Czarne dziury to obiekty zbudowane z czystej grawitacji. A grawitacja – jak nas nauczył Einstein – to geometria. Czyż to nie fascynujące?

Z drugiej strony czarne dziury są na tyle proste, że do ich opisu wystarczą dwie liczby: masa i moment pędu.

A „z trzeciej strony” być może będą mogły nam opowiedzieć o tajemnicach samych początków Wszechświata. – Sądzimy, że znane nam czarne dziury powstały w wyniku zapadnięcia się jąder bardzo masywnych gwiazd. Ale nie ma dowodu, że wszystkie zostały utworzone w ten sposób – mówi w Radiu Naukowym prof. Jean-Pierre Lasota, astrofizyk i autor książki „Droga do czarnych dziur”. – Jest możliwe, że przynajmniej niektóre są pozostałościami po zaburzeniach z prawie samego początku ekspansji Wszechświata. Jeżeli tak jest i jeśli będziemy umieli to wykazać, to da nam bardzo istotne informacje, bo nie w każdych warunkach takie czarne dziury mogą powstać – dodaje.

Prof. Lasota bada czarne dziury od początku swojej pracy naukowej. Były tematem jego pracy doktorskiej z lat 60. – Prof. Trautman zaproponował mi dwa tematy: równania ruchu w Ogólnej Teorii Względności albo wtedy nowy: astrofizykę relatywistyczną, zapadanie się grawitacyjne… nawet chyba nie powiedział o czarnych dziurach, bo to określenie jeszcze nie funkcjonowało – wspomina. Prof. Lasota wybrał ten drugi, ambitniejszy temat.

W „Drodze do czarnych dziur” wyjaśnia, jak te obiekty działają.  – Starałem się zrobić to w sposób jak najprostszy. Z punktu widzenia kogoś, kto zna fizykę ze szkoły, to nie powinno być aż tak skomplikowane – mówi autor. Radio Naukowe objęło książkę patronatem medialnym.

Rozmawiamy również o promieniowaniu Hawkinga i kłopotach teoretycznych z nim związanych, o temperaturze czarnych dziur, o tym, czy są to obiekty wieczne oraz czy matematyczne rozwiązanie opisujące obracające się czarne dziury jako portale do innych Wszechświatów może mieć odzwierciedlenie w rzeczywistości. Polecam!

TRANSKRYPCJA

Jean-Pierre Lasota: Jeżeli czarna dziura się obraca, to rozwiązanie matematyczne pokazuje, że ta osobliwość ma formę takiego pierścienia. I można nie wpadając do tego pierścienia, przedostać się do innego Wszechświata.

Karolina Głowacka: Oczywiście to nie jest takie proste, bo rozwiązanie matematyczne opisujące czarną dziurę jako portal do innych Wszechświatów niekoniecznie jest, jak to mówią naukowcy, fizyczne. Jak to sprawdzić? Zapraszam was do odcinka, w którym poszukamy prawdziwej natury czarnych dziur, dowiemy się, czy są gorące i czy będą istnieć wiecznie. Nazywam się Karolina Głowacka, to jest Radio Naukowe – podcast, który działa i rozwija się dzięki wsparciu patronek i patronów w serwisie Patronite. Zapraszam do dołączenia. Odcinek numer dziewięćdziesiąt trzy. Zaczynamy.

K.G.: Radio Naukowe ma przyjemność gościć profesora Jean-Pierre’a Lasotę – fizyka teoretyka, astrofizyka, profesora honorowego w Instytucie Astrofizyki w Paryżu oraz profesora zwyczajnego w Centrum Astronomicznym im. Mikołaja Kopernika Polskiej Akademii Nauk w Warszawie. Dzień dobry.

J.P.L.: Dzień dobry, dzień dobry, Karolino.

K.G.: Profesor Jean-Pierre Lasota jest również – mogę tak powiedzieć – moim starym dobrym znajomym. Napisaliśmy wspólnie dwie książki – Czy Wielki Wybuch był głośny? oraz Kłopoty z Eureką. O co kłócą się fizycy?, a spotykamy się przy okazji kolejnej książki Jean-Pierre’a – Droga do czarnych dziur, wydawnictwo Copernicus Center Press. Radio Naukowe objęło patronatem medialnym tę właśnie książkę. Droga do czarnych dziur to jest bardzo uczciwa książka. Tak bym ją określiła, ponieważ wyraźnie i dokładnie tłumaczysz, o co w tym fenomenie czarnych dziur chodzi. No właśnie, czarne dziury – można powiedzieć, że zjadłeś na nich zęby. Chociaż nigdy żadnej nie spotkałeś, badasz je od lat. Ale powiedz, czy czarne dziury w ogóle są ekscytujące, czy raczej proste w swojej naturze?

J.P.L.: Przede wszystkim chciałem powiedzieć, że coś prostego może być bardzo ekscytujące. Jedno drugiego nie wyklucza. Wręcz przeciwnie – jak coś jest bardzo skomplikowane, to trudno, żeby było ekscytujące. Więc one są proste, ale zawierają w tej swojej prostocie olbrzymie ilości informacji. Badanie czarnych dziur dla astrofizyka – bo ja o tym aspekcie chcę przede wszystkim mówić, to jest moje zajęcie – to jest troszkę jak praca archeologa. Jest prosta. Jak archeolog znajduje skorupkę z jakąś tam linią, to jest bardzo proste.  A potem czytasz książki – bo artykułów archeologicznych na ogół nie czytam – i z tego się nagle odbudowuje całą cywilizację. Archeologowie odkrywają jakąś kość albo kawałek szczęki. I z tego kawałka szczęki potrafią odtworzyć cały szkielet, a nawet całe zwierzę czy któregoś tam z naszych licznych skomplikowanych przodków, czy neandertalczyków. Oczywiście nie robią tego z jednego zęba czy z jednej szczęki, czy z jednej skorupy. Znajdują skorupy w różnych miejscach, odbudowują. Tak samo jest z czarnymi dziurami – nie jest tak, że jest jedna czarna dziura we Wszechświecie. Są przeróżne, obserwowane w różnych sytuacjach i na podstawie właściwości tych czarnych dziur można odtworzyć historię ewolucji gwiazd, a nawet może się okazać, że będzie można odtworzyć część początkowych momentów ekspansji Wszechświata. Więc w prostocie może się kryć olbrzymia ilość informacji. I teraz czy to jest ekscytujące? Jeżeli ktoś chce wiedzieć, skąd się wzięliśmy, co było na początku Wszechświata, skąd się wzięły gwiazdy, jak ewoluowały, to to jest bardzo ekscytujące.

