1. …Początki
Ewolucyjne pochodzenie świadomości nie jest dobrze rozumiane. Ale jasne jest, że w pewnym momencie naszej ewolucyjnej przeszłości powstał wewnętrzny świat wolny od biernej niewoli w zmysłowych wrażeniach - życie umysłu, jeśli chcesz. Zadaniem tego wewnętrznego świata było narzucenie porządku na treść naszych zmysłów; to znaczy, pojawił się punkt w naszej ewolucyjnej przeszłości, kiedy nasze umysły zaczęły domagać się, aby wszechświat miał sens. Pomiędzy 250 000 a 30 000 lat temu Homo neanderthalensis, powszechnie znany jako neandertalczyk, zamieszkiwał terytorium od Anglii przez południową Europę do Azji. Zbudowali budowle przypominające szałasy, polowali na grubą zwierzynę i opracowali ceremonialne rytuały. Pozostałości tej stosunkowo krótkotrwałej grupy odzwierciedlają świadomość podobną do naszej. Wyraźnie odczuli upływ czasu i fizyczną śmiertelność. Ceremonialne pochówki pokazują troskę o życie po śmierci. W neandertalczykach znajdujemy oznaki większej świadomości subtelności świata i, w tej większej świadomości, korzenie naszego własnego myślenia religijnego i naukowego. Gatunek, do którego należą wszyscy żyjący ludzie, Homo sapiens, prawdopodobnie pojawił się około 100 000 lat temu. Naprawdę niewiele wiemy na temat konkretnych światopoglądów wczesnych ludzi. Mamy tylko kilka miejsc pochówku, figurki i malowidła naskalne, które dostarczają kuszących wskazówek. Sugerują one, że ich myślenie było typem, który teraz można nazwać magicznym lub przesądnym. Wydaje się oczywiste, że ludzie epoki kamiennej próbowali stosować magiczne rytuały, aby wpływać na świat zewnętrzny, mając nadzieję na pozytywny wpływ na polowanie, płodność i inne aspekty życia związane z przeżyciem. Chociaż takie myślenie może wydawać się nam prymitywne, wyraźnie odzwierciedla umysł próbujący wprowadzić porządek we wszechświecie. Wielu uczonych uważa, że magiczne, animistyczne podejście do zrozumienia świata doprowadziło bezpośrednio do mitycznego podejścia. Wielokrotne próby magii prawdopodobnie zrodzą rytuał. Nawet jeśli taki rytuał przeżył swój pierwotny cel lub gdy jego prawdziwe znaczenie z czasem uległo zaciemnieniu, może nadal pozostać psychologicznie istotną częścią kultury. Odpowiedni mit może stanowić uzasadnienie dla jego kontynuacji. W każdym razie, wraz z nadejściem cywilizacji jakieś 10 000 lat temu, jasne jest, że magiczne myślenie o najwcześniejszych narodach przerodziło się już w mitologię. Mity, choć różnią się lokalnymi szczegółami, mają pewne wspólne wątki. Często potężne, nie ludzkie, ale antropomorficzne postacie tworzą i kontrolują świat i jego mieszkańców. Mit jest zawsze związany ze stworzeniem; mówi, jak powstało coś (wszechświat, ludzie) lub jak ustalono wzór zachowania. Ta "Historia" jest uważana za absolutną prawdę i świętą. Na pewno mit powstał z naszej potrzeby zrozumienia świata jako całości, a zwłaszcza naszego miejsca jako istot ludzkich w nim. W mitach próbujemy znaleźć wyjaśnienia przyczyn i skutków dla doświadczonego świata. Wcześni ludzie utworzyli podstawową zmysłową wiedzę o świecie w sposób, który wydaje się rozsądny. Na przykład mity o stworzeniu mieszkańców Mezopotamii wykorzystał ich wiedzę o tym, jak osady mułowe tworzą ląd na którym spotykają się woda słodka i słona. Tak więc, chociaż istnieją pewne oczywiste różnice między podejściem filozoficzno-poetyckim a podejściem naukowym, widzimy również powiązania. Mity są pierwszymi szczeblami na drabinie odkryć. W nich osadzone są podstawowe prawdy o wszechświecie i ludzkiej kondycji.

1.1 Narodziny nauki

Następny krok w naszym rozumieniu wszechświata został podjęty w starożytnej Grecji. Chociaż prawdopodobnie jest to przesada, jeśli chodzi o "grecki cud" lub "bezcielesną Atenę", jak to często się dzieje, jasne jest, że około 600 r. p.n.e. pojawiło się nowe podejście do zrozumienia wszechświata. Chociaż Grecy mieli swoje mity, wyszli poza mity, szukając fizycznych wyjaśnień. W przeciwieństwie do wcześniejszych kultur, nie zadowalali się wyjaśnieniem wszechświata pod względem działań bogów; Grecy nalegali na myślenie w kategoriach naturalnych procesów. Taką postawę ilustruje wypowiedź pisarza należącego do szkoły hipokratycznej o naturze epilepsji. "Wydaje mi się, że choroba nie jest bardziej" boska "niż jakakolwiek inna. Ma naturalną przyczynę, podobnie jak inne choroby. Ludzie myślą, że to boskie, tylko dlatego, że nie rozumieją tego. Ale jeśli oni nazywają wszystko, co boskie, czego nie rozumieją, dlaczego nie byłoby końca boskich rzeczy! " Proto-naukowcy dokonali niezwykłego założenia, że podstawowa racjonalna jedność i porządek istniały w przepływie i różnorodności świata. Natura miała być wyjaśniona w kategoriach samej natury, a nie czegoś zasadniczo poza naturą i bezosobowo, a nie za pomocą osobistych bogów i bogiń. Nauka narodziła się tutaj, nie bez matki, aby być pewnym, ale mimo to nowy i wyraźnie inny sposób patrzenia na świat. Tales (624-547 pne) urodził się w greckim mieście Miletus na brzegu Morzu Egejskim. Mieszkańcy tego regionu byli znani jako Ionianie (Grecy, którzy uciekli przed inwazją Dorian). Jego położenie na wybrzeżu Azji Mniejszej zapewniło Talesowi ekspozycję na kultury zarówno Babilończyków, jak i Egipcjan, a właściwie odwiedził oba regiony. To właśnie jego wiedza o astronomii babilońskiej dała początek opowieści, prawdopodobnie apokryficznej, że przewidział zaćmienie Słońca 28 maja 585 r. p.n.e. Uważamy Talesa za pierwszego naukowca, ponieważ, o ile wiemy z niezupełnie historycznych danych, był on pierwszym, który pod względem naukowym podchodził do świata. Zastanawiał się, jak powstał wszechświat i znalazł odpowiedź znacznie różniącą się od tej przedstawionej w stworzeniu mitu bogów o hedonistycznej teogonii (VIII wiek p.n.e.). Wydawało mu się, że wszystko pochodzi albo z wilgoci, albo utrzymane w wilgoci. Doszedł do wniosku, że wszechświat wyrósł z wody. Według Talesa, ziemia jest płaskim dyskiem unoszącym się na morzu wody. Unikalnym elementem w kosmologii Talesa jest idea, że wszechświat rozwinął się w czasie poprzez naturalne procesy z pewnego niezróżnicowanego stanu. Pierwszym udokumentowanym zastosowaniem fizycznego modelu w wyjaśnianiu naturalnego zjawiska jest przekonanie Talesa, że trzęsienia ziemi są spowodowane zakłóceniami w wodzie, która podtrzymuje ziemię. Tak jak w przypadku każdego człowieka, Tales był ograniczony poziomem wiedzy dostępnej w tym czasie oraz kontekstem kulturowym i intelektualnym, w którym się znalazł. Oczywiste jest, że wcześniejsza tradycja mito-poetycka wywarła na niego silny wpływ. Na przykład, od Arystotelesa dowiadujemy się, że zawarte w metafizycznych i kosmologicznych doktrynach Talesa idea, że nieruchome obiekty, które poruszają się i są poruszane (magnesy, żelazo, bursztyn i wełna) posiadają dusze. Trudno powiedzieć, co dokładnie miał na myśli Tales, ale na pierwszy rzut oka nie wydaje nam się to szczególnie naukowe. Tales miał ucznia o imieniu Anaksymander (610-546 p.n.e). Wprowadził pojęcie sferycznego wszechświata, idei, która przetrwała ponad 2000 lat. Widział ziemię zawieszoną w przestrzeni (raczej tę unoszącą się na wodzie). Wierzył również, że żywe istoty powstały z wilgotnych elementów, gdy zostały częściowo odparowane przez słońce. Według Anaksymandra ludzie w odległej przeszłości przypominali ryby. Być może była to pierwsza teoria ewolucji biologicznej. W drugiej połowie piątego wieku podejście Talesa i Anaksymandra zostało przyjęte i rozszerzone przez Leucippus z Miletu (ok. 440 p.n.e.) i Demokryt z Abdery (ok. 470-400 p.n.e.). Demokryt skonstruował złożone wyjaśnienie wszystkich zjawisk w wyniku materialnych interakcji. Nauczał, że świat składa się wyłącznie z niezwiązanych i niezmiennych materialnych atomów. Te niewidoczne drobiny i niepodzielne cząstki nieustannie przemieszczały się w bezkresnej pustce, a ich losowe kolizje i różne kombinacje tworzyły zjawiska świata widzialnego. Ta koncepcja znana jest jako materializm. Według słów Demokryta "nic nie istnieje oprócz atomów i pustki; wszystko inne to zwykła opinia. " Interesujące jest to, że główną koncepcją myślenia Talesa, Anaksymandra i Demokryta jest to, że nie ma prawdziwego rozróżnienia między ziemskimi i niebiańskimi królestwami. Dopiero później greckie myślenie cofnęło się do potrzeby posiadania piątej esencji (kwintesencji) dla ciał niebieskich. Ci pierwsi greccy myśliciele, znani jako presokraci, byli pierwszymi, o których wiemy, że systematycznie poszukiwali naturalnych wyjaśnień zjawisk naturalnych. Babilończycy i starożytni Hebrajczycy mieli literaturę zawierającą historie wyrażające podziw dla niebios i ziemi. Zajęli się jednak pytaniem "dlaczego" i nie próbowali odpowiedzieć na pytanie "jak". Ta wcześniejsza i prostsza faza myśli greckiej kończy się w V wieku z myślą o zupełnie innym typie, Sokrates (470- 399 p.n.e). Z Sokratesem i jego uczniem Platonem (427-347 p.n.e.) mamy unikalną syntezę nauki greckiej i religii greckiej. Nauczali oni, że świat widzialny zawiera w sobie głębsze znaczenie, w pewnym sensie zarówno racjonalne, jak i mityczne, co odbija się w świecie materialnym, ale emanuje z wiecznego wymiaru, który jest zarówno źródłem, jak i celem wszelkiego istnienia. Wraz z Arystotelesem (348-322 p.n.e.), uczniem Platona i nauczycielem Aleksandra Wielkiego, wahadło zaczęło się cofać w kierunku bardziej przyziemnej perspektywy presokratycznej. Platon zapewnił istnienie archetypowych Idei lub Form jako pierwszorzędnych, podczas gdy widzialne obiekty konwencjonalnej rzeczywistości są ich bezpośrednimi pochodnymi. Pomysły te, zdaniem Platona, mają cechę bytu, stopień rzeczywistości, który jest lepszy od tego w konkretnym świecie. Z drugiej strony Arystoteles zakładał, że prawdziwa rzeczywistość jest dostrzegalnym światem konkretnych obiektów, a nie niedostrzegalnym światem wiecznych idei Platona. Arystoteles nałożył nowy i owocny nacisk na wartość obserwacji i klasyfikacji. Pisma Arystotelesa jako pierwsze stworzyły wszechstronny system filozofii, obejmujący moralność i estetykę, logikę i naukę, politykę i metafizykę. Zapewnił język i logikę, podstawę i strukturę, a także, co ważniejsze, potężną postać, bez której filozofia, teologia i nauka Zachodu nie mogłyby rozwinąć się tak, jak oni. Filozofia Arystotelesa, w bardziej lub mniej zmodyfikowanej formie, została pochłonięta przez różne filozoficzne szkoły starożytności i, jak to omówiono w późniejszym, odegrały bardzo ważną rolę w historii myśli chrześcijańskiej.

1.2 Grecki światopogląd

Grecki światopogląd opiera się głównie na naukach Arystotelesa, a jego cechą charakterystyczną jest to, że jest geocentryczny. Jest to najbardziej długowieczny model kosmologiczny w historii, trwający do XVII wieku. Arystoteles nauczał, że wszechświat jest sferyczny i skończony, z obracającymi się kulami niosącymi księżyc, słońce, planety i gwiazdy wokół stacjonarnej ziemi w jej centrum. Aby poprzeć fakt, że ziemia się nie poruszyła, wskazał, że gdyby ziemia była w ruchu, obserwator na niej zobaczyłby ustalone gwiazdy jako przesuwające swoje pozycje względem siebie, zjawisko znane jako paralaksa. Jednak nie zaobserwowano paralaksy. Arystoteles zaproponował kilka dowodów, że Ziemia jest kulą. Jednym z takich dowodów były zaćmienia Księżyca. W owym czasie było wiadomo, że zaćmienia Księżyca były spowodowane spadaniem cienia Ziemi na Księżyc. Fakt, że cień zawsze był okrągły, pokazał, że Ziemia jest kulą. Wskazał również, że gdy podróżuje się na północ lub na południe, pozycja Gwiazdy Północnej zmienia się względem horyzontu. Aby jeszcze bardziej wzmocnić argument, że Ziemia jest niewzruszonym centrum wszechświata, zaproponował wszechstronną teorię ruchu, która wymagała, aby wszystkie ziemskie substancje przemieszczały się naturalnie w kierunku środka ziemi. Arystoteles zaakceptował pogląd Empedoklesa, że istnieją cztery elementy ziemskie, ziemia, powietrze, ogień i woda. Arystoteles dodał dodatkowy element nazywany eterem lub kwintesencją (piąty element), który, jak wierzył, skomponował ciała niebieskie. Jednak Arystoteles odrzucił na gruncie logiki pogląd Demokryta na temat atomów. Ponieważ atomy mają rozszerzenie w przestrzeni, nie mogą być niepodzielne. Rozszerzenie w kosmosie oznacza także kompozycję, a zatem atomy nie mogą być elementarne. Arystoteles zaproponował, że materia jest ciągła i nieskończenie podzielna. Pogląd Arystotelesa na wszechświat był hierarchiczny i dokonał ostrego rozróżnienia między sublunarnym światem zmian, a wiecznymi i niezmiennymi niebiosami. Nie tylko składały się z różnych materiałów, przestrzegały różnych praw. Grecki myśliciel żyjący po Arystotelesie, Arystarch (około 310-230 p.n.e), użył argumentów geometrycznych opartych na zaćmieniach i fazach księżyca, aby oszacować relatywne rozmiary ziemi, księżyca i słońca. Wykazał, że słońce było wiele razy większe niż ziemia, a księżyc był znacznie mniejszy. Rozumując, że mniejszy obiekt powinien krążyć wokół większego obiektu, doszedł do wniosku, że słońce nie jest ziemią, która jest centrum wszechświata, i że Ziemia okrąża Słońce raz w roku, obracając się na swojej osi raz na 24 godziny. Idea ta została poważnie potraktowana przez greckich myślicieli, ale ostatecznie odrzucona. Jeśli Ziemia krąży wokół Słońca, pozycje gwiazd muszą pokazywać paralaksę, której nie zaobserwowano. Arystarch argumentował, że nie został zaobserwowany, ponieważ najbliższe gwiazdy znajdują się na bardzo dużych odległościach w porównaniu do odległości od Ziemi do Słońca. Właściwie to właściwe wyjaśnienie. Najbliższe gwiazdy są tak daleko, że paralaksa nie była obserwowana aż do początku 1800 roku, długo po tym, jak ustalono, że ziemia krąży wokół Słońca. Eratostenes (ok. 276-195 p.n.e.), młodszy ,współczesny Arystarcha, użył geometrii do określenia obwodu ziemi. Wiadomo było, że w południe w konkretny dzień w roku słońce świeci bezpośrednio w pionową szybę w Syene na południu Egiptu. W tym samym czasie w Aleksandrii, na północ od Syene, słońce nie było bezpośrednio nad głową, Eratostenes był w stanie zmierzyć kąt, który słońce wykonało pionem jako jedna pięćdziesiąta koła (około 7o). Na tej podstawie mógł dojść do wniosku, że obwód Ziemi jest 50 razy większy niż odległość między Aleksandrią i Syene. Nie można dokładnie ocenić dokładności rozwiązania Eratostenesa, ponieważ istnieje pewna niepewność co do długości używanego przez niego urządzenia. Jest jednak pewne, że jego wartość mieściła się w granicach 20% poprawna odpowiedzi i mogła wynosić nawet 1%. (Wartość Eratostenesa była o wiele bliższa poprawności niż ta zastosowana przez Kolumba prawie 2000 lat później .Kolumb myślał, że Ziemia jest znacznie mniejsza niż rzeczywiście. Gdyby znał i zaakceptował wartość Eratostenesa, byłoby oczywiste, że nie mógł osiągnąć Chiny żeglując na zachód.) Hipparch (około 190 p.n.e. - ok. 120 p.n.e.), udoskonalił metodę Arystarcha do pomiaru względnych odległości i rozmiarów ziemi, księżyca i słońca i uzyskał lepsze wyniki. Przygotował dokładny katalog pozycji ponad 850 gwiazd. Hipparch miał dostęp babilońskich zapisów pozycji gwiazd z 1000 lat. Porównując je z własnymi, był w stanie określić, że oś obrotu Ziemi obraca się w stożku podobnie jak ruch wierzchołka nachylonego względem pionu. Osi Ziemi zajmuje około 26 000 lat na jeden pełen obrót. Ten ruch jest nazywany precesją równonocy. Wkład Hipparcha stanowi ostatnim znaczącym wkładem w naukę dokonaną przez Greków do czasów Ptolemeusza w drugim wieku wspólnej ery. Do tego czasu grecka nauka i kultura rozprzestrzeniły się na cały region śródziemnomorski. Rozprzestrzenienie to było spowodowane głównie przez Aleksandra Wielkiego. Ojciec Aleksandra, Filip II, był królem Macedonii, regionu bezpośrednio na północ od Grecji, od 359 r. p.n.e. aż do swojej cesji w 336 r. p.n.e. Filip wybrał Arystotelesa na nauczyciela Aleksandra. Po wstąpieniu na tron, Aleksander kontynuował kampanie militarne swojego ojca. Ostatecznie rozszerzył imperium od Indii do Hiszpanii, w tym Persję i Egipt, co doprowadziło do uniwersalizacji kultury greckiej w całym regionie Morza Śródziemnego. Klaudiusz Ptolemeusz, lepiej znany jako Ptolemeusz, mieszkał w Aleksandrii w Egipcie w połowie II wieku n.e. Opierając się mocno na pracy Hipparcha, Ptolemeusz skompilował 13 tomów zawierających całą znaną wiedzę astronomiczną. Niektóre materiały były oryginalne z Ptolemeuszem. Ptolemeusz jest najbardziej znany ze swojego szczegółowego geocentrycznego modelu wszechświata. Pogląd, że ruchy cielesne zawsze muszą być reprezentowane przez stałe prędkości i okrągłe orbity, był dobrze ugruntowany w myśli greckiej. Ptolemeusz zachował tę koncepcję, ale dodał dodatkowe kółka w okręgach, aby dokładniej reprezentować obserwowane lokalizacje planet na niebie. Chociaż model był bardzo nieporęczny, był wystarczająco dokładny, aby zostać przyjętym poglądem na wszechświat aż do XVII wieku. Dzieła Ptolemeusza i innych greckich mistrzów były przechowywane w wielkiej bibliotece w Aleksandrii. Jednym z ostatnich strażników tej wiedzy była Hypatia (około 375-415 n.e). Jako znakomity astronom wymyśliła astronomiczne urządzenia nawigacyjne i napisała komentarz do pracy Ptolemeusza. W tym czasie doszło do poważnego konfliktu między nowo powstającą społecznością chrześcijańską a nauką, którą postrzegali jako pogańską filozofię szkodzącą wierze chrześcijańskiej. Hypatia była poganką. Została zamordowana przez anty-intelektualny motłoch w jednym z zamieszek, które nękały Aleksandrię podczas jej upadku

1.3 Islam i nauka

Wraz z upadkiem Imperium Rzymskiego nauka tymczasowo dobiegła końca w Europie. Jednak tradycja grecka była kontynuowana w kulturach islamskich. W ciągu stulecia, po śmierci Mahometa (ok. 570-632 n.e.), jego wyznawcy podbili cały Bliski Wschód do Indii, a także do Afryki Północnej i większości Hiszpanii. Do 750 roku stali się tolerancyjni wobec różnorodnych pomysłów i postaw, a warunki życia intelektualnego znacznie się poprawiły w ich domenach. Przez następne 250 lat kalifowie Bagdadu stali się patronami nauki a miasto ośrodkiem nauki. Do XI wieku biblioteka kalifa w Kairze zawierała około 150 000 woluminów. Dla kontrastu, zachodni klasztor uważał się za szczęśliwca mając 150. Ważnym czynnikiem rozwoju nauki islamu były stare pisma greckie, które Arabowie znaleźli na ziemiach, które podbili. W ciągu zaledwie kilku dekad po roku 750 główne greckie dzieła naukowe zostały przetłumaczone na język arabski. Pod koniec X w. przetłumaczono w zasadzie wszystkie znane greckie manuskrypty. Atmosfera tolerancji była taka, że dzieło to wykonywali chrześcijanie, żydzi i poganie, a także uczeni islamscy. Religijne wymagania islamu były potężnym impulsem do studiowania astronomii. Na przykład islam przyjął (i generalnie nadal używa) kalendarz ściśle księżycowego , który jednak zaczyna się nie w momencie nowiu, ale na pierwszy rzut oka księżyca tuż po zachodzie słońca. Obliczanie, kiedy to nastąpi, wymaga dość złożonej geometrii. Ponieważ rok księżycowy trwa około 354 dni, miesiące islamskiego roku przechodzą przez sezony w około 33 latach. Meczety musiały być zorientowane na Mekkę, a muzułmanie modlili się w tym kierunku. Co więcej, potrzeba było czasu, aby odpowiednio ustawić pięć razy na codzienną modlitwę. W atakowaniu takich problemów uczeni islamscy rozwinęli matematykę, szczególnie trygonometrię i sferyczną geometrię, znacznie przewyższającą Greków. Nauczyli się funkcji trygonometrycznej "sinusowej" z Indii i wymyślili pozostałe pięć. Wyjaśnili także niektóre relacje między tymi funkcjami trygonometrycznymi, takimi jak prawo sinusów. Dzięki takim rozwiązaniom znacznie łatwiej było rozwiązać geometryczne problemy astronomii. Arabowie używali także systemu liczb, które obejmowały koncepcję zera, którą nabyli z Indii. Zostało to później przyjęte przez Zachód. Te cyfry arabskie, jak się je nazywa, zastąpiły cyfry rzymskie, głównie dlatego, że są znacznie łatwiejsze do obliczenia. Arabskie teksty opisujące te nowe osiągnięcia matematyczne, a także różne streszczenia i komentarze na temat tekstów greckich i rzymskich, ostatecznie trafiły na Zachód, gdzie stały się standardowymi dziełami od stuleci. Z naukowego punktu widzenia najważniejszym wkładem muzułmanów było to, że zachowali oni wiele nauki greckiej. Od około roku 1000 teksty te powracają do Europy. Miasta w pobliżu granic między domenami islamskimi i chrześcijańskimi, takie jak Toledo w Hiszpanii, stały się ośrodkami "branży tłumaczeń" (z języka arabskiego na język łaciński), a arabskie słowa, takie jak zenit, nadir, alchemia, algebra i algorytm, weszły w nasz język, wzdłuż z gwiazdami takimi jak Algol, Aldebaran, Alcor, Vega, Deneb i Betelgeuse. Być może najbardziej znanym i najważniejszym tekstem odzyskanym z kultury islamu jest Almagest, angielska nazwa wywodząca się z arabskiego, al-majisti, co oznacza "Największy". Almagest został napisany przez Ptolemeusza w około 150 roku n.e. i przetłumaczony na język arabski ok. 827. W drugiej połowie XII wieku został przetłumaczony z arabskiego na łaciński i służył jako podstawa europejskiej astronomii aż do początku z 17 wieku.

2. Średniowiecze, renesans i reformacja

Rzymianie zaczęli budować swoje imperium w IV wieku p.n.e. i ostatecznie kontrolowali cały świat śródziemnomorski. Podbili Grecję w II wieku p.n.e. Jednak Rzymianie uznali wyższość większości greckiej myśli i kultury i włączyli ją do swojej kultury. Powstała cywilizacja znana jest jako grecko-rzymska. W 313 n.e. cesarz rzymski Konstantyn wydał edykt mediolański, uznając prawo chrześcijan do praktykowania religii w Imperium. Stopniowo chrześcijaństwo stało się oficjalną religią. W IV wieku Imperium zaczęło się rozpadać. Handel, zwłaszcza handel morski, który spada wraz z populacją, zwłaszcza na obszarach miejskich. Obszar pod kontrolą Rzymu kurczył się, a sam Rzym był inwazją barbarzyńców. Ten okres jest zwykle nazywany późnym antykiem. Jest to okres przejściowy, w trakcie którego starożytny świat powoli wśliznął się w średniowieczne

2.1 Późna starożytność i wczesne średniowiecze

Średniowiecze to okres intelektualnej stagnacji pomiędzy klasyczną kulturą grecką a jej późniejszym odnowieniem w okresie renesansu. Po raz pierwszy termin ten pojawił się w XV wieku, i odnosił się do okresu od upadku Cesarstwa Rzymskiego (~500 n.e.) do początku renesansu (~1350). Później termin ten jest klasyfikowany jako Klasyczny, Średniowieczny i Nowoczesny. Nowsze studia nieco zmodyfikowały wcześniejsze podziały. Uznając, że Imperium Rzymskie trwało nadal w roku 500 i że pewne aspekty kultury grecko-rzymskiej trwały nadal po roku 500, dodano późną epokę starożytną. Różne daty zostały podane dla tych epok. Jedną z wersji akceptowanych przez wielu uczonych jest późny antyk (300-700), wczesne średniowiecze (700-1000), późne (lub wysokie) średniowiecza (1000-1350) i renesans (1350-1600). Daty te są nieco arbitralne i, oczywiście, nie odpowiadają nagłym, nieciągłym zmianom kulturowym. Chociaż termin "ciemne wieki" nie jest już używany do charakteryzowania późnego antyku i wczesnego średniowiecza, próżnia powoli spadała wypełniona przez Kościół rzymski. Około roku 500 Kościół jest jedynym autorytetem w Europie Zachodniej. Niemal od początku chrześcijaństwa, chroniąc wiarę prawie wyłącznego priorytetu Kościoła, dialog został ograniczony, a autorytet Kościoła poddany w wątpliwość. Istnieje reakcja na pogańskich filozofów. Tertulian, przywódca Kościoła z III wieku, powiedział: "Co Ateny mają wspólnego z Jerozolimą?" Jedną z konsekwencji jest zmniejszenie wartości świata. "Pluralizm kultury klasycznej, z wielością filozofi, jego różnorodności politeistycznych mitologiach i jego mnogości religii misteryjnych, ustąpiła dobitnemu układowi monolitycznemu. - jeden Bóg, jeden Kościół, jedna Prawda" Rzecz jasna, nie dużo postęp w zrozumieniu wszechświata. Wiele z tego, co było znane w epoce klasycznej, zostało utracone. Książki zostały spalone przez władze kościelne, bezpośrednie studia nad światem przyrody były postrzegane jako zagrożenie dla integralności wiary religijnej, a tym samym dla zbawienia. Jednym z bardziej absurdalnych rezultatów jest odrzucenie idei kulistej ziemi, częściowo z powodu , że była wspierana przez pogańskich filozofów. Zamiast tego wszechświat był postrzegany jako ukształtowany jak Święte Tabernakulum; zamknięty w kopułkowym prostokątnym pudełku. Opierając się na historii z Księgi Rodzaju, model jest zamknięty przez wodę, model zawiera super-niebieskie wody na szczycie tabernakulum. Dopiero pod koniec IX wieku przywrócono ideę kulistej ziemi.

2.2 Późne średniowiecze

W późnym średniowieczu, potrzeba chrześcijaństwa odróżniania i wzmacniania się przez mniej lub bardziej sztywne wykluczenie kultury pogańskiej stracił część swojej pilnych i bardziej zrelaksowany stosunek do świeckiej nauki rozwinięta. Święty Anzelm z Canterbury, (1033-1109), "Wydaje mi się, że jest to przypadek zaniedbania. Porównaj to z postawą Tertuliana w III wieku: "Cała ciekawość dobiega końca po Jezusie, wszystkie badania po Ewangelii. Miejmy wiarę i nie pragnijmy niczego więcej. Zmiana podejścia Kościoła jest przyspieszona przez ponowne odkrycie dużego dzieła Arystotelesa. Przepisane przez kultury islamskie i bizantyjskie na Wschodzie. Teksty arabski i grecki zostały przetłumaczone na łacinę i szeroko rozpowszechnione na nowych uniwersytetach Zachodu. Początkowo Kościół starał się tłumić nauki Arystotelesa jako będące w konflikcie z interesami neoplatonizmu które Święty Augustyn we wczesnym wieku 5, ustanowił jako filozoficzne fundamentu chrześcijaństwa. Okazało się to niemożliwe, a ostatecznie w połowie XIII wieku św. Tomasz z Akwinu nie był w stanie zintegrować się z teologią chrześcijańską. Tomasz z Akwinu łączył filozofię Arystotelesa i doktrynę chrześcijańską, sugerując, że racjonalne myślenie i studiowanie natury, podobnie jak objawienie, są ważnymi sposobami zrozumienia prawd dla Boga. Według Tomasza, Bóg objawia się przez naturę, więc studiowanie natury to badanie Boga. Jego Pisma stały się nowym filozoficznym fundamentem religii chrześcijańskiej, a jego poglądy na relację między Bogiem a wszechświatem stał się kosmologicznym światopoglądem późnego średniowiecza . Dla Tomasza z Akwinu naprawdę nie ma różnicy między stworzeniem wszechświata a jego dalszym istnieniem. Tomasz twierdził, że stosunek zegara do zegarmistrza bardzo różni się od relacji wszechświata do jego Stwórcy. Gdy zegar zostanie wykonany, nie ma już zależności od jego twórcy. Ponieważ jednak wszechświat został stworzony z niczego, a nie z wcześniej istniejących materiałów, tak jak w przypadku zegara, wszechświat powróciłby do niebytu bez nieustającego wszechmocnego wsparcia Stwórcy. Bóg podtrzymuje świat. Natura jest nasycona Bożą mocą i intencjami. Tak więc, dla Tomasza, wiedzę o Bogu można uzyskać przez naukę przyrodniczą dzięki Bożej wszechobecności we wszechświecie. Wrócimy później do relacji między zegarem i jego twórcą. Dla niektórych ludzi Oświecenia relacja między wszechświatem a jego Stwórcą jest dokładnie taka sama jak między zegarem i zegarmistrzem. Idea ta nazywa się Deizm. Dla innych analogia zegarmistrzowska służy jako argument dla Boga - argumentacja kosmologiczna lub argumentacja z projektu. Argument ten został ostatnio wysunięty przez zwolenników Inteligentnego Projektu, którzy zaproponowali nauczanie go w szkołach publicznych jako alternatywę dla ewolucji. Dzięki pracy Tomasza z Akwinu i innych Scholastyków, kosmologia Arystotelesa-Ptolemeusza została przywrócona Europejczykom, a jednocześnie przeniknięta chrześcijańskim znaczeniem. Ten model został entuzjastycznie przyjęty przez włoskiego poetę Dantego Alighieri. W swoim epickim dziele La Divina Commedia prezentuje moralny, religijny i kosmologiczny paradygmat, którego kosmologiczna architektura stworzyła wszechstronną mitologię chrześcijańską, obejmującą całe stworzenie. Commedia pięknie podsumowuje późnośredniowieczny światopogląd. Z perspektywy czasu połączenie myśli arystotelesowskiej z teologią mogło być błędem. Ponieważ kosmologia Arystotelesa była tak fundamentalnie częścią jego filozofii, synteza miała (być może niezamierzoną) konsekwencję uczynienia greckiego widzenia fizycznego wszechświata częścią chrześcijańskiego dogmatu. Kościół został zamknięty w geocentrycznym modelu wszechświata. Podczas Rewolucji Naukowej doprowadziłoby to Kościół do bezpośredniego konfliktu z nauką, jednego z czynników, który ostatecznie zniszczyłby jego autorytet. W międzyczasie miały miejsce wydarzenia, które przekształciłyby okres średniowieczny w Renesans. Wraz z rozwojem księstw i państw narodowych rosło bezpieczeństwo polityczne i stopniowy wzrost siły świeckiej. Innowacje w rolnictwie doprowadziły do wzrostu liczby ludności, szczególnie w miastach. Klasa średnia zaczęła się rozwijać. Nastąpił odpowiedni wzrost umiejętności czytania i pisania.

2.3 Renesans

Renesans rozpoczął się we Włoszech około połowy XIV wieku. Może się charakteryzować szeregiem zmian kulturowych. Przede wszystkim było to odrodzenie kultury grecko-rzymskiej, dosłowne znaczenie renesansu. Włoskie elity handlowe i arystokratyczne postrzegały kulturę klasyczną jako źródło nie tylko wiedzy naukowej i zasad logicznego dyskursu, jak to było w przypadku scholastyków późnego średniowiecza, ale w celu pogłębienia i wzbogacenia ludzkiego ducha. Nastąpiła reakcja przeciwko Arystotelesowi i odrodzenie platonizmu, po części z powodu jego wyższego stylu literackiego. Humanistyczni uczeni i artyści rozkwitali w nowym klimacie kulturowym. Porzucając ideał ubóstwa monastycznego, człowiek renesansu obejmował wzbogacenie życia, którego dostarcza osobiste bogactwo. "Było ... zdecydowane pojawienie się nowej świadomości - ekspansywnej, buntowniczej, energicznej i twórczej, indywidualistycznej, ambitnej i często pozbawionej skrupułów, ciekawskiej, pewnej siebie, oddanej temu życiu i temu światu." Richard Tarnas. Ogólnie rzecz biorąc, myśliciele renesansowi mieli o wiele bardziej pozytywny pogląd na ludzkość i jej możliwości, niż było to w średniowieczu. Chociaż wiele zmian kulturowych, szczególnie nowy ciekawy, pewny siebie indywidualizm, ostatecznie doprowadziłby do ponownego zainteresowania wszechświatem, nie było to początkowo. Humaniści faworyzowali humanizowane tematy, takie jak polityka i historia, nad studiami nad filozofią naturalną lub stosowaną matematyką. Później jednak zainteresowanie odwróciło się od przywracania starożytnej wiedzy o wszechświecie. Niektórzy określają ten okres jako renesans naukowy. To z kolei doprowadziło do rewolucji naukowej w XVII wieku. Nacisk renesansu polegał na odzyskiwaniu wiedzy, podczas gdy w Rewolucji Naukowej nacisk przeniósł się z odkrywanie na odkrycie.

