Jakiś czas temu miałem przyjemność spotkać się z książką Briana Coxa i Jeffa Forshawa „Czarne dziury. Klucz do zrozumienia Wszechświata”. Była to cudowna przygoda, o której nie jestem w stanie opowiedzieć krótko i zwięźle. Po prostu się nie da.
Podczas lektury czułem się jakbym czytał najlepszą powieść science fiction, lecz z tą różnicą, że fiction nie zdążyło na samolot i zostało w domu.
Dlatego postanowiłem stworzyć mały cykl dotyczący tematów, które w książce szczególnie mnie poruszyły, zainteresowały i po prostu – były absolutnie kosmiczne.
Poniższe trzy części opublikowałem w swoich mediach społecznościowych, lecz teraz, specjalnie dla czytelników Statku, całość zebrałem do przysłowiowej kupy i oddaję w Wasze ręce.
Może jeszcze o samej książce, ale krótko: 10/10.
Nic lepszego w tematyce astrofizyki nie czytałem i szczerze wątpię, aby miało się to zmienić. „Czarne dziury” biją na głowę „Krótką historię czasu” Hawkinga; nawet „Kwantechizm” Dragana (którym przecież byłem i wciąż jestem zachwycony) nie może się z nimi mierzyć.
Niemniej – warto zaznaczyć – Hawking i Dragan dobrze przygotowali do tego, co zaserwowali Cox z Forshawem. Panowie jeńców nie biorą i z buta wjeżdżają nawet w najbardziej złożone zagadnienia, niejednokrotnie uznając, że czytelnik jakąś tam fizyczną wiedzę posiada.
Polecam więc „Czarne dziury” całym sobą. Mimo że chwilami można poczuć się jak w Matrixie, w głowie dzieją się niesamowite rzeczy.
No to jedziemy.
A zaczynamy od tematu szczególnie bliskiego wszystkim nerdom…
Część I
ALTERNATYWNE WSZECHŚWIATY
Każdy obiekt posiadający masę w pewien sposób zakrzywia czasoprzestrzeń wokół siebie.
Im masa jest większa, tym czasoprzestrzeń ulega wyraźniejszym odkształceniom.
W skrócie: w pobliżu masywnych obiektów czas płynie wolniej.
A jeśli znajdziemy się w sąsiedztwie supermasywnej czarnej dziury, zakrzywienie czasoprzestrzeni jest tak duże, że zaczynają się dziać rzeczy wykraczające poza zdrowy rozsądek. Dobrze obrazuje to poniższa grafika:
Historia pokazuje, że jeśli Ogólna Teoria Względności Einsteina czegoś nie wyklucza, prędzej czy później okazywało się, że to COŚ rzeczywiście istnieje.
Tak też jest (będzie?) z alternatywnymi wszechświatami, których nijak nie możemy się pozbyć, tudzież udowodnić, że są wyłącznie wymysłem fantastów.
Więcej! Są mądre głowy, które dowodzą, że nie dość, że istnieją, to jeszcze w nieskończonej liczbie.
Wszystko dzięki czarnym dziurom i znajdującym się w nich tunelom czasoprzestrzennym.
Jak by to miało działać?
Wyobraźmy sobie, że teoretyczny dzielny astronauta (lub jeszcze dzielniejszy radziecki kosmonauta) wlatuje do czarnej dziury. Jest na tyle rozsądny i cwany, że omija osobliwość, w której jego obecność w czasie zostałaby zakończona, i kieruje się bezpośrednio do naszego tunelu.
Zostawiając na boku zawiłości fizyczne (których sam do końca nie rozumiem), nasz śmiałek nagle wyłania się po drugiej stronie: w alternatywnym równie nieskończonym wszechświecie, jak nasz.
Ale to nie koniec jego drogi. Bo choć może się tam rozgościć, cały cykl jest do powtórzenia. Astronauta wlatuje do następnej czarnej dziury i odbywa podróż do jeszcze dalszej rzeczywistości.
Co za tym idzie, KAŻDA pojedyncza czarna dziura zawiera w sobie nieskończenie wiele alternatywnych wszechświatów. Wniosek jest więc prosty, jest ich ∞∞.
Dlaczego więc wciąż nie podróżujemy między wszechświatami, wzorem naszego jeszcze bardziej dzielnego radzieckiego kosmonauty?
Problem stwarzają bramy do tuneli czasoprzestrzennych, czyli same w sobie czarne dziury. A przynajmniej te, które obserwujemy w naszym świecie.