K.G.: Ale poczekaj, poczekaj. Bo czym się mogą między sobą różnić czarne dziury? Chyba tylko rozmiarem. A ty mówisz, że są różne.

J.P.L.: Przede wszystkim mogą się różnić rozmiarem, czyli masą, bo masa to jest rozmiar, oraz ilością obrotu. Nazywamy to momentem pędu albo troszkę nieściśle spinem czarnej dziury. I teraz właśnie na podstawie tych dwóch liczb, bo to są tylko dwie liczby, i tego, w jakiej sytuacji te czarne dziury się znajdują – czy taka dziura znajduje się w centrum galaktyki, czy też jest w parze z inną czarną dziurą, jak teraz obserwujemy fale grawitacyjne – z tego właśnie można wyciągnąć bardzo dużo wniosków na te tematy, o których mówiłem.

K.G.: Ale co czarne dziury mogą nam powiedzieć o jakichś początkowych momentach Wszechświata? Powiedziałeś coś takiego.

J.P.L.: Powiedziałem „może”. Bo może istnieją – ale tego nie wiemy – tzw. pierwotne czarne dziury. Te czarne dziury, które znamy, myślimy, że one powstały w wyniku zapadnięcia się jąder bardzo masywnych gwiazd. Wiemy, jak to działa, są modele niewystarczająco jeszcze dokładnie przewidujące ewolucję takich masywnych gwiazd, ale wszystkie modele, to, co wiemy w ogóle o gwiazdach, przewiduje to, że w końcu powstanie, zawsze powstaje tzw. ciało zwarte i jest to albo biały karzeł, albo gwiazda neutronowa. A jeżeli gwiazda jest bardzo masywna, to musi być to czarna dziura. Ale nie ma dowodu na to, że te czarne dziury, które obserwujemy w falach grawitacyjnych, utworzone zostały w wyniku zapadnięcia się jąder masywnych gwiazd. Jest możliwe, że przynajmniej niektóre – bo chyba nie wszystkie – nie powstały w wyniku zapadnięcia się gwiazd, ale są pozostałościami po takich zaburzeniach prawie na samym początku ekspansji Wszechświata. Nazywa się je pierwotnymi czarnymi dziurami. I jest możliwe, że niektóre z tych czarnych dziur albo par czarnych dziur pochodzą właśnie z tych bardzo wczesnych okresów ekspansji Wszechświata. Jeżeli tak jest, jeżeli będziemy umieli to wykazać, to wtedy to będzie zawierało bardzo istotne informacje właśnie na temat tych pierwotnych, pierwszych momentów ekspansji Wszechświata, bo nie w każdych warunkach takie czarne dziury mogą powstać. Niektórzy ci powiedzą, że w ogóle nie mogą powstać.

K.G.: To jak można odróżnić takie czarne dziury pierwotne od niepierwotnych, skoro mówisz, że czarną dziurę opisują w zasadzie tylko dwie liczby?

J.P.L.: No więc właśnie to jest ta główna trudność. W tej chwili jeszcze tego nie potrafimy, ale np. można by to zrobić przez eliminację. Wygląda na to i wierzy się w to, że czarne dziury powstają w wyniku ewolucji gwiazd. Z tego wynikają bardzo specjalne właściwości tych układów podwójnych, rozkład ich mas, rozkład ich spinów. I teraz jak będziemy mieli w przyszłości dużo większą liczbę – w tej chwili mamy dużo, mamy jakąś setkę takich par – ale jak będziemy mieli dziesiątki tysięcy, jeżeli się jeszcze ulepszy nasze rozumienie teoretyczne ewolucji gwiazd, to będzie można powiedzieć: ten podzbiór czarnych dziur nie mógł powstać w wyniku ewolucji gwiazd, bo ma takie i takie właściwości, które się nie zgadzają. To wszystko zawsze będzie statystycznie powiedziane – z dużym prawdopodobieństwem one nie mogły powstać. Wobec tego zobaczmy, czym one się różnią od innych. Bo wydaje się, że są tylko dwie liczby. Jak masz parę gwiazd, to są cztery liczby, ale to nie są tylko liczby, bo spiny mają kierunek. I ten kierunek jest bardzo ważny. Właśnie to, w którym kierunku jest kierowana oś obrotu, mówi nam coś o ewolucji tej gwiazdy. Tak że to pozornie są dwie liczby, ale to troszkę mylące, bo kierunek spinu też się liczy. W sumie niektórzy ludzie nawet teraz twierdzą, piszą prace na ten temat, mówią: już wiemy, że dwadzieścia procent czarnych dziur jest pierwotnych, pięćdziesiąt procent jest takich i takich. W to nie należy wierzyć. To są ludzie, którzy albo nie rozumieją, co piszą, albo rozumieją, ale chcą, żeby o nich było głośno czy coś takiego. W tej chwili nie możemy tego zrobić, nie mamy wystarczających obserwacji, a przede wszystkim nie rozumiemy wystarczająco dobrze tego, jak ewoluują masywne gwiazdy.

