Wstęp

„Wszechświat jest niewyobrażalnie wielki” – to zdanie chyba wszyscy słyszeliśmy wielokrotnie. Nigdy się z nim nie zgadzałem. Podobnie jak z innymi „niewyobrażalnościami”, które pojawiają się, gdy mowa o zjawiskach skali kosmicznej czy też skali mikroskopijnej, którymi rządzi mechanika kwantowa.

Książka ta ma na celu przedstawienie Wszechświata w taki sposób, by stał się on dla Czytelnika „wyobrażalny”. Opowieść będzie się toczyć dwuwątkowo.

Pierwszy wątek to podróż przez bezmiary Wszechświata. Przestrzenie kosmiczne przedstawiłem w modelach, które nazwałem XL, 2XL i 3XL. Świat mikro opisałem jako XS, 2XS i 3XS. Celem tych modeli jest zbudowanie wyobrażenia o tym wszystkim, co często jest określane jako „niewyobrażalne”.

Drugi wątek to historia odkryć naukowych: ciągnący się przez tysiąclecia proces, w którym najtęższe umysły na przestrzeni dziejów budowały gmach obecnie dostępnej wiedzy. Celem tego wątku jest odpowiedź na pytania: „Skąd wiemy to, co wiemy?” oraz „Dlaczego uznajemy rezultaty dotychczasowych prac za wiarygodne?”.

Oba te wątki splatają się ze sobą, tworząc jedną opowieść: ekscytującą podróż przez bezmiary Wszechświata.

Część 1

WSZECHŚWIAT W SKALI MAKRO

De revolutionibus orbium coelestium

De revolutionibus orbium coelestium, czyli O obrotach sfer niebieskich, to dzieło polskiego astronoma Mikołaja Kopernika (1473–1543), które stanowi punkt graniczny: przed Kopernikiem ludzie rozumieli świat tak, jak go widzieli i jak podpowiadała im intuicja: centralna Ziemia, wokół której obracają się Słońce, planety i gwiazdy. Taki wizerunek Wszechświata był dodatkowo wzmocniony autorytetem filozofów greckich, w szczególności astronoma, matematyka i geografa greckiego pochodzenia – Klaudiusza Ptolomeusza (100–168), który zbudował geocentryczny model wszechświata. Kościół katolicki także stał na straży Ptolomejskiej wizji nieba, gotów oskarżyć o herezję każdego, kto chciałby tę wizję zanegować.

Model Ptolomeusza zakładał ruch planet (rysunek na kolejnej stronie przedstawia to jako punkt na okręgu „A”) wokół Ziemi (punkt nieco poniżej centrum) po dwóch okręgach: mniejszy krąg zwany epicyklem i większy zwany sferą. Sfer miało być osiem: każda dedykowana Słońcu, Księżycowi i pięciu znanym ówcześnie planetom. Ósma, najdalsza: gwiazdom.

Model ten potwierdzały ówczesne obserwacje i pozwalał on obliczać i przewidywać położenie planet w przyszłości. Uznano to za wystarczający dowód jego poprawności. Odchylenia i niedokładności ignorowano.

Ciekawostką jest, że Ptolomeusz zasłużył się także jako geograf, który tworząc mapę znanego Rzymianom świata, jako pierwszy umieścił na niej miasta z terenu obecnej Polski: Brzeg (Budorgis), Kalisz (Kalisia – Καλισία), Kraków (Karrodunon – Καρρόδουνον) czy wreszcie tajemnicze Askaukalis (ἀσκαυκαλίς) – współrzędne geograficzne wskazywałyby na okolice Bydgoszczy lub Inowrocławia.

Zwykło się mawiać, że dzieło Kopernika zmieniło perspektywę z geocentrycznej (cały wszechświat krąży wokół Ziemi) na heliocentryczną (cały wszechświat krąży wokół Słońca). Mówi się o rewolucyjnym wpływie badacza na astronomię i naukę w ogóle. W Polsce eksponowana jest polskość naukowca (w kontrze do sugerowanej niemieckości) oraz jego potyczki z Kościołem. Tutaj jednak chciałbym się skupić na rzeczy chyba najistotniejszej, czyli na samym dziele mistrza Mikołaja. De revolutionibus… składa się z 6 ksiąg, a całość to 487 dużych, drukowanych kart. Język dzieła (oryginał po łacinie) jest jasny, przekonujący:

Każda zaobserwowana zmiana miejsca jest spowodowana ruchem obserwowanego obiektu lub obserwatora lub, oczywiście, nierównym przesunięciem każdego z nich. Gdy bowiem rzeczy poruszają się z jednakową prędkością w tym samym kierunku, ruch nie jest postrzegany między obserwowanym obiektem a obserwatorem. Gdy mówimy o Ziemi, to z niej obserwujemy balet niebieski, który odbywa się na naszych oczach w swych powtarzalnych występach. Dlatego jeśli jakikolwiek ruch dotyczy Ziemi, widoczny on będzie we wszystkich rzeczach poza nią, ale w przeciwnym kierunku[1].

