Czarne dziury. Ich tworzenie na Ziemi. Rozmowa z prof. Markiem

Czarne dziury. Ich tworzenie na Ziemi. Rozmowa z prof. Markiem
Abramowiczem
rozmawiał Piotr Cieśliński 05-12-2001, ostatnia aktualizacja 24-06-2002 14:42
Artykuł pochodzi ze strony: http://serwisy.gazeta.pl/nauka/1,34137,592455.html?as=1
- Fizycy w akceleratorze LHC pod Genewą chcą wyprodukować małe czarne dziury. Czy to nie groźne? Czarna dziura ma
tak wielką siłę grawitacji, że wszystko, co tylko zbliży się do niej dostatecznie blisko, nawet światło, nie może już uciec.
Będzie ona coraz grubsza, z czasem pożre laboratorium, Genewę, a potem kulę ziemską?
- Z całą pewnością nie! Pytanie w podobnym duchu zadawali sobie również fizycy z Los Alamos, kiedy przygotowywali wybuch
pierwszej bomby atomowej. Nie było wtedy tak naprawdę do końca wiadomo, czy podczas wybuchu atomy ziemskiej atmosfery nie
wejdą w reakcję łańcuchową i czy wybuch małej bomby nie spowoduje planetarnej klęski. Odpowiedź uzyskano na gruncie czysto
teoretycznym, ale po wykonaniu rachunków już nikt nie obawiał się, że atmosfera Ziemi spłonie i pierwszy wybuch będzie
jednocześnie ostatnim na Ziemi.
Dziś z jeszcze większą pewnością wiemy, że miniaturowe czarne dziury nie będą niebezpieczne.
- A to dlaczego?
- Po pierwsze - pojedyncze obiekty o małych rozmiarach nigdy nie mogą wyrządzić dużej szkody. Nawet gdy są czarnymi dziurami.
- Maleńkie wirusy potrafią zaszkodzić.
Czarne dziury też, ale nie tak małe, o jakich mówimy. Jest zresztą całkiem prawdopodobne, że w Ziemię uderzały już małe czarne
dziury. Czarne dziury są obiektami bardzo zwartymi, to znaczy mają duże masy i małe rozmiary. Dla małych okazów czarnych dziur
o wiele mniej zwarta Ziemia w istocie niewiele różni się od próżni. Przelatują przez nią bez oporu.
Uderzenie w Ziemię planetoidy o dziesięciokilometrowej średnicy powoduje globalną katastrofę - zresztą zapewne to było przyczyną
zagłady dinozaurów. Natomiast czarna dziura o takiej samej ogromnej masie ma znikomo małe rozmiary i przeszłaby przez Ziemię
jak nóż przez masło. Nikt z wyjątkiem pechowców w najbliższym sąsiedztwie uderzenia niczego by nie zauważył. Wysunięto nawet
całkiem serio hipotezę, że meteoryt tunguski, który w 1908 roku spustoszył 2 tys. km kw. syberyjskiej tajgi, mógł być w istocie
przejściem małej czarnej dziury przez Ziemię.
- Jeśli to była dziura, to okazała się jednak dość groźna.
Czarna dziura zrobiona z materii całej Ziemi miałaby średnicę 4 cm, a czarnodziurowa planetoida byłaby proporcjonalnie jeszcze
mniejsza, ledwie dostrzegalna pod silnym mikroskopem.
Natomiast hipotetyczne czarne dziury, które chcieliby wyprodukować w laboratorium fizycy, mają masy jeszcze po wielekroć
mniejsze, porównywalne z masami cząstek elementarnych. Są to więc również niewyobrażalnie małe rozmiary. Dlatego będą
zupełnie niegroźne.
- To mnie Pan uspokoił.