K.G.: Mówiliśmy o tym, że czarne dziury są ekscytujące i jednocześnie proste, bo są one zbudowane z czystej grawitacji. Tym są, prawda? Czyli czym, czym jest grawitacja?

J.P.L.: Jeżeli coś ci teraz spadnie ze stołu, to to będzie wskutek grawitacji. Jak powiem ci, że to jest oddziaływaniem, to oczywiście się skrzywisz i słusznie, chociaż to o to chodzi. Grawitacja jest czymś, co przyciąga. To coś w fizyce się opisuje, jest takie słowo „pole”, które się kojarzy z polem i dobrze, bo tak jak na polu rośnie zboże, tak pole w fizyce znaczy, że w każdym punkcie przestrzeni jest coś, co reprezentuje to coś, co jest polem. Więc to może być wektor, jeżeli to jest pole elektromagnetyczne. To jest coś bardziej skomplikowanego niż wektor, jeżeli to jest grawitacja. Ale to jest to, że w każdym punkcie przestrzeni jest coś, co oddziałuje na coś, w przypadku grawitacji przyciąga. Wiemy, że wszystko, co ma masę albo energię – to jest to samo, zgodnie z teorią względności – wytwarza grawitację. Grawitacja też ma energię. Wobec tego grawitacja wytwarza samą siebie. To matematycznie przejawia się w tym, że równania Einsteina są, jak mówimy, nieliniowe. Grawitacja może wytworzyć samą siebie. I teraz czysta grawitacja w przypadku czarnej dziury to jest troszkę oszukiwanie oczywiście, bo nie mamy do tego dotarcia, ale tam gdzieś w środku jest to źródło czarnej dziury, które znamy. One powstały z zapadnięcia się gwiazd. Więc jest ta materia, która się zapadła, znikła za horyzontem, zostawiła czystą grawitację, troszkę tak jak ten kot z Alicji w Krainie Czarów, który znika i zostaje z niego uśmiech. Czarna dziura to jest uśmiech tego kota. I to nie ja wymyśliłem, to wymyślił Hermann Bondi – bardzo wybitny znawca grawitacji, uczony, który wymyślił to w czasach, kiedy mu się czarne dziury nie podobały. Powiedział, że to jest absurdalne, to jest właśnie tak, jakby z tego kota został czysty uśmiech. W pewnym sensie to jest dobra analogia. To jest ten uśmiech, który został, a kot gdzieś tam być może jest, ale nie mamy do niego dotarcia.

K.G.: Ale ty wyraźnie piszesz też w książce, że grawitacja to jest geometria. Co to znaczy?

J.P.L.: Tak, to jest wielkie odkrycie Einsteina, że grawitacja determinuje, wyznacza geometrię czasoprzestrzeni. Nie tylko przestrzeni, ale całej czasoprzestrzeni, włącznie z czasem. To znaczy, że to, co robi grawitacja, determinuje, po jakich trajektoriach, po jakich liniach poruszają się np. ciała. W teorii Newtona istnieją linie proste. Można się poruszać po liniach prostych. W obecności grawitacji nie ma linii prostych. Wszystkie te linie są zakrzywione. Są odpowiedniki linii prostych, tzw. geodezyjne, ale wszystko jest wyznaczone przez grawitację. I to znaczy, że czasoprzestrzeń nie jest płaska. To znaczy, że w czasoprzestrzeni, w której jest grawitacja, nie istnieją dwie proste równoległe albo suma kątów w trójkącie nie wynosi sto osiemdziesiąt stopni. I okazuje się, że to, co nazywamy grawitacją, można opisać czysto geometrycznie.

K.G.: I czarna dziura to są takie zakrzywione do nieskończoności linie? Jak to sobie w takim razie wyobrażać? Jak to się łączy z czarną dziurą?

J.P.L.: To się łączy z czarną dziurą w ten sposób, że jest cały obszar czasoprzestrzeni, który jest niedostępny do obserwacji i to bez względu na to, jak się poruszamy, pozostając na zewnątrz. Takim najlepszym i pierwszym dowodem na to, że Einstein miał rację w sprawie grawitacji i geometrii, było zaobserwowanie w 1919 roku zakrzywienia promieni światła w pobliżu Słońca. Zamiast zgodnie z teorią Newtona poruszać się po prostych, okazało się, że bardzo lekko, ale się zakrzywiają. Wobec tego nie poruszają się tak jak w przestrzeni płaskiej, ale właśnie w przestrzeni zakrzywionej. Otóż czarna dziura to jest tak skrajna grawitacja, że to zakrzywienie jest tak wielkie, że niektóre promienie w ogóle nie mogą się wydostać z pobliża czarnej dziury.

K.G.: I stąd jest ten problem, że się nie można właśnie wydostać z czarnej dziury, że nikt nam nigdy nie opowie, co jest w środku.

J.P.L.: Możesz powiedzieć, co jest w środku, ale musisz tam się dostać, a jak się już tam dostaniesz, to nie możesz wrócić i nikomu tego powiedzieć. To jest taka absolutna tajemnica. Nie mówiąc o tym, że przypuszczalnie tam zginiesz okrutną śmiercią.

K.G.: À propos, no właśnie. Bo wiemy, że nie można się wydostać z czarnej dziury do naszego świata, ale czy można się wydostać do innego? Bo piszesz o takich rozwiązaniach w swojej książce.

J.P.L.: Tak, oczywiście to jest czysto teoretyczne. Jak mówimy ściśle o fizyce, no to nigdy nie możemy czegoś takiego sprawdzić. Ale matematycznie – przypuszczalnie nie fizycznie, zaraz powiem, dlaczego – jeżeli czarna dziura się obraca, tzw. czarna dziura Kerra, to rozwiązanie matematyczne pokazuje, że ta osobliwość, to miejsce, gdzie są nieskończone siły, tzw. nieskończona krzywizna, nieskończone gęstości, to wszystko, co jest straszne, ma formę takiego pierścienia. I można przejść przez środek tego pierścienia, nie wpadając do tego pierścienia i przedostać się do innego Wszechświata.