Księga pierwsza składa się z rozdziałów „o kulistości świata, kulistości ziemi”, a dalej: Jakim sposobem ziemia wraz z wodą jedną kulę tworzą; Bieg ciał niebieskich jest jednostajny, kołowy, nieustający; Czy ziemia podlega biegowi kołowemu i o miejscu jej w przestrzeni; Niezmierna rozległość nieba w porównaniu do wielkości ziemi; Przyczyna, dla której starożytni mniemali, że ziemia niewzruszona, jest środkiem świata; Rozbiór powyższych dowodów i ich niedostateczność…

Kolejne księgi opisują zgromadzone dane obserwacyjne: położenie planet na niebie, zaćmienia Słońca, zaćmienia Księżyca przez Ziemię, analizy długości dnia w roku.

Autor porównuje wyniki z tablicami trygonometrycznymi i wykresami ruchu. Na dane obserwacyjne nakłada reguły matematyczne płynące z geometrii trójkątów i łuków. W dziele Kopernika znajdziemy dziesiątki takich rycin wraz z drobiazgowym opisem relacji i związków pomiędzy poszczególnymi odcinkami, łukami i kątami. Wszystko starannie opisane i wsparte danymi z licznych pomiarów.

Kiedy się przegląda De revolutionibus…, ogromne wrażenie robi wielość rozbudowanych tabel pieczołowicie wypełnionych wartościami uzyskanymi poprzez pomiary czasu i rozmieszczenia obiektów na niebie. Ogromna liczba rysunków kół, trójkątów wpisanych w koło, opisanych na kole w rozmaitych konfiguracjach,

Cirrucum-ferentine

Senisses subtend. duplam circum-ferent.

Differentiae

Cirrucum-ferentine

Senisses subtend. duplam circum-ferent.

Differentiae

Cirrucum-ferentine

Senisses subtend. duplam circum-ferent.

Differentiae

Cirrucum-ferentine

Senisses subtend. duplam circum-ferent.

Differentiae

Cirrucum-ferentine

Senisses subtend. duplam circum-ferent.

Differentiae

Part. Ser.

Part. Ser.

Part. Ser.

Part. Ser.

Part. Ser.

Łuki koła

Połowy cięciw łuków podwojonych

Różnica na 10°

Łuki koła

Połowy cięciw łuków podwojonych

Różnica na 10°

Łuki koła

Połowy cięciw łuków podwojonych

Różnica na 10°

Łuki koła

Połowy cięciw łuków podwojonych

Różnica na 10°

Łuki koła

Połowy cięciw łuków podwojonych

Różnica na 10°

St. Min.

St. Min.

St. Min.

St. Min.

St. Min.

0°

1

2

0'

10

20

30

40

50

0

10

20

30

4

50

0

10

20

30

40

50

291

582

873

1163

1454

1745

2036

2327

2618

2908

3199

3490

3781

4071

4362

4653

4943

291

291

291

291

291

290

6°

7

8

0'

10

20

30

40

50

0

10

20

30

4

50

0

10

20

30

40

50

10453

10742

11031

11320

11609

11898

12187

12476

12764

13053

13341

13369

13917

14205

14403

14781

15069

15356

289

289

289

288

288

287

12°

13

14

0'

10

20

30

40

50

0

10

20

30

4

50

0

10

20

30

40

50

20791

21076

21360

21644

21928

21222

22495

22778

23062

23344

23627

23910

24102

13374

24756

25038

25319

25601

285

284

283

282

282

281

18°

19

20

0'

10

20

30

40

50

0

10

20

30

4

50

0

10

20

30

40

50

30902

31178

31454

31730

32006

32282

32557

32832

33106

33381

33655

33929

34202

34475

34748

35021

35293

35565

276

276

275

274

273

272

24°

25

26

0'

10

20

30

40

50

0

10

20

30

4

50

0

10

20

30

40

50

40674

40939

41204

41469

41784

41998

42262

42525

42788

43051

43313

43575

43837

44098

44359

44620

44880

45140

265

264

263

262

261

260

(Źródło: De revolutionibus orbium coelestium)

wraz z sumiennie prowadzonym wykładem zasad trygonometrii, czyli działu matematyki skupionego na badaniu trójkątów, relacji długości boków do kątów, sinusów, cosinusów i innych funkcji trygonometrycznych.

Dane obserwacyjne zebrane dla Wenus przedstawiały, w jaki sposób zmieniają się położenia i kąty w trójkącie Słońce–Ziemia–Wenus. Trygonometria pozwalała dzięki tym danym odtworzyć taniec – ruch Ziemi i Wenus po okręgu, którego centrum stanowiło Słońce. Podobnie wygląda dowód dla Merkurego.

