Prof. Sośnica: – Kopernik zmienił perspektywę patrzenia na wszechświat

Parafrazując wierszyk z dzieciństwa: Mikołaj Kopernik wszedł do butelki, wyszedł z butelki i znów był wielki. Ale właściwie dlaczego człowiek, który wstrzymał Słońce, ruszył Ziemię był wielkim naukowcem? W czym tkwi jego fenomen?

– Był astronomem, ekonomistą – używając współczesnych określeń, lekarzem, kartografem, teologiem… Prawdziwym człowiekiem Renesansu. Jego fenomen tkwi w tym, że zmienił perspektywę patrzenia na świat i wszechświat. Kopernik, który w centrum postawił Słońce, zmusił nas do tego, żeby popatrzeć z szerszej perspektywy i odkryć, że człowiek nie musi być centrum wszechświata, tylko może być na uboczu.

Obalenie ptolomejskiej astronomii, według której ciała niebieskie na czele ze Słońcem krążą wokół Ziemi, było nie tylko koncepcją rewolucyjną naukowo, ale też swego rodzaju krytyką antropocentrycznej wizji propagowanej przez ówczesny Kościół. A on się nie bał.

Nie bał, ale też swoje fundamentalne dzieła opublikował dość późno, a część ukazała się już po jego śmierci. Można więc powiedzieć, że w jakimś sensie zabezpieczył się przed procesem czy oskarżeniami o herezję. Z punktu widzenia Kościoła katolickiego rzeczywiście jego teza była rewolucyjna. Dzisiaj jesteśmy w stanie zupełnie inaczej patrzeć na wszechświat. Mikołaj Kopernik jednak nie dysponował narzędziami, jakie my mamy.

Jakie instrumenty wykorzystywał do swoich badań i analiz?

Nie miał nie tylko teleskopu, ale też lunety, bo w jego czasach jeszcze nikt takiego przyrządu nie skonstruował. Posiadał astrolabium, trójkąt paralaktyczny, czyli odpowiednio nastawione deseczki, które pozwalają na obserwacje kątowe ciał niebieskich. Dysponował prostymi instrumentami – część z nich sam skonstruował. Obserwował, rysował i nie potrafił fizycznie wytłumaczyć, dlaczego ciała niebieskie poruszają się tak a nie inaczej, gdyż nie wiedział, że za ich ruchem stoją siły grawitacji. Potrafił natomiast opisać ruch matematycznie stosując zasady geometrii. Mikołaj Kopernik wyobrażał takie sfery niebieskie, czyli tory, po których poruszają się planety wokół Słońca. A do tego jeszcze był idealistą, więc nie wiedział tego, że te orbity nie muszą być dokładnie okręgiem, ale mogą być np. elipsami.

Lądowanie ponowne człowieka na Księżycu planowane jest już na 2025 rok. W sumie planowanych jest 250 misji na Księżyc i to w ciągu 10 lat

Co Kopernik widział w swoich obserwacjach? Czy to „jego” niebo było inne, czy takie samo jak to, które widzimy dzisiaj?

Obserwował to, co dzisiaj obserwujemy gołym okiem, bo takie głównie obserwacje prowadził. A widział przede wszystkim zmiany kątowe planet, Księżyca, Słońca. Był więc w stanie pomierzyć kąty, pod którymi znajdują się w danym czasie ciała niebieskie.

I to było punktem wyjścia do stwierdzenia, że Ziemia kręci się wokół Słońca, które znajduje się w centrum naszego układu słonecznego?

Jeśli postawimy Ziemię w centrum wszechświata, zaobserwujemy bardzo dziwny ruch niektórych planet z punktu widzenia obserwatora na Ziemi – czasami poruszają się w danym kierunku, później zaczynają zwalniać, przez jakiś czas poruszają się w przeciwnym kierunku, a w efekcie tworzą pętle. Ale kiedy Mikołaj Kopernik postawił Słońce w centrum wszechświata, okazało się, że wszystkie planety poruszają się po pięknych okręgach, po idealnych figurach geometrycznych i jeszcze do tego Księżyc porusza się po okręgu wokół Ziemi.

Kopernik we wszechświecie szukał piękna?

Tak, pięknych figur geometrycznych i prostego rozwiązania. A tym rozwiązaniem okazało się ustawienie wszystkiego względem Słońca, a nie Ziemi.

Co pięknego jest w nauce?

