Stulecie kosmologii. Jak zrozumieliśmy Wszechświat recenzja

Ponieważ to jedna z trudniejszych publikacji jakie oceniam publicznie, to nie uniknę żargonu typowego dla nauki o Wszechświecie. Jeśli kogoś nie zaciekawi ten język, zniesmaczy jego hermetyczność, to tym bardziej książka nie dla niego. Zachęcam jednak do zmierzenia się z wyzwaniem, bo to kawał pasjonującej lektury o rewolucji w nauce o największych skalach czasu i przestrzeni. Dość precyzyjne ramy tekstu obejmują ok. 80 lat historii do 2003, czyli okres między rewolucją Hubble’a, który wykrył obserwacyjnie rozszerzanie się Wszechświata, a początkiem XXI wieku, kiedy okazało się, iż tempo jego ekspansji się zwiększa, a odpowiada za to własność samej przestrzeni nazwana ciemną energią. Tak całościowe i formalne przedstawienie technik obserwacyjnych, rozwiązań teoretycznych i kolejnych modeli wypadało powierzyć komuś, kto uczestniczył w tym procesie. James Peebles to astrofizyk, który nadaje się do tego jak mało kto. Od 60-ciu lat współtworzy kosmologie współczesną. Jest głównym autorem obowiązującego standardowego modelu, zwanego sCDM (*), którego rewolucja z przełomu wieków XX/XXI rozszerzyła o reaktywowaną lambdę – stałą kosmologiczną Einsteina, dopełniającą obecny kanon kosmologii do tzw. modelu ΛCDM.

„Stulecie kosmologii. Jak zrozumieliśmy Wszechświat” jest wyzwaniem dla czytelnika. Peebles zakłada, że zaproponowana narracja o kosmologii fizycznej dostępna będzie w całości studentom pierwszych lat fizyki i astronomii. Uważam, że to niemal prawda. Pewne wątpliwości mam w przypadku fragmentów analizujących wielkoskalowe struktury kosmiczne, gdzie pojawiają się pół-empiryczne metody oparte na harmonikach sferycznych i transformacjach fourierowskich. Ostatecznie całość jest rozbudowanym pejzażem koncepcji, nad którymi pracowało przez dekady grono świetnych fizyków wysokich energii, astrofizyków pozagalaktycznych, specjalistów od teorii względności i astronomów obserwacyjnych. Dotykając wszystkich ważnych składowych tworzenia kosmologii współczesnej, Peebles musiał zastosować sporo skrótów i skupić się na wnioskach, czasem w postaci wzorów, które wymagają pewnej biegłości i obycia z typowymi akurat w tej dziedzinie narzędziami, co nie jest czasem łatwe. Specyfika kosmologii polega bowiem na częstym manipulowaniu rzędem wielkości, czasem proporcjonalnością parametrów, przybliżeniami i empirycznie uzyskanymi liczbami. To może stanowić wyzwanie nawet dla ‘rasowych teoretyków’, którzy operują bardziej jednoznacznymi strukturami. Wciąż jednak, niezrażony językiem i trudnościami formalnymi, ‘dowolny’ czytelnik da radę śledzić partie podsumowujące określoną klasę zagadnień. Od strony czysto matematycznej, wymaganie jest raczej podstawowe (jak na studenta) – rachunek różniczkowy i całkowy i niemal nieobecność języka tensorowego i topologii.

Książka, choć stanowi tekst z historii nauki, to pozostaje wymagającą lekturę skupioną na warsztacie. Pierwsze rozdziały są zamkniętymi opowieściami o kilku kluczowych grupach zagadnień w porządku czasowym. Stąd dostajemy oczywiste powtórzenia i powroty do konkretnych zdarzeń z innej perspektywy. Przybliżenie istoty modeli kosmologicznych, wykrycie promieniowania tła, propozycje opisania pierwotnej nukleosyntezy, skonfrontowanie obserwacji z teorią o wielkoskalowych strukturach oraz wprowadzenie do debaty nieświecącej i niebarionowej materii, stanowią 80% zagadnień książki. Końcówka zbiera wszystkie wątki i bezpośrednio referuje rewolucję z lat 1998-2003, kiedy cała układanka przybrała obecnie akceptowalną postać modelu ΛCDM. Zaledwie ostatnie strony to, typowa w książkach popularnych, opowieść z pogranicza filozofii i socjologii nauk przyrodniczych. Ponieważ w treści autor skupia się na faktach, toku rozumowania, punktach zwrotnych teoretyczno-empirycznych, to niewiele pozostało na narrację zbeletryzowaną. Już na początku dostajemy próbkę typowej formy, gdy Peebles opowiada o metodach poszukiwania odpowiednich indykatorów do przestrzenno-jasnościowego rozkładu galaktyk (str. 46-59), by przekonać czytelnika o sensowności założenia izotropii i jednorodności rozkładu masy (i świecącej materii) w skalach odległości co najmniej dziesiątek megaparseków.

