Science Who #6 – Magiczne kosmiczne dziury

Koncepcja obiektów, nazwanych później (w 1969 roku) czarnymi dziurami, powstała już w XVIII wieku, a jej matematyczne początki to 1916 rok. Tak naprawdę dopiero po 1960 roku ustalono, że muszą istnieć, gdyż jest to logiczna konsekwencja założeń ogólnej teorii względności. Już od początku czarne dziury inspirowały twórców na najróżniejsze sposoby. Również w Doctor Who pojawiły się nieraz. Co tak do nich przyciąga? Podejdziemy do tego naukowo, dobrze? Ale spokojnie, obiecuję, że nie będzie żadnych wzorów.

Przypomnijmy sobie statek kolonizacyjny mający 400 mil długości (czyli ponad 600 kilometrów), uciekający całą mocą swoich silników przed czarną dziurą. Skoro dylatacja czasu rośnie eksponencjalnie odwrotnie proporcjonalnie do odległości, to im bliżej jesteśmy czarnej dziury, tym wolniej płynie czas! Proste, nieprawdaż? Nie? A jeśli ujmiemy to inaczej? Magiczna kosmiczna dziura powoduje, że na dole statku czas leci szybciej niż na górze. Dwa dni mijają na górze statku, na dole tysiące lat. Widzicie? Od razu lepiej! Zamiast skomplikowanego języka fizyki dostajemy magię i nagle wszystko staje się jasne (no, prawie). Z tym, że piękno magii polega na tym, że nie istnieje naprawdę, a tylko w naszych wspaniałych, twórczych umysłach. Fizyka jest po prostu czasem na tyle trudna i niezrozumiała, że wydaje się magią. Na szczęście (albo i nieszczęście) istnieją masochiści, którzy studiują przedmioty ścisłe i mogą wam wyjaśnić co nieco w tej kwestii. Okazuje się, że się do nich zaliczam. Zapraszam zatem na podróż po orbicie czarnej dziury!

Zacznijmy może od samego początku. Na początku jest pustka kosmosu. Właściwie to nie do końca pustka, bo kosmos nie jest pusty, tylko pełen cząstek pozostawionych po gwiazdach: gazu (głównie atomy wodoru), pyłu (a właściwie lodu) oraz energii promieniowania (różnokolorowe fotony). W pewnym momencie w czasie i pewnym miejscu przestrzeni pewne cząstki postanawiają zorganizować imprezę. Zapraszają na nią wszystkie swoje znajome cząstki, które również zapraszają swoje znajome cząstki, zapraszające swoje znajome cząstki. Im więcej, tym lepiej! Najlepsza część imprezy zaczyna się w momencie, gdy spotkają się dwie cząstki i tak przypadną sobie do gustu, że połączą się w molekułę (czasem pomoże im w tym amor promieniowania elektromagnetycznego zwany fotonem). Potem inne cząstki zaczynają im zazdrościć i również się łączą, co skutkuje zagęszczeniem się atmosfery na imprezie. Na tym etapie naukowcy imprezę tą nazywają obłokiem molekularnym (ang. Giant Molecular Cloud – GMC). W pewnym momencie jest tam już tak gęsto (kilka milionów cząstek w cm³) i tak gorąco (około 15 milionów stopni), że do zderzeń dochodzi bardzo często, aż iskry lecą (emisja promieniowania EM) i dzięki temu można obserwować taką imprezę z Ziemi. Poważnie, „tam ciągle gra muzyka, a one tańczą wciąż”. Naukowo rzecz ujmując, mamy już do czynienia z obiektem zwanym gwiazdą, a jej świecenie zawdzięczamy procesowi fuzji termojądrowej (prawie jak w elektrowniach jądrowych, tylko na odwrót). Dwie lżejsze cząstki tworzą jedną o masie mniejszej niż suma ich mas, a różnica ta ucieka w postaci światła/energii (będzie to ważne dalej).