Ale to nie wszystko. Bardzo małe czarne dziury podlegają prawom mechaniki kwantowej i, jak przewiduje Stephen Hawking, szybko
wypromieniowują całą swoją masę, przez co żyją niesłychanie krótko, niewyobrażalnie mały ułamek sekundy. Mają zbyt mało czasu,
aby stać się groźne, a nawet na to, aby dało się je bezpośrednio zaobserwować. Jeśli coś moglibyśmy zarejestrować, to pewnie
jakieś skutki promieniowania przewidzianego przez Hawkinga lub rozpadu czarnych dziur na cząstki elementarne.
Tak naprawdę do końca nie wiadomo, jakie są ostatnie momenty życia minidziury i co po niej zostaje.
Poszukiwanie takich czarnych dziur może być dużo trudniejsze niż szukanie w akceleratorze nowych cząstek elementarnych. A
przecież niektóre cząstki zostały odkryte dopiero po kilku albo kilkunastu latach wytężonej pracy. Przy tym wcześniej było wiadomo,
że na pewno istnieją.
- Właśnie. Czy aby na pewno wiadomo, że będzie czego szukać? Że w akceleratorze LHC narodzą się czarne dziury?
1
Teoria Dimopoulosa oraz Landsberga, która taką możliwość przewiduje, jest nowatorska, prosta, a jednocześnie fundamentalna,
ważna i głęboka. Byłem nią urzeczony, gdy przeczytałem o niej w piśmie "Scientific American". Przewiduje ona, że nasz świat ma
więcej niż trzy wymiary przestrzenne.
- Czy nie wystarczy się rozejrzeć dookoła, żeby gołym okiem zobaczyć, iż są tylko trzy wymiary - wysokość, długość i
szerokość?
Najważniejsze jest to, czego nie widać. To, że w przestrzeni istnieje więcej wymiarów niż trzy i że te dodatkowe są ukryte, rozważali
już na początku XX wieku Oscar Klein i Teodor Kałuża (znany w historii nauki jako Theodor Kaluza z Raciborza na Śląsku). W ich
teorii dodatkowy, czwarty wymiar przestrzeni jest zwinięty w tak małym rozmiarze, że nie manifestuje swej obecności nawet w
bardzo dokładnych eksperymentach. W tym właśnie sensie jest przed nami ukryty.
Podobnie przed ludzkim wzrokiem ukryta jest grubość cienkiej nitki. Wydaje się, że ma ona tylko jeden wymiar - długość.
Tymczasem małe roztocza "czują" dodatkowe wymiary nitki, mogą poruszać się zarówno wzdłuż, jak i dookoła nici.
Wprowadzenie czterowymiarowej przestrzeni umożliwiło Kałuży i Kleinowi stworzenie jednolitej teorii grawitacji i elektrodynamiki, co
na początku XX wieku było wielkim wyzwaniem. Fizycy bowiem wierzą, że tak jak przyroda jest jedna, tak wszystkie jej zjawiska
powinna opisywać również jedna teoria. Za czasów Kałuży nie znano jednak wszystkich sił uważanych dziś za fundamentalne, np.
sił jądrowych. Teoria Kałuży i Kleina nie mogła więc zostać uniwersalną teorią wszystkich oddziaływań i dziś ma znaczenie już tylko
historyczne. Ale jej myśl przewodnia, że można wytłumaczyć zjawiska fizyczne poprzez wprowadzenie większej liczby wymiarów,
wśród których dodatkowe są bardzo małe, a więc ukryte, jest ciągle zgodna z duchem najnowszej fizyki. Tak właśnie wielu fizyków
myśli dzisiaj o świecie - że jest on wielowymiarowy.
Najlepszym przykładem jest teoria strun, według której czasoprzestrzeń ma 11 wymiarów, a obserwowane przez nas materia i
promieniowanie to przejaw drgań niezwykle małych pętelek.
- Kiedy mówimy o dodatkowych wymiarach, to czytelnik może sobie też pomyśleć, że wielu nawiedzonych ezoteryków już
dawno mówiło o czwartym wymiarze, a nawet podróżowało w nim.