K.G.: Brzmi atrakcyjnie.

J.P.L.: Tak to wygląda matematycznie. I teraz czy to jest możliwe fizycznie? Przypuszczalnie nie dlatego, że jak zobaczysz, co z tego wynika, to się okazuje, że na pełnej powierzchni zbiera się nieskończona ilość światła. Można sobie wyobrazić, że nie można przejść do tego drugiego Wszechświata, bo jest nieskończona bariera i takie różne rzeczy. Więc matematycznie jest takie rozwiązanie, które pozwalałoby przejść do innego Wszechświata. Przypuszczalnie fizycznie to jest niemożliwe, ale też niemożliwe jest sprawdzenie tego. Więc jesteśmy już na granicy fizyki i science fiction.

K.G.: Dlaczego tak wyraźnie odróżniasz, że coś wynika z matematyki, ale niekoniecznie jest to fizyczne? To znaczy, skąd możesz wiedzieć o tym, które rozwiązanie matematyczne ma swoje odwzorowanie w rzeczywistości, a które nie?

J.P.L.: Na podstawie obserwacji i doświadczenia. Po prostu od razu widać, że niektóre rozwiązania nie pasują do rzeczywistości, bo opisują takie rzeczy, które przynajmniej w naszym Wszechświecie nie istnieją. To od razu widać. Inne rozwiązania mają pewne kłopoty, np. jest słynne rozwiązanie Gödela, które opisuje obracający się Wszechświat. To jest bardzo piękne rozwiązanie, które Kurt Gödel wymyślił czy znalazł jako prezent urodzinowy dla swojego przyjaciela Einsteina – takie są prezenty między geniuszami. Znajduje się tu rozwiązanie niesłychanie skomplikowanych równań. Ale Einstein był niezadowolony, wydawało mu się, że to jest bardzo niefizyczne, bo tam są zamknięte linie czasowe. Są możliwe takie życia, które widujemy w filmach – Powrót do przeszłości itd. Tu można by się cofać i wtedy są kłopoty, można zabić samego siebie albo swojego dziadka itd. Są te wszystkie paradoksy. To jest taki przykład dosyć skrajny. Rozwiązanie, które jest perfekcyjne matematycznie, ale wydaje się, że z punktu widzenia fizyki i logiki – Gödel był wielkim logikiem – jest niemożliwe. Mogą być rozwiązania, które opisują jakieś ciało, rozciągają się do nieskończoności w jakimś tam kierunku, a w innym nie itd. Takich rzeczy nie znamy. Więc tego typu rozwiązania odrzucamy jako niefizyczne. Są inne przykłady. Matematyka jest dużo, dużo bogatsza od naszego fizycznego świata i w ogóle jest cudem, że jakiekolwiek rozwiązania pasują do naszej rzeczywistości, nie wiadomo dlaczego. Ale tak jest i mamy szczęście, bo inaczej by nie było fizyki, nie byłoby pewnie cywilizacji, gdyby tak nie było. Ale to, że się znajduje rozwiązanie matematyczne jakichś równań, nie znaczy, że ono się do czegokolwiek nadaje, jeśli chodzi o reprezentację jakichś procesów fizycznych. Czasami jest jeszcze ciekawiej, bo się próbuje rozwiązać pewne zagadnienie i się znajduje rozwiązanie, które jest niefizyczne, ale się nagle okazuje, że w innej dziedzinie ono jest fizyczne, może coś opisywać.

K.G.: Czyli raczej nie wysłałbyś nikogo na taką misję do wnętrza obracającej się czarnej dziury, żeby sprawdził, czy da się wydostać do innego Wszechświata?

J.P.L.: Oj nie, mnóstwo ludzi bym wysłał. Takich, żeby nigdy nie wrócili. Mam ci podać przykłady? Władimir Putin.

K.G.: A czy czarne dziury są ciepłe, czy zimne?

J.P.L.: To jest kłopotliwe pytanie. Zależy jakie. Odpowiedź jest prosta. Ale zacznijmy od tego, bo chodzi ci o to, że Steven Hawking już kilkadziesiąt lat temu napisał pracę, w której wykazywał, że zakładając pewne rzeczy – bo to nie było takie zupełnie samo z siebie – w pewnych warunkach czarne dziury powinny promieniować. To wydaje się absurdalne, bo czarna dziura jest czymś, z czego nie można się wydostać, więc jak może promieniować. Ale to, co opisywał Hawking, to jest proces kwantowy. Można powiedzieć, że jest związany z zasadą nieoznaczoności, z tym, że nie można nigdy dokładnie określić, gdzie, powiedzmy, jakaś cząstka jest i jednocześnie dokładnie mierzyć jej prędkość czy tzw. pęd. Rzeczywistość w skali kwantowej jest rozmazana. I wobec tego, że jest rozmazana, to pojęcie horyzontu jako dokładnego miejsca, z którego nie można się wydostać, wydaje się nie mieć sensu, no bo jeżeli nie wiadomo dokładnie, gdzie jest ta cząstka, to nie wiadomo, czy ona jest nad horyzontem, czy pod horyzontem. I to jest proste określenie tego, co leży u podstaw promieniowania Hawkinga. W rzeczywistości to jest o wiele bardziej skomplikowane i tak naprawdę to wymagałoby stworzenia kwantowej teorii grawitacji, której nie mamy do dzisiaj. Albo mamy wiele możliwości, to znaczy, że nie mamy kwantowej teorii grawitacji. Więc trzeba pamiętać o tym, że nikt nigdy nie widział promieniowania Hawkinga. Ani nie zaobserwował, ani w doświadczeniu nie zostało to wykazane. Tak że tak naprawdę nie wiadomo, czy ono istnieje. Większość fizyków zajmujących się tymi sprawami się oburzy i powie, że oczywiście, musi być. Musi, nie musi – nie ma dowodu doświadczalnego. Fizyka jest nauką doświadczalną. Ale teraz załóżmy, że ono istnieje, że musi istnieć itd. W problemie Hawkinga jest ważne to, że nie wiadomo, czy istnieją małe czarne dziury.

