Czarne dziury w laboratorium

Wyobraźcie sobie reakcję przeciętnej osoby, zapytanej o opinię na temat wytwarzania czarnej dziury w genewskim ośrodku CERN. Zakładając, że taki człowiek ma jako takie pojęcie na temat tego czym jest czarna dziura, raczej trudno oczekiwać aprobaty. Czy rzeczywiście powinniśmy się obawiać?

Przecież dziury powstają z gwiazd

Każdej osobie zainteresowanej kosmosem, czarne dziury będą się kojarzyły przede wszystkim ze śmiercią gwiazd. I jest to skojarzenie jak najbardziej słuszne. Czarne dziury powstają w sposób naturalny, będąc końcowym efektem ewolucji największych gwiazd, posiadających masę przynajmniej kilku Słońc.

Gdy taki olbrzym umiera, procesy termojądrowe bijące z jego serca przestają równoważyć ścisk z zewnątrz i grawitacja zwycięża. Niewyobrażalna ilość materii, w sposób naturalny, zostaje ściśnięta na obszarze tak małym, że pojawiają się efekty z jakimi nie mamy do czynienia na Ziemi. Natura najdelikatniej obchodzi się z gwiazdami lekkimi, których zgniatanie powinno zostać zahamowane przez siły działające między elektronami – w ten sposób powstaje biały karzeł. Gwiazdy półtora razy masywniejsze od Słońca również sobie jakoś radzą – opór grawitacyjnemu ciśnieniu stawiają neutrony, rodząc gwiazdę neutronową.

Tacy badacze jak Schwarzschild, Chandrasekhar czy Oppenheimer, już przed II wojną światową zdawali sobie sprawę z tego, że równania Einsteina dopuszczają możliwość istnienia obiektów, dla których nie ma ratunku. Grawitacja gwiazd wielokrotnie większych od Słońca jest na tyle duża, że żadna siła, ani żadne prawo przyrody nie będzie w stanie zatrzymać jej działania. Fizycy mówią o przekroczeniu granicy Schwarzschilda – ciało próbuje się kurczyć bez umiaru, zapaść do punktu o nieskończenie wielkiej gęstości.

To jak powstaje czarna dziura?

Pierwsi teoretycy czarnych dziur skupiali się głównie na gwiazdach i nie ma w tym nic dziwnego. Tylko życiu gwiazd, i to tych największych, towarzyszą procesy umożliwiające naturalne zejście poniżej promienia Schwarzschilda. Ale czy, choćby na papierze, nie możemy założyć powstania czarnej dziury w wyniku zapadnięcia innego ciała? To istotne, bo naukowcy pragnący rozpocząć “produkcję” czarnej dziury na Ziemi, raczej nie będą dysponować podręcznymi gwiazdami.

Teoretycznie nie ma tu żadnych przeciwwskazań. Zasadniczo każdy obiekt może ulec zapadnięciu w samym sobie, jeżeli tylko przekroczy punkt krytyczny, a ten jest ściśle związany z masą – im mniejsza masa tym bardziej musimy zmiażdżyć ciało. W takim razie, czy niewielka w kosmicznej skali Ziemia może przekształcić się w czarną dziurę? Oczywiście – wystarczyłoby ścisnąć naszą planetę do rozmiarów piłeczki golfowej. A niesympatyczny sąsiad? Powinno się udać, jeżeli tylko znajdziemy sposób na zgniecenie całej materii jego ciała do rozmiaru jądra atomowego lub mniejszej. Kłopot polega jedynie na tym, że oddziaływanie grawitacyjne małych obiektów nie zainicjuje spontanicznego zapadania i konieczna byłaby pomoc z zewnątrz. 

Czy czarna dziura na Ziemi to zły pomysł?

Takiej pomocy, naukowcy chcą udzielać pojedynczym cząstkom, dając początek bardzo, bardzo malutkim czarnym dziurom. Fizycy ciągle mają nadzieje, iż takie eksperymenty dojdą do skutku w Wielkim Zderzaczu Hadronów, po osiągnięciu przezeń mocy 14 TeV. Tak rozpędzone protony zderzyłyby się na tyle mocno aby zbliżyć się na odległość mniejszą niż promień Schwarzschilda. Niektórzy naukowcy pracujący w CERN, utrzymują że mikrodziury mogły już powstać, ale… detektory nie zdążyły ich zarejestrować!

Dziura wyparuje

Przyjmijmy jednak, że LHC na razie żadnej czarnej dziury nie wytworzyło i powróćmy do pierwotnego pytania. Czy jest się czego obawiać?