2.4 Reformacja

Reformacja jest erą historii Europy, kiedy monolityczny kościół rzymski został rozbity na wiele różnych denominacji. Ponieważ Kościół miał tak potężny wpływ we wszystkich aspektach średniowiecznego życia, reformacja była ważnym wydarzeniem społecznym i politycznym, a także religijnym. Było wiele czynników, które doprowadziły do reformacji. Hierarchia rzymskokatolicka stała się zamożna, świecka i często otwarcie skorumpowana i niemoralna. To, w ostrym kontraście do głębokiej pobożności i ubóstwa wiernych Kościoła. W pewnym sensie słomą, która złamała grzbiet wielbłąda, była sprzedaż odpustów. Odpusty mogły zostać wykorzystane do odpuszczenia grzechów i zmniejszenia kar za śmierć dla współpracownika lub jego krewnych. To było oczywiście oszustwo. W 1517 r. Martin Luther, niemiecki mnich, przybił swoje 95 tez przeciwko sprzedaży odpustów do drzwi kościoła w Wittenberdze. Wzrost nacjonalizmu był ważnym czynnikiem sukcesu Lutera, ponieważ był chroniony przed papieskimi autorytetami przez niemieckich książąt. W ciągu następnych kilku dekad, kilka innych religijnych schizm zerwało z Kościołem rzymskim, tworząc coś, co nazwano protestanckimi denominacjami. Chociaż reformacja miała przede wszystkim konsekwencje religijne i społeczne, a nie naukowe, wielu uważa, że był to ważny krok prowadzący do Rewolucji Naukowej i powrotu do poważnych prób, aby po raz pierwszy od ponad 1000 lat historii Europy Zachodniej dojść do porozumienia. z fizycznym wszechświatem. Być może najważniejszym czynnikiem było złamanie teologii protestanckiej z punktu widzenia Tomasza z Akwinu, że wszechświat jest nasycony Bożą obecnością, a więc jest święty sam w sobie. W protestanckim światopoglądzie nadprzyrodzone było prawie całkowicie odłączone od naturalnego. Jednakże, jeśli Bóg jest radykalnie transcendentny, a zatem odizolowany od natury, natura staje się po prostu przedmiotem, który ma być używany do celów ludzkich. Ta zmiana światopoglądu jest przesunięciem w kierunku współczesnego światopoglądu stworzonego przez Rewolucję Naukową.

3. Rewolucja Naukowa

3.1 Mikołaj Kopernik

Historia ogólnie jest podzielona na epoki, z których każda może być scharakteryzowana w sposób, który odróżnia ją od wszystkich innych. Ale w rzeczywistości te ery mieszają się, mniej więcej stopniowo, ze sobą. Na przykład istnieje sens, w którym Rewolucja Naukowa jest po prostu kontynuacją renesansu. Historia ma również tendencję do datowania różnych epok w liczbach okrągłych. Na przykład późne średniowiecze ma zwykle miejsce między tysiącami lat 1000 i 1350, a renesans między 1350 a 1600 rokiem. Rewolucja naukowa zwykle ma miejsce w XVII wieku. Jednak wszelkie zabiegi rewolucji naukowej zaczynają się nieuchronnie od Mikołaja Kopernika, polskiego kanonika w katolickiej katedrze w pierwszej połowie XV wieku - człowieka w pełni renesansowego, zarówno pod względem czasu, jak i ducha. Kopernik był raczej uczonym niż naukowcem we współczesnym tego słowa znaczeniu. Gdy uczeni tamtych czasów, zanurzyli się w nowo przetłumaczonej literaturze klasycznej, a nie w celu dokonywania nowych odkryć, ale odzyskiwania starych odkryć. Kopernikowi przypisuje się czasami odkrywanie heliocentrycznego modelu układu słonecznego. W rzeczywistości czytał o tym w książce. Greccy myśliciele proponowali to na wiele wieków przed wspólną epoką, a wśród nich - Arystarch. Kopernik przeczytał tę sugestię i uświadomił sobie, że wyjaśnił w prosty sposób wiele rzeczy dotyczących ruchu planet, które miały złożone, nieprawdopodobne wyjaśnienia za pomocą geocentrycznego modelu Ptolemeusza. Kopernik uważał, że zadowalająca reprezentacja układu słonecznego powinna być spójna i fizycznie wiarygodna, nie wymagające innej konstrukcji dla każdego zjawiska, jak zrobił to system Ptolemeusza. Dla niego system Ptolemeusza był brzydki i dlatego nie mógł reprezentować dzieła Stwórcy. (Po usłyszeniu w końcu XIII wieku modelu wszechświata Ptolemeusza i wymagającej niezwykle skomplikowanej matematyki, papież Alfons X powiedział, że : "Gdyby Pan Wszechmogący skonsultował się ze mną przed rozpoczęciem tworzenia, powinienem był polecić coś prostszego." Już w 1514 r. Kopernik rozprowadzał wśród swoich przyjaciół krótki manuskrypt opisujący jego heliocentryczne poglądy. Jednak był niechętny do opublikowania. Większość uczonych uważa, że to nie strach przed Kościołem wywoływał jego niechęć. Kościół nie podjął wówczas trudnej decyzji w tej sprawie. W rzeczywistości generalnie wspierało to Kopernika Dopiero później, podczas kontrreformacji, ludzie tacy jak Giordano Bruno i Galileo Galilei doznali odwetu za swoje poglądy na temat natury wszechświata. W 1533 r. Johann Widmannstetter, osobisty sekretarz papieża Klemensa VII, wygłosił serię wykładów w ogrodach Watykanu, nakreślając teorię Kopernika. Klemens i kilku kardynałów usłyszeli wykłady i zainteresowali się teorią. Następca Klemensa, Paweł III, prawdopodobnie słyszał o zamysłach Kopernika od kard. Schönberga, zaufny papieży Leona X, Klemensa VII i Pawła III. Za namową Pawła, Schonberg napisał do Kopernika 1 listopada 1536 r., Mówiąc po części: "Dlaczego, uczony mężu ego człowiek uczony, nie chcąc być nieodpowiedzialnym, błagam cię, aby przekazać twoje odkrycie światu, którego się nauczyłem ... "Pomimo tego wsparcia, Kopernik czekał sześć lat po otrzymaniu listu zachęcającego Schonberga do opublikowania. W końcu jednak jego przyjaciel i uczeń, George Rheticus, przekonał go, że nadszedł czas, aby to zrobić. Kopernik zmarł w 1543 r. Mówi się, że otrzymał po raz pierwszy na łożu śmierci wydrukowaną książkę, składającą się z około 200 stron napisanych po łacinie. Książka jest zatytułowana "O obrotach sfer niebieskich". Prawdopodobnym wytłumaczeniem jego niechęci do publikowania jest to, że Kopernik martwił się, w jaki sposób jego idee zostaną przyjęte zarówno przez pobożne masy, jak i przez jego kolegów naukowców, wszystkich głęboko zaangażowanych w Arystotelesowski punkt widzenia. Przedstawienie tego oburzającego pomysłu bez dowodów, poza jego większą prostotą, wywołałoby ostrą krytykę. Poświęcając książkę papieżowi Pawłowi III, wspomina o swojej trosce, że gdy ludzie usłyszą o jego poglądach, będzie "spychany ze sceny". Dodatkowo Kopernik był perfekcjonistą, zawsze starał się poprawić swoją prezentację teorii. Początkowa reakcja religijna przeciw teorii nie pochodziła od katolików, ale od protestantów. Hipoteza Kopernika była sprzeczna z kilkoma fragmentami Pisma Świętego dotyczącymi trwałości ziemi, a Pismo Święte było jedynym absolutnym autorytetem protestantyzmu. Jeszcze przed publikacją książki Martin Luther usłyszał o teorii i podobno powiedział: "Głupiec chce wywrócić całą sztukę astronomiczną do góry nogami. Jednak, jak powiada nam Pismo Święte, Jozue nakazał słońcu stanąć nieruchomo, a nie Ziemi." Kościół katolicki ostatecznie, 73 lata po opublikowaniu, umieścił książkę na indeksie książek, których katolikom nie wolno było czytać.

3.2 Tycho Brahe

Kopernik miał rację co do tego, że ziemia krąży wokół Słońca, ale ma orbity, w których Ziemia i inne planety krążą wokół Słońca. Model Kopernika nadal wykorzystywał okręgi wokół kręgów modelu Ptolemeusza. Jego model składał się z poruszającej się ziemi w kosmosie, inaczej rządzonej przez założenia Arystotelijskie i Ptolemejskie. Obserwacje szybko pokazały, że model Kopernika był nieco lepszy w przewidywaniu dokładnych lokalizacji planet na niebie w jakimś przyszłym terminie, ale wciąż nie jest całkowicie dokładny. Oba modele musiały być złe. Duński astronom, Tycho Brahe, postawił sobie za zadanie wymyślenie właściwego modelu. Brahe uświadomił sobie, że postęp w astronomii wymaga systematycznej, rygorystycznej obserwacji, noc po nocy, przy użyciu najdokładniejszych dostępnych instrumentów. Ten program stał się dziełem jego życia. Brahe poprawił i powiększył istniejące instrumenty i zbudował zupełnie nowe. Teleskop nie został jeszcze odkryty, więc wszystkie instrumenty Brahe′a były gołym okiem. Brahe zaczął robić obserwacje i rejestrować dane w 1572 roku i kontynuował to aż do swojej śmierci w 1601 roku. Jego model układu słonecznego był hybrydą geocentryczną i heliocentryczną. Prostsze wyjaśnienia lokalizacji Merkurego i Wenus na niebie oraz ruch wstecz Marsa i planet zewnętrznych przekonały Brahe′a, że planety muszą krążyć wokół Słońca jak w modelu Kopernika. Był jednak przekonany, że Ziemia nie krąży wokół Słońca, po części dlatego, że nigdy nie był w stanie zmierzyć paralaksy, nieuniknionej prognozy poruszającej się ziemi. Tak dokładne, jak jego pomiary, odległości do najbliższych gwiazd wymagały ponad 200 lat technologicznych postępów, zanim zaobserwowano paralaksę. W modelu Brahe′a słońce, wraz z jego orbitującymi planetami, krąży wokół Ziemi. Był to model geocentryczny. Brahe planował wykorzystać swoje obszerne dane na temat lokalizacji planet, aby zademonstrować poprawność swojego modelu. Pomysł polegał na wykorzystaniu modelu do obliczenia pozycji na niebie planety w pewnym momencie w przeszłości. Następnie powróciłby do swoich danych, aby wykazać, że obliczenia pozwoliły uzyskać faktyczną obserwowaną lokalizację. Gdyby mógł to robić konsekwentnie, ponieważ Ptolemeusz i Kopernik nie mogliby go uznać, jego model byłby poprawny. Jednak obliczenia te były niezwykle trudne. Brahe sam nie mógł tego zrobić, więc w 1600 roku zatrudnił niemieckiego matematyka, Johannesa Keplera, aby zrobił to za niego.

3.3 Johannes Kepler

Chociaż został zatrudniony do wykonania obliczeń koniecznych do wykazania poprawności geocentrycznego modelu Brahe′a, Johannes Kepler przez pewien czas był przekonanym zwolennikiem Kopernika. Nie sądził, że model Kopernika był poprawny we wszystkich szczegółach; wiedział, że jego drobne niedokładności oznaczają, że było źle. Ale estetyczna wyższość heliocentrycznego poglądu była dla niego nieodparta. Brahe zmarł krótko po zatrudnieniu Keplera. Kepler zastąpił go jako imperialnego matematyka i astrologa u Świętego Cesarza Rzymskiego, odpowiedzialnym za ukończenie niedokończonego dzieła Brahe′a. Kepler miał teraz dostęp do dziesiątek lat bezprecedensowo dokładnych obserwacji astronomicznych Brahe'a. Kepler wszedł do pracy Brahe'a z własnym specyficznym heliocentrycznym modelem. Teraz miał okazję sprawdzić swój model w oparciu o dane i wkrótce odkrył, że jego model był błędny. Nie poddał się jednak. Przez cztery lata wielokrotnie wymyślał nowe modele, sprawdzał je pod kątem danych i odkrył, że się mylą. W tych próbach skupił się na planecie Mars. Rozumował, że Stwórca nie stworzyłby innej orbity dla każdej planety; to byłoby nieestetyczne, coś niezgodnego z jego koncepcją Boga. Gdyby udało mu się znaleźć orbitę Marsa, byłby pewien, że będzie to również orbita wszystkich innych planet. Po latach nieudanych prób użycia różnych kombinacji kół, w końcu zrezygnował z tego podejścia. W końcu, w 1605 roku, trafił na właściwą kombinację ścieżki i prędkości, która byłaby zgodna z obliczeniami z obserwacjami Brahe′a. Mars porusza się po eliptycznej ścieżce z różną prędkością w zależności od odległości między nim a słońcem. Mars przyspiesza, gdy zbliża się do Słońca i zwalnia, gdy się cofa. Robi to w taki sposób, że wyimaginowana linia pomiędzy Marsem a słońcem przesuwa równe obszary w równych odstępach czasu. Jak podejrzewał, orbita ta działała również na inne planety. Chociaż rękopis przedstawiający tę informację został ukończony w 1605 roku, nie został opublikowany do 1609 roku z powodu sporów prawnych dotyczących wykorzystania obserwacji Tycho, własności jego spadkobierców. Ta prawidłowa orbita została osiągnięta ściśle metodą prób i błędów. Kepler nie miał na myśli modelu, który pozwoliłby mu przewidzieć i nie ma jasnego wyjaśnienia, dlaczego planety poruszały się w ten sposób. Wyjaśnienie będzie musiało poczekać ponad 50 lat, aby Isaac Newton mógł to zrozumieć.

3.4 Galileo Galilei

Galileo Galilei był współczesnym Keplerowi i, podobnie jak Kepler, był przekonanym Kopernikaninem na długo przedtem, zanim pojawiły się inne niż estetyczne powody, by wspierać model heliocentryczny. Poza tym obaj mężczyźni mieli niewiele wspólnego. Kepler był bardzo łagodny, dość chorowity i skromny. Galileo był przeciwieństwem. Kepler był protestantem, a Galileusz katolikiem, obaj silni w wierze. Galileusz odrzucił wiele prac Keplera jako bezużyteczną fikcję i odmówił przyjęcia orbit eliptycznych dla planet, nadal wierząc, że muszą być w jakiś sposób koliste. Galileo ma duże znaczenie dla nauki z dwóch różnych powodów. Przede wszystkim był pierwszym, w 1609 roku, wykorzystującym teleskop do badania nieba i w ten sposób dokonał kilku ważnych odkryć, które podważyły model Ptolemeusza zaakceptowany przez większość uczonych i kościoły chrześcijańskie, zarówno katolickie, jak i protestanckie. odkrycia nie dowiodły, że sama Ziemia krąży wokół Słońca, jak chciał twierdzić Galileusz. Po drugie, generalnie uważa się go za wynalazcę metody naukowej, tak jak ją rozumiemy dzisiaj, lub przynajmniej za to, że jako pierwszy zastosował ją systematycznie. Chociaż Galileusz nie wynalazł teleskopu, był pierwszym, który użył go do zdobycia wiedzy o niebiosach. W jego odkryciach znajdowały się góry i kratery na Księżycu. Ponieważ księżyc był częścią niebiańskiego królestwa, Arystoteles i religijny dogmat wymagały, aby był doskonały. Cóż, prawie idealnie. Było to wyraźnie skazane, być może oznaczające, że jako najbliższy obiekt niebiański na ziemi, był to obiekt przejściowy między niedoskonałą ziemią a absolutnie doskonałymi niebiosami. W każdym razie uczeni i kościoły nauczali, że księżyc jest idealnie gładkim i kulistym obiektem. Jeśli już w to wierzysz i spoglądasz na księżyc gołym okiem, łatwo uwierzyć, że to prawda. Nawet przez stosunkowo mały teleskop Galileusza, to wyraźnie nie jest prawdą. Galileuszowi trudno było przekonać innych do tego. Albo odmówili spojrzenia przez teleskop, albo twierdzili, że nieregularności były artefaktem samego teleskopu, a nie prawdziwym obrazem księżyca. Podobieństwo cech księżyca do tych na ziemi wprowadziło w błąd Galileusza. Uważał, że ciemne stosunkowo gładkie powierzchnie na Księżycu to oceany i nazywają je morzami. Dziś nazywamy je marią, łacińskim słowem oznaczającym morza. Galileo odkrył, że planeta Wenus przechodziła fazy tak jak Księżyc. Było to ważne, ponieważ udowodniło, że Wenus okrąża Słońce, a nie Ziemię, udowadniając, że model Ptolemeusza jest niewłaściwy. Był także w stanie zademonstrować to, co niektórzy podejrzewali, że Droga Mleczna, zespół rozproszonego światła, które krąży po niebie od horyzontu do horyzontu, składa się w rzeczywistości z setek tysięcy gwiazd. Obserwował plamy słoneczne i wykorzystywał je do obliczania prędkości rotacji Słońca, około jednego obrotu co 25 dni. Być może jego najważniejszym odkryciem były cztery (teraz zwane Galileuszowymi) księżyce Jowisza. Jednym z najsilniejszych argumentów na rzecz modelu geocentrycznego był fakt, że nasz księżyc krąży wokół Ziemi. Nikt tego nie kwestionował. Argumentowano, że ziemia nie może się ruszyć, ponieważ gdyby tak się stało, zostawiłaby księżyc. W czasach przed odkryciem grawitacji był to bardzo mocny argument. Jednak bez względu na to, czy ktoś wierzył w geocentryczny, czy też heliocentryczny wszechświat, było jasne, że Jowisz poruszył się, musiał krążyć wokół czegoś, czy to na Ziemi, czy na słońcu. Fakt, że Jupiter był w stanie się poruszyć bez pozostawienia swoich księżyców za niszczeniem kłótni. Jak większość wie, Galileusz miał poważne kłopoty z Kościołem w późniejszym życiu. Został wezwany przed inkwizycję w 1633 roku. Korzeń jego problemu z Kościołem rozpoczął się w 1616 roku. Do tego czasu Kościół katolicki, wraz z postępującą reformą kontrreformacyjną, przyłączył się do protestanckich kościołów sprzeciwiając się modelowi kopernikańskiemu. Galileusz pojechał do Rzymu, aby przekonać władze kościelne, by nie wprowadzały w błąd pomysłów Kopernika. Jednak kardynał Bellarmin polecił Galileuszowi, aby nie "trzymał ani nie bronił" idei, że ziemia porusza się, a słońce stoi w centrum. Dekret jednak nie przeszkodził Galileuszowi w dyskutowaniu o hipotezie heliocentrycznej raczej jako hipotezie niż faktach. W 1623. Cardinal Maffeo Barberini, przyjaciel i wielbiciel Galileusza, został wybrany papieżem Urbanem VIII. Galileo uważał, że można bezpiecznie zająć silniejszą pozycję w stosunku do modelu heliocentrycznego. Jego książka, Dialog dotyczący dwóch głównych systemów światowych, została opublikowana w 1632 roku. Przed publikacją Galileo osobiście omówił książkę z Urbanem. Papież poprosił Galileusza, aby przedstawił argumenty za i przeciw zarówno modelom heliocentrycznym, jak i geocentrycznym, i zaoferował swoje własne na korzyść geocentrycznego modelu . W Dialogu argumenty dotyczące modelu geocentrycznego i modelu heliocentrycznego zostały sformułowane przez Simplicio, co w języku włoskim ma konotację z prostakiem, w rzeczywistości Simplicio często był głupcem. Książka wyraźnie nie była wyważoną dyskusją na temat obu modeli, ale raczej polemiką dla modelu heliocentrycznego, coś, co Galileo w 1616 roku zostało zabronione. Co gorsza, Galileusz umieścił dokładnie słowa Urbana w ustach Simplicio. Papież nie był rozbawiony. Galileusz został wezwany do Rzymu, aby stawić czoła Inkwizycji. Był zagrożony torturami, jeśli publicznie nie odmówi tego, co zrobił. Uniknął tortur, ale został "gwałtownie podejrzany o herezję" i skazany na areszt domowy, gdzie pozostał do końca życia. Pomimo kłopotów z Kościołem przez całe życie pozostawał pobożnym katolikiem. Jego uzasadnienie dla proponowania teorii sprzecznych z Biblią jest podsumowane w jego stwierdzeniu: "Biblia mówi ci, jak iść do nieba, a nie jak wędrują niebiosa". Jego proces przed Inkwizycją zakończył dzieło Galileusza jako astronoma. Na szczęście dla nauki nie zakończyło to jego pracy jako fizyka. Podczas swojej niemal dekady aresztu domowego, Galileo wniósł oryginalny wkład do nauki ruchu poprzez innowacyjne połączenie eksperymentu i matematyki. Galileo jest prawdopodobnie pierwszym, który jasno stwierdza, że prawa natury są matematyczne. Jego badania nad ruchem położyły podwaliny pod sformułowanie przez Izaaka Newtona dotyczące jego trzech praw ruchu. Pierwsze z tych praw, logicznie po prostu szczególny przypadek drugiego, jest po prostu powtórzeniem pracy wykonanej przez Galileo i zostało uwzględnione specjalnie w celu uznania wkładu Galileo. Empiryczne podejście Galileusza w badaniach nad ruchem jest tym, co obecnie znamy jako metodę naukową. Rewolucja Naukowa jeszcze się nie zakończyła. Kepler pokazał, że model heliocentryczny jest poprawny, określając orbity planet wokół Słońca, ale nie ma żadnego wyjaśnienia, dlaczego poruszają się one na tych konkretnych orbitach. Galileo dokonał ważnych odkryć w mechanice, całkowicie niszcząc teorię ruchu Arystotelesa, ale nie był w stanie zastąpić jej podobnie wszechstronną teorią. Niedokończone dzieło Keplera i Galileusza będzie musiało poczekać kolejne 25 lat, aby geniusz Izaaka Newtona zakończył ich pracę.

3.5 Isaac Newton

Nie jest przesadą stwierdzenie, że Isaac Newton jest najważniejszym czynnikiem przyczyniającym się do rozwoju współczesnej nauki. Łaciński napis na grobowcu Newtona, pomimo jego bombastycznego języka, jest zatem uzasadniony w głoszeniu: "Śmiertelnicy! Radujcie się tak wspaniałą ozdobą dla rodzaju ludzkiego! "Być może jest to lekka przesada, gdy Alexander Pope jako epitafium dla Newtona napisał:
"Prawa natury i natury leżały ukryte w nocy; Bóg powiedział: Niech będzie Newton! i wszystko stało się jasne. "
Newton wstąpił do Trinity College of Cambridge University w 1661 roku. W tamtym czasie program nauczania w Cambridge był nadal mocno klasyczny, ale Newton wolał czytać bardziej zaawansowane pomysły współczesnych filozofów, takich jak Kartezjusz i astronomowie, tacy jak Kopernik, Galileusz i Kepler. Prywatne studia, które zaczął, opanowywał matematykę, jak pokazują notatniki, które pisał w tym czasie. W Cambridge nikt najwyraźniej nie rozpoznał jego geniuszu. Newton uzyskał dyplom z Cambridge w sierpniu 1665 r. Bez wyróżnień. Uczelnia została tymczasowo zamknięta na następne dwa lata jako środek ostrożności przeciwko Wielkiej Pladze, a Newton powrócił na farmę swojej matki. W ciągu tych dwóch lat (23 i 24) Newton wypełnił zeszyt po zeszycie pomysłami i obserwacjami eksperymentalnymi. To mogą być dwa najbardziej produktywne lata w całej historii nauki. W tym stosunkowo krótkim czasie Newton dokonał błyskotliwych i ważnych odkryć dotyczących światła i koloru. Kontynuował naukę matematyki i wynalazł rachunek różniczkowy, który następnie opisywał ruch obiektów. Wreszcie, a może przede wszystkim, opracował matematyczne równanie opisujące grawitację. W ten sposób Newton nie tylko wiedział, w jaki sposób poruszały się planety, ale wiedział, dlaczego się tak ruszą. To, co Kepler starannie ustalał metodą prób i błędów, Newton, używając swoich praw ruchu i prawa grawitacji, mógł obliczyć na odwrocie koperty. Chociaż Galileo nigdy nie upuścił dwóch piłek z Krzywej Wieży w Pizie, historia, że Newton doszedł do swojej teorii grawitacji po obejrzeniu upadku jabłka z drzewa w sadzie matki, wydaje się prawdą. Przynajmniej Newton powiedział, że tak. Newton powrócił do Cambridge w 1667 roku i był drobnym facetem w Trinity. W końcu jego talenty zaczęły być rozpoznawane. W następnym roku został starszym kolegą po uzyskaniu tytułu magistra sztuki, a w 1669 roku, zanim dotarł do swoich 27. urodzin, został profesorem matematyki. Obowiązki tego powołania dały Newtonowi okazję do uporządkowania wyników jego wcześniejszych badań optycznych, 1672 roku opublikował swoją pracę dotyczącą światła i koloru. Praca ta ugruntowała jego reputację jako naukowca pierwszej wielkości. Newton był jednak wysoce tajną i podejrzaną osobą, której niezwykle trudno było poddać swoje pomysły kontroli innych. Wiele wielkich odkryć dokonanych w ciągu dwóch lat w gospodarstwie pozostało niepublikowanych przez dziesięciolecia. Dopiero w 1684 roku Edmond Halley ostatecznie przekonał Newtona, by wiedział, że jego praca nad ruchem i grawitacją jest znana. Halley był bardzo zainteresowany planetarnymi orbitami, a także kometami. On i inny naukowiec Robert Hooke podejrzewali, że odwrotna- kwadratowa relacja wytworzyła orbity, ale nie byli w stanie wydedukować z tej hipotezy teoretycznej orbity, która pasowałaby do obserwowanych ruchów planetarnych. Halley udał się do Cambridge, by zasięgnąć porady Newtona. Jaka byłaby orbita ciała poddanego takiej sile? Newton powiedział mu, że już rozwiązał problem - orbita byłaby elipsą - ale on zepsuł swoje obliczenia, aby to udowodnić. Krótko po tym Newton wysłał Halleyowi kopię swojej demonstracji. Zdając sobie sprawę ze znaczenia tego, co zrobił Newton, Halley, wykorzystując wielkie umiejętności i takty, nakłonił niechętnego Newtona do opracowania i opublikowania swoich pomysłów na temat mechaniki niebieskiej. Matematyczne zasady filozofii naturalnej Newtona (powszechnie znane jako Principia od łacińskiego tytułu), zawierające trzy prawa ruchu Newtona i jego prawo grawitacji, zostały opublikowane w 1687 roku. Halley przeczytał rękopis, poprawił dowody i opłacił koszty publikacji z własnej kieszeni. Z publikacji Principia wydawało się, że nauka mechaniki była kompletna. Związek między stosowaną siłą a późniejszym ruchem został teraz mocno ugruntowany. Pojedyncza kosmiczna siła, grawitacja, została całkowicie opisana. Obiekty poruszają się zgodnie ze ścisłymi prawami naturalnymi, które można zrozumieć matematycznie. Niektórzy kontynentalni naukowcy i filozofowie początkowo byli sceptyczni. Uważali, że koncepcja grawitacji Newtona jako siły działającej na odległość była niewystarczająco mechaniczna, aby mogła być poprawna. Newton również był tym zaniepokojony. W liście do kolegi naukowca pisał:
"Ta grawitacja powinna być wrodzona, wrodzona i niezbędna dla materii, aby jedno ciało działało na innym ciele na odległość przez próżnię, ... jest dla mnie tak wielkim absurdem, że wierzę żaden człowiek, który ma w kwestiach filozoficznych kompetentną zdolność myślenia, nie może nigdy w nią wejść. "
Jednak spektakularny sukces matematycznego opisu ruchów ziemskich i niebiańskich przedmiotów Newtona wkrótce pokonał filozoficzne obiekcje, a Newton był uważany za największego uczonego, który kiedykolwiek żył. Powrócimy do problemu działania na odległość w dalszej części. Podobnie jak wielu geniuszy, Newton był złożony i pod wieloma względami wysoce neurotyczny. Był paranoikiem w swoich odkryciach i często opóźniał publikację z obawy, że ktoś ukradnie jego pomysły. Był stale uwikłany w rozległe i zaciekłe spory z innymi naukowcami. Jednym z najbardziej sławnych z nich był filozof i naukowiec Gottfried Leibniz, którzy powinni otrzymać zasługę za wynalezienie rachunku różniczkowego. Chociaż wielu wielkich naukowców doceniło, a w niektórych przypadkach nawet przyczyniły się do sztuki, Newton nie był jednym z nich. Nie interesował się muzyką, wyróżniał wielkie dzieła rzeźbiarskie jako "kamienne lalki" i opisywał poezję jako "rodzaj genialnego nonsensu". Newton był nieortodoksyjnym chrześcijaninem, monoteistą, który odrzucił boskość Jezusa. Z tego powodu stale opóźniał swoje święcenia jako minister anglikański, zgodnie z wymogami różnych stanowisk akademickich i oficjalnych, które sprawował przez całe życie. Chociaż heretycki w swoich poglądach, Newton był mimo wszystko wysoce religijny. Napisał wiele traktatów dotyczących literalnej interpretacji Biblii. Newton był zdecydowanym wyznawcą prorockiej interpretacji Biblii. Był także astrologiem i alchemikiem w czasach, gdy większość naukowców dawno temu porzuciła te pomysły. Podczas swojego życia pisał więcej o Biblii i naukach okultystycznych niż o nauce i matematyce. Po jego śmierci odkryto, że ciało Newtona zawiera ogromne ilości rtęci, prawdopodobnie wynikające z jego alchemicznych poszukiwań. Zatrucie rtęcią może wyjaśnić niektóre z dziwactw Newtona. Został pochowany w Westminster Abby z największym odznaczeniem. Newton postrzegał materialny wszechświat jako składający się z atomów, których ruch jest określony precyzyjnie przez prawa matematyczne. Newton i praktycznie wszyscy jego współcześni uznali fakt istnienia Stwórcy za oczywisty fakt. Jednak ten mechaniczny wszechświat zakwestionował rolę Stwórcy w odniesieniu do wszechświata. Czy Stwórca od czasu do czasu koliduje z mechaniczną przyczyną i skutkiem? Czy też Stwórca stworzył wszechświat i prawa rządzące nim, a następnie pozwolił wszechświatowi ewoluować zgodnie z tymi prawami? Newton uwierzył temu pierwszemu. Czuł, że boska interwencja była konieczna do stworzenia układu słonecznego i była również konieczna, aby działała sprawnie. Większość naukowców i filozofów, którzy zastąpili Newtona, odrzuciła jego teistyczne argumenty. Na przykład rywal Newtona, Leibniz, sądził, że Bóg stworzył uniwersalną maszynę, wprawił ją w ruch, a potem nie musiał interweniować dalej w jej działaniu. Wszechświat rozwinął się zgodnie z prawami matematycznymi z całą precyzją i nieuchronnością dobrze wykonanego zegara. Ta religijna perspektywa znana jest jako Deizm. Później francuski fizyk i matematyk, Pierre Simon Laplace, rozwinął tę ideę dalej. W słynnym cytacie powiedział: "Możemy postrzegać obecny stan wszechświata jako efekt jego przeszłości i przyczyny jej przyszłości. Intelekt, który w pewnym momencie poznałby wszystkie siły, które wprawiają naturę w ruch, i wszystkie pozycje wszystkich elementów, z których składa się natura, gdyby ten intelekt był wystarczająco szeroki, by poddać te dane analizie, obejmowałby w jednej formule ruchy największych ciał wszechświata i najdrobniejszych atomów; dla takiego intelektu nic nie byłoby niepewne, a przyszłość, podobnie jak przeszłość, byłaby obecna na jego oczach."
Perspektywa Laplace′a znana jest jako światopogląd mechanistyczno-deterministyczny

3.6 Oświecenie

Richard Tarnas w swojej książce "The Passion of the Western Mind" podsumowuje zmianę światopoglądu wynikającą z renesansu i rewolucji naukowej w następujący sposób:
"I tak między piętnastym a siedemnastym wiekiem na Zachodzie pojawił się nowo-samoświadomy i autonomiczny człowiek - ciekawy świata, pewny własnych sądów, sceptyczny wobec ortodoksów, zbuntowany przeciwko autorytetowi, odpowiedzialny za swoje własne przekonania i działania, zakochane w klasycznej przeszłości, ale jeszcze bardziej zaangażowane w większą przyszłość, dumne ze swojego człowieczeństwa, świadome swojej odrębności od natury, świadome swoich zdolności artystycznych jako indywidualnego stwórcy, zapewnione o jego intelektualnej zdolności pojmowania i kontrolowania natury, oraz w ogóle mniej zależny od wszechmogącego Boga ".
Zmiany te były podstawą przejścia od średniowiecznego światopoglądu do współczesnego światopoglądu, światopoglądu w pełni wyrażonego podczas Oświecenia. Oświecenie odnosi się do szczególnego okresu historycznego, który miał miejsce głównie w Europie Zachodniej i Stanach Zjednoczonych w mniej więcej w XVIII i XIX wieku. Jest to czas, w którym osiągnięcia Rewolucji Naukowej zostały włączone do nowego światopoglądu, zwanego współczesnym światopoglądem. Oświecenie odnosi się także do ideału oddania całego ludzkiego życia pod panowanie rozumu. To, co jest akceptowane jako prawda, aby wierzyć lub jako zasada, którą należy realizować, nie powinno opierać się na autorytecie, ale z powodów uznanych za wystarczające same w sobie. Oświecenie było również czasem coraz większej świadomości praw człowieka, kiedy powstały bardziej liberalne systemy polityczne. Ojcowie-założyciele Rewolucji Amerykańskiej działali w duchu Oświecenia.

4. Charles Darwin i Ewolucja

Okres historii znany jako Rewolucja Naukowa zakończył się zasadniczo Izaakiem Newtonem i publikacją Principiów. Ale to była tylko rewolucja w naukach fizycznych. Rewolucja nauk biologicznych pojawiła się dopiero w 1859 r. Wraz z publikacją książki Karola Darwina o pochodzeniu gatunków, która zaproponowała przyzwoitego od wspólnego przodka sposób, w jaki rodzą się gatunki i naturalną selekcję jako mechanizm, za pomocą którego się to odbywa.

4.1. Teoria ewolucji

Darwin nie był pierwszym, który sugerował ewolucję gatunków. Pomysł jest stary, cofając się przynajmniej do presokratycznych. Anaksymander, jest często cytowany jako proto-ewolucjonista, ponieważ czuł, że życie powstało z wilgoci i rozwijało się z biegiem czasu od rybopodobnego przodka do współczesnych ludzi. Bardziej współczesnym pre-darwinowski ewolucjonistą był dziadkiem Darwina, Erasmus Darwin. Był jednym z czołowych intelektualistów XVIII-wiecznej Anglii, mężczyzny o niezwykłym spektrum zainteresowań i zainteresowań. Erasmus Darwin był szanowanym lekarzem, znanym poetą, filozofem, botanikiem i przyrodnikiem. Jako przyrodnik sformułował jedną z pierwszych formalnych teorii ewolucji w 1795 roku. Chociaż nie wymyślił naturalnej selekcji, omawiał idee, które jego wnuk rozwinął sześćdziesiąt lat później, takie jak to, jak życie wyewoluowało z jednego wspólnego przodka. Omówił także, w jaki sposób konkurencja i dobór płciowy mogą powodować zmiany w gatunkach. Erasmus Darwin także przedstawił swoje ewolucyjne idee w wierszu, w szczególności w pośmiertnie opublikowanym wierszu The Temple of Nature.

