Tytuł oryginału: The Unknown Universe

Przekład: Łukasz Lamża
Redaktor prowadzący: Katarzyna Nawrocka
Redakcja: Elżbieta Meissner/Agencja Wydawnicza SYNERGY
Korekta: Ewa Różycka

Projekt okładki i stron tytułowych: Design Partners s.c.

Copyright © 2015 by Stuart Clark
Copyright for the Polish translation © Łukasz Lamża, 2019
Copyright for the Polish edition © Wydawnictwo JK, 2019

Wszelkie prawa zastrzeżone. Żadna część tej publikacji nie może być powielana ani rozpowszechniana za pomocą urządzeń elektronicznych, mechanicznych, kopiujących, nagrywających i innych bez uprzedniego wyrażenia zgody przez właściciela praw.

ISBN 978-83-66380-22-6 Wydanie I, Łódź 2019

Wydawnictwo JK
Wydawnictwo JK, ul. Krokusowa 3,
92-101 Łódź
tel. 42 676 49 69
www.wydawnictwofeeria.pl

Konwersję do wersji elektronicznej wykonano w systemie Zecer.

Wstęp. Dzień, w którym ujrzeliśmy Wszechświat

To był dzień, na który czekali wszyscy kosmolodzy. Obiecywano nam, że w tym dniu ujrzymy ostateczny obraz młodego Wszechświata. Był 21 marca 2013 roku, zaledwie 24 godziny po równonocy wiosennej – trudno byłoby wybrać na to wydarzenie bardziej symboliczny moment. Posępność zimy miała ustąpić wiosennej nadziei, a my wkraczaliśmy w nową erę kosmologii, w której wreszcie mieliśmy poznać odpowiedzi na pytania o początek Wszechświata.

Wszystko to zawierało się w jednym obrazie, który Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) miała przedstawić na konferencji prasowej w swojej siedzibie w Paryżu. Został on wykonany przez skonstruowanego przez ESA satelitę, który znajdował się 1,5 miliona kilometrów od Ziemi. Urządzenie to, na cześć wielkiego niemieckiego fizyka Maxa Plancka nazwane „Planck”, spędziło dwa i pół roku, skrupulatnie, piksel po pikselu, konstruując jeden tylko obraz.

Obraz wygenerowany na podstawie danych z sondy „Planck” pokazuje, jak wyglądałoby niebo, gdybyśmy zamiast światła widzialnego dostrzegali promieniowanie mikrofalowe. Na pierwszy rzut oka widok jest mało ekscytujący – po prostu przeplatające się ze sobą błękitne i złote plamy. Prawdopodobnie jest to jednak najważniejszy obraz Wszechświata, jaki kiedykolwiek wykonano.

Mikrofale i światło widzialne to zasadniczo dwie strony tego samego zjawiska: jedno i drugie to nic innego jak fale przenoszące energię w przestrzeni. Jedynym, co je odróżnia, jest długość fali. Mikrofale są mniej więcej 10 tysięcy razy dłuższe niż fale światła widzialnego. Nie oznacza to oczywiście, że ich długość jest olbrzymia. Długość mikrofal przedstawionych na obrazie z sondy „Planck” waha się od 0,3 do 11,1 milimetra. Podróżowały one przez Wszechświat niemal 14 miliardów lat. Należą więc do pierwszych promieni „światła”, jakie powstały we Wszechświecie, a ich wędrówka w przestrzeni rozpoczęła się ponad 9 miliardów przed powstaniem naszej planety. Choć obrazy tego promieniowania istniały już wcześniej, żaden nie był równie szczegółowy jak ten uzyskany przez „Plancka”; żaden nie obiecywał tak głębokiego wglądu w początki czasu.

Z przyczyn, które omówię w rozdziale 8, mikrofale te dowodzą, że Kosmos miał swój początek, a w każdym razie że kiedyś był dramatycznie inny, niż jest obecnie. Pikanterii całej sprawie dodaje fakt, że gdy w 1964 roku dwóch amerykańskich radioastronomów po raz pierwszy wykryło sygnał, który tego dowodzi, zlekceważono to jak kupę bzdur. A tak właściwie po prostu jak kupę.

Arno Penzias i Robert Wilson dłubali w starym radioodbiorniku, którego przez długi czas nikt nie używał. Budynek inżynierowie dzielili z parą gołębi, która zadomowiła się w pobliżu anteny i pokryła ją odchodami. Gdy się okazało, że urządzenie generuje równomierny szum, Penzias i Wilson uznali, iż to z winy zakłóceń wytwarzanych przez warstwę gołębich fekaliów. Postanowili więc wywieźć ptaki na drugi koniec stanu i wypuścić je tam, po czym wrócili, aby wyczyścić antenę.

Co jednak robią gołębie? Tak jest, wracają do swojego gniazda. Problem także powrócił, a Penzias i Wilson musieli znaleźć inne rozwiązanie. Tym razem było ono ostateczne – mówiąc oględnie, ich plan uwzględniał obecność człowieka ze strzelbą. Teleskop został ponownie wyczyszczony, a oni wrócili do obserwacji.

Szum nie zniknął.

Ostatecznie okazało się, że jego źródłem nie były odchody, lecz odkrycie na miarę Nobla: kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła. Najstarsze światło we Wszechświecie. Dziś badania nad nim stanowią jedno z kluczowych zadań kosmologii – nauki o Wszechświecie jako całości. Światło to zostało wyemitowane zaledwie po upływie 380 tysięcy lat od owego tajemniczego momentu, w którym miałby powstać Wszechświat, a który astronomowie określają jako Wielki Wybuch.

Tak jak archeolodzy, którzy sięgają ku coraz głębszym i głębszym warstwom Ziemi, aby zrozumieć wzorzec procesów ewolucyjnych, astronomowie wyglądają ku coraz dalszym i dalszym obiektom w Kosmosie. Im dalszy obiekt, tym więcej czasu zajmuje światłu pokonanie dzielącej go od nas odległości, a to oznacza, że obserwujemy coraz wcześniejsze fazy ewolucji Wszechświata. Jak przekonamy się w rozdziale 4, światło przemieszcza się szybko, ale jego prędkość nie jest nieskończona. W ciągu jednego roku pokonuje odległość 9,5 biliona kilometrów; dystans ten astronomowie określają jako rok świetlny. Gdy jakiś obiekt znajduje się w odległości 1 roku świetlnego od nas, jego obraz potrzebuje roku, aby do nas dotrzeć, a więc widzimy go takim, jakim był rok temu. Nie ma możliwości dowiedzieć się, jak wygląda w tej chwili. Uczucie to było powszechnie znane przed epoką komunikacji zdalnej, kiedy to po otrzymaniu listu nie było możliwości sprawdzenia, czy podane w nim informacje wciąż są aktualne.

Ta cecha świata może jednak zostać wykorzystana z pożytkiem: dzięki niej astronomowie mogą śledzić zmieniający się stan Wszechświata. Pomyślmy na przykład o naszym bliskim kosmicznym sąsiedztwie – otaczającym nas obszarze o średnicy kilkuset lat świetlnych. Gwiazdy znajdujące się na obrzeżach tego obszaru widzimy w takim stanie, w jakim były w okresie, gdy w Europie trwała epoka oświecenia. Najbliższy obłok galaktyczny, w którym dochodzi do powstawania gwiazd – Mgławica Oriona – znajduje się w odległości około 1300 lat świetlnych od Ziemi. Widziany dziś przez nas obraz tej mgławicy został więc wyemitowany w VII wieku, gdy prorok Mahomet zjednoczył mieszkańców Półwyspu Arabskiego i rozpoczęła się ekspansja islamu.

