teoria wszystkiego, ebooki
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
SPIS TREŚCI
WPROWADZENIE
5
WYKŁAD PIERWSZY
KONCEPCJE WSZECHŚWIATA
9
WYKŁAD DRUGI
ROZSZERZAJĄCY SIĘ WSZECHŚWIAT
19
WYKŁAD TRZECI
CZARNE DZIURY
37
WYKŁAD CZWARTY
CZARNE DZIURY NIE SĄ TAKIE CZARNE
55
WYKŁAD PIĄTY
POCZĄTEK I PRZEZNACZENIE WSZECHŚWIATA
71
WYKŁAD SZÓSTY
KIERUNEK CZASU
91
WYKŁAD SIÓDMY
TEORIA WSZYSTKIEGO
103
wykład trzeci
CZARNE DZIURY
Czarne dziury
39
T
ermin
czarna dziura
ma bardzo krótką historię. Został wpro-
wadzony w 1969 roku przez amerykańskiego naukowca Johna
Wheelera jako obrazowe przedstawienie koncepcji sięgającej co
najmniej 200 lat wstecz. Wówczas istniały dwie teorie dotyczące
światła. Jedna z nich głosiła, że składa się ono z cząstek, zaś druga,
że tworzą je fale. Dziś wiemy, że obydwie teorie były prawidłowe.
Z punktu widzenia dualizmu korpuskularno-falowego w mecha-
nice kwantowej światło jest postrzegane zarówno jako strumień
cząstek, jak i fala. Teoria falowej natury światła nie wyjaśnia,
w jaki sposób zachowuje się ono w polu grawitacyjnym. Jednak
gdyby światło składało się z cząstek, powinny one być przyciągane
siłą grawitacji tak samo jak kule armatnie, rakiety i planety.
John Michell, profesor z Cambridge, wykorzystał to założenie
w pracy opublikowanej w 1783 roku w czasopiśmie „Philosophical
Transactions of the Royal Society of London”. Wykazał w niej, że
gwiazda o odpowiednio dużej masie i gęstości miałaby tak silne
pole grawitacyjne, że światło nie mogłoby się z niego wydostać.
Światło wyemitowane z jej powierzchni nie dotarłoby zbyt daleko,
ponieważ zostałoby „ściągnięte” z powrotem przez siłę ciążenia.
Michell zasugerował, że we wszechświecie może istnieć duża liczba
takich gwiazd. Choć nie możemy ich zobaczyć, ponieważ ich
światło nie dociera do nas, wciąż możemy obserwować ich od-
działywanie grawitacyjne. Takie obiekty nazywamy dziś czarny-
mi dziurami, ponieważ tym właśnie są — ciemnymi otchłaniami
w przestrzeni kosmicznej.
Kilka lat później z podobnym przypuszczeniem wystąpił nieza-
leżnie od Michella francuski naukowiec, markiz de Laplace. Co
ciekawe, wyraził je tylko w dwóch pierwszych wydaniach swojej
książki
System świata
, a usunął z późniejszych edycji, być może
uznawszy, że to zbyt szalona koncepcja. W rzeczywistości trak-
towanie światła w taki sam sposób jak kul armatnich z punktu
widzenia teorii grawitacji Newtona okazuje się nie do końca pra-
widłowe, ponieważ prędkość światła jest niezmienna. Kula armatnia
Teoria wszystkiego, czyli krótka historia wszechświata
40
wystrzelona pionowo do góry będzie leciała coraz wolniej, aż
w końcu zatrzyma się i zacznie spadać. Jednak foton musi lecieć
cały czas z taką samą prędkością. Jaki wpływ na światło ma za-
tem siła ciążenia? Spójna teoria wpływu grawitacji na światło
pojawiła się dopiero w 1915 roku, kiedy Einstein przedstawił
swoją ogólną teorię względności. Mimo to musiało upłynąć jeszcze
sporo czasu, zanim odkryto jej implikacje dla gwiazd o dużej masie.
Aby zrozumieć, w jaki sposób powstaje czarna dziura, musimy
najpierw zapoznać się z cyklem życia gwiazd. Gwiazda powstaje
wtedy, gdy duża chmura gazu — głównie wodoru — zaczyna się
kurczyć pod wpływem własnej grawitacji. Kiedy jej objętość się
zmniejsza, atomy gazu zderzają się ze sobą coraz częściej i z coraz
większymi prędkościami, a gaz się rozgrzewa. W końcu staje się
tak gorący, że kiedy atomy wodoru zderzają się ze sobą, nie od-
bijają się, lecz łączą się w atomy helu. Ciepło uwolnione w czasie
tej reakcji, przypominającej kontrolowany wybuch bomby wodo-
rowej, sprawia, że gwiazda świeci. Przyczynia się również do zwięk-
szenia ciśnienia gazu, które w pewnym momencie zaczyna rów-
noważyć siłę grawitacji, dzięki czemu gwiazda przestaje się kurczyć.
Przypomina nieco balon, w którym zachowana jest równowaga
między ciśnieniem wypełniającego go powietrza, które stara się
powiększyć balon, a naprężeniem gumowej powłoki, które pró-
buje go zmniejszyć.
Gwiazdy pozostają w takiej równowadze przez długi czas, dopóki
ciepło pochodzące z reakcji nuklearnych równoważy przyciąga-
nie grawitacyjne. W końcu jednak zapasy wodoru i innych paliw
jądrowych wyczerpują się. Jak na ironię, im więcej paliwa gwiaz-
da ma na początku, tym szybciej się ono kończy. Dzieje się tak
dlatego, że im większa jest masa gwiazdy, tym wyższej tempera-
tury potrzeba do zrównoważenia przyciągania grawitacyjnego,
a im wyższa musi być temperatura gwiazdy, tym szybciej spala
ona swoje paliwo. Słońce prawdopodobnie ma zapas paliwa wy-
starczający na około pięć miliardów lat, ale większe gwiazdy
[ Pobierz całość w formacie PDF ]