Główna Czarne dziury

Czarne dziury

0 / 0
Jak bardzo podobała Ci się ta książka?
Jaka jest jakość pobranego pliku?
Pobierz książkę, aby ocenić jej jakość
Jaka jest jakość pobranych plików?
Kolejna książka napisana przez zespół ghostwriterów i podpisana nazwiskiem słynnego fizyka. Niestety Hawking nie mógł tej książki napisać bo był sparaliżowany i nie mógł nawet palcem ruszać. Ale przeczytał ją cała i zatwierdził.



„Mówi się, że fakty bywają dziwniejsze od fikcji, a w żadnej dziedzinie nie jest to bardziej trafne niż w odniesieniu do czarnych dziur. Czarne dziury są dziwniejsze niż cokolwiek wymyślonego przez pisarzy science fiction…”

Stephen Hawking

Legendarny fizyk bada jedną z największych tajemnic naukowych wszechczasów.

Stephen Hawking od dziesięcioleci fascynuje się zagadką czarnych dziur. Uważa, że jeśli uda się nam zrozumieć wyzwania, jakie stanowią one dla samej natury przestrzeni i czasu, będziemy gotowi odszyfrować najgłębsze sekrety wszechświata. W swojej najnowszej książce Hawking z podziwu godną naukową żarliwością dokonuje podsumowania dotychczasowej wiedzy na temat czarnych dziur, zadaje pytania, które czekają na empiryczne odpowiedzi i snuje hipotetyczne rozważania na temat funkcjonowania tego kosmicznego fenomenu.


„Hawking posiada naturalny dar nauczania, a dzięki jego dobrodusznemu humorowi i zdolności do zilustrowania złożonych problemów fizyki za pomocą analogii z codziennego życia fenomen czarnych dziur staje się zrozumiały dla każdego”.
„The New York Times”

„Arcykapłan fizyki, jeden z nielicznych teoretyków, którzy zbliżają się do poznania choć w zarysie zamysłu Boga”.
„Los Angeles Times”

[Zysk i S-ka, 2016]
Rok:
2016
Wydawnictwo:
Zysk i S-ka
Język:
polish
ISBN 13:
9788365676573
Plik:
RAR, 11,66 MB
Ściągnij (rar, 11,66 MB)

Możesz być zainteresowany Powered by Rec2Me

 

Najbardziej popularne frazy

 
0 comments
 

To post a review, please sign in or sign up
Możesz zostawić recenzję książki i podzielić się swoimi doświadczeniami. Inni czytelnicy będą zainteresowani Twoją opinią na temat przeczytanych książek. Niezależnie od tego, czy książka ci się podoba, czy nie, jeśli powiesz im szczerze i szczegółowo, ludzie będą mogli znaleźć dla siebie nowe książki, które ich zainteresują.
1

Stąd do wieczności i z powrotem. Poszukiwanie ostatecznej teorii czasu

Rok:
2011
Język:
polish
Plik:
RAR, 13,51 MB
0 / 0
2

Introduction to Symplectic Geometry

Rok:
2019
Język:
english
Plik:
EPUB, 19,44 MB
0 / 0
 

Czarne dziury - Stephen Hawking/Czarne dziury - Stephen Hawking.epub


	Czy czarne dziury nie mają włosów

	Wyemitowane przez BBC 26 stycznia 2016 roku

	[image: ]

	Mówi się niekiedy, że fakty potrafią być dziwniejsze od fikcji. Nigdzie indziej to stwierdzenie nie jest tak trafne jak w odniesieniu do czarnych dziur. Czarne dziury są wprawdzie bardziej niezwykłe niż cokolwiek, co autorzy literatury fantastycznonaukowej byli w stanie wymyślić, a jednak dla nauki są równie realne jak gwiazdy i galaktyki. Społeczność naukowa dość powoli uświadamiała sobie, że ciężkie gwiazdy mogą się zapadać pod wpływem własnej grawitacji. Początkowo prawie nikt nie zastanawiał się, jak mogą się zachowywać obiekty, które powstają w wyniku takiego kolapsu. Nawet Albert Einstein napisał w 1939 roku artykuł, w którym dowodził, że gwiazdy nie mogą się zapadać pod wpływem grawitacji, ponieważ materii nie da się skompresować ponad pewną graniczną wartość. Wielu naukowców podzielało opinię Einsteina. Jednym z nielicznych wyjątków był amerykański fizyk, John Wheeler, który z różnych względów jest bohaterem historii czarnych dziur. W pracach opublikowanych w latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych Wheeler dowodził, że sporo gwiazd ostatecznie się zapadnie, a także zwracał uwagę na problemy, jakie taka możliwość stwarza dla fizyki teoretycznej. Przewidział także cechy, które mają obiekty powstałe w wyniku takiego kolapsu, czyli czarne dziury.

	DS: Samo określenie „czarna dziura” jest proste, lecz trudno wyobrazić sobie taki obiekt w przestrzeni kosmicznej. Pewną analogię może stanowić otwór, przez który woda wypływa z wanny. Gdy już raz przekroczy granicę — w kosmologii zwaną horyzontem zdarzeń — nie ma dla niej powrotu. Czarne dziury wciągają wszystko z taką mocą, że nawet światło zostaje zassane, co powoduje, że czarnych dziur nie można zobaczyć. Wiemy jednak, że one istnieją, ponieważ obserwujemy rozszarpywanie gwiazd, które znalazły się zbyt blisko czarnej dziury. Potrafimy także wykryć drgania przestrzeni wywołane przez zderz; enia czarnych dziur. Takie zderzenie, do którego doszło ponad miliard lat temu, wygenerowało zarejestrowane niedawno „fale grawitacyjne” (detekcja fal stanowiła ogromne osiągnięcie naukowe), co wywołało wielkie zainteresowanie mediów na całym świecie.

	[image: ]

	W trakcie życia zwykłej gwiazdy przez wiele miliardów lat jej własnej grawitacji przeciwdziała wewnętrzne ciśnienie termiczne. Ciepło generują procesy jądrowe, które zamieniają wodór w hel.

	DS: NASA porównuje gwiazdy do szybkowarów. Energia procesów jądrowej fuzji zamieniona na ciepło generuje wewnętrzne ciśnienie, które jest równoważone przez grawitację ściągającą wszystko do środka.

	W końcu jednak gwiazda wyczerpie swoje jądrowe paliwo i zacznie się kurczyć. W niektórych wypadkach może się to zakończyć na etapie zwanym białym karłem. W latach trzydziestych Subrahmanyan Chandrasekhar udowodnił, że maksymalna masa białego karła wynosi około 1,4 masy Słońca. Dla gwiazdy zbudowanej wyłącznie z neutronów maksimum masy wyliczył rosyjski fizyk, Lew Landau.

	DS: Białe karły i gwiazdy neutronowe były kiedyś słońcami, lecz wypaliły swoje paliwo. Pozbawione wewnętrznego ciśnienia nie mogły przeciwstawić się grawitacji i w rezultacie stały się jednymi z najgęstszych obiektów we wszechświecie, lecz w tabeli gwiezdnej ligi są jednymi z najmniejszych — ich własna grawitacja jest zbyt słaba, aby mogły się całkowicie zapadać. Dla Stephena Hawkinga i jego kolegów bardziej interesujące są najcięższe gwiazdy, gdy dochodzą do kresu swojego żywota.

	Co się zatem stanie z tymi niezliczonymi gwiazdami o masie większej od masy białego karła i gwiazdy neutronowej, gdy wyczerpią swoje jądrowe paliwo? Ten problem badał Robert Oppenheimer, późniejszy twórca bomby atomowej. W serii artykułów opublikowanych w 1939 roku wspólnie z George’em Volkoffem i Hartlandem Snyderem Oppenheimer udowodnił, że taka gwiazda nie może być powstrzymana przed kolapsem przez wewnętrzne ciśnienie. A jeżeli z rachunku usunie się ciśnienie, to jednorodna, sferycznie symetryczna gwiazda ulegnie kontrakcji do pojedynczego punktu o nieskończonej gęstości. Taki punkt nazywa się osobliwością.

	[image: ]

	DS: Osobliwość to obiekt, który powstaje, gdy masywna gwiazda skurczy się do niewyobrażalnie małego punktu. Koncepcja osobliwości stanowi kanwę całej zawodowej kariery Stephena Hawkinga. Pojęcie to odnosi się nie tylko do losów gwiazd, lecz także do znacznie bardziej fundamentalnej idei dotyczącej powstania wszechświata. To matematyczne prace Hawkinga o tym zagadnieniu przyniosły mu światowy rozgłos.

	Wszystkie teorie przestrzeni, które zakładają, że czasoprzestrzeń jest gładka i niemal płaska, załamują się w osobliwości, gdzie krzywizna czasoprzestrzeni jest nieskończona. Osobliwość stanowi zarazem koniec samego czasu, co skądinąd dla Einsteina było nie do przyjęcia.

	DS: Ogólna teoria względności Einsteina mówi, że wszystkie obiekty zakrzywiają czasoprzestrzeń wokół siebie. Wyobraź sobie kulę do kręgli leżącą na środku trampoliny. Materiał trampoliny ugina się pod wpływem ciężaru kuli, co powoduje, że mniejsze obiekty staczają się do środka. W analogiczny sposób można wyjaśnić zakrzywienie czasoprzestrzeni przez grawitację. Lecz gdy krzywe w czasoprzestrzeni zakrzywiają się coraz głębiej, aż w końcu stają się nieskończone, zwykłe reguły czasoprzestrzeni przestają działać.

	Wtedy wybuchła druga wojna światowa. Większość fizyków, łącznie z Oppenheimerem, zajęła się fizyką jądrową, a kwestia grawitacyjnego kolapsu została na jakiś czas zapomniana. Powróciła wraz z odkryciem kwazarów.

	DS: Kwazary to najjaśniejsze obiekty we wszechświecie i być może także najodleglejsze z dotychczas zaobserwowanych ciał niebieskich. Nazwa stanowi skrót określenia „quasi-stellar radio ­source” (quasi-gwiazdowe źródło radiowe). Obecnie uważa się, że są to dyski materii krążące wokół czarnych dziur.

	Pierwszy kwazar, 3C273, odkryto w 1963 roku. Wkrótce potem odkryto wiele innych. Mimo ogromnych odległości są bardzo jasne. Za ich promieniowanie nie mogą być odpowiedzialne procesy jądrowe, ponieważ przekształcają one w energię tylko niewielką część całkowitej masy źródła. Jedyną alternatywę stanowi energia grawitacyjna uwalniana przez grawitacyjny kolaps. W taki sposób zostały odkryte grawitacyjne kolapsy gwiazd.

	Już wtedy było wiadomo, że jednorodna, sferycznie symetryczna gwiazda ulega kontrakcji do punktu o nieskończonej gęstości, czyli do osobliwości. Równania Einsteina nie obowiązują w osobliwości. Oznacza to, że w punkcie o nieskończonej gęstości nie można przewidzieć przyszłości, a to z kolei oznacza, że dzieje się coś dziwnego, gdy gwiazda się zapada. Przewidywanie przyszłości nie uległoby załamaniu, gdyby osobliwości były nagie, czyli gdyby nie były osłonięte z zewnątrz.

	DS: „Naga” osobliwość to teoretyczny scenariusz, w którym gwiazda się zapada, lecz wokół niej nie powstaje horyzont zdarzeń, czyli osobliwość jest widoczna z zewnątrz.

	Gdy John Wheeler wprowadził w 1967 roku określenie „czarna dziura”, zastąpiło ono wcześ­niejszą nazwę „zamrożona gwiazda”. Sformułowanie Wheelera podkreśla fakt, że obiekt, który istnieje po zapadnięciu gwiazdy, sam w sobie jest interesujący, niezależnie od tego, w jaki sposób powstał. Nowa nazwa, sugerująca coś ciemnego i tajemniczego, szybko się przyjęła. Jednak Francuzi, jak to Francuzi, dostrzegając pewną ryzykowną dwuznaczność, przez lata wystrzegali się (obscenicznej w ich języku) nazwy trou noir, lecz w końcu musieli ulec, podobnie jak ulegli przy le weekend oraz wielu innych wyrażeniach z kategorii franglais. Kto nie uległby takiej pięknej nazwie?

