Próżnia
Próbujesz wziąć oddech,
lecz nic nie wnika.
Oczy zachodzą mgłą, ziębnie skóra,
tylko serce – zdrajca – łomocze.
Rymy o starym astronomie
Zasadniczy problem z kosmosem – i pierwszy, z którym będziesz się musiał zmierzyć, gdy tylko wyściubisz nos poza obręb drogocennej bańki atmosfery – polega na tym, że wypełnia go wielkie nic. Teraz tak: normalnie „nic” byłoby darem niebios, skoro w trakcie naszej wyprawy będziemy natrafiać na najprzeróżniejsze „cosie”, które mogą nas porozcinać, napromieniować albo zmieść; może cię więc dziwić, kiedy mówię, że całkiem serio grozi nam wielkie nic.
Ale to właśnie należy do uroków penetrowania kosmosu. Gdy tylko pomyślisz, że wyczerpał mu się repertuar pomysłów na to, jak cię dopaść, wyciąga z rękawa swojego największego asa – który nie jest nawet kartą. Jest niczym.
To próżnia. Nicość. Brak czegokolwiek.
Francuzi nazywają to sous vide, co jak mówi mi translator internetowy, znaczy dosłownie „mniej niż puste”, tak jakby wziąć coś całkiem próżnego – powiedzmy, wylać ostatnią kropelkę mleka z naczynia, tak że nie ma w nim żadnej resztki płynu – a potem sprawić, że będzie jeszcze puściejsze. Zastanawiam się, czy ta nazwa nie pochodzi z epoki pierwszych prób tworzenia próżni – jak najzupełniejszego usunięcia powietrza z komory, a potem upartego usuwania go dalej, bo mogła się tam przecież jeszcze zaplątać co najmniej jedna cząsteczka.
– Czy już puste?
– Oui!
– Jeszcze niedostatecznie, monsieur. Niech będzie mniej niż puste.
Taka rozmowa nigdy się nie odbyła, ale i tak mnie bawi, a także pomaga wyobrazić sobie, czym jest prawdziwa próżnia. Niemniej nie tylko Francuzi bawili się wyczarowywaniem próżni z powietrza (ha, ha). Ludy starożytnej Ziemi, w tym Rzymianie (choć nie oni jedni), stosowały w różnych praktycznych celach urządzenia ssące i pompy, mimo że nie rozumieli dogłębnie zasady ich działania i – co najciekawsze – gorąco spierali się (jak było to w zwyczaju starożytnych filozofów), czy to, co zostaje po wypompowaniu wody z rury, jest niczym (próżnią), czy też jakimś niewidzialnym czymś (natura tego drugiego była przedmiotem jeszcze zaciętszych dysput, wszak mamy tu do czynienia z filozofią).
Chyba domyślam się, co nie dawało im spokoju. Wszędzie, gdzie spojrzymy, widać coś. Czasem jest to lite i skaliste, czasem lekkie i zwiewne. Ale jakie by nie było, zawsze jest. Wydaje się rozsądne twierdzić, że bez względu na swoją postać zawsze jest coś. Nie da się mieć niebytu. Otwierasz okno i od razu czujesz powiew wpadającego powietrza – gdy tylko przyroda dojrzy jakieś puste miejsce, stara się je jak najszybciej wypełnić.
Innymi słowy, natura nie znosi próżni.
Jak zwykle bywa w przypadku takich dyskusji, ich uczestnicy przerzucali się argumentami religijnymi, filozoficznymi i na poły mistycznymi[1]. Jeśli chodzi o rzeczywiste występowanie próżni – pustki nad pustkami – nie znosiła jej nie tylko natura, lecz także bóstwa. W końcu w miejscu, w którym nic nie ma, nic nie ma, a trudno pogodzić ten fakt z ideą wszechwiedzącego, wszechwidzącego i wszechobecnego stwórcy.
Niemniej kiedy wypompuje się wodę z rury, rzeczywiście mało co w niej zostaje i wygląda ona na... próżną.
Stąd zagorzała debata.
Nabrała ona szczególnych rumieńców, gdy w XVII wieku Otto von Guericke zamiast statecznie piastować urząd burmistrza Magdeburga, zabawiał się eksperymentami z próżnią, pompami i ssaniem, które dawały mu większą frajdę niż zarządzanie miastem. Wprowadził ulepszenia w dawniejszych projektach i stworzył tak zwaną pompę próżniową, będącą w stanie wyssać powietrze ze szczelnego naczynia.
Było to bardzo zmyślne urządzenie. Wetknij jeden koniec węża do szczelnej komory, a na drugim zamocuj tłok. Pociągnij tłok, żeby wyssać powietrze z komory. Zamknij zawór w przewodzie. Wciśnij tłok, żeby wypchać powietrze. Otwórz zawór. Powtarzaj do woli.
Co pozostało w komorze? Czy powietrze mimo wszystko niepostrzeżenie do niej wnikało? A może znajduje się tam jakaś tajemnicza, eteryczna substancja, której nie daje się usunąć? Czy próżnia naprawdę istnieje?
Sporo wody upłynęło od czasów, gdy odpowiedzią na nurtujące pytanie naukowe było: „Weźmy parę koni”, ale von Guericke się nie zawahał. Wziął parę koni[2].
Oraz dwie połówki rozciętej kuli, trzymające się razem na zasadzie wyssania powietrza z ich wnętrza dzięki nowoczesnej pompie próżniowej. Konie nie zdołały oddzielić jednej półkuli od drugiej, mimo że były to silne zwierzęta pociągowe.
Nie mogły oddzielić półkul od siebie, bo nic w nich nie było, za to dużo materii (powietrza) znajdowało się wokół. Powietrze to parło na półkule z zewnątrz, a nic nie parło na nie od środka. Konie musiały stawić czoła ciśnieniu całego tego powietrza i nie były w stanie go przemóc, ponieważ pompa Guerickego spisała się tak wyśmienicie, że w półkulach znajdowało się mnóstwo niczego.
W 1654 roku próżnia wygrała. Nie mieliśmy najmniejszych szans.
• • •
Może więc próżnia jednak istnieje, przynajmniej w wąskim formalnym sensie, w jakim możemy to niechętnie przyznać.
Następnie pojawił się Isaac Newton i wywinął numer z powszechnym prawem ciążenia. Wielkie dzięki, chłopie. W poprzednich stuleciach ludzie uważali, że rozciągający się poza obrębem Ziemi kosmos jest wypełniony najróżniejszymi rzeczami. Przede wszystkim kryształowymi kulami. Dobrze słyszysz: kryształowymi kulami. Osobną kulę miało każde ciało niebieskie (Księżyc, Słońce i planety), a kolejną – pozostałe gwiazdy. Zadaniem tych kul było utrzymywanie rzeczonych ciał na trajektorii ich regularnego ruchu po niebie, podczas gdy Ziemia tkwiła sobie radośnie i nudnawo w samym środku (najwyraźniej nie należała się nam kryształowa kula).
Wszystko było ładnie, pięknie do czasu, gdy Johannes Kepler zrozumiał, że planety w Układzie Słonecznym nie poruszają się po okręgach, tylko po elipsach[3]. A co więcej, idąc śladem Kopernika[4], stwierdził, że w środku jest Słońce, nie Ziemia. Trudno byłoby, aby kryształowe elipsoidy bez problemu przenikały się w ciągu eonów, toteż koncepcja ta została wyrzucona na śmietnik jak nieświeże bułeczki.
Ale wróćmy do Newtona. Nikt nie miał pojęcia, w jaki sposób planetom udawała się ta sztuczka z eliptycznymi orbitami, dopóki Isaacowi nie przyszło na myśl, że zjawisko grawitacji nie dotyczy tylko Ziemi. Grawitacja nie tylko ściąga jabłka z drzew, lecz łączy absolutnie każdy obiekt we Wszechświecie z każdym innym obiektem we Wszechświecie. Wszystko zarówno ją powoduje, jak i jej doświadcza. Ta sama grawitacja, która zrywa jabłko z drzewa, jest niewidzialną siłą, która wyznacza ruch planet po wymyślnych pętelkach elips wokół Słońca.
I tu zagadka. Jeżeli Ziemia gna wokół Słońca z ogromną, porażającą prędkością, to poprzez co tak mknie? Natura nie znosi próżni, naturalnie i oczywiście (z wyjątkiem zupełnie wyjątkowych okoliczności, których stworzenie wymaga wielkiego trudu, jak pokazują widowiskowe eksperymenty von Guerickego z wykorzystaniem koni). Jeżeli jednak całe zadanie utrzymywania planet na orbitach jest wykonywane przez grawitację, a Ziemia i inne planety poruszają się w czymś (bez względu na to, czym jest owo „coś”, nie jest przecież niczym), to czy nie powinien powstawać opór? Czy to coś nie utrudniałoby krążenia wokół Słońca? Nie spowalniałoby nas?
Tymczasem grawitacja wyjaśniała ruchy planet idealnie. Nie było żadnego śladu oporu, żadnego spowalniania. Jedynie... nic.
Sam Newton uznał kwestię za oficjalnie rozstrzygniętą[5] i był w pełni skłonny wyrzucić ideę materii międzygwiazdowej na śmietnik historii, lecz wciąż utrzymywały się niemałe intelektualne opory w stosunku do koncepcji przeogromnej próżni. Wiem, że współczesnym ludziom, tak starannie wykształconym, inteligentnym i obeznanym z kosmosem, trudno zrozumieć, o co był cały ten krzyk. Nawet gdyby Wszechświat miał być w większości pusty, to co z tego? Co to komu szkodzi?
