Czarne dziury
Olbrzymie, groźne i żarłoczne, o istocie niemal niemożliwej do objęcia ludzkim umysłem. Nawet jeśli jest to umysł zawodowego fizyka czy zapalonego filozofa. Postaramy się przyjrzeć, na tyle na ile potrafimy po amatorsku, tym przedziwnym tworom Kosmosu. Pragnę jednak zaznaczyć, że pracy niniejszej nie należy mylić z kompetentnymi opracowaniami znawców tematu. Wręcz przeciwnie - postawiliśmy sobie za cel przekazać czytelnikom pewne ciekawostki i spostrzeżenia, przemieszane z podstawowymi wiadomościami o tych arcyciekawych tworach. Autor przeprasza też asekurancko za to, że nie jest w stanie przekazać pewnych szczegółów w sposób wystarczająco obrazowy.
Dlaczego dziury są czarne? Przede wszystkim dlatego, iż są niewidoczne. I w przeciwieństwie do innych niewidocznych rzeczy jakie jesteśmy w stanie sobie wyobrazić, naukowcy nie spierają się co do przyczyny dla której nie możemy ich zobaczyć. Te kolosalne kosmiczne odkurzacze wciągają bowiem nie tylko materię, ale i nawet światło. Warto zobrazować sobie kwestię tegoż przyciągania używając modelowej prędkości ucieczki, to znaczy prędkości jaka pozwoliłaby przezwyciężyć przyciąganie obiektu i oddalić się od niego. W opracowaniach podaje się przykład czarnych dziur, z których prędkość ucieczki wynosi 300 000 km/h, czyli tyle ile prędkość światła. Wobec tego zwyczajnie nie mogą one być dostrzeżone. Potężne siły, które kreują biorą się z niewyobrażalnie wielkiej gęstości - większej nawet niż w przypadku pulsarów [szybko wirujących gwiazd neutronowych]. Można by zastanawiać się w takim razie skąd w ogóle wiemy o istnieniu czegoś, czego zobaczyć się nie da. W sukurs przychodzi tu naukowcom wyższa matematyka - czarne dziury są lokalizowane na podstawie wyliczeń ich wpływu na sąsiednie ciała niebieskie. A wpływ ten jest zaiste niemały.
Osobliwe twory jakimi są czarne dziury budzą we współczesnym człowieku zdecydowanie negatywne skojarzenia, i to właśnie z powodu owego wpływu. Ich natura każe im wysysać do sucha energię gwiazd. Formułowano wręcz poglądy, że dziury wsysają gaz obumierających gwiazd w sposób analogiczny jaki obserwować można przy wypuszczaniu wody z wanny. Powstawałyby w takim wypadku kolosalne, rozgrzane wiry u obrzeży samych dziur - mierzalne ze względu na emitowane promienie rentgenowskie.
Wiemy więc na pewno, że istnieją. Skąd się jednak biorą? Natura jednak zawsze potrafi nas zaskoczyć - niemal każda czarna dziura była niegdyś gwiazdą. Gwiazdą, która po wypaleniu swojego gazowego paliwa w reakcjach jądrowych zapada się w siebie tak bardzo, że dąży do skupienia się w punkcie. Fenomen ten jest z resztą kolejną trudną do wyobrażenia ciekawostką. Pojęcie punktu nie bez powodu zaczerpnięto z matematyki, nie fizyki. Punkt praktycznie rzecz biorąc jest nieskończenie mały i nie posiada żadnej masy. Niemalże nie istnieje. Do takiego stanu właśnie potrafi się skurczyć gwiazda o odpowiednich predyspozycjach [nie każda gwiazda zostanie czarną dziurą]. Powstanie potwornie gęsty twór, ogólnie zwany "osobliwością". Tenże zaczyna zasysać wszystko wokół siebie. Z resztą gwoli ścisłości wskazać trzeba, że czarną dziurą stać się może już gwiazda o masie dziesięciokrotności masy Słońca, która skupi się do obiektu o średnicy 30 km. Wspominana powyżej prędkość ucieczki z takiej kształtującej się dziury wyniesie właśnie prędkość światła. Wspomina się ponadto o możliwości zaistnienia czarnej dziury również w wyniku zapadania się do wewnątrz siebie pewnych obszarów o bardzo dużej gęstości.
