Dlaczego jesteśmy - Prószyński i S-ka
advertisement
Dlaczego jesteśmy Dlaczego jesteśmy Cud powstania życia na Ziemi JOHN GRIBBIN Przełożył Adam Tuz Tytuł oryginału the reason why The Miracle of Life on Earth Copyright © John and Mary Gribbin, 2011 First published by the Penguin Group All rights reserved Projekt okładki Prószyński Media Ilustracja na okładce © NASA/JPL Redaktor serii Adrian Markowski Redakcja Ewa Kościelska-Koszur Korekta Bronisława Dziedzic-Wesołowska Łamanie Jacek Kucharski ISBN 978-83-7839-423-5 Warszawa 2013 Wydawca Prószyński Media Sp. z o.o. 02-697 Warszawa, ul. Rzymowskiego 28 www.proszynski.pl Druk i oprawa OPOLGRAF Spółka Akcyjna 45-085 Opole, ul. Niedziałkowskiego 8–12 Spis treści Podziękowania Przedmowa: Jedyna inteligentna planeta Wstęp: Jedna na bilion 8 9 12 1 Dwa paradoksy i jedno równanie 41 2 Co jest tak szczególnego w naszym położeniu w obrębie Drogi Mlecznej? 75 3 Co jest tak szczególnego w Słońcu? 104 4 Co jest tak szczególnego w Układzie Słonecznym?127 5 Co jest tak szczególnego w Ziemi? 156 6 Co jest tak szczególnego w eksplozji kambryjskiej? I. Kontyngencja i konwergencja 184 7 Co jest tak szczególnego w eksplozji kambryjskiej? II. Wenus cieplarnia/Ziemia śnieżka 202 8 Co jest tak szczególnego w nas? 222 Bibliografia246 Polskie wydania bibliografii 251 Indeks 253 Może się niemal wydawać, że nasza Galaktyka stanowiła gigantyczny magazyn z zapasowymi częściami potrzebnymi do powstania życia. James Lovelock, członek Towarzystwa Królewskiego Simonowi Goodwinowi, na tyle wielkodusznemu, że pierwszy nie napisał tej książki! Podziękowania Chciałbym podziękować Simonowi Goodwinowi, Douglasowi Linowi, Charleyowi Lineweaverowi, Jimowi Lovelockowi, Mordecaiowi Markowi Mac Low, Josepowi Trigo-Rodriguezowi oraz astronomom z Sussex University za dyskusje i rady dotyczące różnych aspektów niniejszej książki. Dzięki Bernardowi Pagelowi, z którym w ostatnich latach dzieliłem gabinet, miałem sposobność dowiedzieć się więcej, niż się spodziewałem, o składzie chemicznym gwiazd i o tym, jak skład ten się zmieniał w miarę upływu czasu. Mary Gribbin odegrała jak zawsze ważną rolę, dbając o zrozumiałość moich wywodów, a Alfred C. Munger Foundation pokryła część kosztów naszych podróży oraz innych wydatków. Przedmowa Jedyna inteligentna planeta Czy nasze istnienie zawdzięczamy zderzeniu „superkomety” z Wenus 600 milionów lat temu? Taki pomysł dekadę temu mógłby wydać się śmieszny. Obecnie wiemy jednak o istnieniu ciał lodowych o rozmiarach Plutona, poruszających się po orbitach na obrzeżach Układu Słonecznego; wiemy, że ziemski Księżyc powstał wskutek zderzenia z Ziemią obiektu wielkości Marsa; wiemy z teorii chaosu, że żadna z orbit wokół Słońca nie jest stabilna; co najważniejsze, wiemy również, że jakaś katastrofa spotkała jednocześnie Wenus i Ziemię tuż przed eksplozją życia na naszej planecie, co doprowadziło do naszej egzystencji. Zbieg okoliczności? Być może. Jeśli tak, to najistotniejszy z łańcucha zbiegów okoliczności prowadzącego do pojawienia się na Ziemi inteligentnych form życia. Łańcuch ten ma tak wiele słabych ogniw, że – mimo bezliku gwiazd i planet