Nobel za ogólną teorię względności i czarne dziury

6 października Królewska Szwedzka Akademia Nauk ogłosiła laureatów Nagrody Nobla z fizyki za rok 2020. Kolejny raz od 1901 roku, kiedy przyznano je po raz pierwszy. Otrzymali: Roger Penrose, Reinhard Genzel i Andrea Ghez. Nagrodę przyznano za „wniknięcie w najciemniejsze tajemnice Wszechświata” – jak obwieścił po szwedzku, angielsku, niemiecku, francusku i rosyjsku Sekretarz Generalny Szwedzkiej Akademii Nauk Göran K. Hansson. Okazuje się, jak objaśnił mi prof. dr hab. Paweł Nurowski z Centrum Fizyki Teoretycznej PAN, jest to także faktycznie pierwsza Nagroda Nobla z fizyki za ogólną teorię względności. Gdyż jej autor, Albert Einstein, nigdy owej nie dostał!

„Ten rok naprawdę pokazał znaczenie nauki i nie możemy się doczekać, kiedy będziemy mogli opowiedzieć o laureatach Nagrody Nobla z fizyki i chemii w 2020 roku. Dzięki wytężonej pracy członków Kapituły Nagrody i utalentowanej kadrze Akademii praca, pomimo szczególnych wyzwań, przed którymi stanęliśmy, do tej pory przebiegała bardzo dobrze” – dodał Profesor Hansson.

Jak zwykle stosowne tematycznie komitety wyłonione przez Królewską Akademię rozpatrzyły rozliczne nominacje, by wyłonić kilkoro kandydatów do nagrody i poddać ich pod głosowanie wszystkich członków Akademii Nauk. W Lilla Frescativägen 4A w Sztokholmie od rana we wtorek odbywało się, z zachowaniem reguł izolacji społecznej, zgromadzenie głosujące w kwestii nagrody w zakresie fizyki, aby tego samego dnia ogłosić swoją decyzję. Do dziś nagrody przyznano 114 razy, wyróżniono 216 uczonych.

Nagrody nie będą wręczane tak jak zazwyczaj na wielkim „festiwalu świata nauki” w Sztokholmie, który odbywa się każdego roku 10 grudnia – w rocznicę śmierci Alfreda Nobla. Żadnego z laureatów nie zaprosi się do stolicy Szwecji, a ich medale i czeki zostaną im wręczone prawdopodobnie w ramach zamkniętych prywatnych ceremonii w ambasadach Szwecji w kraju laureata lub na jego uniwersytecie. Wszyscy mają nadzieję, że bankiet noblowski z udziałem Króla Szwecji odbędzie się za rok, lub wtedy, gdy pandemia ustąpi. Wszyscy tegoroczni laureaci już mogą czuć się zaproszeni.

W zeszłym roku nagrodzono z fizyki trójkę kosmologów i astronomów za badania nad naturą wszechświata i zaobserwowanie planet w innym układzie słonecznym niż nasz. W tym roku nobel ponownie wędruje do trzech uczonych zajmujących się Wszechświatem: Brytyjczyka Rogera Penrose, matematyka, dziś profesora emeritusa w Oxfordzie „za odkrycie, że powstawanie czarnych dziur wynika z samej ogólnej teorii względności Einsteina”, oraz Niemca z Max Plank Institute for Extraterestial Physics Reinharda Genzela i Amerykanki z University of California Andrei Ghez „za odkrycie czarnej dziury w centrum naszej galaktyki”.

„Wielki uczony w starym dobrym stylu” – jak o nim mówią – Roger Penrose udowodnił, że czarne dziury istnieją, a nawet, że muszą istnieć. Nie wystarczy bowiem coś zobaczyć – co w wypadku „osobliwości”, jakimi są czarne dziury, jest w dodatku bezpośrednio niemożliwe. Widzimy bowiem dzięki światłu, a tam go nie ma. Trzeba jeszcze umieć wykazać – dla fizyki taki aparat dowodzenia tworzy matematyka – że nie ulegamy złudzeniu, że nie oglądamy artefaktów. I za stworzenie stosownego aparatu matematycznego i przeprowadzenie za jego pomocą mówiąc prosto „dowodu na czarne dziury” urodzony w 1931 roku brytyjski uczony dostanie połowę tegorocznego nNobla.