Istnieją wciąż jeszcze dyskusyjne teorie wedle których wielka czarna dziura znajduje się w centrum każdej regularnej [posiadającej w ogóle jakieś centrum] galaktyki. Uważa się że również nasza własna galaktyka w swoim rdzeniu kryje czarną dziurę. Nie powinniśmy czuć się jednak zagrożeni - galaktyki nie giną tak łatwo, dziury, jeśli się tam znajdują - nie czynią im szkody. Nasza galaktyka istnieć będzie jeszcze długo po śmierci ludzkiej cywilizacji. Z resztą Słońce znajduje się na głębokiej prowincji galaktycznej, więc prawdopodobne jest, że nigdy nawet się do centrum nie zbliżymy. Odległości są dla nas zbyt wielkie.
Czarna dziura ma swoją wyraźnie zaznaczoną granicę, którą zwiemy horyzontem zdarzeń. Jest to pas w jej obrębie, w którym uwięzione pozostaje światło, któremu niewiele zabrakło do ucieczki z samej dziury. Występuje więc tam swoisty stan równowagi. Odrobinę bliżej - ciało zostanie wciągnięte, odrobinę dalej - będzie mogło się spokojnie oddalić. Ciekawą właściwością horyzontu zdarzeń jest, że w przypadku połączenia się dwóch czarnych dziur [naukowcy zakładają iż jest to możliwe], powierzchnia horyzontu nowej dziury jest większa, niż sumy horyzontów dziur łączących się. Horyzont zdarzeń nie jest teoretycznie rzecz biorąc czymś niezwykłym - nawet wokół Ziemi istnieje możliwy do określenia wąski pas, za którym ciała będą się już oddalać i nie ogarnie ich nasza rodzima grawitacja. A jednak jest coś ponurego w tym jak horyzont zdarzeń stanowi granicę bez powrotu, w końcu z każdej planety jakoś wydostać się można - stosując odpowiednią prędkość. Z prac Einsteina wynika, ze poruszanie się z prędkością większą niż prędkość światła nie jest możliwe. Wobec tego wejście do czarnej dziury jest ostateczne i nieodwołalne.
Nie sposób mówić o czarnych dziurach bez wspomnienia naukowej twórczości Stephena Hawkinga, który wniósł do prac nad tematem nie tylko dokładniejsze obliczenia i bardziej kompleksowe metody badawcze, ale przede wszystkim - powiew nowości. By wyjaśnić sens jego najważniejszego odkrycia dotyczącego czarnych dziur, wróćmy do ich istoty - przyciągania tak silnego, że zatrzymuje wszystko, nawet światło. A jednak... Dziury emitują promieniowanie termiczne. Operacje matematyczne doprowadziły do na pozór zupełnie szalonych wniosków, wedle których cząsteczki wpadające do czarnej dziury to tak naprawdę pary cząsteczek, z których jedna zostaje "wessana", a druga oddala się od niej. Najprzedziwniejsza [i wcale nie fantastyczna] teoria głosi, że cząsteczka oddalająca się to ta sama, która wpadła do dziury, tyle że poruszająca się na linii czasu w tył... Warto wspomnieć też zasadę nieoznaczoności Heisenberga. Jej konstrukcja jest zbyt skomplikowana dla autora niniejszego tekstu, do czego też przyznaje się on bez bicia. Interesujące są jednak jej implikacje. Zgodnie z zasadą tą krótko mówiąc możliwe jest w świecie przyrody wszystko. Pytanie zadawać można jedynie o prawdopodobieństwo. Emisja z czarnych dziur byłaby wiec możliwa zwyczajnie dlatego, iż nikłe prawdopodobieństwo tej emisji pozwala na wydostanie się tych niewielu cząsteczek zza horyzontu zdarzeń. Stosując obrazowy przykład, przytaczany w wielu opracowaniach: rzucanie piłką w ścianę nie ma sensu, bo ta nie przeleci na drugą stronę. A jednak przelecieć może, tyle tylko że nie powinno nam się marzyć, że akurat nam w ciągu całego życia się to uda. Interesujące spojrzenie na prawa fizyki, nieprawdaż?