	[image: ]

	Z zewnątrz nic nie widać. Możesz do czarnej dziury wrzucić telewizor, pierścionek z brylantem, a nawet twoich największych wrogów, a jedyne, co będzie ona pamiętać, to całkowitą masę, moment pędu oraz ładunek elektryczny.

	John Wheeler sformułował tę zasadę, stwierdzając, że „czarna dziura nie ma włosów”. Dla Francuzów było to ostateczne potwierdzenie ich podejrzeń.

	Czarna dziura ma granicę zwaną horyzontem zdarzeń. To właśnie tam grawitacja staje się na tyle silna, że wciąga światło i uniemożliwia mu ucieczkę. A ponieważ nic nie może podróżować szybciej od światła, więc wszystkie inne obiekty także będą wciągane. Przekroczenie horyzontu zdarzeń przypomina trochę dopłynięcie kajakiem do wodospadu Niagara. Dopóki jesteś powyżej wodospadu, możesz uciec, jeśli potrafisz dostatecznie szybko wiosłować, ale gdy przekroczysz krawędź, jesteś zgubiony. Nie masz drogi odwrotu. A gdy zbliżasz się do krawędzi, prąd wody przyspiesza. Oznacza to, że przód kajaka jest ciąg­nięty nieco szybciej niż tył. Istnieje ryzyko, że kajak może zostać rozerwany. Tak samo jest w sąsiedztwie czarnej dziury. Jeżeli spadasz w kierunku czarnej dziury nogami do przodu, grawitacja ciągnie mocniej twoje nogi, a słabiej twoją głowę, ponieważ nogi są bliżej czarnej dziury. W rezultacie zostaniesz rozciągnięty wzdłuż ciała i ściśnięty w poprzek. Jeżeli czarna dziura ma masę kilka razy większą od masy naszego Słońca, zostaniesz zamieniony w spaghetti, zanim osiągniesz horyzont. Jeżeli jednak będziesz się poruszać w kierunku znacznie większej czarnej dziury, o masie kilku milionów masy Słońca, bez przeszkód dotrzesz do samego horyzontu. Jeżeli zatem masz zamiar badać wnętrze czarnych dziur, wybierz jakiś duży egzemplarz. W centrum naszej Galaktyki, Drogi Mlecznej, znajduje się czarna dziura o masie około czterech milionów masy Słońca.

	DS: Naukowcy sądzą, że w środku niemal każdej galaktyki znajduje się olbrzymia czarna dziura — to odważna teza, wziąwszy pod uwagę, że istnienie czarnych dziur zostało potwierdzone niedawno.

	[image: ]

	Wpadając do czarnej dziury, sam nie zauważysz nic szczególnego, lecz ktoś obserwujący cię z zewnątrz nigdy nie zobaczy, że przekraczasz horyzont zdarzeń. Będziesz widziany jakbyś coraz bardziej zwalniał i unosił się tuż nad horyzontem. Twój obraz będzie coraz słabszy i coraz bardziej czerwony, aż w końcu stopniowo przestanie być widoczny. Z punktu widzenia świata zewnętrznego będziesz stracony na zawsze.

	DS: Światło nie może uciec z czarnej dziury, więc nikt z zewnątrz nie może zobaczyć, jak przekraczasz horyzont. W próżni nikt nie usłyszy twojego krzyku, a w czarnej dziurze nikt nie zobaczy, jak znikasz.

	Ogromny postęp w naszym rozumieniu tych tajemniczych zjawisk nastąpił za sprawą matematycznego odkrycia z 1970 roku. Pole powierzchni horyzontu zdarzeń, czyli granicznej strefy wokół czarnej dziury, ma taką właściwość, że powiększa się za każdym razem, gdy materia lub promieniowanie wpada do czarnej dziury. Ta właściwość wskazuje, że istnieje związek między polem powierzchni horyzontu zdarzeń czarnej dziury a konwencjonalną Newtonowską fizyką, a konkretnie entropią, czyli pojęciem z zakresu termodynamiki. Entropia może być uważana za miarę nieporządku układu lub — równoważnie — za brak wiedzy o stanie układu. Słynne drugie twierdzenie termodynamiki mówi, że entropia zawsze rośnie w czasie. Odkrycie z 1970 roku stanowiło pierwszą wskazówkę co do tego kluczowego związku.

	DS: Entropia oznacza tendencję uporządkowanego układu do przechodzenia w układ bardziej nieuporządkowany wraz z upływem czasu — na przykład równo ułożone cegły tworzące mur (niska entropia) z czasem zamienią się w nieuporządkowany stos gruzu (wysoka entropia). Ten proces opisuje drugie twierdzenie termodynamiki.

	[image: ]

	Związek między entropią i polem powierzchni horyzontu zdarzeń był widoczny, lecz nie było dla nas oczywiste, w jaki sposób pole powierzchni może być utożsamiane z entropią samej czarnej dziury. Czym jest entropia czarnej dziury? Kluczowa sugestia, którą wysunął w 1972 roku Jacob Bekenstein, doktorant na uniwersytecie Princeton (później przeniósł się na Uniwersytet Hebrajski w Jerozolimie), brzmi mniej więcej tak: gdy czarna dziura powstaje w wyniku grawitacyjnego kolapsu, bardzo szybko osiąga stacjonarny stan, który opisują tylko trzy parametry — masa, moment pędu (stan wirowania) i ładunek elektryczny. Oprócz tych trzech właściwości czarna dziura nie zachowuje żadnych innych szczegółów ani cech obiektu, z którego powstała.

	To twierdzenie ma pewne implikacje dotyczące informacji w kosmologicznym sensie pojęcia informacji, a mianowicie w takim, że każda cząstka i każda siła we wszechświecie zawiera odpowiedź na pytanie typu tak/nie.

	DS: W tym kontekście informacja oznacza wszystkie szczegóły każdej cząstki i każdej siły związanej z danym obiektem. Im bardziej obiekt jest nieuporządkowany — czyli ma wyższą entropię — tym więcej trzeba informacji, aby go opisać. Jak ujął to fizyk i popularyzator nauki, Jim Al-Khalili, dobrze potasowana talia kart ma większą entropię niż talia niepotasowana, a zatem jej opis wymaga więcej wyjaśnień, czyli więcej informacji.

	Twierdzenie Bekensteina oznacza, że ogromna ilość informacji ginie w wyniku grawitacyjnego kolapsu. Na przykład końcowy stan czarnej dziury nie zależy od tego, czy ciało, które uległo kolapsowi, było zbudowane z materii czy antymaterii, miało nieregularny kształt czy było kulą. Innymi słowy, czarna dziura o określonej masie, momencie pędu i ładunku elektrycznym mogła powstać w wyniku kolapsu jednej z bardzo wielu różnych konfiguracji materii, łącznie z dużą liczbą różnych typów gwiazd. W istocie, gdyby pominąć efekty kwantowe, liczba potencjalnych konfiguracji byłaby nieskończona, gdyż czarna dziura mogłaby powstać z dowolnie dużej liczby cząstek o odpowiednio małej masie. Czy jednak liczba konfiguracji może rzeczywiście być nieskończona? W tej kwestii interweniuje mechanika kwantowa.

	[image: ]

	Zasada nieoznaczoności mechaniki kwantowej mówi, że tylko cząstki o długości fali mniejszej od czarnej dziury mogą utworzyć czarną dziurę. Oznacza to, że zakres potencjalnych długości fal jest ograniczony, zatem nie może być nieskończony.

	DS: Zasada nieoznaczoności odkryta w latach dwudziestych przez niemieckiego fizyka, Wernera Heisenberga, stwierdza, że nigdy nie można precyzyjnie określić ani przewidzieć dokładnego położenia najmniejszych cząstek. W tak zwanej kwantowej skali świat jest nieco rozmyty, w wyraźnej opozycji do ściśle uporządkowanego świata stworzonego przez Isaaca Newtona.

	Okazuje się zatem, że liczba konfiguracji materii, z których mogłaby powstać czarna dziura o określonej masie, momencie pędu i ładunku elektrycznym, może także być skończona.

	Jacob Bekenstein wysunął sugestię, że z tej skończonej liczby można by wyprowadzić entropię czarnej dziury. Byłaby to miara ilości informacji bezpowrotnie straconej w trakcie kolapsu, gdy powstała czarna dziura.

	Sugestia Bekensteina miała jedną fatalną (pozornie) cechę: jeżeli czarna dziura ma skończoną entropię, która jest proporcjonalna do pola powierzchni jej horyzontu zdarzeń, to powinna mieć także skończoną temperaturę proporcjonalną do powierzchniowej grawitacji. A to z kolei powoduje, że czarna dziura powinna być w równowadze z promieniowaniem termicznym w pewnej różnej od zera temperaturze. Jednak w klasycznej fizyce taka równowaga jest niemożliwa, ponieważ czarna dziura pochłania wszelkie promieniowanie (także termiczne), które do niej dociera, lecz z definicji nie emituje niczego w zamian. Czarna dziura niczego nie emituje, nie może zatem emitować ciepła.

	DS: Jeżeli informacja ginie, co najwyraźniej zachodzi przy powstawaniu czarnej dziury, to powinna zostać uwolniona pewna ilość energii, co jednak nie jest możliwe w ramach teorii, która mówi, że nic nie wychodzi z czarnej dziury.

	I oto mamy paradoks. Wrócimy do niego w moim następnym wykładzie, w którym będę się starał pokazać, że sam fakt istnienia czarnych dziur kwestionuje najbardziej podstawową zasadę dotyczącą przewidywalności wszechświata oraz niepodważalności historii. Powrócimy także do pytania, co by się stało, gdybyś został wciąg­nięty przez czarną dziurę.

	DS: Stephen Hawking zabrał nas w naukową podróż: od twierdzenia Einsteina, że gwiazdy nie mogą się zapadać, przez akceptację istnienia czarnych dziur, aż po kolizję teorii wobec istnienia i funkcjonowania niektórych dziwacznych cech czarnych dziur.



	Czarne dziury nie są aż tak czarne, jak się je przedstawia

	Wyemitowane przez BBC 2 lutego 2016 roku

	[image: ]

	Wpoprzednim wykładzie pozostawiłem słuchaczy w napięciu, z paradoksem dotyczącym natury czarnych dziur — niezmiernie gęstych obiektów, które powstają w wyniku kolapsu gwiazd. Jedna teoria sugeruje, że czarne dziury o identycznych właściwościach mogą powstawać z nieskończonej liczby różnych typów gwiazd. Inna teoria dowodzi, że liczba możliwych typów jest skończona. Jest to problem informacji, czyli idei, zgodnie z którą każda cząstka i każda siła we wszechświecie zawiera odpowiedź na pytanie typu tak/nie.

	Jak stwierdził John Wheeler, „czarne dziury nie mają włosów”, więc nie można z zewnątrz stwierdzić, co się znajduje wewnątrz czarnej dziury, można jedynie poznać jej masę, moment pędu i ładunek elektryczny. Oznacza to, że czarna dziura zawiera mnóstwo informacji, które są ukryte, niewidoczne dla zewnętrznego świata. Jeżeli ilość informacji ukrytej wewnątrz czarnej dziury zależy od jej rozmiarów, to z ogólnych zasad można wnioskować, że powinna mieć temperaturę i świecić jak rozgrzana metalowa kula. Jednak jest to niemożliwe, ponieważ, jak wszystkim wiadomo, nic nie może się wydostać z czarnej dziury. W każdym razie tak się wszystkim wydawało.

	Ten paradoks utrzymywał się do początków 1974 roku, gdy zacząłem badać zachowanie materii w sąsiedztwie czarnej dziury z perspektywy mechaniki kwantowej.

	DS: Mechanika kwantowa jest dziedziną fizyki, która rządzi mikroświatem i opisuje zachowanie ekstremalnie małych obiektów. Cząstki elementarne nie podlegają takim samym prawom jak znacznie większe obiekty, na przykład planety. Prawa rządzące zachowaniem planet odkrył Isaac Newton. Zastosowanie praw rządzących zachowaniem bardzo małych cząstek do badania bardzo dużych obiektów było jednym z pionierskich osiągnięć Stephena Hawkinga.

