Z Merlinem przez wszechświat ebook

Dla wszystkich, którzy na tych stronach odnajdą pytanie, które sami sobie zadają

Przedmowa

Z Merlinem przez wszechświat to zbiór pytań zadanych przez różnych ludzi, na które odpowiedzi udzielił Merlin, gość z galaktyki Andromedy, wiekiem dorównujący naszej planecie, który był świadkiem wszystkich znaczących wydarzeń naukowych w historii Ziemi.

Merlin opiekował się rubryką listów do redakcji w StarDate, magazynie dla amatorów astronomii wydawanym przez Obserwatorium McDonalda na Uniwersytecie Teksańskim. Większość materiału wykorzystanego w niniejszej książce najpierw pojawiła się właśnie w tej rubryce, przy czym część nazwisk zmieniono, by chronić prywatność czytelników. Merlin czasem odpowiada lapidarnie, często podaje sporo informacji, no i zawsze jest zabawny.

Z ogromną przyjemnością przedstawiam wam tak wyczekiwane drugie wydanie mojej pierwszej książki: Z Merlinem przez wszechświat. Wiele oryginalnych pytań i odpowiedzi wciąż pozostaje aktualnych. Jest chyba jednak oczywiste, że tam, gdzie to właściwe i potrzebne, odpowiedzi Merlina i towarzyszące im tu i ówdzie ilustracje zostały zaktualizowane tak, by uwzględniały aktualny stan wiedzy naukowej.

Z Merlinem przez wszechświat nie ma być kursem wprowadzającym do astronomii, a jedynie zbiorem odpowiedzi na pytania zadawane przez dociekliwych czytelników w wieku od lat czterech do dziewięćdziesięciu. Postać Merlina stworzyłem w celach rozrywkowych, a odpowiedzi pisałem z moim nieustającym entuzjazmem do tego przepięknego i wspaniałego domu, jakim jest nasz wszechświat.

Neil deGrasse Tyson

Nowy Jork

sierpień 2024

Wstęp

Merlin urodził się blisko 5 miliardów lat temu na planecie Omniscii – jednej z pięciu planet orbitujących wokół gwiazdy Draziw w galaktyce Andromedy, odległej dwa i pół miliona lat świetlnych od nas. Przyjście na świat Merlina zbiegło się w czasie z ukształtowaniem układu planetarnego w galaktyce Drogi Mlecznej zawierającego planetę zwaną Ziemią.

Większość mieszkańców Omniscii interesuje się nau­kami ścisłymi, a wszyscy wykazują niezaspokojony głód wiedzy. Merlin uzyskał dyplomy z astrofizyki, historii, geofizyki, chemii i filozofii na ogólnoplanetarnym Uniwer­sytecie Omniscii. Jako że na świat przyszedł w tym samym czasie, kiedy w Drodze Mlecznej powstał nasz Układ Słoneczny, nasza galaktyka fascynowała go całe życie. To doprowadziło go do żywego zainteresowania myślą naukową wypracowaną przez ludzi z planety Ziemia.

Merlin zauważył, że ludzi interesuje to, co ich naukowcy wiedzą na temat wszechświata, choć wielu z nich nie ma pojęcia, gdzie i jak szukać rzeczowych odpowiedzi na swoje pytania. Dzielenie się mądrością jest równie istotne, jak jej zdobywanie. Dlatego też Merlin postanowił odwiedzić Ziemię i przybliżać fakty naukowe tym mieszkańcom planety, którzy – tak jak wszyscy Omniscianie – odczuwają niezaspokojony głód kosmicznej wiedzy.

IZiemia

W odróżnieniu od wielu innych planet we wszechświecie Ziemia to bardzo dynamiczne miejsce.

Księżyc siłami pływowymi zmusza nasze oceany do ciągłego chlupotu na szelfach kontynentalnych. Same kontynenty z wielką determinacją ślizgają się po płaszczu, z którego pochodzi magma wywołująca erupcje wulkanów. Są tu rośliny i zwierzęta, i mikroorganizmy, które mieszkają i rozmnażają się w oceanach, w skorupie ziemskiej i na powierzchni Ziemi, w temperaturach od mrozów Arktyki po kilkudziesięciostopniowe upały na pustyniach. Cała ta aktywność przebiega pod blisko sześcioma biliardami ton niespokojnej atmosfery odpowiadającej za burze, susze, wyładowania elektryczne i erozję.

