Strona główna / Popularnonaukowe / Bitwa o czarne dziury

Aktualności

08.10.2020

Ogłoszono finalistów National Book Awards

Powieść "LEAVE THE WORLD BEHIND" Rumaana Alama, która ukaże się nakładem naszego wydawnictwa w przyszłym roku, została właśnie finalistką prestiżowej nagrody literackiej National Book Awards.

Wywiady

10.09.2020

W "Postscriptum” Małgorzata spotka nadawcę listu, ale nie zdradzę..."

Zapraszamy do przeczytania wywiadu z Anną Karpińską autorką książki "Postscriptum".

Posłuchaj i zobacz

05.10.2020

Lara Gessler gościem Dzień Dobry TVN

Zapraszamy do wysłuchania wywiadu z Larą Gessler, autorką książki "Orzechy i pestki. Przewodnik mistyczno-kulinarny".

Bestsellery

TOP 20

  1. Nareszcie w Dudapeszcie Aleksander Daukszewicz, Krzysztof Daukszewicz
  2. Urodziłam dziecko szejka Marcin Margielewski
  3. To nie jest mój mąż Olga Rudnicka

Fotogaleria

więcej »

Bitwa o czarne dziury

Leonard Susskind

WSTĘP

„Wiele jeszcze musiał zgrokować, a nie bardzo miał z czego.”
Robert A. Heinlein, „Obcy w obcym kraju”

Gdzieś na sawannie we wschodniej Afryce postarzała lwica tropi swój wymarzony obiad. Wolałaby starsze, wolniej poruszające się zwierzęta, lecz ma do wyboru jedynie młode, zdrowe antylopy, których czujne oczy, osadzone po bokach czaszki, są idealnie przystosowane do obserwacji otoczenia w poszukiwaniu niebezpieczeństwa. Oczy drapieżcy skierowane są na wprost, co pozwala mu precyzyjnie namierzyć ofiarę i ocenić odległość.
Tym razem szerokokątne receptory wzroku antylopy nie reagują na lwicę, której udaje się podkraść na odległość skutecznego ataku. Potężne tylne łapy popychają ją w kierunku ogarniętej paniką ofiary. Jeszcze raz rozpoczyna się wyścig, powtarzający się od niepamiętnych czasów.
Mimo zaawansowanego wieku wielka kocica jest znakomitą sprinterką. Na początku odległość dzieląca ją od antylopy maleje, ale zmuszone do wytężonej pracy imponujące mięśnie stopniowo słabną wskutek niedotlenienia. Wkrótce naturalna wytrzymałość daje antylopie przewagę i zmienia się znak względnej prędkości lwicy oraz jej ofiary. Dystans dzielący zwierzęta zaczyna się powiększać. Jej Królewska Wysokość wyczuwa, że opuściło ją szczęście, że jest pokonana. Jak niepyszna chyłkiem wraca do swojego legowiska w buszu.

Pięćdziesiąt tysięcy lat temu strudzony myśliwy dostrzega zatarasowane przez głaz wejście do jaskini – może ona być bezpiecznym miejscem na odpoczynek, jeśli tylko uda się przesunąć ciężką przeszkodę. W przeciwieństwie do swych małpich przodków, łowca stoi wyprostowany. W tej pozycji mocno napiera na głaz, jednak nic się nie dzieje. Aby uzyskać lepszy kąt, myśliwy stawia stopy w większej odległości od skały. Gdy jego ciało układa się niemal równolegle do ziemi, przyłożona siła ma w pożądanym kierunku znacznie większą składową. Głaz się przemieszcza.

