Zaplątani w gąszczu czarnych dziur

 

Gdyby ktoś rok temu powiedział mi , że będę pisał o czarnych dziurach,wyśmiałbym go.Najpierw pożegnałem kilkanaście lat temu. fizykę strun.Kiedy jej badacze doszli do tysięcy rodzajów modeli strun i z każdym rodzajem związali odpowiednią fizykę w n-wymiarowej przestrzeni, gdzie n jest dowolną liczbą naturalną większą od 3,powiedziałem do siebie : dosyć zamiany fizyki na matematykę [ teoria strun nie miała żadnego projektu empirycznej weryfikacji jakiejkolwiek hipotezy],interesuje mnie świat, na który natrafia umysł, a nie tylko ten, który jest przez umysł wytwarzany.

Natomiast z czarnymi dziurami, na początku nie miałem specjamych kłopotów poznawczych i metodologicznych. Były [i są] hipotezmi wynikającymi dedukcyjnie z ogólnej teorii względności.Współczesna fizyka bez hipotez, to tak jak port lotniczy - bez radaru. Pozostało jedynie czekać na bezpośrednie potwierdzenie obserwacyjne ich istnienia. Jednak dalsza historia fizyki czarnych dziur przybrała kabaretowy charakter.

Bo oto wszystkie zagadkowe zjawiska i obiekty astronomiczne [szczególnie te bardzo odległe od od nas], postanowiono wyjaśniać hipotezą czarnych dziur.Na skutek imponującego wzrostu techniki obserwacyjnej [teleskopy o coraz to większej zdolności rozdzielczej,obserwacje poza atmosferą ziemską, postęp w fotografii,sprzężenie telskopów z komputerami,itd] zaroiło się na niebie od zjawisk i obiektów niezrozumiałych w świetle przyjętych modeli astrofizyki.

Wobec tego, cały obserwowalny wszechświat został wypełniony [mocą wyobraźni] czarnymi dziurami i ich uczyniono sprawcami tych zagadkowych zjawisk i obiektów.Wymyślono [według potrzeby] czarne dziury o masach i rozmiarach rzędu atomu, lub o masach kilkadziesiąt miliardów mas Słońca. Ustalono, że z wnętrza czarnych dziur wyłaniają się nowe wszechświaty, i nasz oczywiście też, a nawet u jego końca będzie także czarna dzura [ lub anty-dziura].I na koniec wyrzucono na śmietnik zasady logiki, kiedy przyjęto ,że skoro hipoteza czarnych dziur H(cz) wyjaśnia zjawisko Z , to zjawisko Z jest dowodem przawdziwości hipotezy H(cz).

Przy takim maniakalnym charakterze procesu poznawczego w astronomii można dostać objawów "choroby morskiej",wobec tego, przytomnie i samokrytycznie postawię pytanie :

to dlaczego ten tekst o czarnych dziurach?

Co zadecydowało o moim powrocie do problematyki, którą uznałem za jałową poznawczo i metodologicznie? Odpowiadam:

Od kilku lat [najpierw w formie projektu] pojawiła się perspektywa bezpośredniego,obserwacyjnego sprawdzenia, czy czarne dziury naprawdę istnieją ! Czyli jest nadzieja na naukę, i na opuszczenie tym samym science fiction.

Podstawą do tego jest kwantowa teoria czarnych dziur zapoczątkowana pracami R.Penrose i jego ucznia- S.Hawkinga.Ten początek w wydaniu Hawkinga był jakiś taki nijaki, niczego poważnego nie zapowiadał. Hawking wykorzystał [1] subtelne własności próżni kwantowej,rozkład modów normalnych pól próżnowych , oraz teorię transformacji Bogoliubowa i uzyskał efekt parowania każdej dziury [o szybkości odwrotnie proporcjonalnej do jej masy].Skutkiem tego efektu powinno być stałe zmniejszanie się energii i masy czarnej dziury.

