299792458
Mieć masę czy nie mieć? Chyba lepiej mieć. A może nie? Rozważmy wszystkie za i przeciw.
Więc jeśli nie masz masy, jak foton, możesz poruszać się z prędkością światła. To znaczy 299792458 m/s. Diabelnie szybko. Oficjalnie nazywa się to prędkością światła w próżni.
W powietrzu będziesz lecieć odrobinę wolniej, z szybkością 299702547 m/s, w wodzie jeszcze wolniej – 225407863 m/s. Kiedy już przelecisz przez próżnię, powietrze i wodę, dotrzesz do leżącego na dnie morza diamentu i twoja prędkość spadnie do 124913524 m/s. Potem odbijesz się od platynowego pierścienia, w którym osadzony jest klejnot, by znów – poprzez diament, wodę i powietrze – wylecieć w przestrzeń kosmiczną. Potrwa to mgnienie oka.
To, że światło leci z różną prędkością przez różne ośrodki, wynika z tego, że fotony na swojej drodze napotykają atomy, co wybija je z prostej trasy. W istocie jednak sama prędkość fotonu nie spada. Foton może lecieć tylko z prędkością światła, tą właściwą, czyli 299792458 m/s. Nie wolno mu zwolnić, nie jest w stanie stanąć. Może co najwyżej skręcić pod wpływem pola grawitacyjnego. Albo zniknąć, oddając swoją energię atomowi, z którym się zderzy.
Foton pędzi z prędkością światła, inaczej nie umie, bo nie ma masy. Masy nie mają też gluony, o których warto wiedzieć choćby tyle, że przenoszą ładunek kolorowy (chyba nie trzeba tłumaczyć, jak ważne i odpowiedzialne jest to zajęcie).
Ale przejdźmy do cząstek obarczonych masą, niech i one opowiedzą nam o swoim życiu i peregrynacjach. Głos ma kolega proton! Otóż w czasie, gdy bezmasowy foton pędzi nieprzerwanie z prędkością światła, proton – podobnie jak neutron czy elektron – nigdy prędkości światła nie osiągnie. Choć bardzo się stara. W Wielkim Zderzaczu Hadronów laboratorium CERN rozpędza się do 299792455 m/s. W przestrzeni kosmicznej może gnać jeszcze chyżej, lecz prędkości świetlnej nie rozwinie, ponieważ im bliżej mu do niej będzie, tym więcej będzie ważyć (na mocy teorii względności), zatem jeszcze więcej energii potrzeba mu będzie, by dalej się rozpędzić.
Jest jeszcze druga, bardziej prozaiczna sprawa. Otóż przestrzeń kosmiczna wcale nie jest pusta. Wypełnia ją choćby ciepły ośrodek międzygwiezdny (brzmi to jak nazwa schroniska młodzieżowego, ale to tylko trochę rzadkiej, rozproszonej po wszechświecie materii). Mamy tam także tło mikrofalowe oraz tło neutrinowe – pozostałości z czasów młodości świata. To wszystko przeszkadza protonom w pędzie.
Dlatego proton może rozwinąć co najwyżej prędkość 299792457,99999999999992 m/s (podajemy tę wartość za astrofizykiem Ethanem Siegelem). Wciąż nie jest to prędkość światła, brakuje mu do niej 0,00000000000008 m/s.
Wracając do wyjściowego pytania: lepiej jest mieć masę czy jej nie mieć? Lepiej gnać z prędkością światła, odbijać się od obłoków, kwiatów, liści, ani na moment nie zwalniając pędu? Czy spacerować niespiesznie, czasem przysiąść na ławce i cieszyć się, gdy fotony wpadają nam w czarne dziurki źrenic?
Co lepsze? Niech Czytelnik sam wybierze. To jego życie i niech robi z nim, co chce.
1
Arcyważna porada dla uczennic i uczniów.
W listach do redakcji nasi młodzi czytelnicy pytają często, czy jest jakiś sposób na zapamiętanie, ile wynosi prędkość światła. Rzeczywiście, liczba 299792458 ma aż dziewięć cyfr, czyli tyle, ile typowy numer telefonu. A kto by dziś pamiętał numery telefonów? Już tylko telefony pamiętają numery telefonów, żeby czasem do siebie dzwonić.
Jednak nie odbiegajmy od tematu. Jeżeli wykręcimy (czy raczej wystukamy) 299 792 458, dowiemy się, że wybrany numer nie istnieje. Gdyby istniał, moglibyśmy grzecznie zapytać jego właścicielkę o nazwisko i liczyć na to, że w ten sposób zapamiętamy prędkość światła. Mogłaby się na przykład nazywać Lucylla Szybko-Pędzik. Osoba taka nie istnieje, podobnie jak numer 299 792 458, więc w sumie do siebie pasują, przynajmniej pod tym względem.
ilustracja: Marek Raczkowski
Ale żarty na bok, bo koniec roku szkolnego za pasem, a z prędkości światła pamiętamy tylko pierwszą cyfrę: 2. Jeśli nauczyciel jest starej daty, możemy wymamrotać tę cyfrę, potem zwiesić głowę i czekać, aż profesor odruchowo odpowie: „Dwa mówisz? A więc dwa!” – i wstawi do dziennika dwóję, zapominając, że od 29 lat nie jest to już ocena niedostateczna.
