pixel Page 18FCEBD2B-4FEB-41E0-A69A-B0D02E5410AERectangle 52 Przejdź do treści

 

Kup sobie letni spokój. Bez wychodzenia z domu i bez kosztów przesyłki na terenie całej Polski.

Kup numer letni

Numer letni (3/2020) dostępny jest także w pakiecie z numerem wiosennym (2/2020) za dodatkową złotówkę, bez dodatkowych kosztów wysyłki na terenie Polski.

Kup numer letni i wiosenny
Przekrój
Nie wierzysz? Przekona cię
2019-12-06 10:00:00

Wszystko jest śniegiem

Wszystko jest śniegiem

Czy wiecie, jak dostać się tam, gdzie z nieba spada deszcz galaktyk? Trzeba się wspiąć po drabinie abstrakcji.

Czyta się 10 minut

Jest oczywiście wiele powodów, by kochać świat – i naukę, która go tak pięknie opisuje. Jednym z nich jest zjawisko, któremu na imię: uniwersalność. To uczone słowo odpowiada tak naprawdę prostej intuicji: że „to samo” może wydarzyć się w rozma­i­tych wcieleniach, ten sam scenariusz mogą odegrać rozmaici aktorzy. Poszukiwanie ukrytych podobieństw pomiędzy różnymi zdarzeniami to ulubiona zabawa umysłu ludzkiego, dążącego ku temu, co ogólne i abstrakcyjne. Cóż zilustruje nam to lepiej niż śnieg?

Sztubacy i starzec

Zanim wskoczymy w śnieg z deszczem, pomówmy jeszcze o samej metodzie. Słowo klucz na dziś to „abstrakcja”. Abstrahowanie polega w istocie na gubieniu detali w celu uzyskiwania czegoś ogólnego. Moje nieszczęśliwe zakochanie w Marysi i nieszczęśliwe zakochanie Jacka w Basi to oczywiście dwie zupełnie różne historie. I siedząc z Jackiem przy piwie, będę niecierpliwie czekał na swoją kolej, żeby się zwierzać – bo co ma problem Jacka do mojego problemu, prawda? Ale starszy pan, sączący swój Jägermeister, burknie do barmana, że ileż to on już takich historii słyszał od dziesiątek młokosów. I że czas to najlepsze lekarstwo. Starca nie interesuje, że Marysia to nie Basia, a ja to nie Jacek. Abstrahuje od tych detali, przechodząc tym samym od dwóch konkretnych złamanych serc do abstrakcyjnego pojęcia „nieszczęśliwego zakochania”.

Zamów prenumeratę cyfrową

Z ostatniej chwili!

U nas masz trzy bezpłatne artykuły do przeczytania w tym miesiącu. To pierwszy z nich. Może jednak już teraz warto zastanowić się nad naszą niedrogą prenumeratą cyfrową, by mieć pewność, że żaden limit Cię nie zaskoczy?

Abstrahowanie to niebezpieczna i trudna gra. Zblazowani starcy potrafią doprowadzać je do absurdu. Bo oto do baru wchodzi Krzysiek, któremu smutno, bo właśnie skończył mu się urlop i tęskno mu do wakacji nad jeziorem. Problem całkowicie odmienny, jednak wychylający kolejnego jägera senior chichocze: „Ci młodzi zawsze chcą tego, czego nie mogą mieć – tamci dziewczyn, ten wakacji… Pokory, pokory wam trzeba!”. Oto abstrahowanie na granicy sensu – bo nowa kategoria rozumu opracowana przez barowego mędrca – „chcenie czegoś, czego się nie może mieć” – zaczyna obejmować coraz to różnorodniejsze konkrety, z których, aby podpadły pod jego wzorzec, trzeba wycinać coraz to więcej detali.

Dodajmy tylko, że punktem końcowym procesu abstrahowania są ogólne kategorie metafizyczne, takie jak „substancja” Arystotelesa. Ale dziś nie będziemy się zapuszczać tak daleko. Dziś, w ramach zabawy w abstrahowanie, postaram się przekonać Was, łaskawych Czytelników „Przekroju”, że wszystko jest śniegiem.

Weź parasol, metan pada

Zacznijmy od opadów, które znamy najlepiej: deszczu i śniegu. Co to właściwie jest? Zaczepiony na tę okazję meteorolog cierpliwie opowie – jeśli mu oczywiście coś akurat nie kapie za sweterek – że w atmosferze rozpuszczona jest pewna ilość wody w postaci pary wodnej. Jeśli wilgotne powietrze odpowiednio schłodzić, woda ta wytrąci się – skondensuje – w postaci kropelek albo, jeśli jest jeszcze zimniej, kryształków lodu. Takie skroplenie można wywołać też lokalnie, np. stawiając na stół szklanicę zimnego napoju, która po niedługim czasie zapotnieje. W skali atmo­sferycznej skutkiem tego są jednak – uwaga, nadciąga termin techniczny fizyki atmosferycznej – chmury.

