Białe dziury. Fascynująca idea, która wywraca do góry nogami dotychczasowe myślenie o kosmosie - ebook

Rozdział 1

1

Najt­rud­niej zro­bić pierw­szy krok. Pierw­sze słowa otwie­rają nową prze­strzeń. Niczym pierw­sze spoj­rze­nie uko­cha­nej dziew­czyny: całe życie staje się zależne od jej ulot­nego uśmie­chu. Waha­łem się, czy przy­stą­pić do pisa­nia. Cho­dzi­łem sporo po lesie nie­opo­dal mojego domu w Kana­dzie, i wciąż nie wiem, dokąd zmie­rzam.

Od kilku lat moje bada­nia sku­piają się na bia­łych dziu­rach, nie­uchwyt­nych młod­szych sio­strach czar­nych dziur. Oto moja książka im poświę­cona. Naj­pierw posta­ram się w niej wyja­śnić, czym są czarne dziury, które widzimy na nie­bie w ogrom­nej licz­bie. Co dzieje się na kra­wę­dzi tych dziw­nych gwiazd, na _hory­zon­cie_, gdzie czas zdaje się spo­wal­niać aż do cał­ko­wi­tego zatrzy­ma­nia, a prze­strzeń wydaje się roz­ry­wać. Następ­nie przej­dziemy do bar­dziej wewnętrz­nych rejo­nów, gdzie czas i prze­strzeń ule­gają roz­pro­sze­niu. Gdzie docho­dzi do cze­goś w rodzaju skoku wstecz w cza­sie. Gdzie rodzą się białe dziury.

to opo­wieść o przy­go­dzie, która wciąż trwa. jak to zwy­kle bywa na początku wyprawy, nie wiem dokład­nie, co mnie spo­tka. tuż po tym pierw­szym uśmie­chu nie mogę prze­cież zapy­tać dziew­czyny, gdzie razem zamiesz­kamy… w moim umy­śle rysuje się plan lotu: docie­ramy do kra­wę­dzi hory­zontu. prze­do­sta­jemy się do środka. scho­dzimy na samo dno. prze­cho­dzimy na drugą stronę – niczym ali­cja prze­do­sta­jąca się do kra­iny cza­rów – i wyła­niamy się w bia­łej dziu­rze. zasta­na­wiamy się, co się dzieje, kiedy czas się cofa… w końcu wydo­sta­jemy się na zewnątrz, żeby zoba­czyć gwiazdy, nasze gwiazdy, po cza­sie, który trwał rap­tem kilka chwil, a zara­zem miliony lat. lub tyle, ile lek­tura tej krót­kiej książki.

czy jeste­ście gotowi?

Mar­sy­lia. Przy tablicy w moim gabi­ne­cie stoi Hal. Sie­dzę za biur­kiem na dużym krze­śle pochy­lony do przodu i oparty łok­ciami o blat. Mie­rzę Hala wzro­kiem. Przez okno wpada mie­niące się śród­ziem­no­mor­skie świa­tło. Tak roz­po­czyna się moja przy­goda z bia­łymi dziu­rami.

Hal jest Ame­ry­ka­ni­nem, w jego żyłach pły­nie chyba tro­chę czi­ro­ke­skiej krwi. Może wła­śnie ta krew przy­daje mu łagod­no­ści, którą poskra­mia bły­sko­tli­wość swo­ich pomy­słów. Dziś Hal jest wykła­dowcą uni­wer­sy­tec­kim, ale wtedy był stu­den­tem. Uprzejmy, skru­pu­latny, obda­rzony spo­koj­nym uspo­so­bie­niem nad wyraz doj­rza­łego mło­dego męż­czy­zny. Pró­buje mi powie­dzieć coś, czego nie rozu­miem. Cho­dzi o to, co może się wyda­rzyć z czarną dziurą, kiedy dokona już swo­jego dłu­giego żywota.

Pamię­tam jego słowa: „Rów­na­nia Ein­ste­ina się nie zmie­nią, jeśli odwró­cimy czas. Żeby doko­nać skoku wstecz, trzeba odwró­cić czas i prze­kleić roz­wią­za­nie”. Czuję się zdez­o­rien­to­wany.