Wielki Obłok Magellana, nieduża galaktyka znajdująca się 158 tys. lat świetlnych stąd, prezentuje się nam taką, jaka była wtedy, gdy pierwsi ludzie wciąż jeszcze nie opuścili kontynentu afrykańskiego. Światło z galaktyki Andromeda, najbliższej nam dużej galaktyki, rozpoczęło swą podróż przez przestrzeń 2,3 miliona lat temu, czyli wtedy, gdy linia ewolucyjna Homo dopiero co oddzieliła się od innych człowiekowatych. Jeszcze jedna spora galaktyka, Centaurus A, znajduje się 13 milionów lat świetlnych stąd. Jej obraz pochodzi z okresu, który z grubsza zbiega się z pojawieniem się człowiekowatych na Ziemi. Badanie coraz to dalszych obiektów tego typu pozwala więc śledzić zmiany zachodzące we Wszechświecie.

Kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła, liczące sobie 13,7 miliarda lat, reprezentuje sobą najstarszy obraz Wszechświata, jaki jest w ogóle możliwy do uzyskania przy użyciu konwencjonalnych teleskopów. W czasie, gdy powstało, nie było jeszcze planet ani gwiazd, a tylko jedna wielka chmura atomów rozciągająca się na cały Wszechświat. Plamy na obrazie z sondy „Planck” ujawniają w tej chmurze niewielkie różnice gęstości materii. W miarę upływu czasu kosmicznego grawitacja coraz silniej przyciągała materię do miejsc, które były nieznacznie gęstsze niż inne, co ostatecznie doprowadziło do powstania pierwszych gwiazd. W pewnym sensie obraz z „Plancka” można by uznać po prostu za schemat konstrukcyjny naszego Kosmosu.

Sonda ta dokonuje pomiarów na granicy możliwości nie tyle technicznych, co raczej fizycznych. Inaczej mówiąc, zbudowanie lepszego instrumentu jest praktycznie niemożliwe. Obraz ten jest tak dobrej jakości, że ludzkość również nie może już liczyć na lepszy program służący do obserwowania mikrofalowego tła Kosmosu. Jak więc zrobić z niego użytek?

Wszechświat, w którym dziś żyjemy, ma postać hierarchicznej struktury, zbudowanej z różnego rodzaju świetlistych obiektów. Gwiazdy są ze sobą powiązane siłami grawitacji, tworząc potężne wirujące zbiorowiska określane jako galaktyki. Grawitacyjnie powiązane ze sobą galaktyki tworzą z kolei grupy i gromady, te zaś rozmieszczone są w przestrzeni w postaci włókien składających się na kosmiczną sieć. Cała ta wspaniała struktura wyrosła z niewielkich wariacji gęstości, których ślady obserwujemy w mikrofalowym promieniowaniu tła.

Wariacje te są więc najważniejszym punktem wyjścia dla programów komputerowych określanych jako modele, które odtwarzają ewolucję Wszechświata. W uproszczeniu sztuczka polega na tym, aby wyjść od wzorca zaobserwowanego w promieniowaniu tła i sprawdzić, czy z wykorzystaniem naszej obecnej wiedzy na temat fizyki jesteśmy w stanie tak go przekształcić, aby wyprowadzić z niego kosmiczną sieć galaktyk budującą dzisiejszy Wszechświat.

Modele te to struktury matematyczne, dla których punktem wyjścia są prawa fizyki oraz lista „składników” Wszechświata. Z punktu widzenia kosmologii kluczowym prawem fizyki jest grawitacja. Obok niej istnieją trzy dodatkowe oddziaływania przyrodnicze (z elektromagnetyzmem spotkamy się w rozdziale 4, a z dwiema siłami jądrowymi w rozdziale 7), odgrywają one jednak niewielką rolę w kształtowaniu Wszechświata w skali globalnej.

Składniki modelu wyznacza sześć parametrów. Dwa początkowe uzyskuje się przez pomiar niejednorodności tła mikrofalowego. Pierwszym jest amplituda tych niejednorodności, czyli skala zróżnicowania gęstości gazu w młodym Wszechświecie. Drugi dotyczy wielkości przestrzeni, w której te niejednorodności występują. Czasami wahania objętości odnoszą się do małych obszarów przestrzeni, innym razem do większych. Parametr ten wyraża różnicę amplitudy pomiędzy objętościami najmniejszymi a największymi.

Następnie przechodzimy do składników Wszechświata. Zasadniczą osią tej książki jest ścieżka, jaką przeszli kosmolodzy, próbując wyznaczyć średnią gęstość materii i energii we Wszechświecie. Okazało się, że zadanie to nie jest trywialne. Aby modele były choć w minimalnym stopniu skuteczne, konieczne jest przyjęcie założenia, że zwykłe atomy składające się na gwiazdy, planety i organizmy żywe stanowią nie więcej niż 4 procent całkowitej zawartości Wszechświata. Postać pozostałych 96 procent należy do nieznanych nam form materii i energii. Co gorsza, obliczenia pokazują, że szanse bezpośredniego wykrycia tych form plasują się na granicy naszych możliwości. Owe nieznane składniki Wszechświata określa się mianem ciemnej materii i ciemnej energii, a ich istnienie dedukuje się pośrednio, na podstawie pomiarów takich parametrów jak prędkość ruchu galaktyk.

Większość galaktyk zdaje się obracać zbyt szybko lub oddalać się od nas w rosnącym tempie. Kosmolodzy wywodzą więc wniosek, że dla zaistnienia takiego zjawiska potrzebna jest ciemna materia, która sprawia, że galaktyki wirują szybciej, oraz ciemna energia, z powodu której oddalają się od siebie nawzajem coraz szybciej. Ponieważ te trzy składniki – atomy, ciemna materia i ciemna energia – są od siebie zależne, można je sprowadzić do zaledwie dwóch parametrów. Jeśli wiemy, jaka jest zawartość we Wszechświecie dwóch spośród nich, udział tego trzeciego da się w prosty sposób obliczyć.

Piąty parametr standardowego modelu kosmologicznego dotyczy tego, kiedy powstały pierwsze gwiazdy. Wgląd w ten etap historii Kosmosu obecnie leży poza zasięgiem nawet najlepszych naszych teleskopów. W wyniku mającego wtedy miejsce katastrofalnego zdarzenia, kiedy to nowo powstałe gwiazdy uwolniły potężną dawkę promieniowania ultrafioletowego, niemal każdy atom wodoru we Wszechświecie został rozbity na części składowe. Zdarzenie to nastąpiło już po emisji mikrofalowego promieniowania tła, a jego przebieg miał decydujące znaczenie dla łatwości, z jaką fale tego promieniowania powędrowały przez przestrzeń.

Szóstym i ostatnim parametrem modelu, który odtwarza ewolucję Wszechświata, jest tempo ekspansji tego Wszechświata, wyrażane przez tzw. stałą Hubble’a. Paramert ten uzyskał nazwę na cześć amerykańskiego astronoma Edwina Hubble’a, który w 1929 roku opublikował dane stanowiące ostateczny dowód na ekspansję Wszechświata (zob. rozdział 8).

