Spis treści

Karta redakcyjna

Podziękowania

Wprowadzenie

1. Wzywa się świadków historii

2. Koncepcja atomu: od filozofii do nauki

3. Atom: praktyczny punkt widzenia

4. Pierwiastki: kompletny zestaw części składowych

5. Izotopy: odmiany pierwiastków

6. Promieniotwórczość: niewzruszony zegar

7. Kradzieże i fałszerstwa: kryminalistyczna historia sztuki

8. Zegar węglowy: ustalanie dat

9. Historia bez słów: wapno, ołów i ekskrementy

10. Jesteśmy tym, co zjadamy

11. Paleoklimat: pomiar temperatury Ziemi w zamierzchłej przeszłości

12. Zagłada dinozaurów: atomistyczny punkt widzenia

13. Ewolucja: od meteorytów do sinic

14. Co wisi w powietrzu? Ewolucja ziemskiej atmosfery

15. Narodziny Słońca: powstanie Układu Słonecznego

16. Pył gwiezdny: powstanie podstawowych składników

17. Początek wszystkiego

Epilog: opowieść kwarka

Słownik

Przypisy

Copyright © Copernicus Center Press, 2024

Copyright © 2023 David J. Helfand
All rights reserved.

Copyright for the Polish translation © Bogumił Bieniok, Ewa L. Łokas, 2024

Tytuł oryginału
The Universal Timekeepers: Reconstructing History Atom by Atom

Projekt okładki i stron tytułowych
Michał Duława

Redakcja językowa
Tomasz P. Bocheński

Korekta poskładowa
Małgorzata Denys

Skład
monikaimarcin.com

ISBN 978-83-7886-781-4

Wydanie I

Kraków 2024

Wydawca: Copernicus Center Press Sp. z o.o.
pl. Szczepański 8, 31-011 Kraków
tel. (+48) 12 448 14 12, 500 839 467
e-mail: redakcja@ccpress.pl
www.ccpress.pl

Konwersja: eLitera s.c.

Podziękowania

Ponieważ niedawno wziąłem udział w spotkaniu absolwentów zorganizowanym z okazji pięćdziesiątej rocznicy ukończenia studiów, chciałbym na samym początku podziękować wykładowcom wydziału fizyki w Amherst College, którzy uczyli nas w latach siedemdziesiątych ubiegłego stulecia i przed pięćdziesięciu laty zgłosili moją kandydaturę do towarzystwa Sigma Xi. Dzięki przynależności do tej zaszczytnej organizacji (i opłacaniu należnych składek) każdego roku otrzymuję sześć nowych numerów czasopisma „The American Scientist”. Jak wspominam w rozdziale dziesiątym, to właśnie pod wpływem pewnego niezwykle intrygującego artykułu opublikowanego w tym magazynie zainteresowałem się możliwościami odtwarzania historii – i prehistorii – na podstawie badań atomów.

W ciągu kilku kolejnych lat przeczytałem wiele innych artykułów na ten temat w „The American Scientist” i innych wydawnictwach. Ostatecznie zebrałem tak bogaty materiał, że mogłem na jego podstawie opracować cykl wykładów, które wygłosiłem na Uniwersytecie Columbia dla studentów kierunków niezwiązanych z fizyką. Na liście dostępnych kursów mój cykl nosił tytuł „Zegary Wszechświata”. Miałem nadzieję, że z biegiem czasu ten z gruntu interdyscyplinarny kurs wejdzie w zakres podstawy programowej, ponieważ już od kilkudziesięciu lat zabiegałem o jej rozszerzenie o nowe zagadnienia z zakresu nauk ścisłych. Tak się nie stało, ale ostatecznie poniekąd dopiąłem swego, ponieważ władze uczelni włączyły do postawy programowej inny cykl wygłaszanych przeze mnie wykładów, który stał się podstawą mojej poprzedniej książki zatytułowanej A Survival Guide to the Misinformation Age: Scientific Habits of Mind (Jak przetrwać w epoce dezinformacji. Naukowe przyzwyczajenia mózgu). Wciąż jeszcze od czasu do czasu wygłaszam wykłady z cyklu „Zegary Wszechświata” i chciałbym w tym miejscu szczególnie podziękować studentom semestru zimowego z 2022 roku, którzy zdobyli wiele dodatkowych punktów, poprawiając liczne błędy w maszynopisie książki. Mam nadzieję, że dzięki ich wysiłkowi liczba błędów w wersji ostatecznej jest już naprawdę niewielka. Szczególnie jestem wdzięczny Caroline Nicholson, która przeczytała tekst z dużo większą wnikliwością niż jej koleżanki i koledzy z kursu.