W latach 70. młody Stephen Hawking zadziwił świat wysuwając teorię parowania i powolnego zanikania czarnych dziur. Brytyjczyk oparł swoje twierdzenie na fakcie występowania w przestrzeni fluktuacji kwantowych. Nawet w najczystszej próżni, samoistnie powstają pary cząstka-antycząstka, które błyskawicznie ulegają anihilacji nie pozostawiając po sobie śladu. Może się jednak zdarzyć, że para cząstek wirtualnych powstanie na granicy horyzontu zdarzeń – zewnętrznej sfery czarnej dziury. Hawking założył, że gdy jedna z nich zostanie natychmiast wciągnięta to druga odfrunie w przestrzeń, już jako rzeczywista cząstka i do anihilacji nie dojdzie. Jednocześnie, umykające znad horyzontu cząstki pobierają z czarnej dziury energię przyczyniając się do jej kurczenia. Właśnie ten efekt znamy obecnie pod nazwą promieniowania Hawkinga. 

Dla nas istotne jest to, że im mniejsza dziura tym gorzej “znosi” parowanie. Zwykła czarna dziura, powstała w wyniku śmierci gwiazdy, będzie topnieć znacznie dłużej niż istnieje obecny wszechświat, i to przy założeniu, że nie posili się nową materią. Oznacza to tyle, że nawet po wypaleniu wszystkich ogniw energii w kosmosie, jeszcze przez długie biliony lat przestrzeń będzie wypełniać blade promieniowanie Hawkinga.

Schemat promieniowania Hawkinga

Im mniejsza czarna dziura, tym mocniej paruje. Gdyby czarna dziura posiadała masę rzędu kilku tysięcy ton – a to bardzo niewiele dla takiego obiektu – nad horyzontem zdarzeń można by odnotować temperaturę miliardów stopni, a sam obiekt zniknąłby w mgnieniu oka. Uczeni przekonują, że mikroskopijna dziura możliwa do stworzenia w akceleratorze, powinna wyparować w trudnym do wyobrażenia czasie jednej kwadryliardowej części sekundy. Stąd też wynika ogromny trud uchwycenia ewentualnej mikrodziury przez detektory. Z drugiej jednak strony, część fizyków twierdzi, iż taki obiekt wyparowałby przy temperaturze rzędu septylionów stopni – a coś takiego trudno przeoczyć, nawet w skali subatomowej.

Przepis na koniec świata

Środowisko naukowe z pełnym zaufaniem przyjmuje teorię Hawkinga i poza rzadkimi wyjątkami, z niecierpliwością wyczekuje pierwszych badań nad mikrodziurami. Niskie ciśnienie panujące wewnątrz tunelu LHC ma zapewnić brak materii, która mogłaby zasilić ewentualną dziurę. A nawet gdyby potworek zerwał się z magnetycznego łańcucha, zgodnie z obliczeniami nie zdążyłby niczego wciągnąć. Pracujący w CERN Steve Giddings i Micheangelo Mangano, wzięli również pod uwagę scenariusz, w którym mikrodziura nie uległaby rozpadowi. Według nich obiekt – proporcjonalnie do swojego rozmiaru – pobierałby materię z otoczenia bardzo powoli, a spuszczony ze “smyczy” niczym neutrino mógłby po prostu przelecieć bez szwanku przez całą planetę i spokojnie podryfować w przestrzeń kosmiczną.

Entuzjaści podpierają się również hipotezą naturalnego powstawania mikrodziur w ziemskiej atmosferze. Teoria zakłada, że cząstki promieniowania kosmicznego z ogromną energią zderzają się z materią powietrza co od czasu do czasu, owocuje narodzinami maleńkiej czarnej dziury. Oczywiście takiej, która niemal natychmiast znika. Jeżeli do takiego zdarzenia doszło chociaż raz, a Ziemia nadal ma się dobrze, to badania prowadzone w LHC tym bardziej w niczym nam nie zagrażają, jeśli zaś mikrodziury nie powstały nigdy w sposób naturalny – to prawdopodobnie nam sztucznie tym bardziej nie uda się ich wyprodukować. W obu przypadkach, nie ma się czego obawiać.

Jeśli to kogoś przekona, powstała nawet strona internetowa w krótki sposób odpowiadająca na pytanie: Has the Large Hadron Collider destroyed the world yet?

Literatura uzupełniająca
L. Randall, Pukając do Nieba Bram. Jak fizyka pomaga zrozumieć wszechświat, Warszawa 2013;
S. Hawking, Teoria wszystkiego, czyli krótka historia wszechświata, Poznań 2004;
I. Nowikow, Czarne Dziury i Wszechświat, Warszawa 1995;
A. Szozda, Mamy małe czarne dziurki, [online: http://www.polskieradio.pl/23/266/Artykul/187879,Mamy-male-czarne-dziurki].
5 rzeczy, które powinieneś wiedzieć o Planecie X Kwantowe interpretacje: wieloświaty Everetta Foton na miarę kota Schrödingera