bajtlik k.qxd

fizyka
i
filozofia
Najnowsze badania wykazują, że 2/3 materii we Wszechświecie stanowi energia o nieznanym pochodzeniu, działająca jak
antygrawitacja, 1/3 to egzotyczne, wciąż jeszcze niewykryte
cząstki elementarne, a to, z czego jesteśmy my, gwiazdy i galaktyki, to tylko niewielka domieszka.
krycia dokonano na S³oñcu (st¹d
nazwa, od greckiego helios), w 1868
roku. Minê³o wiele lat, zanim zdano
sobie sprawê, ¿e jest drugim po wodorze, najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem w gwiazdach.
Odkrycie, ¿e S³oñce prawie
w ca³oœci jest z wodoru i helu, po-
Stanisław Bajtlik
Z czego zrobiony jest
M ŁODY TECHNIK
wiæ. Czerwony kolor gleby i ska³
pokrywaj¹cych wiêksz¹ czêœæ l¹dów
zawdziêczamy tlenkom ¿elaza. Piasek, szyby w oknach, ska³y to g³ównie krzem i wapñ.
Od sejsmologów wiemy, ¿e
wnêtrze naszej planety zawiera ¿elazne j¹dro. ¯elazo stanowi oko³o
15% masy Ziemi. W latach dwudziestych zesz³ego stulecia astronomowie s¹dzili, ¿e sk³ad S³oñca jest
taki jak Ziemi. Zaskoczy³o ich odkrycie w 1925 roku przez Cecyliê Payne, ¿e nasza najbli¿sza gwiazda
sk³ada siê w trzech czwartych
z wodoru i w jednej czwartej z helu.
Wszystkie inne pierwiastki chemiczne stanowi¹ zaledwie jednoprocentow¹ domieszkê. Nie od razu uznano odkrycie Payne, zw³aszcza ¿e dokona³a go kobieta, co wówczas odgrywa³o rolê. Wodór i hel to najl¿ejsze pierwiastki, najbardziej lotne,
naj³atwiej tracone przez niewielkie
cia³a niebieskie, takie jak nasza planeta. Niemal ca³y wodór, który Ziemia zdo³a³a zatrzymaæ, jest uwi¹zany w cz¹steczkach wody w oceanach. Hel jest gazem szlachetnym,
nie tworzy zwi¹zków z innymi pierwiastkami. Na Ziemi prawie go nie
ma – dawno ulecia³ w kosmos. Ten,
który jest, pochodzi z naturalnych
rozpadów radioaktywnych pierwiastków zawartych w ziemskiej
skorupie. Jest go tak ma³o, ¿e od-
zwoli³o wyjaœniæ Ÿród³o energii
w nim i innych gwiazdach. S¹ to reakcje syntezy termoj¹drowej, przemieniaj¹ce wodór w hel oraz ciê¿sze
pierwiastki. OdpowiedŸ na pytanie,
z czego zrobiony jest Wszechœwiat,
okaza³a siê zaskakuj¹ca. Choæ nasz
ziemski, materialny œwiat tworz¹
ciê¿sze pierwiastki, to praktycznie
ca³a œwiec¹ca materia we Wszechœwiecie sk³ada siê z dwóch najl¿ejszych, na Ziemi wystêpuj¹cych
w niewielkiej iloœci. Do pe³ni szczêœcia nale¿a³o jeszcze okreœliæ, ile materii jest we Wszechœwiecie.
Materia wype³niaj¹ca
Wszechœwiat decyduje o jego losie.
Od Wielkiego Wybuchu, który nast¹pi³ oko³o 14 miliardów lat temu,
Wszechœwiat rozszerza siê. Obserwujemy to jako zjawisko „ucieczki
galaktyk”. Galaktyki – skupiska miliardów gwiazd – oddalaj¹ siê od
siebie. Zgodnie z ogóln¹ teori¹
wzglêdnoœci, materia wype³niaj¹ca
Wszechœwiat, wskutek pochodz¹cej
od niej grawitacji, hamuje tê ekspansjê. Jeœli jest jej du¿o, po kolejnych miliardach lat ekspansja
Wszechœwiata ulegnie zahamowaniu i zostanie zast¹piona kurczeniem. Jeœli ma³o, Wszechœwiat bê-
4/2006
MINI QUIZ MT
ŁATWY ! ! !