Proces ten miał być procesem globalnym,czyli były niemożliwe do określenia: miejsce oraz natura utraty energii i masy.Jego głęboki sens odkrył nie Hawking, lecz Penrose i przedstawił go w lapidarnym zdaniu:

-to paruje kwantowa czasoprzestrzeń w obecności silnej krzywizny [2].

Nastęny krok uczynił J.Polchinski [3] z zespołem. Wybitny specjalista w zakresie kwantowej teorii pola,chociaż także autor bardzo dobrej dwutomowej monografii poświęconej teorii strun,w której analitycznie pokazał ,że ta teoria, to czysto matematyczny model bez odniesienia do świata fizycznego.

 

Prof.J.Polchinski ( foto:wikipedia.eng)

Grupa J.Polchinskiego, badając teoretycznie promieniowanie Hawkinga odkryła, że absolutny horyzont zdarzeń wirującej czarnej dziury musi być w istocie hiper przestrzenią kipiącą od kwantów energii, swoistą "zaporą ognia",w j.angielskim -A black hole firewall.

Hipoteza firewall była jednak związana z brzydkimi konskwencjami. Na przykład, zmuszała do odrzucenia zasady równoważności A.Einsteina, osnowę przecież Ogólnej Teorii Względności [GR], a nawet kwantową teorię pola [QFT] w całości.W ostatnich trzech latach kryzys w kwantowej fizyce czarnych dziur był porównywany do kryzysu fizyki klasycznej wywołanego przez odkrycie fizyki kwantów u początków wieku XX.

Sam Polchinski podczas swojego wystąpienia na konferencjii paryskiej w roku 2011 nt.fizyki czarnych dziur miał powiedzieć: "Przykro mi, że nikt nie może pozbyć się firewall, ale proszę próbować".

A jednak taki astrofizyk się znalazł i jest nim Samir Mathur,urodzony w Bombaju [Indie],aktualnie profesor fizyki teoretycznej w the Ohio State University [USA],specjalista w zakresie teorii strun, oraz fizyki czarnych dziur.S.Mathur wystąpił z pierwszą pracą na temat kwantowej natury czarnych dziur już w 2005 roku[4],w latach następnych rozwijając główne idee i ukazując możliwości ich eksperymentalnych weryfikacji.Jego model czarnej dziury, to : praktyczne zastosowanie teorii strun do mechaniki kwantowej zunifikowanej z ogólną teorią względności.

"Czarna dziura" Mathury jest produktem kolapsu grawitacyjnego ,wywołanego własnościami makroskopowymi czasoprzestrzeni, które powodują proces łączenia się kwantowych strun [ czyli cząstek elementarnych] w łańcuchy i plątaninę tych łańcuchów zwaną "Fuzzball" o formie kulistej.

Klasyczna czarna dziura [K.Schwarzschilda] ma absolutny horyzont zdarzeń,czyli jest doskonale czarna [nic fizycznego spod niego nie wydobędzie się], a w środku jest doskonale pusta, jedynie jej centralny punkt ma materię o gęstości nieskończenie wielkiej i w jego otoczeniu krzywizna czasoprzestrzeni ma wartość też nieskończeną.

foto: Olena Shmahalo/Quanta Magazine

Fuzzballs Mathury nie są doskonale czarnymi obiektami, horyzont zdarzeń jest rozmyty ,czyli sygnały fizyczne z fuzzballs wydobywają się i mogą być rejestrowane przez dalekich obserwatorów. Każda czarna dziura rodzaju fuzzball jest inna ,ponieważ plątanina łańcuchów strun ma różne właściwości fizyczne, zależne od parametrów strun-cząstek elementarnych.

Nie istnieje w tych obiektach osobliwość czasoprzestrzeni ,co oznacza że jest możliwość opisu obiektu w całości według praw fizyki [fizyki skali Plancka].Paradoks informacyjny z klasycznej teorii czarnych dziur znika, a obiekt fizyczny wpadający w fuzzball nie natrafia na żaden firewall i nie zostanie unicestwiony , a wprost przeciwnie.