Impreza ta jednak kiedyś się kończy. Życie takiej gwiazdy polega na ciągłej walce DJ-a (grawitacji), który chce ściągnąć wszystkie cząstki w jeden punkt, bo wtedy zabawa jest lepsza, z szefem klubu (ciśnieniem), który ma już dość i dąży do rozejścia się imprezowiczów. W pewnym jednak momencie cząstki są już zbyt zmęczone i ciężkie na nowe połączenia. Reakcje pierwiastków cięższych od żelaza potrzebują energii, aby mogły zajść, a że na tym etapie imprezy to już jest raczej dogorywanie ostatnich niedobitków, to reakcji jest coraz mniej. Szef ma już dość tej imprezy i wraca do domu (ciśnienie spada), przez co pierwsze skrzypce zaczyna odgrywać DJ (grawitacja), zbliżając wszystkich coraz bardziej, coraz bardziej podnosząc temperaturę. Na tym etapie dalszy los gości zależy od ich liczby, bo im większa masa gwiazdy, z tym większym hukiem impreza się skończy, gdy grawitacja ostatecznie wygra. Gdy masa jest mała, goście mają dość i powoli odchodzą. Pozostaje tylko stygnące i gasnące przez miliardy lat jądro imprezy (czerwony lub biały karzeł). Gdy masa jest dużo większa (tak około siedem Słońc), to natychmiast wyrzucani są goście z zewnątrz (supernowa), a ci w środku są ściskani dalej (gwiazda neutronowa), aż wreszcie cała masa gwiazdy skupia się w punkcie i powstaje czarna dziura. Gdy masa jest ponad dziewięciokrotnie większa niż masa Słońca, czarna dziura powstaje od razu, bez etapu gwiazdy neutronowej. Czarne dziury dalej mogą pochłaniać materię z okolicy albo połączyć się z innymi czarnymi dziurami (ktoś słyszał o falach grawitacyjnych i LIGO?*), aż osiągają masy nawet kilku milionów Słońc. Tak masywne obiekty znajdują się najczęściej w jądrach galaktyk. Widzimy je dzięki przyspieszonej (a zatem i podgrzanej) materii pochłanianej przez nią (tak jak w odcinku Niemożliwa planeta („The Impossible Planet”)).

Dalszy etap rozważań jest już czystym machaniem łapami przed oczami widza/słuchacza/czytelnika. O czarnych dziurach wiemy bardzo mało, bo nigdy żadnej nie udało się zbadać. Czarną dziurą nazywamy obszar w przestrzeni (a właściwie czasoprzestrzeni, ale o tym za chwilę), którego tzw. druga prędkość kosmiczna (prędkość ucieczki) jest większa od prędkości światła. Wspomniana druga prędkość kosmiczna to prędkość, jaką trzeba by uzyskać, aby opuścić pole grawitacyjne danego ciała, czyli gwiazdy, planety czy czarnej dziury. Dla ciekawskich dodam, że pierwsza prędkość kosmiczna to prędkość, jaką mają ciała poruszające się na orbicie takiego obiektu.

Nazywane są czarnymi, bo są doskonale czarne: nie wysyłają żadnego światła, a dziurami, bo po drugiej stronie nic nie ma. Nic, co moglibyśmy zobaczyć. Jest tak, ponieważ nic jej nigdy nie opuściło ani nigdy nie opuści (zwłaszcza światło, dzięki którego odbiciu widzimy obiekty). Dlaczego? Bo nie da się poruszać szybciej niż światło. Nie można i koniec. Jest to fizycznie niemożliwe. Dlaczego zapytacie? Odpowiem wam:

E = mc².

(Wiem, wiem, miało nie być wzorów, ale ten jest bardzo ważny i chyba nie aż tak straszny, co nie?)

Wzór ten jest bardzo słusznie kojarzony z Einsteinem i jego teorią względności, która została nieraz sprawdzona i potwierdzona. Uzyskano go na drodze doświadczalnego sprawdzenia faktu, że pomiar wartości prędkości światła nie zależy od tego, kto dokona pomiaru (doświadczenie Michelsona-Morley’a**). Oznacza to, że tę samą wartość uzyskamy wtedy, gdy mierzymy prędkość światła, patrząc na nie z daleka i wtedy, gdy siedzimy na nim. Istotność tego wzoru polega na tym, że wynika z niego równoważność masy i energii (czyli nikt tak naprawdę nie tyje, tylko magazynuje energię). Obserwujecie to na co dzień, bo Słońce świeci dlatego, że traci masę (pamiętacie łączenie się cząstek na imprezie?). Wniosek jest zatem prosty: nie możemy poruszać się z prędkością większą niż prędkość światła, bo im szybciej się ruszamy (zwiększamy energię kinetyczną), tym większą mamy masę. Nie jest to bardzo znaczący efekt dla prędkości znanych nam na Ziemi, bo dla 10% prędkości światła jesteśmy ciężsi od zaledwie 0,5%. Jednak gdy zwiększamy swoją prędkość coraz bardziej i dochodzimy do 90% prędkości światła, to nasza masa jest ponad dwa razy większa! Zaufajcie mi, jestem fizykiem, policzyłem to.