Jeśli zawierają w sobie materię, czyli klasycznie powstały z zapadających się gwiazd, tunel czasoprzestrzenny zamknie się, nim jeszcze dzielniejszy radziecki kosmonauta zdąży do niego dotrzeć. W zamian niechybnie skończy jako spaghetti w osobliwości.
Zapewne niewielkim dla niego pocieszeniem jest fakt, że nim do tego dojdzie, na moment będzie w stanie zajrzeć przez zamykające się przejście i sprawdzić, co też tam dzieje się u sąsiadów.
Aby czarna dziura nie zamykała tunelu czasoprzestrzennego, musiałaby być „wieczna”, czyli powstać bez udziału materii / zapadającej się gwiazdy.
Jednak tego typu obiekty na chwilę obecną pozostają w sferze teoretycznej. Nie obserwujemy ich, nie wiemy nawet, czy gdzieś w kosmosie występują.
Wydaje się, że wysoce rozwinięta super-cywilizacja kosmiczna mogłaby stworzyć ją sztucznie, w warunkach „laboratoryjnych”, jednak od tego nasz poziom wiedzy znajduje się całe lata świetlne.
Na koniec w gratisie dodatkowa ciekawostka.
Kiedy jeszcze dzielniejszy radziecki kosmonauta znajduje się wewnątrz wiecznej czarnej dziury, może wybrać inną drogę, porzucając tunel czasoprzestrzenny. To tzw. „zamknięte krzywe czasowe” prowadzące do… przeszłości.
Tak, tak. Ogólna Teoria Względności nie wyklucza wehikułów czasu!
Niemniej (oprócz wspomnianych trudności z istnieniem wiecznych czarnych dziur) dochodzą jeszcze inne problemy teoretyczne, które uniemożliwiają nam zabicie własnego dziadka.
Powtórzmy jednak, że jeśli teoria Einsteina w swojej dobroci toleruje pewne twory, historia pokazuje, że prędzej czy później okazują się one prawdziwe…
Część II
BIAŁE DZIURY
Białe dziury są jednym z ciekawszych i zarazem egzotyczniejszych obiektów kosmicznych. Jednocześnie nie cieszą się tak dużą popularnością, jak spokrewnione z nimi dziury czarne.
I trudno się temu dziwić: nigdy nie zostały zaobserwowane, nawet nie znamy warunków, w jakich mogłyby powstać – funkcjonują wyłącznie w sferze teoretycznej. To matematyczny „twór” składający się z linijek obliczeń i wzorów, których nie sposób zrozumieć, jeśli nie ma się aspergera. A wszystko, ponownie, przez Einsteina i jego E=mc2.
Ale na moment załóżmy, że mamy jedną taką za rogiem. Jak wygląda?
Ano nijak.
Białe dziury w żaden sposób „wyglądać” nie mogą, a przynajmniej nie dla nas.
Bo co to w ogóle znaczy: wyglądać? Może chodzi o posiadanie fizycznej postaci?
Blisko, ale wciąż za mało. W końcu, znajdując się w absolutnych ciemnościach, nie ma szans na rozpoznanie jakichkolwiek kształtów, nie wspominając o tym, by opisać osobę stojącą kilka kroków od nas.
Potrzebujemy światła – i to właśnie ono jest kluczem do rozwiązania zagadki, ale też nie ze względu na to, że rozświetla kosmiczną pustkę.
Wszystko, co widzimy, jest światłem odbitym.
Spójrzcie na swoich bliskich: żonę, męża czy kogokolwiek innego. To, co widzicie, to nie oni w sensie dosłownym, ale światło odbite od ich cielesnej powłoki i wpadające do waszych oczu.
Powłoki te odbiją część światła, a resztę pochłoną – tak powstają kolory; tym też możemy wytłumaczyć sytuację, w której jest nam gorąco w pełnym słońcu, nosząc czarne koszulki, a nieco mniej – wkładając białe.
To oczywiście w dużym skrócie, ale z premedytacją. W szczegóły nie ma co się zagłębiać, niemniej wiedza ta przyda się do omawiania tematu. (Swoją drogą fale elektromagnetyczne, w tym światło widzialne, są potężnie fascynujące – może i o nich kiedyś pogadamy.)
Czyli co, skoro biała dziura jest BIAŁA, to znaczy, że odbija światło i dlatego jej nie widać, bo razi?
No nie.
Nie ma ona żadnego koloru, bo dosłownie odpycha od siebie wszelką materię i światło, nim zdążą do niej dotrzeć. Nawet pojedynczy foton nie jest w stanie przebić się przez tę „barierę”.