Organiczne życie pod bezbrzeżnymi falami
Zrodziło się i karmiło w perłowych jaskiniach oceanu;
Pierwsze formy minut, niewidoczne przez sferyczne szkło,
Poruszają się po błocie lub przebijaj wodną masę;
Te, jak kwitną kolejne pokolenia,
Nabierają nowych mocy i zakładają większe kończyny;
Skąd pochodzą niezliczone grupy roślinności,
I oddychanie królestwami płetwy, stóp i skrzydeł.
Erasmus Darwin. Świątynia natury. 1802
Być może najbardziej znaną przed darwinowską teorią ewolucji jest Jean-Baptiste Lamarck, która jako pierwszy opracował prawdziwie spójną teorię ewolucyjną. Opublikował swoje pomysły na początku 1800 roku. Lamarck uważał, że środowisko powoduje zmiany u zwierząt i że w pewnych warunkach zmiany te mogą zostać przeniesione na potomstwo. Idea ta jest ogólnie określana jako "dziedziczenie nabytych cech". W opinii Lamarcka, gdy niższe gałęzie drzew zostały zubożone w liście, przodkowie żyraf musieliby naciągnąć szyje, aby sięgnąć liści wyżej w drzewach. To wzmocniło i stopniowo wydłużyło ich szyje. Te żyrafy miały wtedy potomstwo z nieco dłuższymi szyjami. Darwin był świadomy tych ewolucyjnych pomysłów. Czytał książki swojego dziadka i podziwiał je, nie tyle z powodu treści, ile z faktu, że były znane. Znał także Lamarcka. W Edynburgu jeden z jego nauczycieli, Robert Grant, zaprzyjaźnił się z Darwinem, prawdopodobnie dlatego, że jako gorący ewolucjonista był wielbicielem Erazma Darwina. Pewnego dnia, gdy szli, Grant mówił z entuzjazmem o teorii Lamarcka. Później Darwin wspominał: "Słuchałem z cichym zdziwieniem i, o ile mogę osądzać, bez żadnego wpływu na mój umysł." W 1831 Charles Darwin, podekscytowany 22-letni poszukiwacz przygód, wszedł na pokład H.M.S. Beagle na 5-letnią podróż. Opuścił raczej konwencjonalne poglądy na temat pochodzenia gatunków, których nie przekonały ani książki jego dziadka, ani wiedza o Larmarcku. Nie zdawał sobie sprawy, że ta podróż postawi go na drodze kolizyjnej z dominującym spojrzeniem na ludzką naturę. Darwin służył jako naturalista na Beagle i jako towarzysz kapitana, Robert Fitzroy. Celem Beagle było wytyczenie linii brzegowej Ameryki Południowej. Gdy statek krążył po kontynencie, ciekawość Darwina została pobudzona przez zmiany, które zauważył w faunie i florze. Szczególnie zafascynowało go różnorodność gatunków zwierząt na Wyspach Galapagos, odizolowany łańcuch u wybrzeży Ekwadoru. Wyspy zawierały wiele unikalnych gatunków, ale gatunki przypominające te na pobliskim kontynencie. Obserwacje te spowodowały, że Darwin zakwestionował dominujące przekonanie, że wszystkie gatunki zostały stworzone odrębne i niezmienne w jednym wydarzeniu twórczym. Czy wszystkie te podobne, ale odrębne gatunki zostały zaprojektowane jednorazowo, aby można je było selektywnie osadzać na tych maleńkich, odległych wyspach? Darwin tak nie uważał. Przedstawiono mu zarys alternatywnego scenariusza. Darwin rozpoznał Galapagos jako nowo utworzone wyspy wulkaniczne i doszedł do wniosku, że ponieważ rośliny i zwierzęta z najbliższego lądu skolonizowały wyspę, stały się odizolowane od swojej rodzicielskiej populacji i ewoluowały, by pasowały do nisz ekologicznych wyspy. Różnice w środowisku z wyspy na wyspę zaowocowały podobnymi, ale odrębnymi gatunkami. Różnorodność gatunków zięb jest prawdopodobnie najbardziej uderzającym przykładem. Być może, z pokolenia na pokolenie, formy życia dostosowały swoją strukturę i funkcje do wymogów przetrwania w ich specyficznym środowisku. Darwin nie był pewien, jak ten proces adaptacji miał miejsce, ale powrócił ze swojej żmudnej podróży przekonany, że tak było. Myśl Darwina o procesie adaptacji wyjaśniono, czytając teorię Thomasa Malthusa, że rosnąca populacja świata ostatecznie przekroczy swoje zapasy żywności. . Darwin dostrzegł, że podobne rozprzestrzenianie się rozwijających się organizmów w naturalnym królestwie może stanowić mechanizm ewolucji. Ponieważ organizmy rozwijają się i rozmnażają w danym środowisku, ostatecznie przewyższają zdolność środowiska do zaspokajania ich potrzeb. W tym momencie rozpoczyna się rywalizacja. Osoby szczególnie dostosowane do habitatu przetrwają i mają potomstwo, które podzielają i przekazują udane cechy swoich rodziców. Mniej skuteczne osoby umierają, nie rozmnażając się. Tak więc, poprzez ten proces selekcji naturalnej, adaptują się one do swojego otoczenia. Zmieniają się jako gatunki w kierunku najbardziej odpowiednim do przeżycia i rozmnażania. Przekonania Sary'ego na tym polu zostały wzmocnione przez jedno z jego hobby. Hodował gołębie i widział efekty hodowli w oparciu o wybrane atrybuty. Dlaczego naturalne środowisko nie mogło funkcjonować jak hodowca, pozwalając przetrwać i rozprzestrzenić się organizmom o "pożądanych" cechach? Aby powrócić do przykładu żyraf, tak jak w przypadku każdej cechy gatunku, nastąpiłaby zmiana długość szyi w populacji liścia, żyjących przodków żyraf. Gdy niższe gałęzie drzew zostały zubożone z liścii, dobór naturalny preferowałby te z najdłuższymi szyjami. W przeciwieństwie do Lamarcka, nie jest to cecha nabyta, ale wrodzona powoduje ewolucję. Darwin przeciwstawił się publikacji swojej teorii ewolucji przez 20 lat. Wreszcie, w 1859 roku, obawiając się utraty roszczenia do odkrycia, opublikował. Jego lęk spowodowany był listem, który otrzymał w czerwcu 1858 r. od znajomego Alfreda Wallace'a, przyrodnika. Podobnie jak inne które otrzymał od Wallace'a pochodzi z archipelagu Malay. Ta koperta była większa od innych, zawierała manuskrypt i list. List przewodni powiedział: "Oto hipoteza, którą wymyśliłem, aby wyjaśnić pochodzenie gatunków." Wallace niezależnie wymyślił koncepcję ewolucji przez dobór naturalny. (Chociaż Darwin uważał, że idee z pracy Wallace'a są zasadniczo takie same jak jego własne, istniała istotna różnica, której w panice Darwin nie zauważył. Darwin widział naturalną selekcję pod względem rywalizacji między osobnikami tego samego gatunku, podczas gdy Wallace widział naturalną selekcję pod względem gatunków konkurujących ze sobą.). List od Wallace'a zażądał, aby Darwin przekazał rękopis Charlesowi Lyellowi, słynnemu geologowi. Darwin posłusznie to robił, ale z ciężkim sercem, zakładając, że stracił szansę na odkrycie. Lyell poradził mu, żeby się uspokoił. Może coś można by uratować. Chociaż Darwin nigdy nie opublikował swojej teorii, wysłał streszczenia swoich pomysłów do kilku innych przyrodników, o których wiedział, że są pomocni. Wśród nich był Lyell i botanik Joseph Hooker. Lyell i Hooker, sympatyzowali z Darwinem i wymyślili układ, który mógłby rozpoznać wkład Wallace'a, ale dałby, słusznie, priorytet Darwinowi do odkrycia. Zorganizowali i sponsorowali wspólną prezentację manuskryptu Wallace'a i nieopublikowanej pracy Darwina na następnym spotkaniu Linnean Society, jednego z najlepszych naukowych stowarzyszeń w Londynie. Układ został zrobione bez pozwolenia Wallace'a, a nawet wiedzy. Darwin niechętnie się zgodził, martwiąc się, czy to zaszczyt. Wysłał Hookerowi swój esej z 1844 roku i sześciostronicowe streszczenie, które wysłał w zeszłym roku do amerykańskiej botaniczki Asy Gray. Kilka tygodni, które upłynęły, by wszystko to się wydarzyło, było dla Darwina niezwykle trudnym czasem. Czuł uwięziony pomiędzy żądaniami honoru w imieniu Wallace'a i jego własnym interesem. Co gorsza, miało to miejsce, podczas gdy jego najmłodsze dziecko, Charles, leżało umierające na szkarlatynę . Wieczorem 1 lipca 1858 r. Materiał Darwina-Wallace'a został odczytany przez około 30 osób. Żaden z autorów nie był obecny. Wallace był w Nowej Gwinei, nieświadomy wydarzenia w Londynie. Darwin był w domu ze swoją żoną opłakującą śmierć 19-miesięcznego syna zaledwie trzy dni wcześniej. Darwin opublikował Pochodzenie gatunków w 1859 roku. W tej książce, poprzez liczne przykłady, ustalił silne przekonanie, że gatunek ewoluuje od innych. Przedstawił także koncepcję doboru naturalnego, mechanizmu, za pomocą którego sądził, że ewolucja nastąpiła. Zajmując się wyłącznie roślinami i zwierzętami, Darwin nie odniósł się bezpośrednio do kwestii pochodzenia ludzkiego. W rzeczywistości jedyną wzmianką o ewolucji człowieka była przepowiednia, że "światło zostanie rzucone na pochodzenie człowieka i jego historię". Jednak implikacje teorii dla ludzkiego pochodzenia były jasne. Darwin spotkał się z przerażającymi reakcjami. Kiedy usłyszała o dziele Darwina w 1860 roku, żona biskupa Dorcester wyraziła swój szok w ten sposób: "Zstąpił od małp! Miejmy nadzieję, że to nieprawda, ale jeśli tak jest, módlmy się, aby nie stała się powszechnie znana. "Darwin zmarł 19 kwietnia 1882 r. Do czasu swojej śmierci był jednym z najbardziej szanowanych naukowców na świecie , tak bardzo, że zdecydowano, że chociaż jest znanym agnostykiem, powinien zostać pochowany w Opactwie Westminsterskim, wraz z Isaacem Newtonem i innymi wielkimi brytyjskimi naukowcami. Został pochowany przy muzyce zamówionej specjalnie na pogrzeb. Kompozytor hymnu czerpał z Księgi Przysłów, aby napisać: "Szczęśliwy jest człowiekiem, który czerpie mądrość i osiąga zrozumienie". Selekcja naturalna bywała określana jako "przetrwanie najsilniejszych". Może to być trochę mylące, jeśli najlepiej przystosowana jest myśl o jako najsilniejszy. W rzeczywistości najodpowiedniejszy jest zdolność do reprodukcji. Tak więc część doboru naturalnego jest tym, co Darwin nazywał doborem seksualnym. Wiele cech, które są wybierane seksualnie, może w rzeczywistości przeszkodzić w przetrwaniu organizmu, ale można to zrekompensować, jeśli zwiększą możliwości reprodukcyjne. Rozważ klasyczny przykład ogonu pawia. Jest metabolicznie kosztowny, nieporęczny i w gruncie rzeczy "magnes drapieżnika". Reproduktywnie jest to zrekompensowane przez zdolność ogona do przyciągania partnerów.

4.2 Skamieniałości

Steven Stanley, amerykański paleontolog i biolog ewolucyjny, zwrócił uwagę, że "wątpliwe jest, czy w przypadku braku skamielin idea ewolucji reprezentowałaby coś więcej niż oburzającą hipotezę." Ale mamy skamieliny i naszą zdolność do datowania ich i otaczające je warstwy geologiczne stają się coraz bardziej precyzyjne. Chociaż mechanizmy zmian ewolucyjnych są nadal przedmiotem dyskusji, takie stopniowe zmiany same w sobie są niezwykle dobrze udokumentowane przez zapis kopalny. Słowo "skamieniałość" pochodzi od łacińskiego słowa "wykopano". Są to szczątki wszystkich lub części zwierząt i roślin z odległej przeszłości. Skamieniałości powstają na wiele różnych sposobów, ale większość powstaje, gdy roślina lub zwierzę umiera w wodnistym środowisku i jest zakopana w mule i mule. Miękkie tkanki szybko rozkładają się pozostawiając twarde kości lub skorupy za sobą. Z biegiem czasu osad buduje się na wierzchu i twardnieje w kamień. Kiedy zamknięte kości rozpadają się, minerały przenikają w procesie zastępowania komórki materiału organicznego komórką w procesie zwanym "skamienieniem". Alternatywnie kości mogą całkowicie rozpaść się pozostawiając obsadę organizmu. Pozostawiona pustka może następnie wypełniać się minerałami tworzącymi kamienną replikę organizmu. Skamielina zwykle zachowuje tylko część zmarłego organizmu, np. kości, zęby lub egzoszkielety. Zachowanie tkanki miękkiej jest rzadkie. Skamieliny mogą również składać się ze śladów pozostawionych przez organizm podczas jego życia, takich jak ślady stóp. Niektóre skamieliny są bardzo uderzające i zostały zebrane co najmniej tak daleko, jak zapisana historia. W XIX wieku uznano, że niektóre rodzaje skamieniałości związane są z pewnymi warstwami geologicznymi. W ten sposób skały z odległych miejsc mogą być skorelowane w oparciu o skamieniałości, które zawierają. Różne wyjaśnienia zostały przedstawione w całej historii, aby wyjaśnić, czym są skamieniałości i jak powstały tam, gdzie je znaleziono. Wiele z tych wyjaśnień opierało się na legendach lub mitologiach. W Chinach kopalne kości starożytnych ssaków, w tym Homo erectus, często mylono z "kościami smoków" i używano ich jako lekarstw i afrodyzjaków. Na Zachodzie obecność skostniałych stworzeń morskich wysoko na stokach górskich była dowodem biblijnego potopu. Arystoteles zdał sobie sprawę, że kopalne muszle z kamieni są podobne do tych znalezionych na plaży, co wskazuje, że skamieliny były niegdyś żyjącymi zwierzętami. Leonardo Da Vinci rozpoznał je także jako żywe zwierzęta i skomentował ich interpretację, w tym argument, że nie mogły one powstać w wyniku biblijnej powodzi. W czasie, w którym Darwin napisał "Pochodzenie gatunków", zapis kopalny był skąpy, a Darwin dość pomijał jego znaczenie jako dowodu na ewolucję biologiczną. W "Pochodzeniu gatunków" Darwin stale powołuje się na zapis geologiczny jako "niedoskonały". Jednak tak już nie jest. Pod koniec XIX wieku, a zwłaszcza w XX wieku nastąpił prawie wykładniczy wzrost zapisu kopalnego. Ponadto, mamy teraz możliwość dokładnego datowania większości skamielin. Zapis kopalny stanowi obecnie mocny dowód na rzecz ewolucji biologicznej. Jedną z najważniejszych cech dobrej teorii naukowej jest jej zdolność do przeprowadzania sprawdzalnych prognoz. Na to pozwala zapis kopalny. Jeden przykład dotyczy torbaczy. Obecnie większość torbaczy znajduje się w Australii. Ale 40 milionów lat temu, wczesne torbacze znajdowały się w południowej części Ameryki Południowej. Najwcześniejsze torbacze znalezione w Australii pochodzą sprzed około 30 milionów lat. Jak mogły się dostać się z Ameryki Południowej do Australii? Czterdzieści milionów lat temu Ameryka Południowa i Australia były połączone przez dzisiejszą Antarktydę na południowym superkontynencie Gondwana. Ponieważ torbacze musiały przenieść się z Ameryki Południowej do Australii, musiały przejść przez Antarktydę. W ten sposób przewidywano, że na Antarktydzie pojawią się kopalne torbacze. Przewidywania te zostały później potwierdzone odkryciem tam ponad tuzina gatunków kopalnych, które datują się od 35 do 40 milionów lat temu. Było wiele podobnych przewidywań opartych na teorii ewolucji. Wszystko okazało się poprawne. Dowody na ewolucję są przytłaczające. Często twierdzi się, że teoria ewolucji nie jest naukowa, ponieważ nie można jej zafałszować. To nie jest prawda. Prawdziwe fałszowanie jakiejkolwiek prognozy opartej na teorii mogłoby sfałszować teorię. Na przykład przewidywanie, że zmiany morfologiczne, które prowadzą od najbardziej prymitywnych gatunków określonego rodzaju organizmu do teraźniejszości, muszą wystąpić w porządku chronologicznym. Prawdziwy kontrprzykład sfałszowałby teorię. Twierdzenie, że ewolucja nie może być zafałszowana, zwykle opiera się na fakcie, że teoria ewolucji nie jest w stanie przewidzieć przyszłej ewolucji gatunku. Czynniki powodujące ewolucję są niezwykle złożone i nie są do końca poznane. Wyklucza to możliwość testowania teorii przez obserwowanie jej wyników, a zatem ewolucja nie może być w ten sposób sfałszowana. Innym powszechnym twierdzeniem jest to, że nigdy bezpośrednio nie obserwowaliśmy specjacji. W większości przypadków jest to prawdą, ponieważ specjacja zazwyczaj obejmuje przedziały czasowe większe niż historia ludzkości. Jednak w rzeczywistości nie jest to prawda. Bakterie mogą rozmnażać się w ciągu zaledwie 20 minut. W eksperymentach laboratoryjnych trwających dziesiątki lat i rozciągających się na dziesiątki tysięcy pokoleń zaobserwowano pochodzenie nowych gatunków przez dobór naturalny od wspólnego przodka. Niefortunne jest, że słowo "teoria" ma dwa bardzo wyraźne znaczenia. Przykładem jest heliocentryczna teoria układu słonecznego lub teoria względności. W tym sensie teoria odnosi się do dobrze ugruntowanego, spójnego wyjaśnienia ogromnej ilości danych. W drugim znaczeniu teoria jest po prostu kolejnym określeniem hipotezy lub domysłów. Przy ogromnym wzroście zapisu kopalnego, zdolności do dokładnego datowania skamielin i, co być może najważniejsze, dowodów genetycznych, ewolucja biologiczna jest teraz teorią w pierwszym znaczeniu tego słowa.

4.3 Punktualizm

Kiedy Darwin zaproponował swoją teorię na temat pochodzenia gatunków, uważał, że ewolucja nastąpiła w wyniku nagromadzenia niewielkich zmian w długim okresie czasu - gatunki te powstają stopniowo. Nie zakładał, że tempo zmian jest stałe, ale wierzył, że jest powolny i ciągły. Ten pogląd na ewolucję nazywa się gradualizmem. Jednakże, jeśli ewolucja jest stopniowa, po drodze powinien być zapis kopalny małych, przyrostowych zmian. Ale zapis kopalny w tym czasie nie wykazał tego. Darwin był zaniepokojony, ale założył, że brak form pośrednich wynika z niekompletności zapisu kopalnego. Zakładał, że skoro zapis kopalny stanie się bardziej kompletny, pojawią się formy przejściowe. Z kilkoma dobrze ustalonymi wyjątkami nie okazało się, że tak jest. Zapis kopalny wyraźnie pokazuje, że większość gatunków jest stabilna, pozostając zasadniczo niezmienione przez miliony lat. W 1972 r. Steven Jay Gould i Niles Eldredge zaproponowali alternatywną teorię wyjaśniającą to. Gatunki są na ogół stabilne, ale stabilność można "przerwać" stosunkowo szybkim skokiem zmian, który powoduje pojawienie się nowego gatunku i pozostawia za sobą kilka przejściowych skamieniałości. Ta koncepcja znana jest jako punktualizm. W przeciwieństwie do gradualizmu, zmiany prowadzące do nowego gatunku nie występują w populacji głównego nurtu, gdzie krzyżowanie miałoby tendencję do ich mieszania. Raczej specjaclizacja ma tendencję do występowania, gdy mała grupa staje się fizycznie i genetycznie odizolowana od populacji głównego nurtu. W małej grupie wszelkie zmiany, które stworzyłyby przewagę w zakresie przetrwania w nowym środowisku, nie byłyby zmieszane z krzyżowaniem się z populacją głównego nurtu. Tak więc, w stosunkowo krótkim czasie, może tylko tysiącach lat, nowy gatunek będzie ewoluował. Względne znaczenie przerywanych i stopniowych wzorców ewolucji nie został jeszcze określony. Trwają badania mające odpowiedzieć na to pytanie.

4.4 Nowoczesna synteza

W przeciwieństwie do punktualizmu, oryginalne pomysły Darwina na ewolucję zostały zmodyfikowane w inny sposób. Austriacki biolog i mnich Gregor Mendel był współczesnym Darwinem. Skrupulatne eksperymenty Mendla z krzyżowaniem grochu wskazywały na nieznany dotąd mechanizm dziedziczenia. Artykuł Mendla, Eksperymenty na temat hybrydyzacji roślin, opublikowany w 1865 roku, był krytykowany, albo w większości ignorowany. Darwin był tego nieświadomy. Darwin borykał się z problemem, w jaki sposób cechy zostały odziedziczone i nigdy nie był w stanie wymyślić mechanizmu, w którym organizmy przekazują cechy swojemu potomstwu. Gdyby wiedział o pracy Mendla, wiedziałby o tym. Mendel przeczytał niemieckie tłumaczenie "Pochodzenia" opactwa i ogólnie popierał idee Darwina. Niewielką tajemnicą jest to, że Mendel najwyraźniej nigdy nie skontaktował się z samym Darwinem. Niestety, gdy Mendel zmarł w 1884 roku, następny opat spalił wszystkie jego papiery, aby zakończyć spory dotyczące podatków, więc nie wiemy, czy Mendel kiedykolwiek rozważał napisanie do Darwina. Dzieło Mendla odkryto ponownie w 1900 r., Szesnaście lat po jego śmierci. Wtedy zdano sobie sprawę, że jego eksperymenty dały opis dziedziczenia, którego nie posiadała teoria Darwina. Ogromne znaczenie dzieła Mendla zostało docenione i ostatecznie otrzymał zasługę za jedno z wielkich odkryć w historii nauki. Obecna teoria ewolucji, współczesna synteza ewolucyjna (lub neodarwinizm) wyjaśnia, że ewolucja gatunków zachodzi poprzez połączenie mechanizmu selekcji naturalnej Darwina z teorią genetyki Gregora Mendla. Synteza ta powstała w latach 1936-1947. Poprzedni rozwój genetyki populacyjnej w latach 1918-1932 był bodźcem, ponieważ wykazał, że genetyka Mendla była zgodna z doborem naturalnym i stopniową ewolucją. Synteza neodarwinizmu jest obecnym paradygmatem w biologii ewolucyjnej. W tym spojrzeniu na życie, z jego kilkoma mocami, pierwotnie wdychano kilka form lub w jedno; i że podczas gdy ta planeta poszła na rowerze zgodnie z ustalonym prawem grawitacji, od tak prostych początkowych nieskończonych form najpiękniejsze i najcudowniejsze były i są ewoluowane.

5 Materia i światło

Słowo "wszechświat" zwykle oznacza wszystko, co istnieje. Najbardziej oczywistymi składnikami wszechświata są materia i światło. Pod koniec XIX wieku wiadomo było, że światło jest po prostu jedną z form promieniowania elektromagnetycznego, które obejmuje również fale radiowe, światło podczerwone i ultrafioletowe, promieniowanie rentgenowskie i promieniowanie gamma. Materia, którą najbardziej znamy, składa się z pierwiastków chemicznych w postaci atomów złożonych z protonów, neutronów i elektronów. Co zaskakujące, pierwiastki chemiczne stanowią tylko niewielką część materii wszechświata, z których większość ma postać tajemniczej ciemnej materii. Więcej później. Zdarzenia fizyczne to interakcje między materią i energią, której jedną z form jest promieniowanie elektromagnetyczne. Wydarzenia te rozgrywają się na arenie czasoprzestrzeni

5.1 Atomy

Empedokles był greckim filozofem, który około 450 roku p.n.e. wprowadził koncepcję, że cała materia składa się, w różnych proporcjach, z czterech elementarnych substancji, ziemi, powietrza, ognia i wody, oraz że ich proporcje wpływają na właściwości materii. Teoria Empedoklesa była ważnym rozwinięciem myślenia naukowego, ponieważ jako pierwsza zasugerowała, że niektóre substancje, które wyglądały jak czyste materiały, takie jak kamień, były faktycznie złożone z różnych elementów. Demokryt, około 30 lat później, wprowadził pojęcie atomów. Demokryt nauczał, że "nic nie istnieje poza atomami i pustką: wszystko inne jest jedynie opinią". Uważał on, że atomy są niepodzielne i wieczne, a tak naprawdę słowo atom pochodzi od greckie słowo oznaczające "to, czego nie można podzielić." Atomy Demokryta były małe, dyskretne i identyczne pod względem składu, chociaż mogą różnić się wielkością i kształtem, z różnicami w wielkości i kształcie określającymi określone właściwości substancji. Demokrytowi zmiany postrzegane w świecie powstały w wyniku zmian w grupach atomów. Arystoteles przyjął teorię Empedoklesa, ale odrzucił Demokryta. Argumentował, że logika wyklucza pojęcie dyskretnych atomów. Atomy Demokryta miały rozszerzenie w przestrzeni i były identyczne pod względem składu, ale właściwości te nie są kompatybilne z niepodzielnością: rozciąganie w przestrzeni oznacza podzielność i kompozycja implikuje jeszcze mniejsze części. Arystoteles nauczał, że materia ma charakter ciągły, a nie dyskretny, i że "wszystko, co ciągłe, jest podzielne na części, które są nieskończenie podzielne". Pomimo trudności filozoficznych, koncepcja atomów była zbyt przekonująca, aby można ją było odrzucić, a do XVII wieku większość naukowców, w tym Galileusz i Newton, była atomistami. Na początku XIX wieku angielski chemik John Dalton użył tej koncepcji, aby uwzględnić reakcje chemiczne, umieszczając po raz pierwszy teorię atomową w naukowo uzasadnionym kontekście. Pod koniec XIX wieku założenie atomu było dobrze ugruntowane, chociaż niektórzy wpływowi naukowcy nie akceptowali atomu jako prawdziwy element natury. Dopiero na początku XX wieku eksperyment sugerowany przez Alberta Einsteina udowodnił istnienie atomów. Nasza obecna teoria atomowa oparta jest na mechanice kwantowej i jest modelem niewizualizowalnym. Nasz najlepszy wizualizowalny model to model planetarny z maleńkim jądrem protonów i neutronów otoczonych względnie dużą odległością przez elektrony. Jądro, choć tylko niewielka część wielkości atomu, zawiera prawie całą masę atomu. Atom to w przeważającej mierze pusta przestrzeń. Ernest Rutherford, który zasugerował ten model w 1911 r., odnosząc się do jądra jako "muchy w katedrze", analogicznie poprawną co do wymiarów. Protony to naładowane dodatnio cząstki i, jak sama nazwa wskazuje, neutrony są neutralne. Te dwa rodzaje cząstek mają tendencję do łączenia się pod wpływem silnej siły jądrowej. Mają porównywalne masy, przy czym neutron jest nieco masywniejszy niż proton. Elektron jest ujemnie naładowaną cząsteczką, tylko około jednej-dwutysięcznej masy protonu. Nie jest pod wpływem silnej energii jądrowej, ale jest przyciągany do dodatnio naładowanego jądra przez znacznie słabszą siłę elektromagnetyczną. Połączenie silnej energii jądrowej i elektromagnetycznej utrzymuje razem atomy.

5.2 Elementy chemiczne

Pierwiastkiem chemicznym jest każda substancja, której nie można podzielić na prostsze materiały za pomocą środków chemicznych. Wodór, tlen i żelazo są przykładami wspólnych elementów. Atom to najmniejsza możliwa ilość elementu. Z drugiej strony substancje takie jak sól i woda mogą być rozkładane chemicznie i nazywane są związkami. Związki składają się z cząsteczek, które są chemicznymi połączeniami atomów. Na przykład cząsteczka wody składa się z dwóch atomów wodoru i jednego atomu tlenu oraz zapisanej H2O. Jądro atomu składa się z neutronów i protonów. Skład jądra opisany jest liczbą atomową, Z, zdefiniowaną jako liczba protonów w jądrze, oraz liczbą atomową, A, zdefiniowaną jako liczba neutronów plus protonów w jądrze. Jeśli atom jest neutralny, wówczas na orbicie wokół jądra muszą znajdować się elektrony Z, aby zrównoważyć dodatni ładunek jądra. Pod wieloma względami neutron i proton zachowują się tak, jakby były dwoma różnymi stanami tej samej cząstki. Z tego powodu słowo nukleon jest używane do włączenia obu cząstek. Tak więc liczba atomowa masy jest liczbą nukleonów w jądrze. Zapis używany do określenia konkretnego jądra to AZX, gdzie X reprezentuje symbol chemiczny pierwiastka. Na przykład jądro helu składające się z 2 protonów i 2 neutronów jest reprezentowane jako 42He. Każdy pierwiastek chemiczny ma różną liczbę protonów w swoim jądrze. Liczba protonów określa liczbę elektronów orbitalnych, co z kolei decyduje o właściwościach chemicznych pierwiastka. Układ okresowy pierwiastków ułożony jest w kolejności rosnącej liczby protonów w jądrze. W 1913 roku duński fizyk Niels Bohr zmodyfikował model planetarny, sugerując, że orbity elektronowe modelu planetarnego mogą mieć tylko pewne dozwolone promienie. Oznacza to, że elektron może krążyć wokół jądra w pewnych dozwolonych odległościach, ale wszystkie promienie między tymi dozwolonymi odległościami są zabronione. Każda z dozwolonych orbit odpowiadała określonej energii atomu. W ten sposób energia atomu, podobnie jak promień orbity elektronu, jest ograniczona. Wszystkie pośrednie energie są zabronione. Model atomu Bohra był wówczas skrajnie radykalną sugestią. Nawet sam Bohr nie mógł podać teoretycznego powodu, dla którego orbity elektronów byłyby ograniczone w ten sposób. Głównym uzasadnieniem tego założenia było po prostu to, że wydawało się pasować do obserwowanych wzorców we właściwościach atomów, a mianowicie, że każdy typ atomu emitował lub absorbował tylko określone energie promieniowania elektromagnetycznego.

5.3 Rozpad promieniotwórczy

Niektóre jądra są z natury niestabilne. Ich stosunek protonów do neutronów jest nieprawidłowy dla masy jądra. Ogólnie rzecz biorąc, im cięższe jest jądro, tym więcej neutronów w stosunku do liczby protonów jest wymaganych dla stabilności. Na przykład jądro helu może być stabilne z dwoma protonami i dwoma neutronami, ale jądro ołowiu z 82 protonami wymaga stabilności rzędu 126 neutronów. Jądra o niewłaściwym stosunku do stabilności odpowiedzą albo przez wyrzucenie jądra helu (rozpadu alfa), zmianę neutronu w proton (rozpad beta-ujemny), albo zmianę protonu w neutron (rozpad beta-dodatni). Czasami jądro może mieć odpowiedni stosunek neutronów do protonów, ale za dużo energii. W tym przypadku nadwyżka energii może być emitowana w postaci promieniowania elektromagnetycznego (rozpadu gamma). Rozpad promieniotwórczy zachodzi w skali czasowej, która zależy od konkretnego jądra - niektóre niemal natychmiast, inne trwają miliardy lat. Szybkość zaniku danego radioaktywnego jądra określona jest przez okres półtrwania, czas rozpadu jednej połowy jąder. Na przykład węgiel-14, jądro zawierające sześć protonów i osiem neutronów, rozpada się na azot-14, jądro z siedmioma protonami i siedmioma neutronami. Jego okres półtrwania wynosi 5730 lat. Oznacza to, że w każdym przedziale 5730 lat, połowa pozostałych jąder węgla 14 rozpada się. Tak więc po 11,460 latach (dwa okresy półtrwania) pozostaje tylko jedna czwarta pierwotnej liczby radioaktywnych jąder. Po trzech okresach półtrwania pozostanie tylko jedna ósma i tak dalej. Matematycznie nazywa się to rozpadem wykładniczym. Okresy półtrwania umożliwiają stosowanie substancji radioaktywnych do datowania. Na przykład rozpad potasu-40 na argon-40 o okresie półtrwania 1,3 miliarda lat. Argon-40 jest gazem, więc jeśli skała jest stopiona, argon jest uwalniany do atmosfery. Po ponownym zestaleniu się, każdy dodatkowy argon wytwarzany przez rozpad promieniotwórczy zostanie uwięziony w skale. W ten sposób stosunek argonu do potasu-40 jest bezpośrednią miarą czasu od zestalenia skały. Na przykład, jeśli stosunek argonu do potasu-40 wynosi dokładnie 3 do 1, to pozostanie tylko jedna czwarta pierwotnego potasu-40, a skała musi być dokładnie dwiema połówkami, czyli 2,6 miliarda lat, stara. Jeśli stosunek wynosi 3,7 do 1, równanie wykładniczego zaniku daje wiek 3,2 miliarda lat. Technika ta zastosowana do skał układu słonecznego wskazuje, że najstarsze (fragmenty asteroid meteorytów) mają około 4,6 miliarda lat, a zatem wiek układu słonecznego wynosi około 4,6 miliarda lat.