Siedzicie wygodnie? Dobrze, to teraz jeszcze zapnijcie pasy, bo dochodzimy do rozsadzającego mózg finału! Einstein w swoich pracach z 1905 i 1915 roku połączył czas i przestrzeń w czterowymiarową czasoprzestrzeń. Nie pytajcie, jak ją sobie wyobrażać, pewnie tylko Doktor by umiał odpowiedzieć (np. na wykładach z 10 serii). Istotne są natomiast trzy zjawiska zachodzące w tej czasoprzestrzeni. Dwa z nich muszę zostawić może na inny „wykład”, żeby was nie zanudzić***. Trzecie dotyczy sposobu, w jaki Einstein opisał grawitację. Otóż według niemieckiego naukowca grawitacja nie jest niczym innym jak tylko ugięciem czasoprzestrzeni. Wyobrazić sobie możecie to tak, jakbyście mieli naciągnięty kawałek materiału i położyli na nim kulę do kręgli. Kula wygnie materiał, tworząc dół, w który stoczy się wszystko, co położymy na materiale. Zupełnie tak, jakby były przyciągane grawitacyjnie do kuli, czyż nie? Otóż to! Na dodatek im bliżej kuli będą, tym szybciej będą się poruszać, a im szybciej się poruszają, tym wolniej płynie dla nich czas. Wiecie, to trochę tak jak wtedy, gdy ma się moc superszybkości i wszystko wokół wydaje się wolniejsze. Punkt widzenia zależy od miejsca siedzenia – wszystko jest względne (dlatego teoria nosi nazwę teorii WZGLĘDNOŚCI). Wniosek jest prosty: im bliżej obiektu uginającego czasoprzestrzeń jesteśmy, tym wolniej dla nas płynie czas. To właśnie dlatego na mostku statku w Gdybyśmy czasu mieli więcej („World Enough and Time”) mijały sekundy, a na rufie całe lata.

Jeszcze was głowa nie rozbolała? Dobrze, cieszę się! Pozostało zasadniczo tylko jedno pytanie odnośnie do czarnych dziur. Brzmi ono: co jest po drugiej stronie? Jak już wspomniałem, nie da się na nie, niestety, odpowiedzieć w sposób naukowy. Tutaj właśnie wkracza fantastyka. Czy jest tam alternatywny wymiar antymaterii, jak w odcinku The Three Doctors? Czy może są bramami do nadprzestrzeni (tzw. wormholes), jak w  The Horns of Nimon? Kto wie, może zgodnie z The Deadly Assassin zasilają silniki wszystkich TARDIS? Może są więzieniami dla wszelakich potworów, jak sugeruje Szatańska pułapka („The Satan Pit”) i Rodzina krwi („The Family of Blood”)? Jak sobie to wyobrażacie?

Bibliografia (czyli gdzie ciekawscy powinni szukać więcej informacji)

• Jorge Cham, Daniel Whiteson, Nie mamy pojęcia, Wydawnictwo Insignis, Kraków 2017 (średnio naukowo, humorystycznie i jest nawiązanie do Doktora),
• Stephen Hawking, Krótka historia czasu. Wydawnictwo Alfa, Warszawa 1990 (bardziej naukowo),
• Stephen Hawking, Jeszcze krótsza historia czasu, Zysk i Spółka, Poznań 2015 (mniej naukowo),
• zadziwiająco dobre artykuły o gwiazdach i czarnych dziurach na Wikipedii (zaawansowane naukowo).

*) Mowa tu o niedawnym (11.02.16) przełomowym wykryciu fal grawitacyjnych za pomocą LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory), czyli wielkiego interferometru (urządzenia do badania interferencji, czyli nakładania się fal, zob. przyp. poniżej). Detekcja fal grawitacyjnych polegała na badaniu wpływu skracania się czterometrowych ramion tegoż interferometru pod wpływem takiej fali na zachodzącą wewnątrz interferencję.

**) Doświadczenie to, wykonane w 1887 roku za pomocą interferometru, udowodniło niezmienność prędkości światła względem ruchu Ziemi i tym samym wyrzuciło do kosza pojęcie eteru, czyli hipotetycznego ośrodka, w którym miałoby się rozchodzić światło i inne fale elektromagnetyczne. Dzięki temu doświadczeniu wiemy, że światło rozchodzi się z tą samą prędkością bez względu na obrany układ odniesienia. Dokonano tego za pomocą interferometru, czyli urządzenia, w którym fale (najczęściej świetlne) puszczone dwiema drogami spotykają się ze sobą w jednym punkcie i w zależności od ich fazy (grzbiet lub dolina) wygaszają się (gdy spotka się góra fali z dołem) albo wzmacniają (gdy spotka się góra z górą albo dół z dołem).

***) Chodzi o kontrakcję (skracanie) długości i dylatację (wydłużanie) czasu, jeśli ktoś jest bardzo ciekaw, a nie chce czekać na kolejny artykuł z serii.