Czarne dziury ebook

Spis treści

 Wszystkie rozdziały dostępne są w pełnej wersji książki

Wstęp

David Shukman

Wszystko, co dotyczy Stephena Hawkinga, stanowi źródło fascynacji: dramat geniusza uwięzionego w bezwładnym ciele; próba uśmiechu na twarzy, którą tylko jeden mięsień jest zdolny poruszyć; charakterystyczny, komputerowy tembr głosu zapraszający do radości z odkryć i udziału w podróżach do najdziwniejszych zakątków wszechświata.

Na przekór wszelkim przeciwnościom ta niezwykła osobowość przekroczyła zwykłe granice nauki. Jego książkę Krótkahistoria czasu sprzedano w oszałamiającej liczbie dziesięciu milionów egzemplarzy. Epizodyczne role w popularnych komediach, zaproszenia do Białego Domu, dobrze przyjęty biograficzny film ugruntowały jego pozycję celebryty. Osiągnął status najsłynniejszego naukowca naszych czasów, jeśli nie wszech czasów.

W latach sześćdziesiątych, gdy zdiagnozowano u niego stwardnienie zanikowe boczne, lekarze dawali mu dwa lata życia. Ponad pół wieku później Hawking nadal prowadzi badania, pisze, podróżuje i regularnie pojawia się w mediach. Jego córka, Lucy, wyjaśniając tę zdumiewającą żywotność ojca, określa go jako osobę „niezmiernie upartą”.

Czy to przez swoją chorobę, czy talent Hawking potrafił zawładnąć wyobraźnią swoich czytelników. Niedawno ostrzegał, że ludzkość sama na siebie sprowadzi serię katastrof za sprawą globalnego ocieplenia lub genetycznie zmodyfikowanego wirusa — artykuł na ten temat miał najwięcej czytelników w dniu, w którym się ukazał na stronie BBC.

Okrutną ironią losu jest fakt, że osoba o takich talentach komunikacyjnych nie może prowadzić normalnej konwersacji. Aby przeprowadzić z nim wywiad, pytania trzeba wysłać z wyprzedzeniem. Kilka lat temu jego otoczenie uprzedzało mnie, żeby nie poruszać błahych tematów, ponieważ odpowiedzi nawet na najprostsze pytania wymagają niezmiernie długiego czasu. W nastroju podniecenia z racji bezpośredniego spotkania nie mogłem się jednak powstrzymać od pytania „Jak się masz?” — i musiałem w poczuciu winy czekać na odpowiedź. Miał się dobrze.

W jego gabinecie w Cambridge tablica jest wypełniona równaniami. Językiem kosmologii jest wyrafinowana matematyka. Wyjątkowy wkład Stephena Hawkinga polega na tym, że udało mu się połączyć narzędzia matematyki służące do opisu diametralnie różnych obszarów nauki. Był pierwszym fizykiem, który badał ogrom czasoprzestrzeni, stosując metody fizyki subatomowej.

Jego koledzy z tej niezmiernie złożonej dziedziny mogą się obawiać, że ich prace nigdy nie będą zrozumiałe dla ogółu, albowiem docieranie do szerszej publiczności to znak firmowy Hawkinga. W tegorocznych wykładach BBC im. Johna Reitha Hawking stanął na wysokości zadania, podsumowując swoje dokonania na temat czarnych dziur w dwóch piętnastominutowych wykładach. Aby pomóc czytelnikom, u których ciekawość walczy z nieśmiałością lub oczarowanych, lecz wystraszonych, dodałem swoje komentarze w kluczowych miejscach (w kursywie, sygnowane literami DS).