Jestem również niezmiernie wdzięczny dwóm anonimowym czytelnikom, którzy podsunęli mi pomysł dodania słownika i pomogli wyjaśnić w sposób zrozumiały kilka zagadnień poruszanych w tekście.

Niezwykle owocne i korzystne dla powstania tej książki okazało się odnowienie znajomości z moją byłą studentką Nessą Bryce, którą uczyłem w Quest University w Kanadzie, i jej siostrą Maggie. Wspólnie z nimi zająłem się najciekawszym i najbardziej satysfakcjonującym aspektem pracy nad książką, a mianowicie zaprojektowaniem wspaniałych ilustracji. Dzięki nim wiele się dowiedziałem na temat wizualizacji pojęć naukowych. Nessa i Maggie dysponują odpowiednią wiedzą naukową, umiejętnościami technicznymi i wyczuciem estetyki, co pozwala im tworzyć niezwykle przekonujące ilustracje. Jeśli ktoś stoi w obliczu konieczności wizualizacji jakiegoś pojęcia naukowego, gorąco zachęcam go do nawiązania z nimi kontaktu za pośrednictwem strony BeyondBoundsCreative.com. Korzystając z okazji, pragnę podziękować również Grahamowi Streichowi, innemu absolwentowi Quest University, za niezwykle wnikliwe przeczytanie maszynopisu.

W trakcie całego procesu powstawania książki mogłem zawsze liczyć na pomoc i słowa otuchy ze strony redaktorki Mirandy Martin, natomiast Jennifer Crewe, dyrektorka Columbia University Press, zachęciła mnie do wydania tej książki w jej wydawnictwie w najbardziej oryginalny sposób, jaki można sobie wyobrazić – przy pewnej okazji powiedziała: „Mój ojciec był pierwszą osobą, która zobaczyła atom”. (To prawda – Albert Crewe był wynalazcą skaningowego transmisyjnego mikroskopu elektronowego).

Na końcu, jak zwykle (a przynajmniej od czterdziestu czterech lat) kieruję słowa podziękowania pod adresem mojej najważniejszej krytyczki, wyroczni i niestrudzonej towarzyszki Jady.

Wprowadzenie

W 99,9999999999995% składają się z pustej przestrzeni. Są niemal doskonałą nicością.

A mimo to tworzą wszystko, co widzimy i odczuwamy oraz czego dotykamy. Karmią nas i odziewają. Za sprawą ich ruchu jest nam ciepło (lub zimno). Wywołują nasze nadzieje, marzenia i wspomnienia. Mogą istnieć w całkowitym odosobnieniu i wchodzić w skład bardzo skomplikowanych struktur. Odmierzają czas. Potrafią odsłaniać przed nami tajemnice przeszłości, których w żaden inny sposób nie moglibyśmy poznać.

Chodzi oczywiście o atomy.

Większość z nas nigdy nie widziała pojedynczego atomu, mimo że są obecne w naszym świecie na każdym kroku. Nie ma w tym nic dziwnego, jeśli uświadomimy sobie, że nie tylko niemal w całości składają się z pustki, ale w dodatku są to niezwykle małe fragmenty pustki – potrzeba ich 15 trylionów, by mogło powstać jedno ziarenko maku.

