Tagi


Archiwa


Zaprzyjaźnione


/ 7

Artykuły

Wszystko co chcielibyście wiedzieć o czarnych dziurach cz.2

3rd Sie '12

W poprzednim wpisie podjąłem próbę wyjaśnienia abstrakcyjnej natury najbardziej tajemniczych obiektów w kosmosie. Opisanie procesu powstawania czarnej dziury, horyzontu zdarzeń i osobliwości, nie należało do łatwych zadań. Tym razem jednak będzie jeszcze trudniej, gdyż spróbuję zajrzeć w głąb czarnej dziury i przekonać się co spotka ciało przy zetknięciu z osobliwością.

Wyja­śniając termin hory­zontu zdarzeń zasto­so­wałem pewne uprosz­czenie. Pisałem o nim jako o ciemnej kurtynie, lub nie­wi­dzialnej granicy spoza której nie da się uciec. Rze­czy­wi­ście, żadna cząstka po prze­kro­czeniu hory­zontu zdarzeń nie ma prawa uciec, trzymana żelazną ręką gra­wi­tacji. Czarna dziura zyskała swoją nazwę właśnie przez fakt, że nawet fotony nie osiągają dosta­tecznej pręd­kości aby ewa­ku­ować się poza horyzont zdarzeń, wskutek czego nie powinien on emitować kom­pletnie żadnego pro­mie­nio­wania.

Historia nauki zna wiele przy­padków odkryć, do których nie doszłoby, gdyby nie szalony pomysł jakiegoś eks­cen­trycz­nego badacza. Tak było i tym razem. Pewnego czerw­co­wego ranka 1971 roku, Jakow Zeldo­wicz nie posia­dając się z pod­nie­cenia, zadzwonił do prze­by­wa­ją­cego akurat w Moskwie Kipa Thorna, oznaj­miając mu, że wpadł na coś nie­sa­mo­wi­tego. Radziecki uczony, znany z oso­bli­wego rozu­mo­wania, stwier­dził, iż wirująca czarna dziura musi pro­mie­niować. Ame­ry­kański badacz zachował oczy­wi­ście scep­ty­cyzm wiedząc, że skoro nawet światło nie może uciec poza horyzont zdarzeń, to również nic innego. Intuicja Zeldo­wicza sięgała jednak dalej niż mate­ma­tyczne obli­czenia; zwrócił bowiem uwagę na efekty kwantowe. Badacz wyja­śniał, że próżnia, w której zanu­rzona jest czarna dziura, tak naprawdę pełna jest mini­mal­nych drgań. W nor­mal­nych warun­kach te fluk­tu­acje miewają energię na zmianę dodatnią i ujemną co daje zerowy bilans. Jednak gdy fluk­tu­acje musną obra­ca­jący się horyzont zdarzeń, wywo­ły­wane jest pro­mie­nio­wanie. Do tej pory astro­fi­zycy patrzyli na czarne dziury podobnie jak na inne obiekty makro­sko­powe, jedynie przez pryzmat teorii względ­ności i jej wła­ści­wości gra­wi­ta­cyj­nych. Nowe spoj­rzenie na problem nie było łatwe, sam Thorne wspomina, że w 1971 był zbyt głupi, by uświa­domić sobie zna­czenie tej kon­cepcji. Nie ma w tym nic dziwnego: takie posta­wienie sprawy wymagało wspól­nego roz­pa­try­wania gra­wi­tacji i mecha­niki kwan­towej, czyli dwóch zupełnie prze­ciw­staw­nych teorii, których nauka nie potrafi zuni­fi­kować do dziś.
Zilustrowanie zasady działania promieniowania Hawkinga.

Zilu­stro­wanie zasady dzia­łania pro­mie­nio­wania Hawkinga.

