2016-10-21
Kategoria: Wszechświat

Kosmos Einsteina: Wielki Wybuch i Czarne Dziury

black-hole-lmc

Symulowany widok czarnej dziury umieszczonej przed Wielkim Obłokiem Magellana. Na skutek soczewkowania grawitacyjnego powstały dwa powiększone, lecz mocno zniekształcone obrazy Obłoku. Zakrzywieniu w łuk uległ również obraz dysku Drogi Mlecznej.

karl-schwarzschild-thumbOgólna teoria względności Einsteina nie tylko przyczyniła się do powstania całkowicie zaskakujących koncepcji, takich jak rozszerzający się Wszechświat i Wielki Wybuch, lecz zaowocowała jeszcze jednym pojęciem, które od tamtej pory zaczęło intrygować astronomów – pojęciem czarnej dziury. W 1916 roku, zaledwie w rok po opublikowaniu ogólnej teorii względności, Einstein dowiedział się, że pewien fizyk, Karl Schwarzschild, rozwiązał jego równania dla przypadku pojedynczej punktowej gwiazdy. Zdziwiło to Einsteina. Wcześniej ze względu na wysoki stopień komplikacji stosował on tylko przybliżone rozwiązania równań ogólnej teorii względności. Był zachwycony znalezieniem przez Schwarzschilda dokładnego rozwiązania bez jakichkolwiek przybliżeń. Chociaż Schwarzschild był dyrektorem obserwatorium astronomicznego w Poczdamie, zgłosił się na ochotnika do służby w niemieckiej armii na rosyjskim froncie. Budzi podziw, że jako żołnierz, kryjąc się przed wybuchającymi nad głową pociskami, potrafił mimo wielu przeciwności pracować nad fizyką. Nie tylko obliczał tory pocisków artyleryjskich dla niemieckiej armii, ale znalazł także najbardziej udane i dokładne rozwiązanie równań Einsteina. Obecnie nazywamy je rozwiązaniem Schwarzschilda. (Niestety, nie żył on wystarczająco długo, aby cieszyć się sławą, którą przyniosło mu jego rozwiązanie. Schwarzschild – jedna z najjaśniejszych gwiazd, które rozbłysły na nowym firmamencie teorii względności – zmarł w wieku 42 lat, zaledwie kilka miesięcy po opublikowaniu swoich prac. Światowa nauka poniosła niepowetowaną stratę. Przyczyną jego śmierci była rzadka choroba skóry, której nabawił się, walcząc na rosyjskim froncie. Einstein wygłosił poruszającą mowę na pogrzebie Schwarzschilda, którego śmierć tylko umocniła nienawiść Einsteina do bezsensowności wojny).

michell-laplace-thumbRozwiązanie Schwarzschilda, które wywołało sensację w kołach naukowych, miało także niespodziewane konsekwencje. Schwarzschild stwierdził, że w ekstremalnej bliskości punktowej gwiazdy grawitacja jest tak silna, że nie może stamtąd uciec nawet światło, a więc gwiazda staje się niewidzialna. Był to kłopotliwy problem w kontekście nie tylko teorii Einsteina, ale także teorii Newtona. Już w 1783 roku John Michell, rektor uczelni w Thornhill, w Anglii, postawił pytanie, czy gwiazda może stać się tak masywna, że nawet światło nie mogłoby z niej uciec. Obliczenia, które przeprowadził, opierając się wyłącznie na prawach Newtona, nie mogły budzić zaufania, ponieważ nikt nie wiedział dokładnie, jaka jest prędkość światła, ale jego wnioski trudno było odrzucić. W zasadzie gwiazda mogłaby stać się tak masywna, że jej światło krążyłoby wokół niej. Trzydzieści lat później w swojej sławnej książce Exposition du systeme du monde matematyk Pierre-Simon Laplace również się zastanawiał, czy takie „ciemne gwiazdy” są możliwe (ale usunął je z trzeciego wydania, gdyż prawdopodobnie uznał, że są to spekulacje, niemające potwierdzenia w rzeczywistości).