Czy czarne dziury nie mają włosów

Wyemitowane przez BBC 26 stycznia 2016 roku

Mówi się niekiedy, że fakty potrafią być dziwniejsze od fikcji. Nigdzie indziej to stwierdzenie nie jest tak trafne jak w odniesieniu do czarnych dziur. Czarne dziury są wprawdzie bardziej niezwykłe niż cokolwiek, co autorzy literatury fantastycznonaukowej byli w stanie wymyślić, a jednak dla nauki są równie realne jak gwiazdy i galaktyki. Społeczność naukowa dość powoli uświadamiała sobie, że ciężkie gwiazdy mogą się zapadać pod wpływem własnej grawitacji. Początkowo prawie nikt nie zastanawiał się, jak mogą się zachowywać obiekty, które powstają w wyniku takiego kolapsu. Nawet Albert Einstein napisał w 1939 roku artykuł, w którym dowodził, że gwiazdy nie mogą się zapadać pod wpływem grawitacji, ponieważ materii nie da się skompresować ponad pewną graniczną wartość. Wielu naukowców podzielało opinię Einsteina. Jednym z nielicznych wyjątków był amerykański fizyk, John Wheeler, który z różnych względów jest bohaterem historii czarnych dziur. W pracach opublikowanych w latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych Wheeler dowodził, że sporo gwiazd ostatecznie się zapadnie, a także zwracał uwagę na problemy, jakie taka możliwość stwarza dla fizyki teoretycznej. Przewidział także cechy, które mają obiekty powstałe w wyniku takiego kolapsu, czyli czarne dziury.

DS: Samo określenie „czarna dziura” jest proste, lecz trudno wyobrazić sobie taki obiekt w przestrzeni kosmicznej. Pewną analogię może stanowić otwór, przez który woda wypływa z wanny. Gdy już raz przekroczy granicę — w kosmologii zwaną horyzontem zdarzeń — nie ma dla niej powrotu. Czarne dziury wciągają wszystko z taką mocą, że nawet światło zostaje zassane, co powoduje, że czarnych dziur nie można zobaczyć. Wiemy jednak, że one istnieją, ponieważ obserwujemy rozszarpywanie gwiazd, które znalazły się zbyt blisko czarnej dziury. Potrafimy także wykryć drgania przestrzeni wywołane przez zderzenia czarnych dziur. Takie zderzenie, do którego doszło ponad miliard lat temu, wygenerowało zarejestrowane niedawno „fale grawitacyjne” (detekcja fal stanowiła ogromne osiągnięcie naukowe), co wywołało wielkie zainteresowanie mediów na całym świecie.

W trakcie życia zwykłej gwiazdy przez wiele miliardów lat jej własnej grawitacji przeciwdziała wewnętrzne ciśnienie termiczne. Ciepło generują procesy jądrowe, które zamieniają wodór w hel.

DS: NASA porównuje gwiazdy do szybkowarów. Energia procesów jądrowej fuzji zamieniona na ciepło generuje wewnętrzne ciśnienie, które jest równoważone przez grawitację ściągającą wszystko do środka.

W końcu jednak gwiazda wyczerpie swoje jądrowe paliwo i zacznie się kurczyć. W niektórych wypadkach może się to zakończyć na etapie zwanym białym karłem. W latach trzydziestych Subrahmanyan Chandrasekhar udowodnił, że maksymalna masa białego karła wynosi około 1,4 masy Słońca. Dla gwiazdy zbudowanej wyłącznie z neutronów maksimum masy wyliczył rosyjski fizyk, Lew Landau.

DS: Białe karły i gwiazdy neutronowe były kiedyś słońcami, lecz wypaliły swoje paliwo. Pozbawione wewnętrznego ciśnienia nie mogły przeciwstawić się grawitacji i w rezultacie stały się jednymi z najgęstszych obiektów we wszechświecie, lecz w tabeli gwiezdnej ligi są jednymi z najmniejszych — ich własna grawitacja jest zbyt słaba, aby mogły się całkowicie zapadać. Dla Stephena Hawkinga i jego kolegów bardziej interesujące są najcięższe gwiazdy, gdy dochodzą do kresu swojego żywota.

Co się zatem stanie z tymi niezliczonymi gwiazdami o masie większej od masy białego karła i gwiazdy neutronowej, gdy wyczerpią swoje jądrowe paliwo? Ten problem badał Robert Oppenheimer, późniejszy twórca bomby atomowej. W serii artykułów opublikowanych w 1939 roku wspólnie z George’em Volkoffem i Hartlandem Snyderem Oppenheimer udowodnił, że taka gwiazda nie może być powstrzymana przed kolapsem przez wewnętrzne ciśnienie. A jeżeli z rachunku usunie się ciśnienie, to jednorodna, sferycznie symetryczna gwiazda ulegnie kontrakcji do pojedynczego punktu o nieskończonej gęstości. Taki punkt nazywa się osobliwością.