Opanowaliśmy jednak tajniki bezpośredniego oddziaływania na te fragmenty niemal doskonałej pustki, możemy więc zadawać im trudne pytania, zmieniać ich stan wewnętrzny i odczytywać ich skomplikowaną historię. Jak trafiłeś do kartki średniowiecznego modlitewnika? Kiedy przyczepiłeś się do ściany jaskini, przenosząc się na nią ze skóry daniela, który ocierał się o skałę? Jaka była temperatura, gdy spadłeś w płatku śniegu na grenlandzki lodowiec? Gdzie byłeś, gdy z dysku materii krążącej wokół świeżo narodzonego Słońca formowała się Ziemia? Co robiłeś razem ze swoimi kolegami w ciągu trzech pierwszych minut istnienia Wszechświata?

Jeśli odpowiednio na nie wpłyniemy, atomy chętnie odpowiedzą na te pytania:

– Zostałem dodany nieco później, w 1896 roku – odpowiada z zażenowaniem atom z piętnastowiecznego modlitewnika.

– To było 17 150 lat temu, plus minus jedna dekada – stwierdza atom ze ściany jaskini.

– Temperatura powietrza wynosiła wtedy –25,5°C – informuje atom znaleziony w grenlandzkim lądolodzie na głębokości jednego kilometra.

– Daleko od orbity waszej zachłannej planety – zapewnia atom z pasa planetoid.

– Och, niewiele brakowało, a połączyłbym się wtedy z pewnym uroczym jądrem deuteru – wspomina pierwotny atom z naszego paznokcia.

Atomy chętnie pomogą nam również w poszukiwaniu odpowiedzi na bardziej złożone pytania:

Jak zmieniała się dieta ludzi na przestrzeni dziejów? Kiedy nasi przodkowie zaczęli uprawiać rośliny i porzucili koczowniczy tryb życia? Kiedy i dlaczego po 180 milionach lat całkowitej dominacji na naszej planecie zniknęły dinozaury? Jak to się stało, że w tak krótkim czasie po utworzeniu się Ziemi powstało na niej życie i dlaczego najważniejsze cząsteczki organizmów żywych są lewoskrętne? W jakim okresie historii Wszechświata powstało złoto tworzące teraz obrączkę na moim palcu?

Badając, zliczając, pobudzając i przekształcając naszych małych atomowych historyków, możemy uzyskać szczegółowe odpowiedzi na te i inne pytania. Najpierw jednak powinniśmy przedstawić wspaniałych bohaterów naszej książki tak, jak na to zasługują.

Greckie słowo atomos oznacza „niepodzielny” i zgodnie z pierwotną koncepcją atomy miały być najmniejszymi, jakie mogą istnieć, niepodzielnymi kawałkami materii. Dwa i pół tysiąca lat później, gdy idea atomów pojawiła się ponownie na Zachodzie, traktowano ją jako czysto filozoficzne pojęcie. Wyobrażano sobie, że świat jest złożony z wielu różnorodnych substancji i gdybyśmy wzięli fragment jednej z nich, na przykład kawałek drewna, podzielili go na pół, a potem jeszcze raz na pół i jeszcze raz, i tak dalej, to w końcu dotarlibyśmy do najmniejszej możliwej cząstki, czyli do „atomu” drewna. Oczywiście ludzie nie mieli wtedy żadnej możliwości sprawdzenia poprawności tej idei, ale nie wydawała się ona całkowicie pozbawiona sensu.

W starożytnej Grecji pojęcie atomu przegrało w rywalizacji z alternatywną filozofią, która opierała się na prostszym poglądzie, że materia składa się w różnych proporcjach jedynie z czterech podstawowych żywiołów: ziemi, powietrza, ognia i wody. Z tego powodu przez niemal 2000 lat atomowy obraz świata praktycznie w ogóle nie pojawiał się w rozważaniach zachodnich filozofów. Jednak w XVI stuleciu pieczołowicie przechowane przez islamskich uczonych pojęcie atomu pojawiło się ponownie w zachodniej myśli filozoficznej. Najpierw atomy zostały zrehabilitowane w oczach Kościoła jako dzieło Boga, a potem, w XVIII stuleciu, stały się przedmiotem badań empirycznych.