Lepiej nie dotykać tego tematu, naprawdę. Te i tamte wymiary mają to do siebie, że na ich określenie używa się tego samego słowa,
nic ponadto. To tak, jakby pomylić duńskie i czeskie korony.
- Dlaczego w takim świecie o większej liczbie wymiarów stałaby się możliwa produkcja miniaturowych czarnych dziur?
W teorii Dimopoulosa i Landsberga w dużych odległościach (w porównaniu z rozmiarem ukrytych wymiarów) przestrzeń jest
praktycznie trójwymiarowa. A więc siła grawitacji i inne oddziaływania zachowują się standardowo. Siła grawitacji np. - tak jak uczą
w szkole - zmienia się proporcjonalnie do odwrotności kwadratu odległości.
Różnica pojawia się dopiero wtedy, kiedy rozważamy rozmiary porównywalne lub mniejsze od promieni tych dodatkowych,
zwiniętych wymiarów. Zgodnie z nową teorią grawitacja działa wtedy w całej wielowymiarowej przestrzeni. A więc siły przyciągania i
odpychania zachodzą również w wymiarach ukrytych, podczas gdy pozostałe oddziaływania, na przykład elektromagnetyczne i
jądrowe, ograniczają się wciąż tylko do trzech nam znanych wymiarów. Dlatego w wypadku bardzo małych odległości, a więc wtedy
gdy ujawnia się wielowymiarowość przestrzeni, siła grawitacji wzrasta o wiele silniej, niż to wynika z teorii Newtona. Ponieważ zaś
inne oddziaływania są standardowe, to grawitacja staje się silniejsza niż one. Łatwiej więc dojść może do powstania czarnej dziury.
Co ważne, w tej teorii nie chodzi tylko o wprowadzenie dodatkowych wymiarów, lecz przede wszystkim o nowy postulat: dodatkowe
wymiary nie są aż tak małe, jak dotychczas sądzono. Fizycy zakładali bowiem, że dodatkowe wymiary są niewyobrażalnie ciasno
zwinięte, a przez to zupełnie ukryte, niedostępne nie tylko bezpośrednio naszym zmysłom, ale też niemożliwe do odkrycia za
pomocą współczesnych technik eksperymentalnych. Nowa teoria niejako rozwija te dodatkowe wymiary, powiększa je, a przez to
wydobywa z ukrycia. Przewiduje, że można z tymi nie do końca ukrytymi wymiarami, a więc i z niestandardowo silną grawitacją,
eksperymentować. Na przykład wytworzyć miniaturowe czarne dziury w zderzeniach protonów w akceleratorze pod Genewą.
Zresztą z tą akurat, najbardziej chyba sensacyjną przepowiednią nowej teorii są ogromne kłopoty.
- Jakie?
Istnieją wyliczenia, które wykluczają możliwość tworzenia maleńkich czarnych dziur o rozmiarach i masach dostępnych dzisiejszym
obserwacjom i eksperymentom. Przedstawił je Paweł Mazur, wybitny polski fizyk zamieszkały od lat w USA.
- Kto więc ma rację? Jaki będzie ostateczny werdykt w sprawie miniaturowych czarnych dziur?
Wczoraj czytałem w "Daily Telegraph" całostronicowy artykuł Hawkinga na temat dużych dodatkowych wymiarów. Bardzo chwali tę
2
koncepcję. Niemniej wszystkie rozważane dziś teorie są na pewno jeszcze niepełne. Dotyczą bowiem nie do końca zrozumianych
kwantowych aspektów grawitacji. Argumenty Mazura są jednak o wiele bardziej matematycznie wyrafinowane niż argumenty jego
adwersarzy. Ci więc, którzy wierzą - jak słynny fizyk z zeszłego wieku Paul Adrien Maurice Dirac - że o poprawności teorii świadczy
jej matematyczna elegancja, zgodzą się więc z Mazurem. Ale kto ma naprawdę rację, rozstrzygnie eksperyment, bo w fizyce wiemy
na pewno tylko to, co możemy eksperymentalnie sprawdzić.
