ciemna materia i dinozaury

Transkrypt

1 ciemna materia i dinozaury

2 W serii ukazały się: w 2013 roku: Lisa Randall Pukając do nieba bram. Jak fizyka pomaga zrozumieć wszechświat Paul Davies Milczenie gwiazd. Poszukiwania pozaziemskiej inteligencji Leon Lederman Zrozumieć niepojęte. Fizyka kwantowa i rzeczywistość Christopher Hill Frank Close Zagadka nieskończoności. Kwantowa teoria pola na tropach porządku Wszechświata Stephen Oppenheimer Pożegnanie z Afryką. Jak człowiek zaludniał świat Bruce Rosenblum Zagadka teorii kwantów. Zmagania fizyki ze świadomością w 2014 roku: Lawrence M. Krauss Wszechświat z niczego. Dlaczego istnieje raczej coś niż nic Jim Baggott Higgs. Odkrycie boskiej cząstki Caleb Scharf Silniki grawitacji. Jak czarne dziury rządzą galaktykami i gwiazdami Sean Carroll Cząstka na końcu Wszechświata. Bozon Higgsa i nowa wizja rzeczywistości Alfred S. Posamentier Niezwykłe liczby Fibonacciego. Piękno natury i potęga matematyki Ingmar Lehmann w 2015 roku: Jim Baggott Pożegnanie z rzeczywistością. Jak współczesna fizyka odchodzi od poszukiwania naukowej prawdy Lee Smolin Czas odrodzony. Od kryzysu w fizyce do przyszłości Wszechświata Max Tegmark Nasz matematyczny wszechświat. W poszukiwaniu prawdziwej natury rzeczywistości Leon Lederman Dalej niż boska cząstka Christopher Hill Svante Pääbo Neandertalczyk. W poszukiwaniu zaginionych genomów Tim Spektor Jednakowo odmienni. Dlaczego możemy zmieniać swoje geny w 2016 roku: Nick Lane Pytanie o życie. Energia, ewolucja i pochodzenie życia Alfred S. Posamentier π. Biografia najbardziej tajemniczej liczby na świecie Ingmar Lehmann Leonard Mlodinow Nieświadomy mózg. Jak to, co dzieje się za progiem świadomości, wpływa na nasze życie

3 Lisa Randall ciemna materia i dinozaury Przełożyłi Bogumił Bieniok i Ewa L. Łokas

4 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 Łamanie Alicja Rudnik ISBN Warszawa 2016 Wydawca Prószyński Media Sp. z o.o Warszawa, ul. Rzymowskiego 28 Druk i oprawa Drukarnia POZKAL Spółka z o.o Inowrocław, ul. Cegielna 10-12

5 Spis treści Wstęp Część I: Ewolucja Wszechświata Rozdział 1. Tajne stowarzyszenie ciemnej materii...21 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...328

6 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 Spis ilustracji Literatura uzupełniająca Indeks

7 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

8 8 Ciemna materia i dinozaury 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

9 Wstęp 9 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

10 10 Ciemna materia i dinozaury 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

11 Wstęp 11 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.

12 12 Ciemna materia i dinozaury 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

13 Wstęp 13 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.

14 14 Ciemna materia i dinozaury 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

15 Wstęp 15 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

16 16 Ciemna materia i dinozaury 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

17 Wstęp 17 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

18 18 Ciemna materia i dinozaury 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.

19 Część I Ewolucja Wszechświata

20

21 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

22 22 Ciemna materia i dinozaury 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.