Znajdujące się w chmurach kropelki mogą być za małe, aby działająca na nie siła grawitacyjna ściągnęła je skutecznie w dół. Gdy jednak przekroczą pewien określony rozmiar krytyczny, zaczynają sunąć ku powierzchni. Proces ten sam siebie napędza, ponieważ pełznąca w dół kropelka zbiera po drodze inne, mniejsze, powolutku rosnąc. Z czasem powstaje cała smuga takich kropelek, dążąca ku ziemi. Jeśli po drodze rozwieje się albo wyparuje, będzie to virga; na pewno kojarzycie ten widok – delikatne smugi pod spodnią warstwą chmury, wyglądające jakby ktoś nieznacznie rozmazał ją palcem. Gdy kropelki dotrą do powierzchni, jest to już deszcz. Resztę historii też zresztą znacie – przy odpowiednio niskiej temperaturze powstają w chmurze nie kropelki, tylko kryształki, a powolne opadanie w pierwszej fazie powoduje ich narastanie, czego skutkiem jest śnieg. Gdy wilgotność jest spora, a powietrze silnie dryfuje ku górze, kryształki rosną w potężnym tempie, tworząc grad.

Objęcie deszczu, śniegu i gradu jedną nazwą „opad” to nasz pierwszy szczebel abstrakcji – tym ogólnym terminem obejmuje się wszystko, co w ziemskiej atmosferze wytrąca się („kondensuje”) z rozpuszczonej pary wodnej, a następnie trafia na powierzchnię. W dobie podboju kosmosu oczywistą kontynuacją jest drugi stopień abstrakcji: objęcie tą samą nazwą tego, co dzieje się też w innych atmosferach Układu Słonecznego. Ze względu na odmienny skład chemiczny tych atmosfer opady owe brzmią dość egzotycznie dla ucha Ziemianina. Słynne są choćby metanowe deszcze na Tytanie: spadające z metanowych chmur, tworzące metanowe rzeczki i wpadające do metanowych jezior. Miłośnicy astronomii słyszeli też na pewno o niezbyt sympatycznie brzmiących deszczach kwasu siarkowego na Wenus, choć technicznie – ponieważ strugi gorącego kwasu wyparowują tam przed osiągnięciem powierzchni planety – jest to virga. I… w zasadzie tyle. W paru miejscach w Układzie Słonecznym, np. na Marsie, znajduje się jeszcze odpowiedniki szronu – czyli przypadki osadzania się czegoś z atmosfery bezpośrednio na powierzchni, z pominięciem spadku swobodnego – jednak do prawdziwych opadów potrzebna jest solidna, gruba atmosfera. Tych zaś, jak się wydaje, mamy pod ręką zaledwie trzy: na Wenus, Ziemi i Tytanie.

Amatorzy kosmicznych opadów mogą jednak drążyć dalej: bo czyż zewnętrzne planety olbrzymie nie są również otulone gigantycznymi gazowymi kożuchami? W tym miejscu wkraczamy na szczebel trzeci. O ile bowiem w cieniutkiej zewnętrznej warstewce Jowisza, Saturna, Urana i Neptuna rzeczywiście występuje w miarę normalna atmosfera, to z każdym kolejnym kilometrem w głąb ich gigantycznych cielsk materia ma coraz mniej wspólnego z gazem. Od pewnej, nie tak dużej, głębokości pod wpływem monstrualnego ciśnienia materia staje się szczególnego rodzaju gęs­tym, sztywnym płynem, doskonale przewodzącym prąd, przypominającym bardziej galaretkę z nóżek niż powietrze. Czy w tego typu ośrodku może padać „deszcz”?

Oceńcie sami. Weźmy przykład Jowisza. Na głębokości około 15 000 km (co przekracza rozmiary Ziemi, ale w przypadku tego olbrzyma oznacza zaledwie ćwierć drogi do jądra) materia planety, składająca się niemal wyłącznie z wodoru i helu, ma gęstość wody i temperaturę 5, może nawet 10 tys. stopni. Już to powinno nam uświadomić, jak obce naszej intuicji panują tam warunki: na Ziemi wodór i hel to po prostu gazy, a po ogrzaniu ich do tysięcy stopni stają się po prostu… gorącymi gazami. W płaszczu Jowisza jednak, pod gigantycznym ciś­nieniem nadległej materii, wodór i hel są raczej cieczą niż gazem, choć ich temperatura przekracza tę panującą na powierzchni Słońca. Żeby było śmieszniej, w tak wysokiej temperaturze elektrony uwalniają się od jąder atomowych i tworzą jak gdyby osobny „płyn elektronowy”, co w praktyce oznacza, że owa wodorowo-helowa mieszanina jest czymś w stylu płynnego metalu. Wróćmy jednak może do opadów – bo przecież zanurkowaliśmy w tego gazowego olbrzyma nie tylko z wrodzonej ciekawości. Otóż na tejże mniej więcej głębokości z mieszaniny ­wodór–hel powolutku wytrąca się ten drugi składnik, opadając w kierunku jądra w postaci czegoś, co określa się jako deszcz helowy (helium rain). Naukowcy modelujący wnętrza planet olbrzymich mówią nawet czasem o „chmurach helowych”, w których powolutku rosną „krople helowe”, a jeden badacz w przypływie fantazji pokusił się wręcz o określenie „helowe płatki śniegu”. Hm, jest to więc w końcu „deszcz” czy „śnieg”?