Większą dale­ko­wzrocz­no­ścią wykazał się cho­ro­wity, trzy­dzie­sto­letni Stephen Hawking. Odwie­dził on Moskwę dwa lata później i zauro­czył się teorią Zeldo­wicza, choć również nie przyjął jej bez­kry­tycznie. Wkrótce Bry­tyj­czyk stworzył własną wersję pro­mie­nio­wania czarnych dziur – pro­mie­nio­wanie Hawkinga – rychło opu­bli­ko­waną w cza­so­pi­śmie Nature. Oto idea. W prze­strzeni ciągle poja­wiają się nie­zau­wa­żalne i natych­miast zani­ka­jące fluk­tu­acje. Fizycy mówią o bły­ska­wicznie zni­ka­ją­cych cząst­kach wir­tu­al­nych, czyli parach cząstka-anty­cząstka o odwrotnym ładunku (jak elektron-pozyton) i energii. Stephen Hawking zadał sobie pytanie, co stanie się z parą cząstek wir­tu­al­nych poja­wia­ją­cych się dokładnie na granicy hory­zontu zdarzeń. Odpo­wiedź mogła być jedna: cząstka muska­jąca granicę hory­zontu zostaje wcią­gnięta do środka, a druga zamiast ulec ani­hi­lacji ucieka. To oznacza, że gdybyśmy mieli moż­li­wość oględzin czarnej dziury z bliska, powin­niśmy zare­je­strować deli­katne pro­mie­nio­wanie. Czarna dziura nie jest do końca czarna!

Zapy­tacie, czy ma to jakieś donio­ślejsze zna­czenie? Jak naj­bar­dziej! Zjawisko pro­mie­nio­wania Hawkinga pomogło pogodzić wła­ści­wości czarnych dziur z pod­sta­wo­wymi prawami fizyki. Przy­kła­dowo, usunięto problem stosunku czarnych dziur do drugiej zasady ter­mo­dy­na­miki. Jako, że nie da się zobaczyć co znajduje się za kurtyną hory­zontu, nie istnieje sposób na zmie­rzenie entropii – a ta powinna wzrastać do maksimum. Do tej pory zakła­dano, że miarą entropii czarnej dziury jest jej wielkość. Innymi słowy wpa­da­jąca materia zwiększa nie­upo­rząd­ko­wanie za hory­zontem zdarzeń, podobnie jak jego powierzchnie. Wyja­śnienie wygodne, ale okra­szone sporym pro­blemem logicznym. Jeżeli czarna dziura nie posiada mak­sy­malnej entropii, to musi zawierać energię, a więc posiadać tem­pe­ra­turę powyżej zera abso­lut­nego. Opisując sprawę bardziej obrazowo: podczas gdy wszech­świat za biliardy lat osiągnie stan cał­ko­wi­tego nie­upo­rząd­ko­wania, a cała materia ulegnie dege­ne­racji i roz­pro­szeniu, czarne dziury ist­nia­łyby w stanie nie­na­ru­szonym całą wiecz­ność. Niejako zatrzy­mają postęp entropii, gwałcąc tym samym drugą zasadę ter­mo­dy­na­miki. Znowuż w prze­ciwnym wypadku, jeżeli entropia czarnej dziury wzrośnie do maksimum, powinno powstać jakieś pro­mie­nio­wanie odcią­ga­jące energię i umoż­li­wia­jące jej znik­nięcie. Dokładnie ten proces opisuje pro­mie­nio­wanie Hawkinga. Jeżeli horyzont zdarzeń połknie cząstkę wir­tu­alną o ujemnej energii, zmniejszy ona czarną dziurę, a jej dodatnia bliź­niaczka stanie się rze­czy­wistą cząstką, poza hory­zontem zdarzeń. Czarne dziury parują! Co prawda, dla cał­ko­wi­tego znik­nięcia obiektu potrzeba znacznie więcej czasu niż istnieje nasz wszech­świat, ale z teo­re­tycz­nego punktu widzenia jest to możliwe.

Kot Hawkinga vs. kot Susskinda

Mimo pro­mie­nio­wania Hawkinga, nie ma wąt­pli­wości, że czarne dziury stanowią naj­bar­dziej zło­wrogie miejsca we wszech­świecie. Wyobraźmy sobie, że w dalekiej przy­szłości ludzkość będzie zdolna do podróży mię­dzy­gwiezd­nych i wyśle rakietę orbi­tu­jącą wokół hory­zontu zdarzeń zbie­rając infor­macje. Niestety w ten sposób, oprócz wery­fi­kacji ist­nienia paro­wania Hawkinga, dowiemy się niewiele. Kamery pokażą jedynie sfe­ryczną ciemność, otoczoną przez znacznie większy dysk akre­cyjny roz­grza­nych pyłów i gazów wpa­da­ją­cych do środka. Załóżmy, że chcąc zobaczyć coś cie­ka­wego, naukowcy wyślą w pobliże hory­zontu kota. Co się wydarzy?