Rzecz w tym, jak sądzę, że jest to jedna z koncepcji brzmiących tak fundamentalnie obco i wyobcowująco, iż kłóci się z naszą elementarną ludzką intuicją – chodzi o samą myśl, że może nie być zupełnie niczego. Dorastając w świecie z odkurzaczami i podróżami kosmicznymi, zdążyliśmy do niej przywyknąć. Nie pastwmy się jednak nad naszymi intelektualnymi poprzednikami; musieli dojść do tego wszystkiego w pocie czoła, nie dziwmy się więc, że potrzebowali jednego czy dwóch stuleci, by ułożyć to sobie w głowach.
Zresztą sprawa nie skończyła się na Newtonie. Koncepcja materii wypełniającej Wszechświat odradzała się kilkakrotnie, jak hydra pojawiała się w coraz to nowych kontekstach i proponowano ją jako rozwiązanie rozmaitych naukowych zagadek. Materia ta doczekała się nawet nazwy – eter.
Po upadku teorii kryształowych kul zasugerowano istnienie eteru jako substancji, w której poruszają się mknące po swoich orbitach planety. Nie stawia on oporu (w przeciwnym razie cały Układ Słoneczny by się zatrzymał), nie wchodzi w reakcje ze światłem, nie jest do niczego podobny i w zasadzie robi bardzo niewiele ponad to, że jest, istnieje, bo – przypominam Szanownym Państwu – natura nie znosi próżni. Newton słusznie wskazał jednak, że ludzie chcą, by eter istniał, jedynie z tego powodu, że chcą, by istniał. Gdyby nie to pragnienie, okazałoby się, że eter nie jest do niczego potrzebny.
„Ludziska, odpuście to sobie” – mówił Newton (w moim ujęciu).
Pozostawało jednak wielkie pytanie o naturę światła. We Wszechświecie nie brakuje różnych błyszczących obiektów – Słońce, gwiazdy, ogień i tak dalej – które emitują ogromne ilości światła. Czym jednak jest światło? Jak wygląda i jak się zachowuje? Jak można je najtrafniej opisać?
Newton i jego intelektualni towarzysze wyobrażali sobie, że na światło składają się drobniusieńkie cząstki zwane korpuskułami (od „drobniusieńkich cząstek” po łacinie). Te małe urwisy szaleją po Wszechświecie jak gradowa nawałnica, odskakując od jasnych obiektów, odbijając się i załamując, a w końcu zatapiając się w naszych oczach, czym obcesowo zaznaczają swoją obecność.
Skoro zdaniem Newtona światło było po prostu cząstką, nie potrzebowało eteru. Śmigało przez kosmos tak samo jak planety, żaden problem.
Zaszły jednak dwa bardzo ważne zdarzenia. Po pierwsze, życie Newtona zakończyło się zgonem i nie mógł już dalej z nikim dyskutować. A po drugie, Thomas Young bezspornie wykazał, że światło może zachowywać się jak fala, przynajmniej wtedy, kiedy ma na to ochotę[6]. Young skłonił je do tego w ten sposób, że przepuścił je przez dwie bardzo wąskie szczeliny, a następnie obserwował na umieszczonym za nimi ekranie wzór interferencji: w pewnym miejscach światło nakładało się na siebie i było jaśniejsze, w innych kasowało się i zostawał ciemny pasek.
Dokładnie tak, stuprocentowo, niewątpliwie zachowują się fale. Ergo – światło jest falą. Jakoś to przebolej, Isaacu.
(Trudno powiedzieć, dlaczego nikt nie spróbował zrobić takiego eksperymentu przed Youngiem, a zatem przed 1799 rokiem).
No dobrze, światło czasami zachowuje się jak cząsteczka, a czasami jak fala – wielka mi sprawa. Otóż wielka, bo jeśli jest to fala, musi coś konkretnego wprowadzać w falowanie. Fala dźwiękowa jest falą powietrza. Fala na powierzchni wody jest... falą wody. A kiedy fala światła mknie od Słońca na Ziemię, czym faluje?
Sprawa ta wyjaśniła się po kilkudziesięciu latach, gdy James Clerk Maxwell, geniusz jakich mało, a przy tym dumny właściciel wyjątkowo zmierzwionej brody, przypadkiem odkrył światło[7]. Wcale nie miał takiego zamiaru. Majstrował po prostu przy różnych równaniach, próbując opisać zachowanie pola elektrycznego i pola magnetycznego. Ale z równań tych wynikało, że zmieniające się pole elektryczne może wytworzyć pole magnetyczne i na odwrót. Można więc zrobić tak, by powstające na zmianę pola elektryczne i magnetyczne „odbijały się” od siebie, a w rezultacie falowały na zmianę i rozchodziły się żabimi skokami w przestrzeni.
Gdy zaintrygowany tym Maxwell wprowadził do równań znane właściwości pola elektrycznego i pola magnetycznego, stwierdził, że te żabie skoki fali elektryczno-magnetycznej dokonują się z... prędkością światła.
Światło naprawdę okazało się falą; falą elektryczności i magnetyzmu. Ale tak jak każda inna fala musi się ona w czymś rozprzestrzeniać. W kosmosie nie może być prawdziwej próżni – potrzebny jest światłonośny eter, który pozwala światłu ujawniać się w pełni jego falowej chwały.
• • •
Był też inny, subtelniejszy, matematyczny powód konieczności istnienia eteru, a dotyczył punktów widzenia. Czy też, mówiąc żargonem fizycznym, układów odniesienia.
Aby działała fizyka newtonowska (grawitacja, akcja–reakcja, siły, przyspieszenia i wszystkie inne bajery), gdzieś we Wszechświecie musi istnieć absolutny układ odniesienia. Nie interesuje nas, gdzie się znajduje i jak funkcjonuje, ważne tylko, by był. Potrzeba wzorcowej linijki i wzorcowego zegara do dokonywania pomiarów pozycji i prędkości w tym uniwersalnym układzie odniesienia. W matematyce Newtona wszelki ruch odbywa się względem tego nieruchomego układu.
W takim świecie zjawił się ze swoją rozwichrzoną brodą Maxwell i wszystko (niechcący) powywracał. W jego zelektryfikowanych równaniach fale elektryczności i magnetyzmu (inaczej „światło”) miały jedną, ustaloną, niezmienną szybkość bez względu na wszystko. Prędkość światła miała wartość... prędkości światła (owszem, może się ona zmieniać, gdy światło przenika przez różne substancje, ale to inna kwestia, więc nie ma co szukać dziury w całym). Prędkość światła nie jest prędkością względem tego czy tamtego, nie potrzeba więc nadrzędnego zegara czy kosmicznego wzorca czasu.
Na całym globie podniosło to naukowcom ciśnienie i wywołało wrzody żołądka.
Maxwell twierdził, że światło nie potrzebuje układu odniesienia, aby istnieć jako światło. Tymczasem Newton twierdził, że wszelki ruch wymaga absolutnego standardu, względem którego będzie mierzony. Kto ma rację? Trudno zawyrokować, więc pójdźmy na kompromis. Eter (światłonośny) jest nie tylko dziwaczną, ulotną substancją, w której porusza się światło, ale też absolutnym układem odniesienia Wszechświata. Jest Idealnym Bezruchem (lub przynajmniej spoczywa w Idealnym Bezruchu), którego wymaga obowiązywanie praw newtonowskich. To w eterze światło osiąga swoją stałą prędkość.
To całkiem niezła koncepcja. Przyjmijmy ją i zobaczmy, dokąd nas zaprowadzi. Zróbmy eksperyment!
Jeżeli eter jest stały i nieruchomy, to porusza się w nim krążąca wokół Słońca Ziemia (mimo że go w żaden sposób nie wyczuwamy). I jeżeli światło może osiągać swoją stałą prędkość wyłącznie w eterze, to w miarę jak Ziemia buja się tam i z powrotem po swojej orbicie okołosłonecznej, czasami płyniemy „zgodnie” z preferowaną prędkością światła, a czasami „przeciw” niej.
Wniosek: powinniśmy być w stanie wykryć zmiany prędkości światła.
W 1887 roku, po wielu latach nieudanych prób (wzbraniam się przed określeniem jakiegokolwiek eksperymentu słowem „nieudany”, bo zawsze czegoś się na jego podstawie dowiadujemy, a taki jest przecież cel robienia doświadczeń, prawda?) fizycy Albert Michelson i Edward Morley zdołali zmierzyć różnice w prędkości światła dzięki zastosowaniu interferometru. Rozszczepiali pojedynczą wiązkę światła i posyłali promienie w różnych kierunkach, a zanim ponownie się połączyły, mogli wykrywać drobne różnice w szybkości w przypadku danego kierunku w stosunku do innego kierunku.
Duet M&M dokonał tego i... nie znalazł nic[8]. Uczeni nie zdołali uchwycić zupełnie żadnych odchyleń w prędkości światła. Skoro zaś prędkość światła w każdym momencie jest stała we wszystkich kierunkach, to potrzeba istnienia eteru... rozpływa się w powietrzu.
