcji ciemnej materii nie podoba mi się tylko jedna rzecz – jej nazwa. Nie mam zastrzeżeń do słowa „materia”. Ciemna materia rzeczywiście jest pewną postacią materii, czyli mówiąc inaczej, substancją, która tworzy skupiska i oddziałuje grawitacyjne, tak jak wszystkie inne rodzaje materii. Fizycy i astronomowie wykrywają jej obecność na różne sposoby, które wykorzystują właśnie to oddziaływanie.

Jednak przymiotnik „ciemna” w jej nazwie został wybrany dość niefortunnie – zarówno dlatego, że możemy widzieć ciemne obiekty, które przecież pochłaniają światło, jak i dlatego, że słowo to brzmi złowieszczo i sprawia, że substancja ta wydaje się potężniejsza i groźniejsza, niż faktycznie jest. Ciemna materia nie jest ciemna, ale przezroczysta. Ciemne rzeczy pochłaniają światło, natomiast przedmioty przezroczyste są dla niego zupełnie obojętne. Światło może padać na ciemną materię, ale ani materia, ani światło nie zmienią się w wyniku takiego zderzenia.

Niedawno uczestniczyłam w konferencji, na którą zjechali się ludzie zajmujący się różnymi dziedzinami nauki i gospodarki. Spotkałam tam Massima, specjalistę od marketingu, który zajmuje się techniką marketingową określaną jako „budowanie świadomości marki”. Gdy opowiedziałam mu o moich badaniach, spojrzał na mnie z niedowierzaniem i spytał:

– Dlaczego nazwano to ciemną materią?

Nie miał zastrzeżeń do strony naukowej całego zagadnienia, ale do tego, że przyjęta nazwa ma negatywne konotacje. Nie zawsze każda nazwa zawierająca przymiotnik „ciemny” lub jego synonim kojarzy się z czymś nieprzyjemnym. Mroczny Rycerz był pozytywnym bohaterem – choć niewątpliwie skomplikowanym. Ale jeśli weźmiemy pod uwagę użycie tego przymiotnika w tytułach takich jak Mroczne cienie i Mroczne materie czy w określeniu „ciemna strona Mocy” z Gwiezdnych wojen – nie wspominając już o zabawnie ponurej piosence z filmu Lego: Przygoda – to „ciemność” ciemnej materii wyda się nam dość niewinna. Bez wątpienia fascynuje nas wszystko, co ciemne i mroczne, ale ciemna materia zupełnie nie zasługuje na taką nazwę.

Ciemna materia ma wprawdzie jedną cechę wspólną z negatywnymi bohaterami: ukrywa się przed naszym wzrokiem. Jej nazwa jest odpowiednia w tym sensie, że choćbyśmy nie wiem jak ją rozgrzali, nigdy nie wyemituje światła. W tym znaczeniu faktycznie jest ciemna – nie chodzi o to, że jest nieprzezroczysta, ale o to, że jest przeciwieństwem obiektów emitujących lub odbijających światło. Nikt nie zdoła zobaczyć ciemnej materii bezpośrednio – ani przy użyciu mikroskopu, ani teleskopu. Podobnie jak w wypadku wielu złowrogich duchów w filmach i literaturze, niewidzialność jest dla niej osłoną.

Massimo stwierdził, że lepsza byłaby chyba nazwa „przezroczysta materia” – a przynajmniej mniej przerażająca. Choć to prawda z punktu widzenia fizyki, nie jestem na sto procent przekonana, że ma rację. Nazwa „ciemna materia”, choć nie do końca do mnie przemawia, przynajmniej przykuwa uwagę ludzi. Niemniej jednak ciemna materia nie jest ani złowroga, ani potężna – a przynajmniej pod warunkiem, że nie mamy do czynienia z bardzo dużą jej ilością. Tak słabo oddziałuje ze zwyczajną materią, że jej wykrycie jest ogromnym wyzwaniem. Właśnie między innymi dlatego jest tak interesująca.

