Fizyczny Nobel 2020 na orbicie czarnej dziury
Brytyjski fizyk Roger Penrose oprócz dziedziny, za którą został nagrodzony, jest znany z wielu zainteresowań i odkryć. Jest m. in. autor twierdzenia o uwięzieniu dotyczącego ruchu po hiperpowierzchni w przestrzeni fazowej. Znany jest podejmowania prób podejścia do kwantowej grawitacji za pomocą teorii twistorów.
Jego zdaniem, niezbędna jest nowa teoria kwantów, uwzględniająca grawitację, eliminująca trudności interpretacyjne. Należy do krytyków teorii superstrun, interpretacji Everetta mechaniki kwantowej oraz koncepcji inflacji kosmicznej. Zdaniem Penrose’a, do wyjaśnienia zjawiska świadomości konieczne jest odwołanie się do zjawisk występujących na poziomie kwantowym w mózgu. Wspólnie ze Stuartem Hameroffem opracował nawet kwantową teorię świadomości.
Osobliwość jako konsekwencja teorii Einsteina
W roku 1916 Albert Einstein opublikował podstawy ogólnej teorii względności. Teoria ta będąca relatywistycznym opisem zjawiska grawitacji była później rozwijana przez wielu badaczy. Posłużyła za podstawę opisu zjawisk dotyczących zapadania grawitacyjnego, a zatem również powstawania czarnych dziur.
Konsekwencją ogólnej teorii względności jest twierdzenie o osobliwościach, które zostało udowodnione przy współpracy Rogera Penrose’a i Stephena Hawkinga w 1969 roku. Wykazuje ono m.in. konieczność istnienia takiego punktu w czasoprzestrzeni, w którym krzywizna jest nieskończona oraz tego, iż Wszechświat się z niego począł. Do odkrycia twierdzenia o istnieniu osobliwości przyczyniły się badania naukowców w latach 60. XX wieku, których tematem była osobliwość w ujęciu geometrycznym. Z powodu trudności ze zdefiniowaniem samej osobliwości przyjęto, że są to brzegi czasoprzestrzeni.
W 1965 Penrose udowodnił, iż zapadanie grawitacyjne (bez względu na stopień jego symetryczności) prowadzi do osobliwości. Wykorzystał to Hawking, który w tym samym roku dowiódł występowania osobliwości w dużej liczbie modeli kosmologicznych o ujemnej krzywiźnie grawitacyjnej. W niedługim czasie przebadał ze swoim współpracownikiem George’em Ellisem modele o jednorodnej przestrzeni. W tym czasie pojawiło się wiele nowych teorii na temat osobliwości, wśród których największe znaczenie ma praca Penrose’a i Hawkinga pt. "Osobliwości w kolapsie grawitacyjnym i kosmologii" z 1970 r. Odkrycia w niej zawarte twierdziły, iż osobliwość wynika z matematycznej struktury ogólnej teorii względności (a nie jak wcześniej uważano: z przyjmowania uproszczonych założeń).
Osobliwość w rozwiązaniach równań pola Einsteina to jedna z dwóch opcji: sytuacja, w której materia jest ściśnięta do obszaru punktu (przestrzenna osobliwość) lub sytuacja, w której promienie światła pochodzą z obszaru o nieskończonej krzywiźnie (czasopodobna osobliwość). Przestrzenne osobliwości są cechą nierotujących czarnych dziur, podczas gdy czasopodobne pojawiają się w wirujących bądź posiadających ładunek elektryczny rozwiązaniach. Oba rodzaje posiadają pewną właściwość, nazywaną geodezyjną niekompletnością, co objawia się m. in. tym, iż pewne cząstki światła lub materii nie mogą przejść poza określony czas lub parametr.
Teoria Penrose’a gwarantuje, że pewien rodzaj geodezyjnej niekompletności pojawia się wewnątrz każdej czarnej dziury, gdy materia spełnia odpowiednie warunki energetyczne. Warunek energetyczny wymagany dla teorii osobliwości czarnej dziury jest słaby, mówi bowiem, że promienie są zawsze skupione przez grawitację i jest ważny zawsze, gdy energia materii nie jest ujemna.
Teoria Penrose’a różni się od teorii Hawkinga i jest uważana za bardziej restrykcyjną, bowiem jest ważna tylko wtedy, gdy materia spełnia silniejszy warunek energetyczny, nazywany dominującym warunkiem energetycznym, co oznacza, że energia jest większa od ciśnienia. Podczas inflacji Wszechświat naruszył silniejszy dominujący warunek energetyczny (ale nie słaby warunek energetyczny), w związku z czym kosmologia inflacyjna unika osobliwości wielkiego wybuchu zamieniając go na gładki początek.
