Tytuł oryginału: Buchi bianchi

Przekład: Katarzyna Skórska
Redakcja merytoryczna: dr inż. Julian Sienkiewicz
Redakcja: Katarzyna Nawrocka
Korekta: Olga Godlewska

Projekt okładki: © Coralie
Adaptacja okładki na potrzeby polskiego wydania: Norbert Młyńczak

Copyright © 2023 Adelphi Edizioni S.p.A. Milano
Copyright for the Polish edition and translation © JK Wydawnictwo, 2023

Wszelkie prawa zastrzeżone. Żadna część tej publikacji nie może być powielana ani rozpowszechniana za pomocą urządzeń elektronicznych, mechanicznych, kopiujących, nagrywających i innych bez uprzedniego wyrażenia zgody przez właściciela praw.

ISBN 978-83-67931-07-6
Wydanie I, Łódź 2023

JK Wydawnictwo
ul. Krokusowa 3, 92-101 Łódź
tel. 42 676 49 69
www.wydawnictwofeeria.pl

Wersję elektroniczną przygotowano w systemie Zecer

Francesce,
towarzyszce w nauce i w snach
Najwspanialszym możliwym doznaniem
jest poczucie tajemnicy.
To fundamentalne doświadczenie,
źródło prawdziwej sztuki i prawdziwej nauki.
Kto o tym nie wie i nie potrafi się zadziwić,
jest jak martwy, jego wzrok jest zaćmiony.

Albert Einstein

Część pierwsza

Rozdział 1

1

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

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

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

czy jesteście gotowi?

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Hal

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

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

wyruszamy w stronę białych dziur.

Rozdział 2

2

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Zapraszamy do zakupu pełnej wersji książki

Zapraszamy do zakupu pełnej wersji książki