Cóż, pytanie jest w zasadzie źle zadane. Słowa „deszcz” i „śnieg” opierają się na rozróżnieniu między wodą w stanie ciekłym a wodą w stanie stałym i nie ma żadnego oczywis­tego sposobu na „przetłumaczenie” ich na świat, w którym „powietrzem” jest metaliczny wodór o temperaturze Słońca. W miarę posuwania się po drabinie abstrakcji stare terminy potrafią ciążyć, aż w pewnym momencie przynoszą więcej szkody niż pożytku. A to przecież dopiero początek drogi.

Jeszcze bardziej kłopotliwe są „deszcze” padające wewnątrz Urana i Neptuna – które pod płaszczykiem wodorowo-helowym kryją potężne kule zbudowane z wody, metanu i amoniaku. Ba, bezradność języka potocznego najlepiej ilustruje samo określenie „planety lodowe”, którym zwyczajowo się je obejmuje. Jak Uran długi i głęboki, nie uświadczy się w nim i na nim ani grama czegoś, co można by sensownie określić terminem „lód”. Owszem, dziesiątki zimnych kulek fruwających po zewnętrznym Układzie Słonecznym, jak choćby liczne satelity Urana albo Pluton, mają na swojej powierzchni zmrożoną, białoszarawą substancję stałą, zbudowaną z wody, metanu i amoniaku, która pewnie chrupałaby astronautom pod butami i z której można by przy odrobinie fantazji ulepić bałwana. I rzeczywiście, pod grubą otuliną wodorowo-helową Urana i Neptuna znajduje się wielka kula zbudowana z tych właśnie składników. W panujących tam warunkach nie tworzą one jednak lodu – bo jakżeż lodem nazwać gęstą i gorącą jak lawa, namagnetyzowaną ciecz.

W tych właśnie warunkach pojawia się najbardziej chyba egzotyczny z „deszczy” w Układzie Słonecznym. Tak jak w trzewiach Jowisza i Saturna z płynu helowo-wodorowego wytrąca się hel, tak w trzewiach Urana i Neptuna z płynu ­węglowo-wodorowo-azotowego wytrąca się węgiel. Pod tak potężnymi ciśnieniami węgiel ten nie przyjmuje jednak formy sadzy czy grafitu, lecz – ha! – diamentu. Jeśli więc modele fizyczne nie kłamią, na pewnej głębokości we wnętrzu planet „lodowych” pada śnieżyca diamentów wpadających ostatecznie do diamentowego oceanu.

Ku granicom metafory

Gdy już zgodzimy się, że diamentowe i helowe opady w płaszczach planet olbrzymich zechcemy okreś­lić jako „deszcz” albo „śnieg”, popadamy w tarapaty, z których wykaraskać się już nie sposób: bo oto „śniegiem” wolno nam teraz nazwać każdą w zasadzie substancję wytrącającą się z innej substancji. Jakieś przykłady? A proszę bardzo.

Na początek przyjrzyjmy się magmie. W komorach magmowych skorupy ziemskiej dochodzi do wytrącania się ziaren minerałów, które – po opadnięciu na dno komory – tworzą specjalnego rodzaju skały zwane kumulatami. „Deszcz oliwinu” albo „ulewa magnetytu”? A czemu nie. Choć w tym przypadku stosowniejszym terminem byłby „śnieg”, ponieważ kryształki tych minerałów w miarę wędrówki po komorze magmowej obrastają w piękne, regularne otoczki, zupełnie jak płatki śniegu. Proces ten musiał prezentować się szczególnie wspaniale u zarania dziejów naszej planety, gdy cała jej powierzchnia była jeszcze stopiona, tworząc globalny ocean magmowy. Oj, jakie musiały tam szaleć burze śnieżne, a dno tego oceanu stopniowo pokrywało się grubiejącymi zaspami, hm, skał magmowych.