To, że można odkrywać nowe rzeczy i tak naprawdę nie wiemy, co i ile zostało jeszcze do odkrycia. Piękne są też takie przełomy, jak ten kopernikański. Sądzę, że kolejnym będzie możliwość zamieszkania człowieka na innym niż Ziemia ciele niebieskim. Dotychczas organizmy żywe, a więc i człowiek, żyły na jednej planecie. Kiedy uda nam się zbudować trwałą bazę i zasiedlić inne ciała niebieskie np. Księżyc, dokonamy skoku technologicznego, ale też biologicznego, bo trzeba utrzymać życie na tych bazach kosmicznych. To nie jest proste, bo to warunki, które mamy na Ziemi, sprzyjają rozwojowi życia. A to życie jest bardzo kruche. Wystarczy pojechać wysoko w góry powyżej 5 tysięcy metrów nad poziomem morza, by się o tym przekonać. W Himalajach na tej wysokości bardzo rzadko widziałem jakiekolwiek mchy i porosty, a przecież nie ma tam tak ekstremalnych warunków jak na innych ciałach niebieskich.

Pana zespół uczestniczy w przygotowaniach do misji księżycowej.

Bazę na tym naturalnym satelicie Ziemi budować będzie NASA z udziałem Kanadyjskiej Agencji Kosmicznej i Europejskiej Agencji Kosmicznej. Nasza cegiełka w tym przedsięwzięciu to zaprojektowany przez nas system satelitarny, który będzie pozwalał na pozycjonowanie na powierzchni Księżyca i komunikację. Astronauci mieszkający na Księżycu będą chcieli mieć dostęp do internetu i możliwość rozmowy z rodziną w czasie rzeczywistym. Nasz projekt ma też znaczenie dla sterowania urządzeniami np. łazikami księżycowymi i to sterowania z Ziemi. Pozycjonowanie jest także potrzebne do tego, żeby wiedzieć, gdzie wylądować, jak i do startu rakiet w kierunku Ziemi i Marsa. Dla Europejskiej Agencji Kosmicznej projektowaliśmy elementy systemu, w szczególności strukturę sygnału, który będzie nadawany przez sztuczne satelity księżycowe. W celu zaprojektowania orbit tych satelitów badaliśmy również, co się dzieje z satelitami orbitującymi wokół Księżyca.

To znaczy?

Nasza orbita będzie dosyć nietypowa. Satelity systemu GPS czy Galileo znajdują się na orbitach prawie kołowych. Nasze satelity dla Księżyca będą się poruszały po orbitach eliptycznych. Dzięki temu będą bardzo szybko przelatywały nad biegunem północnym, a najwięcej czasu będą się znajdowały nad biegunem południowym, po to, żeby zapewnić komunikację i pozycjonowanie właśnie nad biegunem południowym – nad którym zostanie zbudowana baza. Nasza orbita  została więc zaprojektowana do konkretnego celu.

Boicie się?

Trochę tak, ale w przypadku Europejskiej Agencji Kosmicznej stworzyliśmy nie tylko plan główny rozwiązania technologicznego, które wydaje nam się najbardziej optymalne, ale też plan zapasowy. Agencja może wybrać, czy chce rozwiązanie podobne do tego, które już istnieje, a więc zbliżone do tego wykorzystywanego w systemach GPS i Galileo, czyli opartego na parametrach Keplera z poprawkami, czy nowe, które pozwala osiągać nieco wyższe dokładności, ale opiera się na nieco innym aparacie matematycznym – wielomianach Czebyszewa.

Kluczowa kwestia projektowania misji kosmicznej dotyczy ryzyka i kosztów. Jest też jeszcze problem masy takiego satelity. Nie mogliśmy np. wykorzystać dokładnych zegarów atomowych, które są na pokładach satelitów Galileo, bo masa tych księżycowych orbiterów musi być 10-krotnie niższa niż ziemskich satelitów nawigacyjnych. Poza tym normalny odbiornik GPS działa na Ziemi, kiedy odbiera sygnał z czterech satelitów. My dla Księżyca musieliśmy zaprojektować również sytuację, kiedy sygnał będzie odbierany tylko z trzech satelitów. Nawet w takich przypadkach system musi działać i pozwalać na wyznaczenie pozycji. To jest wyzwanie, a my musimy minimalizować koszty budowy systemu.