we Wszechświecie – jako gatunek obdarzony inteligencją możemy być zjawiskiem jedynym w swoim rodzaju. Droga Mleczna zawiera kilkaset miliardów gwiazd. Skromnie licząc, wokół kilku miliardów krążą planety, na których mogłoby powstać życie. W naszej Galaktyce może być więcej nadających się do zasiedlenia planet niż ludzi na Ziemi. Ale „nadająca się do zasiedlenia” nie oznacza „zamieszkana”. Według tezy zawartej w niniejszej książce inteligentna cywilizacja istnieje tylko na Ziemi. Przyczyna tego stanu rzeczy wiąże się z serią kosmicznych zdarzeń, które wywarły wpływ na Wenus i Ziemię około 600 milionów lat temu. To jednak tylko część 10 Dlaczego jesteśmy historii, zaledwie jedna z astronomicznych i geofizycznych przyczyn szczególnej i, być może, niepowtarzalnej roli Ziemi. Postępy nauki od czasów Kopernika coraz bardziej odsuwają nas od centrum Wszechświata. Do końca XX wieku uczono nas, że stanowimy zwyczajny gatunek fauny, zamieszkujący zwyczajną planetę krążącą wokół zwykłej gwiazdy na peryferiach niepozornej galaktyki. Jednak taki obraz Ziemi i ludzkości jako mało istotnej jednostki we Wszechświecie może być mylny. W niniejszej książce staram się podważyć ów pogląd i zasugerować, że ludzkość jest czymś szczególnym – unikatowym wytworem niezwykłego zestawu okoliczności, który nie zdarzył się dotychczas nigdzie indziej w Galaktyce, a być może nawet w całym Kosmosie. Koncepcja znana jako „efekt Złotowłosej”* przekonuje, że w całym naszym Wszechświecie jest coś osobliwego, jednak w mojej argumentacji nie ma dla niej miejsca; czy Wszechświat jest niezwykły czy też nie, osobliwa jest pozycja, jaką zajmuje w nim Ziemia zasiedlona przez żywe istoty. Koncepcja Ziemi jako „żyjącej planety”, wyrażona najbardziej klarownie w postaci hipotezy Gai, zawładnęła wyobraźnią opinii publicznej i stała się częścią poważanej wiedzy naukowej. Przywyk­liśmy do myśli, że nasza siedziba w Kosmosie stanowi jednolity, złożony z powiązanych ze sobą elementów, system życia. Niepokoi nas bardzo realna możliwość, że działania ludzkości mogą oznaczać śmierć Gai. Zagadnienia te omawia w swoich najnowszych książkach Jim Lovelock. Kreślony przezeń obraz jest dostatecznie ponury nawet z zaściankowej perspektywy życia na samej Ziemi. Ale czy pojedyncza planeta naprawdę liczy się w bezkresie Kosmosu? Niedawne odkrycie planety zaledwie kilkakrotnie cięższej od Ziemi, krążącej wokół pobliskiej gwiazdy**, a także odkrycie w ciągu paru ostatnich lat ponad 200 przypominających Jowisza planet olbrzymów, krążących wokół innych gwiazd, rozpaliło zainteresowanie odnalezieniem inteligentnych form życia w odległych regionach Wszechświata. * Złotowłosa (ang. Goldilock) – bohaterka bajki, która w chatce trzech niedźwiadków nie chciała jeść kaszki ani za gorącej, ani za zimnej (przyp. tłum.). ** A także, w trakcie przygotowywania tej książki do druku, kilku dalszych „planet ziemiopodobnych” (przyp. aut.). Przedmowa 11 Wiele osób ma nadzieję, że obecność innych „układów słonecznych” musi oznaczać istnienie innych „ziemskich planet” – a skoro tak, to na pewno muszą też istnieć inne istoty ludzkie? To mylny argument. Po