Spośród wielu bardzo pouczających kwestii formujących dynamikę poznawczą w kosmologii, szczególnie zapamiętam świetne zreferowanie stworzonych wariacji modelu CDM (str. 451-467). Sposób ich opisania z jednej strony pokazuje twórcze napięcie w okresie między zapostulowaniem etapu inflacji w ekspansji Wszechświata, a rewolucją rozpoczętą w 1998. W grze było sporo bardzo dobrych alternatyw, którym brakowało jednoznacznie rozstrzygającego komponentu empirycznego. Peebles bardzo mocno akcentuje badawczy imperatyw, by wokół każdej propozycji 'na stole' budować rozsądny system oczekiwań weryfikacji pomiarowych. Ostatecznie, to dowiedzenie termiczności promieniowania tła, dopasowanie periodyczności skali amplitud jego niejednorodności kątowej, dookreślenie gęstości materii i coraz lepsze systemy numeryczne potwierdziły wartość modelu sCDM. Z drugiej strony, taki bardzo spójny system ram dla zbalansowania teorii z pomiarem, tworzy z kosmologii naukę eksperymentalną, o czym Einstein oferujący budujący wymyślony przez siebie język ilościowy, nawet nie marzył (przynajmniej w chwili zakończenia prac nad ogólną teorią względności). Szczególnie ceni astrofizyk tych kolegów, którzy potrafili oszacować ramy sensowności ograniczające jednoznacznie zakresy parametrów kosmologicznych. Wymowna grafika na str. 120 stanowi kompilację takich stabilizujących modele ram. Kumulatywny system wiedzy, relatywnie niewielka grupa kosmologów, którzy z względną łatwością mogli śledzić postępy w swojej dziedzinie (i to w erze przed-internetowej) i wspomniany mechanizm samokontroli badawczej, w odpowiednim momencie wywołały rewolucję w opisie Wszechświata. Bardzo szybko zebrane dane promieniowania tła o wystarczającej czułości i wyniki projektu badania odległych supernowych typu SNIa przekonały większość naukowców do ostatecznej akceptacji odpowiedniego modelu, mimo ułomności natury ludzkiej (str. 467):

Peebles równie pieczołowicie i ciekawie odtwarza grupy interakcji między składowymi układanki kosmologicznych modeli. Cały system wiedzy o Wszechświecie (z historycznej perspektywy) okazuje się zbiorem jakby kilku różnych puzzli, których elementy wymieszano. Rozwikłanie tego, w epoce przed rewolucją 1998-2003, było deprymująco trudne. Brakowało wystarczająco dokładnych danych pomiarowych, by nabrać pewności o poprawnym kierunku. Skalę dynamiki 'dojrzewania' kosmologii unaoczniają chociażby świetne tabelki, w których autor zebrał przełomowe ustalenia gęstości materii i obfitości pierwotnego helu (str. 127, 265, 266). Poziom błędu, do jakiego doprowadziła sonda Planck w 2018 roku sporo mówi o drodze, jaką przeszła kosmologią - od spekulatywnej do empirycznej nauki. Równie niebagatelny w tym 'puzzlowym zajęciu' okazały się krzyżowe techniki wydobywania prawdy o kosmosie. Bardzo mocno Peebles akcentuje wagę dochodzenia do podobnych rezultatów kompletnie różnymi drogami i do tego formułowanych w stosunku do fizyczności stanu Wszechświata w różnych epokach jego ewolucji. Same pomiary gęstości materii, pokazując zgodność w trzech skalach przesunięcia ku czerwieni (poniżej 0.03, w okolicy jedności, skalach rozprzęgania materii-promieniowania) mogą stanowić podstawę do dumy współczesnych kosmologów.

W przywołanej w „Stuleciu kosmologii” historii niebagatelną rolę ogrywa przypadek, błyskotliwość w formułowaniu pojemnych hipotez, zasadnicze i subtelne pomyłki. Peebles pokazuje, jak nieprzewidywalna jest przyszłość nauki w każdym momencie. Czasem udaje się empirycznie zebrać ciekawe fakty wymagający wielu lat interpretacji ilościowych (jak odkryta przez ekscentryka Zwicky’ego niebarionowa materia napędzająca galaktyki i gromady), czasem teoria przez długie lata nie uzyskuje falsyfikacji lub potwierdzenia (jak piękny model płaskiego Wszechświata Einsteina-de Sittera). Astrofizyk przeplatając sformalizowaną opowieść własnymi komentarzami, opisami bezpośrednich kontaktów z uczestnikami omawianych składników historii kosmologii, rozbudowuje detal codzienności (który postronnemu może wydawać się nudny, siermiężny) do dającego się barwnie interpretować tygla idei. W samym procesie dekonstrukcji wiedzy kosmologicznej, przywołuje chociażby przypadek kluczowego artykułu zespołu Gamowa z 1948, w którym podano bardzo płodne kierunki analiz i nowe propozycje myślenia o pierwotnej nukleosyntezie (str. 202-210). Poważne błędy rachunkowe w nim zawarte (związane z oszacowaniem rozpraszania neutronów) uszły uwadze kolejnym pokoleniom badaczy przez wiele dekad. Choć błąd było oczywisty i szybko poprawiony (na szczęście wiele osób wzajemnie się weryfikuje), to jego istnienia nikt nie werbalizował.