Odległość? Prędkość? Zmiana znaku? Kąt? Siła? Składowa siły? Jakich niezwykle skomplikowanych obliczeń dokonał mózg niewykształconego łowcy, nie wspominając o lwicy? Przecież są to pojęcia, które nierzadko napotykamy dopiero w podręcznikach fizyki. Gdzie lwica mogła nauczyć się oceniać nie tylko prędkość ofiary, ale, co ważniejsze, także prędkość względną? Czy myśliwy studiował fizykę, aby poznać pojęcie siły? A także trygonometrię, która dostarcza wiedzy o sinusach i cosinusach, będących składnikami koniecznych obliczeń?
Prawda jest taka, że wszystkie złożone formy życia mają wrodzone, intuicyjne rozumienie pojęć fizyki, ewolucyjnie zaimplementowane w ich systemie nerwowym. Przeżycie byłoby niemożliwe bez tego „fabrycznego” oprogramowania. Dobór naturalny i mutacje uczyniły fizykami wszystkich nas, nawet zwierzęta. U ludzi dzięki dużym rozmiarom mózgu instynkty na drodze ewolucyjnych przemian przekształciły się w świadomie używane pojęcia.
Wymieniamy sobie oprogramowanie
W rzeczy samej, wszyscy jesteśmy fizykami klasycznymi. Podświadomie wyczuwamy znaczenie siły, prędkości i przyspieszenia. W powieści fantastycznonaukowej Obcy w obcym kraju (1961) Robert Heinlein wprowadził nowy wyraz na określenie tak głęboko intuicyjnego, niemal instynktownego postrzegania rzeczy: grokowanie. Grokujesz siłę, prędkość i przyspieszenie. Grokujesz trójwymiarową przestrzeń. Grokujesz upływ czasu i liczbę 5. Trajektorie kamienia lub włóczni poddają się grokowaniu. Jednak mój wbudowany, standardowy groker zawodzi, gdy próbuję pojąć dziesięciowymiarową czasoprzestrzeń lub liczbę 101000 albo, co gorsza, świat elektronów i zasadę nieoznaczoności Heisenberga.
U zarania XX w. nastąpił kryzys intuicyjnego pojmowania fizyki, gdy nauce nagle przyszło się zmierzyć z zupełnie nowymi zjawiskami. Mój dziadek ze strony ojca miał już dziesięć lat, gdy Albert Michelson i Edward Morley odkryli, że nie da się wykryć hipotetycznego eteru, który miał otaczać Ziemię krążącą po orbicie okołosłonecznej. Gdy odkryto elektron, miał lat dwadzieścia kilka. Przekroczył trzydziestkę, kiedy Albert Einstein opublikował szczególną teorię względności, kiedy zaś Heisenberg odkrył zasadę nieoznaczoności, był już w dość zaawansowanym wieku średnim. Nie ma szans, aby przemiany ewolucyjne doprowadziły do wykształcenia intuicyjnego pojmowania radykalnie różnych światów. Jest jednak coś w naszym układzie nerwowym, przynajmniej niektórzy z nas to mają, co umożliwia wspaniałą wymianę „fabrycznego” oprogramowania, dzięki czemu jesteśmy w stanie nie tylko pytać o nieuchwytne zjawiska, lecz także tworzyć matematyczne abstrakcje, zdecydowanie nieintuicyjne nowe pojęcia, za pomocą których zjawiska te można opisać i wyjaśnić.
Pierwszą potrzebę wymiany oprogramowania wywołała prędkość, i to prędkość tak duża, że nieomal mogłaby się mierzyć z prędkością nieuchwytnego promienia światła. Przed nastaniem dwudziestego wieku żadne zwierzę nie poruszało się szybciej niż sto mil na godzinę. Nawet dzisiaj nie ogarniamy rozumem prędkości światła – pomijając rozważania naukowe, przyjmujemy, że nie porusza się ono wcale: zwyczajnie pojawia się natychmiast, kiedy włączamy kontakt. Pradawni ludzie nie potrzebowali układu nerwowego dostosowanego do percepcji ultrawysokich prędkości, takich jak prędkość światła.
