Obejrzałem kolejny bardzo ciekawy filmik na kanale Veritasium na YouTube. Znowu pomyślałem, że streszczę to, czego się dowiedziałem (głównie dla siebie).
Something Strange Happens When You Follow Einstein’s Math. Gorąco polecam obejrzeć całość.
Zachęta
Film jest o bardzo dziwnych rzeczach, które zaczynają się dziać, kiedy matematycy i fizycy zaczną bawić się równaniami relatywistyki Einsteina. W materiale dowiemy się co nieco o czarnych dziurach, białych dziurach, a także o tunelach czasoprzestrzennych. Takie tam niedzielne tematy. Film jest popularnonaukowy, ale autor zagłębia się także w szczegóły tworząc swoje filmy.
Jak wygląda przejście przez horyzont zdarzeń?
Na początku filmu dowiadujemy się, co będzie widział obserwator obiektu, który zmierza w stronę czarnej dziury i przechodzi przez horyzont zdarzeń. Okazuje się, że obiekt nie będzie wyglądał jakby znikał za czarną kurtyną. Dzięki temu, że jego czas zwalnia, dla obserwatora widok tego obiektu zatrzyma się w czasie. Będzie stawał się coraz mniej wyraźny, aż w końcu zniknie głównie dlatego, że jego kolory będą przesuwały się coraz bardziej w kierunku czerwieni.
Od Newtona przez Einsteina do czarnej dziury
W następnej części autor pokrótce opisuje dokonanie sir Isaaca Newtona i jego spostrzeżenie o grawitacji. Newton wytłumaczył, że każdy obiekt posiadający masę przyciąga każdy inny obdarzony masą obiekt (co współcześnie nie jest dla nikogo obce). Dalej widzimy równania opracowane przez Alberta Einsteina, które rozszerzają równania Newtona i zaczynają uwzględniać czasoprzestrzeń. Rozwiązanie części jego równań podał Niemiec Karl Schwarzschild. Einstein był pod wrażeniem prostoty tych rozwiązań. Były to czasy Pierwszej Wojny Światowej.
Okazuje się, że w dwóch miejscach we wzorze dzieją się osobliwe rzeczy: kiedy odległość między dwoma obiektami wynosi 0 (jeden obiekt znajduje się w centrum masy drugiego), oraz kiedy jeden obiekt znajduje się w pewnej określonej odległości od drugiego (promień Schwarzschilda). Wyjaśnieniem drugiej osobliwości jest Czarna Dziura, a promień wyznacza horyzont zdarzeń.
Czy to w ogóle możliwe?
Następnie Derek (autor) opowiada o dyskusji między fizykami, w jaki sposób miałby powstać taki twór jak czarna dziura. Niektórzy uważali, że to niemożliwe, żeby czarne dziury w ogóle istniały. Wszystko opierało się o to, co dzieje się z gwiazdą po jej “śmierci”. Wyjaśnieniem tego, że kiedy przychodzi na nią czas gwiazda nie zapada się tworząc czarną dziurę jest to, że elektrony (i chyba nie tylko) zaczynają drgać, przeciwstawiając się ciśnieniu napierającemu z zewnątrz do wewnątrz gwiazdy. Jednak, co zauważył 19 letni Subrahmanyan Chandrasekhar, elektrony te (i chyba nie tylko) nie mogą drgać z prędkością większą niż prędkość światła. Znaczy to, że istnieje masa powyżej której ruch elektronów z prędkością równą c jest niewystarczający. Jednak Arthur Eddington, u którego młody chłopak miał się uczyć twierdził, że natura powinna zapobiec tak dziwnemu zachowaniu się gwiazdy. Eddington pracował z Ralph Fowler. I faktycznie, naukowcy (nie wiem czy ci, czy inni) znaleźli teoretyczne wyjaśnienie, dlaczego “umierająca” gwiazda, przekraczająca tę granicę, która powinna utworzyć z niej czarną dziurę, nie zapada się, ale zostaje gwiazdą neutronową.
Okazało się, że gwiazdy neutronowe też posiadają jakiś maksymalny rozmiar (co m. in. wykazał Robert Oppenheimer; tak, ten od bomby atomowej). Naukowcy dowiedli, że po przekroczeniu tego rozmiaru, gwiazda będzie zapadała się w nieskończoność, tworząc właśnie czarną dziurę. Było to około roku 1939.
Czy można wpaść do czarnej dziury?