36
Z
czego coœ jest zrobione? Odpowiadamy: z drewna, stali,
plastiku... Od staro¿ytnoœci ludzie podejrzewali, ¿e substancje s¹
z³o¿one z elementarnych sk³adników – pierwiastków. W 1869 roku
Mendelejew uporz¹dkowa³ znane
wtedy pierwiastki w okresow¹ tablicê. Jego praca by³a czysto fenomenologiczna (opisuj¹ca zjawiska,
a nie wyjaœniaj¹ca ich istoty). Sto
lat temu istnienie atomów poddawane by³o w w¹tpliwoœæ. Ich odkrycie i zbadanie to dzie³o XX wieku. Niezliczona iloœæ ró¿nych substancji (zwi¹zków chemicznych czy
mieszanin) okazuje siê byæ uk³adami niedu¿ej liczby pierwiastków.
Dziœ tablica Mendelejewa zawiera nieco ponad sto pierwiastków
(kilkanaœcie wytworzonych sztucznie przez wspó³czesnych alchemików – fizyków j¹drowych). Jedna
trzecia wystêpuje w przyrodzie
w czystej postaci. Pozosta³e s¹ schowane w zwi¹zkach chemicznych.
Nie³atwo odgadn¹æ, z czego zrobiona jest nasza barwna rzeczywistoœæ.
Piêcioma najbardziej rozpowszechnionymi w skorupie Ziemi pierwiastkami s¹: tlen (46,6%), krzem (27,7%),
glin (8,1%), ¿elazo (5%) i wapñ
(3,6%). Podobny jest sk³ad ska³ ksiê¿ycowych. Meteoryty zawieraj¹
g³ównie ¿elazo i krzem. Sk³ad ziemskiej skorupy nie powinien nas dzi-
CZYTAM, WIĘC WIEM
TEKST
Wszechświat?
Udział żelaza w masie Ziemi
jest następujący:
a) 5%
b) 8,1%
c) 15%
Energia próżni...
A cóż to takiego?
spansja Wszechœwiata ulega przyspieszeniu! Jak to
mo¿liwe, skoro
przyci¹ganie siê
wszelkiej materii
powinno spowalniaæ rozszerzanie,
tak jak przyci¹ganie
ziemskie hamuje
kamieñ wyrzucony
do góry? Co w kosmicznej skali przeciwstawia siê powszechnemu ci¹¿eniu? OdpowiedŸ
zosta³a udzielona,
zanim jeszcze komukolwiek œni³o siê
pytanie. Brzmi ona:
sta³a kosmologiczna. Owa „najwiêksza pomy³ka EinsteGłębokie Pole Hubble’a – zdjęcie uzyskane za pomoina”, wprowadzona
cą Kosmicznego Teleskopu Hubble’a, w wyniku
do ogólnej teorii
ekspozycji trwającej około miliona sekund. Niemal
wzglêdnoœci po to,
wszystkie widoczne na zdjęciu plamki światła to nie
by uzyskaæ rozwi¹gwiazdy, lecz odległe galaktyki.
zania opisuj¹ce statyczny, niezmienny Wszechœwiat,
Ziemia, stó³ i krzes³o, my sami) mazanim jeszcze odkrycie ekspansji
terii. Nie mo¿e byæ jej wiêcej ni¿
ok. 3% iloœci krytycznej. Co wp³ywa sprawi³o, ¿e takie rozwi¹zania sta³y
siê niepotrzebne. W równaniach
na ruch gwiazd w galaktykach
Einsteina opisuje ona coœ jeszcze
i galaktyk w gromadach? Sk¹d pobardziej egzotycznego ni¿ ciemna
chodzi pole grawitacyjne, któremu
materia – taki rodzaj energii, który
ulegaj¹? OdpowiedŸ jest niezwykprzyspiesza rozszerzanie siê
³a. Musi to byæ inna forma materii.
Musz¹ to byæ cz¹stki, które oddzia- Wszechœwiata. Fizycy, choæ nie maj¹ ostatecznej odpowiedzi, propo³uj¹ ze zwyk³¹ materi¹ jedynie
nuj¹ wiele ró¿nych, prawdopodobpoprzez grawitacjê (i byæ mo¿e
nych wyjaœnieñ, czym mog¹ byæ
s³abe oddzia³ywania j¹drowe). Nie
bior¹ udzia³u w reakcjach produku- cz¹stki tworz¹ce ciemn¹ materiê.