	Ku mojemu wielkiemu zaskoczeniu przekonałem się, że czarna dziura emituje cząstki w równomiernym tempie. Podobnie jak wszyscy w owym czasie akceptowałem zasadę, że czarna dziura nie może niczego emitować, więc bardzo się starałem, aby usunąć ten kłopotliwy efekt. Im więcej jednak o tym rozmyślałem, tym bardziej nie mogłem się go pozbyć, aż w końcu musiałem zaakceptować fakt, że jest to realny fizyczny proces. Ostatecznie przekonało mnie odkrycie, że długości fal emitowanych cząstek są ściśle termiczne. Moje obliczenia wskazywały, że czarna dziura kreuje i emituje cząstki oraz promieniowanie dokładnie w taki sposób, jakby była zwykłym gorącym ciałem, którego temperatura jest proporcjonalna do powierzchniowej grawitacji i odwrotnie proporcjonalna do jej masy.

	DS: Te obliczenia dowodziły, że czarna dziura nie musi być jednokierunkową drogą w ślepy zaułek. Nic dziwnego, że postulowane przez tę teorię promieniowanie zostało nazwane promieniowaniem Hawkinga. 

	Matematyczne dowody, że czarne dziury emitują promieniowanie termiczne, zostały później potwierdzone przez kilka innych osób stosujących różne podejścia. Jedno z możliwych wyjaśnień natury tego promieniowania brzmi następująco: mechanika kwantowa dowodzi, że pusta przestrzeń jest w istocie wypełniona przez pary wirtualnych cząstek i antycząstek, które nieustannie parami materializują się, rozdzielają, a następnie ponownie spotykają i wzajemnie anihilują.

	DS: Ta koncepcja opiera się na idei, według której przestrzeń nigdy nie jest całkowicie pusta. Zgodnie z zasadą nieoznaczoności zawsze istnieje szansa, że cząstki mogą się pojawiać na bardzo krótki okres. Zawsze pojawiają się i znikają parami, a w każdej parze oba elementy mają przeciwne charakterystyki.

	[image: ]

	Są to tak zwane cząstki wirtualne, ponieważ w odróżnieniu od cząstek realnych nie da się ich bezpośrednio zaobserwować. Pośrednie efekty ich istnienia mogą jednak zostać zaobserwowane i zmierzone. Istnienie cząstek wirtualnych zostało po raz pierwszy potwierdzone przez pomiar niewielkiego przesunięcia — zwanego przesunięciem Lamba — w widmie promieniowania atomów wodoru. Przyczyną przesunięcia Lamba jest obecność cząstek wirtualnych w sąsiedztwie tych atomów.

	I teraz, w obecności czarnej dziury jedna cząstka z wirtualnej pary może wpaść do czarnej dziury, pozostawiając drugą cząstkę bez partnera potrzebnego do wzajemnej anihilacji. Pozostawiona cząstka lub antycząstka może podążyć śladem partnera do czarnej dziury, lecz może także uciec do nieskończoności. W tym drugim przypadku cząstka będzie reprezentować promieniowanie, które rozchodzi się w przestrzeni tak, jakby było emitowane przez czarną dziurę.

	DS: Kluczowy w tym rozumowaniu jest fakt, że powstawanie i anihilacja cząstek wirtualnych zwykle zachodzi niepostrzeżenie, lecz gdy stanie się to dokładnie na krawędzi czarnej dziury, jedna cząstka z pary może zostać wciągnięta do środka, a druga pozostanie na zewnątrz. Ta druga będzie robić wrażenie, jakby została „wypluta” przez czarną dziurę. 

	Z czarnej dziury o masie Słońca cząstki wyciekają w tak niewielkich ilościach, że ich wykrycie wydaje się niemożliwe. Mogą jednak istnieć znacznie mniejsze czarne dziury mini, na przykład o masie pojedynczej góry. Czarna dziura o masie góry emitowałaby promienie X oraz gamma o mocy około dziesięciu milionów megawatów, co pokryłoby zapotrzebowanie naszego globu na energię elektryczną. Ujarzmienie czarnej dziury mini nie byłoby jednak takie łatwe. Nie można jej umieścić w elektrowni, ponieważ przebiłaby podłogę i wylądowałaby w środku Ziemi. Gdybyśmy mieli taką czarną dziurę, prawdopodobnie jedynym sposobem, aby ją utrzymać, byłoby umieszczenie jej na orbicie wokółziemskiej.

	[image: ]

	Poszukiwania czarnych dziur mini o takiej masie trwają od jakiegoś czasu, lecz jak dotąd nie znaleźliśmy ani jednej. Wielka szkoda, gdyż takie odkrycie zapewniłoby mi Nagrodę Nobla! Istnieje jednak inna możliwość — stworzenie czarnych dziur mikro w dodatkowych wymiarach czasoprzestrzeni.

	DS: Te „dodatkowe wymiary” wykraczają poza trzy wymiary przestrzeni, z którymi jesteśmy oswojeni w naszym codziennym życiu, oraz poza czwarty wymiar — czas. Koncepcja dodatkowych wymiarów pojawiła się w ramach prób wyjaśnienia, dlaczego grawitacja jest znacznie słabszą siłą niż inne oddziaływania, na przykład magnetyzm. Być może grawitacja musi działać w tych dodatkowych, równoległych wymiarach.

	W ramach niektórych teorii wszechświat, w którym żyjemy, jest tylko czterowymiarową płaszczyzną w dziesięcio- lub jedenastowymiarowej przestrzeni. Pewną próbę ukazania, jak mogłoby to wyglądać, daje film Interstellar. Nie widzielibyśmy tych dodatkowych wymiarów, ponieważ światło rozchodzi się tylko w czterech wymiarach naszego wszechświata, lecz grawitacja działa we wszystkich wymiarach. Co więcej, w tych dodatkowych wymiarach jest silniejsza niż w naszym wszechświecie, dzięki czemu małe czarne dziury mogłyby łatwiej powstawać w dodatkowych wymiarach. Możemy je zaobserwować w LHC (Large Hadron Collider — Wielki Zderzacz Hadronów) w Europejskiej organizacji Badań Jądrowych (European Organization for Nuclear Research) w Szwajcarii. Głównym elementem akceleratora w CERN-ie jest tunel w kształcie torusa o długości około 27 kilometrów. Dwie wiązki cząstek okrążają ten tunel w przeciwnych kierunkach i w pewnym momencie się zderzają. W trakcie tych zderzeń mogą powstać czarne dziury mikro. Łatwo będzie je zaobserwować, ponieważ czarne dziury emitują cząstki w dość charakterystyczny sposób. Dzięki temu mógłbym jednak dostać Nagrodę Nobla!

	[image: ]

	DS: Nagroda Nobla z fizyki jest przyznawana, gdy teoria wytrzyma „próbę czasu”, co w praktyce oznacza potwierdzenie przez twarde dowody. Na przykład Peter Higgs był jednym z kilku naukowców, którzy w latach sześćdziesiątych wysunęli hipotezę, zgodnie z którą pewna nieznana wówczas cząstka jest odpowiedzialna za to, że inne cząstki mają masę. Niemal pięćdziesiąt lat później dwa różne detektory w Wielkim Zderzaczu Hadronów zarejestrowały ślady czegoś, co zostało nazwane bozonem Higgsa. Był to wspólny triumf nauki, inżynierii, pięknej teorii oraz ciężkiej pracy przy zdobywaniu dowodów. W rezultacie Peter Higgs oraz belgijski fizyk, François Englert, otrzymali wspólnie Nagrodę Nobla. Dotychczas nie odkryto fizycznych dowodów na istnienie promieniowania Hawkinga i niektórzy naukowcy sugerują, że jego detekcja nie będzie możliwa. Wraz z postępami badań nad czarnymi dziurami odkrywamy coraz więcej szczegółów i któregoś dnia może się pojawić także dowód na istnienie promieniowania Hawkinga.

	Gdy czarna dziura emituje cząstki, jej masa się zmniejsza, czarna dziura się kurczy i wzrasta tempo emisji cząstek. W końcu czarna dziura straci całą masę i zniknie. Co stanie się z tymi cząstkami i pechowymi astronautami, którzy wpadli do czarnej dziury? Nie mogą się powtórnie pojawić po zniknięciu czarnej dziury. Wydaje się, że informacja o wszystkim, co wpadło do środka, jest bezpowrotnie tracona, z wyjątkiem masy, momentu pędu i ładunku elektrycznego. Jeżeli informacja rzeczywiście jest stracona, to pojawia się poważny problem u samych podstaw naszego rozumienia nauki.

	Przez ponad dwieście lat wierzyliśmy w naukowy determinizm, czyli zasadę, zgodnie z którą ewolucją wszechświata rządzą prawa przyrody. Tę zasadę po raz pierwszy sformułował Pierre Simon de Laplace, który stwierdził, że gdybyśmy poznali stan wszechświata w jednej określonej chwili, to moglibyśmy go obliczyć zarówno w przyszłości, jak i w przeszłości, ponieważ prawa przyrody determinują ten stan we wszystkich późniejszych i wcześniejszych chwilach. Mówi się, że Napoleon zapytał Laplace’a, jaką rolę w tym scenariuszu odgrywa Bóg, na co Laplace odpowiedział: „Sire, ta hipoteza nie jest mi potrzebna”. Nie sądzę, aby Laplace twierdził, że Bóg nie istnieje, lecz jedynie, że Bóg nie interweniuje w funkcjonowanie wszechświata i nie łamie praw przyrody. Takie stanowisko musi przyjąć każdy naukowiec. Prawo przyrody nie byłoby prawem przyrody, gdyby miało obowiązywać tylko wtedy, gdy jakaś nadprzyrodzona istota pozwala mu działać i nie interweniuje.

	Przewidywanie przyszłości w determinizmie Laplace’a wymagało znajomości położeń i prędkości wszystkich cząstek w danej chwili. Musimy jednak wziąć również pod uwagę jedną z głównych reguł mechaniki kwantowej, zasadę nieoznaczoności, sformułowaną w 1923 roku przez Heisenberga.

	Zasada nieoznaczoności mówi, że im lepiej znasz położenia cząstek, tym mniej dokładnie znasz ich prędkości, i vice versa. Innymi słowy, nie możesz dokładnie znać zarówno położeń, jak i prędkości. Jak zatem możesz przewidzieć przyszłość? Na gruncie mechaniki kwantowej nie można oddzielnie przewidzieć prędkości i położeń, lecz można przewidzieć tak zwany stan kwantowy. Znajomość stanu kwantowego pozwala z pewną dokładnością obliczyć zarówno prędkości, jak i położenia. Zatem nadal oczekujemy, że wszechświat jest deterministyczny w takim sensie, że jeżeli znamy stan wszechświata w jednej chwili, to prawa przyrody powinny umożliwić przewidywanie tego stanu w dowolnej chwili w przyszłości lub w przeszłości.

	DS: Próby wyjaśnienia zjawisk, które zachodzą na horyzoncie zdarzeń, rozwinęły się w rozważania najbardziej ważkich filozoficznych kwestii w nauce — od mechanicznego świata Newtona, po determinizm Laplace’a i zasadę nieokreśloności Heisenberga — aż po wyzwania, jakie pojawiają się przy odkrywaniu niektórych tajemnic czarnych dziur. Zgodnie z ogólną teorią względności Einsteina informacja wewnątrz czarnej dziury ulega zniszczeniu, natomiast teoria kwantowa mówi, że informacja nie może ulec zniszczeniu.

	[image: ]

	Gdyby informacja ginęła w czarnych dziurach, nie moglibyśmy przewidywać przyszłości, ponieważ czarna dziura mogłaby wypromieniować dowolny zbiór cząstek. Mogłaby wyemitować działający telewizor albo oprawiony w skórę komplet dzieł Szekspira, aczkolwiek prawdopodobieństwo emisji tak egzotycznych struktur jest bardzo małe. Może się wydawać, że nie ma wielkiego znaczenia, co emitują czarne dziury. Przecież nie ma ich nigdzie w pobliżu. Chodzi jednak o zasadę.

	Jeżeli determinizm, czyli przewidywalność wszechświata może się załamać w czarnych dziurach, to może także załamać się w innych sytuacjach. Co gorsza, jeżeli determinizm nie obowiązuje, to nie możemy również być pewni swojej przeszłości. Książki historyczne i nasza własna pamięć mogą być zaledwie iluzjami. To nasza przeszłość mówi nam, kim jesteśmy, bez niej tracimy swoją tożsamość.