Konsekwencje są dość smutne: nigdy tak naprawdę nie zobaczymy białej dziury.
A jak odepchnąć światło?
Sposób na to jest dość prosty i nie wymaga fikołków umysłowych.
Powszechnie wiadomo, że bardziej znane czarne dziury przyciągają do siebie światło z taką „siłą”, że nie jest ono w stanie uciec (po przekroczeniu horyzontu zdarzeń). Przyczyną tego jest potężna masa zamknięta w niewielkiej objętości – nieskończonej osobliwości. Tu ciekawostka: człowiek również może się stać czarną dziurą, jeśli skurczyć go do bardzo małych rozmiarów (takich serio mikro).
Białe dziury są przeciwieństwem. Odpychają od siebie światło, co sugeruje, że mogłyby mieć… ujemną masę, czyli też grawitację na minusie.
Jest to jedna z teorii. Mówi ona, że biała dziura znajduje się w centrum Wszechświata i odpowiada za Wielki Wybuch. Wyjaśnia to również fakt, że nie obserwujemy w kosmosie innych podobnych tworów – wszak centrum wszechrzeczy może być tylko jedno.
Pięknie nam to się skleja z omawianymi w części pierwszej alternatywnymi wszechświatami. Mówiliśmy tam, że każda pojedyncza czarna dziura jest bramą wejściową do kolejnych rzeczywistości; tunele czasoprzestrzenne to droga, jaką należy przebyć, aby się tam dostać. Z kolei białe dziury są ostatnim elementem układanki: to bramy wyjściowe.
Inna teoria mówi, że białe dziury są odwróconymi w czasie czarnymi dziurami (co wyprowadzono z ogólnej teorii względności). Jednak powstaniu takiego obiektu przeciwstawia się termodynamika, stojąc na straży ładu i porządku na świecie.
W jaki sposób? Otóż odwróciłoby to entropię, zmniejszając chaos, do którego naturalnie dąży wszechświat. A to, zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, jest niemożliwe (raz wlanej „uporządkowanej” szklanki wody do „chaotycznego” oceanu już nie odzyskamy). Termodynamika może tu być czymś w rodzaju firewallu chroniącego naszą rzeczywistość przed powstaniem białej dziury. Nie powiedziane jednak, że hen, gdzieś tam za górami, za lasami, nie istnieją akceptowalne warunki.
O co więc cały szum? Po co nam białe dziury i wydaje się bezsensowne próby ich znalezienia?
Już sam fakt, że ogólna teoria względności dopuszcza ich istnienie jest wystarczający do zgłębienia tematu. Białe dziury mogą nam opowiedzieć o początku istnienia, ale też samych czarnych dziurach.
Jak widzicie, jest tu więcej pytań niż odpowiedzi i prawdopodobnie nie zmieni się to w najbliższej przyszłości. Niemniej temat jest ciekawy, również z tego względu, że daje pole do popisu wyobraźni.
Białe dziury – teoretyczne, nieobserwowalne, istniejące w legendach i niejasnych rozważaniach.
Jak pieniądze z komunii.
Część III
DIAGRAMY PENROSE’A
Długo zastanawiałem się, jak ugryźć temat, aby nie przynudzać, a jednocześnie oddać jego genialność. Zależało mi na tym bardzo, gdyż te niepozorne bazgroły udowadniają, jak wielki potencjał drzemie w człowieku – pojedynczej jednostce.
Diagramy Penrose’a uważam za najpiękniejszą rzecz, jaką dotąd widziałem w mojej krótkiej historii fascynacji astrofizyką. Nie mam co do tego najmniejszych wątpliwości.
Czym jednak one są?
Otóż służą do opisu rzeczywistości, zamykając ją w dwóch wymiarach: czasu i przestrzeni. I tu pojawia się pierwszy dowód genialności sir Rogera Penrose’a. Obie nieskończoności fizyk sprowadził do skończonej przestrzeni – najzwyczajniejszego w świecie rombu…
(Wychodząc z płaskiej czasoprzestrzeni Minkowskiego, o czym też należy pamiętać.)
Żeby było zabawnie, całość „działa” niezwykle precyzyjnie, umożliwiając badanie zakrzywień czasoprzestrzennych względem dowolnych obiektów, np. w odniesieniu do dwóch oddziałowujących na siebie ciał niebieskich albo jeszcze lepiej – teoretycznych astronautów podróżujących z różną prędkością.
