Bramy do innego wymiaru Wszechświata Czarne dziury i paradoks informacyjny Autor : Maciej Garbacz
Wstęp Czarne dziury uczą nas, że przestrzeń może zostać zgnieciona niczym kartka papieru do niewyobrażalnie małego punktu, że czas może przestać istnieć, a prawa fizyki, które uznajemy za święte i nienaruszalne, mogą przestać funkcjonować. - John Wheeler
Cele referatu 1. Zgromadzenie i opracowanie danych na temat historii badań nad czarnymi dziurami z wyróżnieniem zagadnienia paradoksu informacyjnego. 2. Poznanie przyszłych projektów naukowych związanych z badaniem czarnych dziur. 3. Poznanie wzorów matematycznych związanych z tematyką czarnych dziur i przeprowadzenie na nich przykładowych obliczeń. 4. Utworzenie listy rodzajów czarnych dziur uwzględniając alternatywy. 5. Poszerzenie wiedzy własnej na temat natury czarnych dziur oraz podstaw m. in. teorii kwantowej, teorii strun, chromodynamiki kwantowej i zasady holograficznej. 6. Poznanie i opracowanie niezbędnych podstaw pojęć teoretycznych.
Część I Historia odkryć oraz wybrane właściwości czarnych dziur wspierane przykładami.
Ciemna Gwiazda - początki Pierwsze wzmianki o obiektach przypominających czarne dziury pojawiły się już pod koniec XVIII w. rozważania Pierre a-simona de Laplace a i postulat John a Michell a. Założenie ogólne prędkość ucieczki (II prędkość kosmiczna) jest większa lub równa prędkości światła : G - stała grawitacyjna M - masa obiektu R - promień obiektu c - prędkość światła Skutek: Światło wydzielane przez ciemną gwiazdę nie jest w stanie pokonać przyciągania grawitacyjnego ciała gwiazda jest idealnie czarna i przez to niewidoczna.
Promień Schwarzschilda Rs
Promień Schwarzschilda W 1920 roku Karl Schwarzschild tworzy szczególne rozwiązanie teorii względności Einsteina obiekt w postaci masy skupionej do jednego punktu. Jednym z parametrów owego rozwiązania staje się tzw. promień Schwarzschilda. G - stała grawitacyjna M - masa obiektu c - prędkość światła Supermasywna czarna dziura Sagittarius A* znajdująca się w centrum Drogi Mlecznej posiada Promień Schwartzschilda o długości 13,3 milionów kliometrów oznacza to, że jej masa wynosi około 4 milionów mas naszego Słońca.
Promień Schwarzschilda przykład I Dla Ziemi, która posiada masę rzędu ok. 6 kwadrylionów kilogramów promień Schwarzschilda wynosi jedynie 8,86 milimetra. Do tak niewielkiej objętości należałoby ścisnąć cała naszą planetę, aby stała się czarną dziurą.
Promień Schwarzschilda przykład II Dla Słońca, które posiada masę rzędu 2 kwintylionów (10 30 ) kilogramów, promień Schwarzschilda przyjmuje wartość 2950 metrów.
Temperatura Czarnej Dziury 0.0002K
Temperatura czarnej dziury W 1974 roku Denis Sciama podczas jednego z wykładów zaprezentował pracę swojego podopiecznego, którym w tamtym okresie był Stephen Hawking. Zawierała ona niezwykły, nowatorski wzór, który pozwalał wyznać bardzo osobliwą wielkość jaką jest temperatura czarnej dziury. G - stała grawitacyjna M - masa czarnej dziury k - stała Boltzmanna h - stała Plancka c - prędkość światła Wzór wskazuje na pewną zaskakującą zależność temperatura czarnej dziury jest odwrotnie proporcjonalna do jej masy im większa masa, tym mniejsza temperatura.
Temperatura Czarnej Dziury przykład I Czarna Dziura o masie Ziemi miałaby temperaturę wynoszącą 0.002 Kelwina.
Temperatura Czarnej Dziury przykład II Czarna dziura o masie naszego Słońca miałaby temperaturę jedynie o 0.00000006 Kelwina wyższą od zera bezwzględnego.
Promieniowanie Hawkinga 0.0000003W
Promieniowanie Hawkinga W 1974 roku Stephen Hawking od dłuższego czasu zajmujący się tematyką czarnych dziur proponuje opisanie nowego zjawiska promieniowania czarnych dziur, które zostało później nazwane Promieniowaniem Hawkinga. G - stała grawitacyjna M - masa czarnej dziury h - zredukowana stała Plancka (Diraca) c - prędkość światła Kiedy para cząstek wirtualnych powstanie na granicy horyzontu zdarzeń jedna z nich (o ujemnej energii) może zostać wciągnięta w głąb czarnej dziury zanim zdąży anihilować. Cząstka o dodatniej energii zostanie wypromieniowana w postaci promieniowania Hawkinga. Im większa masa czarnej dziury tym wolniej promieniuje.