Obserwacje drogi Księżyca po niebie, faz księżycowych, wschodów i zachodów Księżyca w zestawieniu z obserwacjami Słońca pozwoliły zbudować model ruchu w trójkącie Słońce–Ziemia–Księżyc. Trygonometria znowu posłużyła do przełożenia dynamiki ruchu widzianego na niebie na taniec Ziemi wokół Słońca i Księżyca wokół Ziemi.

W ten sposób, za pomocą żmudnego gromadzenia danych obserwacyjnych, obliczeń i starannie przeprowadzonego dowodu matematycznego, z obserwowanych na niebie kątów i zmian położenia wyłoniła się geometria ruchu sześciu znanych ówcześnie planet i pierwsza poprawna mapa Układu Słonecznego:

(Źródło: De revolutionibus orbium coelestium)

Kopernik został też niejako odkrywcą planety Ziemia, która wcześniej była po prostu postrzegana jako środek Wszechświata, Ptolomeusz zaś zbiór planet ograniczył do Merkurego, Wenus, Marsa, Jowisza i Saturna.

13 marca 1781 roku do mapy Kopernika dodano siódmą planetę odkrytą przez Williama Herchela. Była to pierwsza planeta odkryta za pomocą teleskopu.

23 września 1846 roku został odkryty Neptun – ostatnia, ósma planeta Układu Słonecznego.

Planety odkryte 238 i 303 lata po śmierci Kopernika w niczym nie zaburzyły poprawności modelu geniusza z Torunia. Uzupełniły go jedynie, a dynamika ruchu nowych planet okazała się w pełni zgodna z zastosowaną dla pozostałych planet matematyką i trygonometrią.

Odpowiedzmy teraz na pytanie: dlaczego właśnie dzieło Kopernika należy uznać za przełom? Dlaczego historię astronomii można podzielić na okres przed Kopernikiem i po Koperniku?

Wcześniej całe cywilizacje z wielkim zapałem i zaangażowaniem oddawały się badaniu nieba. Starożytne kultury Egiptu, Grecji, Babilonii, a potem Hindusi, Arabowie, Majowie… Ponieważ w miastach nie było jeszcze lamp, czarne noce rozświetlało mrowie przepięknych gwiazd. Nie było także telewizji, więc wieczory trzeba było jakoś wypełnić. Ze wszystkich dostępnych w starożytności nocnych rozrywek wpatrywanie się w niebo było chyba jednym z najatrakcyjniejszych zajęć.

Teoria heliocentryczna została już wcześniej opisana przez greckiego astronoma Arystarcha z Samos (310–230 p.n.e.). Odbiła się ona szerokim echem w świecie antycznej Grecji, angażując w dyskusję m.in. Archimedesa, Platona i Heraklidesa, jednak przeciwko niej wystąpił Arystoteles, który opowiedział się za zgodnym z intuicją modelem geocentrycznym. Powaga i autorytet wielkiego filozofa przeważyły szalę. Teoria geocentryzmu została następnie ugruntowana przez Hipparcha i finalnie udoskonalona przez wspomnianego już tutaj Ptolomeusza.

Warto też pamiętać o dokonaniach greckiego matematyka i astronoma Eratostrenesa (276–194 p.n.e.), który jako pierwszy zmierzył obwód Ziemi. Jego pomiar do dzisiaj zaliczany jest do grupy dziesięciu najpiękniejszych eksperymentów wszechczasów. Polegał on na zmierzeniu kąta padania promieni słonecznych w czasie letniego przesilenia (tj. 22 czerwca) w dwóch oddalonych od siebie miejscach.

Pierwszego pomiaru Grek dokonał w Syene (dzisiejszy Asuan na południu Egiptu). Miasto to położone jest blisko zwrotnika Raka, więc w południe 22 czerwca słońce pada tam niemal idealnie pionowo. Dlatego Eratostrenes, prowadząc swój eksperyment 2200 lat temu, zauważył, że promienie w zenicie docierają tam aż na dno głębokiej studni, a więc ich kąt padania musi wynosić 90°.

Kolejny rok grecki naukowiec spędził w Aleksandrii – mieście położonym na północy Egiptu, nad morzem Śródziemnym, odległym o ponad 800 km od Syene. Eratostrenes nie znał odległości w kilometrach, ale doświadczeni przewodnicy karawan oszacowali dystans dzielący miasta na 5000 stadionów (jeden stadion to ok. 185 m). W południe 22 czerwca za pomocą wysokiej tyczki zmierzył długość cienia słonecznego w Aleksandrii. Tym razem kąt padania promieni słonecznych wyniósł 82,8°, co dało 7,2° różnicy w stosunku do pomiaru w Syene (90°).

Skoro do zmiany kąta padania promieni słonecznych o 7,2° trzeba było przebyć 5000 stadionów, z prostej proporcji wynikało, że do zmiany kąta o 360° trzeba przebyć 250 000 stadionów. A 360° to pełen obwód Ziemi. Eratostenes obliczył, że obwód Ziemi mieści się w granicach pomiędzy 214 000 a 252 000 stadionów (39 690–46 620 km).

