Wszystko co chcielibyście wiedzieć o czarnych dziurach cz.2

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.

Nie taka czarna ta dziura

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.
Praca przy Teleskopie Horyzontu Zdarzeń – rozmowa z Maciejem Wielgusem Ted Kaczynski i jego manifest – “Śmierć nauce” W Auschwitz umarła też nauka