Nie takie znów czarne

Genialny fizyk Stephen Hawking od ponad 40 lat zajmuje się czarnymi dziurami. Właśnie opublikował artykuł, w którym stwierdził, że te intrygujące obiekty wcale nie są czarnymi charakterami Wszechświata.

03.02.2014

Czyta się kilka minut

Artystyczna wizja czarnej dziury o masie nawet miliardów Słońc. Wiruje wokół niej materia wciągana przez potężną grawitację. Przedstawiono także strumień naładowanych cząstek zasilany ruchem obrotowym czarnej dziury. / Fot. NASA / JPL-Caltech
Artystyczna wizja czarnej dziury o masie nawet miliardów Słońc. Wiruje wokół niej materia wciągana przez potężną grawitację. Przedstawiono także strumień naładowanych cząstek zasilany ruchem obrotowym czarnej dziury. / Fot. NASA / JPL-Caltech

Podkręcanie tematu cechowało kiedyś tylko prasę bulwarową, ale z czasem przeniknęło do głównego nurtu mediów. To pewnie dlatego nawet poważne tytuły napisały, że według Hawkinga czarne dziury nie istnieją. Jednak jak na fizyka, który od dekad bada to zagadnienie, byłaby to dość śmiała teza.

Aby zrozumieć, co ów genialny naukowiec faktycznie zaproponował, trzeba najpierw zrozumieć samo zjawisko, którego istnienie ponoć podważył.

PUŁAPKA NA ŚWIATŁO

Przez czarną dziurę fizycy rozumieją miejsce w czasoprzestrzeni, gdzie siła grawitacji jest tak potężna, że nic, nawet światło, nie jest w stanie się stamtąd wyrwać. Postulaty dotyczące istnienia tego typu obiektów we Wszechświecie zaczęły się pojawiać już w XVIII wieku, a wraz z teorią względności Einsteina nabrały rumieńców.

Naukowcy najpierw zaczęli się zastanawiać, co by było, gdyby materia, z której zbudowana jest duża gwiazda, zaczęła się zapadać pod swoim ciężarem tak dalece, że nie byłoby żadnej siły (ciśnienia), które mogłoby wypchnąć na zewnątrz. Z matematycznego punktu widzenia taki brak hamulców spowodowałby zapadnięcie się całej materii w jeden punkt. Siła grawitacji takiego punktu o gigantycznej masie sprawiałaby, że nic nie byłoby w stanie uciec z jego okolicy.

W fizyce istnieje pojęcie prędkości ucieczki – czyli prędkości, którą należy nadać obiektowi, by wyrwał się z pola grawitacyjnego planety, gwiazdy czy galaktyki. Na przykład, aby obiekt nie spadł na Ziemię, wystarczy rozpędzić go do prędkości 11,2 km/s (trochę ponad 40 tys. km/h). Ale żeby uciekł z układu Ziemia– –Księżyc, powinien zostać rozpędzony do 42,1 km/s. By zaś wyrwał się z pola grawitacyjnego Słońca i uciekł w przestrzeń międzygwiezdną, musi poruszać się z prędkością 525 km/s (bagatela – prawie 2 mln km/h). Prędkość ta zależy od masy wytwarzającej grawitację, każdy obiekt kosmiczny ma więc prędkość ucieczki. Naukowcy zaczęli się zastanawiać, czy mogą istnieć obiekty, dla których prędkość ucieczki jest większa od – nieprzekraczalnej – prędkości światła. Wyszło im, że nie ma logicznych przeszkód. Ponieważ z tak silnego pola grawitacyjnego nawet światło nie miałoby szans uciec, nie byłoby nic widać. Tylko czarną plamę. Stąd zaproponowana w 1967 r. przez Johna Wheelera nazwa „czarna dziura”.

Hawking w swojej ostatniej publikacji wcale nie zanegował całkowicie możliwości istnienia tworów tak masywnych, że nawet światło nie może od nich uciec. Rozważania Hawkinga są o wiele bardziej subtelne. A wiążą się z lubianą przez wielu fizyków zabawą w „co by było, gdyby”.

