Strona główna / Popularnonaukowe / Teoria strun bez tajemnic

Aktualności

29.07.2022

Spotkanie z Dagmarą Andryką w Warszawie

W czwartek 25 sierpnia o godz. 19:00 zapraszamy do PROM-u Kultury Saska Kępa (ul. Brukselska 23, Warszawa) na spotkanie z Dagmarą Andryką, autorką książki "As".

Wywiady

04.07.2022

"Gdy ją odnajdą". Wywiad z Lią Middleton

Zapraszamy do przeczytania wywiadu z Lią Middleton. Z autorką książki "Gdy ją odnajdą" rozmawiał Bartosz Soczówka.

Posłuchaj i zobacz

01.08.2022

Rozmowa z Błażejem Torańskim

Nowy odcinek naszego podcastu to rozmowa Marcina Cichońskiego z Błażejem Torańskim, autorem książki "Kat polskich dzieci. Opowieść o Eugenii Pol".

Bestsellery

TOP 20

  1. Żadanica Katarzyna Puzyńska
  2. Perska wytrwałość Laila Shukri
  3. TOPR. Tatrzańska przygoda Zosi i Franka Beata Sabała-Zielińska

Teoria strun bez tajemnic

Steven S. Gubser


Rozdział 3. Grawitacja i czarne dziury

(…)
Jakby to było, gdyby się wpadło do czarnej dziury? Czy byłby to straszliwy miażdżący wstrząs? Czy byłoby to spadanie bez końca? Aby znaleźć właściwe odpowiedzi, wyruszymy teraz na krótką wycieczkę po właściwościach czarnych dziur.
Po pierwsze, czarna dziura jest obiektem, z którego nie może uciec żaden promień światła. Słowo „czarna” ma informować o całkowitej ciemności takiego obiektu. Powierzchnię czarnej dziury nazywa się jej horyzontem, ponieważ ktoś znajdujący się na zewnątrz horyzontu nie może widzieć, co się dzieje wewnątrz. Wynika to z tego, że widzenie wymaga światła, a światło nie może się z czarnej dziury wydostać. Uważa się, że czarne dziury istnieją w centrach większości galaktyk. Jak się przypuszcza, mniejsze czarne dziury są ostatnim stadium ewolucji bardzo masywnych gwiazd.
Najdziwniejsze ze wszystkiego, co dotyczy czarnych dziur, to fakt, że są one pustą przestrzenią z wyjątkiem „osobliwości” w samym centrum. Może wydawać się nonsensem twierdzenie, że najmasywniejsze obiekty w galaktyce mogą być pustą przestrzenią. Wyjaśnienie jest takie, że cała masa wewnątrz czarnej dziury uległa kolapsowi do osobliwości. Na razie nie rozumiemy, co dokładnie dzieje się w osobliwości. Rozumiemy tylko to, że osobliwość zakrzywia czasoprzestrzeń w taki sposób, że tworzy wokół siebie horyzont. Wszystko, co znajdzie się wewnątrz horyzontu, zostanie w końcu wciągnięte do osobliwości.
Wyobraźmy sobie nieszczęsnego alpinistę, który spadając, wpada do czarnej dziury. Przekraczanie horyzontu nie spowoduje u niego żadnych obrażeń, ponieważ nic tam nie ma, jest pusta przestrzeń. Ów alpinista prawdopodobnie nawet nie zauważyłby momentu przejścia przez horyzont. Problem polega na tym, że później już nic nie mogłoby powstrzymać jego upadku. Po pierwsze, nie ma tam niczego, na czym można by się zatrzymać – jak pamiętamy wewnątrz czarnej dziury jest tylko pusta przestrzeń z wyjątkiem osobliwości. Alpinista mógłby liczyć tylko na swoją linę. Ale nawet lina zaczepiona na najodporniejszym na świecie haku nie poprawiłaby sytuacji. Hak mógłby wytrzymać, ale lina albo by pękła, albo rozciągałaby się bez końca, dopóki alpinista nie osiągnąłby osobliwości. Gdyby to nastąpiło, doszłoby tam prawdopodobnie do naprawdę straszliwego, zgniatającego zderzenia. Trudno by jednak potwierdzić przebieg tego zdarzenia, ponieważ nikt nie mógłby tego zaobserwować z wyjątkiem samego alpinisty. Wynika to z faktu, że żaden promień światła nie może się z czarnej dziury wydostać!