Co ciekawe, to środowisko zapewnia całkiem przyjazne warunki w porównaniu do innych miejsc w kosmosie, choćby takich jak Wenus, Pluton czy – oczywiście – podwójna planeta Anoxia w układzie Draziw.

Nachylona Ziemia obraca się, chybocze i podskakuje, przemierzając próżnię na orbicie wokół Słońca, z Księżycem u boku trzymanym na grawitacyjnej uwięzi.

Między innymi to, że wszyscy ludzie oraz wszystko, co jest nie­przy­mocowane na stałe do powierzchni Ziemi, przewróciłoby się i potoczyło na wschód z prędkością około 1300 kilometrów na godzinę. Dokładna wartość tej prędkości zależy od szerokości geograficznej. Święty Mikołaj, przyjaciel Merlina, na biegunie północnym i pingwiny na biegunie południowym ledwie by cokolwiek spostrzegli. Ale jeśli chodzi o równik, to mówimy tu o prędkości blisko 1700 kilometrów na godzinę.

Ocean Spokojny chlusnąłby na obie Ameryki, a Ocean Atlantycki zalałby Europę i Afrykę.

Kiedy wszystko by się uspokoiło, jeden ziemski dzień trwałby równo jeden ziemski rok. Nie byłoby tornad, huraganów, cyklonów ani tajfunów, wszystkie one bowiem powstają wskutek ruchu obrotowego Ziemi. No i w razie porwania nie dałoby się ustalić, na której jest się półkuli, obserwując wir wodny przy spłukiwaniu sedesu. (Choć w sumie to i tak nigdy nie działało – woda wirowała w tę stronę, w którą były skierowane wyloty dysz spłukujących).

Merlin wolałby rozważać, co by się stało z orbitą Ziemi, gdyby jedna z pozostałych planet jutro wybuchła.

Na kształt ziemskiej orbity wpływają: masa Słońca, masa wszystkich pozostałych planet, a także ich odległość od nas w każdej chwili. Słońce jest tysiąc razy cięższe niż wszystkie planety razem wzięte, a do tego znajduje się względnie blisko Ziemi. Ten ścisły, miłosny związek pozwoli orbicie waszej planety – w obliczu armagedonu gdzieś indziej w Układzie Słonecznym – zachować zgodność z obecnym jej przebiegiem na poziomie 99,999 procent.

Gdyby jednak to Słońce miało jutro wybuchnąć, wszystkie obiekty orbitujące wokół niego – planety, planetoidy, komety i kosmiczny gruz – wystrzeliłyby w czerń kosmosu pod różnymi kątami i na zawsze przepadłyby gdzieś w przestrzeni międzygwiezdnej.

Ziemia jest bardzo nieznacznie spłaszczona na biegunach i minimalnie szersza nieco poniżej równika niż na samym równiku. To kształt zwany niezbyt pochlebnie gruszkowatą sferoidą spłaszczoną.

Czas powrotu do domu.

Na biegunach nie obowiązuje żadna oficjalna strefa czasowa.

Tak, jądro Ziemi któregoś dnia całkowicie wystygnie. Kiedy to się stanie, zamrze wszelka aktywność geologiczna lądów, zaniknie dryf kontynentalny, przestaną rosnąć góry, a wulkany przestaną wybuchać. Ziemia straci też swoje pole magnetyczne. Najgorszy jednak będzie brak gorących źródeł.

Zamieniłabyś się w parę z powodu temperatury około sześciu tysięcy stopni Celsjusza, jaka panuje w ściśniętym płynnym żelaznym jądrze.

Jeśli zignorować tę komplikację oraz opór powietrza, od chwili wskoczenia do dziury do czasu osiągnięcia środka Ziemi cały czas nabierałabyś prędkości. W samym środku przyciąganie grawitacyjne znika, podróżowałabyś jednak z tak wielką prędkością, że zwyczajnie przeleciałabyś przez ten punkt i od niego stopniowo zwalniała, aż wytraciłabyś całą prędkość dokładnie w chwili, w której wyłoniłabyś się z dziury po drugiej stronie planety.