Dzisiaj wiemy, że obwód Ziemi to 40 041 km – czyli Eratostrenes, zaglądając 2200 lat temu w głąb studni w Syene, a potem mierząc tyczką kąt padania promieni słonecznych w Aleksandrii i posiłkując się dodatkowo wiedzą doświadczonych karawaniarzy, potrafił poprawnie wyliczyć obwód globu ziemskiego. Pośrednio dowiódł w ten sposób, że Ziemia jest kulą. Dlatego kochamy naukę!

Ale to Mikołaj Kopernik w roku 1543 dokonał przewrotu. Zapoczątkował nową erę. Przed Kopernikiem mieliśmy niepoprawny, „prawie dobry” model Ptolomejski, na którego błędy i odchylenia trzeba było przymykać oko. Po Koperniku zaczął się czas nowoczesnej astronomii i metody naukowej. Czym Kopernik różnił się od poprzedników? Czym przebił dokonania całych rzesz astronomów z poświęceniem i wytężeniem wpatrujących się przez całe życie w ciała niebieskie i ich ruch po niebie? Jak potrafił przekonać 99,9999% ludzi pewnych, że Ziemia to centrum wszechświata? Jak potrafił przełamać wiarę w model niepodważony od 1500 lat? Jak potrafił wywrócić model wsparty potężnym autorytetem Kościoła? Moim zdaniem zaważyło pięć czynników:

1. Wizja Kopernika była kompleksowa, obejmowała wszystkie obiekty Układu Słonecznego znane w pierwszej połowie XVI wieku.

2. Kopernik wszystkie swoje wnioski poparł sumiennym matematycznym dowodem, który był poprawny i nie do podważenia.

3. Wszelkie szczegóły zostały z mrówczą dokładnością udokumentowane, opisane i przedstawione w jasny, zrozumiały sposób.

4. Kopernik swoje spostrzeżenia zebrał w jednym dziele, które tworzył przez 20 lat. Dzięki temu dzieło to miało niezwykłą intelektualną siłę rażenia zdolną przebić pancerz tradycji, przyzwyczajenia, wiary i tysięcy woluminów prac astronomicznych opartych na modelu Ptolomejskim.

5. Kopernikowi pomógł wynalazek Gutenberga – druk. Dzięki temu w dniu śmierci autora jego myśli niosły w świat licznie wydrukowane egzemplarze, a gotowe matryce czekały na wytworzenie kolejnych kopii.

Jedno jest pewne, rozumienie Układu Słonecznego przed Kopernikiem i po Koperniku to dwie różne historie. To jest też jedna z tych pięknych opowieści, w których życie poświęcone nauce, wiedzy i mądrości pozostawiło po sobie niezatarty ślad i nadało nowy, lepszy kierunek myślom milionów, a potem miliardów mieszkańców naszej planety.

[1] M. Kopernik, De revolutionibus orbium coelestium, tłum. J. Baranowski, wydanie z roku 1854.

Mapa Świata XL – Układ Słoneczny

Aby dobrze wyobrazić sobie Układ Słoneczny, najlepiej użyć skali 1:1 000 000 000, czyli wszystkie odległości pomniejszamy miliard razy. Tak przeskalowany wszechświat nazwiemy Światem XL.

Tysiąc kilometrów w Świecie XL zmieni się w 1 mm. Ziemia stanie się kulką o średnicy 12 mm, czyli zostanie pomniejszona do rozmiaru sporego orzecha laskowego, a Polska to będzie mały kwadracik na tej kulce: o boku 0,6 mm i przekątnej 0,9 mm. Stany Zjednoczone (bez Alaski) zajmą obszar o szerokości 4,5 mm, w Unii Europejskiej odległość od południa Portugalii do północnych krańców Finlandii wyniesie 4,2 mm.

Słońce – największy obiekt Układu – w Świecie XL będzie gorejącą kulą o średnicy 140 cm. Pozostałe obiekty Układu Słonecznego, czyli planety, księżyce, planety karłowate i planetoidy zmieszczą się w pudełku po butach. Aby zbudować model Układu Słonecznego XL, potrzeba sporo wolnej przestrzeni: poszczególne kulki planet rozrzucimy na obszarze 400 km^2. Pozostały obszar to pustka kosmiczna. Właśnie dlatego Układu Słonecznego NIE DA SIĘ NARYSOWAĆ bez zafałszowania podstawowych proporcji: rysując obraz Układu Słonecznego na kartce, poszczególne obiekty (w tym Słońce) powinny zostać pomniejszone do wielkości niewidocznej dla ludzkiego oka. Rysunek, na którym znajdują się kropki wielkości bakterii, oczywiście nie ma sensu, więc planety „nadmuchuje się” dla celów ilustracyjnych. Dzięki temu poznajemy ich porządek, jednak gubimy element proporcji, stosunku wielkości obiektów do odległości pomiędzy nimi. Zwykle też ilustracje przedstawiają planety jako sznurek korali ustawionych równo jeden za drugim, podczas gdy w rzeczywistości każdy obiekt podąża po orbicie swoim tempem. Każdy wyedukowany człowiek zna tę prawdę, jednak fałszywa ilustracja naszego Układu sprawia, że, chcąc nie chcąc, podświadomie utrwalamy w głowach błędny wizerunek.