Najważniejsza rzecz, jaka z tych rozważań wynika, to fakt, że przyciąganie grawitacyjne wewnątrz czarnej dziury jest nie do przezwyciężenia. Jeżeli nasz niefortunny amator alpinistyki przekroczyłby już horyzont – nie miałby na zatrzymanie swego upadku szans większych niż na zatrzymanie czasu. Poza tym nie doznałby żadnego uszczerbku aż do uderzenia w osobliwość. Aż do tego momentu wszystko, co by mu pozostało do zrobienia, to tylko spadanie w pustej przestrzeni. Czułby się nieważki, tak jak ja musiałem się czuć, odpadając od Cryogenics. Przypomina to fundamentalną przesłankę ogólnej teorii względności: swobodnie spadający obserwator czuje się tak, jakby był w pustej przestrzeni.
A oto jeszcze jedna pomocna analogia. Wyobraźmy sobie górskie jezioro, z którego wypływa mały szybki strumień. Ryby w jeziorze wiedzą, że nie należy ryzykować i podpływać zbyt blisko odpływu, ponieważ kiedy zaczną już poruszać się w dół strumienia, nie dadzą rady płynąć dostatecznie szybko, aby pokonać prąd i powrócić do jeziora. Niemądre ryby, które pozwolą się porwać strumieniowi, nie doznają obrażeń (przynajmniej nie od razu), ale nie mają innego wyboru, jak dać się ponosić prądowi w dół strumienia. Jezioro jest jak czasoprzestrzeń na zewnątrz czarnej dziury, a wnętrze czarnej dziury odpowiada strumieniowi. Osobliwością mogłyby być na przykład ostre skały, na których strumień się rozbija i na których każda ryba w strumieniu znajduje swój natychmiastowy i krwawy koniec.
Można sobie wyobrazić inną sytuację – może się, na przykład, zdarzyć, że strumień prowadzi do innego jeziora, do którego ryby docierają zupełnie bezpiecznie i komfortowo. Przez analogię – być może nie ma osobliwości we wnętrzu czarnej dziury, a zamiast tego jest tunel prowadzący do innego wszechświata. Chyba wyobraźnia poniosła nas zbyt daleko, ale biorąc pod uwagę fakt, że nie rozumiemy osobliwości i nie możemy się w inny sposób dowiedzieć, co znajduje się w czarnej dziurze, jak tylko wpadając do jednej z nich, to nie można całkowicie wykluczyć i takiego scenariusza.
Biorąc pod uwagę ustalenia astrofizyki, musimy wyrazić jedno ważne zastrzeżenie co do wyobrażenia, że niczego się nie czuje, zbliżając się do czarnej dziury ani przy przecinaniu jej horyzontu. Zastrzeżenie to ma związek z siłami pływowymi. Nazwa wynika z mechanizmu działania przypływów oceanicznych. Księżyc przyciąga Ziemię silniej po stronie do niego bliższej. W reakcji na przyciąganie Księżyca morze po tej stronie się wznosi. Poziom mórz podnosi się także po przeciwnej stronie Ziemi, co może się wydawać całkiem sprzeczne z intuicją. Ale pomyślmy o tym w ten sposób: środkowa część Ziemi jest przyciągana w stronę Księżyca bardziej niż oceany po stronie do niego przeciwnej. Położone tam oceany wznoszą się, ponieważ są jakby pozostawione z tyłu. Pozostałe części dążą w kierunku Księżyca bardziej niż te oceany, ponieważ części te są bliżej Księżyca i silniej odczuwają jego wpływ.
Kiedy obiekt taki jak gwiazda zbliża się do czarnej dziury, występuje podobny efekt. Część gwiazdy bliższa czarnej dziurze jest przyciągana silniej i w rezultacie gwiazda przybiera wydłużony kształt. Gdy tylko gwiazda zbliży się do horyzontu czarnej dziury, zostaje ostatecznie rozerwana na kawałki. W tym rozrywaniu uczestniczą zarówno siły pływowe, jak i okrężny ruch gwiazdy wokół czarnej dziury. Aby uniknąć niepotrzebnych komplikacji, pomińmy ten ruch okrężny i tylko wyobraźmy sobie gwiazdę spadającą prosto do czarnej dziury. Wprowadźmy dalsze uproszczenia, zastępując gwiazdę dwoma swobodnie spadającymi