CZARNE DZIURY I CIEMNA ENERGIA

Nazwa „ciemna materia” jest też źródłem innych nieporozumień, które nie mają nic wspólnego z omówioną przed chwilą złowrogą wymową przymiotnika „ciemny”. Wiele osób, z którymi rozmawiam o moich badaniach, myli na przykład ciemną materię z czarnymi dziurami. Aby wyjaśnić, na czym polega różnica, zrobimy w tym miejscu krótką dygresję i omówimy czarne dziury, które są obiektami powstającymi wtedy, gdy zbyt duża ilość materii znajdzie się w zbyt małym obszarze przestrzeni. Nic – nawet światło – nie może się wydostać spod potężnego wpływu grawitacyjnego takich obiektów.

Czarne dziury i ciemna materia różnią się od siebie mniej więcej tak, jak ciemny tusz różni się od czarnej komedii. Ciemna materia nie oddziałuje ze światłem. Czarne dziury pochłaniają światło – i wszystko, co się za bardzo do nich zbliży. Czarne dziury są czarne, ponieważ całe wpadające do nich światło zostaje na zawsze uwięzione w ich wnętrzu. Nie ulega wypromieniowaniu ani odbiciu. Niewykluczone, że ciemna materia odgrywa pewną rolę w powstawaniu czarnych dziur1, ponieważ każda postać materii może się zapaść i utworzyć tego typu obiekt, jednak czarne dziury i ciemna materia z pewnością nie są jednym i tym samym. W żadnym razie nie należy ich ze sobą mylić.

Nieszczęsna nazwa „ciemna materia” prowadzi do jeszcze innego nieporozumienia. Chodzi o to, że inny składnik Wszechświata nazwano „ciemną energią” – wybór tej nazwy również nie jest zbyt szczęśliwy – i dlatego bywa on często mylony z ciemną materią. Wprawdzie ciemna energia nie ma zbyt wiele wspólnego z naszym głównym tematem, ale stanowi istotny składnik współczesnej kosmologii, pozwolę więc sobie w tym miejscu wyjaśnić także ten drugi termin, by nie było wątpliwości, jaka jest między nimi różnica.

Ciemna energia nie jest materią – jest wyłącznie energią. Istnieje nawet wtedy, gdy w pobliżu nie ma żadnej cząstki lub innej formy materii. Wypełnia cały Wszechświat, ale nie tworzy skupisk jak zwyczajna materia. Jej gęstość jest wszędzie taka sama – wypełnia każdy obszar przestrzeni w jednakowym stopniu. Jest zupełnie inna od ciemnej materii, która gromadzi się w obiektach i w niektórych obszarach przestrzeni jest gęstsza niż w innych. Ciemna materia zachowuje się tak jak zwyczajna materia, która skupia się, tworząc gwiazdy, galaktyki i gromady galaktyk. Rozkład ciemnej energii jest natomiast zawsze gładki.

Ponadto ciemna energia jest niezmienna w czasie. W przeciwieństwie do materii i promieniowania nie ulega rozrzedzeniu w wyniku ekspansji Wszechświata. Własność ta jest w pewnym sensie jej cechą charakterystyczną. Gęstość ciemnej energii – energii, której nie przenoszą ani cząstki, ani materia – pozostaje cały czas taka sama. Z tego powodu fizycy często nazywają ten rodzaj energii stałą kosmologiczną.

Na wczesnych etapach ewolucji Wszechświata większość energii miała postać promieniowania. Jednak promieniowanie rozprasza się szybciej niż materia, dlatego ostatecznie to właśnie materia stała się większościowym składnikiem całkowitej energii. Jeszcze później dominującą rolę zaczęła odgrywać ciemna energia – która nigdy nie ulega rozrzedzeniu, tak jak promieniowanie i materia – i obecnie stanowi około 70 procent gęstości energii Wszechświata.