	Dlatego bardzo ważne jest zbadanie, czy informacja rzeczywiście ginie w czarnych dziurach, czy jednak — przynajmniej w zasadzie — da się ją odzyskać. Wielu naukowców czuło, że informacja nie powinna ginąć, lecz nikt nie umiał wskazać mechanizmu, który pozwalałby ją zachować. Dyskusje trwały wiele lat. W końcu udało mi się odkryć coś, co wydaje się odpowiedzią. Opiera się ona na idei Richarda Feynmana, zgodnie z którą zamiast jednej historii istnieje dużo różnych możliwych historii, z różnymi prawdopodobieństwami. W naszym przypadku są dwie wersje historii. W jednej jest czarna dziura, do której cząstki mogą wpadać, w drugiej wersji nie ma czarnej dziury.

	Rzecz polega na tym, że z zewnątrz nie można być pewnym, czy czarna dziura jest czy jej nie ma. Zawsze istnieje szansa, że jej nie ma. Ta ewentual­ność wystarcza, aby zachować informację, lecz informacja nie jest zwracana w użytecznej formie. Gdy spalisz encyklopedię, lecz zachowasz w całości popiół i dym, informacja nie będzie stracona, aczkolwiek będzie trudno ją odczytać. Kip ­Thorne i ja założyliśmy się z innym fizykiem, Johnem Preskillem, że informacja jednak jest w czarnych dziurach tracona. Gdy odkryłem, w jaki sposób informacja może być zachowana, poddałem się i wręczyłem Preskillowi encyklopedię. Może powinienem był ją spalić i dać mu popiół.

	DS: W całkowicie deterministycznym wszechświecie możesz — teoretycznie — spalić encyklopedię, a następnie zrekonstruować ją pod warunkiem, że znasz cechy oraz położenie każdego atomu w każdej cząsteczce atramentu oraz papieru i śledzisz je w trakcie całego procesu.

	Obecnie pracuję wraz z moim kolegą z Cambridge, Malcolmem Perrym, oraz z Andrew Stromingerem z Harvardu nad nową teorią opartą na matematycznej koncepcji supertranslacji. Naszym celem jest wyjaśnienie, w jaki sposób informacja jest odzyskiwana z czarnej dziury. Zgodnie z tą teorią informacja jest zakodowana w horyzoncie czarnej dziury. Ciąg dalszy niebawem!

	DS: Wkrótce po nagraniu wykładów im. Reitha profesor Hawking i jego koledzy opublikowali artykuł, w którym przedstawili matematyczny dowód, że informacja może być zapisana w horyzoncie zdarzeń. Teoria opiera się na transformacji informacji w dwuwymiarowy hologram w ramach matematycznej procedury zwanej supertranslacją. Artykuł, zatytułowany „Miękkie włosy czarnych dziur”, daje pewien wgląd w ezoteryczny język tej dziedziny — jak pokazuje streszczenie zamieszczone po tym wykładzie — i zarazem stanowi wyzwanie dla naukowców, którzy chcieliby go wyjaśnić.

	Czy to pozwala nam przypuszczać, że można wpaść do czarnej dziury i wyłonić się w innym wszechświecie? Taką możliwość sugeruje istnienie alternatywnych historii z czarnymi dziurami i bez nich. Gdyby czarna dziura była dostatecznie duża i gdyby wirowała, mogłaby stanowić przejście do innego wszechświata. Powrót do naszego wszechświata nie byłby jednak możliwy, więc nie zamierzam próbować, chociaż jestem miłośnikiem podróży kosmicznych.

	[image: ]

	DS: Jeżeli czarna dziura wiruje, jej wnętrze może nie zawierać osobliwości w zwykłym sensie, to znaczy punktu o nieskończenie wysokiej gęstości. Może natomiast zawierać osobliwość w kształcie pierścienia. To prowadzi do spekulacji, że możliwe jest nie tylko wpadanie do czarnych dziur, lecz także podróż przez czarne dziury, czyli opuszczenie znanego nam wszechświata. Stephen Hawking dodaje prowokacyjną konkluzję, że coś może istnieć po drugiej stronie.

	Stąd nasuwa się wniosek, że czarne dziury nie są aż tak czarne, jak nam się wydaje. Nie są wiecznymi więzieniami. Można się z nich wydostać zarówno w tym wszechświecie, jak i — być może — także w innym. Jeżeli zatem czujesz, że jesteś w czarnej dziurze, nie poddawaj się — zawsze jest jakieś wyjście!



	Miękkie włosy czarnych dziur

	Stephen Hawking*, Malcolm J. Perry*, iAndrew Strominger**

	* DAMTP, Centre for Mathematical Sciences, University of Cambridge, CB3 0WA UK

	** Center for the Fundamental Laws of Nature, Harvard University, Cambridge, MA 02138, USA

	STRESZCZENIE

	Niedawno wykazano, że symetrie supertranslacyjne BMS implikują nieskończoną liczbę praw zachowania dla grawitacyjnych teorii wczasoprzestrzeniach asymptotycznie płaskich. Prawa te wymagają, aby czarne dziury miały dużą liczbę miękkich (tzn. ozerowej energii) supertranslacyjnych włosów. Na podobnej zasadzie obecność pól Maxwella implikuje miękkie włosy elektryczne. Niniejszy artykuł podaje jawny opis miękkich włosów wkategoriach miękkich grawitonów lub fotonów na horyzoncie czarnej dziury, oraz dowodzi, że pełna informacja oich kwantowym stanie jest zapisana na holograficznej płycie na granicy horyzontu w przyszłości. Zasada zachowania ładunku została wykorzystana do sformułowania nieskończonej liczby dokładnych związków między produktami parowania czarnych dziur, które posiadają różne włosy, lecz poza tym są identyczne. Wdalszej części dowodzimy, że miękkie włosy przestrzennie zlokalizowane poniżej długości Plancka nie mogą być wzbudzone wfizycznie realizowalnym procesie, dając efektywną liczbę miękkich stopni swobody, proporcjonalną do pola powierzchni horyzontu wjednostkach Plancka.

	STEPHEN HAWKING jest uważany za jednego znajbardziej błyskotliwych fizyków teoretycznych od czasów Einsteina.

	W1963 roku, wwieku 21 lat, wtrakcie studiów doktoranckich na Uniwersytecie Cambridge, uStephena Hawkinga zdiagnozowano stwardnienie zanikowe boczne. Lekarze dawali mu dwa lata życia, lecz Hawking został błyskotliwym naukowcem, profesorem wCollegium Gonville &Caius, anastępnie przez trzydzieści lat był profesorem matematyki ifizyki teoretycznej na katedrze Lucasa, którą w1663 roku zajmował Newton. Profesor Hawking jest obecnie dyrektorem ds. badań wCentrum Kosmologii Teoretycznej na Uniwersytecie Cambridge. Otrzymał kilkanaście doktoratów honoris causa, aw1989roku został odznaczony orderem Towarzyszów Honoru; członek Królewskiego Towarzystwa wLondynie dla Rozszerzania Wiedzy oPrzyrodzie oraz US National Academy of Science. Jest autorem wielu bestsellerów, m.in. książek Wszechświat wskorupce orzecha, Ilustrowana teoria wszystkiego iJeszcze krótsza historia czasu. Mieszka wCambridge.

	DAVID SHUKMAN jest redaktorem naukowym BBC News, gdzie od 2003 roku zajmuje się kwestiami dotyczącymi nauki oraz środowiska. Jego reportaże dotyczyły między innymi ostatniego lotu amerykańskiego wahadłowca oraz odkryć Wielkiego Zderzacza Hadronów. David Shukman regularnie pojawia się na antenie BBC wprogramie „News at Ten”. Jest autorem trzech książek.


    
      [image: Okładka]
    



Stephen Hawking

Czarne dziury



Tytuł oryginału

Black Holes: The Reith Lectures



ISBN 978-83-65676-57-3



„Do Black Holes Have No Hair?” first broadcast by BBC Radio 4 on 26 January 2016.



„Black Holes Ain’t As Black As They Are Painted” first broadcast by BBC Radio 4 on 2 February 2016.



First published by arrangement with the BBC in Great Britain in 2016 by Bantam Books an imprint of Transworld Publishers



Copyright © Stephen Hawking 2016

All rights reserved



Copyright © for the Polish translation by Zysk i S-ka Wydawnictwo s.j., Poznań 2016



Stephen Hawking has asserted his right under the Copyright, Designs and Patents Act 1988 to be identified as the author of this work.



The animations and illustrations were produced by Cognitive (wearecognitive.com) for BBC Radio 4.

The BBC logo is a trade mark of the British Broadcasting Corporation and is used under licence.

BBC logo © BBC 2005



Redaktor

Zofia Domańska



Projekt okładki i stron tytułowych

Krzysztof Kibart www.designpartners.pl



Łamanie

Grzegorz Kalisiak



Wydanie 1 



Zysk i S-ka Wydawnictwo

ul. Wielka 10, 61-774 Poznań

tel. 61 853 27 51, 61 853 27 67

faks 61 852 63 26

dział handlowy, tel./faks 61 855 06 90

sklep@zysk.com.pl

www.zysk.com.pl




Wszelkie prawa zastrzeżone. Niniejszy plik jest objęty ochroną prawa autorskiego i zabezpieczony znakiem wodnym (watermark).



Uzyskany dostęp upoważnia wyłącznie do prywatnego użytku. Rozpowszechnianie całości lub fragmentu niniejszej publikacji w jakiejkolwiek postaci bez zgody właściciela praw jest zabronione.



Konwersję do wersji elektronicznej wykonano w Zysk i S-ka Wydawnictwo.




Spis treści


  Okładka



  Strona tytułowa



  Strona redakcyjna



  Wstęp



  Czy czarne dziury nie mają włosów



  Czarne dziury nie są aż tak czarne, jak się je przedstawia



  Miękkie włosy czarnych dziur



    
      [image: Strona tytułowa]
    



  Wstęp


  David Shukman


  Wszystko, co dotyczy Stephena Hawkinga, stanowi źródło fascynacji: dramat geniusza uwięzionego w bezwładnym ciele; próba uśmiechu na twarzy, którą tylko jeden mięsień jest zdolny poruszyć; charakterystyczny, komputerowy tembr głosu zapraszający do radości z odkryć i udziału w podróżach do najdziwniejszych zakątków wszechświata.


  Na przekór wszelkim przeciwnościom ta niezwykła osobowość przekroczyła zwykłe granice nauki. Jego książkę Krótka historia czasu sprzedano w oszałamiającej liczbie dziesięciu milionów egzemplarzy. Epizodyczne role w popularnych komediach, zaproszenia do Białego Domu, dobrze przyjęty biograficzny film ugruntowały jego pozycję celebryty. Osiągnął status najsłynniejszego naukowca naszych czasów, jeśli nie wszech czasów.


  W latach sześćdziesiątych, gdy zdiagnozowano u niego stwardnienie zanikowe boczne, lekarze dawali mu dwa lata życia. Ponad pół wieku później Hawking nadal prowadzi badania, pisze, podróżuje i regularnie pojawia się w mediach. Jego córka, Lucy, wyjaśniając tę zdumiewającą żywotność ojca, określa go jako osobę „niezmiernie upartą”.


  Czy to przez swoją chorobę, czy talent Hawking potrafił zawładnąć wyobraźnią swoich czytelników. Niedawno ostrzegał, że ludzkość sama na siebie sprowadzi serię katastrof za sprawą globalnego ocieplenia lub genetycznie zmodyfikowanego wirusa — artykuł na ten temat miał najwięcej czytelników w dniu, w którym się ukazał na stronie BBC.


  Okrutną ironią losu jest fakt, że osoba o takich talentach komunikacyjnych nie może prowadzić normalnej konwersacji. Aby przeprowadzić z nim wywiad, pytania trzeba wysłać z wyprzedzeniem. Kilka lat temu jego otoczenie uprzedzało mnie, żeby nie poruszać błahych tematów, ponieważ odpowiedzi nawet na najprostsze pytania wymagają niezmiernie długiego czasu. W nastroju podniecenia z racji bezpośredniego spotkania nie mogłem się jednak powstrzymać od pytania „Jak się masz?” — i musiałem w poczuciu winy czekać na odpowiedź. Miał się dobrze.


