Od Kopernika do inflacji kosmicznej

Jaki był początek Wszechświata? Co zmieniło się w astronomii od czasów Mikołaja Kopernika? Dlaczego szukanie planet poza Układem Słonecznym to polska specjalność? – na te i inne pytania odpowiada dr Michał Artymowski, adiunkt w Instytucie Nauk Fizycznych na Wydziale Matematyczno-Przyrodniczym UKSW, z okazji Dnia Nauki Polskiej.    

– W tym roku Dzień Nauki Polskiej przypada w dniu 550. rocznicy urodzin Mikołaja Kopernika i z tej okazji cały rok 2023 został ogłoszony Rokiem Mikołaja Kopernika. Ten wielki uczony odebrał Ziemi szczególne miejsce we Wszechświecie…

– Do czasów Kopernika istniało filozoficzne i religijne przekonanie, że Ziemia musi być  jego centrum. To nie podlegało dyskusji. Ludziom wydawało się to oczywiste, bo, żyjąc na Ziemi, nieuzbrojonym okiem widzieli, podobnie jak my dziś, tylko maleńki wycinek Wszechświata. Ale stanęli przed takim oto problemem: gdy patrzyli na Merkurego i Wenus, czyli planety znajdujące się bliżej Słońca niż Ziemia, szukali wytłumaczenia dla istnienia wyjątkowo dziwnych orbit, po których planety miały  wokół niej krążyć. Dziś wiemy, że poruszają się one po orbitach wokół Słońca, ale przed Kopernikiem stworzono skomplikowaną, a z czasem coraz bardziej zagmatwaną teorię dla uzasadnienia modelu geocentrycznego. Stało się jasne, że potrzebna jest całkowita zmiana sposobu myślenia o problemie, który, go radykalnie uprości. I zrobił to Mikołaj Kopernik, czyniąc założenie, że to nie Słońce obraca się wokół Ziemi, lecz odwrotnie. Co zostało przedstawione niekoniecznie jako filozoficzne wyzwanie rzucone teorii geocentrycznej, ale jako metoda obliczeniowa, pozwalająca w bardzo prosty sposób wytłumaczyć ruch Merkurego i Wenus. Wystarczyła zmiana początkowych założeń.  

– Stworzenie metody obliczeniowej przybliżającej nas do Prawdy było dla współczesnych Kopernikowi zapewne łatwiejsze do przyjęcia niż zmiana doktryny filozoficznej?  

– Kopernik był człowiekiem światłym, który studiował na uniwersytetach w Padwie, Bolonii i Rzymie. Prawdziwy człowiek renesansu, jednocześnie doskonale rozumiał realia polityczne swoich czasów.  

Wówczas, w czasach renesansu, rodziła się nowoczesna, w dzisiejszym rozumieniu, nauka.  Teoria, która pozwalała na poznanie rzeczywistości. Poparta serią obserwacji, eksperymentów, których wyniki miały ją potwierdzić lub jej zaprzeczyć. Kopernik użył metody, którą naukowcy uznaliby dziś za niezwykle nowoczesną. Pokazał, że w sposób niesłychanie prosty można opisać rzeczywistość, która wydawała się tak złożona. Kopernik z pokorą dążył do coraz lepszego przybliżenia rzeczywistości swoim modelem. Ale nie twierdził, że jest to model jedyny.  

– Astronom, matematyk, prawnik, lekarz, ekonomista. Nasz Leonardo da Vinci. Choć my go znamy przede wszystkim jako tego, który wstrzymał Słońce i ruszył Ziemię…  

Intuicja i doskonała znajomość matematyki i fizyki doprowadziły go do przyjęcia, sformułowanej dopiero przez Galileusza, zasady względności ruchu. Nieznane wówczas pojęcie układu odniesienia, czyli opisu ruchu w zależności od tego, względem czego odnosimy ten ruch, okazało się kluczowe dla rozwikłania problemu ruchu ciał niebieskich. Dopiero w dwa wieki po Koperniku, zainspirowany jego badaniami Newton, sformułował prawo powszechnego ciążenia.

