W czarnych dziurach straszą smoki?

Czarne dziury to jeden z ulubionych tematów „popkultury kosmologicznej”. Naukowcy chętnie wychodzą naprzeciw fanom „Star Trek” i po ukrytych w czarnych dziurach tunelach czasoprzestrzennych (wormholes) prowadzących na drugi kraniec galaktyki wrzucili na rynek idei również białe dziury (white holes), potem grawastary (gravastars) i osobliwości pierścieniowe (ring singularities). Kilka lat temu pojawiła się propozycja, że jeden z paradoksów związanych z czarnymi dziurami można rozwiązać, jeśli przyjmie się, że tuż za tzw. horyzontem zdarzeń istnieje ściana ognia (black hole firewall) dezintegrująca wpadającą do czarnej dziury materię. Doprawdy, brakuje jeszcze tylko smoków.
Gdy w zeszłym roku Stephen Hawking zaproponował zupełnie nowy model teoretyczny czarnej dziury [por. „TP” 6/2014], badacze odpowiedzieli zalewem artykułów próbujących włączyć jego propozycję w istniejące zręby „czarnodziurologii” – dyscypliny, do której należy m.in. klasyfikacja pięciowymiarowych czarnych dziur.
Ktoś podejrzliwy mógłby zapytać: „Panowie fizycy, a którą z tych rzeczy właściwie widzieliście?”.
Tutaj zaczynają się jednak schody: astrofizyka i kosmologia zmagają się bowiem z poważnym problemem, który sięga samej istoty nauki: są zmuszone do mówienia o obiektach zasadniczo nieobserwowalnych. Istnieją w świecie obiekty trudne do zaobserwowania – jak choćby niektóre głębinowe gatunki ryb – a nawet bardzo trudne do zaobserwowania – jak choćby jądro Słońca. Ogólna teoria względności przewiduje jednak, że mogą istnieć obiekty niedające się zaobserwować w ogóle z zasady – bez względu na pomysłowość naukowców, wysokość budżetu NASA i rozmiar naszych teleskopów.
Co w takiej sytuacji? Mamy się obrazić na świat?

Zajrzeć za horyzont
Czarne dziury pojawiają się w nauce o kosmosie w kilku kontekstach, ale najlepiej zrozumiałym z nich jest ewolucja gwiazd. Im cięższa gwiazda, tym cięższy i bardziej gęsty pozostaje w końcowej fazie jej ewolucji niedopałek. Składa się on z popiołów reakcji jądrowych, które w danych warunkach nie mogą już zostać dalej spalane. Czasem jest to po prostu żarzący się żużelek złożony głównie z węgla i tlenu – biały karzeł. W innych sytuacjach obiekt ten osiąga tak wysokie gęstości, że jądra atomowe rozmywają się i tworzą ciągłą protonowo-neutronową zupę, w której od pewnych głębokości i temperatur zaczynają dominować neutrony. Twór taki określa się mianem gwiazdy neutronowej.
Powyżej określonego progu masy gwiezdny niedopałek osiąga jednak tak dużą gęstość, że siły podtrzymujące materię ulegają presji sił grawitacyjnych i nie ma nic, co by powstrzymało materię przed skupianiem się do punktu – w każdym razie istnienia tego czegoś nie przewiduje współczesna fizyka. Stąd biorą się gwiazdowe czarne dziury.
Jest to oczywiście scenariusz niepozbawiony luk, ale będący przynajmniej częścią znanego nam nieźle segmentu Natury – świata gwiazd. Czarne dziury pojawiają się tu zupełnie naturalnie, jako siostry całkiem nieźle znanych obiektów, jak gwiazdy neutronowe lub białe karły. Zwykła ciekawość każe więc badać sprawę bliżej. Problem w tym, że czarne dziury ze swej natury nie wypuszczają żadnych sygnałów spoza ściśle określonej granicy, określanej jako horyzont zdarzeń. Jest to miejsce, w którym krzywizna czasoprzestrzeni przekracza wartość krytyczną. Powyżej tej wartości żaden obiekt fizyczny, bez względu na to, jak szybko by się nie poruszał, nie może się już wspiąć pod górkę krzywizny czasoprzestrzeni. Również i promień światła, wystrzelony w naszym kierunku z wnętrza horyzontu zdarzeń, zostanie zawrócony do wnętrza czarnej dziury.
Nie istnieje więc żaden sposób na to, aby jakiegokolwiek typu sygnał wyemitowany z tego obszaru został zarejestrowany poza horyzontem zdarzeń. Niemożność transmisji sygnału oznacza zaś niemożność obserwacji.