W idealnym świecie kosmolodzy dokonaliby pomiaru każdego z tych parametrów z wykorzystaniem odrębnych metod badawczych, następnie wstawiliby odpowiednie wartości do modelu, ten zaś wygenerowałby rozkład galaktyk idealnie odpowiadający rozkładowi, który obserwujemy w dzisiejszym Wszechświecie. W rzeczywistości nic nie jest tak proste. Jedne parametry można zmierzyć, wartość innych trzeba szacować.

A przecież są jeszcze założenia, takie jak istnienie ciemnej materii i ciemnej energii, oraz drobne matematyczne sztuczki, których należy dokonać, aby model przyjął postać dającego się przeprowadzić obliczenia. Jeśli któryś z tych dodatkowych elementów jest błędny, to sam model też jest błędny, a to, co myśleliśmy, że wiemy o Wszechświecie, rozpływa nam się przed oczami.

Wziąwszy pod uwagę już tylko te zastrzeżenia, trzeba powiedzieć, że poziom zaufania do modelu standardowego znacznie wzrósł dzięki wynikom uzyskanym przez sondę NASA o nazwie „WMAP” (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe – Sonda imienia Wilkinsona do pomiaru anizotropii promieniowania mikrofalowego). Był to poprzednik „Plancka”, wystrzelony w czerwcu 2001 roku. Słowo „anizotropia” to techniczne określenie na niejednorodności gęstości w młodym Wszechświecie i to one były przedmiotem obserwacji prowadzonych 9 lat przez „WMAP”. Obserwacje te znacząco poprawiły dokładność oszacowania dwóch pierwszych parametrów modelu, w wyniku czego dokładność jego przewidywań zwiększyła się około 68 000 razy.

W obliczu tego sukcesu kosmolodzy uznali, że model standardowy musi być zasadniczo poprawny i zaczęli głosić jego zwycięstwo. Na stronie internetowej „WMAP” wypisano 10 osiągnięć dokonanych dzięki odkryciom tej sondy: od ustalenia wieku Wszechświata, po udział procentowy zwykłych atomów w całkowitej masie Wszechświata. Naukowcy uznali, że w końcu wkroczyliśmy w erę „kosmologii precyzyjnej”. Na wspomnianej stronie internetowej nie zostały jednak wymienione wszystkie te fakty, których dane z „WMAP” w połączeniu z modelem standardowym nie są w stanie wyjaśnić.

„WMAP” wykrył między innymi, że istnieje takie miejsce na niebie, w którym niejednorodność promieniowania jest większa, niż pozwalał na to model standardowy. Miejsce to – ponieważ na podstawie anizotropii można obliczyć temperaturę – zaczęto określać jako „zimny punkt”, sygnał był jednak na tyle słaby, że niektórzy uznali, iż tak naprawdę może chodzić o szum generowany przez instrumenty pomiarowe.

Kluczowe pytanie brzmiało więc: Czy „Planck” też ujrzy „zimny punkt”?

Pojawiły się także niepokoje o charakterze bardziej ogólnym, związane z dwiema składowymi modelu standardowego: ciemną materią i ciemną energią. Po dziesięcioleciach prac teoretycznych i eksperymentalnych nie doszło bowiem do żadnego przekonującego odkrycia choćby jednej cząstki ciemnej materii. Jak przekonamy się w rozdziale 7, sygnały docierające do nas z rozsianych po całym świecie detektorów ciemnej materii są mylące, jeśli nie sprzeczne.

Ciemna energia jest jeszcze bardziej tajemnicza. W świetle znanej nam obecnie fizyki nie wyłania się żaden naturalny kandydat, który mógłby przyjąć jej tożsamość. Niektóre spośród dyskutowanych dziś hipotez – jak choćby supersymetria w fizyce cząstek (zob. rozdział 7) – powstały właśnie po to, by wykluczyć istnienie tego typu formy energii. Może więc ciemna materia i ciemna energia są nierzeczywiste? Może są tylko złudzeniem wynikającym z naszego głębokiego niezrozumienia Wszechświata? Jeśli tak, to model standardowy trzeba będzie zmienić.

Żaden z tych niepokojów nie został jednak podniesiony przez astrofizyka NASA i laureata Nagrody Nobla Johna Mathera, który w przeddzień konferencji ESA wypowiedział się dla BBC w następujący sposób: „Mam nadzieję, że czeka ich tam coś zaskakującego. Samo stwierdzenie «No tak, nasi poprzednicy mieli rację» nie byłoby zbyt ekscytujące. Ostatnie cyfry po przecinku nigdy nie są nadmiernie ciekawe. To, co nas interesuje, to jakieś nowe zjawisko”¹.

Mather otrzymał Nagrodę Nobla z fizyki za badania nad mikrofalowym promieniowaniem tła prowadzone przy użyciu sondy o nazwie „COBE” (Cosmic Background Explorer). Rok później czasopismo „Time” wymieniło go wśród 100 najbardziej wpływowych osób na świecie. Dziś jest kierownikiem największej prowadzonej przez NASA misji kosmicznej na świecie – teleskopu kosmicznego Jamesa Webba (James Webb Space Telescope), której budżet opiewa na oszałamiające 8 miliardów dolarów. Tak czy inaczej, opinia tego człowieka zasługuje na uwagę.

Jego słowa stanowiły publiczny wyraz przekonania, z którym już kilkakrotnie miałem do czynienia w komentarzach nieoficjalnych. Wielu naukowców mówiło mi prywatnie, że ich zdaniem „Planck” to strata pieniędzy, ponieważ „WMAP” pozwolił już kosmologom wydobyć z promieniowania tła wszelkie użyteczne informacje. Wniosek był jasny: dodatkowa precyzja potwierdziłaby po prostu to, co i tak już wiemy dzięki „WMAP”.

W uwadze Mathera o „ostatnich cyfrach po przecinku” kryła się pewna ironia. Nagrodę Nobla, którą dzielił z kosmologiem George’em Smootem, otrzymał on za badania struktury młodego Wszechświata za pośrednictwem analizy anizotropii temperatury w kosmicznym promieniowaniu tła. Anizotropię tę wykryto właśnie na poziomie ostatnich cyfr po przecinku, które dało się wydobyć z dostępnych wówczas danych.

Temperatura gazu wypełniającego Wszechświat w momencie emisji promieniowania tła wynosiła około 3000°C, podczas gdy średnia wartość badanych przez naukowców wahań to ok. 20 milionowych stopnia. A jednak z tych niemal niewykrywalnych wariacji temperatury wyłoniły się galaktyki, z których każda miała liczyć od setek tysięcy po setki miliardów gwiazd.

Ostatnie cyfry po przecinku wcale nie są bez znaczenia. To właśnie tam kryje się to, co najbardziej interesujące – zjawiska leżące tuż poza granicami naszego rozumienia: wszystkie te subtelne detale, które wciąż jeszcze pozostają do wytłumaczenia. To właśnie z powodu ostatnich cyfr po przecinku naukowcy zawsze chcą większych, lepszych, bardziej precyzyjnych instrumentów badawczych.

Coraz bardziej szczegółowe obserwacje są fundamentem każdej prawdziwej nauki. To dzięki nim dowiadujemy się, jaki tak naprawdę jest Wszechświat, a nie tylko jak prezentuje się on w uśrednionych modelach teoretyków. Świat miał się o tym przekonać już w ciągu najbliższych 24 godzin.

Gdy rozpoczynała się konferencja ESA, wszyscy mieli nerwy napięte do granic możliwości.

