Diery do našeho vesmíru

Čierne a červie diery sú zaujímavým fenoménom. Od publikovania Schwarzschildovho riešenia rovníc všeobecnej relativity počas prvej svetovej vojny, ľudí tieto diery neskutočne fascinovali. Panujú však o nich skreslené predstavy.

Písmo: A- | A+
Diskusia  (8)
Počítačová simulácia čiernej diery. Vidno gravitačný ohyb svetla okolo samotnej diery.
Počítačová simulácia čiernej diery. Vidno gravitačný ohyb svetla okolo samotnej diery. (zdroj: By User:Alain r - Own work, CC BY-SA 2.5, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1150148)

Keď Einstein publikoval svoju všeobecnú teóriu relativity v roku 1915, vyslovil presvedčenie, že bude trvať desaťročia kým z jeho neskutočne zložitých gravitačných rovníc niekto odvodí prvé riešenie. K jeho obrovskému prekvapeniu však dostal pár mesiacov po publikácii list z východného frontu od istého Karla Schwarzschilda, ktorý medzi delostreleckými výpočtami našiel čas vyriešiť Einsteinove rovnice. 

Toto riešenie bolo pre Einsteina dvojitým prekvapením. Jedná sa totiž o riešenie pre sféricky symetrický priestor prázdny až na jeden jediný hmotný bod. Einstein bol agnostik a Schwarzschildov objav, že aj prázdny priestor dokáže byť zakrivený gravitáciou išlo proti jeho presvedčeniu, že keď v lese spadne strom a nie je naokolo nikto, kto by ho počul padať, toto padanie nevylúdi žiaden zvuk.

SkryťVypnúť reklamu
Článok pokračuje pod video reklamou

Slávne Schwarzschildovo riešenie popisuje nekonečný statický vesmír s jedným jediným hmotným bodom. Popisuje statickú čiernu dieru, bez vývoja, bez akéhokoľvek pohybu, bez elektrického náboja, bez magnetizmu. Je to idealizácia. Skutočné čierne diery majú veľmi ďaleko od Schwarzschildovej čiernej diery. Už len fakt, že vznikli gravitačným kolapsom hviezdy vo vesmíre plnom hmoty vylučuje existenciu takejto čiernej diery. Ba čo viac, reálne čierne diery mávajú aj vlastné nenulové magnetické pole a taktiež nejakú rotáciu, rotáciu a pole, ktoré mala hviezda, z ktorej vznikli. Einsteinove rovnice pre rotujúci hmotný bod vyriešil v 60. rokoch Roy Kerr a ešte sa k nej vrátime.

SkryťVypnúť reklamu

Relativita je sčasti o zmene súradnicových systémov a relativisti sa radi hrajú so súradnicami. Samotné Schwarzschildovo riešenie je v podstate o oprávnenosti použitia sférického súradného systému.
 

Vizualizácia kartézského a sférického súradnicového systému.
Vizualizácia kartézského a sférického súradnicového systému. (zdroj: www.seos-project.eu)

V tomto duchu Martin Kruskal a George Szekeres vymysleli súradnice, kedy zmenili súradnice Schwarzschildovho riešenia. Touto zmenou dokázali vložiť celý súradný systém Schwarzschildovho riešenia do jednej jedinej polroviny.

Keďže celý Schwarzschildov vesmír zaberá len jednu polovicu priestoru, resp. "papiera" v kruskal-szekeresových súradniciach, nabáda sa nám nakopírovať túto polovicu papiera, otočiť ju zrkadlovo a prilepiť k už existujúcej polrovine. Podobný postup sa nazýva analytické predĺženie a je v matematike často využívaný, známe je analytické predĺženie napr. Riemannovej zéta funkcie, ktoré nám dáva smiešny paradox, že nekonečný súčet 1+2+3+4+...=-1/12. V tomto prípade nám však nedáva nič podobne šialené, ale tzv. Kruskalov diagram:

SkryťVypnúť reklamu
Kruskalov diagram Schwarzschildovho riešenia.
Kruskalov diagram Schwarzschildovho riešenia. (zdroj: Autor: Dr Greg, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=22635538)