Natomiast znacznie od niego młodsi prof. Genzel i prof. Ghez, podzielą się po równo drugą połową za prowadzenie przez wiele lat precyzyjnych obserwacji centrum naszej galaktyki, by wykazać, że znajduje się tam właśnie nie mniej, ni więcej, ale wielka czarna dziura. Nawet większe czarne dziury – jak dziś wiemy – są w centrach innych galaktyk, a znacznie mniejsze są rozsiane po kosmosie.

W pięknym wykładzie przygotowanym przez Komitet Noblowski opowiedziano, że nie nazwane czarne dziury stały się „przedmiotem spekulacji” astronomów już pod koniec XVIII wieku, gdy dyskutowali oni, iż mogą istnieć w kosmosie obiekty generujące tak olbrzymią grawitację, że nawet światło nie zdoła z nich uciec. Aby uzyskać taką grawitację, trzeba mieć gigantyczną masę, a zatem gęstość. Np. aby z Ziemi zrobić czarną dziurę, trzeba by ją całą ścisnąć do rozmiaru ziarnka groszku, przy zachowaniu masy planety.

Gdy w 1915 roku Einstein sformułował ogólną teorię względności, pojawiło się dopiero matematyczne rusztowanie pozwalające opisać naukowo takie obiekty. Aczkolwiek owa matematyka była tak skomplikowana, że fizycy, w tym Einstein, byli wielce niepewni w kwestii, czy tego typu przedziwne obiekty mogą realnie istnieć we Wszechświecie. Uważano je nawet za niedorzeczne. Dopiero Roger Penrose podjął temat na początku lat 60. ubiegłego wieku. Opublikował pracę w 1965 roku, w której rozwinął nowe matematyczne narzędzia pozwalające wykazać, że powstawanie czarnych dziur nie tylko jest możliwe, ale jest wręcz nieuniknioną konsekwencją ogólnej teorii względności. Jest to więc proces we wszechświecie naturalny i spodziewany.

Czarna dziura jest przedziwnym obiektem, bo postrzega się ją jako przestrzeń, zaś niejako wypełniona jest czasem. Gdybyśmy wyobrazili sobie czarną dziurę jako czarną kulę dającą się umieścić w dłoni, potrafilibyśmy wskazać na nią palcem. Gdy zbliżymy się do niej tak, że nasz wskazujący palec znajdzie się wewnątrz (to już jest poza granicą naszej obserwacji, bo widzimy dzięki światłu, nieprawdaż?), to ten palec wejdzie niejako w przyszłość, jak nóż w masło. Nóż z masła wyciągnąć nietrudno, natomiast powrót z przyszłości do teraźniejszości jest w warunkach ziemskich bardzo trudny. Dałoby się powiedzieć ostrożnie – na razie niemożliwy. Co więcej, ów czubek palca który „wniknął” do czarnej dziury, zostanie rozerwany i porwany przez czas aż do samego centrum, które wyobrażamy sobie jako jakąś czeluść, ale w istocie – nie wiemy, czym ono jest. Tam kończy się czas, a zatem i możność fizycznej obserwacji zmiany.

Jeśli takie obiekty istnieją we Wszechświecie, to jak można je znaleźć? Już w 1783 John Michell zaproponował, że jeśli wokół czarnej dziury poruszają się bardzo jasne obiekty, np. gwiazdy, to badając ich ruch, da się wykazać obecność „niewidzialnych” czarnych dziur. Jednak dopiero 200 lat później instrumenty astronomiczne pozwoliły realnie dokonać takich obserwacji. I tu pojawia się pozostałych dwoje tegorocznych noblistów z fizyki, którzy wraz ze swymi zespołami badawczymi zwrócili swoje teleskopy ku centrum galaktyki – 26 tys. lat świetlnych stąd. Centrum Drogi Mlecznej jest ukryte w gęstej „chmurze pyłu”. Trzeba obserwować je zatem w podczerwieni. Udało się zobaczyć gwiazdy orbitujące wokół niewidzialnego obiektu. Zwłaszcza jedna z nich, która obiegała go w 16 lat, znajdowała się od niego nie więcej niż 17 godzin świetlnych.