Ostatni gwóźdź do trumny idei eteru wbił osobiście Einstein. O ile większość ludzi przyglądających się pojedynkowi stulecia Maxwella z Newtonem stawiała na Newtona, o tyle Albert się zbiesił i ostatecznym zwycięzcą ogłosił Maxwella. W celu pokonania Newtona musiał zaś całkowicie wyeliminować z gry uniwersalny układ odniesienia. Postawił tezę – i poparł ją bardzo wnikliwą matematyką – że wszelki ruch jest względny. Nie ma czegoś takiego jak uniwersalny zegar czy uniwersalna miarka. O ruchu czegokolwiek można mówić wyłącznie w odniesieniu do czegoś innego.
Zdaniem Einsteina światło miało stałą prędkość wszędzie, w każdym momencie i dla wszystkich obserwatorów. Miało po prostu prędkość światła. Aby osiągać taką prędkość, jaką osiąga, odkryte przez Maxwella światło nie potrzebuje eteru (może się równie dobrze poruszać w próżni kosmosu) ani stałego układu odniesienia. W zamian dowiedzieliśmy się, że wszelki ruch jest względny, podobnie jak wszystkie miary czasu i przestrzeni – poznaliśmy dylatację czasu, skrócenie odległości, E = mc2 i resztę szczególnej teorii względności. Jeśli uniwersalny ruch newtonowski musiał zemrzeć, przynajmniej zszedł ze sceny przy dźwięku fanfar.
W ciągu kilku krótkich lat przestrzeń poza obrębem atmosfery ziemskiej przeszła metamorfozę z wypełnionej tajemniczą, lecz nieodzowną substancją-niesubstancją w... próżnię. Na początku XX wieku, blisko dwieście pięćdziesiąt lat po Ottonie, który ze swoim końskim zespołem niepodważalnie wykazał istnienie niczego, narodziła się przestrzeń kosmiczna.
• • •
Zanim nadto się zagalopuję, chcę pokusić się o odrobinę pedanterii, bo w rozważaniach o wielkiej pustce pomiędzy planetami a gwiazdami istotna jest precyzja. Zwykle próżnia kosmosu nie jest całkowicie i absolutnie próżna.
Wiem, wiem. Może wcześniej troszkę nakłamałem. Daj mi chwilę na wytłumaczenie się.
Gdybym miał magicznie teleportować cię (tak, ten proceder wymagałby zastosowania czystej magii, do czego przejdziemy w innym rozdziale) w losowe miejsce we Wszechświecie, a ty miałbyś do dyspozycji detektor zdolny wykrywać najdrobniejsze, najeteryczniejsze, najbardziej maciupkie substancje w kosmosie, z zaskoczeniem mógłbyś usłyszeć kilka ping-ping-ping z czujnika.
Promienie kosmiczne. Neutrina. Radiacja (czyli promieniowanie elektromagnetyczne). Drobiny bezpańskich cząsteczek. Ogólnie mówiąc, kosmiczny kurz.
W kosmosie dużo się dzieje i nawet przez najbardziej puste jego obszary coś zawsze się przemieszcza. To po prostu nieuniknione. Co prawda musiałbyś mieć najczulsze wyobrażalne detektory, by wychwycić obecność tych elementów, niemniej one występują. Istnieją. W większości okazują się przy tym niegroźne, choć nieco dalej poznamy też te zdradliwe. Przestrzeń ta jest jednak dostatecznie pusta, by masywne obiekty takie jak Ziemia pędziły w niej mocą samej grawitacji i w zasadzie niczego nie zauważały. Stąd również Newton i spółka niczego nie zauważyli.
Przypuszczam, że rozważania o tym, czy przestrzeń kosmiczna jest naprawdę pusta – co stanowi istotę naszej bieżącej dyskusji – wyglądają nieco na dzielenie włosa na czworo. To kwestia skali. Jeżeli zarzucisz wystarczająco wielką sieć i poczekasz wystarczająco długo, coś się w nią złapie. Czy powinniśmy wliczać w to promieniowanie, które irytująco utrzymuje się wszędzie? Hm, zostawiam to twojej ocenie. Jeżeli chcesz powiedzieć, że przestrzeń kosmiczna jest pusta, nie będę się kłócił, ponieważ w porównaniu z powietrzem, którym teraz oddychasz, jest rzeczywiście szalenie pusta. A jeśli wolałbyś opowiedzieć się po stronie argumentów za tym, że nie jest próżna, to też proszę bardzo – w rzekomej próżni kosmosu nie brakuje przykładów, które można wskazać palcem i powiedzieć: „Patrz tutaj! A nie mówiłem, że coś tam jest?”.
Muszę jednak napisać o pewnym bardzo ważnym szczególe dotyczącym próżni kosmicznej (poza tym, że może cię szybko, paskudnie i entuzjastycznie unicestwić, do czego niebawem dojdziemy). Gdybyś miał wybrać sobie jakiś przypadkowy skrawek kosmosu, powiedzmy tam z prawej, i własnoręcznie usunąć z niego wszelkie cząstki, promieniowanie, drobinki pyłu, każde neutrino, foton, neutron, elektron, absolutnie wszystko – i tak nigdy nie będzie on zupełnie, stuprocentowo, definitywnie pusty.
Myśl o tym jest trochę niepokojąca.
Próżnia kosmosu jest w pewnym przybliżonym, ale z grubsza adekwatnym sensie żywa.
A co najmniej wibruje. Drga. Mruczy.
Wiem, że brzmi to dość egzaltowanie i jakby nienaukowo, więc od razu podaję naukowe uzasadnienie. W trakcie swoich podróży będziesz spędzał mnóstwo czasu w zimnej, twardej pustce kosmosu, warto więc, abyś miał kryształowo czysty obraz tego, co się w niej dzieje.
Aby zaś to zrozumieć, musisz zdać sobie sprawę, że to, co nazywamy cząstką elementarną, wcale nie przypomina żadnej cząstki; w zasadzie również wszystko inne, czego dowiedziałeś się z fizyki, jest naciągane.
W nowoczesnym, pełnowymiarowym obrazie kosmosu, opracowanym pierwotnie w połowie XX wieku przez grupę fizyków dalece inteligentniejszych ode mnie i od ciebie[9], fundamentalne cząstki naszego Wszechświata nie są pojedynczymi, odosobnionymi, samotnymi kuleczkami masy i energii. Stanowią elementy czegoś dużo większego i wspanialszego – pola.
Ta nazwa może nie wzbudza najwyższego zachwytu, ale pozostańmy przy niej.
Każdy rodzaj cząstek (powiedzmy, elektrony albo protony, albo kwarki górne – rozumiesz, o co chodzi) jest skojarzony z odpowiednim typem pola. Pole to przenika czasoprzestrzeń, rozciąga się na cały przestwór Wszechświata od Wielkiego Wybuchu aż po wieczność i od jednego krańca do drugiego (jeżeli Wszechświat ma krańce, ale tym akurat nie musisz się teraz kłopotać). Istnieją pola: elektronowe, fotonowe (inaczej mówiąc – elektromagnetyczne, o którym mogłeś słyszeć), kwarka górnego i tak dalej.
To, co nazywamy „cząstką”, jest w ujęciu dziedziny fizyki zwanej kwantową teorią pola, kawałkiem... hm, pola kwantowego. Bierzesz jakiś skrawek Wszechświata, szukasz na nim pola kwantowego, które chcesz energetyzować, energetyzujesz je i gotowe: masz garść cząstek plączących się w tym rejonie kosmosu. Mogą one wieść tam sobie swoje skromne elementarne życie, a niekiedy nawet znikać – co oznacza, że pole w tym fragmencie Wszechświata utraciło energię potrzebną do podtrzymania ich bytu w formie cząstek.
Trochę to dziwne, ale nie szkodzi. Zresztą prawdziwy hit jest inny: pola kwantowe Wszechświata nigdy do końca nie ucichają. Potrzeba potężnej wibracji do tego, by z pola wytrysnęła cząstka, niemniej energia żadnego pola nie jest nigdy równa zeru. Zawsze jest jakieś dudnienie czy pomruk i czasem te podrygi są dostatecznie silne, by przelotnie wypluć cząstkę.
Zanim cząstka ta na dobre się zadomowi, drżenie pola zmniejsza się i pole wciąga ją z powrotem do tła. Ale mimo wszystko cząstki nieustannie wskakują w byt i z niego wyskakują, nawet gdy sobie tego nie życzysz; nawet gdy nie masz dostatecznie dużo energii, by wytworzyć taką cząstkę samemu.
To buzowanie tła określa się jako pianę kwantową, bo jest to nazwa pełna polotu i opisowa. Natomiast niezerową energię tła zawartą w polach nazywa się energią próżni, choć to nudne określenie, mimo że opisowe.
Próżnia samej czasoprzestrzeni – to znaczy bez innych cząstek, promieniowania czy czegokolwiek – jest powiązana z pewną energią, której nie daje się stamtąd w żaden sposób wyrugować. Po prostu istnieje, niczym nieustanne podekscytowanie Wszechświata. Niestety nie można zrobić z tą energią niczego ciekawego – cała nasza fizyka, wiedza naukowa i życie toczą się z tą energią „w tle”. Ale ona jest.
Jak dużo energii znajduje się w próżni? Nie pytaj, bo naprawdę dużo.
Koniecznie chcesz wiedzieć?