  W jego gabinecie w Cambridge tablica jest wypełniona równaniami. Językiem kosmologii jest wyrafinowana matematyka. Wyjątkowy wkład Stephena Hawkinga polega na tym, że udało mu się połączyć narzędzia matematyki służące do opisu diametralnie różnych obszarów nauki. Był pierwszym fizykiem, który badał ogrom czasoprzestrzeni, stosując metody fizyki subatomowej.


  Jego koledzy z tej niezmiernie złożonej dziedziny mogą się obawiać, że ich prace nigdy nie będą zrozumiałe dla ogółu, albowiem docieranie do szerszej publiczności to znak firmowy Hawkinga. W tegorocznych wykładach BBC im. Johna Reitha Hawking stanął na wysokości zadania, podsumowując swoje dokonania na temat czarnych dziur w dwóch piętnastominutowych wykładach. Aby pomóc czytelnikom, u których ciekawość walczy z nieśmiałością lub oczarowanych, lecz wystraszonych, dodałem swoje komentarze w kluczowych miejscach (w kursywie, sygnowane literami DS).



Czarne dziury - Stephen Hawking/Czarne dziury - Stephen Hawking.mobi
Czarne dziury - Stephen Hawking/Czarne dziury - Stephen Hawking.pdf




Stephen Hawking
Czarne dziury

Tytuł oryginału
Black Holes: The Reith Lectures

ISBN 978-83-65676-57-3

„Do Black Holes Have No Hair?” first broadcast by BBC Radio 4 on 26 January 2016.

„Black Holes Ain’t As Black As They Are Painted” first broadcast by BBC Radio 4 on 2
February 2016.

First published by arrangement with the BBC in Great Britain in 2016 by Bantam Books an
imprint of Transworld Publishers

Copyright © Stephen Hawking 2016
All rights reserved

Copyright © for the Polish translation by Zysk i S-ka Wydawnictwo s.j., Poznań 2016

Stephen Hawking has asserted his right under the Copyright, Designs and Patents Act 1988
to be identified as the author of this work.

The animations and illustrations were produced by Cognitive (wearecognitive.com) for
BBC Radio 4.
The BBC logo is a trade mark of the British Broadcasting Corporation and is used under
licence.
BBC logo © BBC 2005

Redaktor
Zofia Domańska

Projekt okładki i stron tytułowych
Krzysztof Kibart www.designpartners.pl

Łamanie
Grzegorz Kalisiak

Wydanie 1 

Zysk i S-ka Wydawnictwo
ul. Wielka 10, 61-774 Poznań



tel. 61 853 27 51, 61 853 27 67
faks 61 852 63 26
dział handlowy, tel./faks 61 855 06 90
sklep@zysk.com.pl
www.zysk.com.pl

Wszelkie prawa zastrzeżone. Niniejszy plik jest objęty ochroną prawa autorskiego i
zabezpieczony znakiem wodnym (watermark).

Uzyskany dostęp upoważnia wyłącznie do prywatnego użytku. Rozpowszechnianie całości
lub fragmentu niniejszej publikacji w jakiejkolwiek postaci bez zgody właściciela praw jest
zabronione.

Konwersję do wersji elektronicznej wykonano w Zysk i S-ka Wydawnictwo.

mailto:sklep@zysk.com.pl
http://www.zysk.com.pl


Spis treści
Okładka
Strona tytułowa
Strona redakcyjna
Wstęp
Czy czarne dziury nie mają włosów
Czarne dziury nie są aż tak czarne, jak się je przedstawia
Miękkie włosy czarnych dziur



W

Wstęp
David Shukman

szystko, co dotyczy Stephena Hawkinga, stanowi źródło fascynacji:
dramat geniusza uwięzionego w bezwładnym ciele; próba uśmiechu

na twarzy, którą tylko jeden mięsień jest zdolny poruszyć; charakterystyczny,
komputerowy tembr głosu zapraszający do radości z odkryć i udziału
w podróżach do najdziwniejszych zakątków wszechświata.

Na przekór wszelkim przeciwnościom ta niezwykła osobowość
przekroczyła zwykłe granice nauki. Jego książkę Krótka historia czasu
sprzedano w oszałamiającej liczbie dziesięciu milionów egzemplarzy.
Epizodyczne role w popularnych komediach, zaproszenia do Białego Domu,
dobrze przyjęty biograficzny film ugruntowały jego pozycję celebryty.
Osiągnął status najsłynniejszego naukowca naszych czasów, jeśli nie wszech
czasów.

W latach sześćdziesiątych, gdy zdiagnozowano u niego stwardnienie
zanikowe boczne, lekarze dawali mu dwa lata życia. Ponad pół wieku później
Hawking nadal prowadzi badania, pisze, podróżuje i regularnie pojawia się
w mediach. Jego córka, Lucy, wyjaśniając tę zdumiewającą żywotność ojca,
określa go jako osobę „niezmiernie upartą”.

Czy to przez swoją chorobę, czy talent Hawking potrafił zawładnąć
wyobraźnią swoich czytelników. Niedawno ostrzegał, że ludzkość sama na
siebie sprowadzi serię katastrof za sprawą globalnego ocieplenia lub
genetycznie zmodyfikowanego wirusa — artykuł na ten temat miał najwięcej
czytelników w dniu, w którym się ukazał na stronie BBC.

Okrutną ironią losu jest fakt, że osoba o takich talentach komunikacyjnych



nie może prowadzić normalnej konwersacji. Aby przeprowadzić z nim
wywiad, pytania trzeba wysłać z wyprzedzeniem. Kilka lat temu jego
otoczenie uprzedzało mnie, żeby nie poruszać błahych tematów, ponieważ
odpowiedzi nawet na najprostsze pytania wymagają niezmiernie długiego
czasu. W nastroju podniecenia z racji bezpośredniego spotkania nie mogłem
się jednak powstrzymać od pytania „Jak się masz?” — i musiałem
w poczuciu winy czekać na odpowiedź. Miał się dobrze.

W jego gabinecie w Cambridge tablica jest wypełniona równaniami.
Językiem kosmologii jest wyrafinowana matematyka. Wyjątkowy wkład
Stephena Hawkinga polega na tym, że udało mu się połączyć narzędzia
matematyki służące do opisu diametralnie różnych obszarów nauki. Był
pierwszym fizykiem, który badał ogrom czasoprzestrzeni, stosując metody
fizyki subatomowej.

Jego koledzy z tej niezmiernie złożonej dziedziny mogą się obawiać, że ich
prace nigdy nie będą zrozumiałe dla ogółu, albowiem docieranie do szerszej
publiczności to znak firmowy Hawkinga. W tegorocznych wykładach BBC
im. Johna Reitha Hawking stanął na wysokości zadania, podsumowując
swoje dokonania na temat czarnych dziur w dwóch piętnastominutowych
wykładach. Aby pomóc czytelnikom, u których ciekawość walczy
z nieśmiałością lub oczarowanych, lecz wystraszonych, dodałem swoje
komentarze w kluczowych miejscach (w kursywie, sygnowane literami DS).



Czy czarne dziury nie mają włosów
Wyemitowane przez BBC 26 stycznia 2016 roku



ówi się niekiedy, że fakty potrafią być dziwniejsze od fikcji. Nigdzie indziej



M to stwierdzenie nie jest tak trafne jak w odniesieniu do czarnych dziur.Czarne dziury są wprawdzie bardziej niezwykłe niż cokolwiek, co
autorzy literatury fantastycznonaukowej byli w stanie wymyślić, a jednak dla
nauki są równie realne jak gwiazdy i galaktyki. Społeczność naukowa dość
powoli uświadamiała sobie, że ciężkie gwiazdy mogą się zapadać pod
wpływem własnej grawitacji. Początkowo prawie nikt nie zastanawiał się, jak
mogą się zachowywać obiekty, które powstają w wyniku takiego kolapsu.
Nawet Albert Einstein napisał w 1939 roku artykuł, w którym dowodził, że
gwiazdy nie mogą się zapadać pod wpływem grawitacji, ponieważ materii
nie da się skompresować ponad pewną graniczną wartość. Wielu naukowców
podzielało opinię Einsteina. Jednym z nielicznych wyjątków był amerykański
fizyk, John Wheeler, który z różnych względów jest bohaterem historii
czarnych dziur. W pracach opublikowanych w latach pięćdziesiątych
i sześćdziesiątych Wheeler dowodził, że sporo gwiazd ostatecznie się
zapadnie, a także zwracał uwagę na problemy, jakie taka możliwość stwarza
dla fizyki teoretycznej. Przewidział także cechy, które mają obiekty powstałe
w wyniku takiego kolapsu, czyli czarne dziury.

DS: Samo określenie „czarna dziura” jest proste, lecz trudno wyobrazić

sobie taki obiekt w przestrzeni kosmicznej. Pewną analogię może stanowić

otwór, przez który woda wypływa z wanny. Gdy już raz przekroczy

granicę — w kosmologii zwaną horyzontem zdarzeń — nie ma dla niej

powrotu. Czarne dziury wciągają wszystko z taką mocą, że nawet światło

zostaje zassane, co powoduje, że czarnych dziur nie można zobaczyć.

Wiemy jednak, że one istnieją, ponieważ obserwujemy rozszarpywanie

gwiazd, które znalazły się zbyt blisko czarnej dziury. Potrafimy także wykryć

drgania przestrzeni wywołane przez zderzenia czarnych dziur. Takie

zderzenie, do którego doszło ponad miliard lat temu, wygenerowało



zarejestrowane niedawno „fale grawitacyjne” (detekcja fal stanowiła

ogromne osiągnięcie naukowe), co wywołało wielkie zainteresowanie

mediów na całym świecie.

W trakcie życia zwykłej gwiazdy przez wiele miliardów lat jej własnej
grawitacji przeciwdziała wewnętrzne ciśnienie termiczne. Ciepło generują



procesy jądrowe, które zamieniają wodór w hel.

DS: NASA porównuje gwiazdy do szybkowarów. Energia procesów

jądrowej fuzji zamieniona na ciepło generuje wewnętrzne ciśnienie, które

jest równoważone przez grawitację ściągającą wszystko do środka.

W końcu jednak gwiazda wyczerpie swoje jądrowe paliwo i zacznie się
kurczyć. W niektórych wypadkach może się to zakończyć na etapie zwanym
białym karłem. W latach trzydziestych Subrahmanyan Chandrasekhar
udowodnił, że maksymalna masa białego karła wynosi około 1,4 masy
Słońca. Dla gwiazdy zbudowanej wyłącznie z neutronów maksimum masy
wyliczył rosyjski fizyk, Lew Landau.

DS: Białe karły i gwiazdy neutronowe były kiedyś słońcami, lecz wypaliły

swoje paliwo. Pozbawione wewnętrznego ciśnienia nie mogły przeciwstawić

się grawitacji i w rezultacie stały się jednymi z najgęstszych obiektów we

wszechświecie, lecz w tabeli gwiezdnej ligi są jednymi z najmniejszych —

ich własna grawitacja jest zbyt słaba, aby mogły się całkowicie zapadać.

Dla Stephena Hawkinga i jego kolegów bardziej interesujące są najcięższe

gwiazdy, gdy dochodzą do kresu swojego żywota.

Co się zatem stanie z tymi niezliczonymi gwiazdami o masie większej od
masy białego karła i gwiazdy neutronowej, gdy wyczerpią swoje jądrowe
paliwo? Ten problem badał Robert Oppenheimer, późniejszy twórca bomby
atomowej. W serii artykułów opublikowanych w 1939 roku wspólnie
z George’em Volkoffem i Hartlandem Snyderem Oppenheimer udowodnił,
że taka gwiazda nie może być powstrzymana przed kolapsem przez
wewnętrzne ciśnienie. A jeżeli z rachunku usunie się ciśnienie, to
jednorodna, sferycznie symetryczna gwiazda ulegnie kontrakcji do



pojedynczego punktu o nieskończonej gęstości. Taki punkt nazywa się
osobliwością.



DS: Osobliwość to obiekt, który powstaje, gdy masywna gwiazda skurczy

się do niewyobrażalnie małego punktu. Koncepcja osobliwości stanowi

kanwę całej zawodowej kariery Stephena Hawkinga. Pojęcie to odnosi się

nie tylko do losów gwiazd, lecz także do znacznie bardziej fundamentalnej

idei dotyczącej powstania wszechświata. To matematyczne prace

Hawkinga o tym zagadnieniu przyniosły mu światowy rozgłos.