Powracając do głównego wątku: w centrum Układu Słonecznego XL znajduje się Słońce XL – gorejąca kula gazowa o średnicy 140 cm. Kolejne obiekty to:

Merkury w skali XL ma 5 mm średnicy, czyli za model może posłużyć większe ziarno pieprzu. Ziarno to toczy się po orbicie w odległości 60 m od Słońca.

Wenus ma rozmiar niewiele mniejszy od Ziemi; to kulka o średnicy 12 mm, którą umieścimy 110 m od Słońca.

Ziemia ma średnicę 12 mm i leży 150 m od Słońca.

Księżyc XL o średnicy 3,5 mm należy umieścić w odległości 38 cm od Ziemi.

Mars XL ma 7 mm średnicy i podąża po orbicie oddalonej 230 m od centralnej gwiazdy. Fobos i Dejmos to dwa księżyce Marsa. Są tak małe, że w skali XL ich rozmiarów nie dostrzeżemy – w świetle Słońca błyszczą jako dwa punkciki oddalone od Marsa o 9 oraz 23 mm.

Tak wygląda tzw. wewnętrzna część Układu Słonecznego XL, czyli obszar ograniczony orbitą Marsa. Oprócz Słońca tworzą ją cztery kuleczki planet skalistych i trzy księżyce (z tego dwa niewidoczne) rozrzucone na obszarze ponad 5 hektarów.

Dalej przechodzimy do tzw. planet zewnętrznych – giganty gazowe są znacznie większe i bardziej oddalone od centralnej gwiazdy.

Kolej na największą planetę Układu Słonecznego: Jowisz XL ma 14 cm średnicy i porusza się po okręgu oddalonym 780 m od Słońca, czyli 3 razy dalej niż Mars i 5 razy dalej niż Ziemia.

Wokół Jowisza krąży 79 księżyców, z czego 4 największe zostały dostrzeżone przez Galileusza:

Księżyc

Średnica

Odl. od Jowisza

Io

3,6 mm XL

42 cm XL

Europa

3,1 mm XL

67 cm XL

Ganymede

5,2 mm XL

107 cm XL

Callisto

4,8 mm XL

188 cm XL

W 2016 roku do Jowisza zbliżyła się sonda Juno. W drodze do giganta przemierzyła 3 mld km, co przekłada się na 3 km XL. Obserwując giganta, zbliża się na odległość do 4,5 mm XL od granic jego atmosfery. To pozwala przeprowadzić niezwykle dokładne obserwacje i wnikliwe pomiary.

Szóstą planetą jest Saturn. W modelu XL ma 12 cm średnicy i porusza się po orbicie oddalonej 1500 m od Słońca XL.

Jego pierścienie tworzą dysk o średnicy ok. 30 cm. Dalsze, mocno rozrzedzone i mało widoczne pierścienie tworzą krąg o średnicy 2,4 metra.

Saturn ma 82 księżyce, z czego największe to:

Księżyc

Średnica

Odl. od Saturna

Tetyda

1,0 mm XL

29 cm XL

Dione

1,0 mm XL

38 cm XL

Rea

1,5 mm XL

52 cm XL

Tytan

5,1 mm XL

120 cm XL

Japet

1,4 mm XL

305 cm XL

Uran XL ma średnicę 5,1 cm i znajduje się 2 870 m od Słońca XL. Ma słabo widoczne pierścienie o średnicy ok. 10 cm, a wokół niego krąży 27 księżyców. Największe z nich to:

Księżyc

Średnica

Odl. od Urana

Miranda

0,5 mm XL

13 cm XL

Ariel

1,2 mm XL

19 cm XL

Umbriel

1,1 mm XL

27 cm XL

Titania

1,5 mm XL

44 cm XL

Oberon

1,5 mm XL

58 cm XL

Ostatnia planeta to Neptun XL: średnica 5 cm, położony 4,5 km od Słońca XL. Wokół Neptuna krąży 14 księżyców. Największy z nich to Tryton o średnicy 2,7 mm i krążący w odległości 35,5 cm od planety. Tryton stanowi 99,5% masy wszystkich księżyców Neptuna.

Pluton XL: średnica 2,3 mm, porusza się po eliptycznej orbicie. Ten mały groszek oddalony jest od słońca od 4,4 km do 7,3 km. Największy z jego pięciu księżyców to Haron – jest o połowę mniejszy od Plutona i krąży wokół planety po orbicie oddalonej o 2 cm.