No dobrze, jest jej nieskończenie dużo. Nie przesłyszałeś się: nieskończenie. O ile jesteśmy w stanie stwierdzić (a badamy to już od ładnych kilkudziesięciu lat), we Wszechświecie jest nieskończona ilość energii próżni. Weź pojemnik i go opróżnij (całkowicie). Gratulacje, masz teraz pojemnik z nieskończoną ilością energii w środku.
Okazuje się jednak, że ta nieskończona ilość nie ma w rzeczywistości znaczenia, bo jak pisałem, wszystkie zjawiska fizyczne przebiegają z tą energią w tle. To tak jak w życiu toczącym się na pagórku. Ludzi mieszkających na pagórku nie obchodzi, jak wysoki jest ten pagórek. Ważna jest wysokość krzesła, z którego spadasz, próbując zawiesić obraz na ścianie. Odległość dzieląca twoją głowę od podłogi jest znacznie istotniejsza dla powstałego urazu niż wysokość podłogi nad poziomem morza – nawet gdyby miała być nieskończenie duża.
Kręci ci się trochę w głowie? Tak powinno być; witaj w świecie fizyki kwantowej. Nie bez powodu w przestrogach i opisach niebezpieczeństw nie będę co chwila przywoływał kwantowego tego czy kwantowego owego. Po pierwsze, mamy ważniejsze sprawy na głowie. A po drugie, to jest naprawdę zawikłana materia, od której mózg się lasuje. W tej chwili zmierzam tylko do powiedzenia, że natura potrafi zaskakiwać. Czasami niewinnie, a czasami paskudnie. To, co wyobrażałeś sobie pewnie jako czystą próżnię, jest w rzeczywistości wibrującym, spienionym, chaotycznym konglomeratem cząstek i promieniowania, na który składa się wszystko, od odległych eksplozji supernowych po samą naturę czasoprzestrzeni.
Zabawne – nie w sensie „Ha, ha”, tylko „Hm, czy to nie ciekawe?” – że nasze pojęcie o próżni kosmicznej zatoczyło pełne koło. Przez wieki filozofowie niebezpodstawnie oburzali się na ideę próżni. Później odkryliśmy, że ona istnieje, a jeszcze później, że Wszechświat w większości składa się z niczego. Teraz zaś okazuje się, że to nic jest – z samej kwantowej definicji – czymś.
Tak bywa.
Czy jesteś teraz pewien, że chcesz opuścić miłą, ciepłą, przytulną atmosferę planety? Bo całe powyższe szaleństwo to przecież dopiero początek.
• • •
Zadrzyj głowę. No, śmiało, poszukiwaczu przygód. Marzy ci się penetrowanie gwiazd? Spójrz więc na nie. Są daleko – niebywale daleko, porażająco daleko, dużo dalej, niż da się o tej odległości rozsądnie czy racjonalnie pomyśleć.
Co innego z próżnią.
Postawmy sprawę jasno: Ziemia nie ma za dużo powietrza. Oczywiście są planety mające znacznie mniej materii gazowej, ale to nie jest konkurs. Gdybyś miał rozbić jajko wielkości naszej rodzimej planety, jego skorupka byłaby grubsza od atmosfery ziemskiej.
Od przestrzeni kosmicznej wcale nie dzielą nas kosmiczne odległości. Gdybyś mógł jechać samochodem pionowo w górę, bez ślimaczenia się, ale ekonomicznie, powiedzmy z prędkością stu kilometrów na godzinę, dotarłbyś do twardej próżni w niecałe cztery kwadranse.
Proponuję, abyś poświęcił moment na doświadczenie, odczucie i docenienie wrażenia, jak bardzo wydaje się to niesprawiedliwe. Wszystko, co znamy i kochamy, każda porcja słodkiego, czystego powietrza, którą wciągasz do płuc, wszystkie mikroorganizmy, wszystkie wybuchy śmiechu, każda kropla wody, którą kiedykolwiek wypijesz, istnieją w nieprawdopodobnie cieniutkiej powłoce, delikatnie otulającej – sterylną i martwą bez tego – kulę płynnej skały.
Powiedziałbym: nabierz głęboko powietrza do płuc i się odpręż, ale to mogłoby tylko pogorszyć sprawę.
Niełatwo zdobywa się atmosferę, a bardzo łatwo ją traci. Możesz uważać się za szczęściarza, że masz dostęp do stabilnej.
Przyjrzyjmy się Ziemi wraz z jej najbliższymi sąsiadami planetarnymi: małym, czerwonym, słodkim Marsem i gniewnie błyszczącą Wenus. Wszystkie trzy planety narodziły się z dostatkiem wody, azotu i dwutlenku węgla. Powstały z tej samej protoplanetarnej brei (uwaga: astrofizycy stosują inne terminy); w tej odległości od Słońca chemiczny i cząsteczkowy skład obłoku gazu i pyłu, który miał w końcu zawirować i zbić się w planety, był prawie jednakowy. Zrządzeniem czystego przypadku Wenus i Ziemia utworzyły się z grubsza tej samej wielkości, a ambitny Mars, pomimo wysiłków, uplasował się na trzecim miejscu.
Niedługo po uformowaniu się planet pierwiastki ciężkie (żelazo, krzem) zapadły się w głąb, podczas gdy lżejsze składniki (azot, woda) wynurzyły się na wierzch. Przyspieszamy film i otrzymujemy litą planetę z atmosferą. Pomijam tu kilka etapów, ale jestem pewien, że chwytasz, o co chodzi.
Tymczasem tu i teraz, cztery i pół miliarda lat po powstaniu, owe trzy światy nie mogłyby bardziej różnić się od siebie. Mars jest zimny, suchy i martwy; to zziębła pustynia, z ledwością trzymająca się statusu bycia czymś więcej niż kolejnym głazem krążącym wokół Słońca. Aha, zasadniczo ma też atmosferę, jeśli chcesz tak zaklasyfikować bliską próżni powłokę niemal samego dwutlenku węgla. Panuje tam mniej niż jeden procent ciśnienia atmosferycznego starej, dobrej Ziemi. Na drugim krańcu mamy Wenus, duszącą się w oparach niezwykle gęstych chmur, także złożonych głównie z dwutlenku węgla (dobra, naturo, już rozumiemy: masz słabość do węgla i tlenu). Na powierzchni tej planety jest tak gorąco, że przebija ona Merkurego, mimo że znajduje się dwa razy dalej od Słońca.
Upuść na powierzchnię Wenus ołowianą sztabkę. Kiedy wrócisz w to miejsce po kilku minutach, zobaczysz tylko kałużę. Tak jest tam gorąco.
Ale gdybyś mógł cofnąć się o kilka miliardów lat (nie warto próbować), trafiłbyś na trzy piękne siostrzane światy, każdy spowity białymi kłębiastymi obłokami, z rozsądnie gęstą, ale nie dławiącą atmosferą, rozległymi oceanami oraz plażami oferującymi znakomite warunki do uprawiania surfingu. W końcu wszystkie te trzy planety krążą wokół Słońca w obszarze zwanym przez poważnych astronomów „strefą zamieszkiwalną” (a przez bardziej figlarnych – strefą Złotowłosej[10]) – gdzie nie jest ani tak zimno, że cała woda zamarza, ani tak gorąco, że wyparowuje w bulgoczących podskokach.
Miliardy lat temu ciekawe formy życia mogły zagnieździć się w trzech miejscach potencjalnie zasługujących na miano domu[11]. Co poszło tak źle na dwu pozostałych planetach, a tak dobrze na Ziemi?
Problem Marsa polega na tym, że jako planeta jest po prostu trochę za mały. Bez obrazy, Marsie; po prostu urodziłeś się z taką naturą i niestety nie pozwala ona na długotrwałe utrzymywanie atmosfery i oceanów.
Wskazówka do rozwiązania zagadki niedostatku atmosfery na Marsie znajduje się głęboko w jego jądrze. Jest ono stwardniałe, nudne, nieruchawe. Tkwi po prostu w miejscu jak wielka głupia hałda żelaza, nie robiąc nic ciekawego. A w szczególności nie wytwarza silnego pola magnetycznego. W odróżnieniu od tego jądro Ziemi jest płynne, aktywne, kotłuje się i ubija pianę ogromnie silnego pola magnetycznego (no dobrze, w kontekście wszelkich dziwów kosmosu jest to stosunkowo mizerne pole magnetyczne, ale w porównaniu ze skalistymi światami wewnętrznego obszaru Układu Słonecznego to całkiem silne dynamo).
To pole magnetyczne wokół Ziemi jest najprawdziwszym polem siłowym, jakby było wzięte z trzeciorzędnego filmu science fiction. Pozostaje niewidzialne, ale spowija calutką planetę i jest zdolne odchylać wszelkie zmierzające ku nam zagrożenia w rodzaju naładowanych cząstek. W większości cząstki te pochodzą z samego Słońca, nadajemy im więc poetycką nazwę wiatru słonecznego, jakby z nadzieją odczarowania ich zabójczych zamiarów. Będę jeszcze pisał o tym wietrze, a na razie niechaj wystarczy tyle, że a) składają się na niego wysokoenergetyczne cząstki, b) zalewa on Układ Słoneczny.
Aha, i jeszcze – c) naładowane cząstki z wiatru słonecznego mogą zdmuchnąć delikatną atmosferę z planety zaledwie w kilkaset milionów lat. Czyli jakby w okamgnieniu.