Pojawia się jego holograficzna kopia,czyli fuzzballs to -jak dowcipnie powiedział ktoś z zespołu Mathury - "kwantowe kserokopiarki". Gdyby Ziemia dotknęła jakiejś olbrzymiej "Fuzzball" , to by znikła, a pojawiłaby się jej kopia , przy czym jej mieszkańcy nie zauważyliby tego wydarzenia.

Przez pół roku studiowałem pracę [6] i sprawdzałem każdą formułę matematyczną, oraz wnioski formalnie z nich uzyskane i nic tam nie jest dla mnie podejrzane,a przecież jest to formalizm matematyczny teorii strun, której nie uznaję za fizykę!

Poprostu, profesor Samir Mathur nie jest matematykiem [ mimoże okazuje na każdym kroku mistrzostwo w stosowaniu bardzo wysublimowenej matematyki], lecz fizykiem ,obdarzonym wyjątkową intuicją umożliwiającą poprawne rozumienie świata zewnętrznego.

I dodatkowo[nie mniej ważne] autor teorii "Fuzzball"ma pełną świadomość jej przewagi nad klasyczną teorią czarnych dziur: jego teoria nie czyni z nich obiektów absolutnie niepoznawalnych ["Ding an sich"],czyli jest otwarta na bezpośrednią obserwacyjną weryfikację hipotez szczegółowych z niej wynikających.

Właśnie już trwają prace nad budową instrumentu, za pomocą którego zobaczymy " Fuzzballs" - jeżeli istnieją.

Rozpoczęto już realizację teleskopu o rozmiarach powierzchni Ziemi zwanego Event Horizon Telescope [EHT]. Jest to wirtualny radio-teleskop o rozdzielczości kątowej porównywalnej do wielkości elementarnych zdarzeń horyzontu czarnej dziury Sagittarius A w centrum Drogi Mlecznej [wziętej za wzorzec].

EHT to swoista „”tablica-teleskop” ,globalna sieć radioteleskopów działająca jak jeden, wirtualny , zintegrowany przyrząd, na zasadzie :

e-interferometrii wielkobazowej [e-VLBI , e-Very Long Baseline Interferometry].

W tej chwili pracuje już zrealizowany fragment EHT składający się z sześciu radioteleskopów,a dane pomiarowe są dostępne w czasie rzeczywistym dla blisko 200 obserwatoriów w różnyych miejscch Ziemi.

EHT nie robi zdjęć, lecz przychodzący sygnał w postaci fal radiowych o długości fali rzędu milimetra, poddaje transformacji Fouriera,uzyskując widmo jego energii w funkcji częstotliwości.Dokonując transformacji Fouriera funkcji widzialności prążków interferencyjnych , uzyskujemy informację o obrazie, a rozdzielczość jest zależna tylko od odległości pomiędzy radioteleskopami zwanej bazą interferometru.

Dokładnie pisząc. jest odwrotnie proporcjonalna do wartości bazy EHT.

Tym samymłowcy Fuzzball mogą osiągnąc wysoki współczynnik "Zoom" łącząc radioteleskopy na odległych kontynentach, w jedem "wirtualny. Oczywiście nie kablami ,lecz korzystając z sieci WEB ,by uzyskać dane w czasie rzeczywistym, a następnie odróżnić prawdziwą czarną dziurę, od zmyśleń na jej temat..

Literatura

[1] S. W. Hawking, Particle creation by black holes [w:] Quantum gravity; Proceedings of the Oxford Symposium, London, 1974

[2]R.Penrose,Makroświat,mikroświat i ludzki umysł, Warszawa,1997

[3] A.Almheiri, D.Marolf, J. Polchinski, J.Sully, Black holes: complementarity or firewalls?". Journal of High Energy Physics 13.02.2013 ,arXiv:1207.3123, preprint

[4] S.D.Mathur,The fuzzball proposal for black holes: an elementary review, 5.02 2005 , arXiv:hep-th/0502050v1, preprint

[5]S.D. Mathur,The quantum structure of black holes,21.10. 2005 arXiv:hep-th/0510180v2 ,preprint

[6]S.D.Mathur,A model with no firewall,16.06.2015,archiv:hep-th/1506.04342v1,preprint