Jako naukowiec Mikołaj Kopernik interesował się między innymi ekonomią, chociażby problemem pieniądza. Zastanawiał się, dlaczego i w jaki sposób pieniądz gorszej jakości, wypiera z rynku ten lepszy, doprowadzając do osłabienia jego wartości i inflacji. Także i dziś, gdy mamy wyraźny problem z utratą wartości pieniądza, Mikołaj Kopernik mógłby mieć coś mądrego do powiedzenia.   

– Ale wszystkie dzieła Kopernika na 200 lat trafiły na Indeks Ksiąg Zakazanych.  

– Przekonanie o naszej wyjątkowości we Wszechświecie jest przejawem naturalnej ludzkiej pychy. Trudno nam przyznać, że Ziemia nie jest wyjątkowym miejscem w przestworzach Kosmosu.  

Po Koperniku pojawił się Giordano Bruno, który zasugerował, że nie tylko Ziemia nie jest centrum Układu Słonecznego. Także inne gwiazdy, które widzimy na niebie, są, wbrew powszechnym wyobrażeniom ludzi współczesnych Kopernikowi, bardzo podobne do Słońca. Co również naszemu Słońcu odbiera status wyjątkowego obiektu. Giordano Bruno sądził, że wokół innych gwiazd, tak jak Ziemia wokół Słońca, również mogą krążyć planety, co potwierdziło się dopiero w XX wieku. Ale to Kopernik rozpoczął rewolucję w naszych głowach. Uświadomiliśmy sobie, że Ziemia jest tylko jedną z wielu planet, która krąży wokół jednej z wielu gwiazd, która znajduje się w jednej z wielu galaktyk.  

– Giordano Bruno był chyba bardziej filozofem i wizjonerem niż matematykiem czy fizykiem?  

– Tym bardziej trzeba chylić czoła przed trafnością jego przypuszczeń. Miał niewiele danych, z których mógł wywieść swoje teorie, a jednak to, co powiedział, potwierdziły eksperymenty przeprowadzone setki lat później. Jeszcze w czasach renesansu sceptycznie przyjmowano rewelacje, które przeczyły temu, co dla każdego człowieka było oczywiste.   

Ale i Kopernik, zanurzony zarówno w tradycji filozofii starożytnej jak i tradycji chrześcijańskiej, w swojej teorii układu słonecznego szukał form idealnych i popełniał błędy. Był na przykład przekonany, że planety muszą krążyć wokół Słońca po idealnie kulistych orbitach, choć dziś można, za pomocą obserwacji astronomicznych, wykazać, że wszystkie planety i inne ciała niebieskie, podróżują po tzw. krzywych stożkowych. Więc i Kopernik był niewolnikiem pewnych założeń filozoficznych.  

– Jakimi narzędziami dysponował? Romantycy mówili o „szkiełku i oku”, ale jemu musiało chyba wystarczyć wyłącznie oko?  

– Kopernik prowadził obserwacje i wykonywał eksperymenty fizyczne. Miał do dyspozycji cyrkiel, zegar słoneczny i astrolabium (przyrząd używany w nawigacji do początków XVIII wieku, służący do wyznaczania położenia ciał niebieskich nad horyzontem). Istnieje hipoteza, że używał również prostego przyrządu optycznego, znanego jako camera obscura, pierwowzór dzisiejszego aparatu fotograficznego. Kopernik wykorzystywał też tabele astronomiczne, dzięki którym mógł notować regularności w ruchu ciał niebieskich i ruch ciał niebieskich na niebie, ale to dopiero Galileusz, obrońca teorii kopernikańskiej, skonstruował pierwszy teleskop.   

Obserwacje astronomiczne są  jednak dalece starsze niż wynalezienie teleskopu. Już w starożytnym Egipcie kapłani byli w stanie przewidzieć zaćmienia Słońca. Rzymski podbój Macedonii był możliwy między innymi dlatego, że jeden z rzymskich generałów, wykorzystał wiedzę o mającym nastąpić zaćmieniu Słońca w dniu bitwy, wzbudzając strach w zabobonnych Macedończykach.   

– Czego dowiedzieliśmy się o Wszechświecie po Koperniku?  