black-hole-schwarzschildCałe wieki później kwestia ciemnych gwiazd znowu stała się aktualna dzięki Schwarzschildowi. Odkrył on, że wokół gwiazdy istnieje „magiczna sfera”, nazywana obecnie horyzontem zdarzeń, gdzie dochodzi do niewyobrażalnego odkształcenia czasoprzestrzeni. Schwarzschild wykazał, że jeśli ktoś miałby nieszczęście wpaść poza ten horyzont, nie miałby już powrotu. (Aby uciec, należałoby się poruszać szybciej od światła, co nie jest możliwe). I rzeczywiście, z wnętrza horyzontu zdarzeń nic nie może uciec, nawet promień światła. Światło emitowane przez taką punktową gwiazdę po prostu wiecznie krążyłoby wokół niej. Gwiazda ta z zewnątrz wyglądałaby jak spowita ciemnością.

john-wheeler-thumbRozwiązanie Schwarzschilda można zastosować do wyliczenia, jak dalece należy skompresować zwykłą materię, aby osiągnąć tę „magiczną sferę” o promieniu określanym mianem promienia Schwarzschilda. W tym momencie gwiazda całkowicie się zapadnie. W przypadku Słońca promień Schwarzschilda wynosi trzy kilometry, a w przypadku Ziemi mniej niż jeden centymetr. (Ponieważ w 1910 roku taki stopień kompresji wprost nie mieścił się fizykom w głowie, przyjmowali oni, że nikt nigdy na taki fantastyczny obiekt nie natrafi). Ale im dogłębniej badał Einstein właściwości takich gwiazd, ochrzczonych później czarnymi dziurami przez fizyka Johna Wheelera, tym gwiazdy te okazywały się dziwniejsze. Na przykład, jeżeli wpadniemy do czarnej dziury, tylko ułamek sekundy zajmie nam przejście przez horyzont zdarzeń. Przez tę krótką chwilę, którą zajmie przecinanie horyzontu, będziemy mogli zobaczyć krążące wokół czarnej dziury światło schwytane wieki, może nawet miliardy lat temu. Ostatnia milisekunda nie należałaby do najprzyjemniejszych. Siły grawitacyjne byłyby tak potężne, że atomy naszego ciała uległyby zgnieceniu. Śmierć byłaby nieunikniona i straszna. Ale świadkowie, obserwujący tę kosmiczną śmierć z bezpiecznej odległości, zobaczyliby zupełnie inny obraz. Światło wyemitowane z naszego ciała byłoby tak rozciągnięte przez grawitację, że sprawiałoby wrażenie zamrożonego w czasie. Dla reszty Wszechświata trwalibyśmy w bezruchu, zawieszeni nad czarną dziurą.

Ta superrealistyczna podróż w głąb Czarnej Dziury to bazująca na ogólnej teorii względności magneto-hydrodynamiczna symulacja dysku akrecyjnego i dżetów, wykonana przez Johna Hawleya na super-komputerze Uniwersytetu w Wirginii (USA).

black-hole-real-journey-legend
arthur-s-eddington-thumbGwiazdy te były tak bliskie świata fantazji, że większość fizyków była przekonana, że nigdy nie zostaną one odnalezione we Wszechświecie. Na przykład Arthur S. Eddington powiedział: „Powinno istnieć prawo natury, które by chroniło gwiazdy przed zachowaniem się w tak absurdalny sposób”. W 1939 roku Einstein próbował wykazać matematycznie, że coś takiego jak czarna dziura nie jest w ogóle możliwe. Zaczął od analizowania gwiazdy w momencie tworzenia, to znaczy w chwili, kiedy zbiór cząstek wirujących w przestrzeni jest stopniowo koncentrowany przez swoje siły grawitacyjne. Obliczenia Einsteina wykazały, że ten wirujący zbiór cząstek będzie się stopniowo zapadał, ale osiągnie tylko 1,5 promienia Schwarzschilda, a więc czarna dziura nigdy nie powstanie.