- Czy jednak jest w ogóle możliwe, że wzór na siłę grawitacji może być inny niż dotąd nauczany w szkołach? Wydawało mi
się, że od czasów Newtona grawitacja została już zupełnie poznana i nie ma miejsca na żadne niespodzianki.
Do tego prawa wprowadziła już poprawki teoria grawitacji Einsteina (teoria względności). W skali układów planetarnych
przewidywania teorii grawitacji Einsteina zostały potwierdzone eksperymentalnie o wiele dokładniej niż przewidywania jakiejkolwiek
innej teorii dotyczącej jakichkolwiek innych zjawisk fizycznych. Te poprawki są bardzo małe, ale zostały precyzyjnie zmierzone w
układzie podwójnego pulsara przez Josepha Taylora i Russella Hulse'a z Uniwersytetu w Princeton. W 1993 roku otrzymali oni za to
Nagrodę Nobla.
Jednak w skali Galaktyki sytuacja nie jest już taka jasna. Materia, którą widać w naszej Galaktyce, grawituje zbyt słabo, by zgodnie z
teorią Newtona i Einsteina wyjaśnić obserwowany ruch orbitalny gwiazd. Albo więc w Galaktyce jest wiele ciemnej, nieświecącej
materii, albo teoria Einsteina i Newtona jest fałszywa (w skali Galaktyki).
- Myślałem, iż istnienie ciemnej materii nie ulega już wątpliwości?
Zgadza się. Wspaniale potwierdziły to obserwacje mikrosoczewkowania grawitacyjnego, teoretycznie zaproponowane w roku 1986
przez Bohdana Paczyńskiego z Uniwersytetu w Princeton, a prowadzone od czterech lat przez jego kolegów z Obserwatorium
Warszawskiego: Andrzeja Udalskiego, Marcina Kubiaka, Michała Szymańskiego, a także dwa inne zespoły uczonych (francuski i
angielsko-australijski).
Ale odkrycie ciemnej materii nie rozwiązało całej zagadki. W Galaktyce ciągle "brakuje" materii, aby zgodnie z teorią Einsteina i
Newtona wyjaśnić obserwowane ruchy orbitalne gwiazd. Zdania specjalistów są podzielone: jedni są przekonani, że oznacza to
istnienie jeszcze innych form ciemnej materii, drudzy, że trzeba - przynajmniej w skali Galaktyki - zmodyfikować teorię grawitacji.
W małej skali, milimetra lub mniej, jest jeszcze gorzej. Prawie nie ma danych eksperymentalnych, które opisywałyby działanie
grawitacji na tak małych odległościach, nie mówiąc o skali atomowej.
- Nie badano tego?
Dotychczas nie, gdyż jest to niezwykle trudne. Ciała, które biorą udział w takim eksperymencie, muszą być z zasady bardzo małe, a
więc siła grawitacji działająca między nimi jest niesłychanie słaba i dlatego bardzo trudna do bezpośredniego zmierzenia.
Dopiero zupełnie niedawno, pod koniec ubiegłego roku, Eric Adelberger i jego koledzy z Uniwersytetu w Waszyngtonie pokazali, że
aż do odległości dziesiątej części milimetra grawitacja zgodna jest z prawem Newtona. Ale nikt dotąd nie powtórzył i nie potwierdził
tego eksperymentu. Ten wynik zresztą wcale nie wyklucza teorii Dimopoulosa i Landsberga, bo nie wiadomo, jak jest z grawitacją na
jeszcze mniejszych odległościach. Tam mogą ujawniać się dodatkowe wymiary, a grawitacja może stawać się silniejsza. Idea
produkcji miniaturowych czarnych dziur w akceleratorze jest więc wciąż otwarta.
- Gdybyśmy znaleźli nawet najmniejszą czarną dziurę w laboratorium, to bylibyśmy przynajmniej pewni, że one istnieją. Bo
tych czarnych dziur kosmicznych tak naprawdę nie widać...