5.4 Promieniowanie elektromagnetyczne

Zasadniczo wszystko, co wiemy o zawartości wszechświata, a na pewno o przedmiotach poza naszym układem słonecznym, opiera się na rozszyfrowaniu informacji zawartych w promieniowaniu elektromagnetycznym emitowanym przez te obiekty. Znamy gwiazdy na niebie, ponieważ je widzimy. Gdy zbudowano mocniejsze teleskopy optyczne, odkryliśmy dodatkowe rodzaje obiektów na niebie. W końcu, w drugiej połowie XX wieku odkryliśmy jeszcze więcej zawartości wszechświata za pomocą teleskopów, które "widziały" w innych regionach widma elektromagnetycznego. Pytania o naturę promieniowania elektromagnetycznego zaczęły się przynajmniej tak długo, jak starożytni Grecy z ich pomysłami na temat natury światła widzialnego. Zaproponowano różne modele, ale dopiero w drugiej połowie XVII wieku zaczęto formalnie omawiać naturę światła wśród naukowców. Jedno było pewne, że światło może przenosić energię z jednego miejsca do drugiego. Na przykład światło słoneczne może podgrzewać wodę. Powstały dwie szkoły myślenia o tym, jak to się dzieje. Robert Hooke i Christian Huygens, współcześni z Newtonem, zaproponowali model falowy. Zgodnie z tym poglądem światło było jak dźwięk. Kiedy ktoś mówi, struny głosowe powodują oscylowanie powietrza w gardle, co powoduje, że powietrze w jego pobliżu oscyluje, i tak dalej, aż powietrze w sąsiedztwie bębenka słuchowego oscyluje. Każda cząstka w medium jedynie oscyluje wokół pewnej ustalonej pozycji; nie ma transferu netto powietrza, tylko energia. Isaac Newton sprzeciwił się temu modelowi. Wolał ideę cząstek poruszających się w przestrzeni od jednego obiekt materialny na inny. Kiedy rzuca się piłką w cel, energia jest przekazywana. W ten sam sposób Newton postrzegał światło jako strumień drobnych cząstek poruszających się z dużą prędkością. Jak kule wystrzeliwane z broni. W tamtym czasie nie było żadnego eksperymentalnego sposobu wyraźnego rozróżnienia między modelem falowym a modelem cząstek. Zaczęło się to zmieniać na początku XIX wieku, kiedy zaczęły gromadzić się dowody na korzyść modelu falowego. Pozorny zamęt stanu teorii cząstek został dostarczony w 1865 roku, kiedy angielski fizyk James Clerk Maxwell zaproponował swoją teorię elektromagnetyzmu. Teoria sugerowała, że zakłócenia elektromagnetyczne mogą być propagowane w przestrzeni jako fale. Teoretyczna prędkość fal była dokładnie taka, jak prędkość światła, która było dokładnie zmierzona kilka lat wcześniej. Wniosek wydawał się niewątpliwy: światło to nie tylko fala, to fala elektromagnetyczna. Teoria Maxwella również jasno pokazała, że światło widzialne stanowi jedynie część widma elektromagnetycznego; że powinny istnieć fale elektromagnetyczne o długościach fal dłuższych i krótszych niż światło widzialne. Heinrich Hertz, odkrywca jednej z tych fal radiowych, powiedział w 1889 roku, "Wiemy, że światło jest ruchem falowym. Znamy prędkość fal, znamy ich długość. Jednym słowem, wiemy dokładnie geometryczne związki tego ruchu. Te rzeczy nie pozwalają już na jakiekolwiek wątpliwości, a obalenie tego poglądu jest nie do pomyślenia dla fizyka. O tyle, o ile istoty ludzkie mogą znać prawdę, teoria fal jest pewna." Być może nie do pomyślenia dla większości, ale nie dla Alberta Einsteina. W 1905 roku, w tym samym roku, opublikował swoją teorię względności, jego artykuł sugeruje eksperyment potwierdzający istnienie atomów i dokument o termodynamice, który przyniósł mu tytuł doktora na Uniwersytecie w Zurychu, 23-letni Einsteina, opublikował artykuł sugerujący, że w niektórych sytuacjach promieniowanie elektromagnetyczne zachowałoby się tak, jakby było strumieniem cząstek. Zaproponował nawet eksperyment, który pokazałby, że tak właśnie jest. Według Einsteina promieniowanie elektromagnetyczne oddziałuje z materią jako odrębne pakiety energii, nazwane później fotonami. Energia określonego fotonu jest związana z długością fali promieniowania. Dłuższe długości fal odpowiadają niższym energiom fotonów, a krótsze długości fal odpowiadają wyższym energiom fotonów. Dowody eksperymentalne wkrótce wskazywały, że Einstein miał rację. W niektórych promieniowanie elektromagnetyczne , zachowuj się jakby był strumieniem cząsteczek. Ale dowody z XIX wieku, że zachowywały się w innych przypadkach, jak gdyby były falą, nie mogły zostać zignorowane. Jednak oba modele wzajemnie się wykluczają. Nie ma sposobu, aby połączyć je w jeden spójny model. Rozstrzygnięcie tego dylematu polegało na porzuceniu wysiłku wymuszenia na promieniowaniu elektromagnetycznym jednego lub drugiego modelu. Niektóre zjawiska nie mają analogii w świecie codziennych doznań zmysłowych. W tym świecie istnieje wyraźne rozróżnienie pomiędzy falami i cząstkami. Coś jest albo falą albo cząstką, ale nie jednym i drugim. Jednak na poziomie submikroskopowym rozróżnienie już nie istnieje. Promieniowanie elektromagnetyczne jest bezdyskusyjnie zarówno falowe jak i cząstkowe. Wniosek ten odnosi się do dualizmu cząstek falowych. Ponieważ nie ma nic w codziennym doświadczeniu, które wykazuje ten dualizm, niemożliwe jest zwizualizowanie prawdziwej natury promieniowania elektromagnetycznego. Myślenie o zjawisku, dla którego nie ma konkretnego analogu, może być niepokojącym doświadczeniem. Jak ujął to Einstein: "Jedynie z niechęcią pragnienie wiedzy wytrzymuje taki dualizm". Naukowcy, którzy muszą poradzić sobie z tym dylematem w swojej pracy, mają pragmatyczne podejście. Korzystają z jednego lub drugiego modelu, w zależności od sytuacji. W niektórych sytuacjach bardziej odpowiednie jest traktowanie energii promieniowania jako fali. Aby wyjaśnić, w jaki sposób promieniowanie elektromagnetyczne przemieszcza się w przestrzeni kosmicznej, niezbędny jest model falowy. Aby wyjaśnić, w jaki sposób promieniowanie elektromagnetyczne dostarcza energię do materii, niezbędny jest model cząsteczkowy. Chociaż jest to praktyczne podejście, nie należy mylić tych użytecznych modeli z samą rzeczywistością. Promieniowanie elektromagnetyczne jest bardziej złożone niż to przedstawione przez model fali lub cząstki

5.5 Spektrum elektromagnetyczne

Do pierwszej dekady XX wieku fizycy odkryli promieniowanie elektromagnetyczne w szerokim zakresie długości fal. Na jednym końcu spektrum znajdują się fale radiowe o dużej długości fali i niskiej energii fotonów. Na drugim końcu znajdują się promienie gamma o krótkiej długości fali i dużej energii fotonów. Wszystkie rodzaje promieniowania elektromagnetycznego przemieszczają się w przestrzeni z prędkością światła. Promieniowanie elektromagnetyczne może być wytwarzane na wiele różnych sposobów. Różne rejony widma elektromagnetycznego są zwykle klasyfikowane zgodnie ze sposobem, w jaki wytwarzane jest promieniowanie. Fale radiowe są wytwarzane przez oscylacyjne prądy elektryczne. Ta część widma jest podzielona zgodnie z pierwotnym zastosowaniem promieniowania. Najczęściej jest to promieniowanie podczerwone, widzialne i ultrafioletowe wytwarzane przez przejścia najbardziej zewnętrznych elektronów atomów, gdy atomy przemieszczają się z wyższego do niższego stanu energetycznego. Promienie rentgenowskie powstają w wyniku spowolnienia elektronów o bardzo dużej prędkości lub w wyniku przejścia przez wewnętrzne elektrony orbitalne atomów o dużej masie. Promienie gamma emitowane są przez jądra atomów. Rozróżnienie między podczerwienią (poniżej czerwieni), światłem widzialnym, a ultrafiolet (poza fioletem) jest całkowicie oparty na reakcji ludzkiego oka na promieniowanie. Promieniowanie podczerwone ma zbyt długie długości fal (lub fotony o zbyt małej energii), aby pobudzić komórki receptorów w naszych oczach. Promieniowanie ultrafioletowe ma fale zbyt krótkie (lub fotony o zbyt dużej energii). Zakres długości fal w świetle widzialnym odpowiada postrzeganym kolorom. Najdłuższym światłem widzialnym o długości fali jest czerwony, następny pomarańczowy, żółty, zielony, niebieski, a na końcu fioletowy o najkrótszej długości fali, która może wywołać reakcję wzrokową.

5.6 Spektroskopia

Spektroskopia odnosi się do badania promieniowania elektromagnetycznego na podstawie rozkładu energii w odniesieniu do długości fali. Spektrometr jest dowolnym urządzeniem, które odbierze promieniowanie przychodzące i oddzieli je na podstawie długości fali. Pryzmat jest przykładem. Jeśli światło słoneczne pada na pryzmat, światło wyłaniające się z drugiej strony pojawi się jako tęcza. Światło czerwone o dłuższej długości fali będzie wychodzić pod nieco innym kątem niż światło fioletowe o krótszej długości fali. Gdy badane jest promieniowanie elektromagnetyczne z różnych źródeł za pomocą spektrometru, występują trzy różne typy widm. Jeżeli obecne są wszystkie długości fal w pewnym zakresie, widmo jest widmem ciągłym. Gdy obecne są tylko określone długości fal, widmo jest widmem o jasnej linii. Wreszcie, spektrum ciemnej linii to takie, w którym obecne są prawie wszystkie długości fal, ale niektóre z nich są nieobecne. Ciągłe widmo jest wytwarzane przez gaz stały, ciekły lub o dużej gęstości. Całkowita emitowana energia i rozkład tej energii w odniesieniu do długości fali są określone przez temperaturę emitowanego obiektu. Widmo jest niezależne od składu chemicznego obiektu. Przykładem tego jest promieniowanie emitowane przez żarzącą się żarówkę. Widmo jasnej linii emitowane jest przez gorący gaz o niskiej gęstości. W przeciwieństwie do widma ciągłego, jest on całkowicie zdeterminowany składem chemicznym gazu. Każda substancja chemiczna ma swoje własne wyraźne widmo linii. Widmo identyfikuje element w taki sam sposób, jak odcisk palca identyfikuje osobę. Wyjaśnienie tego jest model Bohra. W tym modelu każdy typ atomu ma własny, odrębny zestaw dozwolonych poziomów energii, więc tylko niektóre energie fotonów mogą być emitowane, gdy atom przemieszcza się z stanu wyższej energii do niższego stanu. Widmo jasnej linii jest również znane jako widmo emisyjne. Przykłady tego rodzaju spektrum obejmują lampy neonowe i lampy rtęciowe, które są powszechnie używane do oświetlania parkingów. Widmo ciemnej linii powstaje, gdy ciągłe spektrum przechodzi przez gaz o małej gęstości. Brakujące długości fal są, podobnie jak widmo linii jasnych, i z tego samego powodu, całkowicie określone przez skład chemiczny niskiej gęstości. gaz. W tym przypadku jednak fotony są pochłaniane przez gaz, gdy atomy przechodzą z stanu niższej energii do stanu wyższego. Przykładem spektrum ciemnej linii jest promieniowanie emitowane przez nasze słońce i inne gwiazdy. Na poziomie bliskim powierzchni naszego Słońca emitowane jest ciągłe widmo. Jednak przed opuszczeniem powierzchni promieniowanie musi przechodzić przez atmosferę o niskiej gęstości Słońca. Tam długości fal są pochłaniane przez różne pierwiastki chemiczne, które składają się na skład słońca. W latach trzydziestych XIX wieku pozytywistyczny filozof Auguste Comte został zapytany, czy istnieje coś, czego nauka nigdy nie byłaby w stanie określić. Podał odpowiedź, która jest prawie na pewno właściwą, tak, ale potem podał zły przykład. Słownie powiedział, że nigdy nie poznamy składu chemicznego gwiazd. Poprzez analizę ich widm absorpcyjnych znamy teraz ich skład.

6 Obecny Wszechświat

Kopuła nocnego nieba jest wysadzana gwiazdami. Istnieje około 5000, które są wystarczająco jasne, aby mogły być widoczne przez ludzkie oczy. Przez większość historii naszego gatunku były to wszystkie gwiazdy, które istniały. W końcu dlaczego twórca stworzyłby gwiazdy, których nie moglibyśmy zobaczyć, jaki by był cel stworzenia?

6.1 Droga Mleczna

Oprócz gwiazd, księżyca, planet i słońca istnieje również łuk rozproszonego światła, który rozciąga się po niebie od horyzontu do horyzontu. Jest wybitny, to oczywiście coś ważnego. Praktycznie wszystkie kultury miały mity wyjaśniające jego pochodzenie. Starożytna ormiańska mitologia zwana łukiem Drogi Słomianego Złodzieja. Według legendy bóg Vahagn ukradł trochę słomy od asyryjskiego króla Barshama i przyniósł ją Armenii podczas mroźnej zimy. Kiedy uciekł przez niebiosa, po drodze rozsyspałł trochę słomy. Cherokee nazwali to "The Way the Dog Ran Away", wyjaśniając, że to mąka kukurydziana rozsypana przez psa, który ją ukradł i wysypał gdy uciekał. My nazywamy to Drogą Mleczną. Nazwa pochodzi od greckiego mitu o jego pochodzeniu. Zeus miał syna, Heraklesa, który urodził się ze śmiertelnej kobiety. Zeus lubił go i postanowił pozwolić niemowlęciu ssać mleko swojej boskiej żony Hery, kiedy spała, akt, który obdarzy dziecko boskimi cechami. Kiedy Hera obudziła się i uświadomiła sobie, że karmi piersią nieznane dziecko, odepchnęła go, a tryskające mleko stało się Drogą Mleczną. Słowo galaktyka słowo również pochodzi z tej historii, gdyż mleko po grecku to gala. Chociaż niektórzy presokraci spekulowali, że Droga Mleczna może składać się z gwiazd zbyt blisko siebie i słabych, by mogły być postrzegane jako pojedyncze gwiazdy, pomysł ten nie został zaakceptowany przez Arystotelesa i dlatego nie był częścią późnego średniowiecza i renesansu. Podobnie jak w przypadku wielu dzieł Arystotelesa, jego pogląd na Drogę Mleczną nie przetrwał empirycznego podejścia Galileusza do wiedzy. Dzięki swojemu teleskopowi Galileusz mógł zobaczyć poszczególne gwiazdy w Drodze Mlecznej. Tak więc królestwo gwiazd nie było już postrzegane jako kuliste, ale raczej w kształcie dysku. Galileusz, nieskłonny do skromności, przechwalał się: "Wszechświat, który dzięki moim zdumiewającym obserwacjom i wyraźnym demonstracjom powiększył się setki, tysiąc razy poza granicami powszechnie postrzeganymi przez mędrców sprzed wieków, jest teraz dla mnie tak osłabiony i zredukowany, że skurczył się do skromnych granic mojego ciała" .Ten model dysku Drogi Mlecznej przetrwał do XX wieku, ale przedstawił poważny problem filozoficzny. Zasada kopernikańska, twierdzenie, że nie jesteśmy centrum wszechświata, wydaje się być sprzeczna z modelem. Kiedy astronomowie zajrzeli do dysku, wydawało się, że kończy się w tej samej odległości od układu słonecznego we wszystkich kierunkach. Czy jednak jesteśmy w centrum? Obserwacyjnie okazało się, że jesteśmy. Cóż, nie jesteśmy. Problem polega na tym, że dysk naszej galaktyki, oprócz gwiazd, niespodziewanie zawiera gaz i pył. Pył jest bardzo skuteczny w pochłanianiu i rozpraszaniu światła widzialnego, blokując w ten sposób nasze spojrzenie na bardziej odległe gwiazdy na dysku. Faktyczny dysk jest wielokrotnie większy niż część, którą widzimy, i zamiast być w centrum, znajdujemy się na przedmieściach. W 1920 r. był to dobrze znany fakt, przede wszystkim dzięki pracy amerykańskiego astronoma Harlowa Shapleya.

6.2 Inne galaktyki

W 1920 roku nie ustalono, czy nasza Galaktyka Mlecznej Drogi jest wyjątkowa we wszechświecie, czy po prostu jedna z wielu galaktyk oddzielonych ogromnymi odległościami kosmosu. Debata koncentrowała się na naturze spiralnych mgławic, rozmytych, spiralnych struktur na nocnym niebie. Niektórzy twierdzili, że inne galaktyki, takie jak nasza, ale w wyjątkowych odległościach od nas, sprawiając, że wydają się małe. Inni argumentowali, że nie mogą być tak daleko. Każda strona popierała swoje stanowisko złożonymi, ale ostatecznie niejednoznacznymi dowodami. Podstawowym problemem było to, że w 1920 roku nie było możliwości bezpośredniego zmierzenia odległości do mgławic spiralnych. Gwiazdą zmienną jest ta, której jasność zmienia się wraz z upływem czasu. Ustalono wcześniej, że pewne zmienne gwiazdy, zmienne cefeidalne, mają jasność proporcjonalną do ich okresów zmienności. Na przykład zmienna cefeid, która zakończyła okresową zmienność w ciągu 30 dni, była bardziej jasna (emituje więcej energii na sekundę) niż jedna z 20-dniowym okresem. Okres i jasność są powiązane równaniem matematycznym. Ponieważ okres zmienności jest łatwy do zmierzenia, relacja periodluminancji może być wykorzystana do ustalenia jasności gwiazdy. Następnie, mierząc ilość energii, którą faktycznie otrzymujemy od gwiazdy (pozorną jasność gwiazdy), można określić odległość do gwiazdy. Pozorna jasność obiektu zmniejsza się wraz z odległością od obiektu. Na przykład moc żarzącej się żarówki jest miarą jej jasności, wewnętrznej jasności. Jeśli poruszasz się dalej i dalej od żarówki, wydaje się ciemniejszy i ciemniejszy. Prawo odwrotnego kwadratu jest dokładną matematyczną zależnością między jasnością, pozorną jasnością i odległością. Jednak metoda ta nie mogła zostać wykorzystana do zmierzenia odległości do mgławic spiralnych, dopóki nie byłoby wystarczająco potężnego teleskop, aby zobaczyć pojedyncze gwiazdy w mgławicach spiralnych. W 1919 r. ukończono 100-calowy teleskop Hookera w Mount Wilson Observatory i powierzono go Edwinowi Hubble′owi. Dzięki tak potężnemu instrumentowi Hubble był w stanie zidentyfikować zmienne cefeidalne w kilku mgławicach spiralnych. Ustalił, że znajdują się w znacznej odległości od nas, odległości są zgodne z ich galaktykami. Jego historyczny artykuł z 1924 r. zakończył debatę, ostatecznie ustalając fakt, że żyjemy w Island Universe. Mgławice spiralne stały się galaktykami spiralnymi, mniej więcej tak jak nasza własna spiralna galaktyka. Oprócz galaktyk spiralnych, Hubble zaobserwował również eliptyczne i nieregularne galaktyki. Hubble zdał sobie sprawę, że galaktyki nie są równomierne, a nawet losowe, rozmieszczone w przestrzeni kosmicznej. Raczej są skupieni. Nasza własna galaktyka jest częścią gromady około 30 galaktyk zwanych Grupą Lokalną. Na odległościach wiele razy większych niż odległość między galaktykami w gromadzie, są inne gromady galaktyk. Teraz wiemy, że oprócz skupisk galaktyk, są to skupiska klastrów, supergromad, jak się je nazywa. To wydaje się być ostatnim poziomem klastrowania. Jednak supergromady nie są rozmieszczone równomiernie lub losowo, lecz są rozmieszczone wokół krawędzi ogromnych objętości pozornie pustej przestrzeni zwanej pustkami. Najlepiej możemy określić na skali pustek wszechświat jest w końcu jednorodny. Jeśli chodzi o nasze najpotężniejsze teleskopy, wydaje się, że ten model rozproszenia utrzymuje. Wszechświat jest jak pianka, a puste przestrzenie są pustą przestrzenią wewnątrz bąbli tworzonych przez supergromady.

6.3 Prawo Hubble′a Hubble nadal używał teleskopu 100-calowego do badania galaktyk. W 1929 r. Opublikował artykuł, który później został uznany za najważniejszy obserwacyjny fakt o wszechświecie, jaki kiedykolwiek odkryto. Jest to prosty fakt, że na powierzchni nie wydawał się szczególnie rewolucyjny. To było dopiero po tym właściwie zinterpretował, że tak się stało. Światło, które otrzymujemy z galaktyk, ma wiele cech podobnych do fal. Od pewnego czasu wiadomo, że światło, które otrzymujemy z galaktyk poza grupą lokalną, jest przesunięte ku czerwieni. To jest długość fali światła rozciągnięta względem światła, które otrzymujemy z pobliskich obiektów. W widmie widzialnym czerwień jest najdłuższą falą, a niebieska - krótszym końcem widma. Jeśli fala jest dłuższa niż oczekiwano, nazywa się ją przesunięciem ku czerwieni . I odwrotnie, jeśli jest krótszy niż oczekiwano, nazywa się go "pomieszanym". Światło z odległych galaktyk jest zawsze przesunięte w czerwoną stronę. W 1929 roku Hubble zgromadził wystarczającą ilość danych, aby ustalić, że ilość przesunięcia ku czerwieni jest wprost proporcjonalna do odległości do galaktyki, z której została wyemitowana. Ten fakt obserwacyjny jest teraz znany jako prawo Hubble′a. Hubble rozpoznał, że stworzył ważną informację o naturze wszechświata, ale nie wiedział dokładnie, co mówią nam te informacje. Był astronomem obserwacyjnym i potrzebne było teoretyczne wyjaśnienie. To wyjaśnienie wydał w 1930 roku brytyjski fizyk teoretyczny, Arthur Eddington

6.4 Rozszerzenie przestrzeni

Jak na ironię wyjaśnienie było dostępne na długo przed powstaniem innych galaktyk. W 1905 r. Albert Einstein opublikował swoją Teorię względności, opis natury przestrzeni i czasu, które łączyły je w sposób przewidujący istnienie pozornie dziwnych zjawisk. Wśród nich znalazło się dylatacja czasu i kurczenie przestrzeni, które wkrótce zostały empirycznie zweryfikowane. Przewiduje także równoważność masy i energii, to znaczy, że masa jest po prostu inną formą energii, dwie powiązane ze słynnym równaniem E = mc2. W tym czasie zdał sobie sprawę, że teoria z 1905 roku była niekompletna. Był pewien, że grawitacja jest własnością czasoprzestrzeni, ale nie została uwzględniona w jego oryginalnej teorii. Natychmiast postanowił to naprawić. W 1915 roku zmodyfikował swoją teorię, by uwzględnić grawitację. Nowa wersja znana jest obecnie jako Ogólna Teoria Względności, w przeciwieństwie do wersji z roku 1905, zwanej obecnie Specjalną Teorią Względności. Jako pierwsze zastosowanie nowej teorii, Einstein obliczył orbitę Merkurego. Powszechnie wiadomo, że obliczenia oparte na teorii grawitacji Newtona dały nieco złą odpowiedź. Podobnie jak w przypadku rozbieżności w obliczaniu orbity Urana, pierwsza próba rozwiązania tego problemu dotyczyła nieodkrytej planety, która miała wpływ na orbitę. Planeta otrzymała nawet nazwę - Vulcan. Wkrótce stało się jasne, że taka planeta nie istnieje i dlatego musi istnieć problem z teorią grawitacji Newtona. Obliczenia oparte na teorii grawitacji Einsteina dały jednak dokładnie zaobserwowaną orbitę Merkurego. Najwyraźniej teoria Einsteina była poprawą w stosunku do Newtona. Poza właściwą orbitą Merkurego, istniała jeszcze jedna cecha teorii Einsteina, która uczyniła ją znaczącą poprawą - wyeliminowała akcję na odległość. W teorii Einsteina słońce nie ciągnie planet. Raczej wypacza czasoprzestrzeń w jej pobliżu w taki sposób, że inercyjny ruch planet przez czasoprzestrzeń jest eliptyczną orbitą wokół Słońca. Jednak w 1916 roku Einstein zaczął wątpić w teorię. Kiedy zastosował ją do wszechświata jako całości, wyraźnie przewidywał, że przestrzeń musi się rozszerzać lub kurczyć. Natura grawitacji w teorii nie pozwoli na statyczny wszechświat. W teorii grawitacja była tylko atrakcyjna, a to spowodowałoby, że początkowo statyczny wszechświat zapadłby się w sobie. On i inni naukowcy, z którymi się konsultował, wierzyli, że wszechświat jest w rzeczywistości statyczny. Ze względu na zdolność teorii do wyjaśnienia orbity Merkurego, Einstein wiedział, że był na dobrej drodze, więc zamiast odrzucić teorię, próbował ją poprawić, aby wyeliminować nieprzyjemną prognozę. Wprowadził siłę odpychającą do swoich równań, do stałej kosmologicznej, której jedynym celem było zrównoważenie przyciągania grawitacji, a tym samym umożliwienie statycznego wszechświata. Einstein popełnił jednak błąd. Jego wprowadzona siła odpychania nie mogła właściwie zrównoważyć grawitacji. Równowaga między nimi była niestabilna, jak zrównoważenie ołówka w jego punkcie. Teoretycznie możliwe, ale wszelkie drobne zakłócenia zaburzają równowagę, w tym przypadku powodując ekspansję lub kurczenie się wszechświata. Dokładnie to, czego Einstein próbował uniknąć. Zostało to wskazane w 1920 roku przez co najmniej dwóch teoretyków, jednego belgijskiego księdza, George'a Lemaitre'a, o którym będziemy mieli więcej do powiedzenia później. Te dokumenty zostały w większości zignorowane przez innego fizyka i nie jest jasne, że sam Einstein był tego świadomy . Jedną z osób, które były na nich świadome, był Arthur Eddington, uważany wtedy za jednego z nielicznych fizyków, którzy rzeczywiście rozumieli teorię Einsteina. Kiedy usłyszał o Prawie Hubble'a, natychmiast zobaczył to jako dowód obserwacyjny, że przestrzeń się rozszerza. Kiedy Einstein dowiedział się o tym, nazwał włączenie stałej kosmologicznej w swojej teorii "największą pomyłką mojej kariery naukowej". W następnej części dowiemy się, że to wcale nie była pomyłka. Ekspansja przestrzeni nie oznacza, że wszystko we wszechświecie z czasem staje się coraz większe. Niektóre struktury są utrzymywane razem przez siły dostatecznie silne, aby zapobiec powiększaniu się ich powierzchni przez przestrzeń. Dotyczy to zarówno galaktyk (i wszystkiego w nich), jak i gromad galaktyk. Jednak przyciąganie grawitacyjne między klastrami i supergromadami nie jest wystarczająco silne, a ekspansja przestrzeni powoduje wzrost rozmiarów supergromad i pustek. Koncepcja rozszerzania przestrzeni jest złożona i myląca. Pierwsze pytanie, które większość ludzi zadaje, brzmi: "Do czego to się rozszerza?" Niestety to pytanie nie ma odpowiedzi, a przynajmniej nie takiej, którą można zwizualizować. Ogólnie rzecz biorąc, gdy myślimy o czymś rozszerzającym się, wyobrażamy sobie, że się powiększa. Że jest, wyobrażamy sobie jego krawędzie jako ruchome na zewnątrz. Ale wszechświat nie ma krawędzi. Pomijając fakt, że krawędź wszechświata nie ma żadnego sensu (co by się stało, gdybyś przekroczył krawędź?), Ogólna Teoria Względności, teoria, której używamy do opisu czasoprzestrzeni wszechświata, wymaga nieograniczonego wszechświata. Jest to prawdą, czy wszechświat jest nieskończony (wyraźnie bez krawędzi), czy skończony (pozornie niemożliwy), na który to pozwala teoria. Nasz wszechświat ma trzy wymiary przestrzenne (przynajmniej trzy z rozszerzeniem). Skończona, ale nieograniczona przestrzeń może wystąpić tylko wtedy, gdy przestrzeń jest zakrzywiona. Aby zwizualizować zakrzywioną przestrzeń, wymagany jest jeden wymiar większy niż wymiary przestrzeni. Dlatego nie możemy zwizualizować zakrzywionej przestrzeni trójwymiarowej, ponieważ nie możemy wizualizować jej w czterech wymiarach. Ponieważ konkretne, zobrazowane modele są pomocne w zrozumieniu abstrakcyjnych pojęć, astronomowie używają zakrzywionej, dwuwymiarowej przestrzeni, aby pomóc nam zrozumieć rozszerzający się, skończony, ale nieograniczony wszechświat. Wyobraź sobie obiekt dwuwymiarowy, przypominający powierzchnię kawałka papieru. Jeśli nie jest nieskończony, jest ograniczony krawędziami. Ale jeśli ugniemy go w kształt kuli, zakrzywiamy go do trzeciego wymiaru, nie ma już krawędzi. Powierzchnia kuli jest skończoną, ale nieograniczoną, dwuwymiarową powierzchnią. Możemy wizualizować skończoną, ale nieograniczoną dwuwymiarową powierzchnię, ponieważ możemy wizualizować ją w trzech wymiarach. Możemy wizualizować skończoną, ale nieograniczoną dwuwymiarową powierzchnię, ponieważ możemy wizualizować ją w trzech wymiarach. Nie możemy zwizualizować skończonej, ale nieograniczonej trójwymiarowej powierzchni, ponieważ nie możemy wizualizować w czterech wymiarach. Teraz wyobraź sobie, że kula jest powierzchnią balonu i niech ta powierzchnia reprezentuje przestrzeń fikcyjnego dwuwymiarowego wszechświata. Oczywiście ekspansja będzie reprezentowana w tym modelu poprzez wysadzenie balonu. Jeśli przywiążemy małe kawałki papieru do powierzchni balonu i każdy z nich będzie reprezentował gromadę galaktyk, mamy całkiem niezłą reprezentację konsekwencji rozszerzającej się przestrzeni dla naszego wszechświata. Gdy balon zostaje wysadzony w powietrze, gromady galaktyk oddalają się od siebie (to znaczy zwiększają się rozmiary supergromad i pustek), podczas gdy wielkość skupisk pozostaje nienaruszona. Odległość między klastrami wzrasta, ale klastry się nie poruszają. Oznacza to, że nie poruszają się w przestrzeni, ponieważ są one unieruchomione w przestrzeni (przyklejone do powierzchni balonu w modelu). Jako trójwymiarowe istoty, łatwo jest nam odpowiedzieć na pytanie, do czego rozszerza się przestrzeń wszechświata dwuwymiarowego? Rozrasta się w trzeci wymiar przestrzeni. Jednak ta odpowiedź nie miałaby sensu dla istot dwuwymiarowych. W ich wszechświecie nie ma trzeciego wymiaru przestrzeni. W podobny sposób moglibyśmy powiedzieć, że nasz trójwymiarowy wszechświat rozszerza się do czwartego wymiaru. Ale to nie ma dla nas sensu. Najlepiej po prostu przestać zadawać pytanie w ten sposób. Staramy się zwizualizować coś, co z natury nie jest możliwe do wizualizacji. Model balonowy reprezentuje również inny ważny fakt dotyczący naszego wszechświata. Wszystkie miejsca na powierzchni balonu są równoważne W tym modelowym wszechświecie nie ma centrum, a przynajmniej takiego, które znajduje się w przestrzeni samego wszechświata - nie na powierzchni balonu. Tak jak nasz wszechświat nie ma żadnych krawędzi, tak samo nie ma centrum. Jest to ważny punkt do zapamiętania, kiedy mówimy o Wielkim Wybuchu w późniejszym czasie. Ogólną teorię względności można wykorzystać do opisania wszechświata, który jest albo skończony, albo nieskończony, tak jak może być użyty do opisania wszechświata, który się rozszerza lub kurczy. Dane obserwacyjne są wymagane do określenia, które z tych teoretycznych możliwości pasują do naszego rzeczywistego wszechświata. Prawo Hubble'a jest dowodem obserwacyjnym, że żyjemy w rozszerzającym się, a nie kurczącym się wszechświecie. W naszym modelu balonowym reprezentowaliśmy skończony wszechświat. Jednak ostatnie dowody zdają się wskazywać, że żyjemy w nieskończonym, a nie skończonym wszechświecie. Jeśli wszechświat jest nieskończony, jak może się rozszerzać? Jest to może nawet trudniejsze do wyobrażenia niż skończony, rozszerzający się wszechświat. Jak może być więcej miejsca później, jeśli jest już nieskończona ilość? Jednym z pomysłów, które mogą pomóc w tym jest myślenie o liczbach. Ile jest liczb całkowitych? Jest ich nieskończona liczba. Jeśli podzielimy każdą nieparzystą liczbę całkowitą na dwie, otrzymamy kolejny nieskończony zbiór liczb. Łącząc te nowe liczby z liczbami całkowitymi, mamy o połowę więcej liczb. Ciągle jest ich nieskończona liczba, ale w pewnym sensie nieskończony zbiór liczb całkowitych rozszerzył się na jeszcze większą nieskończoność. Może to niewiele pomoże, ale to nie jest ważne. Po prostu nie możemy pojąć wszechświata jako całości i nie jest to pomocne. Kiedy myślimy o wszechświecie, pomyślmy o jego skończonej części, powiedzmy, że jest wystarczająco duża, aby pomieścić wiele pustek i supergromad i wiedzieć, że reszta wszechświata jest po prostu taka sama.

6.5 Zawartość galaktyk

Kiedy myślimy o galaktykach, wizualizujemy je tak, jak widzą je nasze teleskopy: gwiazdy z międzygwiezdnym gazem i pyłem. W latach 70. astronomowie zdali sobie sprawę, że te składniki galaktyk stanowią zaledwie niewielką część ich masy. Dodatkowa masa nazywana jest ciemną materią i wynika z jej grawitacyjnego oddziaływania na widzialną materię. Jest to jedyny sposób, w jaki można go wykryć, ponieważ nie emituje, nie absorbuje ani nie rozprasza promieniowania elektromagnetycznego. Tak więc musi składać się z nienaładowanych cząstek. W chwili obecnej nie znamy natury tej materii, tyle tylko, że nie składa się ona ze zwykłej materii: protonów, neutronów i elektronów. Oprócz ciemnej materii większość galaktyk zawiera supermasywne, ale niezwykle zwarte obiekty w ich środku. Dowody wskazują, że przedmiotami tymi są czarne dziury o masach rzędu setek tysięcy do miliardów razy mas naszego Słońca. Obiekt w centrum naszej Galaktyki Mlecznej Drogi ma masę około czterech milionów mas Słońca. Chociaż jego masa jest bardzo duża dla pojedynczego obiektu, jest niewielka w stosunku do masy naszej galaktyki, której same gwiazdy mają szacunkową masę setek miliardów mas Słońca.

6.6 Wszechświat kontra widzialny wszechświat

Istnieje ciągłe zamieszanie w programach telewizyjnych, a także w niektórych podręcznikach o tym, co rozumie się przez słowo "wszechświat". Ogólnie mówiąc, oznacza to wszystko, co istnieje. Ale są chwile, kiedy to, co naprawdę oznacza termin, to widzialny wszechświat; to znaczy część wszechświata, do której mamy dostęp obserwacyjny. Obecne dowody wyraźnie wskazują, że wszechświat jest nieskończony. Jednakże, ponieważ wiek wszechświata (przynajmniej ta część wszechświata, dla której możliwe są dowody obserwacyjne) jest skończony (13,7 miliarda lat), widzialny wszechświat jest skończony. Patrząc w przestrzeń patrzymy również w przeszłość. Światło podróżuje z prędkością 300 000 km na sekundę. Przy tej prędkości potrzeba 2,2 miliona lat, aby światło z galaktyki Andromedy dotarło do nas, więc innym sposobem ilościowego określenia odległości do Andromedy jest twierdzenie, że jest to 2,2 miliona lat świetlnych stąd. Niektóre galaktyki, które możemy obserwować, są oddalone o ponad 10 miliardów lat świetlnych. Oczywiście nie możemy zaobserwować niczego, co jest oddalone o ponad 13 miliardów lat świetlnych, a zatem obserwowalny lub widzialny wszechświat jest skończony, rozszerzający się z odległości 13,7 miliarda lat świetlnych od nas we wszystkich kierunkach. To jest nasz tak zwany "horyzont". Model Wielkiego Wybuchu nie próbuje opisywać tego obszaru przestrzeni znacznie poza naszym horyzontem - czasoprzestrzeń może być całkiem inna. Nie jest niczym niezwykłym, że komentator mówi, że w pewien czas po Wielkim Wybuchu, wszechświat był wielkości grochu. Często nawet trzymają groszek, aby pokazać, jak mały jest. W rzeczywistości wszechświat prawdopodobny jest i zawsze był nieskończony. Co tak naprawdę oznacza to, że w pewnym momencie po Wielkim Wybuchu, widzialny wszechświat był wielkości grochu. Jest to ok, ponieważ widzialny wszechświat ma skończone rozmiary i z czasem staje się coraz większy. Jest to jednak bardzo mylące. Groch ma środek i krawędź w przestrzeni. Widoczny wszechświat nie. To dalej prowadzi do przekonania, że Wielki Wybuch nastąpił w centrum tego grochu, a materia rozprzestrzeniła się od tego czasu do wielkości grochu. Nie o to chodzi. Centrum naszego widzialnego wszechświata jest nami. Byłoby to równie prawdziwe w przypadku każdego obserwatora w dowolnym miejscu wszechświata. Rozróżnienie między wszechświatem a widzialnym wszechświatem nie jest łatwe do zapamiętania, a w większości przypadków nie jest ważne. Są chwile w następnych częściach, w których słowo wszechświat jest używane, gdy widzialny wszechświat może być bardziej odpowiedni. Jednak rozróżnienie jest ważne, gdy mówimy o wielkości wszechświata.