Wszystkie teorie przestrzeni, które zakładają, że czasoprzestrzeń jest
gładka i niemal płaska, załamują się w osobliwości, gdzie krzywizna
czasoprzestrzeni jest nieskończona. Osobliwość stanowi zarazem koniec
samego czasu, co skądinąd dla Einsteina było nie do przyjęcia.

DS: Ogólna teoria względności Einsteina mówi, że wszystkie obiekty

zakrzywiają czasoprzestrzeń wokół siebie. Wyobraź sobie kulę do kręgli

leżącą na środku trampoliny. Materiał trampoliny ugina się pod wpływem

ciężaru kuli, co powoduje, że mniejsze obiekty staczają się do środka.

W analogiczny sposób można wyjaśnić zakrzywienie czasoprzestrzeni

przez grawitację. Lecz gdy krzywe w czasoprzestrzeni zakrzywiają się

coraz głębiej, aż w końcu stają się nieskończone, zwykłe reguły

czasoprzestrzeni przestają działać.

Wtedy wybuchła druga wojna światowa. Większość fizyków, łącznie
z Oppenheimerem, zajęła się fizyką jądrową, a kwestia grawitacyjnego
kolapsu została na jakiś czas zapomniana. Powróciła wraz z odkryciem
kwazarów.

DS: Kwazary to najjaśniejsze obiekty we wszechświecie i być może także

najodleglejsze z dotychczas zaobserwowanych ciał niebieskich. Nazwa

stanowi skrót określenia „quasi-stellar radio source” (quasi-gwiazdowe



źródło radiowe). Obecnie uważa się, że są to dyski materii krążące wokół

czarnych dziur.

Pierwszy kwazar, 3C273, odkryto w 1963 roku. Wkrótce potem odkryto
wiele innych. Mimo ogromnych odległości są bardzo jasne. Za ich
promieniowanie nie mogą być odpowiedzialne procesy jądrowe, ponieważ
przekształcają one w energię tylko niewielką część całkowitej masy źródła.
Jedyną alternatywę stanowi energia grawitacyjna uwalniana przez
grawitacyjny kolaps. W taki sposób zostały odkryte grawitacyjne kolapsy
gwiazd.

Już wtedy było wiadomo, że jednorodna, sferycznie symetryczna gwiazda
ulega kontrakcji do punktu o nieskończonej gęstości, czyli do osobliwości.
Równania Einsteina nie obowiązują w osobliwości. Oznacza to, że w punkcie
o nieskończonej gęstości nie można przewidzieć przyszłości, a to z kolei
oznacza, że dzieje się coś dziwnego, gdy gwiazda się zapada. Przewidywanie
przyszłości nie uległoby załamaniu, gdyby osobliwości były nagie, czyli
gdyby nie były osłonięte z zewnątrz.

DS: „Naga” osobliwość to teoretyczny scenariusz, w którym gwiazda się

zapada, lecz wokół niej nie powstaje horyzont zdarzeń, czyli osobliwość jest

widoczna z zewnątrz.

Gdy John Wheeler wprowadził w 1967 roku określenie „czarna dziura”,
zastąpiło ono wcześniejszą nazwę „zamrożona gwiazda”. Sformułowanie
Wheelera podkreśla fakt, że obiekt, który istnieje po zapadnięciu gwiazdy,
sam w sobie jest interesujący, niezależnie od tego, w jaki sposób powstał.
Nowa nazwa, sugerująca coś ciemnego i tajemniczego, szybko się przyjęła.
Jednak Francuzi, jak to Francuzi, dostrzegając pewną ryzykowną
dwuznaczność, przez lata wystrzegali się (obscenicznej w ich języku) nazwy



trou noir, lecz w końcu musieli ulec, podobnie jak ulegli przy le weekend
oraz wielu innych wyrażeniach z kategorii franglais. Kto nie uległby takiej
pięknej nazwie?





Z zewnątrz nic nie widać. Możesz do czarnej dziury wrzucić telewizor,
pierścionek z brylantem, a nawet twoich największych wrogów, a jedyne, co
będzie ona pamiętać, to całkowitą masę, moment pędu oraz ładunek
elektryczny.

John Wheeler sformułował tę zasadę, stwierdzając, że „czarna dziura nie
ma włosów”. Dla Francuzów było to ostateczne potwierdzenie ich podejrzeń.

Czarna dziura ma granicę zwaną horyzontem zdarzeń. To właśnie tam
grawitacja staje się na tyle silna, że wciąga światło i uniemożliwia mu
ucieczkę. A ponieważ nic nie może podróżować szybciej od światła, więc
wszystkie inne obiekty także będą wciągane. Przekroczenie horyzontu
zdarzeń przypomina trochę dopłynięcie kajakiem do wodospadu Niagara.
Dopóki jesteś powyżej wodospadu, możesz uciec, jeśli potrafisz dostatecznie
szybko wiosłować, ale gdy przekroczysz krawędź, jesteś zgubiony. Nie masz
drogi odwrotu. A gdy zbliżasz się do krawędzi, prąd wody przyspiesza.
Oznacza to, że przód kajaka jest ciągnięty nieco szybciej niż tył. Istnieje
ryzyko, że kajak może zostać rozerwany. Tak samo jest w sąsiedztwie
czarnej dziury. Jeżeli spadasz w kierunku czarnej dziury nogami do przodu,
grawitacja ciągnie mocniej twoje nogi, a słabiej twoją głowę, ponieważ nogi
są bliżej czarnej dziury. W rezultacie zostaniesz rozciągnięty wzdłuż ciała
i ściśnięty w poprzek. Jeżeli czarna dziura ma masę kilka razy większą od
masy naszego Słońca, zostaniesz zamieniony w spaghetti, zanim osiągniesz
horyzont. Jeżeli jednak będziesz się poruszać w kierunku znacznie większej
czarnej dziury, o masie kilku milionów masy Słońca, bez przeszkód dotrzesz
do samego horyzontu. Jeżeli zatem masz zamiar badać wnętrze czarnych
dziur, wybierz jakiś duży egzemplarz. W centrum naszej Galaktyki, Drogi
Mlecznej, znajduje się czarna dziura o masie około czterech milionów masy
Słońca.



DS: Naukowcy sądzą, że w środku niemal każdej galaktyki znajduje się

olbrzymia czarna dziura — to odważna teza, wziąwszy pod uwagę, że

istnienie czarnych dziur zostało potwierdzone niedawno.



Wpadając do czarnej dziury, sam nie zauważysz nic szczególnego, lecz
ktoś obserwujący cię z zewnątrz nigdy nie zobaczy, że przekraczasz horyzont



zdarzeń. Będziesz widziany jakbyś coraz bardziej zwalniał i unosił się tuż
nad horyzontem. Twój obraz będzie coraz słabszy i coraz bardziej czerwony,
aż w końcu stopniowo przestanie być widoczny. Z punktu widzenia świata
zewnętrznego będziesz stracony na zawsze.

DS: Światło nie może uciec z czarnej dziury, więc nikt z zewnątrz nie może

zobaczyć, jak przekraczasz horyzont. W próżni nikt nie usłyszy twojego

krzyku, a w czarnej dziurze nikt nie zobaczy, jak znikasz.

Ogromny postęp w naszym rozumieniu tych tajemniczych zjawisk nastąpił
za sprawą matematycznego odkrycia z 1970 roku. Pole powierzchni
horyzontu zdarzeń, czyli granicznej strefy wokół czarnej dziury, ma taką
właściwość, że powiększa się za każdym razem, gdy materia lub
promieniowanie wpada do czarnej dziury. Ta właściwość wskazuje, że
istnieje związek między polem powierzchni horyzontu zdarzeń czarnej dziury
a konwencjonalną Newtonowską fizyką, a konkretnie entropią, czyli
pojęciem z zakresu termodynamiki. Entropia może być uważana za miarę
nieporządku układu lub — równoważnie — za brak wiedzy o stanie układu.
Słynne drugie twierdzenie termodynamiki mówi, że entropia zawsze rośnie
w czasie. Odkrycie z 1970 roku stanowiło pierwszą wskazówkę co do tego
kluczowego związku.

DS: Entropia oznacza tendencję uporządkowanego układu do

przechodzenia w układ bardziej nieuporządkowany wraz z upływem

czasu — na przykład równo ułożone cegły tworzące mur (niska entropia)

z czasem zamienią się w nieuporządkowany stos gruzu (wysoka entropia).

Ten proces opisuje drugie twierdzenie termodynamiki.





Związek między entropią i polem powierzchni horyzontu zdarzeń był
widoczny, lecz nie było dla nas oczywiste, w jaki sposób pole powierzchni
może być utożsamiane z entropią samej czarnej dziury. Czym jest entropia
czarnej dziury? Kluczowa sugestia, którą wysunął w 1972 roku Jacob
Bekenstein, doktorant na uniwersytecie Princeton (później przeniósł się na
Uniwersytet Hebrajski w Jerozolimie), brzmi mniej więcej tak: gdy czarna
dziura powstaje w wyniku grawitacyjnego kolapsu, bardzo szybko osiąga
stacjonarny stan, który opisują tylko trzy parametry — masa, moment pędu
(stan wirowania) i ładunek elektryczny. Oprócz tych trzech właściwości
czarna dziura nie zachowuje żadnych innych szczegółów ani cech obiektu,
z którego powstała.

To twierdzenie ma pewne implikacje dotyczące informacji
w kosmologicznym sensie pojęcia informacji, a mianowicie w takim, że
każda cząstka i każda siła we wszechświecie zawiera odpowiedź na pytanie
typu tak/nie.

DS: W tym kontekście informacja oznacza wszystkie szczegóły każdej

cząstki i każdej siły związanej z danym obiektem. Im bardziej obiekt jest

nieuporządkowany — czyli ma wyższą entropię — tym więcej trzeba

informacji, aby go opisać. Jak ujął to fizyk i popularyzator nauki, Jim Al-

Khalili, dobrze potasowana talia kart ma większą entropię niż talia

niepotasowana, a zatem jej opis wymaga więcej wyjaśnień, czyli więcej

informacji.

Twierdzenie Bekensteina oznacza, że ogromna ilość informacji ginie
w wyniku grawitacyjnego kolapsu. Na przykład końcowy stan czarnej dziury
nie zależy od tego, czy ciało, które uległo kolapsowi, było zbudowane



z materii czy antymaterii, miało nieregularny kształt czy było kulą. Innymi
słowy, czarna dziura o określonej masie, momencie pędu i ładunku
elektrycznym mogła powstać w wyniku kolapsu jednej z bardzo wielu
różnych konfiguracji materii, łącznie z dużą liczbą różnych typów gwiazd.
W istocie, gdyby pominąć efekty kwantowe, liczba potencjalnych
konfiguracji byłaby nieskończona, gdyż czarna dziura mogłaby powstać
z dowolnie dużej liczby cząstek o odpowiednio małej masie. Czy jednak
liczba konfiguracji może rzeczywiście być nieskończona? W tej kwestii
interweniuje mechanika kwantowa.



Zasada nieoznaczoności mechaniki kwantowej mówi, że tylko cząstki
o długości fali mniejszej od czarnej dziury mogą utworzyć czarną dziurę.
Oznacza to, że zakres potencjalnych długości fal jest ograniczony, zatem nie
może być nieskończony.



DS: Zasada nieoznaczoności odkryta w latach dwudziestych przez

niemieckiego fizyka, Wernera Heisenberga, stwierdza, że nigdy nie można

precyzyjnie określić ani przewidzieć dokładnego położenia najmniejszych

cząstek. W tak zwanej kwantowej skali świat jest nieco rozmyty, w wyraźnej

opozycji do ściśle uporządkowanego świata stworzonego przez Isaaca

Newtona.

Okazuje się zatem, że liczba konfiguracji materii, z których mogłaby
powstać czarna dziura o określonej masie, momencie pędu i ładunku
elektrycznym, może także być skończona.

Jacob Bekenstein wysunął sugestię, że z tej skończonej liczby można by
wyprowadzić entropię czarnej dziury. Byłaby to miara ilości informacji
bezpowrotnie straconej w trakcie kolapsu, gdy powstała czarna dziura.