Dotychczas organizmy żywe, a więc i człowiek, żyły na jednej planecie. Kiedy uda nam się zbudować trwałą bazę i zasiedlić inne ciała niebieskie np. Księżyc, dokonamy skoku technologicznego, ale też biologicznego, bo trzeba utrzymać życie na tych bazach kosmicznych

Astronauci, którzy będą budować tę bazę na Księżycu będą musieli umieć robić wszystko?

Może nie wszystko, ale ich kompetencje muszą się uzupełniać. Misja nie może się opierać na jednej osobie. Astronauci już są szkoleni i zbierają doświadczenie w międzynarodowej stacji kosmicznej. Wokół Księżyca planuje się zbudowanie stacji Gateway, która będzie orbitowała wokół tego ciała i będzie elementem pośrednim przy lądowaniu i w podróżach na Księżyc i Marsa.

Wizje z filmów s-f stają się ciałem?

Mam nadzieję, że staną się szybciej niż w ciągu dekady. Ten plan jest bardzo dobrze zdefiniowany. Są zaplanowane starty załogowych misji w kierunku Księżyca od 2024 do 2027 roku. System nawigacyjny Europejskiej Agencji Kosmicznej – Moonlight już powinien startować około roku 2027, więc to naprawdę jest bliska perspektywa. Wcześniej sprawdzimy, czy jesteśmy w stanie odbierać sygnały GPS lub Galileo na wysokości Księżyca, a więc znacznie dalej od Ziemi. Testy będą przeprowadzone niebawem, a lądowanie ponowne człowieka na Księżycu planowane jest już na 2025 rok. W sumie planowanych jest 250 misji na Księżyc i to w ciągu 10 lat. W wyścigu biorą udział nie tylko Stany Zjednoczone, Kanada i Unia Europejska, ale też Chiny, Indie, Rosja, Japonia, Australia. Ta ostatnia zamierza wspomagać systemy budowane przez Europę, USA i Japonię. Gęsto się robi. A sam wyścig jest traktowany bardzo prestiżowo, szczególnie z perspektywy chińskiej – Państwo Środka chce pokazać swoje zaawansowanie technologiczne.

Z tych misji kosmicznych, które wysyłamy, coraz więcej wiemy o planetach wciąż jeszcze niezamieszkałych przez ludzi. Wydaje się, że jakieś formy życia mogły tam istnieć, skoro są ślady wody i lodu. Co oczywiście rodzi pytania o przebieg ewolucji, która doprowadziła do rozwoju życia na Ziemi.

Mamy ślady związków organicznych, a od nich do białek i DNA jest bardzo daleka droga. Nie znaleźliśmy dotychczas życia, czy dowodów na jego istnienie na innych ciałach niebieskich. To jednak planeta Ziemia jest jedynym takim ciałem, gdzie to życie mogło się rozwinąć i gdzie mamy tego bezpośrednie dowody.

Naukowcy są w stanie z pełnym przekonaniem stwierdzić, że tylko „u nas” jest życie, czy zakładają, że gdzieś też istnieje, choć niekoniecznie w takiej samej formie jak np. ssaki czy gady.

Coraz więcej odkrywamy planet bardzo podobnych do Ziemi. Znajdują się w sferze, gdzie mogło się rozwinąć życie. Są w odpowiedniej odległości od macierzystej gwiazdy, która zapewnia odpowiednią temperaturę, co pozwala na utrzymanie wody w stanie ciekłym. Ale jak dotąd dalszych dowodów na życie biologiczne na innych planetach nie mamy.

Jesteśmy samotni w kosmosie?

Były prowadzone swego czasu akcje nasłuchiwania wszechświata. Sprawdzano, czy dochodzą do nas jakieś sygnały radiowe, które mogłyby być wysłane przez obce cywilizacje – na razie bez sukcesu. Więc rzeczywiście można powiedzieć, że na ten moment jesteśmy samotni. Ale trzeba mieć jakiś plan B, jeżeli zniszczymy naszą planetę. Stąd projekt budowy bazy Księżycu nie tylko po to, żeby człowiek wylądował tam i poleciał z powrotem, ale żeby tam zamieszkał. Możliwe, że później zamieszka na innych ciałach niebieskich, ale najpierw wszystkie możliwości i technologie musimy przetestować jak najbliżej Ziemi. To jest osiągalne mimo tego, że jest ekstremalnie trudne.

Dlaczego jest trudne? Armstrong wylądował przecież na Księżycu.