pierwsze, wydaje się, że planety przypominające Ziemię prawdopodobnie występują rzadko. Jednak nawet gdyby inne planety ziemiopodobne występowały często, uważam, że chociaż samo życie może być zjawiskiem powszechnym, to taki rodzaj cywilizacji opartej na inteligencji i technologii, jaki pojawił się na Ziemi, może być fenomenem, przynajmniej w obrębie Drogi Mlecznej. Zgadzam się z Lovelockiem, że inne Gaje mogą występować w Kosmosie stosunkowo często. Doszedłem jednak do wniosku, że nasz rodzaj inteligentnego życia zdarza się tak rzadko, że może być zjawiskiem niepowtarzalnym, ograniczonym wyłącznie do naszej planety. W obecnym momencie kosmicznego czasu inteligentne życie istnieje tylko na Ziemi; posługując się językiem hipotezy Gai: Ziemia to jedyna inteligentna planeta, przynajmniej w naszej Galaktyce. Niezależnie od tego, czy dostrzega się tu palec Boży czy też nie, taki stan rzeczy oznaczałby, że stanowimy najbardziej zaawansowaną technologicznie cywilizację we Wszechświecie i jako jedyni obserwujemy sam Wszechświat, pojmując jego pochodzenie i naturę. Jeśli ludzkość i Gaja zdołają przetrwać obecne kryzysy, to cała Galaktyka może stać się naszym domem. Jeśli zaś stanie się inaczej, zagłada Gai może okazać się zdarzeniem o znaczeniu dosłownie uniwersalnym. W swoich rozważaniach ograniczam się do Drogi Mlecznej nie tylko z tego powodu, że stanowi ona nasze własne podwórko astronomiczne, wyspę w przestrzeni kosmicznej, której prawdopodobnie nie zbadamy fizycznie w przewidywalnej perspektywie czasowej, lecz także dlatego, że Wszechświat poza granicami Drogi Mlecznej może być nieskończony. W nieskończonym Wszechświecie wszystko jest możliwe, ale wszelkie interesujące zjawiska mogą zachodzić nieskończenie daleko od nas. Droga Mleczna zawiera kilkaset miliardów gwiazd, ale prawie na pewno mieści tylko jedną inteligentną cywilizację. W takim sensie nasza cywilizacja jest tą jedyną i szczególną. Niniejsza książka wyjaśnia, dlaczego tak się stało. Wstęp Jedna na bilion Wszechświat jest wielki. Żyjemy w przestrzeni we wnętrzu rozszerzającej się sfery, która narodziła się w stanie nieskończonej gęstości i nieskończonego gorąca w chwili Wielkiego Wybuchu 13,7 miliarda lat temu. Ponieważ sfera ta istnieje tylko 13,7 miliarda lat, w zasadzie największa odległość, na jaką moglibyśmy sięgnąć wzrokiem, to dystans, który światło pokonało w ciągu 13,7 miliarda lat. Dość logicznie zatem przyjęto, że ta odległość wynosi 13,7 miliarda lat świetlnych, przy czym rok świetlny oznacza dystans, jaki światło może przebyć w ciągu roku – około 9,5 biliona km lub 5,9 biliona mil. Zatem dostępny obserwacji Wszechświat stanowi pęcherz z Ziemią znajdującą się w jego centralnym punkcie, mający średnicę 27,4 miliarda lat świetlnych i powiększający się w tempie 2 lat świetlnych (po jednym w każdą stronę) na rok*. To wcale nie znaczy, że jesteśmy w centrum Wszechświata, podobnie jak żeglarz, który nie widzi lądu, nie znajduje się na środku oceanu, a po prostu w centrum kręgu wyznaczonego przez widziany przezeń horyzont. Każdy z żeglarzy w innych regionach oceanu pozostaje w centralnym punkcie swojego własnego „dostrzegalnego