Jeśli tam nikt by cię nie złapał, zaczęłabyś spadać ponownie i kontynuowałabyś tę cykliczną podróż już w nieskończoność.

Taki przelot przez środek Ziemi trwałby około dziewięćdzięsięciu minut – tyle samo, ile zajmuje statkowi kosmicznemu jednokrotne okrążenie Ziemi. Fizyka grawitacji jest pod tym względem zabawna.

Pełne chybnięcie, oficjalnie zwane precesją lunisolarną, trwa około 26 tysięcy lat – o wiele za wolno, by ktokolwiek mógł to odczuć. Jeśli chcesz poznać jego konsekwencje, wystarczy, że wrócisz tu za jakieś 12 tysięcy lat. Wtedy zauważysz, spoglądając ku północy, że oś Ziemi odchyliła się od Gwiazdy Polarnej (Polaris). Jej oś obrotu będzie wskazywała okolice jasnej gwiazdy o nazwie Vega – gwiazdy polarnej w odległej przyszłości.

Z kolei Egipcjanie, u których Merlin gościł przed 5 tysiącami lat, za wyznacznik kierunku północnego przyjmowali gwiazdę Alpha Draconis (zwaną też Thuban).

W okresach pomiędzy tamtą odległą przeszłością a czasami współczesnymi oraz między czasami współczesnymi a wspomnianą odległą przyszłością Ziemia nie ma gwiazd polarnych. Są one przemijającym luksusem nawigatorów. Trzeba się nimi cieszyć, póki się je ma.

Tak.

Co 67 tysięcy lat dzień staje się o około sekundę dłuższy. Dzieje się tak z kilku przyczyn. Jedną jest topnienie arktycznych lodowców, które wpływają na ruch obrotowy Ziemi na tej samej zasadzie, która sprawia, że łyżwiarze figurowi po wyciągnięciu rąk dalej od tułowia kręcą się wolniej. Ich finałowa poza to więc nie tylko kwestia elegancji. To kwestia fizyki. Najważniejszą jednak przyczyną są pływy solarne i lunarne, które nieustannie chlupoczą na szelfach kontynentalnych. Tarcie półtora tryliona ton oceanów o ląd rozprasza część energii obrotowej Ziemi, gdyż Księżyc cały czas dzielnie usiłuje nas spowolnić, dążąc do tego, by jeden ziemski dzień był równy jednemu księżycowemu miesiącowi.

Księżyc już jest zwrócony ku Ziemi zawsze jedną i tą samą stroną. Kiedy Ziemia także będzie zwrócona do Księżyca zawsze jedną stroną, będziemy mieli do czynienia z „obrotem podwójnie synchronicznym”. Jeśli to nie jest nazwa jakiejś figury w łyżwiarstwie figurowym, powinno się to zmienić.

Ruch precesyjny to „chybotanie” wynikające z tego, że niesferyczny obiekt obraca się wokół osi nachylonej względem zewnętrznego pola grawitacyjnego. Do tego opisu pasują wszystkie planety. Ziemia też nie jest idealną kulą, jej oś obrotu jest nachylona o 23,5 stopnia, a do tego inne ciała Układu Słonecznego nieustannie ciągną ją w różne strony – zwłaszcza Słońce i Księżyc.

Z równań dynamiki orbitalnej wynika, że wynoszący 26 tysięcy lat okres precesji będzie się skracał o mniej więcej rok na każde trzy sekundy wydłużenia ziemskiego dnia.

Trwający 26 tysięcy lat cykl pełnej precesji Ziemi, w połączeniu z dwoma innymi cyklami kosmicznymi, tworzy cykle Milankovicia, nazwane tak na cześć przyjaciela Merlina, serbskiego matematyka Milutina Milankovicia. W roku 1911 badał on, jaki wpływ na klimat Ziemi mają: mimośród jej orbity oraz nachylenie i precesja osi obrotu. W toku swoich badań zaobserwował długofalowe zmiany klimatu odpowiadające za cykl powracających epok lodowcowych.