Ci, którzy nie mogli być na niej osobiście, oglądali ją na żywo przez internet. Na Twitterze huczało.

Aby pokazać, jak ważne jest to wydarzenie dla całej agencji kosmicznej, jako pierwszy wypowiedział się dyrektor generalny ESA Jean-Jacques Dordain. Z wielkim namaszczeniem oznajmił łamaną angielszczyzną, że „Planck” pokazał nam „niemal doskonały” Wszechświat. Co miał jednak na myśli, mówiąc „niemal doskonały”?

Następnie głos zabrał profesor George Efstathiou z uniwersytetu w Cambridge. Jako jeden z wiodących współczesnych kosmologów, Efstathiou swego czasu zajmował w Oksfordzie to samo stanowisko, które w XVII wieku piastował słynny astronom Edmund Halley.

Na początku konferencji prasowej Efstathiou wydawał się spięty. Miał zaciśnięte wargi i przygarbione plecy. Gdy jednak zaczął mówić, napięcie ustąpiło; wypowiadał się swobodnie i płynnie, z dużą precyzją, niemal beznamiętnie. Bez zbędnych fanfar obwieścił, że widoczny na ekranie obraz to najbardziej precyzyjna mapa mikrofalowego promieniowania tła, jaką kiedykolwiek uzyskano. „To prawdziwa kopalnia informacji”, powiedział, przyznał jednak, że na pierwszy rzut oka „może ona wyglądać jak brudna piłka do rugby albo abstrakcyjny awangardowy obraz”.

Nikt nie zaśmiał się z żartu Efstathiou, a on kontynuował, zapewniając zgromadzonych, że istnieją kosmolodzy, którzy chętnie „zhakowaliby nasze komputery, a nawet oddaliby swoje dzieci, byleby tylko uzyskać kopię tej mapy”. Wciąż nikt się nie śmiał.

Następnie stwierdził, że mapa „Plancka” jest niezwykle ekscytująca, jednak zamiast wyjaśnić nam, dlaczego tak jest, przeszedł do wykładu na temat podstaw kosmologii. Od początku konferencji minęło niemal pół godziny, a my nie usłyszeliśmy nic nowego. Gdy przyszło do formułowania wniosków, w praktyce sprowadzały się one do drobnych korekt tego, co już wiedzieliśmy. Jest 5 procent zwykłej materii, a nie 4; stosunek ilości ciemnej materii do ciemnej energii jest nieco inny; Wszechświat jest 80 milionów lat starszy, niż przypuszczaliśmy, a więc liczy 13,8 miliarda, a nie 13,7 miliarda. Wniosek jest taki, stwierdził Efstathiou, że standardowy model kosmologiczny pozostaje w doskonałej zgodności z danymi z „Plancka”.

Konferencję śledziłem z domu, w pełnej gotowości, aby opisać najnowsze rezultaty z „Plancka” dla „Across the Universe” – mojego bloga astronomicznego² zawieszonego na stronie internetowej dziennika „The Guardian”. Z każdą chwilą czułem coraz silniejszy niepokój. W pewnym momencie dostałem maila od kolegi, redaktora działu naukowego w dużym brytyjskim medium, o treści: „Jeżeli to wszystko, co zamierzają powiedzieć, to jest to jakiś koszmar”.

I rzeczywiście, na naszych oczach zaczęły materializować się najgorsze lęki Johna Mathera.

Wtedy jednak wszystko się odmieniło. Efstathiou powiedział: „Są jednak pewne problemy i to dlatego wcześniej użyliśmy określenia «niemal doskonały Wszechświat»”.

Z każdym kolejnym zdaniem mówił coraz bardziej niepewnie; teraz jego wzrok skierowany był w dół. Powtórzył, jak bardzo model standardowy sprawdzał się w interpretacji danych i dodał, że właściwie w tym momencie mógłby przerwać i powiedzieć: „kosmologia się skończyła”. Z pewną niechęcią zmusił się jednak, by kontynuować: „Ponieważ jednak dane tak dobrze zgadzają się z teorią, tym bardziej krytycznie powinniśmy przyjrzeć się temu, co wydaje się nie zgadzać. Musimy przyjrzeć się temu, co się nie zgodziło, ponieważ to właśnie tam może kryć się nowa fizyka”.

W końcu się zaczęło. Oto te „nowe zjawiska”, na które liczył Mather (i my wszyscy!). Miał nas czekać krok w nieznane.

Efstathiou wyjaśnił, że w największej skali przestrzennej fluktuacje temperatury są mniejsze, niż się tego spodziewaliśmy, co nie jest możliwe w ramach standardowego modelu kosmologicznego. Co więcej, fluktuacje temperatury są, licząc średnio, silniejsze z jednej strony nieba niż z drugiej. A tego model standardowy zdaje się zakazywać. Wreszcie zaś, co potwierdziło wydane przy okazji konferencji ogłoszenie prasowe, ale o czym nie wspomniał Efstathiou, „zimny punkt” z „WMAP” został zaobserwowany również przez „Plancka”.

Jakość obserwacji wykluczała ewentualność, że wszystkie te anomalie są tylko artefaktem obserwacyjnym. To rzeczywiste cechy młodego Wszechświata – i to takie, których nie sposób zrozumieć przy użyciu standardowej teorii. Zespół „Plancka” próbował wszystkich dostępnych sztuczek i korekt, aby je wyjaśnić – na próżno. Dane z „Plancka” pokazały, mówiąc słowami Efstathiou, że „kosmologia się nie skończyła”.

W lutym 2015 roku Chuck Bennett, profesor fizyki i astronomii na Uniwersytecie Johna Hopkinsa, wraz ze współpracownikami, dokonał dogłębnego porównania pomiędzy modelem kosmologicznym wyłaniającym się z danych z „WMAP” i tym wynikającym z obserwacji „Plancka”³. Odkryli rzecz niepokojącą: dwa uzyskane w ten sposób rozwiązania nie są ze sobą zgodne – każdy z nich opisuje inny Wszechświat. Jest jasne, że coś nam umyka. Te dwa modele nie musiałyby oczywiście zgadzać się ze sobą w stu procentach; nie powinny być jednak sprzeczne. Niezgodność ta wciąż jest przedmiotem badań: albo jeden ze zbiorów danych został źle skalibrowany, albo model standardowy zawiera błąd.

Jak jednak mamy dokonać postępu, skoro dane z „Plancka” stanowią najlepszy obraz anizotropii promieniowania mikrofalowego, na jaki możemy liczyć, owo zaś promieniowanie to nasze podstawowe źródło informacji o młodym Wszechświecie?

Czy, przy wszystkich naszych osiągnięciach, wciąż żyjemy w nieznanym Wszechświecie, który czeka na odkrycie i zrozumienie?

Prawdę mówiąc, nawet Douglas Adams nie potrafiłby tego lepiej wymyślić. To było tak, jak gdyby historia z 42 wydarzyła się w świecie rzeczywistym. Większość kosmologów uważała, że odpowiedź na Wielkie Pytanie o Życie, Wszechświat i Całą Resztę (przez co należy rozumieć pytania o początki Wszechświata) stanie się jasna dzięki danym z „Plancka”, a teraz nikt tak naprawdę nie wiedział, co o nich sądzić.

Większość uważa, że trudności te sprowadzą się ostatecznie do wyjaśnienia paru detali i postawienia kilku kropek nad „i”, jednak coraz silniejsza mniejszość widzi w nich oznaki tego, że nasze poglądy na temat Wszechświata są całkowicie błędne.