Na szczęście Ziemia jest w stanie oprzeć się temu ciągłemu solarnemu naporowi dzięki polu magnetycznemu, które bezpośrednio blokuje część wiatru słonecznego, a jego pozostałości kieruje w rejon biegunów, co zapewnia nam wspaniałe widowiska świetlne w postaci zórz polarnych. Gdy następnym razem będziesz miał okazję podziwiać zorzę północną lub południową, doceń prawdziwy wymiar tego spektaklu – oto właśnie niewidzialne pole siłowe Ziemi broni jak tarcza naszego cennego powietrza.
Mars kiedyś też miał porządne pole magnetyczne, zasilane płynnym jądrem podobnym do ziemskiego. Ale ponieważ jest to niewielka planeta, jądro wystygło. Jego ruchy spowolniły się, a wreszcie ustały i pole magnetyczne zniknęło.
Żegnaj, atmosfero, miło cię było poznać.
Z powodu braku atmosfery wyparowały oceany. Z powodu braku wody wszystko wyschło.
Mars zasuszył się za młodu.
A Wenus? Jej pisany był los Ikara – poszybowała zbyt blisko Słońca.
W młodości nasza gwiazda była nieco mniej świetlista i trochę mniejsza. Dinozaury na prehistorycznej Ziemi kąpały się w słabszym świetle słonecznym niż my dzisiaj (obiecuję, że wrócę jeszcze do fizycznych przyczyn oraz katastrofalnych następstw tego faktu). Dawno, dawno temu Wenus znajdowała się niemal w samym środku strefy zdatnej do zamieszkania – rejonu wokół gwiazdy, w którym woda może do woli znajdować się w stanie ciekłym – toteż oceany i atmosfera współżyły na niej w doskonałej harmonii.
Potem jednak Słońce się rozgrzało.
A Wenus się zadusiła.
Z początku nic na to nie wskazywało. Zwiększona produkcja słoneczna tylko odrobinę podniosła temperaturę na Wenus, co spowodowało ociupinkę większe parowanie wody oceanicznej, która zaczęła unosić się w atmosferze. Nic wielkiego, prawda? Prawda, oprócz tego, że para wodna jest fantastycznym gazem cieplarnianym. Para więziła dodatkowe ciepło na powierzchni planety. To dodatkowe ciepło sprawiło, że oceany wyparowały jeszcze bardziej, co zwiększyło ilość pary w atmosferze, co podniosło temperaturę, co przyspieszyło parowanie oceanów, co zwiększyło temperaturę... Widzisz już, do czego to zmierza.
Woda nie utrzymuje się długo w wyższych partiach atmosfery. Dysocjuje, czyli rozpada się na wodór i tlen. Lecz zanim to nastąpiło, szkoda już się dokonała. Z powodu braku wody, działającej jak smar dla płyt tektonicznych na powierzchni planety, aktywność tektoniczna Wenus przyhamowała, a w końcu ustała (nie ma pewności, czy masy lądowe Wenus są stuprocentowo zakleszczone, ale – jak na potrzeby naszego wywodu – na pewno są tego wystarczająco bliskie).
Byłbyś w ogromnym błędzie, sądząc, że atmosfera planety jest całkowicie niezależna, osobna od samej planety. Te dwa byty się splatają; są niczym para kochanków. W toku rozmaitych procesów chemicznych węgiel z atmosfery może znaleźć się wewnątrz skał, a tektonika płyt może wprowadzić te skały na wielkie głębokości. Jednocześnie węgiel może wyziewać do atmosfery z wulkanów i w rezultacie innych zdarzeń. Na dobrze wychowanej planecie skalistej skorupa i atmosfera zgodnie ze sobą współdziałają, aby zachowywać równowagę chemiczną i zapewniać trwałość łagodnego klimatu. Ale Wenus została wytrącona z równowagi. Z powodu braku aktywności, która wciąga węgiel w głąb płaszcza planety, w atmosferze coraz bardziej kumulował się zdradliwy gaz – dwutlenek węgla. To kolejny gaz cieplarniany. Jego stężenie w atmosferze wenusjańskiej eksplodowało do karykaturalnych poziomów. Gdy nie zostało już ani trochę pary wodnej, ostatecznie przepadła wszelka nadzieja na to, by ta urokliwa swego czasu planeta odzyskała słodką równowagę.
W mgnieniu kosmicznego oka Wenus przeobraziła się z raju w piekło, bez szans na odwrócenie swojego losu.
Oczywiście Wenus jest wystarczająco wielka, by nadal mieć płynne jądro, ale przelewa się ono tak wolno (udają się mu zaledwie marne dwa obroty na rok), że nie jest w stanie wykrzesać ochronnego pola siłowego. To zaś oznacza, że atmosfera Wenus jest narażona na te same wiatry słoneczne, które odarły Marsa z jego aureoli, ale jej atmosfera jest tak niesamowicie gruba, że praktycznie nie ma to znaczenia. Wenus zadusiła się raz na zawsze.
Jeśli się nad tym zastanawiasz (a domyślam się, że tak jest), owszem, Słońce będzie się dalej rozgrzewać i owszem, dokładnie taki sam los spotka naszą drogą Ziemię. Wciągaj w płuca naszą słodziuśką atmosferę, póki jeszcze możesz.
• • •
Jeżeli zaś chcesz szukać miłego powietrza na dowolnej innej planecie czy księżycu w Układzie Słonecznym, szczerze i z całego serca życzę ci wielkiego powodzenia. Krótkie zestawienie:
▸ Merkury. Choć formalnie rzecz biorąc, ten mały światek ma atmosferę, to naprawdę niebezpiecznie naciągamy tu definicje obu tych słów: „formalnie” i „atmosfera”. Jesteśmy w stanie ją wykryć tylko najczulszymi sondami. Powodzenia każdemu, kto chciałby nią oddychać czy w ogóle przeżyć na Merkurym. Albo upiekłbyś się żywcem w skwarze pełnego Słońca, albo natychmiast skamieniał w lodzie i ciemności. Z powodu braku powietrza czy wody, które rozprowadzałyby ciepło z gorącej strony planety na zimną, panuje tam ścisła zerojedynkowość. Tak czy inaczej, nie ma czego wciągnąć w płuca.
▸ Wenus. Mówiliśmy już o niej. Dusząco gęsta atmosfera. Gorąco zdolne dosłownie topić ołów. Oczywiście, gdy wznosimy się wyżej w atmosferze, temperatura i gęstość się zmniejszają, aż na pewnej znacznej wysokości otaczające powietrze zbliża się do temperatury pokojowej i ziemskiego ciśnienia na poziomie morza. Ale nie oczekuj miłej, słonawej morskiej bryzy. Nie, jednym z głównych bohaterów dystopicznej wenusjańskiej atmosfery jest kwas siarkowy. Wiesz, kwaśne deszcze. To atmosfera utworzona z kwaśnych deszczów. Dobrej zabawy!
▸ Ziemia. Śnieżnobiałe kłębiaste obłoczki. Łagodny zefirek. Raj. Dobrze się z nim obchodź.
▸ Mars. Daj spokój, takie coś nazywasz atmosferą? No tak, nazywasz, ale nie powinieneś. Poza tym to dwutlenek węgla. Jeśli nie jesteś rośliną, nie będziesz miał z tego wielkiej radości.
▸ Jowisz. Wielkie mnóstwo atmosfery. Takie mnóstwo, że gdybyś miał dać w niej nurka, zanim zagłębiłbyś się na kilka kilometrów, zostałbyś zgnieciony jak wyjątkowo miękka puszka po napoju. A na większych wysokościach musiałbyś pogodzić się z wichrami pędzącymi z prędkością kilkuset kilometrów na godzinę, nieprzebranym bogactwem huraganów i olbrzymią rozszalałą burzą (zwaną Wielką Czerwoną Plamą, bo jest czerwona, wielka i ma kształt plamy), która mogłaby pochłonąć w całości dwie Ziemie i która szaleje od setek lat – co najmniej.
▸ Saturn. Jak Jowisz, tylko trochę mniej. Czy wiedziałeś, że na Saturnie mają sześciokąt? Tak, na biegunie północnym usytuował się masywny cyklon, a wianuszek burz na mniejszych szerokościach planety otacza rozpędzone wichry w układzie heksagonalnym. Zastanów się nad tym przez chwilę: sześciokątna burza na Saturnie. Czy miałbyś ochotę choćby zbliżyć się do czegoś podobnego?
▸ Uran i Neptun. Praktycznie nikt nie mówi o tych dwóch lodowych olbrzymach. Mają one bardzo gęste atmosfery złożone z wodoru, helu, metanu i śladowych ilości innych składników. Ale panuje tam prawdziwy ziąb, więc możesz je z czystym sumieniem ominąć.
▸ Pluton. Otoczony łagodną atmosferą, głównie azotową (zupełnie jak Ziemia!), cieszy się sporadycznymi opadami śniegu. Na stokach plutonowych wzgórz można by szusować po białym puchu. Weź tylko ze sobą butlę tlenową i kilka dodatkowych warstw odzieży.
▸ Tytan. Intrygujący jest ten ogromny księżyc Saturna. Ma jedną z najgrubszych w całym Układzie Słonecznym atmosfer, która z daleka całkowicie przesłania widok jego powierzchni. O ile jednak jest to gruba i zasnuta mgłami paciaja azotu, metanu i wodoru, o tyle jest tam potwornie zimno, poniżej 100 kelwinów (K).