K.G.: A co to jest mała czarna dziura?

J.P.L.: Taka, która ma masę góry albo twoją masę, nie astrofizyczną. Powiedzmy, masa Słońca albo dziesięć mas Słońca, albo sto mas Słońca. Ja nazywam je astrofizycznymi czarnymi dziurami. Tak że one mogą mieć ewentualnie jeszcze może np. masę Ziemi. Zgodnie z teorią Hawkinga ich promieniowanie jest malutkie, temperatura to są jakieś milionowe czy miliardowe stopnie. Taka czarna dziura jest oczywiście we Wszechświecie, który jest wypełniony kosmicznym promieniowaniem tła, które ma temperaturę około trzech stopni Kelwina. Mówimy oczywiście o temperaturze w porównaniu z zerem absolutnym. Taka czarna dziura, nawet jeżeli by chciała promieniować, to ona będzie połykać promieniowanie, bo jest coś niesłychanie zimnego otoczonego przez coś bardzo gorącego. No to wtedy, jak wiemy, ciepło przypływa z cieplejszego do zimniejszego, więc astronomiczne czy astrofizyczne czarne dziury nie tylko nie promieniują, ale na dodatek jeszcze absorbują promieniowanie. Bo taka jest ich natura. I wobec tego w tej naszej praktyce astronomicznej możemy kompletnie zapomnieć o promieniowaniu Hawkinga i o wypromieniowaniu czarnej dziury. Nie tylko nie promieniuje, ale jeszcze będzie nawet rosła w masie.

K.G.: To dlaczego jest takie zamieszanie wokół promieniowania Hawkinga? Czemu tyle się o tym mówi?

J.P.L.: Nie zauważyłem, żeby było zamieszanie. Jest zamieszanie, jak się za szybko o tym mówi. Jeżeli chodzi o fizykę, to w astronomii się w ogóle o tym nie mówi. Jest jeden wyjątek, o którym za chwilę powiem. Bo to jest nieważne. Teraz w skali mikro, w skali niedostępnej doświadczeniu, w skali jak się mówi o teoriach podstawowych, teorii superstrun, takich rzeczach, wtedy pojęcie czarnych dziur i ich promieniowania, i ich zamiany w inne rzeczy dzieje się nie w czterech wymiarach, tylko w dziesięciu czy jedenastu wymiarach – to jest w ogóle inna kategoria fizyki, bardzo spekulatywna. Wtedy entropia czarnej dziury, temperatura czarnej dziury gra rolę. Ale to jest w fizyce teoretycznej, tam może być zamieszanie, to nie jest moja sprawa, że tak powiem. Ja się tymi sprawami nie zajmuję.

Jest też trudność podstawowa, która jest związana jeszcze raz właśnie z mechaniką kwantową. Chodzi o to, że zgodnie z mechaniką kwantową informacja musi być zachowana. Mamy informację w postaci np. stanu fotonu. Mamy fotony, mieszamy, fotony mają jakieś tam wektory pola elektrycznego, magnetycznego itd. I teraz stworzymy taki stan kwantowy, i dopóki go nie dotkniemy przez zmierzenie tego, jaki on jest, to jego informacja musi być zachowana. Mechanika kwantowa się tak bezpośrednio kojarzy z tym, że nie ma determinizmu itd., ale to nie jest dokładnie tak. To się wszystko psuje, jak zaburzamy, jak dotykamy ten stan. Jak on jest nienaruszony, to informacja musi być zachowana. A teraz masz taki stan kwantowy, który wpada pod horyzont. Informacja znika razem z nim. To jest sprzeczne z mechaniką kwantową. Więc odpowiedź byłaby taka, że no tak, ale on wpada pod horyzont, więc w momencie przejścia pod horyzontem dzieje się coś, co jest zaburzeniem, które jest równoważne pomiarowi. Otóż tak nie jest. Jakbyś wpadała pod ten horyzont, to w samym momencie przejścia nie ma nic, nic się nie dzieje. Lokalnie, czyli w chwili i w miejscu, w którym przechodzisz, nie możesz tego sprawdzić. Przejście przez horyzont się niczym nie różni, to nie jest ekwiwalentne, równoważne pomiarowi. I to jest ta sprzeczność, którą ludzie badają. To jest ten paradoks informacyjny, o którym było mnóstwo w mediach, może ciągle jest. Ale jak żył Hawking, to czasami mówił, że jest ten paradoks, potem mówił, że go nie ma. Oczywiście cokolwiek Hawking mówił, to były to główne tytuły w gazetach i w telewizji, chociaż mało kto rozumiał, o co chodzi. To jest podstawowy problem fizyczny, który nie zaprząta astrofizyków, bo nie mają z tym do czynienia.

Ale czarne dziury są bardzo ważne pojęciowo w fizyce. Poza tym, że są bardzo ważne, jak mówiłem jako te pozostałości po różnych procesach fizycznych i astrofizycznych, to jeszcze koncepcyjnie pokazują nam chyba tę główną słabość fizyki podstawowej, czyli niemożność kwantowego opisu grawitacji. I teraz czy to jest ważne, czy nie, to jest inna sprawa. Nie ma jakichś takich niecierpiących zwłoki procesów fizycznych, które musimy wytłumaczyć, bo potrzebujemy do tego grawitacji kwantowej. Ale jak chce się wiedzieć i rozwiązać podstawowe problemy fizyki, to może być ważne. Jest zamieszanie, ale ono jest bardziej medialne niż rzeczywiste.