obserwatorami, początkowo rozdzielonymi dystansem równym średnicy gwiazdy. Mam tu na myśli sytuację, kiedy trajektorie tych dwóch obserwatorów byłyby podobne do trajektorii odpowiednich części gwiazdy – bliższej i dalszej od czarnej dziury. Będę nazywał obserwatora, który znajduje się bliżej czarnej dziury, bliskim obserwatorem, a drugiego dalekim obserwatorem. Czarna dziura przyciąga silniej bliskiego obserwatora po prostu dlatego, że jest on bliżej. Dzięki temu zaczyna on spadać szybciej niż daleki obserwator, a w rezultacie obserwatorzy oddalają się od siebie w miarę spadania. Z ich punktu widzenia pojawia się siła, która odciąga ich od siebie. Ta widoczna siła jest siłą pływową, która jest prostym odzwierciedleniem faktu, że w dowolnym momencie grawitacja z większą siłą przyciąga bliskiego obserwatora niż dalekiego.
Rozważmy inną pożyteczną analogię. Wyobraźmy sobie kolejkę samochodów, które uwięzione w korku, zaczynają powoli jechać. Kiedy pierwszy samochód dociera do miejsca, gdzie może przyspieszyć, oddala się szybko od samochodu, który jest za nim. Nawet jeśli ten drugi samochód przyspieszy w tym samym miejscu, to zwiększony dystans pomiędzy pierwszym a drugim samochodem pozostanie. Jest to bardzo podobne do zwiększania się dystansu pomiędzy bliskim a dalekim obserwatorem, podczas spadania do czarnej dziury. Wydłużenie gwiazdy spadającej do czarnej dziury jest zasadniczo takim samym zjawiskiem, z tym wyjątkiem, że dla zapewnienia w pełni realistycznego opisu należałoby wziąć pod uwagę ruch okrężny gwiazdy wokół czarnej dziury, a w końcu także szczególne zniekształcenie czasu w pobliżu jej horyzontu.
Współczesne badania mają na celu zaobserwowanie takich przypadków jak spadanie gwiazd na czarne dziury lub dwu czarnych dziur spadających na siebie. Jednym z kluczowych celów jest wykrycie wybuchu promieniowania grawitacyjnego, do którego dochodzi, gdy łączą się dwa obiekty o wielkich masach. Promieniowanie grawitacyjne nie jest czymś, co można zobaczyć gołym okiem, ponieważ to, co widzimy, to światło. Promieniowanie grawitacyjne jest czymś zupełnie innym. Jest to wędrująca fala odkształcenia czasoprzestrzeni. Niesie ona pewną energię, podobnie jak światło. Ma także określoną częstotliwość, podobnie jak światło. Światło składa się z fotonów – maleńkich cząstek, inaczej kwantów światła. Promieniowanie grawitacyjne jest, jak mniemamy, w podobny sposób złożone z maleńkich kwantów, zwanych grawitonami. Stosują się one do tej samej zależności E = h pomiędzy energią E a częstotliwością , podobnie jak fotony. Poruszają się one z prędkością światła i są pozbawione masy.
Grawitony oddziałują z materią znacznie słabiej niż fotony, a więc nie ma nadziei na wykrycie ich za pomocą czegoś w rodzaju analogii do efektu fotoelektrycznego. Plan ich wykrycia odwołuje się bezpośrednio do fundamentalnej właściwości promieniowania grawitacyjnego. Kiedy fala grawitacyjna przebiega między dwoma obiektami, odległość pomiędzy nimi ulega wahaniom. Dzieje się tak dlatego, że sama czasoprzestrzeń pomiędzy nimi wykazuje fluktuacje. Plan wykrywania opiera się zatem na bardzo dokładnym pomiarze odległości między dwoma obiektami i oczekiwaniu na jej zmiany. Jeśli schemat ten zadziała, otworzy to zupełnie nowe okno na Wszechświat. Będzie to także bezpośrednie, spektakularne potwierdzenie teorii względności, która przewiduje istnienie promieniowania grawitacyjnego, podczas gdy poprzednia teoria grawitacji Newtona takiego promieniowania nie przewidywała.
(…)