oppenheimer-snyder-thumbChociaż obliczenia te wydawały się niepodważalne, było coś, co Einstein w oczywisty sposób pominął – możliwość implozji materii w samej gwieździe, implozji wywołanej miażdżącym działaniem sił grawitacyjnych pokonujących siły jądrowe działające w materii. Dokładniejsze wyliczenia zostały opublikowane w 1939 roku przez J. Roberta Oppenheimera i jego studenta Hartlanda Snydera. Zamiast zbioru cząstek wirujących w przestrzeni, przedmiotem swoich rozważań uczynili oni statyczną gwiazdę, wystarczająco dużą, aby grawitacja jej masy mogła pokonać siły kwantowe wewnątrz niej. Gwiazda neutronowa na przykład stanowi dużą, mniej więcej o rozmiarach Manhattanu (około 32 km średnicy), kulę neutronów, tworzącą gigantyczne jądro. Tym, co powstrzymuje tę kulę neutronów przed kolapsem, są siły Fermiego, które zapobiegają możliwości istnienia w tym samym stanie więcej niż jednej cząstki o pewnych liczbach kwantowych (takich jak spin). Jednakże trzeba było następnych trzydziestu lat, aby gwiazdy neutronowe i czarne dziury zostały naprawdę odnalezione. Przedtem większość publikacji na temat niewyobrażalnych właściwości czarnych dziur traktowano jako wielce spekulatywne.

james-clerk-maxwell-thumbPomimo że Einstein do czarnych dziur odnosił się raczej sceptycznie, to był on przekonany, że inna jego prognoza okaże się któregoś dnia prawdą i że zostaną odkryte fale grawitacyjne. Jak już widzieliśmy, jednym z sukcesów Jamesa Clerka Maxwella, twórcy słynnych równań, było przewidzenie przez niego faktu, że wibrujące pola elektryczne i magnetyczne wytworzą rozchodzącą się i możliwą do zaobserwowania falę. Przez analogię Einstein zadawał sobie pytanie, czy jego równania dopuszczają istnienie fal grawitacyjnych. W świecie newtonowskim nie mogło być fal grawitacyjnych, ponieważ „siła” grawitacji działała natychmiast w całym Wszechświecie i podlegały jej wszystkie obiekty jednocześnie. Ale w ogólnej teorii względności fale grawitacyjne w pewnym sensie muszą istnieć, jako że prędkość drgań pola grawitacyjnego nie może przekraczać prędkości światła. Tak więc jakieś gwałtowne zdarzenie, takie jak kolizja dwóch czarnych dziur, mogło uwolnić szokową falę grawitacji, falę grawitacyjną przemieszczającą się z prędkością światła.

universe-gravitational-waves

Symulacja łączenia się czarnych dziur – jedno ze zjawisk, które wytwarza najsilniejsze fale grawitacyjne.

nathan-rosen-thumbJuż w 1916 roku Einstein potrafił wykazać, że jeśli zastosuje się odpowiednie przybliżenie, jego równania rzeczywiście dadzą w wyniku podobne do fali przemieszczanie się grawitacji. Fale te rozprzestrzeniają się w tkaninie czasoprzestrzeni z prędkością światła, zgodnie z oczekiwaniami. W 1937 roku wraz ze swoim uczniem Nathanem Rosenem znalazł on dokładne rozwiązanie swoich równań, które dawało fale grawitacyjne bez jakichkolwiek przybliżeń. Teraz fale grawitacyjne stały się mocnym punktem ogólnej teorii względności. Einstein jednakże nie miał nadziei, że kiedykolwiek będzie świadkiem takiego zjawiska. Obliczenia wykazały, że w owym czasie jego eksperymentalne wywołanie przekraczało granice możliwości, którymi dysponowali naukowcy. (Minęło prawie osiemdziesiąt lat od momentu, kiedy Einstein po raz pierwszy wykrył fale grawitacyjne w swoich równaniach, do czasu przyznania Nagrody Nobla fizykom, którzy znaleźli pierwszy pośredni dowód na obecność tych fal. Może potrzeba będzie poczekać aż dziewięćdziesiąt lat od chwili zapowiedzi istnienia fal grawitacyjnych, aby możliwa się stała ich bezpośrednia detekcja. Z kolei owe fale grawitacyjne mogą się okazać ostatecznym sposobem na weryfikację teorii Wielkiego Wybuchu i znalezienie zunifikowanej teorii pola).