K.G.: A powiedz, czy czarne dziury są wieczne? Czy będzie tak, że wszystkie gwiazdy się wypalą, wszystko zgaśnie, będzie jedna wielka pustka we Wszechświecie i zostaną tylko takie fruwające czarne dziury?

J.P.L.: Jeżeli Wszechświat jest wieczny, no to tak będzie. To znaczy, nie zostaną tylko czarne dziury, bo nie wszystko się zapada w czarne dziury. Zostaną czarne dziury, zostaną jakieś galaktyki – bardzo, bardzo oddzielone od siebie, bo ekspansja Wszechświata jest przyspieszona, to za ileś tam miliardów lat wokół naszej galaktyki nie będzie niczego widać. Będą właśnie same takie zwłoki. Teraz, jeżeli mówimy „wieczne”, no to one wyparują w końcu.

K.G.: Czyli nie są wieczne.

J.P.L.: Wyparowanie czarnej dziury, kilku mas Słońca trwa, nie pamiętam, do sześćdziesięciu lat czy iluś tam. Tego typu liczby, które nas praktycznie nie powinny interesować, ale nieskończoność to jest nieskończoność, więc w nieskończoności wszystkie czarne dziury wyparują. Nawet te olbrzymie. Jeżeli Hawking ma rację.

K.G.: Jeżeli Hawking ma rację, no właśnie.

J.P.L.: Roger Penrose jednak uważa, że widać ślady wyparowanych czarnych dziur z poprzedniego Wszechświata. Bo on ma model Wszechświata, który jest taki cykliczny: że jest ekspansja, są takie eony, a potem się Wszechświat zapada. Ta faza wielkiej ekspansji trwa bardzo długo, na tyle długo, że nawet supermasywne czarne dziury wyparowują i zostawiają takie ślady. I potem jak ten Wszechświat się zapada i rodzi się jako nowy – w tej chwili ten nasz ekspandujący Wszechświat – to Penrose twierdzi, że te ślady powinno się widzieć w rozkładzie promieniowania tła. I ma różnych współpracowników – bo on sam tego nie robi – którzy twierdzą, że takie ślady można zaobserwować. Zgodnie z powszechną opinią fachowców to nie jest kwestia wiary, tylko po prostu techniczna, opracowań. Takich śladów oczywiście nie ma. Ale ja mówię o tym, bo to jest Penrose. A poza tym to pokazuje coś bardzo niezwykłego: że jest ktoś, i to nie byle kto, kto myśli w kategoriach czasu dziesięć do osiemdziesięciu lat. Dziesięć, osiemdziesiąt, zero lat to dla niego jest skala czasowa, że tak powiem, rzeczywista. To jest jak Pan Bóg, dla którego wieczność jest chwilą.

K.G.: A powiedz tak osobiście, dlaczego ty zająłeś się tym tematem? To był jakiś przypadek w twojej karierze zawodowej czy od dzieciństwa marzyłeś o tym, żeby się zajmować takimi obiektami?

J.P.L.: Nie, nie, jestem na tyle stary, że nie mogłem marzyć o tym od dzieciństwa, trochę przesadziłaś. [śmiech] Czarne dziury stały się obiektami zainteresowania astrofizyków i fizyków właśnie w latach sześćdziesiątych, kiedy ja kończyłem studia i miałem wybrać temat pracy doktorskiej. Zgłosiłem się do profesora Trautmana, który powiedział mi: wie pan, ja mogę panu dać dwa tematy. To jest dosyć zabawne – powiedział, że jeden temat to są równania ruchu w ogólnej teorii względności – te ruchy ciał wynikają z geometrii i to jest bardzo skomplikowany problem. Powiedział: no tak, to są skomplikowane rachunki, ale tutaj jest jeszcze drugi temat. To się nazywa astrofizyka relatywistyczna – zapadanie się grawitacyjne… Chyba nie użył określenia „czarna dziura”, bo ono chyba jeszcze nie istniało, wtedy czarne dziury nazywały się chyba kompletnie zapadniętymi ciałami, jakieś takie rzeczy. I Trautman to powiedział w jakiś taki sposób: pan chce mieć taką rutynową pracę doktorską, ale jak pan jest ambitny, to jest właśnie ten drugi temat. Z tym że powiedział też, że on się na tym nie zna. Więc ja wybrałem właśnie to. Przypadkiem jest to, że ja byłem akurat w odpowiednim wieku, w chwili, kiedy to stało się tematem bardzo szerokiego zainteresowania. I wysłano mnie na taką bardzo słynną szkołę letnią, gdzie miałem szczęście spotkać wielu późniejszych wielkich specjalistów – m.in. tam poznałem Kipa Thorne’a, który jest laureatem Nagrody Nobla w falach grawitacyjnych i który wiele rzeczy zrobił też w czarnych dziurach. No i tak już poszło.

K.G.: I na czym przez lata polegała twoja praca? Co to znaczy być astrofizykiem pracującym nad czarnymi dziurami?