Jeżeli ograniczoności potencjalnej grupy odbiorców nie potraktuje się jako wady, to prawdziwych negatywów jest niewiele. Kosmologia to jednak bardzo niszowa nauka przyrodnicza, w której eksperymentuje się całą paletę narzędzi czystej fizyki i astrofizyki. Stąd trochę zabrakło mi jednego elementu, który pedagogicznie uporządkowałby podstawy. Chodzi o techniki pomiaru odległości, które w astronomii (szczególnie tej odległej czasoprzestrzennie) determinują wnioski. Peebles ma tego świadomość (przypis na str. 475), co według mnie nie usprawiedliwia braku usystematyzowanego podania specyfiki określania skal odległości. Taki 10-20 stronicowy rozdział byłby wskazany. Poza tym, dość jednak gładko (zbyt nonszalancko) opowiada o trudnych rzeczach. Spośród wielu takich nieoczywistych (tj. wymagających świadomości doktoranta) spostrzeżeń wymienię jedno - opis różnicy w degeneracji poziomów energii elektronów i neutrin (str. 217-218). To dość nietrywialna właściwość, która pociąga za sobą konsekwencje w tekście. Takie 'wrzutki' rozbijają spójność odbioru całości, zaburzają go i mogą zniechęcać. Ponieważ książka (jej cała zawartość merytoryczna) przeznaczona jest do wyrobionego odbiorcy, to Peebles nie szczędzi branżowego języka, czasem operuje niedomówieniem pomijając oczywistości. Typowa praktyka rugowania z zapisu stałych, np. c=G=ħ=1 to jeden z typowych zabiegów. Do tego pojawiają się formalne wariacje wokół użycia jednostek, np. odległości mierzone w km/s, itd. Na koniec narzekania, trochę krytyki formy publikacji. Poza bardzo ciekawą kolorową wkładką, są grafiki w tekście. Stanowią jego integralną cześć; astrofizyk do detali na nich zawartych często się odwołuje. Niestety kilka z nich jest tak niewielkich rozmiarów, że momentami stają się nieczytelne (np. str. 399). To już wina angielskiego wydawcy, bo polski dokładnie odtworzył ten źródłowy układ graficzny. Ponadto trochę zabrakło korekty naukowej u tego ostatniego. Poza czasem widocznymi niezgrabnościami, pojawiły się formalne błędy (np. zapis tensora metrycznego na str. 36). Jednak najtrudniejsze dla mnie do zaakceptowania podczas lektury były wzory. Jest ich sporo i wypadało je poddać starannemu składowi (co bije po oczach w przypadku tych bardziej rozbudowanych). Jestem przyzwyczajony do systemów TeX-owych, które pięknie układają symbole matematyczne. Obstaję, że ma to znaczenie (myślę, że każdy czytelnik sięgający po teksty z wzorami szybko uprzedzi się do 'wordo-podobnego' zapisu symboli). To razi, choć może być odebrane, jako małostkowość.

Dla mnie „Stuleciu kosmologii” to książka dekady ze względu na unikatowość tematyki (z tej dostępnej oferty po polsku). Wyjątkowość dookreśla też kluczowa rola autora w tworzeniu kosmologii. Dodatkowo, to świetne kompendium wiedzy dla studentów astronomii czy historyków nauki. Ostatecznie polecam książkę każdemu. Biorąc pod uwagę moje uwagi o poziomie tekstu, zachęcam wcześniej do kilku wprowadzających w kosmologię prac, jako bazę (**), po której wspaniała książka Peeblesa stanie się jeszcze większą przyjemnością. Zdanie sobie sprawy z faktu, że 'sięganie gwiazd' oznacza rozważanie ewolucji Wszechświata od okresu, gdy od Wielkiego Wybuchu dzieliły go ułamki sekund, a współcześnie docierające do nas światło najdalsze galaktyki wyemitowały ponad 13 mld lat temu, powinno nastrajać mieszanką dumy i pokory. Jesteśmy mali, ale wiemy już całkiem sporo o światach nas przerastających czasowo i przestrzennie wiele rzędów wielkości.

WYBITNE - 9/10

=======

* sCDM (ang. standard Cold Dark Matter model) - standardowy model Zimnej Ciemnej Materii, w którym dominuje właśnie ciemna (niebarionowa) materia. Peebles za prace nad tym projektem w 2019 otrzymał Nobla z fizyki.

** Mój subiektywny wybór (tytuły wg wzrastającego zaawansowania): "Ciemna strona Wszechświata" R. Panek; "Mała księga kosmologii" L. Page; "Wprowadzenie do kosmologii współczesnej" A. Liddle; "Kosmologia współczesna" D. Sciama; "Elementy kosmologii" L. Sokołowski; "Wczesny rozwój Wszechświata" (pierwsza połowa książki) L. Jarczyk. Dwie ostatnie publikacje wymaganiami formalnymi można porównać do pracy Peeblesa, ale że stanowią dość spójny opis podstaw kosmologii, a nie relację historyczną, uważam je za bardzo dobre uzupełnienie i pomoc dla każdego czytelnika opiniowanej książki.