DS: Osobliwość to obiekt, który powstaje, gdy masywna gwiazda skurczy się do niewyobrażalnie małego punktu. Koncepcja osobliwości stanowi kanwę całej zawodowej kariery Stephena Hawkinga. Pojęcie to odnosi się nie tylko do losów gwiazd, lecz także do znacznie bardziej fundamentalnej idei dotyczącej powstania wszechświata. To matematyczne prace Hawkinga o tym zagadnieniu przyniosły mu światowy rozgłos.

Wszystkie teorie przestrzeni, które zakładają, że czasoprzestrzeń jest gładka i niemal płaska, załamują się w osobliwości, gdzie krzywizna czasoprzestrzeni jest nieskończona. Osobliwość stanowi zarazem koniec samego czasu, co skądinąd dla Einsteina było nie do przyjęcia.

DS: Ogólna teoria względności Einsteina mówi, że wszystkie obiekty zakrzywiają czasoprzestrzeń wokół siebie. Wyobraź sobie kulę do kręgli leżącą na środku trampoliny. Materiał trampoliny ugina się pod wpływem ciężaru kuli, co powoduje, że mniejsze obiekty staczają się do środka. W analogiczny sposób można wyjaśnić zakrzywienie czasoprzestrzeni przez grawitację. Lecz gdy krzywe w czasoprzestrzeni zakrzywiają się coraz głębiej, aż w końcu stają się nieskończone, zwykłe reguły czasoprzestrzeni przestają działać.

Wtedy wybuchła druga wojna światowa. Większość fizyków, łącznie z Oppenheimerem, zajęła się fizyką jądrową, a kwestia grawitacyjnego kolapsu została na jakiś czas zapomniana. Powróciła wraz z odkryciem kwazarów.

DS: Kwazary to najjaśniejsze obiekty we wszechświecie i być może także najodleglejsze z dotychczas zaobserwowanych ciał niebieskich. Nazwa stanowi skrót określenia „quasi-stellar radio ­source” (quasi-gwiazdowe źródło radiowe). Obecnie uważa się, że są to dyski materii krążące wokół czarnych dziur.

Pierwszy kwazar, 3C273, odkryto w 1963 roku. Wkrótce potem odkryto wiele innych. Mimo ogromnych odległości są bardzo jasne. Za ich promieniowanie nie mogą być odpowiedzialne procesy jądrowe, ponieważ przekształcają one w energię tylko niewielką część całkowitej masy źródła. Jedyną alternatywę stanowi energia grawitacyjna uwalniana przez grawitacyjny kolaps. W taki sposób zostały odkryte grawitacyjne kolapsy gwiazd.

Już wtedy było wiadomo, że jednorodna, sferycznie symetryczna gwiazda ulega kontrakcji do punktu o nieskończonej gęstości, czyli do osobliwości. Równania Einsteina nie obowiązują w osobliwości. Oznacza to, że w punkcie o nieskończonej gęstości nie można przewidzieć przyszłości, a to z kolei oznacza, że dzieje się coś dziwnego, gdy gwiazda się zapada. Przewidywanie przyszłości nie uległoby załamaniu, gdyby osobliwości były nagie, czyli gdyby nie były osłonięte z zewnątrz.

DS: „Naga” osobliwość to teoretyczny scenariusz, w którym gwiazda się zapada, lecz wokół niej nie powstaje horyzont zdarzeń, czyli osobliwość jest widoczna z zewnątrz.

Gdy John Wheeler wprowadził w 1967 roku określenie „czarna dziura”, zastąpiło ono wcześ­niejszą nazwę „zamrożona gwiazda”. Sformułowanie Wheelera podkreśla fakt, że obiekt, który istnieje po zapadnięciu gwiazdy, sam w sobie jest interesujący, niezależnie od tego, w jaki sposób powstał. Nowa nazwa, sugerująca coś ciemnego i tajemniczego, szybko się przyjęła. Jednak Francuzi, jak to Francuzi, dostrzegając pewną ryzykowną dwuznaczność, przez lata wystrzegali się (obscenicznej w ich języku) nazwy trou noir, lecz w końcu musieli ulec, podobnie jak ulegli przy le weekend oraz wielu innych wyrażeniach z kategorii franglais. Kto nie uległby takiej pięknej nazwie?

 Zapraszamy do zakupu pełnej wersji książki