Są tylko kąty
Roger Penrose poza kwantową koncepcja świadomości jest również autorem innych ciekawych, nieco egzotycznych teorii, np. konforemnej kosmologii cyklicznej (Conformal Cyclic Cosmology), opartej m. in. na geometrii konforemnej, która operuje wyłącznie na pojęciu kąta odrzucając kwestię odległości. Wielki i mały trójkąt są w tym systemie nieodróżnialne, jeśli mają takie same kąty między bokami. Linie proste nie dają się odróżnić od okręgów.
W czterowymiarowej czasoprzestrzeni Einsteina oprócz trzech wymiarów występuje także czas. Geometria konforemna rezygnuje nawet z tego. A to doskonale pasuje do teorii kwantowej zgodnie z którą czas i przestrzeń mogą być złudzeniem naszych zmysłów. Mamy zatem tylko kąty, a ściślej mówiąc stożki świetlne, czyli powierzchnie po których rozchodzi się promieniowanie. Ściśle określona jest też prędkość światła, gdyż mówimy tutaj o fotonach. Matematycznie taka ograniczona geometria wystarcza do opisu fizyki, o ile nie zajmuje się obiektami obdarzonymi masą. A Wszechświat po Wielkim Wybuchu składał się wyłącznie z wysoko energetycznych cząstek będących w istocie promieniowaniem. Ich masa prawie w 100 proc. była zamieniona w energię, zgodnie z podstawowym wzorem Einsteina E=mc².
Pomijając więc masę przy pomocy geometrii konforemnej możemy pokazać sam proces kreacji Wszechświata, a nawet jakiś okres przed tą kreacją. Trzeba jeszcze tylko uwzględnić grawitację występującą w stanie minimalnej entropii, czyli w wysokim stopniu uporządkowania. Znika nam wtedy owa osobliwość Wielkiego Wybuchu, a początek Wszechświata jawi się po prostu, jako regularny brzeg pewnej czasoprzestrzeni.
Czwarta kobieta
Kolejny laureat, niemiecki astrofizyk Reinhard Genzel zajmuje się astronomią w zakresie promieniowania podczerwonego i submilimetrowego. On i jego grupa jako pierwsi podjęli obserwacje ruchów gwiazd w centrum Drogi Mlecznej (Strzelec A*) i pokazali, że orbitują one wokół bardzo masywnego obiektu, prawdopodobnie czarnej dziury (zobacz także: Galaktyki i warkocze). Nad potwierdzeniem, że chodzi o czarną dziurę pracował z trzecią tegoroczną laureatką, Andreą Ghez, amerykańską astronom z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles.
Korzystając z największych teleskopów świata, Genzel i Ghez wypracowali technikę obserwacji i detekcji pozwalającą wejrzeć przez chmury międzygwiazdowego gazu i pyłu do centrum Drogi Mlecznej. Innowacje w dziedzinie obserwacji pozwoliły im skompensować zniekształcenia powodowane przez ziemską atmosferę, i przeprowadzić długoterminowe badania. Dzięki temu dostarczyli najbardziej przekonujących dowodów na istnienie supermasywnej czarnej dziury w centrum Drogi Mlecznej.
Andrea Ghez jest zarazem czwartą w historii Nobla kobietą, która zdobyła nagrodę w dziedzinie fizyki, po Marii Skłodowskiej-Curie (1903 r.), Marii Goeppert Mayer (1963 r.) oraz Donny Strickland (2018 r.).
Bardzo stary i bardzo przegrany zakład
Tegoroczna decyzja Komitetu Noblowskiego jest sporym zaskoczeniem, gdyż już drugi rok z rzędu wyróżniona zostaje szeroko pojęta dziedzina "kosmiczna" czy też "kosmologiczna". W 2019 r. Noble zostały przyznane Szwajcarom Michelowi Mayorowi i Didierowi Quelozza, którzy w 1995 r. dokonali odkrycia pierwszej egzoplanety, okrążającej gwiazdę podobną do Słońca w naszej galaktyce oraz Jamesowi Peeblesowi za badania kosmologiczne.
Znając zwyczaje szwedzkich akademików, zakładano, że w tym roku skierują swoją uwagę na inną dziedzinę badań fizycznych, np. na mechanikę kwantową, badania nad nadprzewodnictwem lub inne odkrycia w dziedzinie fizyki ciała stałego. A jednak znów mamy astrofizykę i kosmologię. Przy czym wszystkie tegoroczne nagrody dotyczą czarnych dziur (4).