W dalszym ciągu nie było tylko wiadomo, co dzieje się z obiektem przechodzącym przez horyzont zdarzeń. Nie wiadomo było, czy w ogóle cokolwiek może dostać się do czarnej dziury. Do reprezentacji tego momentu używali uproszczenia analogicznego do tego, jakiego używamy, żeby przedstawić powierzchnię naszej planety na płaszczyźnie. Chodzi o to, że to jest uproszczenie i coś jest w nim przekłamane. To najpopularniejsze używane (dalej o Ziemi) zachowuje kąty i kształty lądów, ale ich rozmiar nie jest rzeczywisty. Tak samo było z reprezentacją tego, co dzieje się przy horyzoncie zdarzeń, którego używał Einstein oraz inni. Okazało się, że nic nie stoi na przeszkodzie, żeby obiekt wpadł do czarnej dziury.
I tutaj cię zaskoczę. Obiekt. który wpada do czarnej dziury, nie wygląda jak coś, co przechodzi przez ciemne drzwi, niczym przez portal. Wygląda on tak, jakby przed samym “portalem” (horyzontem zdarzeń) zaczął coraz bardziej zwalniać, aż w końcu zatrzyma się i powoli zniknie. Przyczyna nie jest aż tak skomplikowana. Przyjrzyjmy się okolicy horyzontu zdarzeń czarnej dziury. Istnieje miejsce, gdzie wyemitowane fotony praktycznie zatrzymują się w miejscu, ponieważ są tak mocno przyciągane przez grawitację. To właśnie horyzont zdarzeń. Trochę ponad nim fotony powoli się wydostają, a trochę poniżej, już nigdy nie opuszczają wnętrza czarnej dziury. Jednak horyzont zdarzeń jest nieskończenie cienki, więc nie istnieje miejsce, gdzie fotony zatrzymują się w miejscu. Wszystkie kiedyś zostaną wciągnięte do głębi, bądź wydostaną się na zewnątrz. Z tego powodu, fotony wyemitowane chwilę przed przejściem przez horyzont zdarzeń prędzej czy później dotrą do obserwatora. A przesunięcie ku czerwieni bierze się ze spowolnienia fotonów (im dłuższa fala świetlna tym bardziej czerwony kolor).
Dobrym wyobrażeniem horyzontu zdarzeń jest studnia czasoprzestrzenna. Na jej zboczach znajduje się czasoprzestrzenny wodospad. Istnieje granica, która jeśli zostanie przekroczona, obiekt spadnie w dół do studni.
Źródło: https://moviesandscience.com/blog/science/blackhole
Część szalona
Tutaj zaczyna się część, którą ciężko jest opisać słowami bez obrazków pomocniczych. Poza tym, jest już naprawdę odjechana. Polecam serdecznie obejrzenie całego filmu. Tymczasem opiszę jeszcze kawałek.
Na filmie widzimy wykres, który po angielsku nazywa się “Kruskal-Szekeres diagram”. Nawet nie próbuję go wyjaśniać. Polecam pełny materiał. Natomiast przedstawia on podążanie przez czasoprzestrzeń i wizualnie obrazuje przejście przez horyzont zdarzeń.
Inne wszechświaty i jak się tam dostać
W 1963 roku Roy Kerr znalazł rozwiązanie dla równań Einsteina opisujących obracającą się czarną dziurę (tak jak wcześniej zrobił to Karl Schwarzschild dla czarnej dziury bez obrotu). Okazuje się, że teoretycznie (matematycznie) możliwe jest przechodzenie do innych wszechświatów właśnie za pośrednictwem obracających się czarnych dziur. Gdy czarna dziura się obraca, jej budowa zmienia się. Po pierwsze jest spłaszczona na biegunach (dokładnie jak Ziemia). Dodatkowo składa się z trzech warstw. Jedną z nich jest ergoobszar (ang. ergosphere).
Na dodatek, oprócz wszechświatów równoległych, rozszerzenie wykresu Kruskala-Szekeresa ukazują tunele czasoprzestrzenne oraz białe dziury. Białe dziury to coś przeciwnego niż czarne dziury - nic nie może się do nich dostać, a one jedynie wyrzucają materię. Nie wiemy czy one istnieją. Aczkolwiek czarne dziury także długo były uważane za twór czysto teoretyczny, a obserwacje potwierdzają ich istnienie.
Uff, zakończenie
To już koniec, po więcej musicie zgłosić się na kanał Veritasium. Jak zwykle materiały tam są na najwyższym poziomie a autor (a prawdopodobnie obecnie już autorzy) stara się przekazać wiedzę w jak najprzystępniejszy sposób.
Wygląda na to, że przyszłość szykuje nam niebagatelne niespodzianki. Nic, tylko czekać co czas pokaże. Wszystkiego dobrego!