Rozważania teoretyczne doprowadziły naukowców do stworzenia różnych reguł rządzących fizyką czarnych dziur, i choć wciąż nie ma bezpośrednich dowodów na ich istnienie, to wielu fizyków jest o tym przekonanych. Astronomowie zaś twierdzą wręcz, że zaobserwowali skutki obecności tych supermasywnych tworów we wnętrzach galaktyk. Generalnie więc środowisko naukowe jest przekonane, że czarne dziury istnieją.

Debatę rozpalają szczegóły dotyczące ich zachowania.

GDY DZIURA CHUDNIE

Pierwszym problemem jest pojęcie „horyzontu zdarzeń” – czyli punktu, po przekroczeniu którego światło nie ma już odwrotu. Odległość tego punktu od środka masy zależy od samej masy, wzór podał już w 1916 r. Karl Schwarzschild. Np. dla Słońca wynosi ok. 3 km, dla Ziemi ok. 9,87 mm. To znaczy, że gdyby ścisnąć Ziemię do średnicy 8 mm, stałaby się czarną dziurą. Daje to dosyć dobre pojęcie, jak trudnym eksperymentem jest stworzenie czarnej dziury w laboratorium (choć, o dziwo, w ośrodku CERN pod Genewą już nad tym pracują).

Z punktu widzenia klasycznej fizyki relatywistycznej, czarna dziura to czarna dziura. Nic nie wydostaje się poza horyzont zdarzeń. Gdybyśmy mierzyli temperaturę, to wyniesie ona zero kelwinów – bo promieniowanie cieplne też nie jest w stanie się wydostać. Jeśli coś wpadnie, to przepada na zawsze.

To by jednak znaczyło, że po pierwsze czarne dziury są wieczne, a z uwagi na stosunkowo prosty sposób ich powstawania – ściśnięcie materii do małych rozmiarów – powinno ich być mnóstwo. Byle zderzenie szybko poruszających się cząstek elementarnych powinno tworzyć czarne dziury, a te powinny przyciągać coraz więcej materii, wsysać ją i powiększać się coraz bardziej. Słowem, cały Wszechświat powinien być dziurawy.

W 1974 r. Stephen Hawking wysunął jednak hipotezę, że czarne dziury wcale nie są aż tak czarne. To znaczy, że wydostaje się z nich jakieś promieniowanie. Posłużył się fizyką kwantową i zaczął rozważać zjawiska w małej odległości horyzontu zdarzeń – co by było, gdyby na skutek fluktuacji kwantowych zaczęły powstawać dziwne cząstki wirtualne (na których istnienie pozwala teoria), o ujemnej masie i energii. Takie cząsteczki mogą powstawać parami i w ułamku sekundy znikać – jeśli jedna ma dodatnią energię, a druga ujemną o tej samej wartości, energie się wzajemnie znoszą. Czyli, statystycznie rzecz biorąc, mamy próżnię.

Jeśli jednak próżnię, w której tworzą się takie dziwne pary, rozdzielimy horyzontem zdarzeń, to cząsteczki o ujemnej energii powstałe za tymże horyzontem będą wciągane do wnętrza czarnej dziury, a te o dodatniej energii będą uciekać w kosmos.

Te dodatnie stanowią promieniowanie, a te ujemne zmniejszają ogólną masę czarnej dziury, czyli powodują jej parowanie. Promieniowanie czarnych dziur nazwane zostało promieniowaniem Hawkinga. To bardzo dobra teoria tłumacząca, dlaczego obserwujemy tylko czarne dziury o masie porównywalnej z gwiazdami, a nie mamy mikrodziurek o masach porównywalnych z elektronami czy ziarnkami piasku. Duże czarne dziury znajdą sobie zawsze coś, co zrównoważy ubytek energii spowodowanej promieniowaniem Hawkinga – jakiś zabłąkany elektron czy choćby foton, który mogą wessać. Ale małe czarne dziury mogą nie zdążyć łyknąć materii dla kurażu i nagle przestają być czarnymi dziurami, bo za bardzo chudną.

ZACIERANIE ŚLADÓW

Teoria Hawkinga sprawiła, że fizycy doświadczalni przestali się obawiać stworzenia sztucznej czarnej dziury i dlatego eksperymentują w CERN, szukając sposobów na wystarczająco silne zderzenie cząstek elementarnych, aby zapadły się pod swoim ciężarem i stworzyły mikrodziurkę. To bezpieczne, bo promieniowanie Hawkinga zabiłoby taką mikrodziurkę w mgnieniu oka – wystarczająco długim na dokonanie pomiarów, ale wystarczająco krótkim, żeby mały potworek nie wessał wszystkiego wokół siebie.