I tyle. Powaga, to tyle, jeśli chodzi o obecność atmosfery w Układzie Słonecznym (a i tak czasem naciągamy jej definicję). Jeżeli życzysz sobie mieć powietrze, które nadaje się do oddychania, trzymaj się Ziemi albo zabieraj je ze sobą. Kiedy zaś wyskoczysz poza obręb Układu Słonecznego... hm, zapnij pasy.
• • •
Zgodnie z umową zawartą przez ludzi, którzy umawiają się w takich sprawach, kiedy znajdujesz się powyżej stu kilometrów nad powierzchnią Ziemi, jesteś w przestrzeni kosmicznej[12]. Wyznaczenie tej nieostrej granicy opiera się na obserwacji, że na tej wysokości powietrze jest już zbyt rzadkie, by zapewnić siłę nośną skrzydłom. Innymi słowy, na tej wysokości przestaje być możliwe przemieszczanie się samolotami; albo masz rakietę, albo kicha.
Wciąż znajduje się tam trochę powietrza, wręcz irytująco dużo. Dlatego gdy krążysz na orbicie okołoziemskiej w tej odległości, musisz brać pod uwagę stawiany przez powietrze opór, który powoli, acz systematycznie wysysa energię twojego orbitowania. Jeżeli od czasu do czasu nie dasz sobie małego szturchańca, zmienisz się w meteorowy pokaz świetlny dla obserwatorów toru twojego pechowego zejścia na poziom gruntu. Powietrze jest substancją o stosunkowo małej gęstości, ale zdecydowanie daje popalić, kiedy śmigasz przez nie z prędkością dziesiątek tysięcy kilometrów na godzinę.
Jednak choć powietrze już na wysokości stu kilometrów jest dość gęste, by robić psikusy naszym orbitującym stacjom, nie próbuj nabrać go w płuca, bo umrzesz w wyjątkowo nieestetyczny sposób.
W razie zetknięcia się z próżnią kosmiczną bez kombinezonu i źródła tlenu sprawy szybko wymykają się spod kontroli. Pierwszym, co zapewne zarejestrujesz, będzie paskudne błyskawiczne zmrożenie (flash-freeze), gdy wszystkie drobiny tłuszczu i płynów na skórze (na przykład pot, który cię oblał, gdy pomyślałeś, co zaraz będzie się działo) natychmiast się krystalizują i wyparowują. Płyny powierzchniowe są utrzymywane na swoim miejscu przez ciśnienie powietrza, tak jak marsjańska atmosfera utrzymywała kiedyś oceany na tej obecnie steranej i smutnej planecie. Błyskawiczne uformowanie się kryształków lodu na twojej skórze, gałkach ocznych, pod pachami oraz prawdopodobnie pod stopami może wywołać spory ból.
Nie trzeba dodawać, że powierzchnia twojej skóry wyschnie jak pieprz. Będziesz musiał się dobrze wysmarować mleczkiem do ciała, kiedy – i jeśli – wrócisz w bezpieczne miejsce.
Mimo tych przykrych zdarzeń wciąż jesteś żywy. Serce bije, mózg myśli, kończyny machają przeraźliwie. Dryfujesz bezradnie, ale jesteś żywy.
Autorzy niektórych starych filmów science fiction lubowali się w pokazywaniu efektów wyjścia w otwartą przestrzeń kosmiczną. Można zostać rozerwanym w próżni, mogą ci się wyłupić oczy, możesz w jednej chwili zamarznąć na śmierć.
Otóż nic z tych rzeczy. To znaczy szybciutko umrzesz, ale z innych powodów.
Co prawda nie eksplodujesz, ale i tak nie będziesz się czuć komfortowo. Wnętrze twojego organizmu jest wypełnione płynami, gazami i delikatnymi tkankami, a próżnia wokół ciebie jest pełna zupełnie niczego. W takim środowisku płyny, gazy i delikatne tkanki z twojego wnętrza wręcz palą się do ekspansji i poznawania nowych terytoriów (do „eksplodowania”, mówiąc obrazowo), ale na ich nieszczęście twoja skóra naprawdę dobrze radzi sobie z trzymaniem wszystkiego w środku ciebie.
Choć się natężają, napięcie stawiane przez skórę w zupełności wystarcza, by zachować integralność organizmu w pustej przestrzeni. Fiu!
Ale moment, to nie koniec. Płyny i gazy będące w pobliżu powierzchni skóry będą mimo wszystko próbowały się wydostać na zewnątrz (co byłoby bardzo szkodliwe dla ciebie), ale ponieważ nie mogą tego dokonać, zadowolą się tworzeniem obrzęku i zwiększaniem objętości, naprężając skórę do granic wytrzymałości. Też szkodliwe, ale trochę mniej.
To puchnięcie pod wpływem próżni zwie się ebulizmem. Nie wiadomo dokładnie, jak bardzo się rozrośniesz, bo nikt nie był tak dalece pozbawiony skrupułów, by wrzucić żywego człowieka do komory próżniowej i zobaczyć, co będzie się działo. W historii podróży kosmicznych zanotowano jednak kilka niefortunnych wypadków i zdarzeń na skraju katastrofy, które pozwalają przypuszczać, że po spadku ciśnienia zewnętrznego do zera napompowałbyś się dwukrotnie w stosunku do swojej obecnej objętości.
Mimo to, gdybyś zdołał się uratować, obrzęk szybko ustąpi, wrócisz (mniej więcej) do swojej formy i w końcu się wykurujesz.
Zatem próżnia kosmiczna nie zabije cię, tylko bardzo uprzykrzy ci życie.
Wykończy cię po prostu tlen, a raczej jego brak.
W kosmicznej próżni nie ma powietrza (to stanowi jej istotę), co oznacza, że masz puste płuca. Ale serce się jeszcze nie skleiło, uparcie bije, bije i bije, jakby wszystko było w najlepszym porządku (może bije nawet trochę żwawiej niż zwykle, zważywszy na okoliczności). Zadaniem serca jest pompowanie krwi przez płuca, tak by złapała trochę cennego tlenu, a potem przeniesienie tej utlenowanej krwi do potrzebujących jej części ciała, czyli do wszystkich części ciała.
Transport krwi zatrzymuje się więc na stacji Płuca, by wziąć na platformy ładunek O2, ale magazyny są puste. Mimo to z dźwiękiem gwizdka i szarpnięciem lokomotywy pociąg rusza w tętniczą dal, choć z pustymi wagonami.
W ciągu kilku sekund mózg, najbardziej spragniona tlenu część ciała, a przy okazji narząd o dość kardynalnym znaczeniu, zauważa, że nie trafiają do niego przewidziane dostawy. Natychmiast przełącza się w tryb oszczędzania energii, odłączając funkcje o pomniejszym znaczeniu, takie jak przytomność.
W niecałe dziesięć sekund od zetknięcia się z próżnią zapadasz w drzemkę.
Z tym że nie jesteś martwy. Jeszcze nie. Jeśli zostaniesz przeniesiony w bezpieczne miejsce, nadal możesz obudzić się i prowadzić stosunkowo bezstresowe życie. Gdy jednak sekundy przeciągają się w minuty, pozostałe narządy też dostrzegają braki tlenu i jeden po drugim zaczynają się wyłączać. Ostatecznie wyłączają się wszystkie.
Proces ten jest znany w kręgach lekarskich pod nazwą „zgon” i zaleca się go unikać.
Próżnia kosmiczna zabije cię – to znaczy na amen – mniej więcej w dwie minuty. Twoje rozdęte zwłoki otoczone wysuszoną skórą będą skazane na wieczne pływanie w jej przepastnych przestrzeniach.
W obliczu takiego obrotu spraw możesz czuć pokusę, aby wstrzymać oddech i zachować ostatnią porcję tlenu, która da ci kilka sekund więcej na powrót do bezpiecznych warunków zapewnianych przez ciśnienie i powietrze w statku kosmicznym.
Mogę powiedzieć tu tylko jedno: nie rób tego!
Powietrze w twoich płucach utrzymuje się na łagodnym i znajomym poziomie jednej jednostki ciśnienia atmosferycznego. Jest to to samo ciśnienie, które miało powietrze poza płucami, gdy brałeś ostatni wdech. Ale teraz, gdy jesteś w próżni, ciśnienie na zewnątrz płuc wynosi zero, jak wynika z samej definicji próżni.
Przejdę od razu do sedna: mięśnie i oślizgłe tkanki gardła nie zostały pomyślane tak, by utrzymywać ciśnienie atmosferyczne powietrza w konfrontacji z próżnią. Powietrze wydobędzie się z ciebie mimo wszelkich twoich starań. Wydostanie się szybko i gwałtownie, rozprężając się w próżni, a po drodze uszkodzi (zapewne trwale) delikatne gardło oraz (na pewno trwale) drobniusieńkie i jeszcze bardziej delikatne pęcherzyki płucne, które odpowiadają za dostarczanie tlenu do twojej pozbawionej go teraz krwi.
Jeszcze raz mówię więc: nie. Pozwól, żeby powietrze uszło z ciebie swobodnie. Nie warto narażać się na tę mękę i trud. Jeżeli będziesz starać się wstrzymywać oddech i jakimś cudem zostaniesz uratowany, trzeba będzie kolejnego cudu, żeby wszystko w tobie pozszywać.
Od chwili, gdy zetkniesz się z próżnią, zegar tyka i lepiej będzie, jeśli szybko zbierzesz myśli.