Po chwili dociera do mnie, co Hal ma na myśli. Wow! (Jestem Wło­chem, nie potra­fię zacho­wać spo­koju jak rdzenny Ame­ry­ka­nin). Pod­cho­dzę do tablicy i zaczy­nam ryso­wać. Serce wali mi jak mło­tem.

– Tak, mniej wię­cej o to cho­dzi – potwier­dza Hal.

– To czarna dziura, która prze­mie­nia się w białą na mocy efektu tune­lo­wego, lecz to, co na zewnątrz, może pozo­stać takie samo… – mówię.

– Hmm… nie wiem… jak sądzisz, czy to tak działa? – zasta­na­wia się jesz­cze przez chwilę.

Zadzia­łało. Przy­naj­mniej w teo­rii. Od tam­tej roz­mowy, prze­pro­wa­dzo­nej pew­nego sło­necz­nego dnia w mie­nią­cym się mar­syl­skim świe­tle, minęło dzie­więć lat. Przez ten czas wciąż pra­co­wa­łem nad hipo­tezą, według któ­rej czarne dziury mogą się prze­mie­niać w białe. Wraz ze mną pra­co­wali stu­denci i kole­dzy, a w miarę upływu lat to grono sta­wało się coraz licz­niej­sze. To moim zda­niem cudowna myśl. Myśl, o któ­rej chcę opo­wie­dzieć.

Nie wiem, czy jest słuszna. Nie wiem nawet, czy białe dziury ist­nieją naprawdę, w rze­czy­wi­sto­ści. O czar­nych dziu­rach wiemy bar­dzo dużo – widzimy je – a bia­łych dziur jak dotąd nikt nie widział.

Kiedy byłem na stu­diach dok­to­ranc­kich w Padwie, fizykę teo­re­tyczną wykła­dał tam Mario Tonin. Twier­dził on, że według niego dobry Bóg czy­tuje „Phy­si­cal Review D”, słynne cza­so­pi­smo fizyczne, a gdy natrafi na jakiś pomysł, który mu się spodoba, to ciach! – wpro­wa­dza go w życie, prze­or­ga­ni­zo­wu­jąc powszechne prawa.

Jeśli tak rze­czy­wi­ście jest, to byłoby wspa­niale, dobry Boże, gdy­byś zechciał spra­wić, żeby czarne dziury prze­mie­niały się w białe…

Hal

czy­tam znów poprzed­nie linijki. opo­wieść o moim pierw­szym spo­tka­niu z bia­łymi dziu­rami. chcę wyja­śnić wszystko po kolei. o czym roz­ma­wia­li­śmy z halem. co o tym czymś wiemy, a czego _nie_ wiemy. jaki pro­blem sta­ra­li­śmy się roz­wi­kłać. na czym polega pomysł hala i co z niego wynika. co ozna­cza odwró­ce­nie czasu (to nic skom­pli­ko­wa­nego) i co zna­czy, że czas ma jakiś kie­ru­nek (to już trud­niej­sze).

jeśli wciąż ze mną jeste­ście, to docho­dzimy do kra­wę­dzi hory­zontu czar­nej dziury, prze­do­sta­jemy się do środka, docie­ramy do samego końca, gdzie prze­strzeń i czas się roz­pra­szają, podą­żamy dalej, wyła­niamy się w bia­łej dziu­rze, gdzie czas jest odwró­cony, i stąd wycho­dzimy w przy­szłość.

wyru­szamy w stronę bia­łych dziur.Rozdział 2

2

A raczej wyru­szamy w stronę czar­nych dziur, bo żeby zro­zu­mieć, czym są białe dziury, trzeba mieć poję­cie o tych czar­nych. Czym jest czarna dziura?

Jako pierw­szy pomy­lił się Ein­stein. W 1915 roku, będąc na skraju sza­leń­stwa i roz­pa­czy, opu­bli­ko­wał koń­cowe rów­na­nia swo­jej naj­waż­niej­szej teo­rii, ogól­nej teo­rii względ­no­ści, którą dziś wykłada się na wszyst­kich uni­wer­sy­te­tach świata.