Niestety, jak to bywa z fizykami, pomysł parowania czarnych dziur nie okazał się kresem dociekań, lecz kolejną puszką Pandory. Zgryzotą fizyków stała się kwestia informacji wpadającej za horyzont zdarzeń. Póki informacja leżała sobie we wnętrzu czarnej dziury, nie było problemu – była tam w jakiejś formie za horyzontem zdarzeń. Ale jeśli czarna dziura może wyparować, to co się dzieje z informacją, która kiedyś tam wpadła? Teoria promieniowania Hawkinga nie mówi nic o tym, co czarna dziura pożarła – więc informacja się ulatnia. Parowanie czarnej dziury staje się idealnym sposobem na zacieranie śladów. Żadne fizyczne CSI na podstawie trajektorii cząstek elementarnych czy innych śladów nie odbuduje pierwotnego obrazu. A to niedobrze – bo Gerard ‘t Hooft, laureat Nagrody Nobla, udowodnił, że anihilacja informacji oznacza pogwałcenie zasady zachowania energii. A jej podważenie oznacza, że cała znana fizyka rozsypuje się jak domek z kart.

Nic dziwnego, że Hawking postanowił wziąć za rogi byka, którego wypuścił w 1974 r. Rozwiązanie problemu można streścić w prosty sposób: nie istnieje coś takiego jak horyzont zdarzeń. Jest tylko horyzont pozorny, przez który informacja pochłonięta przez czarną dziurę z czasem może uciec.

W konsekwencji nie ma czegoś takiego jak czarna dziura – bo jednak świeci. To ratuje podwaliny fizyki – eliminuje problem z unicestwieniem informacji. Teoretycznie można odzyskać to, co wpada do czarnej dziury, ale jest to trudniejsze niż odzyskanie treści książki na podstawie jej popiołów.

***

To godzi zwaśnione strony – czyli fizyków, którzy twierdzą, że istnieją czarne dziury pożerające wszystko wokół siebie, z tymi, którzy twierdzą, że czarne dziury nie istnieją, bo informacja nie może znikać bezpowrotnie. Hawking zachował się jak stary mądry rabin ze „Skrzypka na dachu”, który rozsądzając spór dwóch mężczyzn, powiedział: i ty masz rację, i ty też masz rację.

Dziękujemy, że nas czytasz!

Wykupienie dostępu pozwoli Ci czytać artykuły wysokiej jakości i wspierać niezależne dziennikarstwo w wymagających dla wydawców czasach. Rośnij z nami! Pełna oferta →

Dostęp 10/10

  • 10 dni dostępu - poznaj nas
  • Natychmiastowy dostęp
  • Ogromne archiwum
  • Zapamiętaj i czytaj później
  • Autorskie newslettery premium
  • Także w formatach PDF, EPUB i MOBI
10,00 zł

Dostęp kwartalny

Kwartalny dostęp do TygodnikPowszechny.pl
  • Natychmiastowy dostęp
  • 92 dni dostępu = aż 13 numerów Tygodnika
  • Ogromne archiwum
  • Zapamiętaj i czytaj później
  • Autorskie newslettery premium
  • Także w formatach PDF, EPUB i MOBI
89,90 zł
© Wszelkie prawa w tym prawa autorów i wydawcy zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów i innych części czasopisma bez zgody wydawcy zabronione [nota wydawnicza]. Jeśli na końcu artykułu znajduje się znak ℗, wówczas istnieje możliwość przedruku po zakupieniu licencji od Wydawcy [kontakt z Wydawcą]
Urodzony w 1971 r. Dziennikarz naukowy, stały współpracownik „Tygodnika Powszechnego”. Absolwent Wydziału Matematyki, Informatyki i Mechaniki Uniwersytet Warszawski (kierunek matematyka). W latach 80. XX w. był współpracownikiem miesięcznika komputerowego „… więcej

Artykuł pochodzi z numeru TP 06/2014