Przynajmniej nie zamarzniesz na śmierć. Będzie już dawno po twoim zgonie, zanim nastąpi akurat to nieszczęście. W kosmosie jest zimno. Trudno przypisać próżni kosmicznej konkretną temperaturę, bo prawie nic (lub całkiem nic) tam nie ma, a w celu określenia temperatury trzeba, by trzęsło się mrowie mikroskopijnych drobin. Z różnych formalnych powodów, które nie mają bezpośredniego związku z kwestią twojego przeżycia, przypisujemy kosmosowi temperaturę trzech stopni powyżej zera absolutnego, ale na razie powiedzmy po prostu, że jest tam zimno, i kontynuujmy opowieść o twoim (oby jak najdłuższym) życiu.
Choć bardziej o jego końcu. Twoje ciało jest ciepłe, a kosmos taki nie jest. Dlatego ciepło będzie uchodzić z ciała w przestrzeń i w końcu niestety sam będziesz zimny. Istnieją trzy sposoby przepływu ciepła: przewodzenie (gdy dotykasz czegoś zimnego, rozwibrowanie twoich atomów powoduje wibrowanie chłodnych atomów, przenosząc energię i ciepło), konwekcja (krążący wokół ciebie płyn, taki jak woda lub powietrze[13], odbiera ci ciepło ponownie na zasadzie wibrowania atomów, a ruch płynu dostarcza wciąż nowych atomów, chętnych, aby się rozwibrować) oraz promieniowanie (twoje atomy wydzielają światło, które wypromieniowuje z ciebie i uderza przypadkowo napotkane inne atomy, a w rezultacie wprawia je w wibrację).
Przepływ ciepła wymaga, by coś się trzęsło. Tymczasem w kosmosie nie ma się co trząść. Niczego nie dotykasz, nie owiewa cię powietrze, nie opływa woda. Przewodzenie i konwekcja są nader skutecznymi metodami usuwania ciepła, dlatego zresztą hipotermia stanowi tak wielkie zagrożenie nawet w letniej wodzie, ale w kosmosie pozostaje tylko promieniowanie.
Przeciętnie ciało ludzkie wypromieniowuje energię o wielkości około stu watów, taką jak stosunkowo jasna żarówka żarnikowa starego typu. Nie widzimy wysyłanego przez ludzi promieniowania, bo zachodzi ono głównie w zakresie podczerwonym widma elektromagnetycznego, potrzebne by więc były okulary na podczerwień. Oglądani przez takie okulary noktowizyjne świecimy jak chodzące żarówki, którymi w istocie jesteśmy.
Normalnie organizm dysponuje wieloma mechanizmami wytwarzania ciepła, by kompensować jego stałą utratę przez wypromieniowywanie. Generujemy ciepło ze zjadanej żywności, pobieramy je z dotykanych przedmiotów, od samego Słońca i ogólnie ze swojego otoczenia. Niemniej musimy się niemało natrudzić, aby utrzymywać ciepłotę ciała w strefie komfortu.
W kosmosie nie mamy tego luksusu, zwłaszcza gdy jesteśmy martwi. Pozostajemy mieszaniną ciepłego mięsa i wody o temperaturze 36,6 stopnia Celsjusza, emitującą promieniowanie o mocy stu watów. Całkowite wystudzenie tej masy trwa zaskakująco długo.
Jeżeli – zależnie od orbity, na której się znajdziesz – z pełną mocą będą napierać na ciebie promienie Słońca, być może w ogóle nie zamarzniesz. Jeśli będziesz w pobliżu Ziemi, pamiętaj, że ilość światła słonecznego otrzymywanego przez naszą planetę wystarcza, by utrzymywać wodę w miłym, ciekłym stanie. Jest to więc dużo energii. Dlatego jeżeli musisz mrużyć oczy (pomińmy na moment szkody wyrządzone przez zamarzające łzy), by zerknąć w pustkę kosmosu, możesz mieć (po wieki) pewność, że nie zmienisz się w mięsny sopel.
Co prawda będziesz mieć paskudne poparzenia po tym solarium, lecz niekoniecznie musi to stanowić twój główny problem, a zależy to od przebiegu owych kilku krytycznych minut.
Jeśli zaś znajdujesz się zbyt daleko od Słońca lub utknąłeś w cieniu, zostaniesz zamrożony. W ciągu kilku godzin twoje ciało będzie się powolutku, powolutku, powolutku wyziębiać, aż osiągnie temperaturę otoczenia, bliską zera absolutnego. Woda w organizmie będzie przekształcać się w kryształki lodu i unieruchomi kończyny w dowolnej pozie, którą zechcesz przyjąć jako swój ostatni przekaz dla Wszechświata.
W ciągu kolejnych eonów mikrometeoryty – drobniutkie ziarenka pyłu, który będziemy potem analizować w porażających szczegółach – wyrzeźbią małe, ale zauważalne bruzdy w twoim zlodowaciałym ciele. Sądzę, że po upływie wystarczająco długiego czasu (a Wszechświat ma go pod dostatkiem) w końcu rozpadniesz się z powodu tego ciągłego bombardowania. Składające się na ciebie cząsteczki rozproszą się między gwiazdami, aby pewnego, bardzo odległego dnia spotkać się ponownie podczas formowania się jakiegoś nowego układu planetarnego.
Ostatecznie więc udasz się w swoją międzygwiezdną podróż.
A przynajmniej udadzą się w nią cząstki ciebie.
Planetoidy i komety
Skały i lód.
Fruwające odpryski.
Zbyt mnogie do zliczenia
sposoby na zrujnowanie pięknego dnia.
Rymy o starym astronomie
Zacznijmy od kilku starych, dobrych zagrożeń. Nie chodzi o wyginające materię czarne dziury, o roztapiające skórę egzotyczne eksplozje czy przekraczające wyobraźnię pozostałości pradawnego Wszechświata (ale nie martw się, do tych spraw też dojdziemy). Na razie pomówmy o kamykach. Głazach. Skałach z temperamentem. Okruchach skalnych, które wypatrują celu i – łup! – masz wymalowaną tarczę strzelniczą na boku swojego statku.
Mowa o mrowiu kamieni. O malusieńkich, mikroskopijnych ziarenkach pyłu; o kamykach wielkości... kamyka; o głazach wytwarzających dość grawitacji, by gromadzić się w miniaturowe formacje pierścieniowe; o potężnych masach materii, którym niewiele brakuje do miana planety, ale z pewnych względów nie zasługują na nie (tylko im o tym nie mów, bo są z natury porywcze i zaskakująco ruchliwe jak na swoją wielkość).
Komety, planetoidy, meteoroidy. Grupa Apolla, Trojańczycy, obiekty transneptunowe. Jak by ich nie nazywać i nie sklasyfikować, zwiastują kłopoty. Zanim się obejrzysz, są w stanie zrobić dziurę w tobie i twoim statku. Mogą sproszkować cię tak doszczętnie, że inny śmiałek, kiedy trafi na ciebie setki lat później, pomyli cię z garścią kosmicznego pyłu.
Są ciemne, bezgłośne i szybkie.
Chętnie poradziłbym, abyś się całkowicie ich wystrzegał, ale są wszędzie.
Twierdzisz, że masz rozum? Myślisz, że zdołasz je wyprzedzić; zestrzelić, zanim ustrzelą ciebie; wykryć i ominąć? A słyszałeś takie powiedzenie: „im większy jesteś, tym większe przyciągasz problemy”?
Taki kosmiczny żarcik. Ale nieważne.
Rozbierzmy tę sprawę na czynniki pierwsze, zanim ty zostaniesz rozebrany.
Przede wszystkim mamy pospolite śmieci kosmosu. Chodzi o mikroskopijne drobinki węgla, krzemu, może troszkę wody czy minerałów. Nic szczególnego, często spięte w łańcuchy. Są to resztkowe odpryski pozostające po zderzeniach planetoid, komet lub statków kosmicznych. Znajduje się je na każdym kroku – nie tylko w Układzie Słonecznym, ale też w przepastnych obszarach pomiędzy gwiazdami. Zostają wypchnięte tam przez promieniowanie słoneczne – pod warunkiem, że są dostatecznie małe. W innym wypadku zbliżają się powolnym spiralnym torem, aby spopielić się w Słońcu. Albo opaść deszczem na planetę. Jeżeli znajdujesz się właśnie na takiej planecie, stały strumień tego dziadostwa dryfuje ku tobie w chwili, gdy czytasz te słowa. Bleee.
Oszacowanie skali tego zjawiska sprawia pewne trudności (drobinki są drobne), ale sądzi się, że około kilkuset ton przypadkowych śmieci tego typu trafia na Ziemię każdego dnia[14].
Najmniejsze z nich nazywa się po prostu pyłem (zdaję sobie sprawę, że niezbyt oryginalnie), a większe znane są jako mikrometeoroidy, definiowane w precyzyjnym języku nauk ścisłych jako „malutkie”.
Można je nawet zobaczyć. Nie pojedynczo, rzecz jasna, ale rozciągnięte wskroś Układu Słonecznego – odbijają sporo światła. Kiedy wybierzesz się na spacer w bezchmurną bezksiężycową noc i zidentyfikujesz płaszczyznę Układu Słonecznego (najlepiej mieć w polu widzenia kilka planet – wtedy po prostu zabawiasz się w łączenie kropek), powinieneś być w stanie dojrzeć nieśmiałą poświatę, która zaczyna się przy horyzoncie nad miejscem, gdzie zaszło Słońce, i zwęża ku górze. Nazywa się ją światłem zodiakalnym. Jest ona sumą promieni Słońca odbitych od nieprzebranego mnóstwa kosmicznych drobinek w naszym układzie planetarnym.