Minęło rap­tem kilka tygo­dni i Ein­stein otrzy­mał list od młod­szego kolegi, Karla Schwarz­schilda, pod­ów­czas porucz­nika wojsk nie­miec­kich, który zmarł w kilka mie­sięcy póź­niej, wycień­czony tru­dami walk na fron­cie wschod­nim.

List koń­czył się takimi oto pięk­nymi sło­wami: „Jak Pan widzi, mimo że ogień walk nie ustaje, dotych­czas wojna obe­szła się ze mną na tyle łaska­wie, by pozwo­lić mi odda­lić się od tego wszyst­kiego i odbyć spa­cer po kra­inie Pań­skich myśli”. Spa­cer po kra­inie myśli.

Spa­cer Schwarz­schilda po kra­inie myśli Ein­ste­ina, odby­wany pod­czas przerw w wal­kach na fron­cie wschod­nim, pośród tru­pów nie­miec­kich i rosyj­skich chłop­ców zamor­do­wa­nych z ludz­kiej głu­poty, która ple­niła się wów­czas podob­nie jak pleni się dziś – czy ist­nieje coś głup­szego niż umie­ra­nie za linię gra­niczną? – przy­niósł dokład­nie taki sam wynik jak dopiero ogło­szone przez Ein­ste­ina rów­na­nia.

Te rów­na­nia (jedyne wzory zamiesz­czone w mojej ksią­żeczce zaty­tu­ło­wa­nej _Sie­dem krót­kich lek­cji fizyki_) drogo Ein­ste­ina kosz­to­wały: pozo­stał po nich ślad w cyklu arty­ku­łów, z któ­rych każdy zawiera inną wer­sję rów­nań, a wszyst­kie są błędne. Nie można zostać Ein­ste­inem, jeśli nie ma się odwagi, by publi­ko­wać rze­czy błędne.

W 1915 roku rów­na­nia wresz­cie zyskały wła­ściwą postać. W kolej­nych dzie­się­cio­le­ciach skło­nią one fizy­ków do zre­wi­do­wa­nia poglą­dów doty­czą­cych natury czasu i prze­strzeni i pozwolą im zro­zu­mieć, że zegarki cho­dzą szyb­ciej w górach niż na nizi­nie, że wszech­świat się roz­sze­rza, ist­nieją fale prze­strzenne itd. To rów­na­nia, któ­rych uży­wamy dziś do stu­dio­wa­nia kosmosu, być może naj­wspa­nial­sze w całej fizyce.

Na stro­nach tej książki będzie nas łączyć ści­sły, acz­kol­wiek skom­pli­ko­wany zwią­zek z tymi rów­na­niami: będą naszym prze­wod­ni­kiem, jak Wergi­liusz dla Dan­tego, bo naj­le­piej ujmują to, co zdo­ła­li­śmy pojąć w kwe­stii prze­strzeni, czasu i gra­wi­ta­cji. Są narzę­dziem, które służy nam do rozu­mie­nia. Mówią nam, czego możemy się spo­dzie­wać na kra­wę­dzi czar­nej dziury i w jej wnę­trzu. Wyja­śniają, czym są białe dziury. Wska­zują nam drogę bie­gnącą wśród dziw­nych kra­jo­bra­zów. Lecz cały sens mojej opo­wie­ści spro­wa­dza się do tego, by zoba­czyć, co dzieje się tam, _gdzie rów­na­nia prze­stają dzia­łać_. Gdzie należy je porzu­cić. Na tym wła­śnie polega nauka.

W pół drogi będziemy musieli porzu­cić doda­ją­cego otu­chy prze­wod­nika w postaci tych rów­nań i zachwy­cić się czymś jesz­cze cudow­niej­szym. W grun­cie rze­czy tak samo czyni Dante w poło­wie swo­jej wędrówki – rów­nież on roz­staje się z Wergi­liu­szem i pozwala się pochwy­cić bło­go­ści.