Być może za rok przyjdzie czas na kwanty lub nadprzewodniki. Raczej na pewno nie możemy oczekiwać, że nagrodzona zostanie jakakolwiek "teoria wszystkiego" np. aspirująca do tego miana teoria superstrun (którą nota bene tegoroczny laureat Roger Penrose zdecydowanie odrzuca). I stara przepowiednia z liczącego nieomal dwie dekady zakładu, przegranego ostatecznie właśnie w tym, 2020 roku, przez Michio Kaku, nie straci na obowiązującej aktualności.
O czym mowa? Otóż w 2002 doszło do publicznego zakładu pomiędzy amerykańskim dziennikarzem naukowym Johnem Horganem (5) a Michio Kaku (6), fizykiem i znanym popularyzatorem nauki. Zakład dotyczy twierdzenia Horgana: "Do 2020 roku nikt nie zdobędzie Nagrody Nobla za pracę nad teorią superstrun, teorią membran, czy jakąś inną zunifikowaną teorią opisującą wszystkie siły natury".
Kaku nie zgodził się z nim i postawił dwa tysiące dolarów na tezę przeciwną, czyli jak należy rozumieć, na Nobla za superstruny i unifikację przed upływem tego czasu. Choć formalnie czas trwania zakładu jeszcze nie upłynął, za zwycięzcę już teraz uznaje się Johna Horgana, gdyż w ubiegłym roku fizyczny Nobel został przyznany za odkrycia w dziedzinie kosmologii i kolejną nagrodę za dokonania w podobnym obszarze nauki uznaje się za skrajnie nieprawdopodobną. Dwa tysiące dolarów zostanie prawdopodobnie przeznaczone na American Friends Service Committee.
Warto zacytować fragmenty argumentacji obu panów opublikowane w 2002 roku przy zawieraniu zakładu.
"Jurorzy Nagrody Nobla zawsze byli przywiązani do dowodów eksperymentalnych", pisał Horgan. "Marzenie o jednolitej teorii, którą niektórzy nazywają "teorią wszystkiego", nigdy nie zostanie całkowicie porzucone. Przewiduję jednak, że w ciągu najbliższych dwudziestu lat przedsięwzięcie, które niesie ze sobą niewiele nadziei na empiryczną zapłatę nie przyciągnie wielu inteligentnych młodych fizyków. Większość fizyków pogodzi się z tym, że natura może nie podzielać naszej pasji do jedności. Fizycy opracowali już teorie, mechanikę newtonowską, mechanikę kwantową, ogólną względność, dynamikę nieliniową, które sprawdzają się wyjątkowo dobrze w pewnych dziedzinach i nie ma powodu, dla którego miałaby istnieć jedna teoria, która uwzględniałaby wszystkie siły natury. (…) Oczywiście, byłbym zachwycony, gdybym przegrał ten zakład".
Kaku pisał tak: "W ciągu kilku lat Wielki Zderzacz Hadronów, największy akcelerator cząstek na Ziemi, zostanie włączony pod Genewą w Szwajcarii. Może być w stanie znaleźć cząstki lub supercząstki (…) Może się okazać, że niewidzialna ciemna materia, która stanowi 90 proc. materii we wszechświecie, składa się z takich cząstek jak fotino. Może to również zweryfikować teorię strun. (…) W tej dekadzie detektory fal grawitacyjnych powinny być w stanie rejestrować fale uderzeniowe pochodzące od zderzających się czarnych dziur, co może ujawnić pierwszą kwantową korektę do pierwotnej teorii Einsteina z 1915 roku. Te poprawki kwantowe można porównać do tych przewidywanych przez teorię strun. (…) W ciągu 20 lat NASA planuje wysłać w przestrzeń kosmiczną trzy detektory fal grawitacyjnych. Powinny one być wystarczająco czułe, aby odebrać fale uderzeniowe z samego Wielkiego Wybuchu, który powstał ułamek sekundy po chwili ich powstania. Powinno to być w stanie udowodnić lub obalić teorię strun. (…) Ponieważ teoria strun notuje cudowne przełomy co 8 do 10 lat, możemy spodziewać się 2 kolejnych przełomów w tej teorii przed 2020 r., a więc być może do tego czasu uda nam się ją rozwiązać. Być może ktoś czytający ten zakład zostanie zainspirowany do pełnego matematycznego rozwiązania tej teorii. Może wtedy ta osoba otrzyma telefon od Szwecji".
Gdy czyta się te słowa Michio Kaku sprzed 18 lat, to jasno widać, dlaczego przegrał zakład. Wiele z przewidywanych przez niego rzeczy nie miało miejsca, a nawet jeśli miały, to później niż się spodziewał i nie przyniosły takich rezultatów, jak przewidywał. A teoria strun leży sobie spokojnie, gdzieś na uboczu fizyki, nie nękana "telefonami ze Szwecji", jak się czasem mówi o sposobie informowania noblistów o tym, że zostali laureatami.
Mirosław Usidus