Wygląda to nawet dość uroczo, jeśli wolno mi tak powiedzieć.
Nie daj się jednak zwieść czarowi światła zodiakalnego. Mikrometeoryty to nie potulne owieczki. Mimo miniaturowej wielkości zwykle mkną w tempie ponad trzydziestu tysięcy kilometrów na godzinę. Czy uderzyło cię kiedyś cokolwiek, co porusza się z taką szybkością? Nie, bo wciąż czytasz tę książkę.
Ochrona przed uderzeniami mikrometeoroidów należy do pierwszych wyzwań, przed którymi stanęła ludzkość, kiedy postanowiła przerobić „kombinezony ziemskie” na kosmiczne. Pierwsze rozwiązania były proste i mało finezyjne: obłożyć astronautów czy kosmonautów grubymi warstwami watowanego materiału i trzymać kciuki za to, aby wszystkie świstające ziarnka zatapiały się w nim, a nie w czymś bardziej cielistym i delikatnym[15].
Następne w kolejce są meteoroidy. Też stosunkowo małe, ale wystarczająco duże, żebyś widząc je, zawołał: „O, to meteoroid. Tam!”. Zdecydowanie większe od ziarnek pyłów, ale najczęściej przyjmuje się, że ich średnica ma nie przekraczać metra.
Również one są fragmentami pozostałymi po kolizjach większych skalnych ciał orbitujących w Układzie Słonecznym lub kawałkami, które poodpadały od dużych obiektów, bo i tak się czasem zdarza. Część jest zbyt mała, aby wytwarzać dostateczną grawitację, która by je zaokrągliła (grawitacja z lubością wszystko wciąga, zatem robi, co może, aby usunąć wszelkie wybrzuszenia; niemniej ten wysiłek zda się na nic, jeżeli brakuje odpowiedniej masy, która to umożliwia), toteż występują czasem w najrozmaitszych poszarpanych i zębatych kształtach. Prują po swojej orbicie, zajęte własnymi sprawami, chyba że staniesz im na drodze. Wtedy przebijają cię na wylot i wyglądasz jak żółty ser.
Pytasz – cóż mogą zrobić, takie malutkie i śliczniutkie? Otóż są twarde, a jednocześnie na tyle duże, by w znacznej części składać się z metali. Kiedy zaś uderzają w ciebie lub w atmosferę twojej planety, najczęściej poruszają się z prędkością dwudziestu kilometrów na sekundę, czyli około siedemdziesięciu dwóch tysięcy kilometrów na godzinę.
Aby przedstawić to w bardziej obrazowy sposób, powiem, że jest to mniej więcej pięćdziesiąt razy szybciej niż wystrzelony pocisk. Pocisk z litej skały o średnicy mniej więcej pół metra. I zbudowany z materii przypominającej matową ziemię, więc niespecjalnie błyszczy i ostrzega o swojej lokalizacji. W dziesięciostopniowej skali zagrożenia meteoroidy otrzymują solidnych osiem punktów.
Sporadycznie któryś z nich trafia na planetę. Widziałeś kiedyś naprawdę wspaniałą spadającą gwiazdę? Taką, za którą płonący ślad ciągnie się przez pół nieba? Taką, przy której można wypowiedzieć życzenie? Taką, która zasługuje na serię głębokich ochów i achów?
Ślad ten został pozostawiony przez drobinkę wielkości ziarnka piasku wpadającego w atmosferę Ziemi z szybkością około stu pięćdziesięciu tysięcy kilometrów na godzinę. Przy tak skrajnych prędkościach obiekt dosłownie pcha przed sobą powietrze jak tłok, zgniatając je i rozgrzewając do tak nieprawdopodobnych temperatur, że a) powietrze zmienia się w plazmę oraz b) obiekt kawałek po kawałku wyparowuje. Stąd ten piękny błysk i ognisty ogon, gdy meteoroid nurkuje na spotkanie ze swoim przeznaczeniem.
Ponieważ dawne ludy Ziemi uznawały te świetlne pokazy za swego rodzaju zjawiska atmosferyczne (i w sumie miały rację, bo zapłon pojawia się tylko w zetknięciu z atmosferą), nadały im wspólną nazwę odnoszącą się do zdarzeń pogodowych – meteory.
Jeżeli meteor wytrzyma tę podróż i dotrze mniej więcej cały do powierzchni Ziemi, otrzymuje nową nazwę: meteoryt, a istoty zamieszkujące tę powierzchnię mogą zbierać takie kamyki i sprzedawać na eBayu.
O ile większość z dwudziestu pięciu milionów mikro- i regularnych meteoroidów napotykających każdego dnia Ziemię wyparowuje w górnych strefach atmosfery, o tyle tylko jednym określeniem można opisać efekt wywoływany przez te, które doprowadzają swoją wyprawę do finału: łubu-dubu.
A jeśli chodzi o większe skały – to dopiero, rety! Te łachudry potrafią mieć średnicę od metra (czyli na granicy rozmiaru meteoroidów) do tylu, że można by je nazwać planetą (co zawsze daje asumpt do sporów pomiędzy naszymi przyjaciółmi astronomami). Pokaźny obiekt poruszający się po znanej stałej orbicie nazywamy planetoidą. Jeśli zaś ma niestabilną orbitę, spędza większą część swojego życia poza Układem Słonecznym, składa się głównie z lodu i potrafi się zaprezentować z fasonem, zostaje nazwany kometą.
Jeżeli któryś z tych wielkich drani walnie w planetę, robi się naprawdę przykro. Nie ma wtedy czasu na to, by przystanąć i napawać się widokiem fajerwerków. Zmykasz co sił w nogach i zaczynasz się martwić, jak zdobędziesz następny obiad.
• • •
Niemal wszystkie te skały w różnych kształtach i wielkościach są resztkami pochodzącymi z czasów, gdy Układ Słoneczny pierwotnie się pichcił. Zdarzyło ci się kiedyś mieszać mąkę w misce i machnąć łyżką zbyt energicznie (może zaszczekał pies lub w końcu coś ciekawego zaczęło się dziać w serialu), tak że mąka rozsypała się po blacie? Chodzi o coś w tym rodzaju[16].
Młode układy planetarne to obszary okropnego chaosu. Będziemy dalej mówić o tym, dlaczego powinieneś je z zasady omijać, a jednym z tych powodów jest multum niebezpiecznych kamieni, które śmigają tam w prawo i lewo. Olbrzymie, średnie, malutkie. Planety muszą się uformować, aby zaś uformowały się z gazowego obłoku, musi zajść mnóstwo zderzeń i otarć. Drobinki pyłu zbijają się w kamyki. Kamyki zlepiają się w głazy. Skupiska głazów przyciągają się nawzajem, a w konsekwencji tworzą protoplanety. Protoplanety zderzają się ze sobą i formują planety. Im większe są protoplanety, tym więcej materii przyciągają ku sobie siłą grawitacji i tym więcej doświadczają kolizji.
Wszystko to nie odbywa się schludnie ani w eleganckim porządku. Nie jest to systematyczny przyrost od Ziem wielkości kamyka przez proto-Ziemie do prawie Ziem i całkiem Ziem. Na tej samej orbicie lub w jej pobliżu mogą się formować liczne protoplanety. Dwie są na wejściu, ale tylko jedna na wyjściu. W dawnym Układzie Słonecznym szybowały dziesiątki, jeśli nie setki protoplanet. A dzisiaj? Mamy ledwie osiem (albo dziewięć, zależnie od tego, kogo zapytasz, ale nie będziemy się zagłębiać w ten temat). Doszliśmy do tego na drodze niemałego tumultu, a jego skutek nie był jednorodny – każda kolizja zostawiała po sobie rozproszone gruzowisko, dryfujące wspomnienie katastrofy.
Uważa się nawet, że ziemski Księżyc powstał wskutek takiego zderzenia protoplanet. Pomyśl: ze wszystkich wewnętrznych planet Układu Słonecznego Ziemia jako jedyna ma znacznego satelitę. Merkury nie ma. Wenus nie ma. Mars ma dwa, ale to liliputy. Jedynym znanym nam sposobem, w jaki Ziemia mogła sprokurować sobie porządny księżyc, jest kolizja z obiektem wielkości Marsa. Tak brutalna kraksa mogła mieć dość impetu, by posłać odłamek wymiarów Księżyca na orbitę wokół młodej Ziemi.
Wyobraź sobie teraz, że coś takiego przytrafia się tobie.
Po przejściu tej fazy planeta na wczesnym etapie istnienia mogła sądzić, że pokonała konkurencję, oczyściła swoje otoczenie, jest piękna i bezpieczna, może więc zająć się wytwarzaniem atmosfery, oceanów oraz maciupkich stworków zaczynających pełzać po jej powierzchni. Tymczasem zanim się obejrzała, do wewnętrznego obszaru układu planetarnego postanowił zawitać gazowy olbrzym wielkości Jowisza, by nieco się porozglądać.
Sformułowanie „olbrzym gazowy w wewnętrznym układzie planetarnym” powinno się zastąpić „słoniem w składzie porcelany”.