Istota fizyczna energii opisywanej
j¹cych pierwiastki chemiczne. Nie
przez sta³¹ kosmologiczn¹ jest niewiemy, czym s¹ owe cz¹stki. Jesznana, choæ s¹dzimy, ¿e jest zwi¹teœmy jak XIX-wieczni astronomozana z energi¹ pró¿ni. Owa egzowie, którzy analizuj¹c ruch Urana,
tyczna forma energii odpowiada
ju¿ wiedzieli, ¿e w Uk³adzie S³ooko³o 70% krytycznej iloœci materii.
necznym jest coœ wiêcej, ale jeszMateria z tablicy Mendelejecze nie widzieli Neptuna. Wiemy,
wa, tworz¹ca nasz „zwyk³y” œwiat,
¿e nieznana forma materii stanookazuje siê byæ zaledwie jednoprowi przesz³o 90% materii we
centow¹ domieszk¹ w tym, z czego
Wszechœwiecie. Widzimy jej
zrobiony jest Wszechœwiat. Oko³o
wp³yw na ruch gwiazd i galaktyk,
30% to nieznane jeszcze cz¹stki, na
ale nie wiemy, czym ona jest.
które poluj¹ fizycy w laboratoriach
Jeszcze bardziej zaskakuj¹ce
i których wp³ywów wypatruj¹ ass¹ wyniki obserwacji gwiazd sutronomowie. Ale a¿ w 70% Wszechpernowych wybuchaj¹cych w odœwiat jest zrobiony z czegoœ bardzo
leg³ych galaktykach. Gwiazdy wyegzotycznego, przeciwstawiaj¹cebuchaj¹ rzadko, ale kiedy to robi¹,
go siê grawitacji, czegoœ, co 85 lat
s¹ tak jasne jak ca³a galaktyka.
Dziêki temu mo¿emy je zobaczyæ na temu proroczo wpisa³ do równañ
teorii Einstein, a czego natury nie
krañcach Wszechœwiata. Obserznamy. Doprawdy, pierwsze jest
wacje tych odleg³ych wybuchów
ukryte. !
pokazuj¹, ¿e w wielkich skalach ek-
M ŁODY TECHNIK
dzie siê wiecznie rozszerza³. Interesuj¹cy jest przypadek poœredni,
w którym Wszechœwiat zawiera tak¹ iloœæ materii, ¿e choæ wiecznie
siê rozszerza, to tempo rozszerzania
przybli¿a siê do zera. Tê iloœæ materii nazywamy krytyczn¹. W takim
Wszechœwiecie przestrzeñ jest
p³aska – czyli taka, o jakiej uczymy
siê w szkole.
Materia œwiec¹ca w gwiazdach, w naszej i w innych galaktykach, stanowi zaledwie oko³o 1%
iloœci krytycznej. Jednak ju¿ Einstein napisa³ w „Istocie teorii
wzglêdnoœci” (PWN, Warszawa
1962): „bardzo trudno jest zdaæ sobie sprawê, jaka czêœæ gêstoœci
[iloœci materii – przypis St.B.] pochodzi od cia³, których nie mo¿na
obserwowaæ metodami astronomicznymi (bo nie promieniuj¹). „Prorocza uwaga Einsteina to w istocie
domys³, i¿ we Wszechœwiecie mo¿e
dominowaæ ciemna, nieœwiec¹ca
materia. Einstein myli³ siê jednak
co do mo¿liwoœci astronomów. Ju¿
dawno astronomowie potrafili odkryæ ciemn¹ materiê. Najdalsze planety w Uk³adzie S³onecznym, Neptuna i Plutona, odkryto dziêki wp³ywowi grawitacyjnemu, jaki wywiera³y na ruch innej planety, Urana.
Stosuj¹c podobn¹ metodê,
obserwuj¹c ruch gwiazd w galaktykach, w latach 70. odkryto, ¿e oko³o
90% masy galaktyk stanowi ciemna
materia oraz, ¿e w gromadach galaktyk, czyli skupiskach setek czy
tysiêcy galaktyk, dominuje masa,
która nie œwieci. W zesz³ym roku
Roman Juszkiewicz z Centrum Astronomicznego im. M. Kopernika
w Warszawie i jego wspó³pracownicy, analizuj¹c ruchy 3000 galaktyk, wykazali, ¿e Wszechœwiat wype³nia materia stanowi¹ca ok. 30%
iloœci krytycznej.
Oto najwiêksza zagadka
wspó³czesnej kosmologii: czym jest
materia wype³niaj¹ca Wszechœwiat? Teoria Wielkiego Wybuchu
wyjaœnia pochodzenie lekkich pierwiastków: wodoru, helu i litu. Powsta³y one w ci¹gu pierwszych
trzech minut istnienia Wszechœwiata. Ciê¿sze pierwiastki powsta³y
w wyniku syntezy termoj¹drowej
w gwiazdach. Wyjaœniaj¹c, sk¹d
wzi¹³ siê wodór, hel i lit, teoria
Wielkiego Wybuchu nak³ada ograniczenia na iloœæ zwyczajnej (takiej,
z której zbudowane jest S³oñce,
37
4/2006