Jest to więc swojego rodzaju kosmiczna mapa, służąca do nawigacji nie tylko w przestrzeni, ale i czasie, który potrafi płatać niesamowite figle.
(Diagramy Penrose’a są również doskonałe do opisu czarnych dziur i tuneli czasoprzestrzennych, o których bredziłem w poprzednich częściach.)
Porównanie z mapą nie jest przypadkowe i to właśnie ono pomoże nam zrozumieć, jak działają omawiane diagramy.
Bez wątpienia każdy kojarzy mapę Ziemi wyszczególniającą kontynenty, morza i oceany. Znajduje się na nich charakterystyczna siatka, za pomocą której można określić położenie dowolnego punktu na świecie. To tzw. rzut Merkatora (występuje w różnych układach i modyfikacjach) – pozwalający „rozciągnąć” kulistą planetę na płaskiej przestrzeni. Naturalnie wiąże się to ze zniekształceniem niektórych jej fragmentów (to tak, jakbyście spróbowali rozłożyć na stole okrągły globus). Słowem: im dalej od równika, tym odchylenia rozmiarowe są większe.
Ciekawostka: przez dokładnie to samo zniekształcenie mapy może się wydawać, że samolot na radarze lotów podąża do miejsca docelowego niezbyt optymalną drogą, po łuku. Jest to jeden z ulubionych argumentów płaskoziemców, rozumiany na opak, ale według nich coś tam udowadniający.
No i ta nasza siatka…
Zauważmy, że ona także zmienia się (rozciąga) im dalej od równika. Symbolizuje to wspomniane zniekształcenie i zarazem „mówi”, jak jest duże. W skrócie: mimo nierzeczywistych rozmiarów np. Grenlandii na mapie, rzut Merkatora w dalszym ciągu pozwala precyzyjnie nawigować i określać położenie dowolnego obiektu, np. statku.
Diagram Penrose’a działa na niemal identycznych zasadach, lecz w nieskończonej skali czasu i przestrzeni. Ponadto z tego typu nawigacji niejednokrotnie można wyciągnąć szalone wnioski, zwłaszcza kiedy do gry wchodzi masywny obiekt jak gwiazda czy czarna dziura.
To dość prosta, lecz olbrzymie ciekawa sytuacja! Przedstawiono tu drogę trzech podróżników: czarną, szarą i czerwoną (kierunek pionowy opisuje upływ czasu, z kolei poziomy – to przestrzeń).
Wyobraźmy sobie, że każdy z podróżników został wyposażony w zegar atomowy (wcześniej zsynchronizowano je między sobą).
Z każdą wybitą godziną podróżnicy klaszczą w dłonie, czemu odpowiadają kropki na diagramie. Zauważmy, że kiedy poruszają się w przestrzeni, zmieniając swoją prędkość, suma klaśnięć także się zmienia, mimo że każdy z nich równo co godzinę spełnia swój obowiązek.
Wspaniale obrazuje to względność czasu w zależności od obserwatora.
Podróżnik określony kolorem czarnym jest przekonany, może nawet oburzony, że jego koledzy spóźniają się i klaszczą rzadziej niż on.
Co ciekawe, jeśli rozrysujemy diagram względem innego koloru, sytuacja się odwróci!
Wiecie co jest w tym wszystkim najlepsze?
Otóż sir Roger Penrose nie wymyślił sobie abstrakcyjnych rysunków, naginając do nich rzeczywistość. Wręcz przeciwnie! Dał nam niezwykłe narzędzie, którego nigdy nie zdołamy przecenić.
Szczerze liczę, że:
-
choć trochę zachęciłem Was do lektury „Czarnych dziur”;
-
w powyższych wywodach nie wpisałem się w zasadę: „Jeśli czegoś nie potrafisz wyjaśnić własnej babci, to znaczy, że tego nie rozumiesz.”
Informacje czerpałem:
-
z książki „Czarne dziury. Klucz do zrozumienia Wszechświata” autorstwa Briana Coxa i Jeffa Forshawa, 2024, Wydawnictwo Naukowe Helion;
-
z podręczników „Fizyka dla szkół wyższych.” Tom 1, 2 i 3 – dostępnych na openstax.org;
-
od wspaniałych popularyzatorów nauki, szerzących wiedzę na swoich kanałach na YouTube. To przede wszystkim „Nauka. To Lubię”, „Astrofaza”, „Smartgasm”.
Za możliwość udostępnienia zdjęć z „Czarnych dziur” serdecznie dziękuję Wydawnictwu Helion, a szczególnie panu Jackowi Batógowi.