świata” otaczanego przez horyzont. Wszechświat bez wątpienia rozciąga się * To lekkie uproszczenie nie odzwierciedla w pełni zjawiska rozszerzania się Wszechświata. Mam nadzieję, że moi koledzy kosmolodzy wybaczą mi je (przyp. aut.). Wstęp 13 poza granicami naszego kosmicznego horyzontu – tak jak morze sięga poza granice horyzontu żeglarza – i równie dobrze (w przeciwieństwie do oceanu) może być nieskończony. Jednak nie zamierzam w tym miejscu rozważać, co znajduje się za kosmicznym horyzontem. Wewnątrz sfery widzialnego Wszechświata jasne gwiazdy, bardziej lub mniej podobne do naszego Słońca, są zgrupowane w wyspy nazywane galaktykami. Na podstawie obserwacji prowadzonych za pomocą instrumentów takich jak Teleskop Kosmiczny Hubble’a szacuje się, że w dostrzegalnym Wszechświecie istnieją setki miliardów, a być może nawet biliony galaktyk. Wszystkie gwiazdy, które widzimy gołym okiem, są częścią jednej z owych wysp w przestrzeni kosmicznej naszej macierzystej galaktyki, zwanej Drogą Mleczną lub po prostu Galaktyką. Niestety, nasze oczy to instrument całkowicie niewystarczający do ujawnienia prawdziwej natury Drogi Mlecznej. Nasza Galaktyka (jeśli liczyć w bardzo dużym zaokrągleniu) zawiera tyle samo gwiazd, ile jest galaktyk w dostrzegalnym Wszechświecie. W latach sześćdziesiątych XX wieku, kiedy zaczynałem stawiać pierwsze kroki w astronomii, najczęściej wymienianą, okrągłą liczbą gwiazd Drogi Mlecznej była liczba 100 miliardów; w miarę upływu czasu i pojawiania się coraz ściślejszych wyników obserwacji szacunkowa liczba wzrosła do 200 miliardów, następnie do „kilkuset” miliardów. Ponieważ nasze teleskopy są stale udoskonalane i w trakcie obserwacji ciągle wychodzą na jaw nowe odkrycia, rozsądnym rozwiązaniem wydaje się zaokrąglenie liczby gwiazd w naszej Galaktyce (w wielkim przybliżeniu) do biliona. To oznacza, że Słońce jest jedną z biliona gwiazd, a nasza Galaktyka – jedną z biliona galaktyk. Poza tym, o ile nam wiadomo, Słońce to dość zwyczajna gwiazda (chociaż może odznaczać się pewnymi drugorzędnymi, lecz istotnymi, szczególnymi cechami, które omówię później). Podróż przez Drogę Mleczną Owa wyspa złożona z biliona gwiazd tworzy tło zarówno mojej opowieści o powstaniu inteligentnego życia na Ziemi, jak i podłoże zagadki, 14 Dlaczego jesteśmy czy we Wszechświecie istnieją jeszcze inne inteligentne formy życia. W obecnym stanie ludzkiej wiedzy o Kosmosie jedyne, co możemy zrobić dla wyjaśnienia kwestii pojawienia się inteligencji, to zgłębiać historię i geografię naszej własnej Galaktyki i starać się zrozumieć przyczynę i sposób powstania inteligencji na Ziemi oraz ustalić, co te dane mówią nam o szansach odnalezienia cywilizacji na innych „planetach ziemiopodobnych” w bezkresach Drogi Mlecznej. Jeśli w całym Wszechświecie istnieje dostatecznie dużo gwiazd i planet, musi gdzieś być inny glob podobny do Ziemi; ale czy gdzieś na naszym własnym, kosmicznym podwórku znajduje się taki, który stał się siedzibą innej cywilizacji? Jeśli o to chodzi, mimo że nasza Galaktyka składa się z wielu elementów, nas interesują planety mniej lub bardziej przypominające Ziemię, krążące