To właśnie tym nieznanym terytoriom poświęcona jest niniejsza książka. Poszukiwanie odpowiedzi doprowadzi nas do najbardziej tajemniczych miejsc we Wszechświecie – w serca czarnych dziur, do momentu Wielkiego Wybuchu i ku konfrontacji z naturą naszej rzeczywistości.

A wszystko to rozpoczęło się przy Wielkiej Drodze Północnej łączącej Londyn z Edynburgiem, gdzieś między Londynem a Cambridge, w ostatnich dekadach XVII wieku.

http://www.bbc.co.uk/news/science-environment-21828202 [wróć]

www.theguardian.com/science/across-the-universe/2013/mar/21/ european-space-agency-astronomy [wróć]

http://arxiv.org/abs/1409.7718v2 [wróć]

1. Architekt Wszechświata

Był sierpień 1684 roku, dwadzieścia lat po Restauracji Stuartów. Rządy Karola II stopniowo przestawały ekscytować Brytyjczyków. Drogi były w kiepskim stanie, a letnia fala gorąca z pewnością nie pomagała; grunt musiał być popękany, a powietrze szare od pyłu. To był chyba jednak najmniejszy z problemów, z jakimi borykał się Edmund Halley w drodze z Londynu do Cambridge.

Dwa lata przed trzydziestymi urodzinami Halleyowi można było wręcz pozazdrościć sytuacji życiowej. Był powszechnie uważany za jednego z wiodących współczesnych astronomów, a dzięki majątkowi ojca mógł swobodnie realizować swoje zamiłowanie do gwiazd. Halleyowie zajmowali się produkcją mydła, a po Wielkiej Zarazie w latach 1665–1666, gdy kąpiele stały się modne wśród Londyńczyków, niespodziewane dorobili się wielkiego bogactwa.

Dzięki dobrej sytuacji ekonomicznej swojej rodziny Edmund zdobywał edukację w prestiżowej St Paul’s School w Londynie, a następnie w Queen’s College w Oksfordzie. Tam wyrósł na przystojnego i bystrego młodzieńca, który nie stronił od dam i cieszył się reputacją niespokojnego ducha. Okrył się sławą, gdy zrezygnował ze studiów, uznawszy, że przestarzały sylabus tłamsi jego intelekt, a następnie uzyskał patronat króla nad projektem utworzenia mapy południowego nieba z tropikalnej Wyspy Świętej Heleny na Oceanie Atlantyckim. Tego typu mapa miała wówczas kapitalne znaczenie militarne, cała marynarka wojenna nawigowała bowiem w oparciu o precyzyjne mapy nieba.

Halley z ogromną pewnością siebie wywiązał się z powierzonego mu zadania i 18 miesięcy później powrócił z mapą informującą o położeniu 341 gwiazd. Nazwał ponadto jeden z gwiazdobiorów mianem Robur Carolinum (Dąb Karola)¹, na cześć drzewa, w którym jego król miał skrywać się przed żołnierzami Olivera Cromwella po bitwie pod Worcester w 1651 roku.

Mapa nieba Halleya ulokowała go na mapie europejskiej społeczności naukowej. W niedługim czasie podróżował już po całym kontynencie, odwiedzając najwybitniejszych astronomów swojej epoki, aby omawiać z nimi najnowsze odkrycia i techniki obserwacyjne. W 1682 roku zaobserwował kometę, która później miała otrzymać jego imię za sprawą pionierskich obliczeń jej orbity, których dokonał w 1704 roku. W 1684 roku zajmowały go jednak nie orbity komet, lecz ruchy planet. To właśnie związane z nimi zagadki skierowały go tego lata ku Cambridge, a później miały pchnąć świat w kierunku zupełnie odmiennego rozumienia Kosmosu i zupełnie nowej metody gromadzenia wiedzy.

W przeszłości Wszechświat uważano za względnie prosty. Były Słońce, Ziemia i Księżyc – trzy najbardziej oczywiste ciała niebieskie. Były też gwiazdy, pojawiające się co noc, stale w tych samych konstelacjach. Oprócz tego istniało pięć cudownie tajemniczych obiektów, pięć widocznych gołym okiem planet. Merkury, Wenus, Mars, Jowisz i Saturn gonią się po niebie, każdy w swoim tempie, napędzani przez nieznane siły. To zresztą właśnie ten ruch kazał Grekom określić te obiekty jako planetes (wędrowców).

Wiedziano o nich niewiele ponad to, że różnią się barwą i jasnością. Mars był czerwony. Jowisz i Wenus stanowiły dwa jaśniejące białe punkty, choć ten pierwszy często widziano na w pełni zaciemnionym nocnym niebie, a ta druga ujawniała się tylko o świtaniu i o zmierzchu. Pod tym względem łączyło ją pewne pokrewieństwo z Merkurym, którego nigdy nie sposób było przyskrzynić po ciemku. Saturnowi z kolei nie była obca najczarniejsza noc, a jego złowieszczą obecność i żółtawą barwę kojarzono ze smutkiem i przygnębieniem, podobnie jak przynależny mu w alchemii ołów.

Pytanie o przyczynę ruchu planet pozostawało bez odpowiedzi przez tysiąclecia. Niektórzy uważali, że odpowiedzialne są za niego zastępy maszerujących aniołów, to jednak prowadziło do kolejnego pytania: dlaczego? Jeśli we wszystkich tego typu poszukiwaniach występowało jakieś wspólne, nieme założenie, to tylko to, że niebiosa są uporządkowane i nic nie dzieje się na nich bez przyczyny. Jakiemu celowi służą więc nieustające w swym ruchu sfery niebieskie?

Astrologia, system poglądów zogniskowany wokół przewidywania przyszłości, oferowała na to pytanie swoją odpowiedź. Wpływ planet, uważali astrolodzy, docierał na Ziemię, oddziałując na nasze emocje i osobowość. Saturn, jak już wspomniałem, odpowiadał za ponure myśli i apatię. Jowisz związany był z nastrojem myśliwskim. Wszystko – od namiętności, przez muzykę, po działania wojenne – wywodziło się od planet. Położenie niebiańskich wędrowców w momencie naszego narodzenia wywierało na nas trwały wpływ, czyniąc nas szczególnie podatnymi na wykształcenie określonych cech charakteru. Im wyżej na niebie znajdowała się planeta, tym ten wpływ był silniejszy. Pod wieloma względami astrologia stawała się prekursorem psychologii, szukając źródeł naszej osobowości i przyczyn, dla których zachowujemy się tak a nie inaczej.

Porównując bieżące położenie planet z tym, jakie zajmowały one w momencie narodzin klienta, astrolog doradzał, jak przyszłe zdarzenie wpłynie na delikwenta i jaka jest w związku z tym najbardziej wskazana ścieżka postępowania: być może należało poczekać, aż dana planeta zajdzie lub na niebie pojawi się inna, o przeciwnym charakterze.

Niemiecki matematyk i astronom Johannes Kepler (1571–1630) w dużym stopniu zarabiał na życie właśnie jako astrolog. W tym celu musiał dokładnie znać położenie gwiazd i planet. Tu wkracza astronomia, dostarczająca map nieba i efemeryd planet. Rzeczywista natura planet i czynniki determinujące ich orbity pozostawały jednak nieznane, ponieważ astrologowie po prostu nie potrzebowali tego typu informacji. Większości z nich wiedza taka nie interesowała, gdyby ich jednak przycisnąć, mogliby odpowiedzieć, że ruch ciał niebieskich wynika z woli Boga, jest więc poza zasięgiem głupiutkich ludzi.