Tento diagram popisujeme nasledovne: Naše pôvodné Schwarzschildovo riešenie je označené číslami I a II. Priamka r=1 medzi kvadrantmi I a II značí horizont udalostí v pôvodnom Schwarzschildovom riešení, modrá hyperbola singularitu, stred čiernej diery. Kvadranty III a IV ukazujú nový vesmír, zrkadlový od toho nášho, pôvodného. Kvadrant IV je tzv. biela diera, pretože vďaka zrkadlovosti riešenia v novom vesmíre plynie čas naopak, ako v našom pôvodnom, teda ak čierna diera veci pohlcuje, biela diera ich pľuje von. Podľa tejto logiky, ak polpriamku medzi kvadrantmi I a II(a v rozšírenom vesmíre aj II a III) voláme horizont udalostí, polpriamku medzi I a IV a III a IV voláme antihorizont. 

SkryťVypnúť reklamu

Zaujímavý na tomto diagrame je bod, kedy sa pretínajú horizont a antihorizont udalostí, stred alebo nula na diagrame. Tento bod sa nazýva Einstein-Rosenov most, iným slovom červia diera. Tento pojem je možno počuť v mnohých populárnych filmoch a čítať v sci-fi knižkách. Problémom však je, že tieto filmy a knižky používajú termín červia diera a Einstein-Rosenov most ako synonymá. To však nie je pravdou. Ako môžeme vidieť, Einstein-Rosenov most spája dva "paralelné", zrkadlové vesmíry. Ak by sme teda mali niekde v našom vesmíre Einstein-Rosenov most(čo vďaka tomu, že je Schwarzschildovo riešenie idealizácia, ako sme už diskutovali, nie je možné) a rozhodli by sme sa ho prekročiť, rozhodne by nás nedostal do inej oblasti nášho vesmíru, ale do paralelného iného vesmíru!

Ďalším zaujímavým faktom je, že Einstein-Rosenov most nie je pre hmotné častice priechodzí! Keďže táto červia diera má horizont udalostí, každá častica s hmotnosťou, ktorá do nej vstúpi, je hneď priťahovaná čiernou dierou "v budúcnosti" a končí v singularite na vrchu diagramu. Pretože v strede diagramu, v bode, kde sa stretáva horizont aj antihorizont je stále gravitácia taká silná, že úniková rýchlosť z tohoto bodu do ktoréhokoľvek z dvoch vesmírov je väčšia ako rýchlosť svetla, a žiadna hmotná častica nemôže letieť rýchlejšie, ako rýchlosť svetla. Jediná častica, ktorý môže prejsť medzi týmito dvoma vesmírmi, je častica nehmotná, ako napríklad svetlo, ktorá cestuje pozdĺž horizontu/antihorizontu udalostí. Toto svetlo však aj tak nikdy z horizontu nevystúpi, čiže komunikácia medzi týmito dvoma vesmírmi je v konečnom dôsledku nemožná.

Rotujúce čierne diery

Pri rotujúcich čiernych dierach nastáva komplikácia. Rotáciou sa čierna diera totiž deformuje.

Deformácia rotujúcej čiernej diery. Znázornené sú dva horizonty udalostí a tzv. ergosféra - oblasť, kde objekty nemôžu stáť relatívne k vonkajšiemu veľmi(nekonečne) vzdialenému stojacemu pozorovateľovi
Deformácia rotujúcej čiernej diery. Znázornené sú dva horizonty udalostí a tzv. ergosféra - oblasť, kde objekty nemôžu stáť relatívne k vonkajšiemu veľmi(nekonečne) vzdialenému stojacemu pozorovateľovi (zdroj: Autor:Yukterez (Simon Tyran, Vienna) (Own work) [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)], cez Wikimedia Commons)

Dokonca nám riešenie Einsteinových rovníc dáva dva horizonty udalostí. Vďaka tejto komplikácii je aj analytické pokračovanie v nových súradniciach podobných tým kruskal-szekeresových komplikovanejšie. V tomto prípade nám nedá iba dva paralelné vesmíry, ale vďaka tomu, že máme dva horizonty udalostí, nám riešenie dáva dokonca nekonečne veľa paralelných vesmírov. Ilustruje to následujúci, tzv. Penroseho diagram:
 

Penroseho diagram Kerrovej čiernej diery.
Penroseho diagram Kerrovej čiernej diery. (zdroj: Autor: Andrew Hamilton - http://casa.colorado.edu/~ajsh/bhtalk_07/penrose_rn.html)

Znova ale, červia diera nie je pre častice, ktoré môžu letieť maximálne rýchlosťou svetla priechodzia.

