Pisałam kiedyś krótkie teksty popularno-naukowe do szkolnej gazety ?Błysk?, redagowanej przez uczniów. Teksty te z założenia nie mogły być obszerne, bo jak usłyszałam, mało kto by je czytał. Miały one tylko skłonić czytelników do zadawania pytań i do samodzielnego poszukiwania odpowiedzi. Ponieważ rzeczywiście przyniosło to zamierzony skutek, gdyż o poruszanych tam problemach dyskutowali potem nie tylko uczniowie, ale i czytający ?Błysk? nauczyciele różnych przedmiotów, postanowiłam napisać nieco dłuższy artykuł popularno-naukowy do nieistniejącej już, młodzieżowej gazety ?Filipinka? (Nr 21, 1995 r.). Jego tytuł brzmiał ?W jaki sposób powstała materia, z której sami się składamy??
Poniżej przedstawiam nieznacznie zmienioną treść tej publikacji. Jest ona ciekawa akurat teraz, ze względu na rozpoczynający się jeszcze w tym roku, głośny w świecie nauki i nie tylko - eksperyment LHC. Jest on przygotowywany w największym na świecie laboratorium Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych CERN pod Genewą, do której należy również Polska. Miałam szczęście brać udział w szkoleniu nauczycieli fizyki zorganizowanym w CERN w 2007 roku dla grupy nauczycieli z Polski.

       Kiedy patrzymy na gwiaździste niebo, zawsze jesteśmy pod jego wrażeniem. Poddając się urokowi nieba, nie myślimy o tym, że gwiazdy, które widzimy obok siebie, znajdują się w bardzo różnych od nas odległościach. Odległości te są niewyobrażalnie duże! Spróbujmy je sobie, choć w przybliżeniu uświadomić. Gwiazdy są widoczne na niebie dzięki temu, że wysyłają światło, które porusza się z taką prędkością, że w ciągu tylko jednej sekundy przebywa drogę około 300 000 kilometrów. Otóż to światło, które porusza się z największą możliwą w przyrodzie prędkością, potrzebuje od kilku tysięcy do kilkunastu miliardów lat, aby dotrzeć z gwiazd do Ziemi. Oczywiście, im gwiazda jest dalej, tym więcej czasu potrzebuje światło, aby do nas dojść.

       Skoro tak, to światło, które dociera do nas w obecnej chwili, zostało wysłane przez gwiazdy tysiące i miliardy lat temu! To oznacza, że światło „wlecze” się po niebie tak długo, że kiedy do nas dojdzie, gwiazdy zdążą się już porządnie zestarzeć. Zatem, patrząc w niebo – patrzymy w przeszłość! Być może jakaś gwiazda, którą podziwiamy, od dawna już nie istnieje, lecz wysłane przez nią światło przemierza jeszcze Wszechświat i informuje nas o tym, jaki był dawniej, miliony lat temu. Wszystko to jest ogromnie fascynujące!

       Wielu z nas, w momencie zapatrzenia się w gwiazdy, zadaje sobie mnóstwo pytań, na które nie ma odpowiedzi. Być może to sprawia, że dzielimy cały Wszechświat na swojską, bezpieczną Ziemię i obcy, tajemniczy Kosmos. Tymczasem wszystko, co dzieje się na Ziemi, jest powiązane z całym Wszechświatem, w którym panują prawa rządzące także naszym życiem – tu na Ziemi. 

       Wszechświat złożony jest z galaktyk. Galaktyka, to wielkie zbiorowisko gwiazd zanurzonych w gazie i pyle, mające najczęściej kształt dysku, albo elipsoidy. Niektóre galaktyki tworzą gromady złożone z większej liczby galaktyk, a gromady łączą się jeszcze w supergromady. Gwiazdy w galaktykach są ułożone w taki sposób, że najwięcej jest ich w centrum. Im dalej od środka, tym rozłożone są rzadziej. Gwiazdy w każdej galaktyce wirują wokół jej centrum.

       Galaktyka, do której należy najważniejsza dla nas gwiazda – Słońce, nazywa się Drogą Mleczną. Zawiera ona około 200 miliardów gwiazd. Wokół niektórych gwiazd, tak jak wokół Słońca, krążą planety. Słońce wraz ze swoimi planetami znajduje się daleko od centrum Drogi Mlecznej i wiruje wokół niego z taką prędkością, że w ciągu jednej  sekundy przebywa aż 260 kilometrów.

       Czy potraficie to sobie wyobrazić? Włączcie nastrojową muzykę, zamknijcie oczy i wyobraźcie to sobie, gdyż w tym ruchu uczestniczymy wszyscy, niezależnie od tego, czy tego chcemy, czy nie. Zauważcie jeszcze, że Ziemia równocześnie kręci się wokół Słońca i wiruje wokół własnej osi. Cóż za fantastyczny  zawrót głowy! Ponadto wszystkie galaktyki oddalają się od siebie nawzajem, co oznacza, że przestrzeń Wszechświata rozszerza się.

       Kiedy uzmysłowimy sobie, jak wielki jest Wszechświat, to zauważymy, że  podróże kosmiczne, nawet w odległe regiony naszego układu planetarnego są zaledwie raczkowaniem w badaniach całego Kosmosu. Nie potrafimy opuścić naszej galaktyki. Jednak razem z nią podróżujemy na naszym naturalnym, maleńkim statku, jakim jest Ziemia.  Mamy na nim wszystko, co jest potrzebne do życia.