7 Wielki Wybuch

Prawo Hubble'a jest faktem obserwacyjnym i jest poza wszelką dyskusją. Każdy, kto wątpi, może sam dokonać pomiarów i uzyskać ten sam rezultat. Rozszerzanie przestrzeni nie jest faktem. Jest to teoretyczne wyjaśnienie faktu. Można w to wątpić. Być może istnieje alternatywa, zupełnie inne wytłumaczenie Prawa Hubble'a. Umiejętność wyjaśnienia znanych faktów jest ważnym kryterium, które musi spełnić teoria, aby zostać zaakceptowanym. Ale jest jeszcze ważniejsze kryterium - umiejętność przewidywania faktów, które nie są znane w tym czasie. Jeśli te przewidywania okażą się prawdziwe, teoria ta nie zostanie udowodniona, ponieważ zawsze jest możliwe, że późniejsza prognoza teorii zawiedzie. Jednak przy każdej nowej pomyślnej prognozie wzmocnione zostaje zaufanie do teorii. Pojęcie rozszerzającej się przestrzeni uczyniło wiele takich udanych prognoz i w rezultacie zostało wstępnie zaakceptowane przez naukowców jako prawdziwe. Jest to integralną częścią jakiegokolwiek wyjaśnienia natury wszechświata, że założymy, dla celów dyskusji, że jest to prawda.

7.1 George Lemaitre

Jeśli wszechświat się rozszerza, pojawia się pytanie, jak wyglądał wszechświat w przeszłości. Pierwszą osobą, która poważnie potraktowała to pytanie, był belgijski kosmolog-teolog Abbe George Lemaitre. W 1927 roku wykazał, że próba Einsteina, by wyeliminować przewidywanie rozszerzającej się lub kurczącej przestrzeni z Ogólnej Teorii Względności, nie zadziałała. Jego prace nie cieszyły się zbytnio i zniechęcony, skierował swoje badania w inne strony. Jednak wraz z wyjaśnieniem Eddingtona o prawie Hubble′a, Lemaitre powrócił do kosmologii w 1930 roku. Lemaitre rozumował, że jeśli przestrzeń się rozszerza, to wszechświat musiał być gęstszy w przeszłości, niż jest teraz. Używając fizyki Ogólnej Teorii Względności, uświadomił sobie, że byłby czas w skończonej przeszłości, kiedy wszechświat byłby nieskończenie gęsty i dlatego nasz wszechświat musiał mieć początek w czasie. Było to sprzeczne z powszechną opinią wśród naukowców. W większości zakładano, że wszechświat był nieskończenie stary; że zawsze było i zawsze będzie. Chociaż model Lemaitre'a stanowił znaczący przełom filozoficzny i kosmologiczny, był on nieadekwatny pod względem fizyki. Niewiele można było zrobić z modelem, aby zobaczyć, czy rzeczywiście może on ewoluować do obecnego wszechświata. Wymagałoby to znajomości fizyki jądrowej, która wówczas nie istniała. Był jeszcze jeden powód, dla którego naukowcy sceptycznie odnosili się do Lemaitre'a o wszechświecie, który miał początek w czasie. Był księdzem katolickim, a więc prawdopodobnie predysponowany do wierzenia, że wszechświat został stworzony w skończonej przeszłości. Kiedy nauka jest używana do przewidywania czegoś, co prawdopodobnie uważał naukowiec za prawdziwy, należy być sceptycznym.

7.2 George Gamow

George Gamow urodził się w Odessie w Rosji w 1904 r. Otrzymał tytuł doktora. w fizyce na Uniwersytecie w Leningradzie w 1928 r., a w 1931 r. przyjął tam stanowisko profesora. Był to czas rosnącego ucisku w Związku Radzieckim, a Gamow i jego żona podjęli kilka nieudanych prób ustąpienia. Po latach odmowy udzielenia im zezwolenia na wyjazd, rząd niespodziewanie pozwolił im wziąć udział w kongresie Solvay w Belgii w 1933 roku. Wykorzystali tę okazję, aby opuścić Związek Radziecki na zawsze. Gamow spędził resztę roku w różnych instytucjach naukowych w Europie i został mianowany profesorem fizyki na Uniwersytecie George′a Washingtona w Waszyngtonie w 1934 roku. Pierwszym wielkim wkładem fizyki w fizykę było wyjaśnienie natury rozpadu alfa za pomocą nowej teorii mechanika kwantowa. W 1942 roku zwrócił swoją uwagę na astrofizykę, rozwijając teorię wewnętrznych struktur czerwonych olbrzymów. Zainteresował się pomysłami Lemaitre dotyczącymi wczesnego wszechświata, a już w 1946 roku zaczął wierzyć, że wysokie temperatury we wczesnym wszechświecie mogą zapewnić odpowiednie warunki dla tworzenia pierwiastków chemicznych w ich właściwych proporcjach. Od czasu, kiedy Lemaitre po raz pierwszy rozwiązał problem, nastąpił znaczny postęp w dziedzinie fizyki jądrowej. W 1948 roku Gamow i Ralph Alpher (doktorant Gamowa) opracowali model wczesnego wszechświata składający się z neutronów w bardzo wysokiej temperaturze. Kiedy ich praca została opublikowana w 1948 roku, wybitny astrofizyk Hans Bethe był zaskoczony tym, że znalazł się na liście współautorów. Chociaż Bethe nie miał nic wspólnego z pracą, praktyczny Gamow myślał, że byłoby zabawnie mieć ważną pracę autorstwa Alpher, Bethe i Gamow, kalambur na pierwszych trzech literach greckiego alfabetu: alfa, beta i gamma. Ku zadowoleniu Gamow, gazeta ukazała się w pierwszym kwietniowym numerze The Physical Review. Teoria ta (i jej kolejne wersje) znana jest jako Wielki Wybuch. Jak na ironię, imię to nadał mu Fred Hoyle w wywiadzie radiowym BBC w 1949 roku. Hoyle był współautorem alternatywnej teorii kosmologicznej znanej jako teoria Stanu Stacjonarnego i silnym krytykiem teorii Gamowa. Powszechnie mówi się, że Hoyle miał na myśli pejoratywny termin "Wielki Wybuch", ale wyraźnie zaprzeczył, że tak właśnie było. Powiedział, że to po prostu uderzający obraz, który ma na celu podkreślenie dla słuchaczy radia różnic między jego i Gamowa teoriami. Wielki Wybuch jest niefortunnym terminem dla teorii. Sugeruje eksplozję, czyli materię lecącą we wszystkich kierunkach od centralnego punktu do poprzednio niezajętej przestrzeni. Wielki Wybuch nie był eksplozją materii. Jeśli cokolwiek, to była eksplozja przestrzeni. Materia wypełniła całą przestrzeń mniej lub bardziej równomiernie od początku czasu. W 1953 r. Model zmodyfikowano tak, aby zaczął się od materii w postaci protonów, neutronów i elektronów. Poprzez serię reakcji jądrowych protony i neutrony zlewały się tworząc jądra. Ten proces nazywany jest nukleosyntezą. Model Gamowa z łatwością wyjaśnił wysokie procenty wodoru i helu, ale zupełnie nie był odpowiedni dla cięższych pierwiastków. Bez względu na to, ile razy Gamow zmienia obliczenia, nukleosynteza w zasadzie zatrzymuje się po helu. Było to wówczas uważane za fatalną wadę teorii. Teoria Wielkiego Wybuchu George′a Gamowa zakładała, że wczesny wszechświat był niezwykle gorący i gęsty, a temperatura stale się zmniejszała z powodu ekspansji przestrzeni. Te założenia doprowadziły do dwóch nieuniknionych prognoz. Po pierwsze, że wczesny wszechświat zawierał tylko elementy wodoru i helu. To było rozczarowanie dla Gamow. Jego motywacją do rozpoczęcia obliczeń było wykazanie, że względne obfitości pierwiastków chemicznych obecnych we wszechświecie można teraz wytłumaczyć gorącymi, gęstymi warunkami we wczesnym wszechświecie. Ponadto, jeśli cięższe pierwiastki nie były produkowane we wczesnym wszechświecie, ani on, ani nikt inny w tym czasie nie wiedział, skąd mogli pochodzić. Gamow przewidział również, że wszechświat powinien być wypełniony promieniowaniem elektromagnetycznym pozostałym po wydarzeniach we wczesnym Wszechświecie, ale znacznie ostudzony przez późniejszą ekspansję przestrzeni. Wkrótce po artykule , Ralph Alpher i Robert Herman obliczyli obecną temperaturę promieniowania na około 5 K (5 stopni powyżej zera absolutnego). W tamtym czasie było to nieprzewidywalne przewidywanie. Z tego i innych powodów praca Gamowa i jego uczniów, Alphera i Hermana, nie została potraktowana bardzo poważnie. Ważne jest, aby zauważyć, że teoria Wielkiego Wybuchu nie jest teorią pochodzenia wszechświata, jak to się często mówi. Ani wtedy, gdy po raz pierwszy zaproponowano, ani teraz, nie mówi nic o pochodzeniu. Najwcześniejsze temperatury i gęstości są o wiele za wielkie, by można je było opisać przy użyciu naszego obecnego rozumienia fizyki. Teoria Wielkiego Wybuchu jest raczej opisem bardzo wczesnego wszechświata. Podczas swojej kariery Gamow przełączył swoje zainteresowania z fizyki jądrowej na astrofizykę na kosmologię. W latach pięćdziesiątych zwrócił uwagę na pochodzenie życia. Szybko rozpoznał znaczenie modelu DNA zaproponowanego przez Cricka i Watsona w 1953 roku i zdał sobie sprawę, że zasady zawierają kod dla aminokwasów. Gamow jest najlepiej znany publiczności ze swoich doskonałych książek popularyzujących abstrakcyjne teorie fizyczne, z których kilka wciąż jest w druku.

7.3 Robert Dicke

Pierwszym krokiem do potwierdzenia pierwszej prognozy było rozwiązanie problemu pochodzenia cięższych pierwiastków. Stało się tak w 1957 roku, ironicznie częściowo z powodu Freda Hoyle′a, najbardziej znanego przeciwnika Wielkiego Wybuchu. On i jego koledzy byli w stanie pokazać, że cięższe pierwiastki można wytwarzać we wnętrzach masywnych gwiazd. Od tego czasu obserwacje najstarszych gwiazd w naszej galaktyce i bardzo odległych galaktyk na wczesnym etapie ich ewolucji całkowicie potwierdziły prognozę, że wczesny wszechświat był zasadniczo czystym wodorem i helem. Potwierdzenie drugiej prognozy, istnienie tego, co nazywane jest obecnie promieniowaniem tła kosmicznego, stanowi jedno z najważniejszych odkryć w historii nauki. Historia zaczyna się na początku lat sześćdziesiątych. Robert Dicke i jego koledzy z Uniwersytetu Princeton zaczęli przemyśliwć konsekwencje początku Wielkiego Wybuchu we wszechświecie. Pracując nad fizyką, Dicke, podobnie jak wcześniej Gamow, zdał sobie sprawę, że wczesny wszechświat musiał być niemal czystym wodorem i helem. Nie stanowiło to już problemu, ponieważ wiadomo było, że cięższe pierwiastki są wytwarzane w gwiazdach. Dicke uświadomił sobie, że gdyby wszechświat przeszedł przez równomiernie gorącą scenę w swojej skompresowanej przeszłości, wówczas obecny wszechświat musiałby być koniecznie wypełniony promieniowaniem elektromagnetycznym, ochłodzonym od początkowej wysokiej temperatury przez ekspansję przestrzeni. Tak samo przewidywał Gamow. Jednak kiedy Gamow to przewidział, technologia radiowa nie była wystarczająco zaawansowana, aby wykryć promieniowanie związane z tak niską temperaturą tła. W rezultacie pierwotne przewidywania szybko zostały zapomniane. W 1975 roku Dicke napisał:
"Jest jeden niefortunny i żenujący aspekt naszej pracy nad promieniowaniem ognistym. Nie udało nam się przeprowadzić odpowiedniej literatury i straciliśmy ważniejsze artykuły od Gamowa, Alphera i Hermana. Muszę zrzucić winę za to, ponieważ inni w naszej grupie byli zbyt młodzi, aby poznać te stare papiery. W dawnych czasach słyszałam, jak Gamow rozmawia w Princeton, ale przypomniałem sobie, że jego modelowy wszechświat jest zimny i początkowo wypełniony tylko neutronami."
Sytuacja technologiczna poprawiła się, gdy grupa Princeton osiągnęła wcześniejsze wyniki Gamowa. Było już jasne, że takie promieniowanie tła powinno być możliwe do zaobserwowania, a eksperymentatorzy z Princeton, nieświadomi wcześniejszych przewidywań, natychmiast przystąpili do budowy odpowiedniego odbiornika radiowego. Jeśli pojawiło się coś w rodzaju Wielkiego Wybuchu, promieniowanie tła musi istnieć, i chociaż to nie byłby łatwym eksperymentem, Dicke i jego współpracownicy byli pewni, że będą w stanie go wykryć. Fizycy z Princeton znajdowali się w sytuacji, o jakiej marzą wszyscy naukowcy. Zajmowali się kwestią o fundamentalnym znaczeniu naukowym. Albo odkryją promieniowanie tła i dostarczą niezwykle silnego dowodu na korzyść Wielkiego Wybuchu, albo pokażą, że promieniowanie tła nie istnieje i tym samym obalamy teorię Wielkiego Wybuchu. W obu przypadkach przyczyniłby się do tego wkład w naukę godną najwyższego honoru, nagrody Nobla.

7.4 Penzias i Wilson

W tym samym czasie grupa Princeton zaczęła eksperymentować w poszukiwaniu promieniowania tła, dwaj radioastronomowie pracowali nad radioteleskopem w kształcie tuby w Bell Laboratories w pobliskim Homedale, New Jersey. Instrument był przeznaczony do użytku w transatlantyckiej komunikacji telefonicznej, a Arno Penzias i Robert Wilson zostali wyznaczeni do oceny działania teleskopu. W zamian za tę raczej przyziemną pracę, pozwolono im używać teleskopu do swoich prac naukowych. Penzias i Wilson przeprowadzili testy przy długości fali 7,35 centymetrów, w obszarze mikrofal widma radiowego. Szybko odkryli, że niezależnie od tego, w którym kierunku na niebie wskazano antenę, otrzymano sygnał. To było całkowicie nieoczekiwane. Ponieważ nic nie powinno wytwarzać promieniowania o tej długości fali, początkowo zakładali, że sygnał jest generowany w samym instrumencie. Chociaż poziom hałasu nie był wystarczający, aby znacząco zakłócać rozmowy telefoniczne, Penzias i Wilson byli naukowcami zajmującymi się świadomością i chcieli zrozumieć, skąd dochodzi hałas. Starannie sprawdzili elektronikę, zakryli wszystkie nity róg teleskopu aluminiową taśmą, a nawet rozdzielili sam róg i usunęli "biały materiał dielektryczny" pozostawiony przez gołębie - ale wciąż było za dużo nierozpoznanych dla tła hałasu. Penzias i Wilson byli całkowicie zaskoczeni. Wyeliminowali każde możliwe źródło promieniowania, a mimo to zawsze były obecne, bez względu na to, gdzie antena była skierowana. W 1965 r. Przyjaciel Penaziasa ,Bernarda Burke z MIT, opowiedział mu o papierze do preprintów, który zobaczył Jim Peebles, eksperymentalny współpracownik Roberta Dicke'a z Princeton, o możliwości znalezienia promieniowania pozostałego po wczesnym wszechświecie. Penzias i Wilson zaczęli zdawać sobie sprawę z znaczenia ich odkrycia i zadzwonili do Dicke'a. Po tym, jak Dicke odłożył słuchawkę, powiedział do swoich kolegów: "Cóż, chłopcy, zostaliśmy pokonani" Penzias i Wilson nieświadomie odkryli przewidywane kosmiczne promieniowanie tła. Obie grupy postanowiły wspólnie opublikować swoje wyniki. Listy zostały wysłane do Astrophysical Journal Letters, a Penzias i Wilson ogłosili swoje obserwacje, a Dicke i jego koledzy przekazali kosmologiczną interpretację. Grupa Princeton wkrótce zakończyła swoje pomiary weryfikując pracę Penziasa i Wilsona. Wykrywanie kosmicznego promieniowania tła jest uważane za drugą co do ważności (po Prawie Hubbl′a) obserwację, jaką kiedykolwiek poczyniono w odniesieniu do natury wszechświata. W 1978 r. Penzias i Wilson otrzymali Nagrodę Nobla za to odkrycie. Niestety, a wielu uważa, że nie jest to sprawiedliwe, Gamow nie został uwzględniony.

8 Wczesny Wszechświat

Wraz z odkryciem kosmicznego promieniowania tła, wahadło kosmologicznej opinii gwałtownie przeszło z modelu Stanu Stacjonarnego do modelu Wielkiego Wybuchu. Model Wielkiego Wybuchu przewidywał istnienie promieniowania tła, a model Stanu Stacjonarnego nie tylko go nie przewidział, ale nawet nie mógł go wytłumaczyć. Teraz wydaje się, że wszechświat musiał mieć początek - moment w przeszłości, poza którym niemożliwe jest prześledzenie łańcucha przyczyn i skutków. Ostatnie obliczenia wskazują, że ten początek miał miejsce około 13,7 miliarda lat temu. Aby powrócić w swoim umyśle do Wielkiego Wybuchu, musiałbyś podróżować w czasie, ale nie w kosmosie. Wielki Wybuch był tutaj, w tym samym miejscu, bardzo daleko w czasie. Ta planeta, ten układ słoneczny, ta galaktyka znajdują się w centrum wszechświata. Twierdzenie to jest jednak równie prawdziwe w przypadku każdej innej lokalizacji we wszechświecie. Podobnie jak w przypadku modelu balonowego wszystkie miejsca we wszechświecie są równoważne. Wielki Wybuch nie pojawił się w punkcie w przestrzeni; to znaczy, że ekspansja nie jest ekspansją materii w przestrzeni, która wcześniej nie była zajęta. Cała przestrzeń wszechświata została zajęta, mniej więcej jednolicie, przez materię i promieniowanie od początku czasu. Ekspansja jest rozszerzeniem samej przestrzeni. Większość materii pozostaje w spoczynku w przestrzeni, którą zajmuje. Gdzie jesteśmy teraz, gdzie materialne cząstki, które ostatecznie utworzyły nasze ciała, zostały zlokalizowane (dają lub biorą niewielki ułamek wielkości widzialnego wszechświata) kiedy wszechświat się zaczął.

8.1 Kwarki i leptony

W początkowej chwili wszechświat znajdował się w stanie o tak wysokiej gęstości i temperaturze, że nie można zastosować naszych obecnych teorii fizycznych. Niektóre wysoce spekulatywne teorie można wykorzystać do dyskusji na temat wszechświata 10-42 sekund po jego początkach. Fizyka opisująca wszechświat 10-35 sekund po Wielkim Wybuchu, choć wciąż niepotwierdzona w laboratorium, znajduje się na nieco twardszym podłożu. To jest era Inflacji, czas niezwykle szybkiej ekspansji. Inflacja wyjaśnia kilka niewytłumaczalnych faktów dotyczących wszechświata. Również w czasie, gdy teoria była proponowana we wczesnych latach 80., przewidywała geometrię wszechświata, którą wszyscy uważali za fałszywą, ale która w XXI wieku okazała się prawdziwa. Jedną milionową sekundy po rozpoczęciu ekspansji obniżyła temperaturę i gęstość wszechświata do wartości mieszczących się w testowanych przez laboratorium teoriach fizycznych. Aby być na konserwatywnej stronie, nasza dyskusja o ewoluującym wszechświecie rozpocznie się w tym czasie. Temperatura wszechświata wynosiła około 1012 K. Zwyczajna materia wszechświata, materia, która ostatecznie utworzy atomy, gwiazdy i nas, jest w tym czasie w postaci elementarnych cząstek - kwarków i leptonów. (Na marginesie: Arystoteles sprzeciwił się koncepcji cząstek elementarnych na tej podstawie, że gdyby miały one rozszerzenie w przestrzeni trójwymiarowej, to przynajmniej w zasadzie byłyby podzielne i nie mogły być elementarne. jakby kwarki i leptony w rzeczywistości nie miały rozszerzenia w przestrzeni trójwymiarowej. Po ponad 2000 latach i długo po tym, jak naukowcy zaakceptowali ideę cząstek elementarnych, zarzut Arystotelesa został rozwiązany i odpowiedziano na to pytanie.)

8.2 Protony i neutrony

W naturze istnieją siły zdolne do utrzymywania razem kwarków i leptonów, ale nie są one nieskończenie silne. Jeśli temperatura jest zbyt wysoka, cząstki będą zderzać się tak gwałtownie, że jakakolwiek struktura, która istniała tymczasowo, zostanie zerwana przez uderzenie. Jednakże, gdy wszechświat rozszerza się i chłodzi, poziomy struktury pojawiają się w zależności od siły odpowiedzialnej za strukturę. Struktura, którą tworzy najsilniejsza z tych sił, pojawia się jako pierwsza. Ta siła jest siłą, którą kwarki wywierają na siebie nawzajem. Po kilku milionach sekundy po rozpoczęciu, gdy temperatura wynosiła około 1012 K, grupy trzech kwarków pochodziły z nukleonów, które ostatecznie utworzą jądra atomowe. Zależnie od rodzaju zaangażowanych kwarków, nukleon będzie miał albo ładunek dodatni (proton) lub bez ładunku (neutron). Ta epoka w historii wszechświata znana jest jako uwięzienie kwarków. Drugi poziom struktury tworzy się około 3 do 4 minut później, gdy temperatura została obniżona do 109 K. W czasie zamknięcia kwarku istnieje taka sama liczba protonów i neutronów. Ze względu na nieco większą masę, reakcje jądrowe sprzyjają przekształcaniu neutronów w protony w wyniku transformacji protonów do neutronów, więc do tego czasu protony przewyższają liczbę neutronów o siedem do jednego. Teraz jest wystarczająco chłodno, aby silna siła nuklearna łączyła protony i neutrony w celu utworzenia jąder atomowych. Silna siła jądrowa jest w rzeczywistości siłą resztkową wynikającą z interakcji między kwarkami, które tworzą protony i neutrony. Ta siła resztkowa jest mniej silna niż siła wiążąca kwarki i dlatego wymagana jest niższa temperatura, aby mogła wywierać wpływ. Jego charakter ogranicza go również do bardzo krótkich zasięgów, w przeciwieństwie do grawitacji lub siły elektromagnetycznej. Protony i neutrony muszą dosłownie zetknąć się ze sobą, aby siła mogła wywoływać efekt.

8.3 Jądra

Większość neutronów szybko wiąże się z protonami, tworząc jądro helu składające się z dwóch neutronów i dwóch protonów. Niewielka część neutronów jest związana w jądra składające się z jednego protonu i jednego neutronu (wodór, czasami nazywany deuterem w tej postaci), lub dwa protony i jeden neutron (hel), Jeszcze rzadziej, jądra składające się z trzech protonów i czterech neutronów ( lit) mogą tworzyć. Kiedy wszystkie neutrony są związane w jądra, pozostałe protony (jądra wodoru) stanowią około 94% jąder, a prawie cała reszta to jądra helu składające się z dwóch protonów i dwóch neutronów. Inne rodzaje jąder stanowią zaledwie niewielką część procentowej ilości materii jądrowej

8.4 Atomy

Trzeci poziom struktury powstaje dopiero około 370 000 lat po Wielkim Wybuchu. Ten poziom składa się z neutralnych atomów tworzonych, gdy elektrony łączą się z jądrami z powodu siły elektromagnetycznej przyciągania między ujemnie naładowanymi elektronami i dodatnio naładowanymi jądrami. Siła elektromagnetyczna jest znacznie słabsza niż siła, która wiąże protony i neutrony w celu utworzenia jąder, więc zanim atomy będą mogły powstać, trzeba osiągnąć znacznie niższe temperatury, rzędu 3000 K. W tej dyskusji na temat wczesnego wszechświata skupiliśmy się na w sprawie rozwoju struktury we wszechświecie. Zaangażowane cząstki są kwarkami i leptonami, a struktury są przede wszystkim protonami i neutronami, a następnie jądrami, a na końcu atomami. Ta sprawa, jak się później dowiemy, stanowi tylko niewielki ułamek materii we wszechświecie. Ta inna materia, czasami nazywana materią egzotyczną lub ciemną, nie tworzy struktur i istnieje we wszechświecie tylko w postaci elementarnych cząstek. Ponieważ naszym celem jest prześledzenie kosmologicznej historii istot ludzkich i ponieważ składamy się ze zwykłej materii, skupimy się na ewolucji zwykłej materii. Przed utworzeniem neutralnych atomów fotony bardzo silnie oddziaływały z materią. Ta interakcja była spowodowana faktem, że poszczególne cząstki materii (jądra wodoru, jądra helu i elektrony) są naładowane elektrycznie. Fotony (w końcu promieniowanie elektromagnetyczne) oddziałują bardzo silnie z naładowaną materią, podróżując tylko na krótkich dystansach, zanim zostaną zniszczone, a nowe fotony są tworzone. Stale współdziałając w ten sposób, promieniowanie materii i promieniowania elektromagnetycznego ewoluowało razem, zarówno we wspólnej temperaturze. Jednakże, przy tworzeniu neutralnych atomów, prawdopodobieństwo interakcji między materią i fotonami jest zredukowane do niemal zera. Średnia odległość, jaką przemieszcza się foton między interakcjami z materią, nagle staje się tak duża, że praktycznie wszystkie fotony obecne we wszechświecie w tym czasie nie wchodzą w interakcję z materią, a zatem muszą wciąż być we wszechświecie. Materia i promieniowanie zaczęły ewoluować niezależnie, z których każda zajmowała ten sam wszechświat mniej więcej równomiernie, ale bez interakcji. Zjawisko to określa się jako oddzielenie. Od tamtej pory materia tworzyła gwiazdy, planety, ludzi itd., Podczas gdy ciągła ekspansja przestrzeni spowodowała spadek temperatury promieniowania elektromagnetycznego. W momencie oddzielenia temperatura we wszechświecie wynosiła około 3000 K. Dziś jest to 2,73 K. Opisany właśnie scenariusz jest tym samym rozumowaniem, przez które przeszli zarówno Gamow, jak i Dicke, analizując ich założenie, że wszechświat rozpoczął się skończony czas temu, w niezwykle gorącym i gęstym stanie. Rozumowanie to przekonało ich, że wczesny wszechświat był zasadniczo czystym wodorem i helem. Spowodowało to również niezależne przewidywanie istnienia kosmicznego promieniowania tła, którego odkrycie jest najbardziej znaczącym dowodem na korzyść teorii Wielkiego Wybuchu.

9 Nowoczesna Kosmologia

Znajdujemy się w nowej erze naszego zrozumienia wszechświata znanego jako kosmologia precyzyjna. Termin ten wynika z faktu, że silne warunki brzegowe zostały wprowadzone do modeli kosmologicznych w wyniku dokładnych pomiarów ważnych parametrów kosmologicznych. W przeważającej części ta nowa wiedza wynika z coraz bardziej szczegółowych badań kosmicznego promieniowania tła. W 1989 r. NASA uruchomiła Cosmic Background Explorer (COBE), który szybko dał spektakularny wynik: temperatura promieniowania wynosiła 2,725 K. Następnie dane COBE ujawniły bardzo niewielkie nieregularności w całym rozkładzie temperatury - fluktuacje temperatury rzędu 0,0004 K. Był to niezwykle ważny wynik, ponieważ badania do tego momentu nie wykazały fluktuacji. W przypadku braku fluksacji istnienie gwiazd i galaktyk nie miało żadnego sensu. Teoretykom przyniosła ulgę, że nastąpiły fluktuacje. Za te odkrycia John C. Mather i George Smoot zdobyli nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 2006 roku. W publicznym oświadczeniu Komitet Noblowski stwierdził, że "projekt COBE można również uznać za punkt wyjścia dla kosmologii jako nauki ścisłej".

9.1 WMAP

W 2003 r. Sonda anizotropii Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), instrument satelitarny przeznaczony do mapowania rozmiarów i mocy niewielkich nieregularności w kosmicznym mikrofalowym promieniowaniu tła, zaczął przekazywać dane z powrotem na Ziemię. Odbywały się okresowe aktualizacje wyników, ostatnie nadejście w 2010 roku. Obraz całego nieba promieniowania tła uzyskanego przez WMAP jest jednym z najbardziej spektakularnych obrazów w historii astronomii.



Obraz jest mapą wysokiej rozdzielczości temperatury promieniowania. Dane reprezentowane na mapie mówią o wieku wszechświata (13,75 ą 0,11 miliarda lat), tempie, w jakim obecnie się rozwija (71,0 ą 2,5 km / s na Mpc, gdzie 1 Mpc = 3262 roku świetlnego), energii gęstości różnych składników wszechświata (które będziemy traktować bardziej szczegółowo później) i wiele dodatkowych parametrów kosmologicznych. Znaczenie fluktuacji temperatury jest takie, że odpowiadają gęstościowemu strumieniowi materii we wszechświecie w czasie, gdy wytwarzane było kosmiczne promieniowanie tła, czyli w tym czasie neutralne atomy wodoru i helu utworzone we wczesnym wszechświecie. To z kolei określa, w jaki sposób grawitacja zbiera materię razem, tworząc struktury, które widzimy dzisiaj we wszechświecie, a mianowicie gwiazdy, galaktyki, klastry, supergromady i puste przestrzenie.

9.2 Ciemna energia

W 1998 roku przeprowadzono obserwacje supernowych typu IA w celu zmierzenia tempa spowalniania ekspansji przestrzeni. Oczekiwano, że spowolnienie nastąpi z uwagi na przyciąganie grawitacyjne klastrów. Zamiast tego dane wskazywały, że tempo ekspansji faktycznie przyspiesza. Było to tak sprzeczne z naszym rozumieniem wszechświata w tamtym czasie, które naukowcy zaangażowani niechętnie opublikowali wynik. Byli pewni, że to musi być złe. Dopiero gdy dwa niezależne zespoły przeprowadzające badania dowiedziały się, że druga drużyna osiągnęła ten sam rezultat, odważyli się opublikować. Dalsze badania jednoznacznie potwierdziły wynik. Wraz z odkryciem, że ekspansja przestrzeni przyspiesza, a nie zwalnia, potrzebna jest nowa fizyka. Przyspieszenie oznaczało, że musi istnieć kosmiczna siła odpychająca, która jest silniejsza niż przyciągająca siła grawitacji. Było to zupełnie nieoczekiwane, ale, jak się okazuje, nie zupełnie bezprecedensowe. W 1916 roku Einstein zasugerował właśnie taką siłę, aby "naprawić" problem, który jego Ogólna Teoria Względności przewidywał, że przestrzeń musi się rozszerzać lub kurczyć. Ta odpychająca siła weszła w jego teorię w postaci stałej kosmologicznej, którą dodał do swoich równań. Po poznaniu, że przestrzeń faktycznie się rozwijała, Einstein nazwał włączenie stałej kosmologicznej największą pomyłką jego kariery naukowej. Może nie. Przez wprowadzenie stałej kosmologicznej z powrotem do równań możemy wyjaśnić obecne przyspieszenie ekspansji. Być może nie jest to właściwe wyjaśnienie (wciąż musimy się dużo nauczyć o naturze siły), ale obliczenia na niej oparte są zgodne ze wszystkim, co wiemy w tym czasie. Bez względu na to, jaka jest dokładna natura tej odpychającej siły, jej wpływ na wszechświat ma mroczną energię. Wierzymy, że siła związana z ciemną energią była stała w całej historii wszechświata. Z drugiej strony efekt samo-grawitacji nie był stały. Wcześniej w historii wszechświata skupiska galaktyk były bliżej siebie niż obecnie, a zatem siła przyciągania między nimi była silniejsza. Dopiero po rozszerzeniu się wszechświata przez pewien czas siła ciemnej energii przewyższała siłę grawitacji, a ekspansja przestrzeni zaczęła przyspieszać. Dane wskazują, że miało to miejsce około 5 miliardów lat temu. Składniki wszechświata, które obecnie mają znaczące konsekwencje dla szybkości ekspansji przestrzeni, to promieniowanie elektromagnetyczne, materia (zarówno ciemna jak i zwykła) i ciemna energia. W celu porównania skutku grawitacji z efektami siły odpychania, oba muszą być wyrażone w tych samych jednostkach. Wkład promieniowania i materii musi być wyrażony jako gęstości energii, a nie gęstości masowej. Oś pozioma reprezentuje czas, ale wyraża się ją w kategoriach współczynnika skali reprezentującego odległość między stałymi współrzędnymi w kosmosie, gdy wszechświat się rozszerza. Wartość R = 1 jest wartością obecną, a wartości mniejsze niż jeden, reprezentują przeszłość, gdy ustalone współrzędne są bliżej siebie. Gęstość energii promieniowania zmniejsza się szybciej niż gęstość materii, ponieważ zarówno gęstość liczbowa, jak i energia na foton zmniejszają się wraz z ekspansją, podczas gdy dla materii maleje tylko gęstość liczbowa, energia (masa) nie ulega wpływowi ekspansji. Ewolucję wszechświata w ciągu ostatnich 13,7 miliarda lat przedstawiono na poniższej ilustracji. Oś pozioma reprezentuje czas, podczas gdy oś pionowa reprezentuje rozmiar widzialnego wszechświata.



Po lewej stronie obrazu inflacja powoduje krótką ekspansję wykładniczą. Przez następne kilka miliardów lat ekspansja wszechświata stopniowo zwalnia z powodu przyciągania grawitacyjnego. Około 5 miliardów lat temu, kiedy odpychający efekt ciemnej energii pokonał samograwitację wszechświata, ekspansja zaczęła przyspieszać. Zwróć uwagę na punkt przegięcia (punkt, w którym zmienia się zakrzywienie otaczających linii), który to reprezentuje.