Obecnie nadal uważamy je do pewnego stopnia za podstawowe składniki materii, ale całkowicie porzuciliśmy już koncepcję ich niepodzielności. Prawdę mówiąc, udało nam się niezwykle szczegółowo poznać podstawowe elementy ich wewnętrznej struktury – wiemy, że posiadają złożone, dodatnio naładowane jądro zbudowane z protonów i neutronów (które same składają się z jeszcze bardziej podstawowych cząstek – kwarków), a wokół niego krążą ujemnie naładowane elektrony, zaliczane do zupełnie innej kategorii cząstek zwanych leptonami. Nawet nasze wyobrażenie tych podstawowych składników w formie „cząstek” – drobin materii znajdujących się w określonym miejscu i poruszających się z ustaloną prędkością – okazało się nieodpowiednie i zamiast niego posługujemy się teraz nieintuicyjną ideą dziwnych kwantowych fal cząstek.

Jeżeli jednak pominiemy na chwilę tę złożoność, możemy powiedzieć, że udało nam się potwierdzić, że najmniejszymi jednostkami wszystkich substancji są atomy (lub ich ściśle określone kombinacje). Co więcej, wiemy, że historia Wszechświata i wszystkiego, co zawiera, jest zapisana w poszczególnych układach elementów tworzących atomy – leptonów i kwarków – które stanowią podstawowe elementy składowe całej zwyczajnej materii znajdującej się obecnie w kosmosie. Dzięki znajomości praw fizyki rządzących zachowaniem tych cząstek możemy odczytać tę historię zupełnie tak samo, jak dzięki znajomości praw gramatyki i składni językowej możemy odczytywać dokumenty historyczne pozostawione przez naszych przodków. Choć atomy nie ulegają wpływom kulturowym tak jak niektórzy historycy, to jednak są podatne na innego rodzaju wpływy i musimy zachować czujność, gdy je badamy, starając się ustalić, co mogą nam powiedzieć na temat przeszłości.

Najważniejsze jednak jest to, że dzięki „atomowym historykom” możemy się cofnąć do czasów o wiele wcześniejszych niż wydarzenia przedstawiane w najstarszych zapiskach i uzyskać opis ilościowy okresu, który historycy nazywają prehistorią. Co więcej, atomy pozwalają nam poznać historię naszej planety w okresie, gdy nie było na niej jeszcze ludzi. Dzięki nim możemy ustalić, jak przebiegała chronologia zmian klimatycznych na Ziemi i jak zmieniała się jej atmosfera, zbadać początki życia, narodziny Układu Słonecznego, a nawet, nieco autorefleksyjnie, historię samych atomów, która rozpoczęła się w chwili pojawienia się ich podstawowych składników w pierwszych kilku mikrosekundach po Wielkim Wybuchu.

Jak już zauważyliśmy, atomy są maleńkie. Biliony takich mikroskopijnie małych drobin mogą tańczyć walca na główce od szpilki, nie następując sobie przy tym na nogi, robią więc chyba jeszcze większe wrażenie niż aniołowie. Ich struktura wewnętrzna rzeczywiście przypomina skomplikowane figury taneczne naładowanych cząstek, a charakterystyczny rytm ich tańca pozwala rozpoznać je nawet z odległości miliardów lat świetlnych. Choć wydaje się to niezwykłe, atomy, które widzimy w odległym kosmosie, są dokładnie takie same jak atomy tworzące nasze ciało.