Wróćmy do Schwarz­schilda. Roz­wią­za­nie, które podaje on w liście do Ein­ste­ina, można dziś zna­leźć we wszyst­kich pod­ręcz­ni­kach uni­wer­sy­tec­kich. Opi­suje ono, co się dzieje z prze­strze­nią lub z cza­sem w pobliżu okre­ślo­nej masy; na przy­kład w pobliżu Ziemi lub Słońca. Pod wpły­wem gra­wi­ta­cji docho­dzi do zakrzy­wie­nia czasu i prze­strzeni (wkrótce spró­buję wytłu­ma­czyć, co to zna­czy). To wła­śnie zakrzy­wie­nie czasu i prze­strzeni spra­wia, że ciała spa­dają na zie­mię, a pla­nety krążą wokół Słońca: to istota siły gra­wi­ta­cji.

Schwarz­schild badał ruch ciał w oto­cze­niu cięż­kich obiek­tów, takich jak Zie­mia lub Słońce. Zająw­szy się tą samą kwe­stią trzy stu­le­cia wcze­śniej, New­ton prze­tarł szlaki nowo­cze­snej nauki. Ein­stein i Schwarz­schild popra­wili New­tona: udo­sko­na­lili jego prze­wi­dy­wa­nia doty­czące ruchu rze­czy wokół danej masy.

Jed­nakże roz­wią­za­nie zapro­po­no­wane przez Schwarz­schilda, prócz nie­wiel­kiej korekty w kwe­stii ruchu pla­net, prze­wi­duje także coś cał­ko­wi­cie nowego, a zara­zem bar­dzo dziw­nego. Jeśli masa jest skraj­nie skon­cen­tro­wana, to wokół niej for­muje się powłoka, sfe­ryczna powierzch­nia, na któ­rej wszystko staje się oso­bliwe: docho­dzi do tego, że zegary – które spo­wal­niają zawsze w pobliżu pew­nej masy – tutaj się zatrzy­mują. Czas zastyga. Prze­staje pły­nąć. Prze­strzeń zaś roz­ciąga się w kie­runku masy, roz­sze­rza­jąc się jakby w dłu­gim leju, a roz­ciąganie to pro­wa­dzi do roze­rwa­nia prze­strzeni – pobli­skie punkty stają się nie­skoń­cze­nie odle­głe.

Czas, który staje, prze­strzeń, która się roz­rywa… Wszystko to wydaje się pozba­wione ładu i składu. Ein­stein, idąc za gło­sem roz­sądku, uznał, że nie ma to sensu. Stwier­dził, że ta absur­dalna powierzch­nia w rze­czy­wi­sto­ści nie ist­nieje.

Pro­ste obli­cze­nia wska­zują, że aby owa powierzch­nia mogła zaist­nieć, nale­ża­łoby ści­snąć masę w nie­do­rzeczny spo­sób. Żeby taka powierzch­nia wykształ­ciła się cho­ciażby wokół Ziemi, nale­ża­łoby zgnieść Zie­mię do roz­mia­rów piłeczki ping­pon­go­wej! Absurd. Wszystko to – twier­dził Ein­stein – jest pozba­wione sensu: nie można skon­cen­tro­wać jakiej­kol­wiek masy tak, żeby wykształ­ciła się ta prze­dziwna powłoka.

Mylił się. Nie­do­sta­tecz­nie ufał wła­snym rów­na­niom. Nie miał odwagi uwie­rzyć w dzi­waczne impli­ka­cje wła­snej teo­rii. Tak skon­cen­tro­wane masy ist­nieją, dziś już o tym wiemy. Są ich całe miliardy na nie­bie. To czarne dziury.

Astro­no­mo­wie wyod­ręb­nili duże czarne dziury, o wiel­ko­ści kilku kilo­me­trów, oraz gigan­tyczne, o sze­ro­ko­ści całego Układu Sło­necz­nego. Moż­liwe, że ist­nieją też małe (jak piłeczka ping­pon­gowa) oraz maleń­kie (o wadze włosa), lecz małych czar­nych dziur dotych­czas nie udało nam się dostrzec. Jak na razie.