– Od czasów Kopernika uświadomiliśmy sobie, że w samej naszej galaktyce są setki miliardów gwiazd. My sami widzimy tylko bardzo jasne gwiazdy, będące fragmentem naszej galaktyki. Znajdują się kilkaset lat świetlnych od Ziemi, czyli stosunkowo blisko naszej planety. Przeważają gwiazdy, których nie możemy obserwować inaczej jak tylko za pomocą teleskopu. Sama tylko nasza galaktyka od jednego do drugiego końca jest rozległa na 100.000 lat świetlnych. Możemy jednak kierować nasze teleskopy także w kierunku innych galaktyk. Zdać sobie sprawę, że cały Wszechświat jest ich pełen, zaś w tej jego części, którą możemy zobaczyć, znajdują się setki miliardów galaktyk. A w każdej z nich setki miliardów gwiazd. Od czasów Kopernika stale uzmysławiamy sobie, że nasze jedno Słońce jest gwiazdą jakich wiele w całym Wszechświecie.  

– Jaki jest wkład polskich naukowców w astronomię?  

– Na przełomie XX i XXI wieku astronomowie zastanawiali się czy planety w naszym Układzie Słonecznym są jedynymi planetami we Wszechświecie. A skoro Słońce okazało się typową gwiazdą, zaczęto przypuszczać, że Wszechświat powinien być pełen planet. Zagadnieniem tym zainteresowali się polscy badacze. Szczególnie prof. Aleksander Wolszczan, nasz słynny astronom, który na Pennsylvania State University zajmuje się między innymi obserwacją egzoplanet, czyli planet znajdujących się poza układem słonecznym. Jako pierwszy odkrył planety spoza Układu Słonecznego, krążące wokół martwej gwiazdy nazywanej gwiazdą neutronową.  

Niestety nagrodę Nobla przyznano naukowcom, którzy odkryli pierwsze egzoplanety poruszające się wokół „zwykłej”, podobnej do naszego Słońca, gwiazdy, a nie znacznie bardziej nietypowej - wymarłej formy gwiazdy. Niezrozumiałe jest pominięcie badacza, który dokonał przełomowego odkrycia, wykazując, że egzoplanety w ogóle istnieją. Od tamtej chwili odnaleźliśmy już tysiące egzoplanet. Mamy też mocne argumenty na potwierdzenie przypuszczeń, że wokół każdej gwiazdy we Wszechświecie krąży przynajmniej jedna egzoplaneta.  

Szukanie planet poza Układem Słonecznym to zresztą wciąż, mimo skromnych środków, polska specjalność. Jest naprawdę mnóstwo gwiazd i planet we Wszechświecie, co stawia kolejne pytania na temat ewentualnego bogactwa życia.  

Od czasów Kopernika, który zastanawiał się nad otaczającym go światem i sposobami mogącymi go opisać, rozumiemy więcej. Rozumiemy, jak wygląda Wszechświat i dlaczego tak właśnie wygląda. Zrobiliśmy wielki krok naprzód i kolejne eksperymenty w astronomii, astrofizyce, kosmologii, pozwolą nam, może już wkrótce, zrozumieć, jak wszechświat powstał, jakie mechanizmy nim rządzą i jaka może być jego przyszłość. Spodziewam się w czasach, w których żyjemy, wielkich naukowych rewolucji, nie mniejszych niż kopernikańska.  

– Skąd się wzięło Pańskie zainteresowanie kosmologią jako nauką opisującą powstanie i ewolucję wszechświata? Czego dokładnie dotyczą Pańskie badania?  

– Już jako dziecko byłem zafascynowany astronomią, w czasie studiów zorientowałem się jednak, że dużo bardziej niż sama możliwość obserwacji, interesuje mnie odpowiedź na pytanie: dlaczego? Zajmuję się głównie ewolucją wczesnego Wszechświata i ciemną energią (hipotetycznie istniejącą energią, mającą wpływ na rozszerzanie się Wszechświata). Staram się zrozumieć jakiego typu nowe prawa fizyki są nam potrzebne do rozwiązania problemów współczesnej kosmologii i fizyki cząstek elementarnych. Jakie jest dokładne pochodzenie struktury Wszechświata, jaki był jego początek i co było przed nim.  