Jak wyglądają te maleńkie kawałki niemal całkowitej pustki? No cóż, gdybym położył piłkę tenisową na zewnątrz mojej pracowni mieszczącej się na skrzyżowaniu Sto Dwudziestej Ulicy i Broadwayu na Manhattanie i przyjął, że przedstawia ona jądro atomu wodoru (najprostsze jądro, jakie może istnieć), to elektron związany z tym jądrem powinien krążyć po orbicie przecinającej Broadway na wysokości Dziewięćdziesiątej Szóstej i Sto Czterdziestej Piątej Ulicy, a więc w odległości około dwóch kilometrów. Idąc szybkim krokiem, doszlibyśmy tam mniej więcej po półgodzinie. I co ujrzelibyśmy po dotarciu na miejsce? Prawdopodobnie zupełnie nic, ponieważ, po pierwsze, elektron w tej skali byłyby o wiele mniejszy od ziarnka piasku (mówiąc dokładniej, przynajmniej 100 tysięcy razy mniejszy), a po drugie, musiałby pędzić z prędkością 2170 kilometrów na sekundę – byłby rozproszoną chmurą ulotnego prawdopodobieństwa i zauważenie go byłoby praktycznie niemożliwe.

Udało nam się już jednak tak dobrze poznać atomy, że potrafimy dość precyzyjnie wpływać na ich zachowanie, a to pozwoliło na skonstruowanie wielu nowoczesnych urządzeń. Atom cezu o liczbie atomowej 55 stanowi na przykład podstawę naszego systemu pomiaru czasu, ponieważ jedną sekundę definiuje się obecnie jako okres równy dokładnie 9 192 631 770 drganiom fali światła emitowanego, gdy atom cezu przechodzi między dwoma stanami wzbudzonymi[1]. Tak dokładna definicja jest niezbędna do poprawnego działania urządzeń GPS, na przykład takich, jakie montuje się w telefonach. Na pokładzie satelitów systemu GPS znajdują się zegary atomowe, które odmierzają czas z dokładnością do jednej sekundy na 32 000 lat i właśnie dzięki temu możemy szybko znaleźć drogę do najbliższej kawiarni. Prawdę mówiąc, nawet zwykłe działanie telefonu, który, jak wszystko inne, jest zbudowany z atomów, również jest możliwe tylko dlatego, że potrafimy precyzyjnie i niezawodnie wykonywać różne operacje na atomach, i to w sposób powtarzalny. Żywność, którą zjadamy, ratujące życie lekarstwa i paliwa napędzające nasze pojazdy – wszystko to działa tylko dlatego, że potrafmy zmieniać układy atomów.

Choć atomy nie są niezniszczalne (w dalszej części książki przekonamy się, jakie są konsekwencje ich zniszczenia i przekształcenia), to jednak są niezwykle trwałymi podstawowymi elementami składowymi materii, które w ziemskich warunkach mogą zachowywać swoje własności przez dowolnie długi czas. Zatem atomy tworzące nasze ciało są atomami pochodzącymi ze zjadanej przez nas żywności, wypijanej wody i wdychanego powietrza (w liczbie 50 tryliardów atomów w każdym gramie). Żywność zbudowana jest z kolei z atomów pochodzących z roślin, które znajdują się na samym dole łańcucha pokarmowego i pobierają atomy z powietrza i substancji przyswajanych za pomocą korzeni. Skład atomowy powietrza i gleby zmienia się w wyniku procesów geologicznych i biologicznych zachodzących na powierzchni planety, przy czym najnowsze tego typu zmiany wynikają ze zbiorowej działalności całego naszego gatunku. Atomy uwalniane i przestawiane we wszystkich tych procesach trafiły na naszą planetę 4,567 miliarda lat temu z międzygwiazdowego obłoku gazu i pyłu, z którego utworzył się Układ Słoneczny. I owszem, atomy tworzące ten obłok powstały jeszcze wcześniej w procesach zachodzących w zamierzchłej przeszłości, nawet w pierwszych chwilach Wielkiego Wybuchu.

Ta książka, opisująca historię Wszechświata w ciągu 13,8 miliarda lat, jest relacją z fascynującej podróży przedstawioną w formie cyklu opowieści, w których główną rolę zawsze odgrywają atomy. Jak się przekonamy, w naszym dramacie występują dziewięćdziesiąt cztery postacie pierwszoplanowe, znane jako pierwiastki.