Przed pojawieniem się ogólnej teorii względności Einsteina uczeni rozważali jedynie energię względną, czyli różnicę energii dwóch układów fizycznych. Dzięki teorii Einsteina dowiedzieliśmy się jednak, że także bezwzględna ilość energii ma znaczenie, ponieważ prowadzi do powstania siły grawitacyjnej, która może powodować kurczenie się lub rozszerzanie Wszechświata. Wielką zagadką związaną z ciemną energią nie jest pytanie o to, dlaczego ona istnieje – z mechaniki kwantowej i teorii grawitacji wynika, że powinna być obecna, a teoria Einsteina wyjaśnia, jakie niesie to konsekwencje fizyczne – ale o to, dlaczego jej gęstość jest tak mała. Mogłoby się wydawać, że nie powinno to mieć większego znaczenia, ponieważ i tak ciemna energia odgrywa dominującą rolę. Choć obecnie rzeczywiście stanowi większą część całkowitej energii Wszechświata, to dzieje się tak od niedawna – nastąpiło to wtedy, gdy materia i promieniowanie uległy ogromnemu rozproszeniu w wyniku ekspansji Wszechświata i dopiero od tej chwili ciemna energia mogła współzawodniczyć z innymi rodzajami energii. We wcześniejszych epokach gęstość ciemnej energii była bardzo mała w porównaniu z wkładem promieniowania i materii. Nie znając faktycznej wartości gęstości ciemnej energii, fizycy szacowali, że powinna ona być aż o 120 rzędów wielkości większa. Pytanie o to, dlaczego wartość stałej kosmologicznej jest tak mała, jest problemem nękającym fizyków już od wielu lat.

Wielu astronomów twierdzi, że kosmologia wkroczyła obecnie w okres renesansu, ponieważ teorie i obserwacje osiągnęły wreszcie taki poziom zaawansowania, że możemy prowadzić dokładnie zaplanowane badania pozwalające ustalić, które idee faktycznie znajdują swoje odzwierciedlenie we Wszechświecie. Biorąc jednak pod uwagę dominację ciemnej energii i ciemnej materii we Wszechświecie i fakt, że wciąż nie wiemy nawet, dlaczego aż tyle zwyczajnej materii przetrwało do naszych czasów, fizycy żartują czasem, że wciąż jeszcze nie wyszliśmy ze średniowiecza.

Jednak to właśnie te zagadki sprawiają, że badanie kosmosu jest obecnie tak fascynującym zajęciem. Uczeni poczynili już ogromne postępy w poszerzaniu naszej wiedzy na temat ciemnego sektora, jednak wielkie pytania wciąż czekające na odpowiedź będą wymagały dokonania nowych odkryć. Dla badaczy takich jak ja jest to najlepsza z możliwych sytuacji.

Można chyba powiedzieć, że fizycy badający „ciemną” stronę Wszechświata uczestniczą w przewrocie kopernikańskim w bardziej abstrakcyjnym znaczeniu tego określenia. Okazuje się, że nie tylko Ziemia nie jest już fizycznym środkiem Wszechświata, ale nawet tworzące nas składniki fizyczne nie mają decydującego znaczenia w bilansie energetycznym Wszechświata – ba, nawet nie stanowią większości zawartej w nim materii. Podobnie jak pierwszym obiektem kosmicznym badanym przez naszych przodków była Ziemia – w końcu był to najbliższy im obiekt tego typu – my skupiliśmy również swoją uwagę najpierw na materii, z której sami jesteśmy zbudowani, ponieważ jest ona najbardziej dla nas dostępna, oczywista i odgrywa kluczową rolę w naszym życiu. Eksploracja zróżnicowanych geograficznie i niejednokrotnie trudno dostępnych obszarów Ziemi nie zawsze była łatwa. Choć pełne poznanie naszej planety pozostało dużym wyzwaniem, powierzchnia Ziemi była bez wątpienia bardziej dostępnym i łatwiejszym do zbadania obiektem niż jej odleglejsze odpowiedniki – dalekie obszary Układu Słonecznego i przestrzeni kosmicznej.