I dlatego wydaje nam się dzisiaj, że to jest takie proste. Tymczasem technologie kosmiczne, pozaziemskie, są niezwykle wrażliwe i kruche, i ciągle stanowią ogromne wyzwanie. Pierwszy samochód został zbudowany dopiero niecałe 140 lat temu. Ponad 50 lat temu człowiek wylądował na Księżycu. W ciągu tych lat doszło do ogromnego skoku cywilizacyjnego, ale w dalszym ciągu jest tak, że samochód jesteśmy w stanie naprawić na Ziemi, możemy go dotankować, nie ma też specjalnie dużego ograniczenia masy auta. Tymczasem jeśli chodzi o technologie kosmiczne to mamy ograniczenie co do paliwa – musi go wystarczyć na to, żeby oderwać się od Ziemi, dolecieć do Księżyca, tam wyhamować, wylądować, znowu się oderwać i dolecieć tym razem na Ziemię. Każdy kilogram takiego statku kosmicznego jest wart setki tysięcy dolarów, a jakakolwiek naprawa w warunkach przestrzeni kosmicznej jest niezwykle trudna jeśli w ogóle możliwa. Trzeba więc wszystko przewidzieć i zaplanować z góry, a to jest zadanie ekstremalnie trudne.

Podobną rangę co przełom kopernikański ma równanie Einsteina? Nawet jeśli kompletnie nie rozumiemy o co w nim chodzi, to wielu z nas ma poczucie, że jest to coś wyjątkowego.

I słusznie, bo dzięki niemu inaczej spojrzeliśmy na grawitację i na siły, które działają pomiędzy ciałami niebieskimi. Einstein, publikując ogólną teorię względności, też zmienił naszą perspektywę patrzenia – pokazał, że siły grawitacyjne nie są do końca siłami, tak jak rozumieliśmy je wcześniej, a więc po newtonowsku. Ruchem ciał niebieskich rządzi natomiast zakrzywienie czasoprzestrzeni.

Wokół Księżyca planuje się zbudowanie stacji Gateway, która będzie orbitowała wokół tego ciała i będzie elementem pośrednim przy lądowaniu i w podróżach na Księżyc i Marsa

Czyli też trochę filozofia.

Tak, bo czasoprzestrzeń ma cztery wymiary – trzy są przestrzenne, jeden to czas. Ciała niebieskie poruszają się w ten sposób, jak jest zakrzywiona czasoprzestrzeń, a przestrzeń zakrzywia się w zależności od tego, jak rozłożona jest energia i masa we wszechświecie. Równanie Einsteina mówi nam z jednej strony o geometrii i ruchu, a z drugiej – o rozkładzie energii i masy. Też było rewolucyjne, Einstein zresztą był zaskoczony niektórymi konsekwencjami, które wypływały z jego teorii.

Na przykład czym?

Jego teoria dopuszczała to, że wszechświat się rozszerza. Nie podobało mu się to i dodał do swojego równania specjalny element – stałą kosmologiczną, która sprawiała, że wszechświat się nie rozszerza i jest stabilny. Ale kiedy odkryto, że jednak się rozszerza, Einstein musiał poprawić swoje równanie i wykreślić stałą kosmologiczną. Dzisiaj wracamy do niej, bo okazuje się, że wszechświat rozszerza się, ale w nieoczekiwany sposób. Żeby wytłumaczyć niektóre elementy rozwoju wszechświata niezbędna jest ciemna energia. Nikt nie wie, czym ona jest, ale bardzo łatwo ją sprowadzić do równań Einsteina tak jak on to zrobił, czyli z wykorzystaniem stałej kosmologicznej.

Przy takich przełomach potrzebny jest błysk geniuszu, odwaga wyjścia poza schemat, w którym się wyrastało? Dedukcja, analiza, czy iluminacja?

W przypadku Kopernika i Einsteina dużo opierało się na teoretycznym rozważaniu. Dzisiaj mamy teoretyków, którzy starają się tworzyć nowe teorie wyjaśniające różne zjawiska. I mamy praktyków, którzy wykorzystują zaawansowane technologie do tego, by weryfikować te teorie. Najlepiej gdy jedno idzie w parze z drugim, bo czasami mając zaawansowaną technologię jesteśmy w stanie zaobserwować coś, co nie pasuje do aktualnych teorii. I wtedy na scenę muszą wejść teoretycy, by wyjaśnić to, co zaobserwowaliśmy.

I co na przykład zostało tak zweryfikowane?