W 1936 roku jeszcze jeden pomysł dotyczący dziwnych właściwości przestrzeni i czasu zaprezentował Einsteinowi czeski inżynier Rudi Mandl, pytając, czy grawitacja bliższej gwiazdy mogłaby być użyta jako soczewka do wzmocnienia światła odleglejszej gwiazdy podobnie jak soczewka szklana. Einstein rozważał taką możliwość już w 1912 roku, ale zachęcony przez Mandla wykonał obliczenia i stwierdził, że taka soczewka mogłaby wytwarzać pierścieniowy wzór, który byłby widoczny dla obserwatora z Ziemi. Weźmy na przykład pod uwagę światło pochodzące z odległej galaktyki, przechodzące przez bliższą galaktykę. Grawitacja bliższej galaktyki mogłaby rozszczepiać światło na dwie połowy, a każda połowa wiązki przebiegałaby wokół tej galaktyki z przeciwnej strony niż druga. Po ominięciu galaktyki obie połowy ponownie by się złączyły. Z Ziemi można by takie wiązki światła zaobserwować jako świetlny pierścień – złudzenie optyczne wywołane zaginaniem światła wokół bliższej galaktyki. Jednakże Einstein doszedł do wniosku, że „istnieje słaba nadzieja na bezpośrednie zaobserwowanie tego zjawiska”. Potwierdza to opinia, jaką wyraził o wspomnianej pracy: „ma ona dość małą wartość, ale uszczęśliwia biedaka [Mandla]”. Po raz kolejny Einstein wyprzedzał swoje czasy; dopiero po sześćdziesięciu latach wykryto soczewki i pierścienie Einsteina, które stały się w końcu nieodzownym narzędziem astronomów do badania kosmosu.

Jego praca, sięgająca do samych podstaw ludzkiej wiedzy i gruntownie ją przebudowująca, miała tak fundamentalny charakter, jej oddziaływanie na fizykę jest nieustanne. Wiele nasion zasadzonych przez Einsteina kiełkuje teraz w XXI wieku, ponieważ nasze instrumenty, takie jak kosmiczne teleskopy, kosmiczne obserwatoria w zakresie promieniowania X i lasery, są dzisiaj wystarczająco potężne i czułe, abyśmy mogli zweryfikować jego przewidywania sformułowane dziesiątki lat temu.

calabi-yau-manifold

teorii strun przestrzeń ma więcej niż 3 wymiary, ale dodatkowe wymiary są zwinięte do mikroskopijnych rozmiarów, jak na przedstawionej tutaj rozmaitości Calabi-Yau.

Faktem jest, że dzięki okruchom z talerza Einsteina inni uczeni zdobywają teraz Nagrody Nobla. Poza tym, wraz z pojawieniem się teorii superstrun einsteinowska koncepcja unifikacji wszystkich sił, niegdyś przedmiot drwin i pogardliwych komentarzy, stała się teraz obiektem zainteresowania fizyki teoretycznej. Następują postępy w trzech dziedzinach fizyki, w których trwałe dziedzictwo Einsteina wciąż zajmuje naczelne miejsce. Są nimi: teoria kwantowa, ogólna teoria względności i kosmologia oraz zunifikowana teoria pola.