Teoria teorię pogania
Naukowcy muszą się pogodzić z faktem, że czarne dziury to obiekty wyłączone spod fundamentalnej naukowej klauzuli obserwowalności. Gdy brakuje obserwacji, pozostaje już tylko matematyka.
Fizyka teoretyczna to olbrzymi zestaw narzędzi matematycznych, za pomocą których można wyrazić praktycznie wszystko. Sześcienne planety? Proszę bardzo! Gwiazdy rodzące się w ułamku sekundy z próżni? Bez problemu! Miliardy wszechświatów powstające w każdej sekundzie w każdym zakątku kosmosu? Ależ oczywiście! Tę radosną twórczość ogranicza zwykle obserwacja. Model sześciennej planety nie będzie traktowany jako składnik opisu świata fizycznego, ponieważ nie zaobserwowano sześciennych planet. Gdy obserwacji brak, fizycy teoretycy (czyli, mówiąc wprost, matematycy) zajmują się już tylko tworzeniem coraz to nowych konstrukcji matematycznych. Dlatego fizyka czarnych dziur rozwija się trochę jak matematyka.
Kluczowym kryterium przydatności twierdzenia matematycznego jest to, jak wpisuje się ono w resztę matematyki. Poszukujący tematu rozprawy matematyk może więc rozwinąć myśl innego matematyka, rozwiązać postawiony przez niego problem albo zaproponować własną konstrukcję matematyczną na bazie struktury istniejącej. W nauce mówi się w takiej sytuacji o kryterium koherencyjnym – czyli „spójnościowym”. Przyjmuje się to, co wykazuje spójność: spójność wewnętrzną, czyli nie zawiera sprzeczności (sprzeczne jest np. kwadratowe koło), oraz spójność zewnętrzną, czyli wpasowuje się w dotychczasowe wyniki.
Wiele wyników teorii czarnych dziur daje się wytłumaczyć po prostu jako kompulsywny przymus matematyków, aby „ciągnąć za wystające nitki”. Gdy w latach 60. ustalił się współczesny opis teoretyczny czarnych dziur, można było właściwie przerwać dalsze badania i czekać – być może w nieskończoność – na obserwacje. Matematycy nie usiedzieli jednak w miejscu. Skoro można opisać czarną dziurę, to jak na to zareaguje reszta fizyki – na przykład termodynamika? Bach! – na początku lat 70. za sprawą prac Jacoba Bekensteina, Stephena Hawkinga i innych powstały zręby tzw. termodynamiki czarnych dziur. To dziedzina próbująca pogodzić paradoksy „czarnodziurologii” z klasycznymi twierdzeniami termodynamiki, dotyczącymi na przykład temperatury, entropii czy informacji.
Można pytać dalej – co się stanie, jeśli włączymy w ten obraz kwantową teorię pola? Bach! – w 1974 r. świat usłyszał o tzw. promieniowaniu Hawkinga, które stanowi hipotetyczny sposób na wyciąganie masy z czarnej dziury.
Od tego czasu gmach fizyki stale się rozrastał: potwierdzono m.in. eksperymentalnie fenomen splątania kwantowego i rozwinięto teorię strun, czego echem były, odpowiednio, wspomniane wyżej „ściany ognia” za horyzontem zdarzeń oraz pięciowymiarowe czarne dziury.

Czarnodziurologia dziś
Obecnie co rok publikuje się kilka tysięcy artykułów naukowych na temat czarnych dziur. Baza obserwacyjna „czarnodziurologii” jest jednak niezmiernie uboga. Obserwuje się więc np. obiekty znajdujące się w pobliżu przypuszczalnego położenia czarnych dziur – gwiazdy orbitujące wokół niewidocznych towarzyszy lub dyski gazu wirujące wokół – jak się zdaje – pustej przestrzeni.
To wciąż jednak obserwacje pośrednie. Badania fal grawitacyjnych – określanych czasem jako wędrujące „zmarszczki czasoprzestrzeni” – które mogłyby rzucić trochę światła na zagadnienie czarnych dziur, są w zalążku. Ogłoszone z początkiem ubiegłego roku wyniki ich obserwacji, dokonane za pomocą umieszczonego na biegunie południowym teleskopu BICEP2, właśnie zostały zakwestionowane.
Oczywiście, nie ma co się obrażać na świat, że nie podarował nam wszystkich swoich sekretów na tacy. Jeśli istnieją takie sfery kosmosu, które pozostają z fundamentalnych względów zakryte – musimy nauczyć się z tym faktem żyć. Co nam właściwie szkodzi, że ktoś poświęca najlepsze lata swojego życia na poszukiwanie rozwiązania pewnego paradoksu dotyczącego pewnej procedury matematycznej stosowanej przy omawianiu pewnej właściwości pięciowymiarowych czarnych dziur w jedenastowymiarowej czasoprzestrzeni?
Pytanie za sto punktów brzmi jednak, czy to jest jeszcze nauka o przyrodzie? Filozofowie lubują się w roztrząsaniu, co jest nauką przyrodniczą, a co nią nie jest, oraz czym się różnią jedne nauki od drugich. Umówmy się wobec tego na proste i intuicyjne kryterium: ktoś jest badaczem przyrody wtedy, gdy w związku z prowadzonymi przez siebie badaniami musi wyjść na świeże powietrze i trochę się ubrudzić.
©

Dr ŁUKASZ LAMŻA jest kosmologiem i popularyzatorem nauki, autorem książek „Przekrój przez Wszechświat” (CCPress, 2014) oraz „Granice Kosmosu – granice kosmologii” (CCPress, 2015). Członek Centrum Kopernika Badań Interdyscyplinarnych, stale współpracuje z „Tygodnikiem Powszechnym”.

Na zdjęciu: Artystyczna wizja promieniowania, które jest – wedle wciąż niepotwierdzonej hipotezy Hawkinga – emitowane przez czarne dziury. Ze względu na ekstremalnie silne pole grawitacyjne, niektóre cząstki są pochłaniane przez czarną dziurę zaraz po ich powstaniu. Te, którym uda się uciec, wykonują najpierw kilka okrążeń wokół środka masy, poruszają się więc po ścieżce spiralnej.