9.3 Zawartość wszechświata

Kiedy myślimy o zawartości wszechświata, przychodzi nam na myśl zwykła materia i promieniowanie elektromagnetyczne. Są to elementy, które można zobrazować. Oczywiście jest to o wiele bardziej skomplikowane. Ciemna energia odpowiada za przyspieszenie ekspansji. Są widmowe cząstki znane jako neutrina wypełniające wszechświat, bardzo małe ilości antymaterii, a także bardzo małe ilości materii składające się z cząstek zbudowanych z kwarków, ale bardziej masywne niż protony i neutrony. Cząstki te mają masę i przyczyniają się (choć pomijalnie w obecnym czasie) do samo-grawitacji wszechświata. Jest jeszcze inny rodzaj mrocznych rzeczy, jeden mający poważne konsekwencje dla wszechświata. Nazywa się ciemną materią. Ciemna materia to materia, która wynika z grawitacyjnego oddziaływania na widzialną materię, ale jest niewykrywalna przez emitowane lub rozproszone promieniowanie elektromagnetyczne. Stąd termin ciemny. Ciemną materię postulował Fritz Zwicky w 1934 r., Aby uwzględnić fakt, że galaktyki w gromadzie galaktyk nie mogły mieć wystarczającej masy w postaci świecących gwiazd, aby utrzymać skupiska razem. Prędkości galaktyk były po prostu zbyt wielkie, by siły grawitacji uniemożliwiły im zestrzelenie we wszystkich kierunkach, rozpuszczając klastry. Zdał sobie sprawę, że ta dodatkowa masa musi być wielokrotnie większa od masy materii świecącej. Przez 40 lat po początkowych obserwacjach Zwicky′ego nie było żadnych potwierdzających obserwacji wskazujących na obecność substancji nieoświetlonej. Potem, pod koniec lat 60. i na początku lat 70., młody astronom z Instytut Carnegie, Vera Rubin, przedstawiła pomiary prędkości gwiazd w galaktykach spiralnych. Rozkład prędkości gwiazd, jako odległość zwiększona ze środka galaktyk, sugerował, że masa galaktyk, zamiast koncentrować się w centrum galaktyk, gdzie zlokalizowana jest większość gwiazd, była bardziej równomiernie rozmieszczona w galaktykach. . Co więcej, prędkości te były o wiele za wielkie, by galaktyki trzymały się razem dzięki grawitacji własnej gwiazdy. Podczas gdy Zwicky używał terminu "brakująca masa" dla tej nieświecącej materii, Rubin wolał "ciemną materię". Ciemnej materii nie należy mylić z ciemną energią. Są zupełnie inne. Najbardziej oczywistą różnicą jest to, że ciemna energia jest odpychająca, podczas gdy ciemna materia działa na zasadzie przyciągającej siły grawitacji. Dokładna natura ciemnej materii nie jest obecnie znana, ale zasugerowano kilka możliwości. Początkowo teorie skupiały się na obiektach nieświecących wykonanych ze zwykłej materii (protonów, neutronów i elektronów), takich jak gwiazdy neutronowe, brązowe karły (obiekty o małej masie), czarne dziury i / lub słabe białe karły. Obiekty te były ogólnie określane jako "masywne zwarte obiekty halo lub MACHO. Obiekty te istnieją, ale teraz jest jasne, że stanowią one jedynie niewielki ułamek ciemnej materii. Jak na ironię, jednym z czołowych pretendentów do ciemnej materii są "słabo oddziałujące, masywne cząstki lub WIMP. Są hipotetycznymi cząstkami przewidywanymi przez teorię, ale jeszcze nie zaobserwowanymi. Fakt, że ładunek na tych cząsteczkach wynosi zero, wyjaśniałby, dlaczego nie emitują one ani nie absorbują promieniowania elektromagnetycznego. Prawda o naturze ciemnej materii jest dziś jednym z najważniejszych pytań w astronomii. Przed WMAP znaliśmy kategorie zawartości wszechświata, ale nie znaliśmy dokładnie ich zawartości procentowej. Dane WMAP dostarczyły tego, zarówno jak istnieją obecnie, jak i kiedy istniały w momencie uwolnienia kosmicznego promieniowania tła. Dokładniej, atomy stanowią 4,56 ą 0,16%, ciemna materia 22,7 ą 1,4%, a ciemna energia 72,8 ą 0,5% gęstości energii wszechświata. Zgodnie z oczekiwaniami, tylko materia i ciemna energia w znacznym stopniu przyczyniają się do zawartości energii w chwili obecnej. Również zgodnie z oczekiwaniami ciemna materia wnosi znacznie więcej niż zwykła masa protonów, neutronów i elektronów. Krótko po Wielkim Wybuchu ciemna energia w zasadzie nie wniosła żadnego wkładu. Ponieważ odsprzęganie nastąpiło po epoce radiacyjnej, udział ciemnej materii i atomów jest większy niż udział fotonów. Neutrino, choć ich wkład jest dziś niewielki, były wystarczająco gęste, aby stanowić 10% energii wszechświata.

9.4 Geometria wszechświata

Jednym z najgłębszych wniosków Ogólnej teorii względności był wniosek, że efekt grawitacji można sprowadzić do stwierdzenia o geometrii czasoprzestrzeni. W szczególności Einstein wykazał, że masa spowodowała zakrzywienie przestrzeni, a obiekty poruszające się w zakrzywionej przestrzeni mają swoje ścieżki odchylone, dokładnie tak, jakby działała na nie siła. Ten wynik wyeliminował kłopotliwą koncepcję grawitacji jako działania na odległość. W ogólnej teorii względności przestrzeń i czasoprzestrzeń nie są sztywnymi arenami, w których mają miejsce wydarzenia. Mają formę i strukturę, na którą wpływa materia i zawartość energetyczna wszechświata. Materia i energia wyznaczają krzywiznę przestrzeni (i czasoprzestrzeni). Krzywizna przestrzeni mówi, jak się poruszać. W szczególności małe obiekty poruszają się po najprostszych ścieżkach w zakrzywionej przestrzeni (czasoprzestrzeń). W zakrzywionej przestrzeni nie zachowały się zasady geometrii euklidesowej. Linie równoległe mogą się spotkać, a suma kątów w trójkącie może być większa lub mniejsza niż 180 stopni, w zależności od tego, jak przestrzeń jest zakrzywiona. W ogólnej teorii względności istnieją trzy możliwości krzywizny wszechświata: zero, dodatnie i ujemne. Jak widzieliśmy w omawianiu modelu balonu, nie możemy zwizualizować zakrzywionej przestrzeni trójwymiarowej, więc ponownie wyobrażamy sobie dwuwymiarową przestrzeń. Płaskie jest jak powierzchnia płaskiego kawałka papieru, dodatnia krzywizna jest jak powierzchnia kuli, a ujemna krzywizna jest jak siodło, lub użyć bardziej aktualnego przykładu, jak ziemniaczany Pringle. Jedną z właściwości krzywizny jest wpływ przestrzeni na rozciągnięte, lokalnie równoległe linie. W płaskiej przestrzeni, pozostają równoległe, w dodatnio zakrzywionej przestrzeni, zbiegają się, a w negatywnie zakrzywionej przestrzeni się rozchodzą. Gęstość energii we wszechświecie decyduje o tym, czy globalna krzywizna przestrzeni jest płaska, pozytywna lub negatywna. Gęstość, która uczyniłaby mieszkanie wszechświata, nazywa się gęstością krytyczną. Jeśli gęstość jest większa niż gęstość krytyczna, krzywizna jest dodatnia, a efekt grawitacji jest wystarczający aby ostatecznie zatrzymać ekspansję i spowodować skurcz. Taki wszechświat nazywa się zamkniętym wszechświatem. Jeśli gęstość jest mniejsza niż gęstość krytyczna, krzywizna jest ujemna, a grawitacja nie będzie wystarczająco silna aby zatrzymać ekspansję i wszechświat rozszerzy się na zawsze. Taki wszechświat nazywa się otwartym wszechświatem. Krzywizna wszechświata jest stałą własnością. Jeśli zaczynał jako otwarty lub zamknięty, pozostanie otwarty lub zamknięty na zawsze. Tak więc, jeśli znaliśmy geometrię w dowolnym momencie historii wszechświata, znamy los wszechświata. Okazuje się, że właściwości promieniowania tła kosmicznego zależą od geometrii, a tym samym stanowią próbę dla geometrii naszego wszechświata. Przez jakiś czas było jasne, że nie żyjemy w zamkniętym wszechświecie. Jedyne pytanie dotyczyło tego, czy nasz wszechświat był płaski, czy otwarty. Przed odkryciem ciemnej energii dowody bardzo silnie faworyzowały otwarty wszechświat. Na długo przed udostępnieniem danych WMAP, teoretyczne rozważania jasno pokazały, że pomiary fluktuacji temperatury (a tym samym gęstości materii) w momencie powstawania kosmicznego promieniowania tła będą decydować o tym, czy żyjemy w otwartym lub płaski wszechświat. Fluktuacje gęstości zostały wytworzone przez fale dźwiękowe podróżujące przez materię. (Fale dźwiękowe to po prostu oscylujące gęstości w niektórych ośrodkach, niezależnie od tego, czy jest to powietrze na ziemi, czy też sprawa samego wszechświata). Częstotliwość fal dźwiękowych i ich harmonicznych jest funkcją, a zatem miarą lub gęstością materia. W ten sposób, mierząc wzorce fluksacji temperatur, wielkość kątowa fluksacji, w efekcie mierzymy gęstość wszechświata w czasie formowania kosmicznego promieniowania tła. Obliczenia przewidują, że w płaskim wszechświecie największe fluksacje będą miały rozmiar kątowy około jednego stopnia, podczas gdy w zamkniętym wszechświecie będzie to około 1,5 stopnia i w otwartym wszechświecie około 0,5 stopnia. Wynik ten jest ważny z wielu powodów. Na początku lat osiemdziesiątych, kiedy po raz pierwszy zaproponowano inflacyjny model wszechświata, ogólnie uważano, że żyjemy w otwartym wszechświecie. Szacowana gęstość naszego wszechświata nie była nawet zbliżona do gęstości krytycznej. Jednak aby model inflacyjny był prawidłowy, wszechświat musiał być co najmniej bardzo bliski płaskiej. Teraz wydaje się całkiem jasne, że wszechświat jest płaski. Pamiętaj, że potwierdzenie prognozy w nauce nie jest dowodem tej teorii, ale stanowi ona mocny dowód na jej korzyść. Więcej najnowszych danych dotyczących promieniowania tła kosmicznego uzyskano dzięki sondzie Plancka uruchomionej przez Europejską Agencję Kosmiczną. Dane Plancka potwierdzają wyniki WMAP, a ich większa rozdzielczość zmniejsza niepewność niektórych parametrów kosmologicznych.

9.5 Modele kosmologiczne

Modelem, który najlepiej tłumaczy znane dane dotyczące natury naszego wszechświata, jest model Lamda-Cold Dark Matter (?CDM). Lamda to stała kosmologiczna wskazująca na istnienie siły odpychającej (ciemnej energii) we wszechświecie. Początkowo dyskutowano o tym, czy ciemna materia we wczesnym wszechświecie poruszała się z prędkościami zbliżonymi do prędkości światła (gorąca ciemna materia) lub z nierelatywnymi prędkościami (zimna ciemna materia). Wyniki WMAP są niespójne z hipotezą gorącej ciemnej materii. Model ?CDM zawiera następujące funkcje:
• Przyjmuje zasadę kosmologiczną, że nasze obserwacyjne położenie we wszechświecie nie jest w żaden sposób niezwykłe ani szczególne; na wystarczająco dużą skalę wszechświat wygląda tak samo we wszystkich kierunkach (izotropia) i z każdej lokalizacji (jednorodność).
• Zakłada, że właściwą interpretacją Prawa Hubble′a jest to, że przestrzeń się rozszerza.
• Przyjmuje płaską geometrię przestrzenną.
• Zakłada, że cząstki ciemnej materii miały nierelatywistyczne prędkości (znacznie poniżej prędkości światła) i składały się z materii innej niż protony i neutrony, aby były rozładowywane, a więc nie oddziaływały z promieniowaniem elektromagnetycznym i aby wchodzić w interakcje ze sobą i inne cząstki tylko dzięki grawitacji.
• Model zawiera jedno wydarzenie początkowe, "Wielki Wybuch" lub początkową osobliwość, która nie była eksplozją, lecz nagłym pojawieniem się ekspansji czasoprzestrzeni. Scenariusz "Wielkiego Wybuchu", z kosmiczną inflacją i standardową fizyką cząstek elementarnych, jest jedynym obecnym modelem kosmologicznym zgodnym z obserwowanym ciągłym rozszerzaniem przestrzeni, zaobserwowanym rozkładem materii, obserwowaną obfitością lżejszych pierwiastków i ich izotopów we wszechświecie, oraz przestrzenna tekstura drobnych nieregularności (anizotropii) w kosmicznym promieniowaniu tła. Kosmiczna inflacja jest konieczna, aby rozwiązać pewne problemy, których nie da się wytłumaczyć samym modelem Wielkiego Wybuchu, jak na przykład dlaczego kosmiczne promieniowanie tła jest niezależne od kierunku w przestrzeni. Oznacza to, że promieniowanie pochodzące z przeciwnych kierunków w przestrzeni jest identyczne. Bez inflacji regiony te nigdy nie mogły stykać się ze sobą, a zatem nie mogły znajdować się w równowadze termodynamicznej, czego wymagają obserwacje.

10 Gwiezdne Ewolucje

Widzimy proces narodzin, starzenia się i śmierci w pracy we wszystkim, co żyje. Jednak do niedawna oglądaliśmy ten dramat jako rozwijający się na niezmiennym tle. Gwiazdy były postrzegane jako stała niezmienna. Teraz wiemy, że one również, w bardzo realnym sensie, są zwykłymi śmiertelnikami. W naszej galaktyce gwiazdy nieustannie rodzą się, przeżywają swoje życie i umierają.

10.1 Narodziny gwiazdy

Kiedy pierwsze gwiazdy i galaktyki powstały około 13 miliardów lat temu, nie cały dostępny pierwotnie wodory i hel zostały zużyte w procesie formowania się gwiazd. W galaktykach takich jak nasza, rozległe obłoki gazu pozostały w dysku jako materia międzygwiezdna. Powstały gwiazdy pierwszej generacji produkując jądra rdzeni pierwiastków cięższych od helu. W ich wybuchowej śmierci te, wraz z jeszcze bardziej masywnymi jądrami wytworzonymi w samej eksplozji, zostały wysadzone w przestrzeń międzygwiezdną, wzbogacając pierwotny wodór i hel o cięższe pierwiastki. Ten wzbogacony materiał międzygwiezdny jest surowcem, z którego powstały późniejsze generacje gwiazd. Są to po prostu gorące, gęste skupiska materii międzygwiezdnej. Generalnie chmury materii międzygwiezdnej nie zmieniają się zbytnio. Są w równowadze hydrostatycznej, co oznacza, że ich skłonność do kurczenia się z powodu grawitacji jest równoważona ich tendencją do rozszerzania się z powodu temperatury i turbulencji. Tworzenie się gwiazdy rozpoczyna się, gdy równowaga zostaje zakłócona, a grawitacja zyskuje przewagę. Obserwacje i rozważania teoretyczne sugerują kilka różnych mechanizmów, które mogą to powodować. Kurczenie grawitacyjne chmury gazu i pyłu ma dwie ważne konsekwencje. Po pierwsze, podczas gdy chmura była nadal duża, jej ruch obrotowy nie był oczywisty. Jednakże, gdy chmura zapada się, wiruje coraz szybciej, tak jak łyżwiarze kręcą się coraz szybciej, gdy zaciskają ramiona. Fizycznym wyjaśnieniem tego jest zachowanie momentu pędu. W miarę, jak rotująca masa staje się coraz bardziej ściśnięta, jej prędkość obrotowa wzrasta, utrzymując stały moment pędu. Szybka rotacja ma bardzo ważne konsekwencje dla formowania się planet, o czym będziemy rozmawiać później na temat Układu Słonecznego. Drugą konsekwencją załamania grawitacyjnego jest to, że cząstki chmury przyspieszają i zderzają się częściej, gdy wpadają do środka. Temperatura jest po prostu miarą średniej energii kinetycznej (energii ruchu) cząstek, więc zapadanie powoduje wzrost temperatury. Ten efekt jest największy w centrum chmury. Wraz ze wzrostem gęstości centralnego obszaru cząsteczki zderzają się coraz częściej i rośnie ciśnienie. Ostatecznie gęstość wzrasta na tyle, by złapać promieniowanie elektromagnetyczne. To dramatycznie spowalnia upadek centralnego regionu. Tymczasem materiał z pozostałej części chmury nadal opada w kierunku środka, jeszcze bardziej zwiększając jej temperaturę, gęstość i ciśnienie. Region centralny jest teraz protogwiazdą. Chociaż, jak sama nazwa wskazuje, protogwiazda nie jest całkiem gwiazdą, ma wiele właściwości gwiazdy. Ma widoczną powierzchnię o temperaturze kilku tysięcy kelwinów. Gdyby można było zobaczyć ten obiekt, wyglądałaby jak wielka czerwona gwiazda. Z powodu wysokiej temperatury wewnętrznej protogwiazda, atomy zderzają się na tyle gwałtownie, aby wytrącić elektrony z ich orbit, tworząc stan zjonizowanej materii, znany jako plazma. Ponieważ protogwiazda nadal podlega grawitacji, temperatura rdzenia nadal wzrasta. Kiedy temperatura wewnętrzna staje się wystarczająco wysoka, aby zainicjować reakcje termojądrowe przekształcając wodór w hel, protogwiazda staje się gwiazdą.

10.2 Fuzja wodoru

W wielu kulturach prehistorycznych i starożytnych uważano, że słońce jest fenomenem nadprzyrodzonym, zwykle uosobionym jako bóg. Jak można było się spodziewać, był to starożytny Grek, który, o ile nam wiadomo, był pierwszym, który zaoferował naturalne wyjaśnienie. Anaksagoras zaproponował, że słońce jest olbrzymią, płonącą kulą z kamienia, a nie rydwanem boga Heliosa. Przed XIX w. spekulacje na temat źródła energii, którą promieniowało słońce, koncentrowała się na spalaniu z powodu podobieństwa między słońcem a ogniem. W XIX wieku zaczęto rozumieć pojęcie oszczędzania energii i zdawano sobie sprawę, że gdyby cała masa Słońca była w postaci jakiegoś palnego materiału, takiego jak węgiel, wypaliłaby się za mniej niż 10 000 lat. Wyraźnie za mało czasu. Spalanie lub jakakolwiek inna reakcja chemiczna nie może być źródłem energii Słońca. W połowie XIX w. zasugerowano stały skurcz grawitacyjny. To jednak przedłużyłoby życie Słońca zaledwie o kilka milionów lat, a wkrótce stało się jasne, że nawet to nie było wystarczająco długie. Początek XX wieku był początkiem naszego rozumienia fizyki jądrowej. Reakcje jądrowe często uwalniają stosunkowo duże ilości energii, miliony razy uwalniane w reakcjach chemicznych. Naturalne było zatem podejrzenie, że reakcje jądrowe mogą być zaangażowane w produkcję energii gwiazdowej. W 1928 r. Zaproponowano specyficzną reakcję jądrową - przekształcenie jąder atomowych w hel. Aby nastąpiła reakcja jądrowa, jądra muszą zbliżyć się do siebie na tyle, by silna siła jądrowa mogła je połączyć. Muszą niemal wpaść na siebie. Jednak protony (jądra wodoru), które inicjują reakcję fuzji, odpychają każdego z powodu ich dodatniego ładunku (siły elektromagnetycznej). Aby przezwyciężyć to odpychanie wystarczająco, aby umożliwić ich dotknięcie, muszą one poruszać się bardzo szybko, tj. temperatura musi być bardzo wysoka. Minimalna temperatura dla jakiejkolwiek znaczącej części protonów, aby wpaść na siebie wynosi 10 milionów K. Jeśli protogwiazda ma masę wystarczającą do rozwinięcia tej temperatury w rdzeniu, rodzi się gwiazda. Od tego momentu, aż do momentu wyczerpania wodoru w jądrze, gwiazda nazywana jest gwiazdą sekwencji głównej. Nasze Słońce jest gwiazdą sekwencji głównej. Jeśli zderzają się dwa protony, silna siła jądrowa zwiąże je tymczasowo. Jednak bardzo silna siła odpychania, jaką wywierają na siebie dwa ładunki dodatnie w tak bliskim sąsiedztwie, jest wystarczająca do zerwania wiązania, które wytworzyła między nimi silna siła jądrowa, powodując zatrzymanie reakcji termojądrowej. Jedyną rzeczą, która może temu zapobiec, jest przekształcenie jednego z protonów w neutron za pomocą beta-pozytywnej reakcji jądrowej. Jest to niezwykle nieprawdopodobna reakcja, która w połączeniu z małym ułamkiem sekundy, w której dwa protony są w kontakcie, powoduje, że reakcja jest bardzo nieprawdopodobna. Ale to dobrze. Nieprawdopodobieństwo reakcji pozwala gwiazdom powoli zużywać paliwo wodorowe. W przeciwnym razie nasze słońce nie byłoby stałym źródłem podtrzymującej życie energii, która była przez ostatnie 4,6 miliarda lat. Jeśli zachodzi reakcja beta-pozytywna, powstałe jądro zawiera jeden proton i jeden neutron. Jest to postać wodoru zwana deuterem lub ciężkim wodorem. Po ustąpieniu wąskiego gardła rozpadu beta, pozostała część reakcji szybko przechodzi. Najpierw dodaje się inny proton, wytwarzając hel z dwoma protonami i jednym neutronem, znanym jako hel-3 (dla trzech nukleonów w jądrze). Ostatnim etapem w łańcuchu fuzji wodorowej jest to, że dwa jądra helu-3 łączą się, tworząc helu-4 (dwa protony i dwa neutrony), uwalniając dwa protony w procesie. Ogólnie rzecz biorąc, 4 protony przestały istnieć, a na ich miejsce jest jądro helu-4, dwa pozytrony, dwa neutrina i energia. Korzystając z notacji jądrowej, reakcja ta jest zapisana:



Pozytony są reprezentowane przez symbol "e" z zerowym indeksem górnym wskazującym, że nie jest on cząstką jądrową, a +1 wskazuje ładunek dodatni w przeciwieństwie do ładunku ujemnego na elektronu, także reprezentowanym przez symbol "e". Neutrina są reprezentowane przez symbol "?", grecka litera nu z zerami reprezentuje nie jądrową cząstkę bez ładunku. Energia pochodzi ze zmniejszenia masy związanej z reakcją zgodnie z równaniem Einsteina E = mc2. Masa gwiazdy głównej sekwencji określa jej właściwości. Są one zwykle wyrażane w jednostkach na podstawie wartości nieruchomości dla naszego Słońca. Indeks dolny "o" oznacza nasze słońce. Tak więc, jeśli gwiazda emituje 25 razy więcej energii na sekundę niż nasze Słońce, jego jasność, L = 25 Lo.

10.3 Śmierć gwiazd

Masa jest najważniejszą właściwością przy określaniu, w jaki sposób gwiazda ewoluuje, a zwłaszcza w jaki sposób umiera. W odniesieniu do ich śmierci, gwiazdy można podzielić na trzy odrębne kategorie mas: bardzo niska masa (0,08 do 0,4 masy Słońca), niska masa (0,4 do 9,0 mas Słońca) i wysoka masa (od 9,0 do 60 mas Słońca). Fizyka śmierci gwiazd o bardzo niskiej masie jest skomplikowana. Jest to również hipotetyczne w tym sensie, że ich życie przekracza wiek wszechświata. Nikt nigdy nie umarł i nie będą dalej dyskutowane. W przypadku gwiazd o małej masie, takich jak nasze Słońce, gdy wodór w rdzeniu ulega wyczerpaniu, temperatura powierzchni i jasność powoli się zmieniają. Chociaż wodór ulega wyczerpaniu, energia wytwarzana przez fuzję wodoru wzrasta, wywierając większy nacisk na zewnątrz, powodując rozszerzanie się i chłodzenie zewnętrznych obszarów gwiazdy. W końcu stają się czerwonymi olbrzymami z rdzeniami całkowicie pozbawionymi wodoru, jasność zapewniana przez fuzja wodoru w powłoce otacza obojętny rdzeń helu. Ponieważ energia nie jest wytwarzana w rdzeniu, grawitacja kurczy ją, powodując wzrost temperatury rdzenia. Ostatecznie temperatura rdzenia staje się wystarczająca do połączenia helu z węglem i odrobiną tlenu. Konieczne są wyższe temperatury niż w przypadku fuzji wodorowej, ponieważ jądra helu mają dwa protony i tym samym odpychają się wzajemnie silniej niż jądra wodoru. Po wyczerpaniu helu rdzeń ponownie się kurczy i nagrzewa, ale nie osiąga temperatury wystarczającej do zestalenia węgla. Gwiazdy o niskiej masie giną z rdzeniami węglowymi i tlenowymi. W procesie umierania gwiazda zacznie pulsować, a ostatecznie zewnętrzny obszar zostanie wyrzucony, pozostawiając małe gorące region za sobą. Ta martwa gwiazda znana jest jako biały karzeł.

10.4 Supernowe

Linia podziału między gwiazdami o niskiej masie i dużej masie opiera się na tym, czy ich rdzenie osiągają temperaturę wystarczającą do zestalenia węgla. Masa, w której to występuje, nie jest dokładnie znana, ale ogólnie uważa się, że ma około 9 mas Słońca. Gdy rozpocznie się fuzja węgla, gwiazda przejdzie sekwencję paliw, kurcząc się, ogrzewając i łącząc kolejny najcięższy pierwiastek pozostały w rdzeniu. Gwiazda staje się warstwowa jak cebula. Kolejność fuzji trwa, dopóki gwiazda nie rozwinie żelaznego jądra. Do tego momentu każda kolejna reakcja syntezy doprowadziła do uwolnienia energii. Oznacza to, że w każdej reakcji produkty reakcji mają nieco mniejszą masę niż jądra inicjujące reakcję, a ilość energii podana przez E = mc2, gdzie m jest utraconą masą, jest uwalniana. Pomaga to wspierać gwiazdę przed grawitacją. Jednak żelazo jest najbardziej stabilnym jądrem, które można wytworzyć w gwieździe. W rezultacie, gdy temperatura staje się wystarczająca, aby żelazo reagowało, zamiast uwalniania energii, energia jest pochłaniana, powodując większy skurcz i jeszcze wyższe temperatury. Rezultatem jest reakcja uciekająca. Wyższa temperatura powoduje, że reakcje żelaza przyspieszają, pochłaniają jeszcze więcej energii itd. Temperatura rdzenia staje się tak wysoka, że same jądra dzielą się na pojedyncze protony, a neutrony absorbują jeszcze więcej energii. W jeszcze wyższych temperaturach elektrony i protony łączą się, aby ponownie uzyskać neutrony i neutrina, co jest reakcją pochłaniającą energię. Ponieważ liczba protonów i elektronów jest dokładnie taka sama (rdzeń jest neutralny elektrycznie), rdzeń składa się teraz wyłącznie z neutronów, a neutrina są emitowane z dala od rdzenia. W ułamku sekundy ziemskie żelazne jądro zostaje przekształcone w jądro neutronowe o średnicy około 10 mil. Nieobsługiwane regiony zewnętrzne teraz swobodnie opadają w kierunku jądra neutronowego. Implozja przekształca się w eksplozję poprzez kombinację wydarzeń. Uparty materiał uderzy w powierzchnię nieściśliwego rdzenia neutronowego z prędkością zbliżającą się do prędkości światła. Ponieważ rdzeń jest nieściśliwy, materiał nieodwracalny będzie odbijał się z tą samą prędkością. Ponadto, ciśnienie neutrin opuszczających rdzeń i energia generowana przez stapianie w materiale, w którym się znajduje, dodaje energii do wybuchu. Wynikająca z tego potężna eksplozja nazywana jest supernową. Energia eksplozji wytwarza elementy bardziej masywne niż żelazo, aż do uranu i dalej. Supernowa wysadza te szczątki w przestrzeń międzygwiezdną, wzbogacając materiał międzygwiezdny o cięższe pierwiastki. Supernowa może pozostawić jądro neutronowe, w którym to przypadku staje się gwiazdą neutronową. Jeśli początkowa wartość masy gwiazdy jest wystarczająco wysoka (obecnie nie znamy wartości wymaganej masy), jądro neutronowe będzie bardziej masywne niż może wytrzymać ciśnienie neutronowe, a wynikiem będzie całkowite załamanie grawitacyjne. Ten stan materii znany jest jako czarna dziura. W 1967 roku Jocelyn Bell, wówczas studentka, zaobserwowała silne impulsy radiowe pochodzące z kosmosu. Początkowo ona i jej konsultant, Anthony Hewish, byli zaskoczeni pozornie nienaturalną regularnością emisji. Chociaż nigdy nie traktowali tego zbyt poważnie, nazwali odkrycie LGM-1, od "małych zielonych ludzików" (powszechna nazwa w tamtym czasie dla inteligentnych istot pochodzenia pozaziemskiego). Wkrótce odkryto inne LGM, a nazwę zmieniono na pulsary (skurcz pulsującej gwiazdy). W 1968 r. Thomas Gold zasugerował, że pulsary są szybko rotującymi gwiazdami neutronowymi emitującymi promieniowanie z ich biegunów magnetycznych. Ponieważ oś obrotu różni się od osi pola magnetycznego, pulsary działają jak latarnia morska, wytwarzając impuls promieniowania, gdy wiązka obraca się wokół Ziemi. Częstotliwość tych impulsów jest określona przez okres rotacji gwiazdy neutronowej. Okresy pulsarów wahają się od milisekund do kilku sekund. Dla naszej historii "Od chaosu do świadomości" najbardziej znaczącym wynikiem ewolucji gwiazdowej jest to, że życie i śmierć gwiazd o dużej masie jest jedynym sposobem, w jaki można produkować elementy masywniejsze niż hel we wszechświecie, elementy takie jak węgiel, tlen i wszystkie inne znajome elementy, które składają się na naszą planetę i nasze ciała. Kiedy Carl Sagan powiedział "Jesteśmy gwiezdnym pyłem", mówi całkiem dosłownie.

11 Formowanie Ziemi

11.1 Układ słoneczny

Ciała złapane bezpiecznie w grawitacyjnym uścisku naszej gwiazdy tworzą układ słoneczny. Stanowią nasze sąsiedztwo, jedyną natychmiast dostępną część wszechświata. Jesteśmy w erze eksploracji Układu Słonecznego, w czasie, gdy wcześniej niepojęte fakty dotyczące naszych siostrzanych planet i ich księżyców można znaleźć przy każdej nowej sondzie kosmicznej. Co więcej, jest teraz jasne, że proces, który doprowadził do naszego układu słonecznego, zadziałał w tworzeniu innych gwiazd, a one także mają własne układy planetarne. Jak sama nazwa wskazuje, największym i najbardziej masywnym ciałem w układzie słonecznym jest słońce. Słońce dominuje nad naszym istnieniem. Rozwinęliśmy wzory snu i budzenia zgodnie z pojawieniem się i zniknięciem słońca. Nasze kalendarze pokazują sezonową relację między Ziemią a Słońcem. W rzeczywistości nasze przetrwanie zależy od stałego pożywienia przez słońce. Nasze mitologie, nasz folklor i nasze pseudonauki wszystko odzwierciedla naszą wrodzoną intuicję, że nasze życie jest nierozerwalnie związane z układem słonecznym. Ciałami, które składają się na układ słoneczny, są Słońce, planety, planety karłowate, komety, księżyce, asteroidy i meteoroidy. Około 99,9% masy układu słonecznego znajduje się na słońcu. Większość reszty ma postać planet. Ze względu na dużą masę Słońca dominuje ruch wszystkich innych obiektów w Układzie Słonecznym. Planety i większość pozostałej materii są rozmieszczone w płaszczyźnie. Jak widać z punktu obserwacyjnego daleko na północ od Układu Słonecznego, słońce obraca się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara wokół swojej osi. Planety i asteroidy leżą prawie w równikowej płaszczyźnie Słońca i obracają się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara wokół Słońca na eliptycznych, ale prawie okrągłych orbitach. Z wyjątkiem Wenus i Urana, planety obracają się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, a księżyce krążą wokół swoich planet w ten sam sposób. Komety różnią się w układzie słonecznym pod względem ich orbit wokół Słońca. Zamiast leżeć w tej samej płaskiej płaszczyźnie, są one sferycznie rozmieszczone. Mają również wysoce eliptyczne orbity i są tak samo prawdopodobne, że posiadają orbitę przeciwną do ruchu wskazówek zegara. Komety są dla układu słonecznego, tak jak gwiazdy halo są w Galaktyce Mlecznej Drogi. Oprócz tych prawidłowości ruchu, istnieją pewne prawidłowości rozkładu chemicznego w układzie słonecznym. Materiał układu słonecznego ogólnie mieści się w jednej z trzech szerokich kategorii, gazów, substancji lotnych lub materiałów skalisto-metalicznych. Gazy to głównie wodór i hel. Substancje lotne obejmują wodę, metan, amoniak i dwutlenek węgla. Stałe formy substancji lotnych są nazywane lodem. Materiałami skalisto-metalicznymi są głównie związki żelaza i krzemu. Materiały te nie są losowo rozmieszczone w układzie słonecznym. Najgłębsze planety i księżyce są prawie w całości skalne - metaliczne w składzie. Asteroidy są skalisto-metaliczne, z najbardziej zewnętrznymi zawierającymi znaczące frakcje lodowatego materiału. Oprócz skalisto-metalicznego i lodowatego materiału, planety Jowisz, Saturn, Uran i Neptun zawierają ogromne ilości gazu. W rzeczywistości Jowisz i Saturn, podobnie jak Słońce, są głównie wodorem i helem. Planety karłowate i księżyce zewnętrznego układu słonecznego są skaliste-metaliczne i lodowate w kompozycji

11.2 Pochodzenie Układu Słonecznego

Pierwszą naukową teorią pochodzenia układu słonecznego była teoria francuskiego filozofa Rene Descartes′a. W 1644 roku zaproponował, by przestrzeń była początkowo wypełniona wirującym gazem, w którym duże wiry przekształciły się w gwiazdy, podczas gdy planety i ich satelity powstały ze znacznie mniejszych wirów. Niemiecki filozof Immanuel Kant zastosował prawa Newtona do modelu Kartezjusza w 1755 roku i doszedł do wniosku, że wirujący gaz przybierze kształt dysku. Francuski matematyk Pierre-Simon Laplace niezależnie zaproponował podobną teorię w 1796 r. Historycznie planety poruszały się wzdłuż ich orbit i obracały się wokół swoich osi w tym samym kierunku, w którym słońce się obracało. Pod koniec lub w XIX wieku stało się jasne, że istnieją dwa poważne problemy z hipotezą mgławicy. Po pierwsze, planety i księżyce zawierały niewystarczającą masę, aby utworzyli z grawitacyjnym kola[psie . Po drugie, grawitacyjne zapadnięcie się obłoku gazu i pyłu powinny doprowadzić do słońca, które obracany dużo szybciej niż nasze Słońce robi. W drugiej połowie XX wieku oba te problemy zostały rozwiązane. Rozumiemy teraz, że formowanie się planet i księżyców nie rozpoczęło się wraz z zapaścią grawitacyjną, lecz zlepieniem się małych, pełnych ziaren w mgławicy słonecznej. Proces ten nazywa się akrecją i jest przykładem kuli śnieżnej toczącej się po zboczu śniegu i zyskujących masę. Akrecja wyjaśnia również, dlaczego pył niekiedy koncentruje się w kulkach kurzu. Dopiero po tym, jak ciała osiągną wystarczającą masę, grawitacja odegra rolę w ostatecznej formacji. Problem z obrotem słońca został rozwiązany, gdy odkryto, że słońce stale emituje cząstki naładowane z dużą prędkością. Są one znane jako wiatr słoneczny. Gdy wiatr słoneczny opuszcza słońce, przechodzi przez pole magnetyczne Słońca, a cząsteczki są odbijane przez siłę magnetyczną. Dla każdego działania występuje równa i odwrotna reakcja (trzecie prawo ruchu Newtona), a zatem sile, jaką słońce wywiera na wiatr słoneczny, towarzyszy siła, jaką wiatr słoneczny wywiera na słońce. Ta siła reakcji spowalnia rotację Słońca. W ten sposób, w historii układu słonecznego, hamowanie magnetyczne spowolniło okres obrotowy Słońca od pierwotnej wartości mniejszej niż dziesięć godzin do obecnej wartości około 25 dni. W procesie formowania się gwiazd, grawitacyjne skurcze międzygwiezdnej chmury zwiększają temperaturę chmury i powodują jej obracanie coraz szybciej. Oba te wyniki odegrały ważną rolę w ukształtowaniu naszego układu słonecznego. Gdy mgławica nasłoneczniająca kurcząca się szybciej i szybciej, zaczyna się spłaszczać. Rotacja spowodowała, że część materiału wpadła na orbitę wokół centralnego obiektu (który ostatecznie stanie się naszym słońcem). Wzrost temperatury jest największy w środku chmury i zmniejsza się wraz z odległością od centrum. Centrum rozgrzewa się do temperatury wystarczającej do fuzji wodoru, podczas gdy zewnętrzne obszary nie są dużo gorętsze niż pierwotna chmura międzygwiazdowa. Temperatura centralnego obiektu i otaczającego go obszaru jest wystarczająca do odparowania wszystkich stałych ziaren z pierwotnej chmury międzygwiazdowej. Nieco dalej, temperatura jest wystarczająca do odparowania lodowatych ziaren, ale nie skalisto-metalicznych ziaren. Jeszcze dalej, poza linią mrozu, mogą istnieć zarówno skały-metaliczne jak i lodowe ziarna. W związku z tym akrecja wytworzy skalisto-metalowe obiekty w wewnętrznej części Układu Słonecznego i lodowo-metaliczno-lodowe obiekty w części zewnętrznej. Akrecja w wewnętrznej części układu słonecznego wytworzyła Merkurego, Wenus, Ziemię, Marsa, a wkrótce potem nasz Księżyc. Cztery skalne, lodowo-metaliczne obiekty w zewnętrznej części, Jowisza, Saturna, Urana i Neptuna, miały wystarczającą masę do grawitacyjnego wychwytywania gazu w ich pobliżu, a zatem składały się głównie z wodoru i helu. Księżyc czterech planet gazowych i leżących za nimi planet karłowatych nie miał wystarczającej masy, aby uchwycić wodór i hel i są to lodowate, skaliste przedmioty. Hipoteza mgławicowa wyraźnie przewiduje, że gwiazdy inne niż nasze Słońce powinny mieć na orbicie planety Ta prognoza została dokonana na długo przed zaobserwowaniem jakiejkolwiek planety poza naszym układem słonecznym. Pierwsza planeta pozasłoneczna została odkryta w 1988 roku. Od tego czasu odkryto ponad 500, a nowe są ciągle dodawane. Aktualne dane szacują, że w naszej galaktyce jest co najmniej 50 miliardów planet. Niewielki, ale nie pomijalny ich ułamek ma masy podobne do ziemskich i zajmuje strefę nadającą się do zamieszkania (temperatury, które pozwalają na płynną wodę) ich układu planetarnego. Z tego powodu wielu uważa, że życie jest powszechne w naszej galaktyce.