Pluton został odkryty 18 lutego 1930 roku przez Clyde’a Tombaugha. Przez kolejne 76 lat był dziewiątą planetą Układu Słonecznego – aż do czasu, gdy po gorących sporach 24 sierpnia 2006 roku Zgromadzenie Generalne Międzynarodowej Unii Astronomicznej w Pradze odebrało Plutonowi status planety.

Degradacja była związana z odkryciem kolejnego ciała niebieskiego. 29 lipca 2005 roku odkryto Eris, obiekt większy od Plutona. Średnica Eris to 2,3 mm XL, a odległość od Słońca wynosi 5,7–14,6 km XL. Grono planet nie zostało jednak poszerzone. Eris został sklasyfikowany jako planeta karłowata, w związku z czym także Pluton został dopisany do tej kategorii. Od dawna oczekiwane odkrycie dziesiątej planety przyniosło skutek odwrotny: zamiast wzrostu odnotowano spadek liczby planet w Układzie Słonecznym.

Słownik:

Planeta to obiekt astronomiczny okrążający gwiazdę. Jest on wystarczająco duży, aby uzyskać prawie kulisty kształt oraz osiągnąć dominację w przestrzeni wokół swojej orbity. Od gwiazd różni się tym, że w jego wnętrzu nie zachodzą reakcje termojądrowe, zatem nie świeci światłem własnym, a jedynie odbitym.

Planeta karłowata to obiekt astronomiczny pośredni między planetami a małymi ciałami niebieskimi. Planetą karłowatą jest obiekt, który znajduje się na orbicie wokół Słońca i ma masę wystarczającą, by własna grawitacja uformowała z niego kulę. W przeciwieństwie do „normalnych” planet planety karłowate nie oczyściły sąsiedztwa swej orbity z innych dużych obiektów. Planeta karłowata nie jest też uważana za planetę.

Planetoida to niewielkie ciało niebieskie poruszające się wokół Słońca. Jej rozmiary wynoszą od kilku metrów do 1000 km. Kształt, zwłaszcza mniejszych planetoid, jest nieregularny. Wyglądają jak wielkie kosmiczne kartofle. Zniekształcona powierzchnia nosi ślady kosmicznych kolizji z przeszłości.

Księżyc różni się od wspomnianych obiektów tym, że krąży wokół macierzystej planety, a nie gwiazdy. Księżyce mogą mieć wielkość planetoidy. Największym księżycem Układu Słonecznego jest krążący wokół Jowisza Ganimedes. Jego średnica jest nieco ponad dwukrotnie mniejsza od ziemskiej.

Gwiazda to duże, w większości gazowe ciało niebieskie. Powstaje na skutek grawitacyjnego zapadania się chmury gazowej złożonej głównie z wodoru i helu. Kompresji gazu towarzyszą wzrost ciśnienia i temperatury prowadzące do zapoczątkowania fuzji termojądrowej: tak jakby w jej wnętrzu non stop trwał wybuch bomby wodorowej. To powstrzymuje dalsze zapadanie się ciała niebieskiego i powoduje, że gwiazdy mają wysoką temperaturę i emitują światło. W czasie tej reakcji powstają też atomy pierwiastków cięższych.

Ekliptyka. Planety Układu Słonecznego powstały z rozległego, ale cienkiego dysku protoplanetarnego krążącego wokół Słońca. Składał się on z pyłu i drobnych kosmicznych „śmieci”. Większe zbitki materii nikłą grawitacją przyciągały najbliżej znajdującą się materię, stosunkowo szybko zwiększając objętość na zasadzie efektu kuli śnieżnej, która rośnie w miarę toczenia się w dół ośnieżonego górskiego stoku. Tak powstały planety, które swoją już całkiem sporą grawitacją oczyściły dysk z większości pyłu. Wszystkie jednak krążą po płaszczyźnie owego istniejącego miliardy lat temu dysku protoplanetarnego. Ta płaszczyzna oglądana z Ziemi jawi się jako linia prosta przebiegająca przez niebo. Po niej lub w jej pobliżu przesuwa się Słońce, Księżyc i wszystkie planety. Ta linia nazywana jest ekliptyką.

W miarę upływu czasu i coraz dokładniej prowadzonych obserwacji kolekcja obiektów okrążających Słońce jest wzbogacana o kolejne odkrycia. Haumea to planeta karłowata okryta w 2006 roku, która krąży, zakreślając elipsę w odległości 5,2–7,7 km XL od Słońca, a jej wielkość to ok. 1,1 mm XL. Obserwacje wskazują, że kształtem przypomina jajko.

Odkryta w 2015 roku Sedna krąży w ogromnym oddaleniu od centralnego Słońca – największa odległość to 140 km XL, najmniejsza – 11,4 km XL. W maksymalnym oddaleniu dociera do niej milion razy mniej światła słonecznego niż do Ziemi – to mniej niż światło naszego Księżyca w pełni. Pluton także pogrążony jest w mroku – dociera do niego tysiąc razy mniej światła niż do Ziemi. W środku dnia jest tam tak jasno, jak u nas w trakcie bardzo późnego zmierzchu. Efektem jest niska temperatura powierzchni Plutona, która waha się od -240°C do -220°C, na Eris wynosi ok. -240°C.