Zwierzak na pewno zginie. Roz­dź­więk między naukow­cami pojawia się nato­miast wobec pytania o stopień znisz­czenia, a kon­kret­niej o tzw. paradoks infor­ma­cyjny. W fizyce panuje reguła, wedle której infor­macja nigdy nie znika. Po rozbiciu jednej cząstki na inne, zawsze istnieje moż­li­wość odwró­cenia procesu i złożenia jej do stanu poprzed­niego. Znając prawa przyrody i wła­ści­wości każdego kwantu we wszech­świecie, odpo­wiednio potężny komputer byłby w stanie odtwo­rzyć wielki wybuch. Czysto teo­re­tycznie, pomi­jając problem zbu­do­wania tak skom­pli­ko­wanej apa­ra­tury. Nie wdając się w szcze­góły, reguła ta wiąże się z drugą zasadą ter­mo­dy­na­miki i jej złamanie byłoby fizyczną kata­strofą.

Właśnie w odnie­sieniu do zasady zacho­wania infor­macji doszło do zgrzytu między naj­tęż­szymi umysłami współ­cze­snej fizyki: Ste­phenem Haw­kin­giem a Leonardem Sus­skindem posił­ko­wanym przez Gerarda t’Hoofta. Ten pierwszy do niedawna twardo obstawał za tezą nie­od­wra­cal­ności: co wpadnie do czarnej dziury, w pewnym sensie znika z naszego wszech­świata. Paro­wanie nic tu nie zmienia, ponieważ wir­tu­alne cząstki powstałe tuż nad hory­zontem zdarzeń, nie noszą tej samej infor­macji, co materia, która uległa zmiaż­dżeniu w oso­bli­wości. W dalekiej przy­szłości, czarna dziura wypro­mie­niuje całą swoją zawar­tość i zniknie, nie pozo­sta­wiając śladu po tym co do niej wpadło. Hipo­te­tyczny kot Hawkinga nie tylko zginie, ale również cał­ko­wicie prze­padnie infor­macja o każdej cząstce jego ciała. Zasadę zacho­wania infor­macji szlag trafił.
Leonard Susskind, jeden z przywódców w "wojnie o czarne dziury".

Leonard Susskind, jeden z przy­wódców w „wojnie o czarne dziury”.

Wycieczka do osobliwości

Znany z prac nad teorią strun Susskind, był zszo­ko­wany teorią Hwakinga i posta­nowił znaleźć lepsze roz­wią­zanie. Po kilku latach odnalazł odpo­wiedź, ale tak dziwną, że nawet on sam zdaje sobie sprawę z jej nie­zwy­kłości. Zmyślony kot Sus­skinda przy zbli­żeniu się do oso­bli­wości nie ucieknie przed strasz­liwą zagładą, ale komplet infor­macji zostanie ocalony, roztarty na powierzchni hory­zontu czarnej dziury. W jaki sposób? Z kamery ujrzymy jak kot zbliża się do ciemnej powierzchni i przez wzgląd na dyla­tacje czasu z każdą sekundą porusza się coraz wolniej. Sam kot odczuwa co innego – spada coraz szybciej, nie zauwa­żając minięcia nie­ma­te­rial­nego hory­zontu. Dopiero po chwili przednie części jego ciała ulegają roz­cią­gnięciu i ści­skaniu z boków, aż roze­rwane ciało dotrze do punk­towej oso­bli­wości, gdzie zostanie cał­ko­wicie zmiaż­dżone. Nawet atomy będą się wydłużać i zakrzy­wiać, dążąc do nie­skoń­czenie wielkich wartości w centrum. Mało tego, siły w tym kosmicznym potrzasku defor­mują cza­so­prze­strzeń, niszcząc ją w nie­po­jęty dla ludz­kiego umysłu sposób. Kamery na pokła­dzie statku reje­strują jednak ciągle inny obraz – kot bardzo powoli osiądzie na hory­zoncie, spłasz­czając się. Jak wyjaśnia Susskind: zoba­czymy całą materię, która wpadła do czarnej dziury, w tym materię, z której powstała, roz­cią­gniętą i zamro­żoną.