11.3 Wiek Układu Słonecznego

Ludzie spekulowali na temat wieku ziemi od tysięcy lat. Braminowie z Indii uważali, że Ziemia była wieczna, podobnie jak Arystoteles. We wczesnych kulturach judeochrześcijańskich szacunki wieku układu słonecznego opierały się na Biblii. Tradycyjny żydowski kalendarz zaczyna się od 3760 r. p.n.e., co jest uważane za datę stworzenia ziemi. W 1650 roku anglikański biskup James Ussher użył żydowskiej Biblii aby obliczyć, że stworzenie miało miejsce w wieczór niedzieli, 23 października, 4004 p.n.e. kalendarza juliańskiego. Od XVIII wieku przyrodnik zaczął poważnie wątpić w wartość Usshera. Jednym z pierwszych szacunków opartych na naturalnych procesach był George-Louis Leclerc, hrabia de Buffon w 1774 roku. Ocenił, że czas potrzebny na ochłodzenie stopionej ziemi wynosiłoby około 75 000 lat. Do końca XVIII wieku James Hutton, twórca nowoczesnej geologii, wprowadził pojęcie "głębokiego czasu", przesuwając szacunek na miliony lat. Jego uczeń i kolega geolog Charles Lyell, przyjaciel i powiernik Charlesa Darwina, spopularyzowali koncepcję, że warstwy geologiczne były w ciągłej zmianie, erozji i reformowaniu w sposób ciągły w przybliżeniu w stałym tempie. (Darwin czytał punkt orientacyjny Lyella, Principles of Geology, podczas pobytu w Beagle, i był pod jego wpływem.) "Jednolita" Lyella rzuciła wyzwanie tradycyjnemu poglądowi, że geologiczna historia Ziemi była zasadniczo statyczna, ze zmianami spowodowanymi przez nieregularne katastrofy lub nadprzyrodzone interwencje, takie jak powódź Noego. Lyell oszacował wiek Ziemi w setki milionów lat. W 1895 r. Odkryto radioaktywność i ze względu na stałą szybkość związaną z rozpadem konkretnej substancji radioaktywnej, wkrótce uznano ją za technikę datowania skał. Na przykład, uran rozkłada się poprzez sekwencję reakcji na ołów. Ponieważ chemiczne właściwości uranu i ołowiu są różne, te dwa pierwiastki nie zostaną znalezione razem zmieszane w skale, która właśnie powstała, na przykład ze zestalonego materiału z erupcji wulkanu. Wraz ze starzeniem się skał, atomy uranu stopniowo przekształcają się w atomy ołowiu, z ołowiem homogenicznie zmieszanym z uranem. Znając szybkość, z jaką to się dzieje, względne proporcje uranu i ołowiu są bezpośrednią miarą czasu od powstania skały. Ponieważ na naszej geologicznie aktywnej ziemi, skały są ciągle poddawane recyklingowi, wieki skał są różne, ale w 1907 roku wiek niektórych ziemskich skał został zmierzony w miliardach lat. Starożytne skały przekraczające 3,5 miliarda lat znajdują się na wszystkich kontynentach Ziemi. Najstarsze znalezione dotąd skały w północno-zachodniej Kanadzie mają już ponad cztery miliardy lat. Niektóre skały w zachodniej Grenlandii mają od 3,7 do 3,8 miliardów lat. Te starożytne skały zostały datowane wieloma radiometrycznymi metodami datowania, a spójność wyników daje naukowcom pewność, że wiek jest prawidłowy w ciągu kilku procent. Księżyc jest mniej aktywny niż ziemia, a niektóre z jego skał są starsze niż jakiekolwiek inne. znaleźć na ziemi. Niewielka liczba skał została zwrócona ziemi przez misje księżycowe. Najstarsza z tych skał powstała między 4,4 a 4,5 miliarda lat temu, zapewniając minimalny wiek dla formowania się układu słonecznego. Meteoryty to fragmenty asteroid, które spadają na ziemię. Najstarsze z nich powstało między 4,53 a 4,58 miliarda lat temu. Ponieważ ich struktura wskazuje, że nigdy nie zostały stopione, uważamy ich wiek za czas, w którym powstały pierwsze stałe obiekty Układu Słonecznego. Tak więc nasz układ słoneczny ma około 4,6 miliarda lat. Innym sposobem na określenie wieku układu słonecznego jest wykorzystanie modeli komputerowych do wyznaczenia, jak długo zajmie gwiazdę z masą i składem chemicznym naszego Słońca, aby osiągnąć aktualną wartość jasności i temperatury powierzchni. Chociaż ta metoda nie jest tak dokładna jak datowanie radiometryczne, to również daje i starzeje się nieco mniej niż 5 miliardów lat dla wieku Słońca, zgodnie z wartością określoną z datowania radiometrycznego.

11.4 Geologiczna ewolucja Ziemi

Ziemia uformowana przez nagromadzenie skalisto-metalicznych ziaren w mgławicy słonecznej. W końcowych fazach formacji, wspomaganych grawitacją, większość pozostałych szczątków w jej strefie została pochłonięta przez odkładanie ogromnej ilości energii na powierzchni Ziemi. W tym samym czasie promieniotwórcze pierwiastki gniły na całej planecie, uwalniając energię, która, podobnie jak energia z akrecji, została przekształcona w ciepło. Ciepła nie można było wystarczająco szybko wypromieniowywać, a temperatury wzrosły powyżej temperatur topnienia różnych materiałów. Podczas tego roztopionego etapu gęstsze materiały metalowe osiadały w kierunku środka, a jaśniejsze, kamieniste materiały płynęły ku górze. Proces ten jest znany jako różnicowanie chemiczne. Żelazno-niklowe jądro uformowany, otoczony płaszczem, warstwa skalistego materiału. Płaszcz rozszerza się niemal do powierzchni Ziemi. Górną warstwą ziemi jest skorupa, złożona ze skał, które na ogół są mniej gęste od płaszcza. Skorupa ma kilka mil grubości pod oceanami i około dwudziestu mil grubości pod kontynentami. Gdy bombardowanie zmniejszyło się, powierzchnia ziemi zestaliła się. Choć zmniejszyło się, bombardowanie nadal pozostawało na powierzchni pokrytej kraterami uderzeniowymi, podobnie jak części Księżyca i Merkurego. W tym czasie na Ziemi nie było oceanów ani atmosfery. Wczesna ziemia byłaby nierozpoznawalna jako nasz przyszły dom. Procesy, w których nastąpiła ta transformacja, znane są jako ewolucja geologiczna. Ewolucja geologiczna jest przede wszystkim napędzana przez ciepło wytwarzane przez rozpad radioaktywny. Wytworzone ciepło nie tylko doprowadziło do różnicowania chemicznego, przyczyniło się do powstania naszych oceanów i atmosfery oraz do eliminacji kraterów. Obrotowość maleje wykładniczo wraz z upływem czasu. W rezultacie ziemia zaczęła się ochładzać. Materiał, który kiedyś był płynem, ponownie się zestalił. Żelazo-niklowy rdzeń jest w środku stały z otaczającą płynną powłoką. To właśnie płynne żelazo i rotacja ziemi wytwarza ziemskie pole magnetyczne. Promień rdzenia żelazowo-niklowego rozciąga się do około połowy promienia Ziemi. Płaszcz w przeważającej części nie jest stopiony. Ale to też nie jest dokładnie solidne. Zachowuje się trochę jak plastik i może płynąć pod ciśnieniem. Płynna skała, lawa, czasami przedziera się przez skorupę, uwalniając do atmosfery gazy wcześniej uwięzione w skale. Nazywa się to "odgazowaniem". Dwoma najobszerniejszymi gazami odgazowanymi są woda (para wodna) i dwutlenek węgla. W naszej odległości od Słońca temperatura powierzchni jest taka, że para skrapla się do cieczy i spada na Ziemię w postaci deszczu. Jest to po części, jak powstały oceany. Dwutlenek węgla jest rozpuszczalny w wodzie (na przykład woda sodowa) i rozpuszcza się w oceanach, a następnie wytrąca się jako skała węglanowa, taka jak wapień. Po usunięciu dwóch głównych usuniętych substancji trzeci najliczniejszy azot stanowił prawie całą wczesną atmosferę. Życie wyewoluowało na Ziemi, a niektóre formy były zdolne do fotosyntezy wody i dwutlenku węgla do żywności (węglowodanów) z tlenem jako produktem ubocznym. Zwykle tlen zaczął się akumulować i dziś stanowi około 21% naszej atmosfery. Trzeci najliczniejszy składnik obecna atmosfera to argon. Źródłem argonu jest termadioaktywny rozpad potasu. Nasze oceany powstały po części przez odgazowanie, ale nie mogło to być jedyne źródło. Na ziemi znajduje się zbyt dużo wody, którą można obliczyć przez odgazowanie. Prawdopodobnym alternatywnym źródłem wody są komety. Komety są brudnymi kulkami lodowymi, około 80% lodu i 20% skalisto-metalicznych materiałów. W początkach historii Układu Słonecznego znajdowały się one znacznie częściej w wewnętrznych regionach niż obecnie. Obecnie powszechnie przyjmuje się, że bombardowanie komety odpowiada za ułamek ziemskich oceanów, a dokładna wartość tej frakcji jest nieznana. Obiekty Układu Słonecznego, takie jak Merkury, nasz Księżyc i niektóre księżyce w zewnętrznym obszarze systemu są mocno pokraterowane, pozostałości po uderzeniach podczas końcowych etapów ich formowania. Ziemia nie jest. Logiczne wydaje się założenie, że wynika to z faktu, że w przeciwieństwie do innych ciał, Ziemia ma atmosferę i oceany. Być może, wietrzenie zniszczyło kratery, tak że nie są już dziś widoczne. Nie o to chodzi. Kratery zostały usunięte przez tektonikę płyt, kolejny mechanizm ewolucyjny wytwarzany przez ciepło rozpadu radioaktywnego. Patrzysz na świat, kontynenty Afryki i Ameryki Południowej wydają się pasować do siebie jak dwa kawałki układanki. Półki kontynentalne tych kontynentów są jeszcze lepiej dopasowane. Na początku XX wieku Alfred Wegner, niemiecki meteorolog, zaintrygował się tym/ Uderzyły go podobieństwa w formacjach geologicznych i zapisy kopalne na obrzeżach tych szeroko rozdzielonych kontynentów. Wegener zauważył, że lokalizacja niektórych roślin i zwierząt kopalnych na współczesnych, szeroko rozdzielonych kontynentach wytworzy określone wzory (pokazane przez pasma kolorów na poniższym rysunku), jeśli kontynenty zostaną ponownie połączone. Zaproponował teorię dryfu kontynentalnego, wysuwając hipotezę, że kiedyś w przeszłości kontynenty były połączone i od tego czasu oddalały się od siebie. Pomysł Wegnera był początkowo wyszydzany przez społeczność naukową. Nikt nie był w stanie wyobrazić sobie mechanizmu, który powodowałby, że całe kontynenty mogły poruszać się po powierzchni ziemi. Jednakże, gdy dna oceanów zaczęto badać bardziej szczegółowo pod koniec lat pięćdziesiątych i na początku lat sześćdziesiątych, szydercy stali się zwolennikami. Geofizycy opracowali teorię znaną jako tektonika płyt na podstawie plastycznych właściwości górnego płaszcza, aby wyjaśnić dryf kontynentów. Dowody przemawiające za teorią wkrótce stały się przytłaczające. Na dnie oceanu, w połowie drogi między Europą i Afryką na wschód, a Ameryką Północną i Południową na zachodzie, znajduje się Grzbiet Środkowego Atlantyku. Datowanie skał na grzbiecie pokazuje, że są bardzo młode. Kiedy wyprowadzasz się z grzbietu w dowolnym kierunku, skały są stopniowo coraz starsze. Oczywiste jest, że kontynenty Europy i Afryki oddalają się od Ameryki Północnej i Południowej. Szybkość, z jaką się przemieszczają, została zmierzona przez obserwacje satelitarne około jednego cala na rok. W innych częściach świata kontynenty poruszają się razem, a w jeszcze innych częściach poruszają się przeciwnie do siebie, wszystkie z podobnymi prędkościami. Jeśli ekstrapolujemy ruchy kontynentów wstecz w czasie, okaże się, że około 200 milionów lat temu wszystkie kontynenty były razem. Ta pojedyncza masa lądowa nazywała się "Pangeą". Kontynenty spoczywają na wielkich płytach, które są prowadzone przez powierzchnię ziemi przez prądy konwekcyjne w górnym płaszczu pod nimi. Tam, gdzie płyty zderzają się, jedna z płyt jest napędzana pod drugą i wciskana w płaszcz i topiona. Druga płyta jest popychana do góry tworząc pasma górskie. Na granicy, gdzie dwie płyty się odsuwają, stopiony materiał unosi się tworząc nowe skały. W ten sposób skorupa ziemska jest nieustannie niszczona i reformowana. Chociaż istnieje kilka kamieni tak starych jak cztery miliardy lat, większość jest znacznie młodsza. Kratery powstałe w bardzo wczesnej historii ziemi już nie istnieją, ponieważ ziemia, na której się uformowały, już nie istnieje. Został on poddany recyklingowi za pomocą tektoniki płyt. Granice płyt są obszarami ekstremalnej aktywności geologicznej: wulkanami i trzęsieniami ziemi. Jak widać na mapie, Japonia znajduje się na granicy dwóch talerzy. Kolejną konsekwencją tektoniki płyt jest to, że Indie, które kiedyś były wyspą, zderzyły się ze spodem Azji tworząc Góry Himalajskie. Morze Śródziemne jest stopniowo zamykane. Los Angles, części południowej Kalifornii i półwysep Baja, znajdują się na płytce Pacyfiku i powoli przesuwają się na północ w stosunku do płyty północnoamerykańskiej, na której znajduje się reszta Kalifornii. Granica znana jest jako "San Andreas Fault", region podatny na trzęsienia ziemi.

12 Ewolucja Biologiczna

Próbując zrozumieć historię, wygodnie jest dzielić ją na różne epoki, mimo że był to jeden ciągły proces. Robimy to samo z ewolucją wszechświata. Każda kategoria, o której mówiliśmy w tym punkcie, kosmiczna, gwiezdna i geologiczna, płynie w sposób ciągły od jej poprzednika. Być może, podobnie jak w historii, przepływ nie jest nieunikniony, ale jest przynajmniej logiczny. Podobnie jak w przypadku historii, jej ciągły charakter czasami sprawia, że trudno jest dokładnie określić, kiedy jeden rodzaj ewolucji przechodzi w jedną z pozostałych kategorii. W poprzednim rozdziale traktowaliśmy ewolucję geologiczną. Ale ewolucja geologiczna nie była jedyną ewolucją przemieniającą Ziemię w całej jej historii. Równocześnie ewoluowały chemikalia, wytwarzając coraz bardziej złożone cząsteczki i mikrostruktury złożone z tych cząsteczek. Chociaż szczegóły nie są znane w chwili obecnej, wydaje się jasne, że w pewnym momencie struktury te stały się wystarczająco złożone, aby mogły się samo powielać; to życie powstało z nie-życia, a ewolucja chemiczna stała się ewolucją biologiczną.

12.1 Ewolucja chemiczna

W latach pięćdziesiątych "pochodzenie życia" było szeroko dyskutowanym tematem naukowym. Postawiono hipotezę, że warunki na prymitywnej ziemi sprzyjały reakcjom chemicznym, które syntetyzowały związki organiczne z nieorganicznych prekursorów. Eksperyment Millera-Ureya, przeprowadzony w 1952 r. symulował warunki uważane wówczas za obecne na wczesnej Ziemi. Po umożliwieniu eksperymentu przez kilka dni, w aparacie zidentyfikowano kilka aminokwasów. Przed tym wynikiem ogólnie przyjęto, że tylko procesy biologiczne mogą syntetyzować złożone cząsteczki organiczne. Od tego czasu przeprowadzono podobne eksperymenty, w tym te z bardziej realistycznymi warunkami reprezentującymi wczesną ziemię. Wytworzyły one jeszcze większą różnorodność aminokwasów, a także kwasy tłuszczowe (np. budulce lipidów) i kwasów nukleinowych (budulce RNA i DNA). Inne eksperymenty pokazały, że jeśli te bloki są suszone i ogrzewane, łączą się, tworząc długie łańcuchy podobne do najbardziej złożonych cząsteczek biologicznych. Te eksperymenty, wraz z odkryciem aminokwasów w meteorytach i złożonych cząsteczek organicznych w przestrzeni międzygwiezdnej, jasno pokazują, że ewolucja chemiczna jest podstawową częścią natury wszechświata. Jeśli pewne złożone cząsteczki organiczne są umieszczane w wodzie, spontanicznie tworzą małe, komórkowe struktury. Białka i lipidy umieszczone w wodzie o odpowiednich wartościach kwasowości, zasolenia i temperatury tworzą membrany bardzo podobne do błon komórkowych. Ponadto, spontanicznie zamykają się w celu wytworzenia maleńkich worków, które wykazują właściwości zwykle związane z życiem. Koncentrują one organiczne cząsteczki w swoich błonach i mogą one rosnąć i dzielić się na dwie części, gdy stają się zbyt duże. Nie wiemy, że te specyficzne mechanizmy spowodowały życie na Ziemi. Znaczenie tych eksperymentów nie polega na tym, że mówią nam dokładnie, jak powstało życie, ale że wykazują tendencję do ewolucji chemicznej do tworzenia struktur podobnych do komórek. Możemy nigdy nie wiedzieć dokładnie, w jaki sposób natura dokonała przejścia od chemicznej do biologicznej ewolucji, ale dowody eksperymentalne, że przejście to stanowi naturalny rozwój, są przekonujące.

12.2 Ewolucja biologiczna

W biologii ewolucja jest procesem, w którym populacje organizmów nabywają i przekazują nowe cechy z pokolenia na pokolenie. Jego występowanie na dużych odcinkach czasu wyjaśnia pochodzenie nowych gatunków i ostatecznie ogromną różnorodność świata biologicznego. Współczesne gatunki są powiązane z każdym innym przez wspólne pochodzenie, produkty ewolucji i specjalizacji przez miliardy lat. Komórka jest podstawową strukturą życia. Jest to najmniej złożona cząstka materii, która może przejść wszystkie procesy, które odróżniają żyjących od nieożywionych. Pierwsze formy życia na Ziemi pojawiły się w oceanach. Były to proste jednokomórkowe organizmy znane jako bakterie. Te pierwotne formy życia powstały bardzo wcześnie w historii ziemi. Możliwe mikroskamieniałości jednokomórkowych organizmów znaleziono w skałach Australii Zachodniej i Południowej Afryki, które powstały około 3,5 miliarda lat temu. Najwcześniejsze jednoznaczne zapisy życia to 2,7 miliarda lat skamieniałości niebiesko-zielonych kolonii alg występujących w skałach z Kanady i Zimbabwe. Fotosynteza to reakcja chemiczna, która pozwala roślinom wykorzystywać energię światła słonecznego do tworzenia złożonych molekuł, które są pożywieniem wszystkich żywych istot. Potrzebne surowce to dwutlenek węgla i źródło wodoru. Około 3 miliardy lat temu wyewoluowały organizmy, które były w stanie wykorzystać wodę jako źródło wodoru. Organizmy te połączyły dwutlenek węgla (CO2) z wodą (H2O), aby wytworzyć węglowodany (cząsteczki o stosunku węgla, wodoru i tlenu 1: 2: 1). Dla każdej użytej cząsteczki wody pozostały dwa atomy tlenu. Tlen został po prostu uwolniony do atmosfery. Tlen jest wysoce reaktywnym pierwiastkiem. Najpierw uwolniony tlen łączy się z innymi pierwiastkami, głównie żelazem, na powierzchni ziemi. (Rdza jest utlenionym żelazem.) Następnie, około 2 miliardów lat temu, kiedy większość materiałów na powierzchni Ziemi została utleniona, tlen zaczął gromadzić się w atmosferze. Kiedy ten proces się rozpoczął, atmosfera składała się prawie w 100% z azotu. Około 600 milionów lat temu, na początku okresu kambryjskiego, tlen stanowił około 5% atmosfery. Dziś wynosi ona 21%. Wzrost zawartości tlenu w atmosferze miał dwie ważne konsekwencje. Najpierw opracowano organizmy, które mogłyby wykorzystać tlen do rozbicia cząsteczek żywności. Ta reakcja, zwana oddychaniem, jest odwrotnością fotosyntezy i pozwala na wydobycie o wiele więcej energii z cząsteczek żywności niż było to możliwe wcześniej. Większa skuteczność oddychania odegrała ważną rolę w późniejszej dywersyfikacji form życia. Po drugie, tlen atmosferyczny zaczął również wytwarzać warstwę ozonu (O3) w górnej atmosferze ziemskiej. Przed rozwojem warstwy ozonowej śmiertelne promieniowanie ultrafioletowe słońca ograniczało życie do mórz, z których pochodzi. Jednak ozon jest silnym absorberem promieniowania ultrafioletowego, szczególnie w obszarze o krótszej długości fali, który jest tak niebezpieczny dla organizmów żywych. Rosnąca warstwa ozonowa stopniowo stawała się bezpieczniejsza, by wynurzyć się na powierzchnię wody i ostatecznie zająć ziemię. Okres kambryjski, od około 500 do 600 milionów lat temu, charakteryzował się dużą proliferacją nowych gatunków. Prawdopodobnie istniało wiele czynników, które przyczyniły się do tej eksplozji życia, ale z pewnością kluczowe znaczenie miał wzrost zawartości tlenu w atmosferze. Około 450 milionów lat temu nastąpił ważny kamień milowy w ewolucji człowieka - pierwsze szkielety nabrały kształtu, gdy ryba wyewoluowała z przodka bezkręgowców. Życie po raz pierwszy pojawiło się na lądzie około 440 milionów lat temu i składało się z prostych roślin. Wkrótce pojawiły się pająki, skorpiony i krocionogi. Około 370 milionów lat temu, pierwsze płazy wyewoluowały z ryb i wynurzyły się z wody, aby ustanowić gałąź ewolucyjną, która dzisiaj obejmowała wszystkie ziemskie kręgowce, w tym my. Gady wyewoluowały z płazów około 300 milionów lat temu. Rozwinęły się, aby wypełnić różnorodne nisze naziemne i wkrótce stały się najbardziej zróżnicowaną formą kręgowców na lądzie. Około 200 milionów lat temu podklasa gadów opracowała specjalne gruczoły wydzielnicze, które odżywiają swoje młode i stały się pierwszymi ssakami. Ssaki żyły w cieniu dinozaurów aż do około 65 milionów lat temu, kiedy gigantyczne gady wymarły. Wyginięcie dinozaurów zbiegło się z wyginięciem około 75% wszystkich żyjących wówczas na Ziemi gatunków, znanym jako masowe wymieranie. Wydaje się, że masowe wyginięcie 65 milionów lat temu spowodowane było uderzeniem meteorytu w pobliżu półwyspu Jukatan. Meteoryt miał masę wystarczającą do spowodowania rozległych, globalnych zmian pogody. Wymieranie mogło trwać kilka milionów lat, ale jest to praktycznie z dnia na dzień geologiczne ramy czasowe. Istnieją silne dowody kopalne dla wielu dodatkowych masowych wymierania, z których jedno wyeliminowało około 90% istniejących gatunków. Niektóre z nich mogły być również spowodowane uderzeniem meteorytu.

12.3 Naczelne

Po wyginięciu dinozaurów rozkwitły ssaki. Mniej więcej w tym samym czasie, wczesne naczelne - małe, leśne, przypominające wiewiórki stworzenia. - ewoluował. Naczelne odróżniają się od innych ssaków kilkoma cechami, w tym stawami barkowymi, które pozwalają na wysoki stopień ruchu we wszystkich kierunkach, przeciwstawne kciuki i tendencję do zmniejszonego pyska i spłaszczonej twarzy, przypisywane większemu poleganiu na widzeniu kosztem podniecenia . Około 40 milionów lat temu gałąź ewolucyjna, która ostatecznie doprowadziła do rozgałęzienia człowieka, oddzieliła się od linii prowadzących do świata starych i nowych małp. Rozgałęzienie to kontynuowano jako linie prowadzące do dzisiejszych gibbonów, orangutanów i goryli odszczepionych. Wreszcie około 5 milionów lat temu linia prowadząca do szympansów rozdzieliła się. Szympansy są naszymi najbliższymi żyjącymi krewnymi. Około 96% naszych genomów jest identycznych, chociaż ostatnie badania wykazały, że ogromne różnice między ludźmi a szympansami wynikają raczej ze zmian w regulacji genów niż różnice w samych genach. Niektóre geny kontrolują ekspresję innych genów, dzięki czemu nawet identyczne geny mogą być wyrażane w różny sposób u różnych gatunków. Tak więc niewielkie zmiany w tych genach regulatorowych mogą mieć znaczny wpływ. Po tym, jak linie prowadzące do szympansów i ludzi się rozdzieliły, gatunki na linii prowadzącej do ludzi znane są jako hominidy. Dziesiątki hominidalnych gatunków kopalnych zostały zidentyfikowane począwszy od 1856 roku dzięki skamielinom odkrywczym znanym obecnie jako Homo neanderthalensis.

13 Ewolucja Człowieka

W "Pochodzeniu gatunków" Darwin zajmował się wyłącznie roślinami i zwierzętami. Nie odniósł się bezpośrednio do kwestii pochodzenia ludzkiego, obawiając się, że narazi czytelników na ogólną teorię. Jedyną wzmianką o ewolucji człowieka była przepowiednia, że "światło zostanie rzucone na pochodzenie człowieka i jego historię". Jednakże sugestia, że ludzie wywodzili się od przodków podobnych do małp, była jasna i natychmiast stała się przedmiotem publicznych kpin i skandal. W 1860 r. Na dorocznym spotkaniu Brytyjskiego Stowarzyszenia na rzecz Postępu Naukowego, bibilijny anglikański biskup Oksfordu, Samuel Wilberforce, wygłosił długie przemówienie, wnosząc naukowe zastrzeżenia do teorii Darwina. W spotkaniu uczestniczył Thomas Huxley, zagorzały obrońca Darwina. Pod koniec rozmowy Wilberforce żartobliwie zapytał Huxleya, czy jest spokrewniony z małpami ze strony dziadka czy babki. Mówi się, że Huxley szeptał, gdy wstał, aby odpowiedzieć, i "Pan wydał go w moje ręce".
Nie ma transkrypcji ze spotkania, ale Huxley twierdził, że powiedział,
" Jeśli zatem padłoby pytanie, czy wolałbym mieć nieszczęśliwą małpę na dziadka lub człowieka wysoce obdarzonego naturą i posiadającego wielkie środki i wpływy, a jednak kto zatrudnia te zdolności tylko w celu wprowadzenia kpin do poważnej dyskusji naukowej Bez wahania potwierdzam moją preferencję dla małpy. "
Wymiana szybko stała się legendarna. Z natury Darwin nie był wojowniczy. W następnych latach po publikacji "Pochodzenie gatunków" unikał intensywnej debaty publicznej na temat ewolucji człowieka, polegając na bardziej walecznych obrońcach, aby wszcząć śledztwo. Huxley, znany jako "buldog Darwina", był prawdopodobnie najbardziej znanym i najskuteczniejszym z nich. Wreszcie, w 1871 roku, odpowiedział na to pytanie w ogromnej dwutomowej książce The Descent of Man. Ta książka nie miała wpływu na pochodzenie gatunków. Argumenty nie były tak przekonujące, a wtedy wszyscy już zdecydowali się na ten temat. Większość odrzuciła pogląd, że ludzie byli po prostu produktem doboru naturalnego, nawet wielu, którzy chętnie zaakceptowali ewolucję jako wytłumaczenie pochodzenia "niższych form". Wśród nich był Alfred Wallace, współzałożyciel ewolucji poprzez dobór naturalny. (Wallace uważał, że dobór naturalny nie jest wystarczający, aby wyjaśnić rozwój świadomości i ludzkiego umysłu). Wymagałoby to obfitych odkryć kopalnych w XX wieku, aby dostarczyć dowodów, które wprowadziłyby ludzką ewolucję na solidne podstawy naukowe.

13.1 Lucy

Być może najsłynniejszą skamieliną związaną z ludzką ewolucją jest Lucy. Skamielina została odkryta w 1974 roku w Etiopii przez zespół kierowany przez Donalda Johansona i ma około 3,2 miliona lat. Otrzymała swoje imię od piosenki Beatlesów Lucy in the Sky with Diamonds, która wielokrotnie grała na imprezie świętującej jej odkrycie. Lucy miała 3 stopy, 8 cali wzrostu i ważyła około 65 funtów. Miała stosunkowo mały mózg, nieco większy od szympansa, ale tylko około 30% w stosunku do współczesnych ludzi. Struktura jej bioder pokazała, że Lucy chciała wyprostować się. Wynik ten był ważny, ponieważ wykazał, że dwunożność rozwinęła się, zanim zwiększy się rozmiar mózgu. Johanson zasugerował nazwę gatunku Australopithecus afarensis dla Lucy, afarensis for Afar, regionu Etiopii, w którym odkryto skamielinę. Od tego czasu odkryto wiele nowych skamielin A. afarensis, co czyni je jednym z najlepiej udokumentowanych gatunków hominidów przedludzkich. Zasadniczo niektórzy sugerowali, że A. afarensis był co najmniej częściowo nadrzewny i że gdy nie był na drzewach, chodził z małpą -jakie chody, jak czasem robią szympansy. Ostatnie odkrycia kości kopalnych pokazują jednak wyraźnie, że Lucy miała nowoczesną ludzką stopę i chodził w pełni wyprostowaną, tak jak dzisiaj.

13.2 Najwcześniejsze Hominidy

W oparciu o dane kopalne i genetyczne szacuje się, że linie wiodące do szympansów i ludzi oddzieliły się około 5 milionów lat temu. Skamieniałości pochodzące z tamtej epoki są rzadkie, a duża część interpretacji jest wysoce spekulatywna. Sahelanthropus tchadensis jest kopią podobną do małpy około 7 milionów lat. Znalezione skamieliny zawierają tylko fragmenty czaszki. Pokazują one mieszankę cech ludzkich i szympansów. Mózg sugeruje szympansa, ale zęby są bliższe zębom ludzi. Punkt znajdujący się z tyłu czaszki, do którego przymocowane są mięśnie karku, sugeruje, że ten gatunek chodził w pozycji wyprostowanej. Odkrycie dokonano w Czadzie w środkowej części Afryki, czego wynikiem było zarówno jego naukowe nazwisko, jak i jego przydomek "Toumai", oznaczający "nadzieję na życie" w lokalnym języku Czadu. S. tchadensis może być wspólnym przodkiem zarówno ludzi, jak i szympansów, choć jest mało prawdopodobne, aby był ostatnim. Dowody z zegarów mutacji DNA sugerują, że ludzie i szympansy rozeszli się około 5 milionów lat temu, jakieś 1 lub 2 miliony lat później. Trojaneza Orrorin to kolejna skamielina z czasów, gdy ludzie i szympansy się rozeszli. Jest reprezentowana tylko przez niektóre zęby, części dwóch dolnych szczęk i fragmenty kości rąk i nóg. Są one dokładnie datowane od 6,1 do 5,8 milionów lat. Kości nóg zdecydowanie sugerują, że O. tugenensis był dwunożny. Zęby są małe i niezwykle podobne do ludzi, w rzeczywistości bardziej przypominające człowieka, niż późniejsze australopiteki takie jak Lucy. Odkrywa roszczenia na podstawie anatomii dentystycznej i zaawansowanej dwunożności, że O. tugensis był w bezpośredniej linii zejścia do współczesnych ludzi i że wszystkie gatunki australopitek, z ich nieco bardziej małpowatymi zębami, ostatecznie wyginęły Ten widok jest bardzo kontrowersyjny.