Kepler na tym nie poprzestawał. Zastanawiała go natura oddziaływań astrologicznych. Spekulował nawet, czy nie dałoby się skonstruować domu wyposażonego w specjalną warstwę ochronną, która chroniłaby jego mieszkańców od wpływów planetarnych (często niepożądanych). Tego typu myślenie doprowadziło go do badań nad naturą planet.

Pracujący w pierwszych dekadach XVII wieku Kepler prowadził coś, co później określił jako „wojnę z Marsem”. Potrzebował więcej niż dziesięciu lat, aby zatriumfować.

Jak wielu sobie współczesnych, był człowiekiem głęboko religijnym i przekonanym o istnieniu porządku we Wszechświecie. Poszedł jednak o krok dalej, wierząc, że porządek ten ma charakter matematyczny, a dzięki zastosowaniu geometrii możliwe jest odkrycie niczego innego, jak tylko wzorca boskiego projektu Kosmosu.

W poszukiwaniu tego wzorca spędził lata, próbując ustalił rozmiar i kształt orbity Marsa i studiując dane obserwacyjne zgromadzone przez wybitnego duńskiego astronoma Tychona Brahe. Analizę utrudniał fakt, że Ziemia, wędrująca po własnej orbicie, stanowi ruchome obserwatorium. Pierwszym zadaniem było więc odjęcie od wyników Brahe skutków ruchu Ziemi. Dokonawszy tego, Kepler odkrył rzeczywisty ruch Marsa, dokonujący się po orbicie eliptycznej wokół Słońca. Zachęcony tym sukcesem przeszedł do innych planet i za każdym razem stwierdzał, że poruszają się one po orbitach eliptycznych.

Wyniki jego zmagań jeszcze dziś budzą podziw. Po ponad dekadzie wysiłku i niestrudzonego powtarzania obliczeń odkrył, że ruchy planet można opisać za pomocą zaledwie trzech praw matematycznych. Owe trzy prawa po dziś dzień są omawiane na początku każdego współczesnego kursu astronomii.

Pierwsze z nich głosi, że planety poruszają się po orbitach eliptycznych wokół Słońca. Drugie to precyzyjny opis matematyczny tego, w jaki sposób planety przyspieszają w pobliżu Słońca i zwalniają wraz z oddalaniem się od niego. Trzecie prawo wiąże ze sobą średnią prędkość planety z wielkością jej orbity; z prawa tego wynika, że planety bardziej odległe poruszają się wolniej.

Osiągnięcie Keplera przyniosło oczywiście potężny postęp naukowy, jednak nie mniej doniosła była wartość jego odkrycia dla kultury. Mierząc położenia gwiazd, Tycho Brahe usidlił przyrodę i wyraził ją przez liczby. Kepler posłużył się matematyką, aby z tych informacji – setek stron surowych danych – wydestylować coś bardzo znaczącego: precyzyjny opis ruchu planet, który można zanotować w trzech linijkach prostej matematyki. A przy tym dokonał tego w dziedzinie, która zdawała się najsilniej wymykać ludzkim mocom poznawczym: w badaniach niebios.

Praca Keplera zagrzała wszystkich do boju. Oto obserwacje w połączeniu z mocą ludzkiego umysłu pozwalają na rozwikłanie sekretów należących do sfer Wszechświata, o których osobistym dosięgnięciu żaden człowiek nie mógłby nawet marzyć.

Przy całym sukcesie, jaki odniósł Kepler, jego teoria nie odpowiadała jednak na wszystkie pytania. Dało się przy jej użyciu opisać ruch planet, ale nie przyczynę tego ruchu. Intuicja podpowiadała mu, że jest to jakiegoś typu wpływ pochodzący od Słońca, jednak natura matematyczna tego wpływu mu umykała. Ostatecznie Kepler raczej przetarł szlak, niż dotarł do punktu docelowego. Wiele lat później Edmund Halley wędrował tą samą ścieżką – i nie był na niej sam.

W Londynie grupa dżentelmenów, którzy poświęcili życie na badania przyrodnicze, zebrała się pod egidą Karola II, przyjmując dla swojego stowarzyszenia nazwę Towarzystwa Królewskiego w Londynie dla Rozszerzania Wiedzy o Przyrodzie (Royal Society of London for Improving Natural Knowledge). Dziś organizację tę określa się po prostu jako Royal Society, jednak jej motto pozostało bez zmian: nullius in verba. Zwrot ten można luźno przetłumaczyć jako „nie [wierzyć] na słowo” – wyraża on zasadę, iż opinia jednostki nie ma znaczenia w nauce. Nie można zaakceptować żadnej wiedzy, dopóki obserwacje nie potwierdzą, że jest ona zgodna z rzeczywistym stanem rzeczy.

W styczniu 1684 roku Halley spotkał się z dwoma innymi członkami Towarzystwa Królewskiego. Byli to astronom i architekt Christopher Wren oraz doświadczalnik i geodeta Robert Hooke. Obaj kierowali procesem odbudowy Londynu po Wielkim Pożarze 1666 roku, jednak tego wieczora rozmowa dotyczyła tego, co właściwie sprawia, że planety postępują w zgodzie z prawami Keplera.

Po wykonaniu paru drobnych operacji matematycznych wszyscy wspólnie doszli do wniosku, że z trzeciego prawa Keplera, wiążącego ze sobą średnią prędkość planety z jej odległością od Słońca, wynika występowanie siły o bardzo szczególnym charakterze: takiej, która spada wraz z kwadratem odległości. Oznacza to, że gdyby dwukrotnie zwiększyć odległość planety od Słońca, siła spadłaby czterokrotnie; gdyby odległość wzrosła trzykrotnie, siła zmalałaby dziewięciokrotnie. Wyzwanie polegało na tym, aby wykazać matematycznie, iż tego typu prawo prowadzi do wykształcenia się orbit eliptycznych.

Trzech filozofów pochylało się nad stołem w aromatycznym cieple Jonathan’s Coffee House, ukrytej w labiryncie uliczek w samym sercu londyńskiego City, gdy Hooke ogłosił, że potrafi tego dowieść, jednak z demonstracją wstrzyma się do czasu, aż inni spróbują i poniosą klęskę. Wren zaoferował mu za ów dowód 40 szylingów, jednak Hooke był nieprzejednany.

Nie jest dziś jasne, jakie są przyczyny takiego zachowania Hooke’a. Być może kłótliwy doświadczalnik po prostu się przechwalał. Dowód ów z pewnością nie jest prosty do przeprowadzenia, a Hooke nie należał do przesadnie zdolnych matematyków. Halley rachował znacznie lepiej, zadanie było jednak ponad jego siły i ostatecznie w sierpniu 1684 roku skierowało jego kroki do Cambridge. Astronom postanowił poprosić o pomoc Isaaka Newtona.

Newton cieszył się wówczas mieszaną reputacją i nie był jeszcze publicznie szanowaną figurą, jaką stał się pod koniec życia. Pogardzał londyńską socjetą i rodzącym się towarzystwem tamtejszych filozofów przyrody, realizując się w znacznie bardziej mrocznej dziedzinie alchemii. Całymi dniami siedział przy palenisku w zaciemnionych pomieszczeniach Trinity College, skąpany w gryzących wyziewach, mieszając substancje i próbując rozwikłać sekrety transmutacji.