        Jak się to wszystko zaczęło? Jest to pytanie, które ludzkość nieustannie sobie zadaje. Jeśli odpowiemy, że dokonał tego Bóg, to w dalszym ciągu jesteśmy ciekawi – jak? Nauka może formułować odpowiedzi na pytania opierając się na eksperymentach i obserwacjach. Wnioski, które z nich wynikają obecnie, przemawiają za słusznością teorii Wielkiego Wybuchu, czyli Big – Bang.

       W chwili Wielkiego Wybuchu, którą uważamy za początek Wszechświata, cała materia zajmowała niewiarygodnie małą przestrzeń. Niektórzy naukowcy porównują jej rozmiary do atomu, inni do ziarenka grochu – tak, czy owak, Wszechświat był wtedy niezmiernie mały. W tak małej objętości pierwotna materia, której  naturę fizycy starają się poznać w CERN, była nieskończenie gęsta i nieskończenie gorąca. Procesy i zjawiska, jakie tam zachodziły nie mogą być wyjaśnione przez znane nam prawa i teorie fizyki, gdyż w tych osobliwych warunkach panowały zupełnie inne prawa. Wtedy właśnie nastąpiła eksplozja, trwająca do dziś. Wszechświat zaczął się błyskawicznie rozszerzać i stygnąć. Już w chwili równej jednej bilionowej części sekundy po Wielkim Wybuchu temperatura spadła do takiej wartości, że wszystko, co działo się później, może być już lepiej lub gorzej opisane przez znane nam prawa.

       Wielki Wybuch, który miał miejsce około 15 miliardów lat temu, stał się początkiem narodzin gwiazd w galaktykach. Siła tej niezwykłej eksplozji do tej pory powoduje „ucieczkę” galaktyk, czyli ich wzajemne oddalanie się. Galaktyki oddalają się od siebie jak kropki namalowane na nadmuchiwanym baloniku.

Gwiazdy w galaktykach świecą, dzięki energii, jaka się wyzwala w reakcjach syntezy jądrowej. Takie reakcje polegają na tym, że przy odpowiednio dużym ciśnieniu i w bardzo wysokiej temperaturze, jądra lekkich pierwiastków mogą się łączyć w jądra pierwiastków cięższych. Tak więc wszystkie pierwiastki jakie znamy i z jakich sami się składamy – poza tym najlżejszym, od którego wszystko się zaczyna - powstają w gwiazdach. Najlżejszym pierwiastkiem jest wodór. Jego jądro składa się tylko z jednego protonu. Jądra wodoru, czyli protony musiały więc powstać zanim utworzyły się galaktyki. To w obłokach złożonych z wodoru narodzić się mogły pierwsze gwiazdy.

       Wszechświat nie jest więc statyczny, czyli ciągle taki sam, jak w chwili powstania. Wraz ze zmieniającymi się warunkami, jakie w nim panują, zmieniają się właściwości materii Wszechświata. Czy nadejdzie kiedyś kres „ucieczki” galaktyk? To zależy od tego, czy siła przyciągania grawitacyjnego, działająca między nimi zdoła pokonać siłę eksplozji. Gdyby do tego doszło, to następną fazą w życiu Wszechświata, byłoby grawitacyjne zbliżanie się galaktyk, które może doprowadzić do takiej koncentracji materii, że powtórzy się Big – Bang. Być może, cały Wszechświat na przemian rozszerza się i kurczy. To by oznaczało, że takich wybuchów było już więcej. Z tego też wynika, że życie, którym się cieszymy nie zawsze jest możliwe w ewoluującym Wszechświecie. Ile razy patrzę w gwiazdy myślę, że jesteśmy szczęściarzami, że to właśnie my trafiliśmy na ten czas, kiedy to jest możliwe!

        Wróćmy jednak do momentu, kiedy cały Wszechświat był maleńkim ziarenkiem wypełnionym pierwotną materią. Czym była ta materia, która istniała w tak ekstremalnych warunkach? Niezależnie od tego czym była i jaka była, jedno jest pewne - to z niej powstały protony, neutrony i elektrony, z których zbudowane są atomy wszystkich pierwiastków. Dziś wiemy, że elektrony nie dzielą się już na mniejsze cząstki, ale protony i neutrony składają się z kwarków. Wiemy też, że każda cząstka ma swoją atycząstkę. Cząstki antymaterii docierają do Ziemi z promieniowaniem kosmicznym. Potrafimy je też otrzymywać na Ziemi. Gdy cząstka spotka się ze swoją antycząstką, to obie znikają zamieniając się w energię. Z kolei z energii może powstać para cząstka - antycząstka. Z czego zatem powstały kwarki i antykwarki oraz elektrony i antyelektrony? Jak to się stało, że w końcu nasz świat zbudowany jest z materii, a nie z antymaterii? Fizycy w CERN chcą się tego dowiedzieć w przygotowywanym aktualnie eksperymencie LHC. W tym eksperymencie będą badać materię, jaka powstanie w wyniku czołowego zderzenia protonów rozpędzonych do prędkości bliskiej prędkości światła. W wyniku takich zderzeń protony rozpadną się na mniejsze części. Czy wśród nich fizycy znajdą tą pierwotną cząstkę, która dała początek znanej nam materii?

Więcej na ten temat można znaleźć w podręczniku „Fizyka dla gimnazjalistów. Astronomia”, dopuszczonym do użytku szkolnego przez MEN, który napisałam dla Oficyny Edukacyjnej. Krzysztof Pazdro w 2002 roku.