Literatura science fiction oraz filmy z tegoż gatunku sugerowały czasami, iż do czarnej dziury można wejść [lub wlecieć] i za jej pomocą podróżować. Niektóre produkcje sugerowały nawet skrajnie opłakane skutki takiego sposobu przemieszczania się [z pewnością opiszemy w przyszłości niektóre z nich na łamach Epicentrum Kałuży]. Fizycy na ten temat mają jednak zdanie odmienne. Co prawda nie wiadomo co takiego znajduje się w czarnej dziurze i na dzień dzisiejszy jest to dla nas wiedza tajemna, więc teoretycznie możliwe jest również to, że można by za ich pomocą przemieszczać materię. Problem polega jednak na tym, że nie ma specjalnych szans, by materia ta weszła do dziury w należytym porządku. Uważa się, że przed wejściem do wnętrza [jeśli w ogóle można tak to nazwać] dziury, wszelkie ciała w dowolnym stanie skupienia uległyby rozdrobnieniu i przestałyby istnieć w swojej dotychczasowej formie.
Inny problem polega na tym, że nie jesteśmy pewni jak tak naprawdę zachowuje się czas wokół czarnej dziury. Od czasów Einsteina wiemy już że czas i przestrzeń są nierozerwalnie związane. Jeśli przestrzeń kurczy się, to co dzieje się z czasem? Anomalia sugerowana powyżej, związana z emisją z czarnych dziur sugeruje, iż mogą dziać się rzeczy co najmniej przedziwne.
Badania prowadzone nad czarnymi dziurami będą jednak, jak myślę, dalej inspirowały twórców science fiction. Przede wszystkim dlatego, że nowe badania przynoszą nowe sensacyjne perspektywy. Szczególnie interesującym przykładem jest koncepcja wszechświatów niemowlęcych. Stephen Hawking określa je jako niewielkie fragmenty rzeczywistości, które po wejściu do czarnej dziury odrywają się od naszego świata. Takie fragmenty istnieją, ale nie znajdują się nigdzie, są poza obrębem Wszechświata. Będąc tam stają się w zasadzie samowystarczalne, istnieją same dla siebie. Stamtąd [no właśnie - skąd?] mogą też do naszego Świata wrócić. Przedziwne i nieco przerażające. A co ważniejsze - doświadczalnie niesprawdzalne.
Czarne dziury nie istnieją wiecznie. Uważa się, że kończą byt w wielkiej eksplozji, do której prowadzi ich stopniowe "parowanie". Badacze określają, że takie eksplozje zdarzają się niezmiernie rzadko. Tym samym byt czarnych dziur jest relatywnie długotrwały.
Wszystkie szczegóły dotyczące niesamowitych anomalii jakimi są czarne dziury nie sposób kompleksowo ująć. Jestem z resztą pewien, że jest to niemożliwe bez wcześniej przeprowadzonych kilkuletnich studiów z zakresu fizyki. Natomiast miło pomyśleć, że w naszym własnym Świecie znajdują się rzeczy bardziej niesamowite od najbardziej niesamowitych baśni.
Aurot: PeeGee
Bibliografia:
Hamking S. "Czarne dziury i wszechświaty niemowlęce oraz inne eseje", Poznań 1993
Becklake S., "Budowa wszechświata", Warszawa 1991
"Larousse encyklopedia dla młodzieży", Warszawa 1991