Celem prawdziwego alchemika było nie poszukiwanie bogactw, lecz próba uzyskania kamienia filozoficznego. Eliksir ten miałby przekształcać jedną substancję w drugą, tak więc zamiana prostych metali w złoto stanowiłaby tylko jeden z przykładów tkwiących w nim mocy. Kamień filozoficzny miałby również kryć w sobie sekret różnicy pomiędzy organizmami żywymi a materią nieożywioną. Tego chciał Newton: władzy nad życiem i śmiercią.

Wystarczająco dramatycznie brzmiałoby już stwierdzenie, że wizyta Halleya zmieniła życie Newtona, jednak prawda jest taka, że wizyta ta odmieniła bieg historii. Świat, w którym dzisiaj żyjemy, spoczywa na fundamencie pracy, do której skłoniła Newtona właśnie rozmowa z Halleyem. Gdy jednak Halley wkraczał do pokoju Newtona w Trinity College, żaden z nich nie wiedział, jakie cuda ujawnią się przed ich oczami.

Zgodnie ze świadectwem, jakie Newton przekazał swojemu przyjacielowi francuskiemu matematykowi Abrahamowi de Moivre, Halley zadał mu proste pytanie: jaka byłaby ścieżka planety pod wpływem siły spadającej wraz z kwadratem odległości? Newton odpowiedział: eliptyczna, czyli taka, jaką opisuje pierwsze prawo Keplera. Halley uniósł się „radością i podziwem” i poprosił o dowód. Przeszukawszy swoje notatki, Newton stwierdził, że dowód zaginął.

Można sobie tylko wyobrażać zawód, jaki przeżył Halley. Oto już drugi człowiek, który twierdzi, że przeprowadził całe rozumowanie, jednak nie jest w stanie tego zademonstrować. W przeciwieństwie do Hooke’a, Newton obiecał, że ponownie spisze swój dowód i prześle go do Londynu, Halley odjechał więc z pustymi rękami. Mijały miesiące i z każdym dniem obietnica Newtona musiała mu się zdawać coraz mniej godna wiary.

Halley nie wiedział jednak, co działo się w tym czasie w Cambridge. Newton porzucił alchemię i z niespotykaną wcześniej energią rzucił się w wir filozofii przyrody.

Po nieszczęśliwym początku, gdy wiele obliczeń okazało się błędnych, po mylnym oznaczeniu osi na pośpiesznie sporządzonym wykresie, nastąpił postęp. Newtonowi udało się wyprowadzić pierwsze prawo Keplera, po czym zdał sobie sprawę, że do zrobienia jest więcej – znacznie więcej. W listopadzie praca była ukończona.

Przesłany Halleyowi dokument zawierał wyprowadzenia wszystkich trzech praw Keplera oraz uogólnioną formę pierwszego z nich, zgodnie z którą kształt orbity wynika ze średniej prędkości danego ciała niebieskiego. Elipsa to tylko jedna z możliwości; możliwe są również inne figury matematyczne.

Halley był pod wielkim wrażeniem i natychmiast udał się z kolejną wizytą do Cambridge, aby uzyskać zgodę Newtona na upowszechnienie jego pisma. Newton odmówił, twierdząc, że praca nie jest jeszcze ukończona. Dokonując obliczeń w celu wyjaśnienia ruchów planet, uświadomił sobie możliwość skonstruowania zupełnie nowej nauki wyjaśniającej ruch wszystkich ciał fizycznych – nie tylko planet.

Trajektorie planet można było obliczyć ściśle, nie uwzględniając tarcia ani innych form oporu charakterystycznych dla ruchu. Gdy jednak wzięto tego typu siły pod uwagę, ujawniały się inne trajektorie – przypominające ruch ciał spadających na powierzchnię Ziemi. Zafascynowany tym faktem matematyk z Cambridge drapieżnie rzucił się na temat. Spod jego pióra wypływały kolejne listy do europejskich filozofów z prośbą o informacje o obserwacjach i pomiarach, które mogłyby mu posłużyć do sprawdzania poprawności jego przewidywań. Pytał o godziny przypływów i odpływów w Deptford, obserwacje zbliżeń Jowisza i Saturna oraz ścieżki wędrujących po nocnym niebie komet.

W jednym z tych listów, do Astronoma Królewskiego Johna Flamsteeda Newton zadeklarował, że jego praca pozostanie utajniona, dopóki nie będzie z niej w pełni zadowolony. „Wolałbym dogłębnie to wszystko zrozumieć, zanim opublikuję swoje prace”, pisał.

Zajęło to niemal trzy lata. W okresie tym praktycznie nie opuszczał domu i zajmował się głównie pracą. Pokój dzielił ze swoim sekretarzem Humphreyem Newtonem. Choć nie byli spokrewnieni, Humphrey poznał Isaaka lepiej niż którykolwiek z członków jego rodziny. Był świadkiem kompulsywnych zachowań wielkiego filozofa i opisywał, że bywał on tak pochłonięty pracą, że jadał tylko sporadycznie, czasem całkowicie zapominał o posiłkach, a zajęcia domowe wykonywał kompletnie bezwiednie, uporczywie myśląc o pracy. Zdarzało się, że wykrzykiwał jak Archimedes, biegł do biurka i pośpiesznie zapisywał kolejne strony tekstu, nie mając nawet czasu na to, by usiąść.

W 1687 roku opus magnum Newtona, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica², było ukończone. Filozof i jego dzieło wyszli na światło dzienne z pracowni w Cambridge, ku odmienionej Anglii.

Karol II zmarł, a koronę otrzymał jego brat – katolik Jakub II – przy niechęci protestanckiego rządu. W osobie Jakuba uobecniała się stale niepokojąca Anglików groźba władzy Watykanu. Sytuacja polityczna była niespokojna, a nad krajem unosiło się widmo wojny domowej. W powietrzu czuć było niepewność i chaos.

Tym, którzy potrafili zrozumieć zawiłą matematykę Newtona – i, co równie istotne, skłonni byli w nią uwierzyć – Principia dawały znak pewności. Praca ta wykazywała, że ruch zawsze wynika z siły. Jeśli dane ciało się porusza, zawsze można obliczyć, jaką przyłożono do niego siłę. Czasem ma ona charakter oczywisty, jak wtedy, gdy wół ciągnie wóz, dziewczynka podrzuca piłkę albo grupa mężczyzn opiera się o mur, aby go obalić. W innych sytuacjach źródło siły jest nieoczywiste, jak wtedy, gdy przedmiot spada na podłogę, kamyk toczy się w dół wzgórza albo planeta sunie po swojej orbicie. Newton pisał, że owa niewidoczna siła to grawitacja. Choć może się to wydawać trudne do pojęcia, spadający na ziemię deszcz i mknąca po nocnym niebie kometa pozostają pod wpływem tej samej siły grawitacji.

W tej pięknej teorii krył się jednak pewien haczyk. W modelu Newtona grawitacja jest siłą działającą w poprzek próżni, bez potrzeby nawiązywania bezpośredniego kontaktu pomiędzy ciałami. Koncepcję tę Newton określił jako „działanie na odległość”, a jednym ze źródeł inspiracji była dla niego alchemia, w której uznaje się, że Kosmos przeniknięty jest rozmaitymi siłami niematerialnymi, które alchemik może próbować ujarzmić w toku swych eksperymentów. Alchemia miałaby pośredniczyć między światem materialnym a duchowym, stan umysłu alchemika zaś mieć wpływ na wynik doświadczenia.