Dla zewnętrz­nego obser­wa­tora każdy atom nie­szczę­snego czwo­ro­noga zasty­gnie w czasie na powierzchni dziury; a każdy kwark i elektron wraz z prze­no­szoną infor­macją roz­cią­gnie się na cały horyzont. Widok masa­kryczny, ale infor­mację da się odczytać. Leonard Susskind nazwał tę kon­cepcję teorią holo­gra­ficzną, uważając, iż ten zatarty obraz stanowi dwu­wy­mia­rowy hologram tego co wpadło do środka. Być może to sza­leń­stwo, ale sam Stephen Hawking przyznał osta­tecznie, iż nie miał racji w sporze o paradoks infor­ma­cyjny. Jako entu­zja­ście strun, pozo­staje mi przy­kla­snąć nie­złom­nemu Sus­skin­dowi; tym bardziej, że w swojej pracy wyko­rzy­stywał pomysły z nowa­tor­skiej teorii. Jak na razie teoria holo­gra­ficzna dopiero raczkuje, ale naj­więksi naukowcy wróżą jej gigan­tyczną karierę. Nie zdziwcie się jeżeli w nie­da­le­kiej przy­szłości usły­szycie o jej kon­se­kwen­cjach w odnie­sieniu do całego wszech­świata.

Oba koty – Hawkinga i Sus­skinda – zginęły w tra­gicz­nych oko­licz­no­ściach. Nie prze­szkadza to bynajm­niej pełnym nadziei fan­ta­stom, upo­rczywie doszu­kiwać się w czarnych dziurach cech pozy­tyw­nych. Naj­większą popu­lar­no­ścią cieszą się od dawien dawna tunele cza­so­prze­strzenne. Kon­cepcja ta pierwszą młodość ma już za sobą, bowiem łączy się z pracami samego Alberta Ein­steina i współ­pra­cu­ją­cego z nim Nathana Rosena. Z tzw. mostem Ein­steina-Rosena mogli­ście się bez problemu spotkać, ponieważ zajął istotną pozycję w popkul­turze. Warto wymienić choćby film Donnie Darko w reży­serii Richarda Kelly’ego, gdzie tytułowy bohater wpadł w swego rodzaju pętle czasu; oraz powieść Kontakt Carla Sagana, w której dr Arroway miała wyko­rzy­stać tunel cza­so­prze­strzenny do prze­nie­sienia się w pobliże odda­lonej o 26 lat świetl­nych Wegi. Skąd ta fascy­nacja?

Czarna dziura jako wrota

Jak wiemy, Albert Einstein w swojej teorii względ­ności opisał makro­sko­pową rze­czy­wi­stość jako nie­wi­dzialną kon­strukcję, zakrzy­wianą przez obecność masy. Oso­bli­wość, obiekt bardzo mały a jed­no­cze­śnie nie­skoń­czenie masywny, tworzy wydłu­żone, lej­ko­wate zagłę­bienie. Czysto teo­re­tycznie obaj fizycy założyli, że tego rodzaju dziura w cza­so­prze­strzennej tkaninie, powinna mieć ujście, łącząc się z inną dziurą. Obli­czenia temu nie prze­czyły. Powstałby swego rodzaju korytarz, rela­tywnie krótki, łączący bardzo odległe miejsca we wszech­świecie. Już dla Ein­steina wiadomym było, że nie jest to naj­lepszy sposób trans­portu. Wewnątrz tunelu nie­skoń­czone siły gra­wi­ta­cyjne uni­ce­stwi­łyby każdy wysłany doń wehikuł. W dodatku wydaje się nie­praw­do­po­dobne, aby natura samo­czynnie tworzyła i pozwo­liła istnieć hiper­prze­strzennym kory­ta­rzom. W jaki sposób jedna oso­bli­wość odna­la­złaby się z inną, oddaloną o lata świetlne? Czy tunel nie zapadłby się samo­istnie? No i czy jest sposób aby uniknąć zagłady w środku czarnej dziury?
most einsteina

Wyobra­żenie mostu Ein­steina-Rosena.