No dobrze, pośmialiśmy się, mózg się dotlenił – możemy kontynuować. Jak najlepiej zapamiętać prędkość światła? Jeżeli cyfry 299792458 nie chcą nam za nic wejść do głowy, możemy je zamienić. Łatwo to zrobić, bo rzeczona liczba to wartość wyrażona w metrach na sekundę, które to jednostki równie dobrze mogłyby być inne; jest mnóstwo jednostek czasu i długości. Możemy użyć np. metra katolickiego (czyli włoskiego poprzednika obecnego metra, nieco od niego dłuższego) na, dajmy na to, kwadrans. Wyjdzie nam wtedy 265444003895 i jeszcze trochę po przecinku.
Od razu widać, że to nie był dobry ruch, bo cyfr zrobił się tuzin. Policzmy więc w stajach staropolskich (około 134 m) na zdrowaśkę (jakieś 20 s). Wynik to 44745142 – w przybliżeniu. Cyfr mamy już tylko osiem, ale to przybliżenie jest czymś zupełnie nieakceptowalnym. W przybliżeniu możemy podawać czas przejazdu z Radomia do Kielc, a nie prędkość światła, jedną z niewielu stałych rzeczy na tym świecie. Znowu więc pudło.
Aby nie przedłużać tego i tak ślamazarnego wywodu, zdradzimy, że sprawdziliśmy różne jednostki czasu i długości, znajdując wreszcie takie, które najlepiej nadają się do wyrażenia prędkości światła. Uwaga! Oto wynik. Idealna miara czasu to rok, odległości zaś – rok świetlny. Prędkość światła zapisana w latach świetlnych na rok wynosi dokładnie 1. I taką odpowiedź dajmy nauczycielce fizyki.
A gdyby się dopytywała, czy chodzi o rok zwykły, czy przestępny, odpowiedzmy, że nie ma czasu na żarty, bo wakacje tuż-tuż, a materiału do przerobienia pozostało multum.
Ślady poprzedniego wszechświata
Skoro już pochylamy się nad zagadką czarnych dziur (w tekście niżej), czas przyjrzeć się też białym dziurom. Tak jak z czarnych dziur nic nie może wylecieć, tak do białych nic nie jest w stanie wlecieć. Są więc one jakby przeciwieństwem czarnych. Mówiąc dokładniej: chyba są. Białe dziury to bowiem, na razie, byt hipotetyczny.
Zostawiając na boku problem językowy – czy coś, do czego nic nie może wpaść, można nazwać dziurą, nawet białą – przyjrzyjmy się możliwemu procesowi powstawania tych obiektów. W latach 70. XX w. Stephen Hawking ogłosił, że czarne dziury mogą parować: tracić masę poprzez promieniowanie. Jeżeli czarna dziura parowałaby odpowiednio długo, mogłaby więc zniknąć.
To według Hawkinga. Bo inne zdanie ma znamienity włoski fizyk Carlo Rovelli. W jego mniemaniu proces parowania czarnej dziury zwieńczyć by miało powstanie dziury białej – w momencie, gdy czasoprzestrzeń nie mogłaby się już bardziej skurczyć. Taka dziura byłaby więc maleńka, znacznie mniejsza od protonu, ale jak na swoje rozmiary bardzo ciężka.
ilustracja: Marek Raczkowski
Aby taka biała dziura powstała z czarnej, potrzeba mnóstwa czasu – czarnej dziurze o masie zbliżonej do naszego Słońca przemiana taka zajęłaby biliard razy dłużej niż obecny wiek wszechświata. Wyliczył to Rovelli, a napisał o tym portal Space.com. Jest to niewyobrażalnie długo. Tak długo, że nie zrobiłoby właściwie różnicy, gdybyśmy angielskie słowo „quadrillion” przełożyli jako kwadrylion, a nie – poprawnie – jako biliard. Ale skoro nie zrobiłoby to różnicy, przetłumaczyliśmy najlepiej, jak się dało.
Te niewyobrażalne biliardy miliardów lat dotyczą jednak tych dziur, które przechodziły zwykłą ścieżkę kariery supermasywnej gwiazdy. Zaczynając od skromnej protogwiazdy, przez błękitnego olbrzyma, czerwonego nadolbrzyma, wybuch supernowej i zapadnięcie się gwiazdy neutronowej. Niewykluczone jednak, że istnieje inny rodzaj czarnych dziur – określany wdzięcznym przydomkiem „pierwotne”. Mogły one powstać zaraz po Wielkim Wybuchu i od razu być niewielkich rozmiarów. Carlo Rovelli przypuszcza, że wiele z nich zdążyło przemienić się w białe dziury, które byłyby mniejsze niż proton, a ważyłyby tyle, co centymetrowy kawałek ludzkiego włosa (czyli, jak na taki drobiazg, bardzo dużo).