Więk­szość czar­nych dziur wska­za­nych na nie­bie zro­dziła się z gwiazd, które zga­sły. To duże gwiazdy, tak cięż­kie, że mogłyby się zapaść pod wła­snym cię­ża­rem, gdyby nie to, że się palą. Gwiazdy spa­lają wodór, będący ich budul­cem, a w wyniku tego spa­la­nia two­rzy się hel. Cie­pło pocho­dzące ze spa­la­nia wytwa­rza ciśnie­nie, które rów­no­waży cię­żar gwiazdy i unie­moż­li­wia jej zapad­nię­cie się pod wła­snym cię­ża­rem. W ten spo­sób gwiazda wie­dzie swój żywot przez miliardy lat.

Nic jed­nak nie trwa wiecz­nie. W końcu wodór się zużywa, powstaje hel i inne pro­dukty uboczne, które się nie palą – gwiazda jest odtąd niczym samo­chód bez paliwa. Tem­pe­ra­tura spada, cię­żar zaczyna brać górę. Gwiazda ulega kolap­sowi pod wpły­wem gra­wi­ta­cji. W dużej gwieź­dzie siła gra­wi­ta­cji jest tak ogromna, że nawet naj­tward­sza skała nie oprze się jej dzia­ła­niu. Już nic nie prze­szko­dzi gwieź­dzie w zapa­da­niu się w samej sobie. Tak oto gwiazda zapada się aż po swój hory­zont. Two­rzy się czarna dziura.

W 1928 roku, zanim stało się to jasne, przed­się­bior­stwo tele­ko­mu­ni­ka­cyjne Bella zatrud­niło dwu­dzie­sto­trzy­let­niego fizyka Karla Jan­sky’ego, aby badał szumy zakłó­ca­jące komu­ni­ka­cję radiową. Jan­sky skon­stru­ował pry­mi­tywną antenę o dłu­go­ści trzy­dzie­stu metrów: była to dzi­waczna kon­struk­cja z meta­lo­wych prę­tów na kołach, która mogła obra­cać się w każdą stronę. Kole­dzy nazy­wali ją _Jan­sky’s merry-go-round_, karu­zelą Jan­sky’ego. Oto ona:

Za pomocą tej anteny Jan­sky reje­stro­wał wszel­kie napo­tkane sygnały radiowe: prze­lotne burze, odgłosy z anten itd. Jego uwagę zwró­cił mię­dzy innymi cie­kawy regu­larny sygnał, swego rodzaju gwizd, wychwy­ty­wany przy każ­dym okrą­że­niu karu­zeli:

Sio­stra Jan­sky’ego twier­dziła, że ojciec wciąż im powta­rzał: „Badaj­cie wszystko!”. Jan­sky badał ten gwizd przez ponad rok. Dźwięk nasi­lał się i słabł co dwa­dzie­ścia cztery godziny, fizyk pomy­ślał więc, że pocho­dzi ze Słońca, jako że Słońce góruje na nie­bie co dwa­dzie­ścia cztery godziny. Dia­beł tkwi jed­nak w szcze­gó­łach: dokład­niej­sze ana­lizy gwizdu wyka­zały, że okres ten nie trwa równo dwu­dzie­stu czte­rech godzin, tylko nieco mniej – dwa­dzie­ścia trzy godziny i pięć­dzie­siąt sześć minut. Naj­sil­niej­szy sygnał nie poja­wiał się więc pre­cy­zyj­nie o tej samej porze. Jakby jego obec­ność wyzna­czał zegar, który tro­chę się spóź­nia. Dziwne. To nie mogło być Słońce…

Wresz­cie zaprzy­jaź­niony astro­nom zwró­cił Jan­sky’emy uwagę, że dwa­dzie­ścia trzy godziny i pięć­dzie­siąt sześć minut to doba gwiaz­dowa (okres obrotu Ziemi wokół wła­snej osi wzglę­dem gwiazd zaj­muje nieco mniej czasu niż wzglę­dem Słońca). Czyli tajem­ni­czy sygnał radiowy musiał pocho­dzić z gwiazd! Kie­ru­nek łatwo było wska­zać – była to strona, w którą wymie­rzona była antena, kiedy odbie­rano naj­sil­niej­szy sygnał. Wystar­czyło się­gnąć do atlasu nieba: sygnał pocho­dził z cen­trum naszej Galak­tyki…

Zapraszamy do zakupu pełnej wersji książki