W latach 60. Roy Kerr próbował odnaleźć pozy­tywną odpo­wiedź na ostatnie z tych pytań. Biorąc pod uwagę zasadę zacho­wania pędu, stworzył on kon­cepcję oso­bli­wości nie punk­towej, a o kształcie cien­kiego krążka. Ciekawe w niej było to, że gdyby trafić idealnie w sam środek tego nale­śnika, możliwym byłoby prze­trwanie. Niczym centrum tornada, wewnątrz oso­bli­wości Kerra siły gra­wi­ta­cyjne byłyby olbrzymie, ale już nie nie­skoń­czone. Niestety póź­niejsze badania doty­czące wpływu mecha­niki kwan­towej zane­go­wały tego typu teorie, dowodząc, że tunel uległby zaplom­bo­waniu. Nieco bardziej praw­do­po­dobne byłoby zało­żenie, że jakaś hiper­in­te­li­gentna cywi­li­zacja nauczy się w sposób sztuczny pod­trzy­mywać ist­nienie tunelu cza­so­prze­strzen­nego.

Cie­ka­wostką jest fakt, że gros badań i dyskusji zaini­cjował swoją książką Carl Sagan. Fani science-fiction użyliby więc do tego zadania spe­cjal­nego typu materii – materii egzo­tycznej – oddzia­łu­jącej gra­wi­ta­cyjnie w sposób odwrotny niż zwykła materia. Materia egzo­tyczna posia­da­łaby ujemną gęstość i odpy­cha­łaby od siebie ścianki tunelu cza­so­prze­strzen­nego, nie pozwa­lając mu się zapaść. Hawking domnie­mywał, że fluk­tu­acje próżni i cząstki wir­tu­alne mogą działać jako materia egzo­tyczna. Sprawa pozo­staje otwarta. Któż wie, czy prace kolej­nych pokoleń fizyków cząstek ele­men­tar­nych nie zaowo­cują, w dalekiej przy­szłości, wytwo­rze­niem potrzeb­nego surowca. 

Oso­bi­ście nie lubię tematyki tuneli cza­so­prze­strzen­nych. Nie zary­zy­ko­wałbym też życia trze­ciego kota aby prze­konać się czy wnętrze czarnej dziury jest zdatne do trans­portu. Materia egzo­tyczna to jak dotąd wytwór wyobraźni, a most Ein­steina-Rosena, mimo że nie możemy z całą pew­no­ścią zane­gować jego ist­nienia, stanowi na razie tylko popu­larny motyw z książek i filmów. Co więcej, myślę, że nawet jeżeli zbliżymy się do czarnej dziury po tysią­cach lat rozwoju, to umie­jęt­ność jej wyko­rzy­stania nabę­dziemy po setkach tysięcy lat, albo… nigdy.
Literatura uzupełniająca:
L. Susskind, Czarne dziury i paradoks informacyjny, Warszawa 1997;
M. Begelman, M. Rees, Ta siła fatalna: Czarne dziury we Wszechświecie, Warszawa 1999;
K. Thorne, Czarne Dziury i Krzywizny Czasu: Zdumiewające dziedzictwo Einsteina, Warszawa 2004;
S. Hawking, Teoria Wszystkiego: Powstanie i losy Wszechświata, Poznań 2004;
R. Kostecki, Wprowadzenie w Czarne Dziury [online], Warszawa 2005;
M. Kaku, Wszechświaty równoległe. Powstanie Wszechświata, wyższe wymiary i przyszłość kosmosu, Warszawa 2006.

Naukowy totalitarysta. Jeśli nie chcesz aby wpadli do Ciebie naukowi bojówkarze, zostaw komentarz.

  • Ano­ny­mous

    Pozwolę sobie sko­men­tować.
    Świetnie napisane posty – od dłuż­szego czasu gdy znajduję chwilkę czasu uzu­peł­niam zale­głości.