Newton właściwie twierdził, że grawitacja jest jedną z owych sił duchowych, jednak odnalazłszy jej sformułowanie matematyczne, zdał sobie sprawę, że nie jest ona zależna od aktywności umysłu. Na jej siłę wpływają wyłącznie masy przyciągających się obiektów i kwadrat odległości między nimi. Bez względu na to, jak bardzo się koncentrował, nie udawało mu się wpłynąć na siłę grawitacji. Siła ta była w pełni materialna.

Rzecz w tym, że działanie na odległość powszechnie uważano za nienaukowe. Większość filozofów przyrody uznawała przyrodę za mechanizm, co oznacza, że ruch można przekazać wyłącznie przez kontakt bezpośredni.

Aby to zilustrować, wyobraźmy sobie, że stoimy przy jednym końcu długiej półki z książkami i chcemy popchnąć najbardziej oddalony od nas tom, nie podchodząc do niego. Jedynym sposobem dokonania tego byłoby popchnięcie pierwszej książki tak, aby oparła się na następnej, wywołując efekt domina, aż ostatecznie siła zostałaby przekazana na sam koniec półki. Aby wyjaśnić siły grawitacyjne, filozofowie przyrody postulowali, że eter, wypełniająca Kosmos substancja podobna do płynu, unosi ze sobą planety jak rzeka unosi liście.

Równania Newtona nie domagały się jednak eteru. Co więcej, gdy ruch planetarny modeluje się jako skutek wirowania eteru, wraz z całym uwikłanym w ten proces tarciem i oporem, wyniki okazują się błędne. Jedyne, co daje dobre rezultaty, to ulotne działanie na odległość – oznacza to jednak, że nie wiadomo, czym tak naprawdę jest grawitacja i jak działa. Wielu ludziom propozycja ta zbyt silnie pachniała astrologią i obecnymi w niej mistycznymi wpływami niebios, i na tej podstawie odrzucali model Newtona. Gdy debatę przedstawi się właśnie w ten sposób, na światło dzienne wychodzi prawdziwa moc nauki uprawianej na sposób matematyczny, ponieważ wzory Newtona pozwalają na wysuwanie przewidywań, które następnie można testować obserwacyjnie. Gdyby się okazało, że przewidywania te się sprawdzają, to bez względu na to, czy się to komuś podoba, czy nie, model należy uznać za słuszny – i tu wkracza Halley i jego kometa.

Młody astronom był tak silnie uwikłany w proces powstawania i publikacji dzieła Principia Newtona, że bez niego dzieło to nigdy by nie powstało. Nie tylko pełnił rolę redaktora i wydawcy, lecz także wsparł proces wydawniczy finansowo, ponieważ Royal Society wyczerpało środki, publikując The History of Fishes (Historię ryb), „pewniaka”, który jednak ostatecznie nie poruszył czytelników i sprzedawał się mizernie. W istocie Towarzystwo Królewskie tak silnie zamotało się we własne sieci, że Halleyowi, który pełnił wówczas rolę sekretarza, zapłacono pewnego razu w egzemplarzach nieszczęsnego dzieła ichtiologicznego.

Orbity komet okazały się niemal równie kłopotliwe jak historia ryb. Jeszcze dziś obiekty te stanowią wyzwanie dla naukowców, a co dopiero w XVII wieku, kiedy niemal każdy ich aspekt pozostawał zagadką. Przez stulecia uważano je za zjawiska atmosferyczne wieszczące nadchodzącą katastrofę.

W XVI wieku niemiecki malarz i astronom Georg Busch opublikował niezwykły komentarz, w którym stwierdził, że komety „powstają, gdy z Ziemi wznoszą się ludzkie grzechy i niegodziwości, formując swoistego rodzaju gaz, który zapala się następnie od gniewu Boga. Ta trująca materia spada potem na ludzkie głowy, wywołując wszelakiego rodzaju utrapienia, jak zarazy, nagłą śmierć, złą pogodę i Francuzów”. Serio.

Jedną z osób, które rozliczyły Buscha z tych absurdalnych, niczym nieuzasadnionych poglądów, był Tycho Brahe. W potężnym katalogu obserwacji astronomicznych, które wraz z asystentami zgromadził w ostatnich dekadach XVII wieku, znalazła się również wzmianka o jasnej komecie, która ukazała się w 1577 roku. Z obserwacji tych wynikało, że kometa poruszała się w przestrzeni kosmicznej, a nie w atmosferze ziemskiej. Brahe skrytykował więc opinie Buscha jako „bzdury” i przedstawił własne obliczenia, z których wynikało, że musiała być przynajmniej czterokrotnie bardziej oddalona od Ziemi niż Księżyc.

Choć wartość ta była niemal z pewnością poważnie niedoszacowana, zasadniczy wniosek był już w czasach Newtona jasny: komety to obiekty w przestrzeni kosmicznej, podlegające grawitacji Słońca, a więc i znajdujące się na swych orbitach wokół niego.

Aby tego dowieść, Newton przeanalizował dwie komety. Pierwsza z nich pojawiła się na niebie wieczornym w 1680 roku, druga na niebie porannym w 1681 roku. Matematyk uznał, że jest to ten sam obiekt podróżujący po silnie wydłużonej orbicie wokół Słońca i stwierdził, że najlepszym opisem tej orbity jest krzywa określana jako parabola. Obliczenia były jednak tak żmudne, że Newtonowi wcale się nie śpieszyło, aby przeprowadzać je dla innych komet.

W 1704 roku wyzwania podjął się Halley. Wyznaczył orbity dla 33 komet zaobserwowanych w latach 1337–1698. Zwłaszcza trzy zwróciły jego uwagę. Komety z lat 1531, 1607 i 1682 wędrowały po podobnych ścieżkach. Ich orbity nie były identyczne, ale wystarczająco do siebie zbliżone, aby warto było przyjrzeć się im bliżej.

Olśnienie spłynęło na niego, gdy przypomniał sobie o Newtonowskiej zasadzie powszechności grawitacji. Był to drugi przejaw wielkiej przenikliwości Newtona, po działaniu na odległość; to właśnie ta idea miała mu przyjść do głowy, gdy ujrzał jabłko spadające z drzewa. To wydarzenie, jak twierdził, kazało mu się zastanawiać nad zakresem oddziaływania grawitacji. Rozważał też, ile siły byłoby konieczne, aby wystrzelić coś w górę z taką prędkością, by już nigdy nie spadło na Ziemię.

Gwiazdozbiór ten nie znalazł się na oficjalnej liście opublikowanej w 1922 roku przez Międzynarodową Unię Astronomiczną. Robur Carolinum znajduje się w pobliżu dzisiejszych gwiazdozbiorów Krzyża Południa i Kila. [wróć]

Są dwa polskie przekłady tego dzieła: Matematyczne zasady filozofii przyrody w tłumaczeniu Jarosława Wawrzyckiego (Copernicus Center Press, Kraków 2011) i Matematyczne zasady filozofii naturalnej w tłumaczeniu Sławomira Brzezowskiego (Copernicus Center Press, Kraków 2015) [przyp. tłum.]. [wróć]

Zapraszamy do zakupu pełnej wersji książki