Wymiana starego, newtonowskiego oprogramowania ze względu na prędkość nastąpiła nagle. Einstein nie był żadnym mutantem, przez dziesięć lat z dala od całego świata, samotnie zmagał się z tym zadaniem. Współcześni mu fizycy rzeczywiście mogli odnieść wrażenie, że oto pośród nich spontanicznie pojawił się nowy gatunek człowieka – ktoś, kto postrzega świat nie w kategoriach trójwymiarowej przestrzeni, lecz w kategoriach czterowymiarowej czasoprzestrzeni.
Einstein poświęcił kolejnych dziesięć lat życia na zmagania – tym razem na oczach fizyków – mające doprowadzić do zunifikowania szczególnej, jak ją nazywał, teorii względności z newtonowską teorią grawitacji. Efektem tego wysiłku była ogólna teoria względności, która wywróciła do góry nogami wszelkie tradycyjne wyobrażenia na temat geometrii. Czasoprzestrzeń stała się giętka, zakrzywiona lub zmarszczona. Reagowała na obecność materii, zupełnie jak guma odkształcająca się pod naciskiem. Przedtem przestrzeń i czas pozostawały pasywne, ich własności geometryczne były sztywno określone. W ogólnej teorii względności cechą czasoprzestrzeni stała się aktywność: może być ona deformowana przez masywne obiekty, takie jak planety i gwiazdy, ale nie może być wizualizowana – chyba że zostaną zastosowane dodatkowe metody matematyczne.
W 1900 r., pięć lat przed pojawieniem się na scenie Einsteina, zainicjowano kolejną, jeszcze dziwniejszą zmianę paradygmatów, odkryto bowiem, że światło składa się z cząstek zwanych fotonami, czasami określanych też jako kwanty światła. Fotonowa teoria światła stanowiła zaledwie zapowiedź rewolucji, która miała się dokonać. Związana z nią umysłowa gimnastyka dotyczyła problemów znacznie bardziej abstrakcyjnych od wszystkiego, co świat widział do tej pory. Mechanika kwantowa była czymś więcej niż nowym prawem natury. Spowodowała zmiany zasad rządzących logiką klasyczną, zwyczajnych zasad rozumowania, jakimi w procesie dedukcji posługuje się każdy pozostający przy zdrowych zmysłach człowiek. Wydawała się czymś zwariowanym. Jednak zdrowi na umyśle czy szaleni, fizycy byli w stanie wymienić oprogramowanie na takie, które zawierało nową logikę, zwaną logiką kwantową. W rozdziale 4 wyjaśnię wszystko, co musisz wiedzieć o mechanice kwantowej. Przygotuj się, że będziesz tym bardzo zadziwiony. Tak jak wszyscy.
Teoria względności i mechanika kwantowa od samego początku stanowiły parę niechętnych sobie towarzyszy. Od chwili gdy zostały zmuszone do wzięcia ślubu, rozkręciła się karuzela przemocy – matematyka sięgnęła po nieskończoność i zarzuciła fizyków odpowiedziami na każde pytanie, które przyszło im do głowy. Pogodzenie mechaniki kwantowej ze szczególną teorią względności zajęło pół wieku, jednak matematyczne sprzeczności zostały ostatecznie usunięte. Na początku lat 50. Richard Feynman, Julian Schwinger, Sin-Itiro Tomonaga i Freeman Dyson położyli fundament pod udaną syntezę szczególnej teorii względności i mechaniki kwantowej, nazywaną kwantową teorią pola. Jednak mimo podejmowanych wysiłków ogólna teoria względności (dokonana przez Einsteina synteza szczególnej teorii względności z newtonowską teorią grawitacji) i mechanika kwantowa wciąż nie dają się pogodzić. Feynman, Steven Weinberg, Bryce DeWitt i John Wheeler spróbowali „skwantować” równania grawitacji Einsteina, ale otrzymali tylko