Obliczenia pozwoliły ustalić, że owo niewidzialne centrum ma masę 4 milionów Słońc. I jeśli Einstein, a za nim Penrose się nie pomylili, to nie ma tu miejsca na inny możliwy obiekt, tylko masywną czarną dziurę. Richard Penrose jest nie tylko wszechstronnie zainteresowanym rzeczywistością matematykiem, badającym tak Wielki Wybuch, jak świadomość człowieka. Jest też wielkim przyjacielem Polski. Bywa w naszym kraju gościem, ma tu współpracowników i przyjaciół. Został nagrodzony za wybitne osiągnięcia w pracy naukowej i rozwijanie polsko-brytyjskiej współpracy naukowej przez Prezydenta Rzeczpospolitej Polskiej Krzyżem Komandorskim Orderu Zasługi Rzeczypospolitej Polskiej 12 grudnia 2016 roku.

Fizycy… Gdy zapytano świeżo upieczoną noblistkę, co poczuła, gdy zobaczyła sygnały, że w centrum Drogi Mlecznej jest jakiś dziwny olbrzymi obiekt, odpowiedziała: „po pierwsze zwątpienie.” Gdy rozmawiałam o wczorajszym noblu z profesorem Nurowskim wyjaśnił mi, że astronomowie do wczesnych lat 80. ubiegłego wieku nie szukali czarnych dziur, bo zasadniczo w nie nie wierzyli. Nie mieli też tak czułego sprzętu obserwacyjnego, takich możliwości technicznych, jakie bywają im dostępne dziś. Nie operowali również częstokroć bardzo trudnym aparatem matematycznym ogólnej teorii względności – co uniemożliwiało pełne wniknięcie w opisy prof. Penrose'a.

Kiedyś, jak powiedział mi prof. Nurowski, nie było żadnych czarnych dziur, a mniej „konserwatywni” astronomowie typowali jakieś trzy miejsca w obserwowalnym dla nas Kosmosie, gdzie one mogłyby były się znajdować. A dzisiaj okazuje się wszędzie jest jakaś. W centrum każdej, nawet najmniejszej galaktyki.

Każde naukowe poznanie zaczyna się od wątpliwości. Od bycia na granicy. Gdy niezbędne testy pokażą, że aparatura nie popełnia błędu, a widać to, co widać, dopiero wtedy przychodzi podniecenie. Bo odkrywanie rzeczywistości jest pasjonujące. Wtedy rodzi się przekonanie, że poznajemy prawdę. I odczuwamy konieczność podzielenia się nią z innymi. „Uparte śledzenie realności naszego fizycznego świata jest dla nas jako ludzi krytyczne. Dlatego dziś znacznie bardziej niż kiedyś poświęcam się kształceniu innych” – powiedziała Andrea Ghez, czwarta kobieta w historii nagrodzona noblem z fizyki w wywiadzie tuż po ogłoszeniu jej nagrody.

To nie jest koniec tej historii. To jest dopiero początek, jak zapewniają uczeni. Im bliżej jesteśmy czarnych dziur z naszymi teleskopami, tym więcej tajemnic pozwolą nam odkryć. Czy tam może panować wewnątrz jakaś „inna fizyka”? Czy poznanie czarnych dziur zmieni nasze życie na Ziemi? Nie teraz. To są badania podstawowe, np. na temat powstawania i ewolucji galaktyk. Ale kiedyś? Zresztą, cóż wiemy o czasie, jeśli tak naprawdę nadal nie rozumiemy, co to znaczy, że on się kończy w centrum czarnej dziury. A w dodatku, jak twierdzi prof. Penrose, i czas, i odległość mierzą dziś zegary. Są precyzyjniejsze od wzorca metra w Sevres. Dlatego trzeba dalej czarne dziury badać. Tam może kryć się wiele odpowiedzi na pytania o rzeczywistość, których jeszcze nie śmieliśmy zadać.

#astronomia #nobel # #czarna dziura #fizyka #chemia #albert einstein #wszechświat #czas