Skoro już się rozpędziliśmy, możemy pójść na całego. Cały nasz Układ Słoneczny powstał wszak z gigantycznej chmury gazopyłu, w której dopiero z czasem kondensowały większe ziarenka i kamienie, opadając – pośród burzy skalistych odłamków – pod wpływem sił grawitacyjnych. To właśnie z owej śnieżycy wyłoniły się największe kule gradowe, czyli embriony planetarne, będące zalążkami wszystkich powstałych później planet.

Gdy zaś zrobić tylko jeden drobny krok wstecz i przyjrzeć się powstaniu całego naszego Układu Słonecznego z perspektywy naszej Galaktyki, czyli Drogi Mlecznej, ujrzymy potężne chmury galaktycznego gazu – rzadkie, strzępiaste, targane galaktycznymi wiatrami – z których tylko tu i ówdzie wytrącają się gwiazdy wraz z otaczającym je śmieciem planetarnym. W tej gigantycznej atmosferze gazowej naszej Galaktyki nawet i dziś pada więc jeszcze deszcz gwiazd – choć obecne tempo ich powstawania zasługuje co najwyżej na określenie mżawka, w przeciwieństwie do czasów, określanych przez astronomów, nie zmyślam, jako burze gwiazdowe, kiedy to Galaktyka aż huczała od tego gwiazdowego opadu.

Na zakończenie warto dodać, że owo wyłanianie się struktur z gazu jest tak naprawdę ogólnym procesem kosmologicznym. Nie tylko planety wyłaniają się z protoplanetarnego ­gazopyłu, nie tylko gwiazdy z gazowego ośrodka galaktycznego, ale w odpowiednio szerokiej skali miliardów lat i milionów lat świetlnych same galaktyki wytrącają się z rzadkiego gazu kosmicznego, wirując następnie, jak potężne płaskie śnieżki, ku wspólnemu centrum przyciągania grawitacyjnego. Kosmogeneza to więc nic innego jak po prostu gigantyczna śnieżyca… prawda?

Wszystko można, tylko po co?

Wróćmy może do początku: miało być wszak o granicach abstrakcji. Okazuje się, że fizyka nie różni się znacząco od języka potocznego, gdy przychodzi do przykładania ogólników do konkretów. Ba, wbrew pozorom wspomniane wyżej procesy można sprowadzić na tę samą płaszczyznę fizyczną łatwiej niż na gruncie języka potocznego.

Fizyk potrafi ze swojego matematycznego przybornika wyciągnąć na przykład cudeńko o nazwie „opis jednej substancji wytrącającej się z drugiej substancji”, które służy do opisu wszelkich przypadków, gdy w ciąg­łym ośrodku pojawiają się zlokalizowane zarodki. To tzw. teoria nukleacji i do jej podstawowych zadań należy w równym stopniu modelowanie deszczu i śniegu, co wytrącania się kryształków w magmie. Naukowcy też myślą metaforami i nie jest rzadkością sformułowanie „nukleacja gwiazd” w literaturze astronomicznej.

Oj tak, fizycy uwielbiają abstrakcje matematyczne i przykładanie ich na próbę w najprzedziwniejszych miejscach. Ot, teoria perkolacji, która pierwotnie powstała jako opis cieczy przepływającej przez porowaty ośrodek, taki jak gąbka albo gleba. Z czasem stała się ogólnym narzędziem matematycznym, rozwijanym nie tylko w kontekście przeciskania się płynu przez szczeliny w skale, ale dla swojej własnej urody. Dziś za pomocą tego samego aparatu teoretycznego modeluje się choćby „przepływ” informacji w sieci społecznej albo ruch samochodowy w mieście.

Dla fizyka kluczowe jest pytanie, czy z tego typu zastosowań wynika coś konstruktywnego – co byłoby odpowiednikiem starca udzielającego wszystkim trzem siedzącym obok mężczyznom tej samej, ale, o dziwo, skutecznej porady. Zaskakująco często wynik takiej próby jest pozytywny, co prowadzi nas do dość poetyckiej, w gruncie rzeczy, konkluzji. Na pewnym poziomie – nie tylko metaforycznie, lecz także matematycznie – my, ludzie, naprawdę jesteśmy tym samym, co płyn przesączający się przez roztrzaskaną skałę albo powoli opadające ku ziemi płatki ciężkiego śniegu. Pomyślcie o tym przez chwilę przy najbliższej śnieżycy.

Data publikacji:

Łukasz Lamża

Filozof przyrody. Popularyzuje naukę, zwłaszcza w „Tygodniku Powszechnym”. Zna się szczególnie na astrofizyce i kosmologii, ale na szczęście czasem schodzi na ziemię.

okładka
Dowiedz się więcej

Prenumerata
Każdy numer ciekawszy od poprzedniego

Zamów już teraz!

okładka
Dowiedz się więcej

Prenumerata
Każdy numer ciekawszy od poprzedniego

Zamów już teraz!