Podobnie odkrycie najbardziej podstawowych elementów zwyczajnej materii było trudnym przedsięwzięciem, ale badania te i tak były o wiele prostsze od poznawania „przezroczystej” ciemnej materii, która jest dla nas całkowicie niewidoczna, choć obecna wszędzie wokół nas.

Sytuacja ta ulega jednak zmianie. Badanie ciemnej materii jest w chwili obecnej bardzo obiecującym zajęciem, ponieważ wydaje się, że w ustaleniu jej składu powinny nam pomóc standardowe prawa fizyki cząstek, a prowadzone przez cały czas poszukiwania już niedługo umożliwią weryfikację wysuwanych hipotez. Mimo słabości oddziaływania ciemnej materii uczeni mają realną szansę na to, by w najbliższym dziesięcioleciu odkryć naturę tej nieuchwytnej substancji. A ponieważ ciemna materia tworzy skupiska w galaktykach i innych strukturach, najnowsze obserwacje Galaktyki i Wszechświata będą dla fizyków i astronomów okazją do zmierzenia tej nieuchwytnej substancji w nowy sposób. Co więcej, jak się przekonamy, ciemna materia mogłaby nawet wyjaśnić niektóre dziwne cechy Układu Słonecznego związane z uderzeniami meteoroidów i ewolucją życia na Ziemi. Ciemnej materii nie musimy poszukiwać gdzieś w odległym zakątku kosmosu (i jest ona czymś rzeczywistym), nie potrzebujemy więc statku kosmicznego Enterprise, by do niej dotrzeć. Jednak biorąc pod uwagę rozwijane obecnie idee i technologie, z pewnością możemy powiedzieć, że ciemna materia będzie dla nas „ostateczną granicą” – a przynajmniej kolejnym fascynującym etapem podróży.

CIĄG DALSZY DOSTĘPNY W PEŁNEJ, PŁATNEJ WERSJI

PEŁNY SPIS TREŚCI:

Wstęp

Część I. Ewolucja Wszechświata

Rozdział 1. Tajne stowarzyszenie ciemnej materii

Rozdział 2. Odkrycie ciemnej materii

Rozdział 3. Wielkie pytania

Rozdział 4. Niemal sam początek: dobre miejsce, by zacząć

Rozdział 5. Narodziny galaktyki

Część II. Aktywny Układ Słoneczny

Rozdział 6. Meteoroidy, meteory i meteoryty

Rozdział 7. Krótkie, błyskotliwe życie komet

Rozdział 8. Na krawędzi Układu Słonecznego

Rozdział 9. Życie w zagrożeniu

Rozdział 10. Szok i przerażenie

Rozdział 11. Masowe wymieranie

Rozdział 12. Koniec dinozaurów

Rozdział 13. Życie w przyjaznej strefie

Rozdział 14. Historia lubi się powtarzać

Rozdział 15. Wybijanie komet z obłoku Oorta

Część III. Tożsamość ciemnej materii

Rozdział 16. Materia niewidzialnego świata

Rozdział 17. Co zrobić, żeby widzieć w ciemnościach?

Rozdział 18. Towarzyska ciemna materia

Rozdział 19. Prędkość ciemności

Rozdział 20. W poszukiwaniu ciemnego dysku

Rozdział 21. Ciemna materia a uderzenia komet

Podsumowanie. Spójrzmy w górę

Podziękowania

Literatura uzupełniająca

1 Warto w tym miejscu dodać, że czarne dziury są jednymi z kandydatów na ciemną materię – powiemy o tym więcej w dalszej części książki. Najnowsze obserwacje i badania teoretyczne sugerują jednak, że taki scenariusz jest bardzo mało prawdopodobny.