Ależ widać je, co prawda niebezpośrednio, bo kosmiczne czarne dziury mają wielkie masy i dlatego wysyłają zupełnie znikome ilości
promieniowania Hawkinga. Z promieniowaniem Hawkinga jest bowiem tak, że im większa masa czarnej dziury, tym mniejsza emisja
promieniowania Hawkinga. I odwrotnie: im mniejsza masa, tym więcej promieniowania. Dlatego dla mikroskopijnych czarnych dziur,
o których mówiliśmy poprzednio, promieniowanie Hawkinga jest procesem dominującym. Dla "galaktycznych" czarnych dziur, o
masach od kilku do dziesiątek razy większych od masy Słońca (obserwuje się je w naszej Galaktyce) oraz "supermasywnych", o
masach milion do tysiąca milionów większych niż Słońce (w centrach naszej i innych galaktyk), promieniowanie Hawkinga jest tak
niezwykle słabe, że nie ma żadnego znaczenia.
- A więc - zgodnie z nazwą - są zupełnie czarne. Nic nie widać. Jak domyślić się ich obecności?
Mają bardzo silne pola grawitacyjne, które ściągają okoliczną materię. Materia spadająca w takim polu osiąga prędkości niewiele
mniejsze niż prędkość światła. Hamowana przez lepkość, trze o siebie i nagrzewa do ogromnej temperatury, tak wielkiej, że świeci
głównie w promieniach ultrafioletowych, Roentgena i gamma. Kiedy więc zobaczymy źródło silnego twardego promieniowania
3
szybko zmieniające się w czasie, to możemy wnioskować, że pochodzi ono z małego obszaru, w którym znajduje się duża masa,
czyli bardzo zwarty obiekt.
- Czy każdy taki obiekt musi być czarną dziurą?
Zgodnie z dzisiejszym stanem wiedzy możliwe są tylko cztery typy zwartych ciał kosmicznych: czarne dziury, gwiazdy neutronowe,
niedoszłe czarne dziury i gwiazdy dziwne. Istnienie czarnych dziur i gwiazd neutronowych wynika z powszechnie uznawanych teorii.
Gwiazdy neutronowe mają masy tylko trochę większe niż masa Słońca - są one dziesięciokilometrowymi kulami ciasno
upakowanych neutronów. Widzimy je.
Istnienie gwiazd dziwnych nie jest już wcale takie pewne. Wynika z zastosowania teorii silnych oddziaływań jądrowych ekstremalnie ściskana materia przeistacza się w materię kwarkową (tj. złożoną z mieszaniny kwarków) i może tworzyć zwarte
obiekty o dużych masach.
Zaś niedoszłe czarne dziury to zupełna nowość. Zostały zaproponowane we wrześniu tego roku w pracy Pawła Mazura i Emila
Mottoli. Zbudowane byłyby z materii jeszcze dziwniejszej niż kwarkowa. Miałaby ona wytwarzać ujemne ciśnienie. Trudno to sobie
nawet wyobrazić, bo np. zwykły gaz na Ziemi ma zawsze ciśnienie dodatnie, tj. zawsze stara się przeciwstawić ściskaniu naczynia,
w którym się znajduje. A ujemne ciśnienie działałoby przeciwnie.
Mimo że praca Mazura na razie ukazała się tylko w internecie (arXiv:gr-qc/0109035v2), już zyskała światowy rozgłos. Mogę zdradzić
tajemnicę, iż poproszono mnie o pomoc w przygotowaniu specjalnie jej poświęconego czterostronicowego artykułu w brytyjskim
tygodniku "New Scientist".
- Powiedzmy, że znaleźliśmy mały, zwarty, ciemny obiekt kosmiczny, który ściąga swą silną grawitacją okoliczną materię.
Można ustalić, czy to gwiazda neutronowa, gwiazda dziwna, niedoszła czarna dziura, czy też "zwykła" czarna dziura?