Samozrejme ale, aj Kerrova čierna diera je idealizáciou. Skutočná červia diera by musela vznikať neznámym spôsobom. Keďže všeobecná relativita zlyháva na kvantovej úrovni, hypotetizuje sa, že červie diery by mohli vznikať vďaka kvantovým efektom. Existujú aj hypotézy, že štruktúra priestoru na mikroskopickej úrovni obsahuje malé červie diery, ktoré spôsobujú efekty známe v kvantovej mechanike. Tieto hypotézy sú však založené na hypotézach a novej fyzike, ktorú nepoznáme. V podstate argumenty pre ne sú vo svete "mágie". Faktom zostáva, že červie diery, nie to ešte priechodzie červie diery, sme ešte nedetekovali.

Sú aj pochybnosti, či červie diery niekedy aj budeme detekovať. Aby bola červia diera priechodzia, nesmela by mať horizont udalostí. Naviac, aby vznikla, potrebovali by sme na ňu exotickú hmotu, ktorá by nepôsobila na klasickú hmotu gravitačnou interakciou príťažlivo, ale odpudivo. Žiadnu takúto hmotu nepoznáme. 

Argument pre gravitačne odpudívú hmotu je ľahko demonštrovateľný na účinkoch čiernej vs. červej diery na svetlo. Klasická čierna diera pôsobí na svetlo ako spojná šošovka. Sústreďuje svetlo za červou dierou do jedného bodu. Je to dôsledok toho, že gravitácia je príťažlivá.

Ilustrácia gravitačnej šošovky - efektu gravitácie na svetlo.
Ilustrácia gravitačnej šošovky - efektu gravitácie na svetlo. (zdroj: Verejná doména, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=112602)

Ak by existovala červia diera, dá sa spočítať, že jej efekt na svetlo by bol opačný - fungovala by ako rozpylná šošovka. Je to pochopiteľné, ak si predstavíme, že červia diera je trojrozmerný objekt naproti tunelu, ktorý je objekt dvojrozmerný. V podstate všetko svetlo, ktoré do nej spadne z všetkých smerov skončí na druhej strane červej diery. Preto rozptyľuje svetlo z jednej strany červej diery na druhú. Či už spája dva body v tom istom vesmíre, alebo dva rozdielne vesmíry. Preto, keď normálna, príťažlivá hmota, svetlo priťahuje a pôsobí ako spojka, jediná možnosť, ako by gravitácia mohla pôsobiť ako rozptylka je, že by existovala hmota, ktorá normálnu hmotu odpudzuje.

Ďalší argument proti červým dieram je ten, že aby červia diera spájala dva body v tom istom vesmíre, musí byť ten vesmír správne zakrivený. Klasická ilustrácia s listom papieru nefunguje, pokiaľ list papieru nie je zložený. Tak isto náš vesmír by musel byť nejako "zložený". Inak by vzdialenosť cez červiu dieru nebola kratšia, ale dlhšia, ako cez "normálny priestor". Zakrivenie vesmíru je možné merať a ukazuje sa, že vesmír na najväčších škálach zakrivený nie je.

Michal Krištof

Michal Krištof

Bloger 
  • Počet článkov:  4
  •  | 
  • Páči sa:  0x

Študent fyziky, vášnivý cyklista, fotograf, karatista, milovník histórie, turista, občasný programátor. Na veci sa snažím pozerať čisto racionálne a pragmaticky. Študuje fyziku na Univerzite Karlovej v Prahe, spolupracuje s Ústavom Časticovej a Jadrovej Fyziky a Katedrou fyziky nízkych teplôt. Pracoval v CERNe, aktuálne pracuje na experimente BELLE v Japonsku, venuje sa Einsteinovej teórii relativity a časticovej fyzike. Zoznam autorových rubrík:  NezaradenéSúkromné

Prémioví blogeri

Iveta Rall

Iveta Rall

56 článkov
Lívia Hlavačková

Lívia Hlavačková

43 článkov
Adam Valček

Adam Valček

14 článkov
Jiří Ščobák

Jiří Ščobák

723 článkov
SkryťZatvoriť reklamu