J.P.L.: Przede wszystkim zacznijmy od tego, że ja nie pracuję tylko nad czarnymi dziurami. Tak naprawdę dosyć rzadko pracuję nad czarnymi dziurami. Ja zajmuję się obiektami czy układami, które zawierają czarne dziury. Ja jestem teoretykiem – gdybym był obserwatorem, to bym się głównie zajmował pisaniem projektów obserwacyjnych i martwieniem się, czy zostaną przyjęte, czy nie. A potem krótko obserwacjami, a potem znowu opracowywaniem danych itd. A ja zajmuję się myśleniem i liczeniem. To znaczy, w tej chwili ja już jestem w bardzo zaawansowanym wieku, więc staram się jak najmniej liczyć, bo to jest męczące. Ale głównie to polega na tym, że jest jakiś problem, który powstaje w wyniku obserwacji. Obserwuje się jakieś zjawisko w jakimś układzie. I albo to jest zupełnie coś nowego, i wtedy starasz się zrozumieć, co to jest. I wtedy się myśli, a potem się liczy. Niektórzy najpierw liczą, a potem myślą, ale ja wolę jednak najpierw pomyśleć, a potem obliczyć. Najpierw sprawdzić, czy to się mniej więcej zgadza – moje lub moje i moich współpracowników wytłumaczenie, bo ja bardzo często pracuję w zespołach – a potem jak już wygląda na to, że ten pomysł ma sens, to wtedy się robi dokładniejsze modele. Bo tak naprawdę model się sprawdza, jeżeli potrafisz opisać zjawisko, które obserwujesz, i przewidzieć, co będzie w innych warunkach. Opis jednego zjawiska, który się w ogóle nie stosuje do żadnych innych, to nie jest żadna fizyka. Więc głównie to polega na frustracji. Masz jakiś pomysł, zaczynasz to sprawdzać, okazuje się, że nie. A potem okazuje się, że właściwie tak, bo zrobiłeś błąd w rachunkach. Jak się poprawia, to okazuje się, że nie, bo jest jakaś dodatkowa obserwacja o zupełnie innych długościach fali, którą trzeba wytłumaczyć, bo się nie zgadza. Jak w końcu to działa, to jest wielka satysfakcja. A jak nie działa, no to trudno, to się robi co innego. Ale głównie to polega na tym, że się coś nie zgadza i czasami człowiek ma dosyć.

K.G.: Wygląda na to, że jesteś nie tylko świadkiem, ale uczestnikiem całych dziesięcioleci naszego dowiadywania się coraz więcej o czarnych dziurach. A czego jeszcze nie wiemy? Jakie są takie duże pytania dotyczące czarnych dziur? Są jeszcze takie?

J.P.L.: No tak, tak. Już o nich wspomniałem. Jest czarna dziura versus fizyka kwantowa, to jest bardzo podstawowe. Inne to jest: czy istnieją pierwotne czarne dziury, czy w ogóle mają coś wspólnego z początkami Wszechświata. No a poza tym jest to, co nie dotyczy bezpośrednio czarnej dziury, tylko właśnie tego, skąd się wzięły. Mimo że mamy teraz wspaniałe obserwacje dzięki obserwatoriom fal grawitacyjnych, my naprawdę nie wiemy z pewnością, skąd się wzięły te pary czarnych dziur, które obserwujemy. Czy powstały w wyniku ewolucji takich par masywnych gwiazd, które powstały gdzieś w galaktyce, czy też powstały w gromadach. Czy też, jak niektórzy twierdzą, powstały w dyskach, spłaszczonych, olbrzymich strukturach w aktywnych jądrach galaktyk. Wydaje mi się, że to jest zagadnienie astrofizyczne, które jest teraz najważniejsze. A poza tym jest też to, skąd się wzięły supermasywne czarne dziury, jak powstały. Widzimy coraz dalej, coraz wcześniej w historii Wszechświata i okazuje się, że bardzo, bardzo wcześnie istnieją bardzo, bardzo masywne czarne dziury. My naprawdę nie znamy sposobów… Znamy, ale to trzeba by jakoś strasznie naciągać parametry, żeby powstała czarna dziura, która ma, powiedzmy, dziesięć milionów mas Słońca bardzo, bardzo wcześnie. Ja nad tym nie pracuję bezpośrednio, czasami w tym biorę udział, ale np. moja koleżanka z instytutu, która jest wielką specjalistką od tego, z którą kiedyś współpracowałem, i jestem z nią w kontakcie, coraz bardziej się skłania do tego, że przynajmniej niektóre z tych supermasywnych czarnych dziur są pierwotne. A to wtedy jest bardzo ważne. Bo to, że mogły powstać takie czarne dziury, a niektórzy spekulują, że nawet dużo cięższe, tylko że one są niewidoczne, to wtedy one powstały w początkowych momentach ekspansji Wszechświata i to nam coś mówi już o kosmologii. I to też jest nierozwiązany problem.

K.G.: Spotykamy się przy okazji twojej książki Droga do czarnych dziur. To nie jest gruba książka, ale nie jest też prosta. Dla kogo ona jest?

J.P.L.: Ona nie jest tak prosta, jak nasz Wielki Wybuch, którym jak pamiętam, właśnie chcieliśmy wyjaśnić rzeczy od najprostszego. Ale ona też nie jest skomplikowana. To była moja pierwsza tego typu książka. Ona jest w tłumaczeniu z francuskiego i uzupełniona, tak że jest grubsza niż oryginalna książka. Wyszła chyba dwanaście lat temu – od tego czasu wiele rzeczy odkryto: fale grawitacyjne, były Noble itd., więc ją dopisałem. To jest książka dla kogoś, kto interesuje się czarnymi dziurami, nie tylko jako tytuły itd., i chciałby się dowiedzieć, co to jest. Mój pomysł zawarty w tej książce jest taki, że z tego, że grawitacja przyciąga wszystko i że światło ma skończoną prędkość, która jest niezależna od układu odniesienia, wynika istnienie czarnych dziur. Najpierw opowiadam, co to znaczy, że grawitacja jest powszechna, a potem opowiadam, co wynika z tego, że światło porusza się z tą samą prędkością i dochodzę do tego, skąd się biorą czarne dziury, dlaczego stąd wynika czarna dziura. Starałem się to zrobić w sposób jak najprostszy. Z punktu widzenia czytelnika, który w ogóle nic nie wie o fizyce, to to może nie być takie proste. Z punktu widzenia kogoś, kto zna fizykę ze szkoły, to nie powinno być takie strasznie skomplikowane. Z punktu widzenia moich kolegów to jest niesłychanie proste. To jest pisane dla ludzi, którzy chcą wiedzieć, co to jest czarna dziura, a nie mają aparatu matematycznego albo mają, albo już zapomnieli. Bo to przecież takich rzeczy się ze szkoły nie pamięta. Ale ja tam nie używam żadnych pojęć, oczywiście poza tym, kiedy piszę o mechanice kwantowej, ale to jest po prostu à propos, no bo to jest ważne, bo wszyscy słyszeli o promieniowaniu Hawkinga. Jak wyszła francuska wersja tej książki, ta pierwsza wersja, w jakiejś audycji radiowej redaktor mnie zapytał: ale co ja zyskam na przeczytaniu tej książki? Ja powiedziałem: wydaje mi się, że jak pan przeczyta tę książkę, to pan będzie mądrzejszy.