– Jesteśmy bliżej odpowiedzi na te pytania?  

– Tego wciąż nie wiemy, choć staramy się dowiedzieć. Teoria wielkiego wybuchu, mówiąca o momencie zero i Wszechświecie ściśniętym do jednego punktu, kładła nacisk na sam początek.    

Dziś wiemy na pewno, że objętość Wszechświata stale rośnie. Tak, jakbyśmy żyli na powierzchni balona, który jest ciągle napompowywany. Gdybyśmy cofnęli się w czasie, doszlibyśmy do wniosku, że kiedyś Wszechświat był bardzo mały, gęsty i gorący. Przy wystarczająco małym Wszechświecie, cała maszyneria matematyczna teorii względności Einsteina załamuje się. Nie opisuje poprawnie tej rzeczywistości, bo ona prostu nie działa w tych warunkach. Zastanawiamy się, jak zmodyfikować prawa fizyki, by opisywały poprawnie bardzo młody, wczesny Wszechświat. Być może był on pełen materii, która rządziła się zupełnie innymi prawami niż ta, która występuje teraz we Wszechświecie. Niewykluczone, że i grawitacja miała wówczas inną formę.  

Wciąż zastanawiamy się, jaki mógł być mechanizm powstania Wszechświata. Jedna z najpopularniejszych jest dziś teoria inflacji kosmicznej. Zakłada ona, że zanim powstała znana nam materia, Wszechświat musiał rosnąć coraz szybciej. To hipoteza, częściowo potwierdzona licznymi obserwacjami astronomicznymi. Tłumaczyłaby wiele zagadek, których znana nam fizyka nie jest w stanie rozwiązać. Dlaczego na przykład Wszechświat jest jednorodny, homogeniczny, tak samo gęsty w każdym miejscu? Taki sam, niezależnie od miejsca, z jakiego jest obserwowany. Kosmologia czerpie zresztą z wyników obserwacji astronomów czy astrofizyków. Wszystkie te trzy dziedziny doskonale się uzupełniają.  

– Gwiazdy w mieście z trudnością się obserwuje. Trudno o szczelną ciemność. Trzeba znaleźć się tam, gdzie nie ma sztucznych źródeł światła.   

– Najlepsze warunki są w suchych, wysoko położonych miejscach, znajdujących się z dala od cywilizacji. Wtedy światło gwiazd musi się przebijać przez cieńszą warstwę atmosfery. Stąd na przykład Andy są bardzo dobrym miejscem, a jedno z polskich obserwatoriów znajduje się w Chile.   

Astronomia rozwija się dziś dzięki, wysyłanym na orbitę okołoziemską, teleskopom. Pozwalają one obserwować Wszechświat bez bariery, jaką jest atmosfera ziemska i pozyskiwać cenne informacje. Teleskop kosmiczny Hubble’a, który był symbolem astronomii czasów mojej młodości, został zastąpiony przez teleskop Jamesa Webb’a. Dzięki temu cudowi techniki możemy się spodziewać jeszcze wielu przełomowych odkryć. Być może dowiemy się jeszcze niejednego chociażby o składzie atmosfery planet, które krążą wokół innych gwiazd niż nasze Słońce i będziemy w stanie powiedzieć czy na innych planetach może istnieć życie. Czy Giordano Bruno miał rację.

rozmawiała Joanna Herman

Dr Michał Artymowski, adiunkt w Instytucie Nauk Fizycznych, na Wydziale Matematyczno-Przyrodniczym UKSW. Jego zainteresowania badawcze dotyczą kosmologii. Pracował w Chinach, Izraelu, UJ i UW. Od roku akademickiego 2020/2021 na UKSW prowadzi przedmioty „Kosmos dla humanistów” i, po angielsku, „Beginner’s Guide to the Universe”, które mają przybliżyć kosmologię studentom kierunków humanistycznych i społecznych.  

Dzień Nauki Polskiej jest obchodzony od 2020 r. Przypada 19 lutego, w dniu urodzin Mikołaja Kopernika w uznaniu jego wybitnych zasług w dziedzinie astronomii. Ma stanowić inspirację dla polskich badaczy i wzmocnić zainteresowanie społeczeństwa nauką.