Czasem natura nam pomaga. Zdarza się, że ten mały zwarty obiekt ma za towarzysza zwykłą świecącą gwiazdę. Można
obserwować zmiany prędkości ruchu tego świecącego towarzysza i stąd, na podstawie praw Keplera, wyznaczyć dokładnie masę
sąsiedniego zwartego obiektu. Jeśli masa tego obiektu okaże się większa od około sześciu mas Słońca, to zwartym obiektem na
pewno nie może być gwiazda neutronowa. Pozostaje tylko czarna dziura, gwiazda dziwna lub niedoszła czarna dziura. Ponieważ
dwie ostatnie możliwości wynikają z teorii postulujących istnienie materii o raczej nie-zwykłych własnościach, jeszcze
nieobserwowanych w naturze, to przyjmuje się, że jest to czarna dziura.
- Nie można jednak wykluczyć, iż to hipotetyczna gwiazda dziwna lub niedoszła czarna dziura?
Zgodnie z dzisiejszym stanem wiedzy - nie. Ramesh Narayan z Uniwersytetu Harvarda i Jean-Pierre Lasota z Instytutu Astrofizyki w
Paryżu zauważyli kilka lat temu, że gwiazdy neutronowe powinny świecić znacznie silniej niż czarne dziury, ponieważ te pierwsze
mają twardą powierzchnię, a te drugie są dziurami "bez dna", do których wpada znaczna część promieniowania. Obserwacje
rentgenowskie dokonane niedawno przez sztucznego satelitę Chandra rzeczywiście pokazały, że hipotetyczne czarne dziury są
około stu razy ciemniejsze niż gwiazdy neutronowe. Choć nikt dzisiaj jeszcze nie wie z całą pewnością, dlaczego różnica jasności
wynosi akurat sto, a nie dużo więcej ani mniej (sam intensywnie pracuję nad tym problemem), wielu specjalistów uważa ten wynik
za świetne obserwacyjne potwierdzenie hipotezy, że rzeczywiście mamy tu do czynienia z czarnymi dziurami.
Z moich oszacowań wynika, że pole promieniowania czarnych dziur i niedoszłych czarnych dziur jest praktycznie identyczne, więc
niedoszłych czarnych dziur nie da się - tą metodą - odróżnić od czarnych dziur. Więcej nadziei wiążę z inną metodą,
zaproponowaną ostatnio przeze mnie oraz Włodka Kluźniaka z Instytutu Astronomii Uniwersytetu Zielonogórskiego. Polega ona na
mierzeniu, w jaki sposób zmienia się (oscyluje) promieniowanie rentgenowskie dobiegające z otoczenia zwartego obiektu. Naszym
zdaniem te oscylacje - obserwowane już od kilku lat - powodowane są nieliniowymi, anharmonicznymi rezonansami w orbitalnym
ruchu materii wirującej z zawrotną szybkością w supersilnym polu grawitacyjnym takiego zwartego obiektu.
- Nie rozumiem...
Jeśli promienie Roentgena porównalibyśmy do fali dźwiękowej, to - w uproszczeniu - nasza metoda pozwala na wyznaczenie masy i
innych parametrów tajemniczego obiektu poprzez wsłuchanie się w tony muzyki, która dobiega z jego otoczenia. Użyłem tej
przenośni, gdy pierwszy raz referowałem nasz pomysł wiosną tego roku w Paryżu. Tym chętniej, że mogłem pokazać piękną stronę
tytułową "Harmonia Mundi" Keplera, w którym to dziele pitagorejska idea muzycznej harmonii orbit planetarnych traktowana była nie
jak przenośnia, ale całkiem dosłownie. Kluźniak i ja zrozumieliśmy, że różne zwarte obiekty wygrywają (w promieniach Roentgena)
charakterystyczne melodie, składające się z kilku tonów o różnej wysokości. Na razie wiemy, jakie melodie wygrywane są przez
czarne dziury, ale nie do końca rozumiemy, jak one to robią, i dlatego nie potrafimy jeszcze odróżniać od siebie melodii granych
przez różne zwarte obiekty.
4