Okres tych cykli mierzymy w dziesiątkach tysięcy lat. Tak więc ludzie, którzy wolą zrzucać winę za globalne ocieplenie w minionym stuleciu na naturalne zmiany klimatu swojej planety, zwyczajnie wykazują się niewiedzą na temat działania wszechświata.

Nazwy konstelacji wywodzą się z wielu kultur, a ­zodiak w znanej nam postaci pochodzi sprzed 2 tysięcy lat. W tamtym czasie roczna droga Słońca na tle gwiazd sprawiała, że w dniu równonocy wiosennej (czyli pierwszego dnia wiosny) Słońce znajdowało się w gwiazdozbiorze Barana. Dlatego też pierwszy dzień wiosny był nazywany „pierwszym punktem Barana”.

Przez dziewiętnaście stuleci zmieniło się kilka rzeczy. Z powodu nieustającej precesji osi obrotu Ziemi dziś równonoc wiosenna wypada w czasie, kiedy Słońce wędruje już przez gwiazdozbiór Ryb. Za około sześćset lat „pierwszy punkt Barana” dotrze do konstelacji Wodnika i wówczas zapewne zostanie ogłoszona „Era Wodnika”.

Choć napisano różne piosenki na temat tej nadchodzącej ery, nie ma żadnego naukowego powodu, by się nią ekscytować.

W styczniu Ziemia istotnie jest około 3 procent bliżej Słońca niż w lipcu. Ewidentnie więc nie może to odpowiadać za występowanie pór roku.

Oś obrotu waszej planety jest nachylona o 23,5 stopnia względem płaszczyzny jej orbity. W lecie półkula północna jest zwrócona w stronę Słońca, w zimie – skierowana w stronę przeciwną. Mogłaś zauważyć, że w letnie południe Słońce znajduje się wyżej na niebie niż w środku zimowego dnia.

Kiedy Słońce jest wysoko na niebie, ziemia nagrzewa się dużo efektywniej niż wtedy, gdy Słońce wisi tuż nad horyzontem. Promienie słoneczne ogrzewają powierzchnię Ziemi, a następnie powierzchnia planety oddaje ciepło powietrzu. Dlatego właśnie najgoręcej jest kilka godzin po południu, a najgorętszy okres w roku wypada jeden do dwóch miesięcy po przesileniu letnim (21 czerwca).

Oczywiście wszystkie pory roku są odwrócone dla jednej szóstej ludzkości i wszystkich innych organizmów żywych zamieszkujących półkulę południową.

Nie. Nie, jeśli masz na myśli oś obrotu Ziemi. Ale ziemskie bieguny magnetyczne rzeczywiście zamieniają się miejscami co jakieś 300 tysięcy lat. Co oznacza, że w całej historii tej planety doszło do tego już tysiące razy.

Najlepiej to wyjaśnić z wykorzystaniem zjawiska dynama, w którym obracają się przewodzące prąd płyny (zarówno ciecze, jak i gazy). W przypadku Ziemi „dyna­mem” jest jej płynny rdzeń, a w przypadku Słońca, którego bieguny zamieniają się miejscami co jedenaście lat, cała jego masa. Ludzie często mylą przebiegunowanie Ziemi i Słońca, co prowadzi do epizodów lęku egzystencjalnego w obliczu nadchodzącego przeskoku.

Nie byłoby żadnych pór roku, a w każdym miejscu na Ziemi dzień i noc zawsze trwałyby dokładnie dwanaście godzin: każdy dzień byłby równonocą.

W takiej sytuacji niedźwiedzie nie wiedziałyby, kiedy zapaść w sen zimowy, drzewa liściaste nie miałyby pojęcia, kiedy zrzucić liście, a branża modowa nie potrafiłaby określić, kiedy zmienić kolekcje.

Przy temperaturze panującej w najwyższych warstwach ziemskiej atmo­sfery część atomów wodoru osiąga prędkości przekraczające prędkość ucieczki z waszej planety (11,2 km/s, czyli ponad 40 tysięcy km/h). Z łatwością czmychają wtedy w przestrzeń międzyplanetarną. Ten proces cały czas skutecznie pozbawia waszą atmosferę wodoru.