Niezależnie od rozmaitych klasyfikacji planeta/nieplaneta i nazw nadawanych tym obiektom przez ludzi na naszej mapie Układu Słonecznego możemy położyć jeszcze cały szereg drobnych kuleczek, które obiegają naszą gwiazdę po bardzo odległych orbitach.

Sedna – to planetoida o wielkości 1 mm. Nazwa „planetoida” sugeruje, że może to być wielki, nieforemny głaz z wyglądu przypominający kartofla, wytwarzający niemal całkowicie pomijalną grawitację. Sedna to jednak obiekt kulisty, co oznacza, że jej grawitacja jest wystarczająca, by uformować jej kształt.

Pluton i inne odległe planety karłowate należą do tzw. Pasa Kuipera. Czasem pas ten przedstawiany jest jako rodzaj gruzowiska krążącego wokół Słońca. W filmach SF rakiety muszą takie miejsca omijać szerokim łukiem, by uniknąć karkołomnego slalomu pomiędzy kolejnymi zbliżającymi się głazami. Nic bardziej mylnego. W skali XL większość obiektów zostanie zredukowana do wielkości pyłku kurzu, a średnia odległość między nimi wynosi ok. 1 m XL. Zdecydowanie łatwiej trafić główną wygraną w Lotto niż zderzyć się rakietą z głazami tworzącymi Pas Kuipera. Można się za to założyć, że na pewno w pasie tym krążą nieodkryte jeszcze planetoidy – mogły one umknąć uwadze najpotężniejszych teleskopów, gdyż ukrywają się w mrocznym oddaleniu od Słońca: są zbyt ciemne, by wyróżnić się na tle czarnego nieba, zbyt zimne, by zostać wykrytymi w podczerwieni. Część naukowców wysuwa hipotezę, że w dalszych obszarach Pasu Kuipera ukrywa się gazowy gigant wielkością porównywalny z Jowiszem. Być może rosnąca precyzja i czułość teleskopów pozwoli nam kiedyś odkryć taki obiekt – jeśli oczywiście istnieje.

Bliżej nas znajduje się pas planetoid. Między orbitami Marsa i Jowisza, czyli w odległości między 300 m i 500 m XL, licząc od Słońca. Największa planetoida w tym obszarze to Ceres o średnicy blisko 1 mm XL. Materia pasa planetoid stanowi dobry materiał na kolejną planetę Układu Słonecznego, jednak do jej powstania nigdy nie doszło. Mniejsze i większe głazy mogłyby połączyć się w większą całość, przyciągając się wzajemnie nikłą grawitacją, ale taki proces wymagałby milionów lat mozolnego porządkowania. Niestety, Jowisz ze swoją olbrzymią masą burzy powolnie wprowadzany ład, dominując grawitacją nad nikłą siłą przyciągania małych obiektów pasa planetoid. Jeśli planetoidy porównamy do przydrożnych, opadłych liści, to Jowisz będzie olbrzymią ciężarówką wzniecającą w czasie przejazdu zamęt. W takich warunkach nie ma szans na uformowanie się dużej planety, która może powstać z głazów pod warunkiem, że pozwolimy słabym siłom grawitacyjnym pracować w spokoju przez kilka milionów lat.

Nasza mapa XL – czyli Układ Słoneczny w skali jeden do miliarda – jest już kompletna. Na mapie tej odnajdziemy też Polskę – odległość od Świnoujścia do Ustrzyk w skali XL to niespełna 1 mm. Ziemia to kulka o średnicy orzecha laskowego – podróżuje ona 150 m od Słońca. Najbardziej oddalona planeta to Neptun, który zatacza krąg o średnicy 9 km – koło, po którego brzegu się przesuwa, wyznaczyć może powierzchnię sporej wielkości miasta. Jeśli na mapie Układu Słonecznego chcielibyśmy umieścić planetoidy, to trzeba by ją rozłożyć na obszarze dużego województwa, a planetoidy zaznaczyć milimetrowymi kulkami. Nawet 150 km od centralnego Słońca. Cała reszta to czarna pustka kosmosu.

Progresja

Kolejnym ciekawym elementem opisu Układu Słonecznego jest progresja, czyli tempo ruchu planet po orbitach. Wokół Słońca najszybciej przemieszczają się planety będące w centrum Układu. Im dalej, tym prędkość jest mniejsza. W przyjętych tutaj miarach XL wartości te wynoszą odpowiednio: Merkury 17 cm/h (4,1 m/dobę), Wenus 13 cm/h (3 m/dobę), Ziemia 11 cm/h (2,6 m/d).

Dalsze planety odpowiednio wolniej: progresja Neptuna to 2 cm/h (0,5 m/dobę), Pluton 1,68 cm/h (0,4 m/dobę).