Sugestia Bekensteina miała jedną fatalną (pozornie) cechę: jeżeli czarna
dziura ma skończoną entropię, która jest proporcjonalna do pola powierzchni
jej horyzontu zdarzeń, to powinna mieć także skończoną temperaturę
proporcjonalną do powierzchniowej grawitacji. A to z kolei powoduje, że
czarna dziura powinna być w równowadze z promieniowaniem termicznym
w pewnej różnej od zera temperaturze. Jednak w klasycznej fizyce taka
równowaga jest niemożliwa, ponieważ czarna dziura pochłania wszelkie
promieniowanie (także termiczne), które do niej dociera, lecz z definicji nie
emituje niczego w zamian. Czarna dziura niczego nie emituje, nie może
zatem emitować ciepła.

DS: Jeżeli informacja ginie, co najwyraźniej zachodzi przy powstawaniu

czarnej dziury, to powinna zostać uwolniona pewna ilość energii, co jednak

nie jest możliwe w ramach teorii, która mówi, że nic nie wychodzi z czarnej

dziury.



I oto mamy paradoks. Wrócimy do niego w moim następnym wykładzie,
w którym będę się starał pokazać, że sam fakt istnienia czarnych dziur
kwestionuje najbardziej podstawową zasadę dotyczącą przewidywalności
wszechświata oraz niepodważalności historii. Powrócimy także do pytania,
co by się stało, gdybyś został wciągnięty przez czarną dziurę.

DS: Stephen Hawking zabrał nas w naukową podróż: od twierdzenia

Einsteina, że gwiazdy nie mogą się zapadać, przez akceptację istnienia

czarnych dziur, aż po kolizję teorii wobec istnienia i funkcjonowania

niektórych dziwacznych cech czarnych dziur.



Czarne dziury nie są aż tak czarne, jak
się je przedstawia

Wyemitowane przez BBC 2 lutego 2016 roku

poprzednim wykładzie pozostawiłem słuchaczy w napięciu, z paradoksem



Wdotyczącym natury czarnych dziur — niezmiernie gęstych obiektów, którepowstają w wyniku kolapsu gwiazd. Jedna teoria sugeruje, że czarne
dziury o identycznych właściwościach mogą powstawać z nieskończonej
liczby różnych typów gwiazd. Inna teoria dowodzi, że liczba możliwych
typów jest skończona. Jest to problem informacji, czyli idei, zgodnie z którą
każda cząstka i każda siła we wszechświecie zawiera odpowiedź na pytanie
typu tak/nie.

Jak stwierdził John Wheeler, „czarne dziury nie mają włosów”, więc nie
można z zewnątrz stwierdzić, co się znajduje wewnątrz czarnej dziury,
można jedynie poznać jej masę, moment pędu i ładunek elektryczny.
Oznacza to, że czarna dziura zawiera mnóstwo informacji, które są ukryte,
niewidoczne dla zewnętrznego świata. Jeżeli ilość informacji ukrytej
wewnątrz czarnej dziury zależy od jej rozmiarów, to z ogólnych zasad można
wnioskować, że powinna mieć temperaturę i świecić jak rozgrzana metalowa
kula. Jednak jest to niemożliwe, ponieważ, jak wszystkim wiadomo, nic nie
może się wydostać z czarnej dziury. W każdym razie tak się wszystkim
wydawało.

Ten paradoks utrzymywał się do początków 1974 roku, gdy zacząłem
badać zachowanie materii w sąsiedztwie czarnej dziury z perspektywy
mechaniki kwantowej.

DS: Mechanika kwantowa jest dziedziną fizyki, która rządzi mikroświatem

i opisuje zachowanie ekstremalnie małych obiektów. Cząstki elementarne

nie podlegają takim samym prawom jak znacznie większe obiekty, na

przykład planety. Prawa rządzące zachowaniem planet odkrył Isaac

Newton. Zastosowanie praw rządzących zachowaniem bardzo małych

cząstek do badania bardzo dużych obiektów było jednym z pionierskich

osiągnięć Stephena Hawkinga.



Ku mojemu wielkiemu zaskoczeniu przekonałem się, że czarna dziura
emituje cząstki w równomiernym tempie. Podobnie jak wszyscy w owym
czasie akceptowałem zasadę, że czarna dziura nie może niczego emitować,
więc bardzo się starałem, aby usunąć ten kłopotliwy efekt. Im więcej jednak
o tym rozmyślałem, tym bardziej nie mogłem się go pozbyć, aż w końcu
musiałem zaakceptować fakt, że jest to realny fizyczny proces. Ostatecznie
przekonało mnie odkrycie, że długości fal emitowanych cząstek są ściśle
termiczne. Moje obliczenia wskazywały, że czarna dziura kreuje i emituje
cząstki oraz promieniowanie dokładnie w taki sposób, jakby była zwykłym
gorącym ciałem, którego temperatura jest proporcjonalna do
powierzchniowej grawitacji i odwrotnie proporcjonalna do jej masy.

DS: Te obliczenia dowodziły, że czarna dziura nie musi być

jednokierunkową drogą w ślepy zaułek. Nic dziwnego, że postulowane

przez tę teorię promieniowanie zostało nazwane promieniowaniem

Hawkinga.

Matematyczne dowody, że czarne dziury emitują promieniowanie
termiczne, zostały później potwierdzone przez kilka innych osób stosujących
różne podejścia. Jedno z możliwych wyjaśnień natury tego promieniowania
brzmi następująco: mechanika kwantowa dowodzi, że pusta przestrzeń jest
w istocie wypełniona przez pary wirtualnych cząstek i antycząstek, które
nieustannie parami materializują się, rozdzielają, a następnie ponownie
spotykają i wzajemnie anihilują.

DS: Ta koncepcja opiera się na idei, według której przestrzeń nigdy nie jest

całkowicie pusta. Zgodnie z zasadą nieoznaczoności zawsze istnieje

szansa, że cząstki mogą się pojawiać na bardzo krótki okres. Zawsze

pojawiają się i znikają parami, a w każdej parze oba elementy mają



przeciwne charakterystyki.





Są to tak zwane cząstki wirtualne, ponieważ w odróżnieniu od cząstek
realnych nie da się ich bezpośrednio zaobserwować. Pośrednie efekty ich
istnienia mogą jednak zostać zaobserwowane i zmierzone. Istnienie cząstek
wirtualnych zostało po raz pierwszy potwierdzone przez pomiar niewielkiego
przesunięcia — zwanego przesunięciem Lamba — w widmie
promieniowania atomów wodoru. Przyczyną przesunięcia Lamba jest
obecność cząstek wirtualnych w sąsiedztwie tych atomów.

I teraz, w obecności czarnej dziury jedna cząstka z wirtualnej pary może
wpaść do czarnej dziury, pozostawiając drugą cząstkę bez partnera
potrzebnego do wzajemnej anihilacji. Pozostawiona cząstka lub antycząstka
może podążyć śladem partnera do czarnej dziury, lecz może także uciec do
nieskończoności. W tym drugim przypadku cząstka będzie reprezentować
promieniowanie, które rozchodzi się w przestrzeni tak, jakby było emitowane
przez czarną dziurę.

DS: Kluczowy w tym rozumowaniu jest fakt, że powstawanie i anihilacja

cząstek wirtualnych zwykle zachodzi niepostrzeżenie, lecz gdy stanie się to

dokładnie na krawędzi czarnej dziury, jedna cząstka z pary może zostać

wciągnięta do środka, a druga pozostanie na zewnątrz. Ta druga będzie

robić wrażenie, jakby została „wypluta” przez czarną dziurę.

Z czarnej dziury o masie Słońca cząstki wyciekają w tak niewielkich
ilościach, że ich wykrycie wydaje się niemożliwe. Mogą jednak istnieć
znacznie mniejsze czarne dziury mini, na przykład o masie pojedynczej góry.
Czarna dziura o masie góry emitowałaby promienie X oraz gamma o mocy
około dziesięciu milionów megawatów, co pokryłoby zapotrzebowanie
naszego globu na energię elektryczną. Ujarzmienie czarnej dziury mini nie
byłoby jednak takie łatwe. Nie można jej umieścić w elektrowni, ponieważ
przebiłaby podłogę i wylądowałaby w środku Ziemi. Gdybyśmy mieli taką



czarną dziurę, prawdopodobnie jedynym sposobem, aby ją utrzymać, byłoby
umieszczenie jej na orbicie wokółziemskiej.



Poszukiwania czarnych dziur mini o takiej masie trwają od jakiegoś czasu,
lecz jak dotąd nie znaleźliśmy ani jednej. Wielka szkoda, gdyż takie odkrycie
zapewniłoby mi Nagrodę Nobla! Istnieje jednak inna możliwość —
stworzenie czarnych dziur mikro w dodatkowych wymiarach
czasoprzestrzeni.

DS: Te „dodatkowe wymiary” wykraczają poza trzy wymiary przestrzeni,

z którymi jesteśmy oswojeni w naszym codziennym życiu, oraz poza

czwarty wymiar — czas. Koncepcja dodatkowych wymiarów pojawiła się

w ramach prób wyjaśnienia, dlaczego grawitacja jest znacznie słabszą siłą

niż inne oddziaływania, na przykład magnetyzm. Być może grawitacja musi

działać w tych dodatkowych, równoległych wymiarach.

W ramach niektórych teorii wszechświat, w którym żyjemy, jest tylko
czterowymiarową płaszczyzną w dziesięcio- lub jedenastowymiarowej
przestrzeni. Pewną próbę ukazania, jak mogłoby to wyglądać, daje film
Interstellar. Nie widzielibyśmy tych dodatkowych wymiarów, ponieważ
światło rozchodzi się tylko w czterech wymiarach naszego wszechświata,
lecz grawitacja działa we wszystkich wymiarach. Co więcej, w tych
dodatkowych wymiarach jest silniejsza niż w naszym wszechświecie, dzięki
czemu małe czarne dziury mogłyby łatwiej powstawać w dodatkowych
wymiarach. Możemy je zaobserwować w LHC (Large Hadron Collider —
Wielki Zderzacz Hadronów) w Europejskiej organizacji Badań Jądrowych
(European Organization for Nuclear Research) w Szwajcarii. Głównym
elementem akceleratora w CERN-ie jest tunel w kształcie torusa o długości
około 27 kilometrów. Dwie wiązki cząstek okrążają ten tunel w przeciwnych
kierunkach i w pewnym momencie się zderzają. W trakcie tych zderzeń mogą
powstać czarne dziury mikro. Łatwo będzie je zaobserwować, ponieważ
czarne dziury emitują cząstki w dość charakterystyczny sposób. Dzięki temu



mógłbym jednak dostać Nagrodę Nobla!

DS: Nagroda Nobla z fizyki jest przyznawana, gdy teoria wytrzyma „próbę



czasu”, co w praktyce oznacza potwierdzenie przez twarde dowody. Na

przykład Peter Higgs był jednym z kilku naukowców, którzy w latach

sześćdziesiątych wysunęli hipotezę, zgodnie z którą pewna nieznana

wówczas cząstka jest odpowiedzialna za to, że inne cząstki mają masę.

Niemal pięćdziesiąt lat później dwa różne detektory w Wielkim Zderzaczu

Hadronów zarejestrowały ślady czegoś, co zostało nazwane bozonem

Higgsa. Był to wspólny triumf nauki, inżynierii, pięknej teorii oraz ciężkiej

pracy przy zdobywaniu dowodów. W rezultacie Peter Higgs oraz belgijski

fizyk, François Englert, otrzymali wspólnie Nagrodę Nobla. Dotychczas nie

odkryto fizycznych dowodów na istnienie promieniowania Hawkinga

i niektórzy naukowcy sugerują, że jego detekcja nie będzie możliwa. Wraz

z postępami badań nad czarnymi dziurami odkrywamy coraz więcej

szczegółów i któregoś dnia może się pojawić także dowód na istnienie

promieniowania Hawkinga.

Gdy czarna dziura emituje cząstki, jej masa się zmniejsza, czarna dziura
się kurczy i wzrasta tempo emisji cząstek. W końcu czarna dziura straci całą
masę i zniknie. Co stanie się z tymi cząstkami i pechowymi astronautami,
którzy wpadli do czarnej dziury? Nie mogą się powtórnie pojawić po
zniknięciu czarnej dziury. Wydaje się, że informacja o wszystkim, co wpadło
do środka, jest bezpowrotnie tracona, z wyjątkiem masy, momentu pędu
i ładunku elektrycznego. Jeżeli informacja rzeczywiście jest stracona, to
pojawia się poważny problem u samych podstaw naszego rozumienia nauki.