13.3 Australopiteki

Chronologicznie kolejną ważną grupą gatunków są australopiteki. W przeciwieństwie do S. Tchadensis i O. tegenensis, australopiteki są jednoznacznie po stronie hominidów pochodzące od wspólnego przodka szympansów i ludzi, chociaż wciąż są dyskutowane, czy są bezpośrednimi przodkami, czy odgałęzieniem linii, która wyginęła. Najstarszym z tych gatunków jest Australopithecus amenensis datowane na około 4 miliony lat temu. Pierwotnie zostały zaklasyfikowane jako A. afarensis, ale zostały przeklasyfikowane w 1995 r. W oparciu o różnice w zębach. Kolejnym gatunkiem w rodzaju australopithecus jest omawiany wcześniej A. afarensis (Lucy). Pierwsza skamielina australopitekowa została odkryta i nazwana przez Raymonda Dart′a, południowoafrykańskiego antropologa, w 1924 r. Nazwał ją Australopithecus africanus (południowa Afryka). Chociaż ten młodzieńczy okaz był prymitywny w wielu swoich cechach, miał zęby, które były wyraźnie bardziej przypominające człowieka niż zęby podobne do małp. Jednakże, z powodu innych, prymitywnych cech, niektórzy badacze uważają, że A. africanus, zamiast być bezpośrednim przodkiem człowieka, wyewoluował w rodzaj Paranthropus, bardziej odpornej grupy gatunków zdecydowanie nie w bezpośredniej linii ludzkiego pochodzenia. Jednym z gatunków postrzeganych jako potomek A.africanusa jest Paranthropus robustus. Zarówno P. robustus, jak i A. africanus crania wydają się bardzo podobne pomimo bardziej rozbudowanych cech P.robustus, które są przystosowane do intensywnego żucia, sugerując dietę podobną do goryli. Późniejszy gatunek australopitek to A. garhi, znaleziony w Etiopii w 1996 roku i datowany na około 2,5 miliona lat temu. Nazwa gatunku "garhi" oznacza niespodziankę w lokalnym języku afar. A, garhi jest podejrzewany przez niektórych za przodków linii Homo prowadzącej do nas. W rzeczywistości prymitywne kamienne narzędzia zostały znalezione w skamielinach A. garhi, kryterium do rozważenia w rodzaju Homo.

13.4 Homo habilis

Rodzaj Homo jest zarezerwowany dla gatunków zdolnych do wytwarzania i używania narzędzi. W nowoczesnej taksonomii Homo sapiens jest jedynym istniejącym gatunkiem tego rodzaju. Zapis kopalny pokazuje, że istniały wcześniej gatunki Homo, z których wszystkie obecnie wymarły. Podczas gdy niektóre z tych innych gatunków mogły być przodkami H. sapiens, wielu z nich było prawdopodobnie naszymi "kuzynami", mającymi odejście od naszej linii przodków. Nie ma jeszcze zgody co do tego, który z gatunków Homo jest naszym bezpośrednim przodkiem, ale często wspominanym w tym kontekście jest Homo habilis. Pierwszemu gatunkowi znalezionemu w bliskiej współpracy z prymitywnymi narzędziami kamiennymi nadano nazwę Homo habilis (dosłownie, poręczny człowiek). Mary i Louis Leakey odkryli pierwsze skamieliny w Tanzanii, w Afryce Wschodniej, w 1962 r. Znaleziono wiele dodatkowych skamieniałości H. habilis, wyłącznie w Afryce. Pochodzą one około 2,3 do 1,4 miliona lat temu. W 2010 roku odkryto Homo gautengensis i uważa się go za starszego od H. habilis. Narzędzia znalezione u H. habilis to narzędzia z kamienia surowego - kamienie rdzeniowe są płatkowane w celu uzyskania ostrych krawędzi. Są podobne, ale nieco bardziej wyrafinowane niż te znalezione w związku ze skamielinami A. garhi. Tego typu narzędzia są określane jako "Oldowan" po wąwozie w Tanzanii, gdzie zostały po raz pierwszy znalezione. Narzędzia z Oldowan były używane przez hominidy od około 2,5 do 1,7 miliona lat temu. H. habilis był niski i miał nieproporcjonalnie długie ręce w porównaniu do współczesnych ludzi. Miał jednak mniej wystającą twarz niż australopiteki, z których mogła zejść. H. habilis miał pojemność czaszki nieco mniejszą niż połowa współczesnych ludzi. W połowie XX wieku, kiedy zapis kopalny był znacznie bardziej niekompletny niż obecnie, wielu antropologów uważało, że ludzie pochodzą od naszego najwcześniejszego przodka hominidów w jednej, nierozgałęzionej linii. Teraz wiemy, że to nieprawda. Było wiele gałęzi, wszystkie poza jedną prowadzącą do ostatecznego wyginięcia. Na przykład Homo habilis współistniał z innymi dwunożnymi naczelnymi podobnymi do Homo, takimi jak Paranthropus robustus i P. boisei. Jednak H. habilis, prawdopodobnie ze względu na wczesną innowację narzędziową i mniej specjalistyczną dietę, prawdopodobnie stał się prekursorem całej linii nowych gatunków, podczas gdy linia Parantropa zniknęła z zapisów kopalnych.

13.5 Homo erectus

Skamieliny, które ostatecznie stały się znane jako Homo erectus, były jednymi z pierwszych odkrytych skamielin hominidów. Eugene Dubois, holenderski lekarz / anatom, wpadł w obsesję na punkcie teorii ewolucji Darwina, szczególnie w odniesieniu do ludzi. W 1886 roku zrezygnował z udanej praktyki lekarskiej, aby podróżować do Azji w poszukiwaniu "brakującego ogniwa". W 1891 roku Indonezyjska wyspa Jawa, znalazł skamieniałe sklepienie czaszki i kości udowej, które wykazują kilka cech współczesnego człowieka, ale są wyraźnie bardziej prymitywne. Był pewien, że znalazł brakujące ogniwo i nazwał go Pithecantropus erectus (dosłownie, wyprostowany chodzący małpolud). Dubois upublicznił go kilka lat później i spotkał się z szyderstwem z dominującej brytyjskiej hierarchii paleontologicznej. Dubois był rozczarowany i ostatecznie odmówił zezwolenia innym badaczom na zbadanie skamieniałości, ukrywając je w swoim domu. W latach dwudziestych i trzydziestych znaleziono podobne skamieniałości w pobliżu Pekinu, które stały się znane jako człowiek z Pekinu. Podobnie, znalezisko Dubois było znane jako człowiek z Jawy. Dwójkę uznano za ten sam gatunek i zmieniono nazwę na Homo erectus. Poza naszym gatunkiem, H. erectus był najbardziej odległym gatunkiem hominidów, którego szczątki występują w Afryce, Europie i Azji. H. erectus po raz pierwszy pojawił się w Afryce około 1,9 miliona lat temu i wyginął w Afryce i Europie około 300 tysięcy lat temu. Jednak mogły one przetrwać do niedawna 50 000 lat temu w Azji. Wielu wierzy, że afrykański H. erectus dał początek współczesnym ludziom, podczas gdy linie w Europie i Azji były ślepymi uliczkami. H. erectus używał bardziej różnorodnych i wyrafinowanych narzędzi kamiennych niż technologia Oldowan, jego poprzednika. Nowsza branża narzędziowa znana jest pod nazwą Acheulean. H. erectus był prawdopodobnie pierwszym hominidem żyjącym w małych rodzinach podobnych do współczesnych łowców-zbieraczy. Uważa się, że H. erectus jest pierwszym hominidem, który poluje w skoordynowanych grupach, używa złożonych narzędzi i opiekuje się chorymi lub rannymi towarzyszami. Miejsca w Europie i Azji zdają się wskazywać na kontrolowane użycie ognia przez H. erectus, niektóre sięgają 1,5 miliona lat. Wczesne afrykańskie skamieniałości Homo erectus są czasem określane jako H. ergaster, chociaż rozróżnienie nie jest akceptowane przez wszystkich. Oprócz H. ergaster w literaturze pojawia się kilka dodatkowych nazw gatunkowych dla skamielin, inne zaliczane są do H. erectus.

13.6 Homo neanderthalensis

Pomiędzy 250 000 a 30 000 lat temu inny gatunek Homo zamieszkiwał terytorium z Anglii przez południową Europę do Azji. Odkąd odkryto pierwsze skamieliny w dolinie Neander w Niemczech, ludzie ci często określani są jako neandertalczycy. Neandertalczycy mieli średnią objętość mózgu tak dużą, a może nawet nieco większą od współczesnych ludzi. Zbudowali konstrukcje przypominające hut i stworzyli bardziej zaawansowany przemysł narzędzi kamieniarskich, z którym polowali na wielką grę. Rozwinęli także ceremonialne rytuały. Pozostałości tej stosunkowo krótkotrwałej grupy odzwierciedlają stan świadomości podobny do naszego. Wyraźnie mieli poczucie fizycznej śmiertelności. Ceremonialne pochówki pokazują troskę o życie po śmierci. W neandertalczykach są oznaki większej świadomości subtelności świata i korzeni naszych własnych skomplikowanych wierzeń, społeczeństw i religijnych uczuć. Pierwsi przodkowie neandertalczyków ewoluowali, jak wszyscy hominidzi, w Afryce i wyemigrowali na zewnątrz do Europy i Azji. Ostatnie badania mitochondrialnego DNA sugerują, że neandertalczycy i współcześni ludzie mieli wspólnego przodka około 550 000 lat temu. W Europie i Azji neandertalczycy żyli w zgodzie z połączonym trybem zbierania i łowiectwa i zbieractwa aż do około 30 000 lat temu, kiedy zniknęli. Przez ostatnie 10 000 lat ich istnienia, neandertalczycy dzielili Europę z anatomicznie współczesnymi ludźmi i najwyraźniej dwa typy ludzi prowadziły dość podobny styl życia. Jednym z najbardziej gorących tematów w ewolucji człowieka jest związek między współczesnymi ludźmi i neandertalczykami. Niektórzy badacze uważają, że są dostatecznie blisko spokrewnieni, że należy je klasyfikować jako podgatunki, a nie osobne gatunki. Tak więc Homo sapiens neanderthalensis i Homo sapiens sapiens. Jest to obecnie opinia mniejszości. Powiązane pytanie brzmi: Czy mieli związek między rasami? Odpowiedź wydaje się być twierdząca, przynajmniej w ograniczonym zakresie. Wydaje się, że Projekt Genomu Neandertalczyka rozstrzygnął tę kwestię, odkrywając dowody na to, że niektórzy współcześni ludzie z Eurazji, ale nie z Afryki, posiadają niewielki procent (1-4%) genów neandertalczyka. Teraz, gdy wydaje się, że kwestia krzyżowania została rozwiązana, dlaczego współcześni ludzie przeżyli, a Neandertalczycy nie, kwestia ta jest przedmiotem gorącej debaty. Dyskusje na ten temat obejmują zmianę klimatu, lepszy język i tym samym umiejętność kooperacji oraz większe zdolności intelektualne. Niektórzy nawet sugerowali ludobójstwo

13.7 Homo sapiens

"Stworzenie zwane człowiekiem ma dziwną historię. Nie jest z jednego kawałka, ani nie narodził się z jednej chwili w czasie. Jego elementarną substancją jest gwiezdny pył prawie tak stary, jak wszechświat. Jego żywe narządy, oczy, kręgosłup, ręce i stopy - nawet jego niezwykły mózg - powstały w odległych miejscach iw różnych epokach." The Lost Notebooks of Loren Eiseley
Anatomicznie nowoczesne ludzkie stworzenia powstały w Afryce między 200 000 a 150 000 lat temu. Gdzieś między 100 000 a 50 000 lat temu mała grupa lub kilka małych grup wyemigrowało z Afryki i ostatecznie zaludniało cały świat. Istnieją dwie odrębne teorie dotyczące tego, jak do tego doszło. Jedna, zwana hipotezą Wieloregionalną, twierdzi, że w miarę rozprzestrzeniania się homo sapiens, krzyżowali się z istniejącymi populacjami H. neanderthalensis i H. erectus. Dzisiejsi ludzie są mieszanką gatunków. Wydaje się, że ustalono, że między H. sapiens i neandertalczykami istnieje ograniczone krzyżowanie, ale ogólnie rzecz biorąc, obecne dowody przemawiają za alternatywną hipotezą. Hipoteza "Poza Afryką" (bardziej naukowo określana jako hipoteza "niedawnego pojedynczego pochodzenia") twierdzi, że wszyscy ludzie wywodzą się obecnie ze stosunkowo niewielkiej populacji, która opuściła Afrykę mniej niż 100 000 lat temu, i zastąpili obecne gatunki hominidów obecne w tym czasie. . Dowody na to mają głównie charakter genetyczny. Bez względu na to, jak do tego doszło, faktem jest, że dzisiaj na planecie żyje tylko jeden gatunek żyworodnych hominidów. Nie tylko jeden gatunek, ale pojedynczy podgatunek. Rasowe różnice są oczywiste, ale powierzchowne, a nie prawie wystarczające, by podzielić ludzi na podgatunki. Łacińskie znaczenie Homo sapiens to "mądry człowiekie". Odzwierciedla ono większe wyposażenie mózgu w porównaniu z poprzednikami. Gatunek określa się przede wszystkim pod względem anatomicznym. W porównaniu do innych hominidów, gatunek charakteryzuje wyższe i bardziej pionowe czoło, okrągła i czaszka, mała twarz i zęby, wybitny podbródek i bardziej smukły i wydłużony szkielet czaszlki. Jeśli zapisu kamieni miało nigdy nie być, gdyby kamienie pozostały zamknięte, gdyby martwe kości nigdy nie przemówiły, człowiek by się zastanawiał. Zastanowiłby się, kiedy zobaczył wielkie orangutany przechadzające się w lesie, ich ciała są obwieszone czerwonawymi włosami jak mech, a na ich twarzach smutny wyraz zagubionej ludzkości. Widziałby, nawet w Europie, psotne palce i pół-ludzkie sposoby wykonywania małp. Czułby, z dystansem, dumę religijną i pewność objawienia, choć był niejasnym uczuciem niepokoju. To niepokojące, by być człowiekiem, z bardzo wyjątkową i pewną pozycją w kosmosie, i wciąż czuć te rozbawione małe oczka w krzaku - oczy tak szalenie jak nasze własne

14 Świadomość

Dyskusja o ewolucji człowieka do tego momentu skupiła się na zmianach morfologicznych, które spowodowały przejście od małpopodobnego przodka do współczesnego człowieka: dwunożność, zmniejszenie rozmiaru zębów, zmiany w kształcie twarzy i wzrost wielkości mózgu. Ale nastąpiła również równoległa zmiana, która miała miejsce tylko pośrednio w zapisie kopalnym. Jak najlepiej możemy powiedzieć, jesteśmy jedynym gatunkiem, którego celem jest sens istnienia wszechświata, jedyny gatunek zdolny do stania w zdumieniu i zachwycie przed tajemnicą i pięknem wszechświata. Jak do tego doszło? Najwyraźniej miało to coś wspólnego z ewolucyjnymi zmianami w rozmiarze i strukturze mózgu. Ale czym właściwie jest to, co stworzyło te zdolności i skłonności? Jaki jest związek między umysłem a ciałem? Jest to stare pytanie, które dopiero niedawno zaczęto rozwiązywać metodami empirycznymi.

14.1 Ludzki mózg

Mózg kontroluje inne układy narządów w organizmie, powodując wydzielanie substancji chemicznych, takich jak hormony i neuroprzekaźniki. Ta scentralizowana kontrola umożliwia szybką i skoordynowaną reakcję na zmiany w środowisku. U kręgowców rdzenia kręgowego samo w sobie zawiera obwody neuronowe zdolne do generowania reakcji odruchów, a także proste wzorce ruchowe, takie jak pływanie lub chodzenie. Wyrafinowana kontrola zachowań oparta na złożonych sensorycznych danych wejściowych wymaga jednak zintegrowania informacji w scentralizowanym mózgu. Pomimo szybkiego postępu naukowego, wiele informacji o tym, jak działają mózgi, pozostaje tajemnicą. Operacje poszczególnych neuronów i synaps są teraz rozumiane dość szczegółowo, ale sposób, w jaki współpracują w setkach tysięcy lub milionów, był bardzo trudny do odczytania. Metody obserwacji, takie jak nagrywanie EEG i funkcjonalne techniki neuroobrazowania mówią nam, że operacje mózgu są wysoce zorganizowane. Mózg jest największą częścią ludzkiego mózgu, co stanowi 85% masy narządu. Charakterystyczną, głęboko pomarszczoną powierzchnią zewnętrzną jest kora mózgowa, która składa się z istoty szarej. Poniżej znajduje się biała substancja łącząca neurony korowe z innymi neuronami w mózgu i innych częściach ciała. To mózg powoduje, że ludzki mózg i zdolności umysłowe z nim związane są tak różne od innych gatunków. Mózg składa się z wielu wyspecjalizowanych obszarów, które współpracują ze sobą. Kora jest najbardziej zewnętrzną warstwą mózgu. Ruchy myślowe i ochotnicze zaczynają się w korze mózgowej. Pień mózgu znajduje się pomiędzy rdzeniem kręgowym a resztą mózgu. Podstawowe funkcje, takie jak oddychanie i sen są tutaj kontrolowane. Zwoje podstawy są skupiskiem struktur w centrum mózgu. Podstawowe komunikaty koordynacyjne zwojów między wieloma innymi obszarami mózgu, które często koordynują kontrolę ruchu. Móżdżek znajduje się u podstawy i tylnej części mózgu. Mózg jest odpowiedzialny za koordynację i równowagę. Mózg ma dwie połówki lub półkule. Badania sugerują, że dwie różne strony mózgu kontrolują dwa różne "tryby" myślenia. Myślenie "lewy mózg" często charakteryzuje logika, rozumowanie i obiektywna analiza, podczas gdy myślenie "prawe" jest bardziej losowe, intuicyjne, holistyczne i subiektywne. Badanie sugeruje również, że większość z nas preferuje jeden tryb w stosunku do drugiego. Należy unikać ogólnych uogólnień, ponieważ nikt nie używa jednej strony wyłącznie, a wiele osób wydaje się wykorzystywać obie strony w równym stopniu. Dwie półkule są dalej podzielone na cztery regiony lub płaty na każdej półkuli. Płaty czołowe, zlokalizowane za czołem, są związane z mową, myślą, uczeniem się, emocjami i ruchem. Za nimi znajdują się płaty ciemieniowe, które przetwarzają informacje zmysłowe, takie jak dotyk, temperatura i ból. W tylnej części mózgu znajdują się płaty potyliczne, zajmujące się widzeniem. Wreszcie, istnieją płaty skroniowe w pobliżu świątyń, które zajmują się słuchaniem i pamięcią.

14.2 Problem umysł-ciało

Termin "umysł" odnosi się do mieszaniny myśli, percepcji, pamięci, emocji, woli i wyobraźni, w tym wszystkich nieświadomych procesów poznawczych, jakich doświadczamy jako istoty ludzkie. Ludzki umysł tworzy wewnętrzną przestrzeń, która reprezentuje świat zewnętrzny. Możemy sobie wyobrazić nasze ciała, nasze miasta, ziemię lub naszą galaktykę. Możemy sobie wyobrazić rzeczy, które nie istnieją. W rzeczywistości wydaje się, że jesteśmy zdolni wnosić cokolwiek do tej przestrzeni umysłu. Na przykład możemy nawet zwizualizować nieprzestrzenny wymiar czasu jako przestrzenną całość rozpostartą przed nami od Wielkiego Wybuchu do teraźniejszości. Zawartość umysłu stanowi nasze poczucie jaźni, jaźni, do której nikt nie ma bezpośredniego dostępu. Kartezjusz powiedział,
"Myślę, zatem jestem."
Pomysł, że nasz umysł i nasze ciało różnią się od siebie nawzajem, powstaje, ponieważ doświadczenia mentalne zdają się jakościowo różnić się od bardziej konkretnych procesów cielesnych. Ciało jest fizyczną jednostką złożoną z materii i można ją zrozumieć mechanistycznie, podczas gdy świadomość wydaje się bardziej metafizyczna. W niektórych przypadkach doprowadziło to do podejścia dualistycznego; przekonanie, że umysł i ciało są w pewien kategoryczny sposób oddzielone od siebie. Chociaż dualistyczne rozwiązanie można odnieść do Platona i Arystotelesa, zostało ono najtrafniej sformułowane przez Rene′a Descartes′a w XVII wieku. Descartes twierdził, że umysł jest niezależną istniejącą substancją, której nie można zredukować do mózgu. Oznacza to, że umysł może istnieć bez mózgu, a mózg może istnieć bez umysłu. Część motywacji Kartezjusza w tym punkcie widzenia była religijna, ponieważ zapewnia racjonalną podstawę do wierzenia w nieśmiertelność duszy. Dla Kartezjusza umysł i dusza są tym samym, a zatem dusza może istnieć po tym, jak ciało przestanie istnieć. Również całkowite oddzielenie umysłu i ciała pozwoliło Kartezjuszowi wyjaśnić materialny świat, w tym ludzkie ciało, w sposób mechanistyczny, nie redukując ludzi do maszyn. Częściowym argumentem Kartezjusza dla rozróżnienia umysłu i ciała było to, że ciało jest rozszerzone, ograniczone i podzielne, podczas gdy umysł nie jest rozszerzony, nieograniczony i niepodzielny. Umysł nie może być mierzony pod względem wielkości i wagi, jak ciało może. Większość współczesnych filozofów odrzuciła pogląd Kartezjusza, że umysł i materia są różnymi substancjami. Zaproponowano inne sformułowania dualizmu. Na przykład, dualizm własnościowy utrzymuje, że chociaż świat składa się z tylko jednego rodzaju substancji - fizycznej- istnieją dwa różne rodzaje właściwości: właściwości fizyczne i właściwości mentalne. Innymi słowy, jest to pogląd, że niefizyczne, mentalne właściwości (takie jak przekonania, pragnienia i emocje) są nieodłączne dla niektórych substancji fizycznych (a mianowicie mózgów). W przeciwieństwie do dualizmu monizm twierdzi, że umysł nie jest czymś oddzielnym od ciała. Pogląd ten był popierany przez Parmenidesa w V wieku pne, a później został popierany przez siedemnastowiecznego filozofa Barucha Sponozę. Dzisiaj najczęstszą formą monizmu jest fizyczność, która twierdzi, że jedyna istniejąca substancja jest fizyczna i przewiduje, że w miarę postępu teorii fizycznej umysł zostanie ostatecznie wyjaśniony w kategoriach procesów neuronalnych mózgu. Tak więc związek między aktywnością umysłową i aktywnością mózgu można powiązać z nauką.

14.3 Jak myśli mózg?

W pewnym momencie świadomość była postrzegana ze sceptycyzmem przez wielu naukowców i uważana była wyłącznie za domenę filozofów i teologów. Jednak od połowy XX wieku jest coraz ważniejszym tematem badań naukowych. Neurologia kognitywna jest dziedziną akademicką zajmującą się badaniem biologicznej podstawy poznania. Celem neuronauki kognitywnej jest wyjaśnić procesy umysłowe i zachowanie w zakresie podstawowych mechanizmów mózgowych. Aktywność mózgu powstaje z neuronów - elektrycznie pobudliwych komórek, które przetwarzają i przekazują informacje do innych komórek za pomocą środków elektrycznych i chemicznych. Sygnały są przesyłane przez wyspecjalizowane połączenia między komórkami zwanymi synapsami. Poprzez synapsy, neurony łączą się ze sobą, tworząc skomplikowane sieci o aktywności elektrycznej i chemicznej. Ludzki mózg jest układem sieci składającym się z neuronów 10 sup> 11 z połączeniami 10 sup> 15 , co czyni go najbardziej złożonym układem we wszechświecie. Istnieje kilka empirycznych podejść stosowanych w neuronauce kognitywnej. Być może najwcześniejsze badania dotyczyły zmian w mózgu. Poprzez korelację specyficznych strat funkcji z uszkodzeniem określonych obszarów mózgu, metoda zmiany dostarczyła wiele informacji o lokalizacji funkcjonalnej w mózgu. Jednym z pierwszych i najsłynniejszych badań nad lokalizacją funkcji był francuski lekarz Paul Broca. W 1861 roku, informując o autopsji pacjenta cierpiącego na zaburzenie mowy zwane afazją, zidentyfikował uszkodzony obszar mózgu pacjenta. Broca wykazał, że uszkodzenie trzeciego splotu lewego płata czołowego było związane z utratą zdolności mówienia. Ten segment mózgu zaczął być nazywany obszarem Broki. Następnie, w 1873 roku, Carl Wernicke, Niemiec, zidentyfikował obszar kontrolujący rozumienie mowy, teraz nazywany obszarem Wernickego. Inną techniką jest elektryczna stymulacja mózgu. Ponieważ mózg działa za pomocą impulsów elektrycznych, obszary mózgu mogą zostać oszukane, ujawniając swoją funkcję poprzez zastosowanie krótkich impulsów energii elektrycznej do mózgu i zobaczenie, co się dzieje. Gdy obszary mózgu są pobudzane elektrycznie, naśladuje to, co dzieje się, gdy są one aktywowane naturalnie. W ten sposób możliwe jest wywoływanie myśli i spostrzeżeń, które na temat eksperymentu są nieodróżnialne od rzeczywistych doświadczeń. Poprzez odpowiednią stymulację mózgu możliwe jest wywołanie przypomnienia zapomnianych zdarzeń. Elektryczna stymulacja mózgu jest zdolna do wywoływania emocji takich jak strach, gniew lub miłość w całkowitej nieobecności jakiejkolwiek rzeczywistości, która mogłaby wywoływać te uczucia. Być może jednym z najbardziej oczywistych przejawów fizycznej natury umysłu są leki psychoaktywne. Leki psychoaktywne są substancjami chemicznymi, które mogą przenikać przez barierę krew-mózg i wpływać na funkcjonowanie mózgu, powodując zmiany w percepcji, nastroju, świadomości, poznaniu i zachowaniu. Techniką empiryczną stosowaną ostatnio w badaniach umysł-mózg jest neuroobrazowanie funkcjonalne. Odnosi się to do zastosowania nieinwazyjnych metod obrazowania mózgu, takich jak obrazowanie funkcjonalnego rezonansu magnetycznego (fMRI) lub pozytonowa tomografia emisyjna (PET), w celu zlokalizowania aktywności neuronów w mózgu człowieka w odniesieniu do określonych funkcji umysłowych. Takie metody były stosowane od końca lat 80. w celu zbadania regionów mózgu aktywowanych przez przetwarzanie sensoryczne, motoryczne i poznawcze. Chociaż poczyniono znaczące postępy w zrozumieniu fizycznej natury umysłu, obecnie jest to dalekie od możliwości ścisła, redukowalna tożsamość między stanami mózgu a umysłem.

14.4 Ewolucja świadomości

Intymne połączenie umysłu i ciała jest dobrze ugruntowane, nawet jeśli wszystkie szczegóły nie są jeszcze znane. Jest również jasne, że niektóre z naszych zdolności umysłowych są w posiadaniu innych gatunków. Inteligencja delfinów, szympansów, a nawet wron jest dobrze ugruntowana. Któż mógłby wątpić, że ich pies ma poziom świadomości podobny do naszego? Jeśli świadomość nie jest unikalna dla ludzi, jasne jest, że zmiany poziomu świadomości ewoluowały jednocześnie ze specjacją. Ewolucja świadomości niewątpliwie wynika z ewolucji mózgu. W długiej ewolucji naszego mózgu nastąpiło kilka istotnych zmian w układzie nerwowym. Po pierwsze, stała się bardziej scentralizowana w architekturze, rozwijając się z luźnej sieci komórek nerwowych (jak w meduzy) do kręgosłupa i złożonego mózgu z imponującymi obrzękami w tylnym mózgu i przodomózgowiu (kręgowcach). Ta coraz bardziej scentralizowana struktura również stała się coraz bardziej zhierarchizowana. Nowsze dodatki do mózgu przejęły kontrolę nad poprzednimi dodatkami iw efekcie stały się ich nowymi mistrzami. Ewolucja mózgu ssaka następowała w kilku etapach, początkowo obejmując znaczny wzrost zdolności do zapachu. Dowody pochodzą z niewielkich czaszek dwóch gatunków gadów, które żyły w Chinach około 200 milionów lat temu. W porównaniu do innych gadów, te skamieniałości wykazały ogromny wzrost rozmiaru węchowego obszaru mózgu. Uważa się, że te gady ewoluowały do pierwszych ssaków. Dinozaury rozwinęły się w tym samym czasie i wkrótce zdominowały krajobraz. Prawdopodobnie polowali w ciągu dnia, więc wczesne ssaki, które przeżyły, często były nocnymi owadożercami. U ssaków przetwarzanie wizualne nie zyskało na znaczeniu, aż do śmierci dinozaurów. W nocy bardziej korzystny był węch niż wzrok. Jednak przed 55 milionami lat niektóre ssaki naczelne z bardziej rozwiniętymi płatami potylicznymi (wzrokowymi) wynurzyły się z zarośli i ciemności nocy. Ssaki mają największy mózg w stosunku do wielkości ciała wszystkich organizmów na Ziemi. Ponadto, tylko u ssaków występuje kora nowa, zewnętrzna warstwa półkul mózgowych, która uczestniczy w wyższych funkcjach, takich jak percepcja zmysłowa, poprawiona koordynacja ruchowa i (ostatecznie) język. W trakcie ewolucji ssaków i naczelnych następował stopniowy wzrost wielkości mózgu, nałożony skokami szybkiego wzrostu. Ponadto, z biegiem czasu, różne części naszego mózgu zwiększyły się w różnym tempie. Ewolucja mózgu, od najwcześniejszych ssaków podobnych do ryjówek, przez naczelne do hominidów, charakteryzuje się stałym wzrostem stosunku mózgu do wielkości ciała. Kora mózgowa rozszerzyła się bardziej niż inne obszary, a wewnątrz kory niektóre obszary rozszerzyły się w znacznie większym stopniu niż inne. Mózg ssaków zbudowany jest na elementach gadzich mózgów, ale ma dwie nowe struktury. Neocerebellum ("nowy móżdżek") dodaje się do móżdżku u podstawy mózgu, a kora nowa ("nowa kora") wyrasta z przodu przodomózgowia. Kora mózgowa, w szczególności płaty czołowe, jest częścią mózgu, która najsilniej odróżnia ssaki od innych kręgowców, naczelnych z innych ssaków i ludzi od innych naczelnych. U większości ssaków te nowe dodatki nie są szczególnie duże w stosunku do pnia mózgu. U naczelnych są one znacznie większe, a u ludzi są tak duże, że pierwotna łodyga mózgu jest prawie całkowicie ukryta przez tę dużą, zwiniętą masę szarej materii nerwowej. Inicjacja zachowań dobrowolnych, a także umiejętność planowania, angażowania się w świadomą myśl i używania języka, wszystko zależy od nowych struktur kory nowej. W ciągu ostatnich 3-4 milionów lat objętość mózgu w linii hominidów wzrosła z mniej niż 400 cm3. do około 1400 cc. Jest to ewolucyjnie istotna zmiana, której nie można po prostu uwzględnić w warunkach zwiększonej wielkości ciała. Od Ustralopithecines przez H. habilis mózg podwoił się od około 400 cc do 800 cc. Od pojawienia się H. erectusa do chwili obecnej ponownie podwoił się rozmiar mózgu, tym razem bez znaczących zmian w wielkości ciała. Ewolucyjne zmiany w mózgu wyraźnie korelują z ewolucyjnymi zmianami w świadomości. Oprócz zapisu kopalnego dokumentującego ewolucję mózgu, kolejnym dowodem związanym z ewolucją świadomości jest stopniowy rozwój kultury. Kultura w tym kontekście odnosi się do wiedzy, wiary i zachowań wynikających z myśli symbolicznej i nauki społecznej. Poszlaki do kultur różnych gatunków z rodzaju Homo, a więc i ich poziomy świadomości, można znaleźć w artefaktach, które pozostawili.Rodzaj Homo jest definiowany przez zdolność do tworzenia i wykorzystywania narzędzi kamiennych. Branże kamieniarzy są podzielone na trzy główne kategorie; Paleolitu (stara epoka kamienia), mezolitu (środkowa epoka kamienia) i neolitu (nowa epoka kamienia), kategorie oparte na rosnącym wyrafinowaniu narzędzi. Mimo, że jest prawdopodobne, że inicjacja używania narzędzi kamiennych wynikała z rozwoju nowych funkcji mentalnych, dalsze postępy w technologii narzędzi kamieniarskich mogły nie wymagać nowych zdolności umysłowych. Jednak stopniowy rozwój języka i sztuki prawdopodobnie wynikał ze zwiększonego poziomu świadomości. Aromatyczne dowody kopalne na zdolność mowy są kontrowersyjne. Mniej kontrowersyjne jest odkrycie archeologiczne w Południowej Afryce, datowane na około 75 000 lat temu, abstrakcyjnych wzorów geometrycznych wyciętych w bryłki czerwonej ochry. Projekty te są ogólnie akceptowane przez archeologów jako dowód na język i symboliczne rozumowanie. John Hoffecker, odkrywca, konkluduje, że symbolika tkwiąca w południowoafrykańskich artefaktach "wskazuje na całkowicie nowoczesną zdolność do nowości i wynalazków". Również w południowoafrykańskim miejscu były perforowane muszle, które wyglądały na zawleczone jak koraliki i noszone jako biżuteria. . Od tego momentu rośnie liczba nowych rodzajów artefaktów. Innym artefaktem świadczącym o dowodach wykonania z artystycznym celem jest wyrzeźbiony kawałek kości słoniowej datowany na górny paleolit, ponad 40 000 lat temu. Wygląda na to, że jest głową małej figurki. Od górnego paleolitu po mezolit, przeważały malowidła naskalne i sztuka przenośna, takie jak figurki i paciorki. Dekoracyjne prace są również widoczne na niektórych przedmiotach użytkowych. W neolicie pojawiły się dowody wczesnej ceramiki, podobnie jak rzeźba i budowa megality. Starożytne instrumenty muzyczne i sztuka figuratywna odkryte w jaskiniach we Francji i Niemczech pochodzą sprzed 30 000 lat. Dokładnie, jak te postępy kulturowe odnoszą się do ewolucji świadomości, prawdopodobnie nigdy nie będą znane. Jednak fakt, że są one związane z ewolucją świadomości, jest trudny do zaprzeczenia