wokół gwiazd mniej lub bardziej podobnych do Słońca. Słońce i planety Układu Słonecznego powstały razem z zapadającej się chmury gazu i pyłu, unoszącej się w przestrzeni kosmicznej, nieco ponad 4,5 miliarda lat temu, kiedy Wszechświat osiągnął zaledwie dwie trzecie swojego obecnego wieku. Fakt, że utworzenie się Układu Słonecznego nastąpiło tak późno, nie jest tylko zbiegiem okoliczności. Istnieją niezbite dowody, że jedyne pierwiastki powstałe w znaczących ilościach w wyniku Wielkiego Wybuchu to wodór i hel. Cięższe pierwiastki tworzą się od tego czasu wewnątrz gwiazd w procesie zwanym nukleosyntezą gwiezdną i ulegają rozproszeniu w przestrzeni kosmicznej w momencie obumarcia tychże gwiazd. Musiał zatem upłynąć pewien czas, w którym narodziło się, żyło i obumarło kilka generacji gwiazd, zanim zostały wytworzone chmury materii międzygwiazdowej, zawierające dostatecznie bogatą mieszaninę pierwiastków takich jak krzem, tlen, węgiel i azot, z których mogła powstać planeta taka jak Ziemia. Częścią owego procesu nukleosyntezy są zjawiska, dzięki którym gwiazda, taka jak Słońce, świeci. Panująca wewnątrz Słońca skrajnie wysoka temperatura i takież ciśnienie zmuszają jądra atomów wodoru do łączenia się ze sobą i tworzenia jąder helu; procesowi temu towarzyszy uwalnianie się energii. We wnętrzu innych gwiazd, pozostających w innych stadiach cyklu życiowego, jądra helu łączą się, tworząc Wstęp 15 węgiel, tlen i tak dalej. Wszystkie wymienione przemiany zachodzą w obrębie dysku złożonego z gwiazd, gazu i pyłu, którego średnica sięga 100 000 lat świetlnych. Na podstawie pomiarów rozmieszczenia tego materiału, na tyle dokładnych, jak dalece to możliwe przy ich przeprowadzaniu z miejsca wewnątrz Galaktyki, a także porównywania tego, co widzimy, z wynikami obserwacji innych galaktyk oglądanych z zewnątrz, astronomowie stwierdzili, że nasza Galaktyka ma strukturę spiralną z wijącymi się pasmami jasnych, młodych gwiazd (zwanych ramionami spiralnymi), biegnącymi na zewnątrz od centrum dysku. Zwykło się uważać, że taka struktura znamionuje czysty model spiralny z czterema ramionami głównymi i kilkoma mniejszymi łukami; jednakże wyniki późniejszych obserwacji sugerują, że model jest bardziej pogmatwany: z niektórych ramion głównych wystają ostrogi, fragmenty innych ramion, jest nawet poprzeczka utworzona z ramion przebiegających poprzez środek Galaktyki. Nikt dokładnie nie wie, w jaki sposób powstaje wzorzec spiralny, lecz cechuje on wiele galaktyk. Według najbardziej prawdopodobnego przypuszczenia powstaje wskutek fal gęstości, czyli gromadzenia się w określonych miejscach krążących wokół centrum Drogi Mlecznej gwiazd i chmur gazu. Przypomina to zagęszczenie ruchu na autostradzie, wywołane przez przemieszczający się zator w pobliżu dużego, powolnego pojazdu. Chmury gazu, pochwycone przez obracające się zatory, ulegają ściśnięciu i niektóre z nich zapadają się, tworząc nowe gwiazdy, które uwidaczniają ów spiralny wzorzec. Ale pojedyncze gwiazdy są o wiele mniejsze od tych chmur i bez przeszkód przenikają przez falę gęstości, krążąc po swoich, prawie kolistych, torach ruchu wokół centrum Galaktyki.