Dzięki niezwykłej stabilności atomów i ich indywidualnym cechom, uważny obserwator może odkryć wiele szczegółów nawet bardzo odległej historii. Możemy wykorzystać atomy do ustalenia dokładnych dat powstania różnych przedmiotów, prześledzenia historii rolnictwa i diety naszych przodków, a także ustalenia szczegółów zmian klimatycznych zachodzących w przeszłości w celu zrozumienia, co może nam przynieść przyszłość. Możemy nawet odtworzyć historię Układu Słonecznego i samego Wszechświata. W następnych rozdziałach odkryjemy fałszerstwa dzieł sztuki, ustalimy pochodzenie skradzionych posążków i ustalimy przyczynę śmierci pradawnych ludzi (dowiemy się też przy okazji, co jedli na obiad na krótko przed śmiercią). Określimy, jaka temperatura panowała na Ziemi przed 100 tysiącami lat i powiążemy jej wartość ze składem ówczesnej atmosfery. Ustalimy wiek naszej planety i Księżyca oraz chwilę, w której powstało życie. Dzięki temu, że udało nam się doskonale zrozumieć strukturę atomów i ich różne odmiany, możemy bowiem odtworzyć historię atom po atomie.

Atomy rejestrują zdarzenia zachodzące zarówno w świecie ożywionym, jak i nieożywionym. Od szkliwa nazębnego do roślin i maleńkich skorupek planktonu, od szklanych kulek wyrzucanych przez wulkany do skał powstających głęboko pod skorupą ziemską i powietrza uwięzionego w pęcherzykach w arktycznym lodzie atomy są świadkami historii. Bardzo często dają świadectwo w sposób bezpośredni, ale czasami mają swoje tajemnice i musimy je odkryć, by móc w pełni zaufać temu, czego się od nich dowiadujemy. Mimo że w niektórych przypadkach interpretacja wyników badań jest nieco bardziej skomplikowana, atomy pozostaną naszymi wiernymi przewodnikami, gdy zajmiemy się badaniem dzieł sztuki i żywności, zmian klimatycznych i katastrof planetarnych, a także początków życia i narodzin Wszechświata.

1.

Wzywa się świadków historii

Strażnicy nie mieli stóp. Naturalnej wielkości posągi wykonane z piaskowca, przedstawiające strażników świątynnych, pilnowały wejścia do Metropolitan Museum of Art w Nowym Jorku i od dwudziestu lat witały gości odwiedzających galerię sztuki Azji Południowo-Wschodniej. Niestety, przed około sześćdziesięciu laty utraciły stopy. Ich dokładne pochodzenie pozostawało nieznane, ale wiadomo było, że stanowią reprezentatywny przykład sztuki Khmerów z X wieku. Co się stało z ich stopami? Sąd wzywa na świadka skand.

Dzięki uważnemu zbadaniu na poziomie atomowym kamieniołomów w Kambodży nasi strażnicy mogli wreszcie zameldować się na służbie kompletni, razem ze stopami, które znaleziono przy zachodniej bramie Koh Ker, dawnej stolicy państwa Khmerów wzniesionej przez króla Dżajawarmana IV (zob. rozdz. 7).

***

Rok 1258 zapisał się w historii Europy jako wyjątkowo trudny. Kontynent nawiedziło wówczas wiele nieszczęść. Ceny żywności gwałtownie wzrosły, panował powszechny głód, a wśród zwierząt hodowlanych i ludzi szalała zaraza. Autorzy średniowiecznych kronik opisują niezwykłą pogodę, jaka utrzymywała się w lecie 1258 roku. W 1267 roku Ryszard z Sens opisał ją następująco:

Przez całe lato niebo było przykryte tak grubą warstwą chmur, że nikt nie potrafił powiedzieć, czy to lato, czy jesień. Siano, przemoknięte od ulewnych deszczy, które padały nieprzerwanie tamtego roku, nie wysychało, ponieważ słoneczne ciepło nie mogło się przebić przez grubą pokrywę chmur.

Co się wydarzyło? Po przeprowadzeniu analizy kryminalistycznej atomów pochodzących z drewna znalezionego na Bali i składu chemicznego szklanych kulek odkrytych pod antarktyczną czapą lodową udało się ustalić, że winnym tej katastrofy był indonezyjski wulkan Samalas (zob. rozdz. 11).