Jeśli będziesz kiedykolwiek potrzebowała trochę wodoru, możesz go uzyskać ze specjalnie zaprojektowanych przyrządów zamontowanych w twoim domu, zwanych kranami. Wylatuje z nich strumień molekuł z dwoma atomami wodoru silnie związanymi z jednym atomem tlenu. Tę konfigurację chemiczną nazywamy wodą. Dzięki wykorzystaniu elektrolizy naukowcy mogą rozerwać wiązanie wodór–tlen, co skutkuje uwolnieniem obu tych pierwiastków w postaci gazowej.

Merlin wysłuchał kiedyś słuchowiska radiowego na temat obcych rozpaczliwie poszukujących wodoru, bo był im niezbędny do przetrwania. Przybyli więc na Ziemię i wyssali z niej całą wodę. Jej twórca zdecydowanie znał się na chemii – fakt, cząsteczka wody (H2O) zawiera wodór – ale wykazał się zatrważającą niewiedzą w dziedzinie astrofizyki. Przecież dziewięćdziesiąt dwa procent wszystkich atomów we wszechświecie to właśnie wodór.

Prędkość ucieczki z Ziemi istotnie wynosi ponad 40 tysięcy kilometrów na godzinę. Ale cząsteczki tlenu i azotu przy powierzchni Ziemi (najszybciej poruszające się molekuły w jej atmosferze) mają średnią prędkość nieco tylko przekraczającą półtora tysiąca kilometrów na godzinę, nie musisz się zatem martwić, że któregoś ranka obudzisz się w próżni.

Twoja temperatura w przestrzeni kosmicznej, bez otaczającego cię izolacyjnego koca ziemskiej atmosfery, zależy jedynie od tego, co robisz z padającymi na ciebie promieniami Słońca.

Jeśli planujesz odbyć taką podróż tam i z powrotem, możesz kontrolować swoją temperaturę w próżni kolorem swojego ubrania. Jeśli założysz czarne rzeczy, będziesz absorbować wszystkie promienie słoneczne, a temperatura twojego ciała może przekroczyć 120 stopni Celsjusza. Ponieważ to nieco więcej niż punkt wrzenia krwi, warto rozważyć inny kolor ubioru.

Jeśli twój wybór padnie na biel albo jeszcze lepiej: zamocujesz do ubrania lustra, będziesz odbijać większość padających na ciebie promieni Słońca. Wtedy szybko wytracisz ciepłotę ciała, doznasz hipotermii i umrzesz. Potem twoja temperatura będzie się dalej obniżać, aż spadnie poniżej −70 stopni Celsjusza. Choć to już nie będzie dla ciebie w żaden sposób istotne.

Najlepiej jest opuszczać ziemską atmosferę w stroju, który noszą astronauci, czyli w kombinezonie kosmicznym z regulacją temperatury.

W odróżnieniu od ciał stałych i cieczy powietrze bardzo łatwo poddaje się ścieśnianiu. Ciśnienie powietrza zależy od ciężaru całego słupa atmosfery ziemskiej znajdującego się nad danym obszarem. Kiedy wchodzisz na szczyt wysokiej góry (tak jak kiedyś astronomowie prowadzący obserwacje nocnego nieba), pozostawiasz pod sobą całe kilometry powietrza. Pozostała część atmosfery nad tobą waży już mniej niż u podnóża góry, zatem w mniejszym stopniu ściska otaczające cię powietrze.

Wśród skutków tego zjawiska warto wymienić choćby konieczność dostosowania czasu gotowania jedzenia, ponieważ dokładny punkt wrzenia wody (bardzo często dodawanej do potraw) zależy od ciśnienia powietrza w ­danym miejscu. Na poziomie morza woda wrze w temperaturze 100 stopni Celsjusza. Na szczycie Mount Everestu – w zaledwie 65 stopniach. W pozbawionej powietrza próżni wrzenie może nastąpić już w temperaturze pokojowej, co bardzo utrudniłoby gotowanie.

Jeśli na Księżycu powstaną kiedyś restauracje, z pewnością będą miały niezwykłe menu. Mogę ci jednak zagwarantować, że nie będą miały żadnej atmosfery!