Wspomniana stała kosmologiczna i rozszerzanie wszechświata – jesteśmy w stanie je obserwować za pomocą różnych metod. Kilka lat temu z kolei zaobserwowano fale grawitacyjne, które pozwalają nam spoglądać na wszechświat z jeszcze innej perspektywy. Dotychczas oglądaliśmy wszechświat z wykorzystaniem promieniowania elektromagnetycznego, a więc promieniowania w różnych zakresach: światła widzialnego, podczerwieni, fal radiowych itd. Teraz zaczęliśmy obserwować wszechświat z wykorzystaniem fal grawitacyjnych, ale żeby je wytworzyć musimy mieć bardzo szczególne przypadki oddziaływań bardzo masywnych ciał niebieskich np. połączenia się dwóch czarnych dziur bądź czarnej dziury i gwiazdy neutronowej. Kiedy te oddziaływania są odpowiednio silne, wytwarzają się fale grawitacyjne, które jesteśmy w stanie zaobserwować na Ziemi.

Nie znaleźliśmy dotychczas życia, czy dowodów na jego istnienie na innych ciałach niebieskich. To jednak planeta Ziemia jest jedynym takim ciałem, gdzie to życie mogło się rozwinąć i gdzie mamy tego bezpośrednie dowody

Ten zasób wiedzy nieustannie poszerzający się w ogromnej mierze dzięki technologii…

… pokazuje, że gdyby Kopernik miał inne narzędzia, to możliwe, że odkryłby znacznie więcej. Sama technologia to jednak za mało. Potrzebny jest jeszcze człowiek, który wie, jak ją wykorzystać.

Współczesny naukowiec czuje pokorę wobec świata, który się poznaje od poziomu molekularnego po kosmiczny?

Naukowcy prowadząc swoje badania zazwyczaj zajmują się bardzo wąską dziedziną. Teraz wiedza ludzka jest tak szeroka, że trudno jest być Kopernikiem. Nikt nie jest jednocześnie lekarzem, prawnikiem, kartografem, astronomem.

I astrologiem. W czasach Kopernika astrologia była traktowana na równi z astronomią, a horoskopy stawiano nie tylko królom.

To już przeszłość, tym bardziej, że astrologiczne znaki zodiaku nie zgadzają się dzisiaj z układem gwiazd. Zostały ustalone w starożytności, kiedy układ gwiazd był inny. Jeżeli ktoś myśli, że jest Panną, to tak naprawdę jest astronomicznym Lwem. Wszystkie gwiazdozbiory zodiaku są przesunięte mniej więcej o jeden cykl względem tego, co miało miejsce w starożytności. Wynika to z precesji figury Ziemi. Oś ziemska za sprawą oddziaływania Słońca i Księżyca przemieszcza się w bardzo długim okresie, który trwa ok. 26 tysięcy lat. Ta oś w historii wcale nie wskazywała zawsze na Gwiazdę Północną, Polaris. Teraz stopniowo się oddala od tej gwiazdy. Co więcej, gwiazdozbiorów zodiaku było 13, a nie 12. Został wykreślony Wężownik, który był pomiędzy Skorpionem i Strzelcem. Więc astrologię odłóżmy na bok.

Dlaczego Pan wybrał naukę?

Kończąc studia czułem niedosyt wiedzy. Studiowałem równolegle informatykę, robiłem doktorat, chciałem się czegoś jeszcze nauczyć. I dlatego też potem wszedłem w badania naukowe. I proszę mi wierzyć, naukowiec, który nie uczy się cały czas, kończy źle.

rozmawiała Katarzyna Kaczorowska

• 

  Ziemia się spłaszcza i obraca coraz szybciej

  Gdzie jest środek ziemi i jaki jest jej kształt? Które filmy science-fiction są bliskie prawdy? W kolejnym odcinku podcastu odpowiemy na te pytania razem z geodetami UPWr, którzy udoskonalają systemy nawigacyjne, poprawiają wysokości polskich szczytów górskich w atlasach i rozwiązują zagadkę Einsteina.

• 

  Prof. Krzysztof Sośnica: – Nauka jest żywiołem

  Krzysztof Sośnica, aktualnie najmłodszy profesor w Polsce, przewodniczący dyscypliny naukowej inżynieria lądowa i transport na UPWr o tym, jak buduje się zespół badawczy, czym w nauce jest współpraca, czego dzięki geodezji satelitarnej dowiedzieliśmy się o Ziemi i jak to jest tropić Einsteina.