kosmos-einsteina-bookMichio Kaku „Kosmos Einsteina. Jak wizja wielkiego fizyka zmieniła nasze rozumienie czasu i przestrzeni” („Einstein’s cosmos. How Albert Einstein’s Visions Transformed Our Understanding of Space and Time”). Wydawca: Prószyński Media Sp. z o.o. Michio Kaku, odkrywca i fizyk, autor bestsellerów, w „Kosmosie Einsteina” snuje opowieść, w której splata biografię uczonego z jego dziełem, ukazując Wszechświat takim, jakim widział go Einstein, i pozwalając nam na jedyne w swoim rodzaju wniknięcie w jego sposób myślenia. Choć teorie genialnego fizyka miały niezwykle rozległe implikacje, on sam myślał właściwie w kategoriach prostych fizycznych obrazów – pędzących pociągów, spadających wind, rakiet, zegarów w ruchu. I rzeczywiście, z dwóch takich obrazów wyłoniła się teoria względności, która wstrząsnęła posadami świata. Einstein pozostaje największym i najbardziej uwielbianym uczonym wszech czasów, ale jego praca i jego dziedzictwo nie zawsze są rozumiane. „Kosmos Einsteina” jest wspaniałą nowatorską drogą do poznania idei i życia Einsteina. Przedstawiliśmy tylko VI Rozdział (jest ich aż dziewięć) tej godnej polecenia książki.

Video-Info-Planete

12

O Autorze

 > 

John Lennon „Imagine”: Imagine there’s no Countries… Imagine no Possession… Nothing to Kill or Die For… And no Religion too… No Need for Greed or Hunger… A Brotherhood of Man… (Niestety, John, dziś żyjemy w innym świecie. Twoje idee, lepsze czy gorsze, zostały wypaczone). Mahatma Gandhi: Na początku cię ignorują. Potem śmieją się z ciebie. Następnie z tobą walczą. W końcu wygrywasz • Siedem grzechów społecznych: polityka bez zasad, bogactwo bez pracy, przyjemność bez sumienia, wiedza bez osobowości, wiara bez poświęcenia, nauka bez człowieczeństwa oraz handel bez moralności • Religie to różne drogi prowadzące do tego samego celu. Jakaż to jest różnica, którą z nich wybierzemy? Jaki cel więc mają te kłótnie między nami? • Słabi nigdy nie potrafią przebaczać. Przebaczenie jest cnotą silnych • Jakże wielkiej daniny grzechu i błędów wymaga od człowieka bogactwo i władza • Nie znam większego grzechu niż uciskanie słabszych w imieniu Boga • Jest wiele powodów, dla których mogę być przygotowany na śmierć, ale nie ma żadnego, dla którego gotów byłbym zabić. Albert Einstein: Nie ma rzeczywistości samej w sobie, są tylko obrazy widziane z różnych perspektyw • Gdy miałem dwadzieścia lat, myślałem tylko o kochaniu. Lecz później kochałem już tylko myśleć • Tylko dwie rzeczy są nieskończone: wszechświat i ludzka głupota. Co do tej pierwszej istnieją jednak pewne wątpliwości • Nauka bez religii jest kaleka, religia bez nauki jest ślepa • Jestem bardzo głęboko religijnym niewierzącym • Gospodarcza anarchia społeczeństwa kapitalistycznego w jego dzisiejszej formie jest, moim zdaniem, prawdziwym źródłem zła • Wszyscy wokół wiedzą, że czegoś nie da się zrobić. I wtedy pojawia taki, który o tym nie wie, i on właśnie to coś robi • Nie wiem, jaka broń będzie użyta w trzeciej wojnie światowej, ale czwarta będzie na maczugi.



Ruch Lotniczy nad Ziemią 24H

Artykuły w Kategoriach:

Poznaj Chiny

Pogoda

Warszawa
2017-12-17, 12:56
Przeważnie pochmurnie
3°C
Odczuwalna: 4°C
Ciśnienie: 1020 mb
Wilgotność: 80%
Wiatr: 1 m/s WSW
Prognoza: 2017-12-17
dzień
Gwałtowne deszcze
2°C
noc
Częściowo pochmurno
-3°C
 

Teleskop Hubble'a