matematyczne bzdury. Może to nie powinno dziwić. Mechanika kwantowa rządzi światem bardzo lekkich obiektów. Wydaje się, że grawitacja, przez kontrast, ma znaczenie tylko w przypadku bardzo ciężkich skupisk materii. Zdawało się, że bezpiecznie można przyjąć tezę o nieistnieniu obiektu wystarczająco lekkiego, aby był istotny dla mechaniki kwantowej, a jednocześnie odpowiednio ciężkiego, aby liczył się w rozważaniach na temat grawitacji. W rezultacie w drugiej połowie XX w. wielu fizyków uważało poszukiwania unifikującej teorii za jałowe, dobre tylko dla pomyleńców i filozofów.
Inni traktowali dążenie do syntezy jako przejaw krótkowzroczności. Dla nich pomysł współistnienia dwóch niezgodnych, wręcz sprzecznych teorii opisujących naturę wydawał się nie do zniesienia. Wierzyli, że grawitacja odgrywa jakąś rolę w określaniu własności najmniejszych cegiełek materii. Według nich problem tkwił w tym, że fizycy nie sondowali wystarczająco głęboko. W gruncie rzeczy mieli rację: głęboko w podziemiach świata, gdzie odległości są zbyt małe, aby można je było bezpośrednio obserwować, najdrobniejsze obiekty natury oddziałują na siebie nawzajem, wytwarzając potężne siły grawitacyjne.
Dziś już powszechne jest przekonanie, że grawitacja i mechanika kwantowa będą odgrywały równie ważną rolę w określaniu praw dotyczących cząstek elementarnych, lecz rozmiar podstawowych cegiełek tworzących obiekty natury jest tak niewyobrażalnie mały, że nikt nie powinien być zaskoczony tym, że aby je pojąć, trzeba dokonać radykalnej wymiany oprogramowania. Nowe oprogramowanie, czymkolwiek się okaże, będzie nosiło nazwę grawitacja kwantowa, jednak nawet nie znając szczegółów jego formy, nie ryzykując zbyt wiele, możemy powiedzieć, że nowy paradygmat będzie zawierał koncepcje czasu i przestrzeni bardzo odległe od tego, co się powszechnie sądzi. Obiektywna rzeczywistość punktów przestrzeni i chwil czasu przestanie mieć znaczenie i podzieli los równoczesności zdarzeń, determinizmu oraz ptaka dodo. Grawitacja kwantowa opisuje rzeczywistość znacznie bardziej subiektywną, niż mogliśmy sobie wyobrażać. Jak się przekonamy w rozdziale 18, jest to rzeczywistość przypominająca pod wieloma względami tworzoną przez hologram widmową trójwymiarową iluzję.
Fizycy teoretycy toczą bój o zdobycie przyczółka na obcej ziemi. Jak w przeszłości, eksperymenty myślowe doprowadziły do paradoksów i konfliktów pomiędzy fundamentalnymi zasadami. O intelektualnej batalii toczonej wokół jednego z takich eksperymentów myślowych opowiada niniejsza książka. W 1976 r. Stephen Hawking wyobraził sobie, że wrzucamy do czarnej dziury bit informacji – może nim być jakaś książka, komputer czy nawet dowolna cząstka elementarna. Hawking był przekonany, że czarne dziury są pułapkami o najwyższej wydajności i wspomniany bit informacji będzie bezpowrotnie stracony dla świata zewnętrznego. Ta pozornie niewinna obserwacja nie była wcale tak niewinna, jak się wydaje – stanowiła groźbę naruszenia i przewrócenia gmachu nowoczesnej fizyki. Świadczyła o jakimś potwornym rozregulowaniu, które zagrażało najbardziej podstawowemu prawu natury, prawu zachowania informacji. Dla tych, którzy zwrócili na to uwagę, natychmiast stało się jasne, że albo Hawking się myli, albo na ich oczach rozpada się liczące trzysta lat jądro fizyki. (…)