***

Górska wyprawa może się zakończyć nieszczęściem. We wrześniu 1991 roku para niemieckich turystów przemierzających Alpy w pobliżu włosko-austriackiej granicy przypadkowo natrafiła na wyjątkowo dobrze zachowane ciało wystające spod śniegu na krawędzi lodowca. Sądząc, że musi to być jakiś alpinista, który uległ wypadkowi, turyści powiadomili o swoim odkryciu odpowiednie władze.

W zasadzie mieli rację, ale gdy naukowcy wydobyli w końcu z lodu ciało nieszczęśnika i przeprowadzili analizę atomową w celu ustalenia daty jego śmierci, okazało się, że zmarł podczas górskiej wędrówki około 5200 lat temu.

Dzięki dalszym badaniom częściowo zmumifikowanego ciała Ötziego, bo tak go nazwano, udało się poznać fascynujące fakty na temat życia ludzi na terenie Europy w epoce miedzi. Jego ubranie, narzędzia i inne przybory, pożywienie znalezione w jego żołądku i jelitach, tatuaże, a nawet jego dobrze zachowane DNA pozwoliły szczegółowo zrekonstruować tamte czasy. Po uzyskaniu dodatkowych wyjaśnień od dwóch spokrewnionych atomów strontu uczeni poznali jeszcze więcej szczegółów historii Ötziego: ustalili miejsce jego urodzenia i wykreślili trasę jego podróży przed owym fatalnym dniem w Alpach (zob. rozdz. 10).

***

Katastrofy planetarne zdarzają się nie tylko w filmach. Odkryte skamieliny dowodzą, że w okresie ostatnich pięciuset milionów lat na Ziemi kilka razy dochodziło do wyginięcia wielu (a czasami nawet większości) roślin i zwierząt. Po takich wydarzeniach za każdym razem pojawiały się nowe gatunki, które zajmowały miejsce wymarłych organizmów. Chyba najbardziej znanym i nieustannie obecnym w popkulturze masowym wymieraniem jest katastrofa, w której doszło do wyginięcia dinozaurów. W połowie XIX wieku uczeni po raz pierwszy zauważyli, że skamieniałe szczątki tych ogromnych zwierząt przestają się nagle pojawiać w warstwach odpowiadających okresowi sprzed około 65 milionów lat. Specjaliści bardzo długo nie potrafili ustalić, co mogło być przyczyną ich wyginięcia. Teraz wiemy już, co się stało.

Dzięki dowodom przedstawionym przez iryd możemy stwierdzić ponad wszelką wątpliwość, że dinozaury wyginęły na skutek zderzenia Ziemi z jakąś zbłąkaną planetoidą. Z pomocą naszych atomowych historyków możemy szczegółowo odtworzyć przebieg tej kosmicznej katastrofy i poznać jej skutki, które były odczuwalne na całej planecie (zob. rozdz. 12).

***

Jesteśmy tym, co zjadamy – dosłownie! Część atomów, które każdego dnia wprowadzamy do organizmu, od muffinek zjadanych na śniadanie po kieliszek wina wypijany do kolacji, trafia do struktur powstających w naszym ciele – kości i zębów, komórek skóry i neuronów. Niektóre z nich towarzyszą nam przez całe życie, inne natomiast zostają wydalone w ciągu zaledwie kilku dni. Jednak wszystkie razem – całe 3 kwadryliardy atomów, z których się składamy – mogą jednoznacznie powiedzieć, co zjedliśmy, a także gdzie i kiedy spożywaliśmy posiłki.

Przesłuchując węgiel, azot i inne pierwiastki, możemy odtwarzać historię nawyków żywieniowych ludzkości i rozwoju rolnictwa na przestrzeni 10 tysięcy lat, a nawet wykreślić mapę wędrówek naszych przodków na całym świecie (zob. rozdz. 10).