Ilustracja na następnej stronie przedstawia rozmieszczenie obiektów Układu Słonecznego XL 31 grudnia 2014 roku. Przy każdym obiekcie umieszczono jego średnicę XL, odległość od Słońca oraz progresję (prędkość ruchu po orbicie) w cm/h oraz m/dobę. Ciekawostką jest położenie sond Voyager 1 i 2 – dwóch najbardziej oddalonych obiektów wysłanych w kosmos przez człowieka. Bieżące położenie planet można znaleźć w internecie, wpisując adres: http://www.theplanetstoday.com/.

Proponuję ciekawe ćwiczenie-zabawę: otworzyć mapę okolicy, w której mieszkamy (np. w Mapach Google) i zastanowić się, jak wyglądałby rozkład kulek, gdybyśmy umieścili Słońce XL w centrum naszego miasta, a pozostałe obiekty w odpowiednich miejscach. Polecam: to bardzo ciekawe i pouczające doświadczenie!

Masa

Dalsza część dostępna w wersji pełnej

Spis treści:

Okładka

Karta tytułowa

Wstęp

Część 1. WSZECHŚWIAT W SKALI MAKRO

De revolutionibus orbium coelestium

Mapa Świata XL – Układ Słoneczny

Progresja

Masa

Proporcje skali

Sąsiedztwo

Inne obiekty: od brązowych karłów do niebieskich hipergigantów

Optyczna zagadka obserwacji gwiazd

Od Galileusza do Hubble’a

Teleskop

Budowa Drogi Mlecznej

Prawo powszechnego ciążenia

Teleskop zwierciadlany

Na tropie tajemnic Drogi Mlecznej

Spektroskopia, fotografia i pomiar odległości międzygwiazdowych

Henrietta Swan Leavitt

Zagadka kształtu Drogi Mlecznej rozwiązana

Mapa świata 2XL – Galaktyka

Najbliższe otoczenie – 16 cm 2XL

Gwiazdy widoczne na niebie – 2,5 m 2XL

Droga Mleczna

Najbliższe otoczenie Drogi Mlecznej – Grupa Lokalna

Galaktyczne ciekawostki

Świat 2XL – podsumowanie

Od Edwina Hubble’a do teleskopu Hubble’a

Efekt Dopplera

Przesunięcia ku czerwieni widm galaktyk

Na tropie promieniowania tła

Penzias i Wilson

Misja COBE

Następcy COBE – WMAP i Planck

Trzy teleskopy kosmiczne NASA

Cyfrowa rewolucja

Komputery, programy przeglądu nieba, mapy 3D

LIGO

Mapa Świata 3XL – Kosmiczne superstruktury

Świat 4XL – Wszechświat

XL–4XL. Podsumowanie

Część 2. MIKROŚWIAT

Świat XS – świat w skali mikro

XIX wiek – na tropach atomu w wieku pary i elektryczności

Niesamowite lata 60.

Schyłek wieku

Świat cząstek i kwantów

Narodziny fizyki kwantowej

Odkrycie atomu

Świat 2XS – atom

Świat 2XS – odkrywanie

Fizyka w 1935 roku

Akceleratory, detektory i komputery

Kwarki i gluony – oddziaływanie silne

Na tropach oddziaływania słabego

Model standardowy

Akceleratory i detektory XXI wieku

Wielkie niewiadome

Świat 3XS – świat cząsteczek elementarnych

Oddziaływanie grawitacyjne

Oddziaływanie elektromagnetyczne

Oddziaływanie silne

Oddziaływanie słabe

Krótkie podsumowanie

Muszę się wytłumaczyć…

Czym mogą być podstawowe cegiełki materii?

Część 3. CZAS

T – czyli podróż przez bezmiar czasu

Ewolucja składu chemicznego Wszechświata

Eksperyment Stanleya Millera i Harolda Ureya

Najbardziej szalony eksperyment w historii Wszechświata

Rzeka genów

Przyszłość

Zakończenie

Podziękowania

Karta redakcyjna

Wyobraź sobie wszechświat

Wydanie pierwsze

ISBN: 978-83-8219-386-2

© Bogdan Krajewski i Wydawnictwo Novae Res 2021

Wszelkie prawa zastrzeżone. Kopiowanie, reprodukcja lub odczyt

jakiegokolwiek fragmentu tej książki w środkach masowego przekazu

wymaga pisemnej zgody wydawnictwa Novae Res.

Redakcja: Dominik Leszczyński

Korekta: Kinga Dolczewska

Okładka: Artur Rostocki

Przygotowanie grafik: Julia Lesińska

Wydawnictwo Novae Res

ul. Świętojańska 9/4, 81-368 Gdynia

tel.: 58 716 78 59, e-mail: sekretariat@novaeres.pl

http://novaeres.pl

Publikacja dostępna jest w księgarni internetowej zaczytani.pl.

Na zlecenie Woblink

woblink.com

plik przygotowała Katarzyna Rek