Tu zrobimy krótką przerwę, żeby powiedzieć parę słów o Carlu Rovellim. To wielki miłośnik filozofa Anaksymandra (o którym wspominamy w tym numerze „Przekroju” w tekście Wietrzna istota), jednego z najbardziej wpływowych myślicieli starożytnej Grecji. Sam Rovelli jest jednym z najbardziej wpływowych myślicieli współczesności – tak przynajmniej sądzą redaktorzy magazynu „Foreign Policy”. Włoch uważa m.in., że fundamentem nauki jest niewiedza, a raczej umiejętność przyznania się do niej. Schowajmy więc na chwilę nasze zwykłe poglądy do pudełka na zwykłe poglądy i posłuchajmy, co nam ma jeszcze do powiedzenia Rovelli, bo są to rzeczy niecodzienne.
Skończyliśmy na tym, że niewielkie czarne dziury, które mogły powstać zaraz po Wielkim Wybuchu, miały dość czasu, by do roku Pańskiego 2019 przemienić się w dziury białe. I gdzież one są? Rovelli twierdzi, że trochę ich tu, a trochę tam. To właśnie białe dziury mogą stanowić przynajmniej część tzw. ciemnej materii, o której istnieniu wnioskujemy z wyliczeń dotyczących ruchu galaktyk. Nazwa „ciemna materia” jest trochę myląca, bo jest to raczej materia przezroczysta, choć podatna na grawitację – i białe dziury są tu dobrym kandydatem.
Rovelli twierdzi na dokładkę, że białe dziury tworzące ciemną materię mogą być nawet starsze niż Wielki Wybuch – niewykluczone, że stanowią pozostałość po poprzednim wszechświecie, który skurczył się, by znów eksplodować. I że jeśli tak jest w istocie, to będzie można dzięki białym dziurom wejrzeć w naturę czasu.
Nie możemy się już doczekać, panie Rovelli!
Nieuchwytna osobliwość
Leonard Susskind znów przemówił. Legendarny profesor fizyki teoretycznej znany z tego, że swoją pracę zawodową zaczynał jako hydraulik, a także ze swojego sporu ze Stephenem Hawkingiem, wypowiedział się na temat tego, co właściwie dzieje się w czarnych dziurach.
Czarne dziury są, jak wiadomo, ciałami tak gęstymi, że nawet światło nie może się z nich wydostać, trzymane twardym uściskiem potężnej grawitacji. Co jednak jest w nich jeszcze bardziej zadziwiające to sposób, w jaki rosną. Patrząc z zewnątrz, ten wzrost nie jest szczególnie niezwykły: owszem, zyskują nieco na średnicy, w miarę jak pochłaniają coraz więcej materii, ale nie w tym tkwi istota sprawy. Zdumiewające jest ich puchnięcie od wewnątrz (o którym wiemy z wyliczeń teoretycznych). W środku czarnej dziury jest punkt, który oddala się od jej krawędzi niejako do środka. Światło, które wpada do czarnej dziury, nigdy do tego punktu, zwanego osobliwością, nie dotrze, bo on nieustannie umyka.
Ponieważ w osobliwości załamują się prawa fizyki, zjawisko to fascynuje fizyków. Najtęższe umysły wysyłają do wnętrz czarnych dziur flotylle swych myśli, by okiełznać niepokorną osobliwość jakąś nową, trafniejszą teorią – lecz dziwaczny stwór wciąż przed nimi zwiewa.
Jednym z tych nieustraszonych teoretyków jest właśnie Leonard Susskind. Jego nowy koncept w skrócie i uproszczeniu głosi, że rozszerzanie się czarnej dziury do wewnątrz jest w istocie wzrostem poziomu jej komplikacji. Wszelkie światło, a więc wszelka informacja, która trafia do jej wnętrza, zostaje zachowana w coraz bardziej złożonej strukturze. Bo czarna dziura – twierdzi Susskind – pamięta wszystko.
Najnowsza praca Susskinda nie była jeszcze recenzowana, więc rewelacje w niej zawarte należy traktować z rezerwą. Dodajmy tylko, że sam profesor jest bardzo skromnym człowiekiem i nie żywi ambicji, by właśnie jemu przypadło w udziale rozwikłanie jednej z najtrudniejszych naukowych zagadek. Susskind uważa, że w nauce ważniejsze niż trafne odpowiedzi są trafne pytania. Rzeczywiście coś w tym jest: poprawne odpowiedzi na nieistotne pytania wzmagają tylko senność. A gdy mamy odpowiednio postawione pytanie, wiemy przynajmniej, że zmierzamy we właściwym kierunku, nawet jeśli odpowiedź umyka przed nami jak, nie przymierzając, owa osobliwość.
Czytaj również:
