0. Wstępne słowa cztery.
Raz, dwa, raz dwa trzy! Pięć sześć siedeeem, osiem.
Do czterech nie wolno Ci zliczyć.
I gdy liczba cztery została osiągnięta w liczeniu jako czwarta w kolei, możemy zaczynać.
A, przypomniał mi się głupi żart, a propos liczenia, z ostatniej relacji ze skoków narciarskich: 'Trzech Czechów na trzech pierwszych miejscach' =]
Dziś Gwiazdy Czarne. Grawastary i Gwiazdy Ciemne to trochę obszerniejsze tematy, dlatego, postanowiłem odłożyć je na inną okazję. A na okazję wielkich podniet innych serwisów, gdzie na każdym kroku widnieje czarna dziura (hmmm, może samolot kosmiczny na napęd z czarnej dziury? albo zbudujmy czarną dziurę na Ziemi? albo 'a jeśli rzeczywistość jest zbudowana z mikroskopijnych czarnych dziur?' Moi mili. Takie rzeczy zamieszczałem w swojej książce sci-fi, my zajmujemy się nauką przez duże Na-U) - sami chyba przyznacie, że jest to trochę już nudne? Nie twierdzę, że nie istnieją. Te dziury, czarne. Istnieją. Dowiodły tego badania za pomocą zaawansowanych teleskopów, równania teorii względności z wielka precyzją określiły wręcz konieczność ich istnienia. Niestety, nie wszyscy są zgodni co do pewnych właściwości czarnych dziur. I tu chciałem wbić swoja igiełkę, uciąć coś brzytwą Ockhama, mianowicie niepewne informacje dotyczące czarnych dziur. Czy osobliwość jest nieskończona? Czy teoria kwantowej grawitacji skrywa się za horyzontem zdarzeń?
Te i inne pytania pozwoliły mi sformułować wstęp na fanpage'u, który mógłby mylnie zostać odebrany jako próbę falsyfikacji całej teorii o czarnych dziurach. Jak to powiedzieliby koledzy w pierdlu, 'za krótki na to jestem'. Żartuję - nie siedziałem, nie kiblowałem, straszę przy okazji strrrrasznego tematu o czarnych dziurach, a właściwie o ich pochodnych.
Dziś zajmiemy się pytaniem, a właściwie założeniem: 'Co by było, gdyby czarne dziury jednak nie istniały?' Albo: 'Jakie są alternatywy dla miejsc w przestrzeni (czarne dziury to nawet nie obiekty, to obszary czasoprzestrzeni o zwiniętej geometrii, to specyficzne rozwiązania ogólnej teorii względności dla czasoprzestrzeni z kolapsującymi gwiazdami o określonym promieniu, a właściwie efekt końcowy tego procesu) nazywanych czarnymi dziurami?
Po prostu, 'A gdyby tak czarnych dziur nie było... To co by było?'
1. Byłoby smutno. Żal. Żarty na bok. Gwiazdy Czarne.
Czarna dziura to taki trup gwiazdy świecącej nam na Nieboskłonie. Zapadnięta pod własnym ciężarem, z wypalonym paliwem wodorowym, reakcje termojądrowe nie mogą zachodzić, taki produkt uboczny całego życia - czytaj: wydzielania energii - gwiazd. Nic szczególnego dla nas, Czytelników parających się Nauką, albo chociaż mających uszy i oczy szeroko otwarte. Są fascynujące. Nie uszy, czarne dziury. Ale spowszedniały trochę, przynajmniej mi.
Albo po prostu za głupi jestem na pisanie o czarnych dziurach? To nie takie proste, jak Wam się wydaje. Wystarczy, że przywołam jeden mały aspekt. Prawie wszędzie czytam, że czarne dziury to obiekty. A one nawet obiektami nie są. Są obszarami czasoprzestrzeni. Uwierzcie mi, trochę poślęczałem nad tym, co dzieje i może dziać się 'w środku czarnych dziur'. Żeby wyczerpać temat, trzeba by co najmniej trzech ujęć. A nam się spieszy, bo my - jesteśmy zawsze pierwsi. Najlepsi. Czasem z tego naj wychodzi także najgłupsi ;)
Co chciałem... Gwiazdy Czarne są bardzo podobne do czarnych dziur. Z małą różnicą. Proces zapadania się gwiazdy pod własnym ciężarem przebiega zgodnie z równaniami ogólnej teorii względności - powstaje czarna dziura. Ale... to w teorii! Czyli tak wyliczono z równań.
Naukowcy badają inną opcję. Co, jeśli realny proces zapadania się nie jest w pełni relatywistyczny, tylko półklasyczny?
Półklasyczny opis grawitacji stawia na kwantową teorię pola. Materia brana jest jako część dyskretna, zaś grawitacja jako ciągła. Taki podejście pozwala na przewidywania kolapsu gwiazdy nie do obszaru, jakim jest czarna dziura, oraz nie do punktu o nieskończonej gęstości i nieskończenie małego, otoczonego horyzontem zdarzeń. Jednym słowem, poprawki kwantowe do teorii względności pozwalają na stworzenie bardziej realistycznego obrazu kolapsu gwiazdy. Stosuje się nie płaską czasoprzestrzeń, ze znormalizowaną energią próżni i wykasowaną nieskończonością. Uwzględnia się grawitację jako ugiętą geometrię, która na dodatek oddziałuje z materią w sprzężeniu zwrotnym, generując tzw. próżnię spolaryzowaną, siłę odpychającą, przeciwną grawitacji.
2. Półklasyczna teoria grawitacji.
Cały wic polega na zastosowaniu, w, dążącym do rezultatu - Gwiazdy Czarnej, wyliczeniu przebiegu kolapsu grawitacyjnego, energii próżni. Energia próżni w ujęciu półklasycznym to nic innego jak spolaryzowana energia cząstek wirtualnych, zniwelowana przez polaryzację wynikłą z oddziaływania grawitacyjnego, jednak o wynikowej polaryzacji odpychającej.
Różnica między klasyczną a półklasyczną teorią polega na tym, że kwantowa teoria pola jest stosowana do stworzenia coś na kształt kwantowej teorii relatywistycznej, czyli jest to połączenie teorii względności i teorii kwantów. Niestety, niekompletne, ponieważ sama grawitacja nie wchodzi w grę. Liczą się tylko inne pola, np. elektromagnetyczne, ale to wystarcza. Przestrzeń i grawitacja są ciągłe, ale współistnieją z polami kwantowymi, wzajemnie na siebie oddziałując. Rezultatem jest energia próżni, która po procesie renormalizacji, czyli 'kasowaniu nieskończoności', powinna być pomijalnie mała. To ujęcie klasyczne - i one produkuje czarne dziury. Niestety, tylko w nieugiętej, płaskiej czasoprzestrzeni.
Z teorią półklasyczną mamy schodek wyżej.
Jeśli przestrzeń jest ugięta przez masę, zastosowana kwantowa teoria pola generuje energię próżni z cząstkami spolaryzowanymi. Cząstki te, z polami (elektrycznym, magnetycznym itp.) są naładowane, ponieważ tylko dla płaskiej czasoprzestrzeni normalizacja różnicuje sumę energii do zera. Ugięta czasoprzestrzeń (przez masę - forma klasyczna i ciągła), oraz kwantowe fluktuacje materii, oddziałują na siebie wspólnie; stosuje się też kwantową teorię pola, jednak w wypadku uwzględnienia grawitacji uzyskujemy wynikową energię inną niż w przypadku klasycznej teorii relatywistycznej. Bo jako rezultat otrzymujemy siłę odpychającą, przeciwnej grawitacji i kolapsowi gwiazdy pod własnym ciężarem. Trochę to skomplikowane, wiem, sam nie bardzo to kapuję (i nie do końca kupuję, chociaż już Wam sprzedaję, za lajki oczywiście, za sławę, za Troję, itp. =] ), ale tak to właśnie wygląda. Skwantowana materia zawsze będzie dążyć do opóźnienia zapadania się do czarnej dziury. Dzięki zastosowaniu teorii kwantów znamy półklasyczną teorię grawitacji. Oraz tzw. Czarne Dziury po Poprawce Kwantowej - Gwiazdy Czarne. Quasi-Czarne Dziury.
3.{Dygresja: moje smutne rozważania, filozoficzno-naukowe ple-ple =)}
I kto wie, może w naszym fizycznym świecie nie ma miejsca na coś takiego jak nieskończoność? Pomyślcie sami: wszędzie w fizyce mamy do czynienia ze skończonością, nawet jeśli coś jest niewyobrażalnie małe, to jednak ma rozmiar. Coś jest bardzo gorące, ale istnieje limit temperatury (jest to jakieś 15^32 (~decylion) Kelwinów, temperatura Plancka). A tu nagle przychodzi facet z fajką, wywalonym jęzorem i głową nieuczesaną i mówi Ci, że istnieje nieskończenie mały i gęsty punkt w miejscach we Wszechświecie, tam gdzie kończy się czas, punkt, którego nie można zobaczyć, bo jest ciałem doskonale czarnym, zagina czasoprzestrzeń w porywach w sposób nieskończony, na dodatek prędkość światła przewidziana przez tegoż jegomościa nie pozwala na przezwyciężenie tego obszaru, w środku istnieje rozwiązanie świętego Graala fizyki (kwantowa grawitacja), oraz że istnieje granica bez powrotu i na dodatek nic z zewnątrz nie widać.
Nadążacie? '-Mam krokodyla w pokoju. -No to chodź, pokaż! -Jest w szafie, poza tym jest niewidzialny. Ale mam. I udowodnij, że nie mam' =].
{koniec dygresji i kwantowego ple-ple}
Chciałem tylko zwrócić uwagę, jak bardzo teoria o czarnych dziurach zasłoniła nam rozsądek, jak zawładnęła kulturą masową oraz stała się swoistą dewizą i wizytówką 'Fizyka'. Fizyk - to od razu musi być czarna dziura. Trzeba umieć się odwrócić i spojrzeć na coś z innej perspektywy. Poddać pod krytykę własnego rozumu coś, co jest niemal dogmatem. A potem może wrócić do teorii o czarnych dziurach, bo pewnie jest słuszna, ale ze świeższym spojrzeniem i innym zapatrywaniem się w czarną otchłań horyzontu zdarzeń. Bo uważam, że już niedługo będziemy je obserwować z całkiem bliskiego bliska. Ale wtedy bezkrytyczne spojrzenie nie pozwalałoby dojrzeć nic poza tym, co widzi reszta obserwatorów. Ciemność. Za to Fizycy i Laicy oraz Tłukowie będą gładzić brodę z enigmatycznym uśmieszkiem mówiąc: a gdyby tak czarne dziury były inne?
Niby jakie? Może różowe?
W czasach, gdy wszyscy są Supermenami, jeden mechanik rowerowy robi wielką różnicę =]
4. Słów kilka o hiper niezwykłych własnościach Gwiazd Czarnych.
Gwiazdy czarne na dodatek nie powinny posiadać horyzontu zdarzeń. To znaczy - można by im zajrzeć w gardziel i zobaczyć produkt końcowy kolapsu całej gwiazdy. Gwiazda czarna to rozwiązanie półklasycznej teorii relatywistycznej, która na dodatek pozwala ominąć paradoks informacyjny.
Polega tenże paradoks na niszczeniu informacji w czarnej dziurze, kiedy światło nie może uciec, dostawszy się raz poza horyzont. Tym samym, jakby cała informacja pozostaje zniszczona, bo nie wróci już do świata zewnętrznego, na dodatek uważa się, że osobliwość grawitacyjna działa na zasadzie niszczarki. To duży problem. Bo, o ile wiemy - co wynika z zasad mechaniki kwantowej - informacja nie może ulec całkowitemu zniszczeniu.
To tzw. unitarność.
Gdyby na przykład posiadać ultra-niemal-doskonałe narzędzie do integracji cząstek, można by coś rozbitego na atomy złożyć z powrotem do punktu wyjścia. Albo - po spaleniu kartki papieru z numerami totolotka, można by poskładać, metodą sklejania pojedynczych atomów Kropelką kartkę z powrotem. Da się! (ale nie próbujcie tego w domu, szczególnie, jeśli macie prawidłowe numery totolotka. Na pewno nie macie. Jeśli byście mieli, nie czytalibyście tego tekstu, tylko siedzieli już w salonie, a właściwie wyjeżdżali z niego Złotym BMW). To są znane nam prawa fizyki, z którymi czarne dziury nie współgrają. [Chciałbym także, żeby prawa fizyki mówiły, że od jutra mam Złote BMW ;)]
A z Gwiazdą Czarną jest trochę inaczej. Ona także zagina tor światła, jej masa (czarna dziura jest pusta 'w środku'; Gwiazda Czarna posiada masę generowaną przez materię, taka różnica) jest rozłożona równomiernie na obszarze, jaki zajmuje, ale nie niszczy informacji. Paradoksalnie, model Gwiazdy Czarnej lepiej pasuje do znanych nam praw fizyki niż czarna dziura. Co więcej, GC jest także gęsto upakowanym ciałem, jednak ma masę, składa się z materii, ale nie posiada horyzontu zdarzeń. Wokół niej panują także warunki relatywistyczne, co powoduje np. bardzo silne ugięcie geometrii czasoprzestrzeni, soczewkowanie grawitacyjne, osłania się toto wszystko dyskiem akrecyjnym. Co tam jeszcze, acha, promieniowanie Hawkinga - wszystko mamy! Full service, czarna dziura out, niech żyje Gwiazda Czarna, realistyczna pozostałość po gwieździe, o jakiej marzą fizycy - bez nieskończoności. Słowem - wszystko, co ma czarna dziura... Ale jest o tyle lepsza, że można jej zajrzeć do środka. Mówię o astronomach, tudzież astrofizykach.
To niesamowite, bo obserwacje GC dostarczyłyby wszystkich informacji, łącznie z tą, jak grawitacja łączy się z teorią kwantów, oraz takich, jakich spodziewalibyśmy się uzyskać z czarnej dziury, ale nie za bardzo, ponieważ do dziury się nie da zajrzeć, a do Gwiazdy już owszem.
Inna sprawa: niektórzy twierdzą, że model (Gwiazda Czarna to hipotetyczny model gwiazdy) proponowany powyżej może odpowiadać obserwacjom tego, co nazywamy czarnymi dziurami.
5. Na koniec fajna ciekawostka.
Ugięcie czasoprzestrzeni generuje polaryzację energii próżni, a efekty kwantowe materii zawartej w cząstkach oddziałują na krzywiznę, powiększając ją. Proces ten powoduje wyżej wspomniane opóźnienie kolapsu... właściwie w nieskończoność, bo dwa efekty wzajemnie 'rezonują' ze sobą. Grawitacja - odpychanie próżni - i tak bez końca. Ciekawe, prawda? Prawda, prawda? Kurde, mam nadzieję, że nie zawiodłem Czytelników. Tak się starałem, a tu nic nie widać, w końcu to Gwiazda Czarna jak Noc =]
Aha, zapraszam na Patronite! To nie takie trudne założyć tam konto i wesprzeć klikanie w klawiaturę! :)
Oraz na Facebook fanpage; więcej nas, jest ciaśniej ale weselej! ^_^