Przez ponad dwieście lat wierzyliśmy w naukowy determinizm, czyli
zasadę, zgodnie z którą ewolucją wszechświata rządzą prawa przyrody. Tę
zasadę po raz pierwszy sformułował Pierre Simon de Laplace, który
stwierdził, że gdybyśmy poznali stan wszechświata w jednej określonej
chwili, to moglibyśmy go obliczyć zarówno w przyszłości, jak
i w przeszłości, ponieważ prawa przyrody determinują ten stan we



wszystkich późniejszych i wcześniejszych chwilach. Mówi się, że Napoleon
zapytał Laplace’a, jaką rolę w tym scenariuszu odgrywa Bóg, na co Laplace
odpowiedział: „Sire, ta hipoteza nie jest mi potrzebna”. Nie sądzę, aby
Laplace twierdził, że Bóg nie istnieje, lecz jedynie, że Bóg nie interweniuje
w funkcjonowanie wszechświata i nie łamie praw przyrody. Takie
stanowisko musi przyjąć każdy naukowiec. Prawo przyrody nie byłoby
prawem przyrody, gdyby miało obowiązywać tylko wtedy, gdy jakaś
nadprzyrodzona istota pozwala mu działać i nie interweniuje.

Przewidywanie przyszłości w determinizmie Laplace’a wymagało
znajomości położeń i prędkości wszystkich cząstek w danej chwili. Musimy
jednak wziąć również pod uwagę jedną z głównych reguł mechaniki
kwantowej, zasadę nieoznaczoności, sformułowaną w 1923 roku przez
Heisenberga.

Zasada nieoznaczoności mówi, że im lepiej znasz położenia cząstek, tym
mniej dokładnie znasz ich prędkości, i vice versa. Innymi słowy, nie możesz
dokładnie znać zarówno położeń, jak i prędkości. Jak zatem możesz
przewidzieć przyszłość? Na gruncie mechaniki kwantowej nie można
oddzielnie przewidzieć prędkości i położeń, lecz można przewidzieć tak
zwany stan kwantowy. Znajomość stanu kwantowego pozwala z pewną
dokładnością obliczyć zarówno prędkości, jak i położenia. Zatem nadal
oczekujemy, że wszechświat jest deterministyczny w takim sensie, że jeżeli
znamy stan wszechświata w jednej chwili, to prawa przyrody powinny
umożliwić przewidywanie tego stanu w dowolnej chwili w przyszłości lub
w przeszłości.

DS: Próby wyjaśnienia zjawisk, które zachodzą na horyzoncie zdarzeń,

rozwinęły się w rozważania najbardziej ważkich filozoficznych kwestii

w nauce — od mechanicznego świata Newtona, po determinizm



Laplace’a i zasadę nieokreśloności Heisenberga — aż po wyzwania, jakie

pojawiają się przy odkrywaniu niektórych tajemnic czarnych dziur. Zgodnie

z ogólną teorią względności Einsteina informacja wewnątrz czarnej dziury

ulega zniszczeniu, natomiast teoria kwantowa mówi, że informacja nie

może ulec zniszczeniu.





Gdyby informacja ginęła w czarnych dziurach, nie moglibyśmy
przewidywać przyszłości, ponieważ czarna dziura mogłaby wypromieniować
dowolny zbiór cząstek. Mogłaby wyemitować działający telewizor albo
oprawiony w skórę komplet dzieł Szekspira, aczkolwiek
prawdopodobieństwo emisji tak egzotycznych struktur jest bardzo małe.
Może się wydawać, że nie ma wielkiego znaczenia, co emitują czarne dziury.
Przecież nie ma ich nigdzie w pobliżu. Chodzi jednak o zasadę.

Jeżeli determinizm, czyli przewidywalność wszechświata może się
załamać w czarnych dziurach, to może także załamać się w innych
sytuacjach. Co gorsza, jeżeli determinizm nie obowiązuje, to nie możemy
również być pewni swojej przeszłości. Książki historyczne i nasza własna
pamięć mogą być zaledwie iluzjami. To nasza przeszłość mówi nam, kim
jesteśmy, bez niej tracimy swoją tożsamość.

Dlatego bardzo ważne jest zbadanie, czy informacja rzeczywiście ginie
w czarnych dziurach, czy jednak — przynajmniej w zasadzie — da się ją
odzyskać. Wielu naukowców czuło, że informacja nie powinna ginąć, lecz
nikt nie umiał wskazać mechanizmu, który pozwalałby ją zachować.
Dyskusje trwały wiele lat. W końcu udało mi się odkryć coś, co wydaje się
odpowiedzią. Opiera się ona na idei Richarda Feynmana, zgodnie z którą
zamiast jednej historii istnieje dużo różnych możliwych historii, z różnymi
prawdopodobieństwami. W naszym przypadku są dwie wersje historii.
W jednej jest czarna dziura, do której cząstki mogą wpadać, w drugiej wersji
nie ma czarnej dziury.

Rzecz polega na tym, że z zewnątrz nie można być pewnym, czy czarna
dziura jest czy jej nie ma. Zawsze istnieje szansa, że jej nie ma. Ta ewentual-
ność wystarcza, aby zachować informację, lecz informacja nie jest zwracana
w użytecznej formie. Gdy spalisz encyklopedię, lecz zachowasz w całości
popiół i dym, informacja nie będzie stracona, aczkolwiek będzie trudno ją



odczytać. Kip Thorne i ja założyliśmy się z innym fizykiem, Johnem
Preskillem, że informacja jednak jest w czarnych dziurach tracona. Gdy
odkryłem, w jaki sposób informacja może być zachowana, poddałem się
i wręczyłem Preskillowi encyklopedię. Może powinienem był ją spalić i dać
mu popiół.

DS: W całkowicie deterministycznym wszechświecie możesz —

teoretycznie — spalić encyklopedię, a następnie zrekonstruować ją pod

warunkiem, że znasz cechy oraz położenie każdego atomu w każdej

cząsteczce atramentu oraz papieru i śledzisz je w trakcie całego procesu.

Obecnie pracuję wraz z moim kolegą z Cambridge, Malcolmem Perrym,
oraz z Andrew Stromingerem z Harvardu nad nową teorią opartą na
matematycznej koncepcji supertranslacji. Naszym celem jest wyjaśnienie,
w jaki sposób informacja jest odzyskiwana z czarnej dziury. Zgodnie z tą
teorią informacja jest zakodowana w horyzoncie czarnej dziury. Ciąg dalszy
niebawem!

DS: Wkrótce po nagraniu wykładów im. Reitha profesor Hawking i jego

koledzy opublikowali artykuł, w którym przedstawili matematyczny dowód,

że informacja może być zapisana w horyzoncie zdarzeń. Teoria opiera się

na transformacji informacji w dwuwymiarowy hologram w ramach

matematycznej procedury zwanej supertranslacją. Artykuł, zatytułowany

„Miękkie włosy czarnych dziur”, daje pewien wgląd w ezoteryczny język tej

dziedziny — jak pokazuje streszczenie zamieszczone po tym wykładzie —

i zarazem stanowi wyzwanie dla naukowców, którzy chcieliby go wyjaśnić.

Czy to pozwala nam przypuszczać, że można wpaść do czarnej dziury
i wyłonić się w innym wszechświecie? Taką możliwość sugeruje istnienie



alternatywnych historii z czarnymi dziurami i bez nich. Gdyby czarna dziura
była dostatecznie duża i gdyby wirowała, mogłaby stanowić przejście do
innego wszechświata. Powrót do naszego wszechświata nie byłby jednak
możliwy, więc nie zamierzam próbować, chociaż jestem miłośnikiem
podróży kosmicznych.



DS: Jeżeli czarna dziura wiruje, jej wnętrze może nie zawierać osobliwości

w zwykłym sensie, to znaczy punktu o nieskończenie wysokiej gęstości.



Może natomiast zawierać osobliwość w kształcie pierścienia. To prowadzi

do spekulacji, że możliwe jest nie tylko wpadanie do czarnych dziur, lecz

także podróż przez czarne dziury, czyli opuszczenie znanego nam

wszechświata. Stephen Hawking dodaje prowokacyjną konkluzję, że coś

może istnieć po drugiej stronie.

Stąd nasuwa się wniosek, że czarne dziury nie są aż tak czarne, jak nam się
wydaje. Nie są wiecznymi więzieniami. Można się z nich wydostać zarówno
w tym wszechświecie, jak i — być może — także w innym. Jeżeli zatem
czujesz, że jesteś w czarnej dziurze, nie poddawaj się — zawsze jest jakieś
wyjście!



N

Miękkie włosy czarnych dziur
Stephen Hawking*, Malcolm J. Perry*, i Andrew Strominger**

* DAMTP, Centre for Mathematical Sciences, University of Cambridge, CB3

0WA UK

** Center for the Fundamental Laws of Nature, Harvard University,

Cambridge, MA 02138, USA

STRESZCZENIE

iedawno wykazano, że symetrie supertranslacyjne BMS implikują
nieskończoną liczbę praw zachowania dla grawitacyjnych teorii

w czasoprzestrzeniach asymptotycznie płaskich. Prawa te wymagają, aby
czarne dziury miały dużą liczbę miękkich (tzn. o zerowej energii)
supertranslacyjnych włosów. Na podobnej zasadzie obecność pól Maxwella
implikuje miękkie włosy elektryczne. Niniejszy artykuł podaje jawny opis
miękkich włosów w kategoriach miękkich grawitonów lub fotonów na
horyzoncie czarnej dziury, oraz dowodzi, że pełna informacja o ich
kwantowym stanie jest zapisana na holograficznej płycie na granicy
horyzontu w przyszłości. Zasada zachowania ładunku została wykorzystana
do sformułowania nieskończonej liczby dokładnych związków między
produktami parowania czarnych dziur, które posiadają różne włosy, lecz poza
tym są identyczne. W dalszej części dowodzimy, że miękkie włosy
przestrzennie zlokalizowane poniżej długości Plancka nie mogą być
wzbudzone w fizycznie realizowalnym procesie, dając efektywną liczbę
miękkich stopni swobody, proporcjonalną do pola powierzchni horyzontu



w jednostkach Plancka.

STEPHEN HAWKING jest uważany za jednego z najbardziej
błyskotliwych fizyków teoretycznych od czasów Einsteina.

W 1963 roku, w wieku 21 lat, w trakcie studiów doktoranckich na
Uniwersytecie Cambridge, u Stephena Hawkinga zdiagnozowano
stwardnienie zanikowe boczne. Lekarze dawali mu dwa lata życia, lecz
Hawking został błyskotliwym naukowcem, profesorem w Collegium
Gonville & Caius, a następnie przez trzydzieści lat był profesorem
matematyki i fizyki teoretycznej na katedrze Lucasa, którą w 1663 roku
zajmował Newton. Profesor Hawking jest obecnie dyrektorem ds. badań
w Centrum Kosmologii Teoretycznej na Uniwersytecie Cambridge. Otrzymał
kilkanaście doktoratów honoris causa, a w 1989 roku został odznaczony
orderem Towarzyszów Honoru; członek Królewskiego Towarzystwa
w Londynie dla Rozszerzania Wiedzy o Przyrodzie oraz US National
Academy of Science. Jest autorem wielu bestsellerów, m.in. książek
Wszechświat w skorupce orzecha, Ilustrowana teoria wszystkiego i Jeszcze
krótsza historia czasu. Mieszka w Cambridge.

DAVID SHUKMAN jest redaktorem naukowym BBC News, gdzie od
2003 roku zajmuje się kwestiami dotyczącymi nauki oraz środowiska. Jego
reportaże dotyczyły między innymi ostatniego lotu amerykańskiego
wahadłowca oraz odkryć Wielkiego Zderzacza Hadronów. David Shukman
regularnie pojawia się na antenie BBC w programie „News at Ten”. Jest
autorem trzech książek.


	Strona tytułowa
	Strona redakcyjna
	Wstęp
	Czy czarne dziury nie mają włosów
	Czarne dziury nie są aż tak czarne, jak się je przedstawia
	Miękkie włosy czarnych dziur