K.G.: To bardzo dobra rekomendacja. Ja też tutaj zostawiłam na okładce książki swoją rekomendację. Bardzo jestem zadowolona z tego zabiegu językowego, że czarne dziury stają się dzięki tobie jasne jak nigdy wcześniej. I jeszcze chciałam z tobą porozmawiać o twojej pracy, która się ukazała w Nature. My rozmawiamy w kwietniu 2022 roku, właśnie w kwietniu ukazuje się praca, której jesteś współautorem – tak wygląda życie emerytowanego profesora fizyki właśnie, że publikuje w Nature. [śmiech] Nowy rodzaj eksplozji gwiezdnej – to jest ekscytujące. O co chodzi?

J.P.L.: To jest praca, która opisuje odkrycie rzeczywiście nowego rodzaju eksplozji gwiezdnych. Nazwaliśmy je mikronowymi. To, co nazywamy nową w tej chwili, to są wybuchy na powierzchni gwiazd, które wynikają z tego, że w układach podwójnych, w których znajdują się białe karły, na powierzchni tego białego karła zbiera się materia, która składa się głównie z wodoru. Ten wodór jest gorący i bardzo gęsty. Po pewnym czasie masa, która się zebrała na tej powierzchni, jest wystarczająco gorąca w odpowiednich warunkach. I to się obserwuje w postaci olbrzymich wybuchów. Moi koledzy – bo ja jestem teoretykiem, więc ja oczywiście nie obserwuję, ale brałem udział w interpretacji tych obserwacji – zaobserwowali w niektórych namagnesowanych białych karłach takie małe wybuchy, których energia jest jedną milionową energii, która zostaje wyzwolona w wybuchu nowej. Stąd „mikro”. Jedna milionowa. Wybuchy na takich gwiazdach mogą być różnego rodzaju, ale to bardzo przypominało to, co się obserwuje z powierzchni gwiazd neutronowych, gdzie też są wybuchy. Zastanawialiśmy się, co to może być. Musieliśmy wyeliminować różne powody i został jedyny powód, że to jest właśnie wybuch takiej kolumienki. Ponieważ jest pole magnetyczne, to materia, która spada na białego karła, nie rozkłada się równomiernie, tylko właśnie jest w takich kolumienkach, w takich nitkach magnetycznych, można powiedzieć. I w niektórych warunkach właśnie taka nitka dochodzi do momentu, w którym następuje wybuch termojądrowy. To trwa kilka godzin. Energia to jest właśnie jedna milionowa energii nowej, ale za to jest prawie dokładnie taka sama, jak tych tzw. błysków X, błysków rentgenowskich na powierzchni gwiazd neutronowych, ale tamte trwają sekundy. Więc wszystko się zgadza. Widać też, że jest wypływ materii podczas takiego wybuchu, więc to wymaga jeszcze potwierdzenia, ale wygląda na to, że nie może być to nic innego niż to, że rzeczywiście odkryliśmy – no bo ja jestem współautorem, chociaż to moi koledzy odkryli, ja się do tego jakoś tam skromnie przyczyniłem – nowy typ wybuchów związany z polem magnetycznym i z reakcjami termojądrowymi.

K.G.: Mikronowa brzmi skromniutko, ale to wcale nie znaczy, że to są słabe wybuchy przecież. Porównujecie – uwaga – do piramidy Cheopsa. I coś mi się wydaje, że to mógł być twój pomysł. [śmiech]

J.P.L.: Nie, absolutnie nie. Ja nie mam pojęcia, jaka jest masa piramidy Cheopsa. [śmiech] To chyba mój kolega, wybitny holenderski astronom wpadł na ten pomysł, bo on wiedział i powiedział, że to jest trzy i pół miliarda mas piramidy Cheopsa. Szczerze mówiąc, to bardzo ładnie brzmi, ale ja nie wiem, dlaczego to ma trzy i pół miliarda piramid Cheopsa. Nie wiem. Ja na ogół jak takie rzeczy robię, to sprawdzam, bo ciągle zapominam, ile wynosi masa Mount Everestu i potem mówię w Mount Everestach. Ale on wolał piramidy Cheopsa.

K.G.: Gratuluję pracy w Nature, profesorze emerycie. [śmiech]. Książka Jean-Pierre’a Lasoty Droga do czarnych dziur to był przyjemny pretekst do naszego spotkania, kolejnego w Radiu Naukowym. Książka została wydana nakładem Copernicus Center Press, a Radio Naukowe objęło ją swoim patronatem medialnym. Bardzo dziękuję, Jean-Pierre, za rozmowę.

J.P.L.: Dziękuję.

Dziękuję za zostanie do końca. Oczywiście książkę Droga do czarnych dziur bardzo polecam. Nieśmiało polecam też moje książki napisane wspólne z Jean-Pierrem Lasotą, czyli Kłopoty z Eureką oraz Czy Wielki Wybuch był głośny?. Za tydzień kolejna odsłona miniserii astronomicznej, jaka nam w Radiu Naukowym się ułożyła, i to odsłona bardzo godna, bo będziemy świętować trzydziestolecie istnienia perełki polskiej nauki, czyli projektu OGLE z jego wieloletnim liderem – profesorem Andrzejem Udalskim. Bardzo polecam, a tymczasem do usłyszenia.