***

Niektóre daty urodzin zapadają nam szczególnie w pamięć. Ja urodziłem się na przykład 7 grudnia, w „dniu hańby” (choć kilka lat po tych tragicznych wydarzeniach)[1*]. Gdy miałem pięć lat, był to dla mnie bardzo ważny dzień, teraz jednak nie przywiązuję już do niego tak dużej wagi. Moja żona urodziła się natomiast 23 lutego i w dniu jej urodzin doszło do wyjątkowego zdarzenia – w 1987 roku astronomowie zaobserwowali wybuch względnie bliskiej gwiazdy. Było to pierwsze tego typu wydarzenie od 1604 roku, a w dodatku to poprzednie nastąpiło pięć lat przed wynalezieniem teleskopu. Ponieważ zawodowo zajmuję się badaniem pozostałości po wybuchach gwiazd, był to jeden z najważniejszych dni w moim życiu (i teraz mogę być spokojny o to, że już nigdy nie zapomnę o urodzinach żony). Jednak z szerszego punktu widzenia takie daty nie mają większego znaczenia.

Nikt nie wie, jaka jest dokładna data urodzin Układu Słonecznego, i zapewne można by powiedzieć, że nie jest to w ogóle istotne. Jednak badanie historii powstania i ewolucji naszego układu planetarnego może pomóc w zrozumieniu, dlaczego wygląda on tak, a nie inaczej i jakie mamy szanse na znalezienie w kosmosie innych podobnych układów.

Potwierdzające się wzajemnie zeznania rubidu i ołowiu pozwalają nam ustalić wiek Ziemi z dokładnością do ułamka procent, a dzięki dodatkowym dowodom przedstawionym przez glin możemy nawet określić w ogólnym zarysie, co działo się w naszej okolicy przed uformowaniem się Słońca (zob. rozdz. 15).

***

Wszyscy historycy mają jakichś rodziców. Atomy, które będą naszymi przewodnikami – świadkami historii – również musiały się skądś wziąć. Choć wydaje się to niezwykłe, udało nam się poznać historię ich przodków z ogromną szczegółowością. Gdy Wszechświat osiągnął dojrzałość w wieku trzech minut, mieliśmy tylko pierwsze trzy pierwiastki, pozostałe 91 powstało we wnętrzach gwiazd i katastrofalnych wybuchach, do jakich dochodziło w późniejszym okresie, obejmującym 13,8 miliarda lat. Ba, wiemy nawet, skąd wzięły się te pierwsze trzy rodzaje pierwiastków.

Przepytując dociekliwie cięższe niż zazwyczaj jądra wodoru i lekkie jądra helu obserwowane w odległych galaktykach, możemy ustalić, jakie warunki panowały we Wszechświecie w okresie sięgającym nawet jednej milionowej sekundy po początku czasu. Atomowi historycy są naprawdę uważnymi obserwatorami (zob. rozdz. 16 i 17).

Zapraszamy do zakupu pełnej wersji książki

Przypisy

Wprowadzenie

[1] Początkowo sekundę definiowano jako 1/86 400 doby (24 godziny × 60 minut na godzinę × 60 sekund na minutę = 86 400 sekund). Ponieważ jednak długość doby zależy od ruchu obrotowego Ziemi, który zmienia się z biegiem czasu, w 1967 roku wprowadzono nową definicję, odwołujacą się do przejścia elektronu między dwoma poziomami struktury nadsubtelnej w atomie cezu 12Cs. Obecnie używane zegary atomowe odmierzają czas z tak dużą dokładnością, że mogą się pomylić najwyżej o jedną sekundę w ciągu 3 miliardów lat, czyli mniej więcej jednej czwartej wieku Wszechświata.

[1*] 7 grudnia 1941 roku japońskie samoloty zaatakowały amerykański port Pearl Harbor. Następnego dnia prezydent Stanów Zjednoczonych Franklin D. Roosevelt wygłosił w Kongresie Amerykańskim słynne przemówienie, w którym nazwał ten dzień „dniem hańby” (przyp. tłum.).