    Czy planuje Pan kon­ty­nu­ację tematu?
    Może będę miał moż­li­wość prze­czy­tania i sko­men­to­wania innych arty­kułów.
    Odnośnie czarnych dziur czy spotkał się Pan z pojęciami/zagadnieniami:
    – białych dziur;
    – wyko­rzy­stania czą­ste­czek splą­ta­nych w celu zbadania tego co znajduje się za hory­zontem zdarzeń.
    Mam nadzieję że znajdzie Pan chwilkę na odpo­wiedź.
    Dziękuję za wspa­niałą lekturę
    Pozdra­wiam.
    g_o_n

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.blogger.com/profile/11397196611078180548 Adam Adamczyk

      Temat wyczer­pany nie został i szczerze mówiąc nie mogę obiecać, że do niego w naj­bliż­szej przy­szłości powrócę. W kwestii białych dziur pozo­staje scep­tyczny. Ciągle spotykam się z nimi przy okazji jakiś bardzo popu­lar­nych pro­gramów, podczas gdy w książ­kach poświę­co­nych czarnym dziurom autorzy nie poświę­cają im niemal w ogóle uwagi.

      Wyko­rzy­stanie splą­tania do zaj­rzenia za horyzont wydaje się świetnym pomysłem. Musze jednak uzu­pełnić wiedzę w tym temacie =).

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • Ano­ny­mous

      Białe dziury są kon­cepcją czysto teo­re­tyczną dlatego nie ma ich książ­kach. Spo­tkałem się z różnymi inter­pre­ta­cjami m.in., iż wystę­pują one w wymia­rach rów­no­le­głych na innych branach. Nie wiem czy Pan słyszał o teorii iż super­ma­sywne czarne dziury są pozo­sta­ło­ścią po zde­rzeniu brany naszego wszech­świata z sąsiednią i u nas wystą­piły czarne dziury a w prze­ciwnym właśnie białe – pozwala to na wytłu­ma­czenie fenomenu zacho­wania infor­macji – tego przy­sło­wio­wego kota. Wszystko to oczy­wi­ście teorie nie­we­ry­fi­ko­walne – bardziej eks­pe­ry­menty myślowe niż poważne badania, niestety nie orien­tuję się jak i czy pro­wa­dzone są wery­fi­kacje mate­ma­tyczne tego problemu.

      Ogólnie splą­tanie wg. mojej skromnej osoby niesie bardzo duże moż­li­wości w zakresie np. komu­ni­kacji pod-prze­strzennej. Jest dużo nie­od­po­wie­dzia­nych pytań i nie­zwe­ry­fi­ko­wa­nych twier­dzeń, które mogą zatrząść posadami fizyki – bo przecież nic nie może poruszać się szybciej niż światło. Ale czy aby na pewno tak jest? Wyko­rzy­stanie splą­tania do badania czarnych dziur, już jakiś czas temu się na to natchnąłem i pomysł wydaje się teo­re­tycznie bardzo logiczny pod warun­kiem, że utrzy­mamy splą­tanie przy prze­kra­czaniu hory­zontu zdarzeń. Z zna­le­zie­niem mate­riałów nie powinno być problemu. Może następny artykuł?
      Pozdra­wiam
      g_o_n

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Ano­ny­mous

    Ostatnio naukowcy uzyskali temp. poniżej zera bez­względ­nego. Po za samą nie­co­dzien­no­ścią tego faktu, okazało się, że czą­steczki w tym ośrodku miały odwrotny zwrot siły gra­wi­tacji, niż normalna materia.
    Zatem utrzy­manie tuneli cza­so­prze­strzen­nych wydaje się możliwe, a ich ist­nienie całkiem praw­do­po­dobne.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.blogger.com/profile/11397196611078180548 Adam Adamczyk

      Obiło mi się o uszy, ale tekst był pisany w roku ubiegłym, więc sam rozu­miesz.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Ano­ny­mous

    Super. Czytam jak rewe­la­cyjną fan­ta­stykę, z dawką humoru, a to może być prawda… 🙂

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Seba­stian Tyrała

    Świetny artykuł, powiem szczerze, że lubię do niego od czasu do czasu wrócić i zawsze wydaje się świeży i świetnie się go czyta. Dziękuję i trwaj dalej w two­rzeniu tego bloga 🙂

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0