Promieniowanie Hawkinga przykład I Dla czarnej dziury o masie Ziemi ubytek energii (a więc i masy) wynosi ok. 10-16 W.
Promieniowanie Hawkinga przykład II Dla czarnej dziury o masie Słońca ubytek masy wynosi zaledwie 10-29 W.
Czy czarne dziury są wieczne? Pojecie promieniowania Hawkinga pociąga za sobą pewien niezwykły fakt czarne dziury parują tak długo aż znikają całkowicie nie pozostawiając po sobie śladu. G - stała grawitacyjna M - masa czarnej dziury h - zredukowana stała Plancka (Diraca) c - prędkość światła Równie wskazuje na to, ze im mniejsza masa czarnej dziury, tym szybciej wyparuje i zniknie. Czarne dziury o bardzo małych masach, które znikają w przeciągu ułamków sekund być może zostaną wytworzone w LHC w Genewie.
Wiek czarnej dziury przykład I Czarna dziura o masie Ziemi istniałaby przez 5,66 x 10 50 lat.
Wiek czarnej dziury przykład II Czarna dziura o masie Słońca istniałaby przez 2,09 x 10 67 lat.
Część II Paradoks informacyjny, czyli bitwa o czarne dziury
Początek San Francisco W 1981 roku podczas konferencji w San Francisco Stephen Hawking stwierdził : W wyniku parowania czarnej dziury informacja ginie bezpowrotnie. Stanowiło to wyraźne złamanie jednego z najważniejszych i najbardziej podstawowych praw natury zasady zachowania informacji. Przeciwko Hawkingowi wystąpiło natychmiast dwóch fizyków Leonard Susskind i Gerard t Hooft. Stephen Hawking Leonard Susskind Gerard t Hooft
1981-2007 Bitwa trwa Przez większość czasu trwania konfliktu żadna ze stron nie uzyskała większej przewagi. Stephen Hawking ciągle trwał przy swoim pierwotnym stwierdzeniu wspierając je fizyką relatywistyczną, a Susskind i t Hooft próbowali znaleźć lukę w jego rozumowaniu posługując się mechaniką kwantową. Obie strony zyskiwały zwolenników, a podczas kolejnych konferencji oraz spotkań starano się przedstawić pojawiające się nowe dowody, pomysły i argumenty.
Konflikt zażegnany 23 kwietnia 2007 roku Stephen Hawking przyznał się do porażki stwierdzając ze skruchą iż od początku się mylił, a jego przeciwnicy mieli całkowitą racje. O zwycięstwie zwolenników teorii kwantowej przesądziła nowa teoria stworzona przez Susskind a i t Hooft a z wykorzystaniem teorii strun zwana zasadą holograficzną W 1980 roku Stephen Hawking założył się z Donem Pagem o 1 dolara, że informacja wpadająca do czarnej dziury zostaje stracona. Page twierdził iż da się ją odzyskać. Po prawie 27 latach od zawarcia zakładu Hawking przyznał racje przeciwnikowi i wypłacił Page owi należną nagrodę.
Zasada Holograficzna Przesądzająca o wygranej w bitwie o czarne dziury teoria zwana zasadą holograficzną to jedna z najbardziej niezwykłych i osobliwych teorii jakie powstały w dziejach fizyki. Według jej założeń wszystkie informacje na temat trójwymiarowego ciała mogą zostać zapisane na dwuwymiarowej powierzchni otaczającej to ciało. Oznaczałoby to, że cały nasz Wszechświat można by opisać jako ogromny hologram rzutowany z najdalszych krańców kosmosu gdzie zapisane są informacje dotyczącej każdej gwiazdy, planety, a nawet najmniejszej cząstki elementarnej...
Zasada Holograficzna - przykład Rzutowany obiekt trójwymiarowy Informacje o obiekcie zawarte na dwuwymiarowej płaszczyźnie otaczającej ciało.
Część III Rodzaje i typy czarnych dziur oraz przyszłe projekty badawcze i problemy
Czarne dziury - rodzaje Mikro-czarne dziury istnieją przez bardzo krótki okres czasu, posiadają małą masę, mogą powstawać podczas wysokoenergetycznych zderzeń cząstek np. w Wielkim Zderzaczu Hardonów. Supermasywne czarne dziury czarne dziury znajdujące się w sercach galaktyk o masach przekraczających niekiedy kilka miliardów mas Słońca. Czarne dziury posiadające ładunek elektryczny. Rotujące czarne dziury ich horyzont zdarzeń zostaje rozciągnięty poprzez ciągły ruch.
Gravitational Vacuum Star Grawastary to hipotetyczne obiekty o właściwościach zbliżonych do właściwości czarnych dziur, lecz zbudowane są ze skoncentrowanej ciemnej energii i posiadające materialną powierzchnię. Modele matematyczne wskazują, że konkretne przypadki grawastarów posiadające określoną wielkość i prędkości kątowe są całkowicie stabilne. Istnienie grawastarów nie wyklucza istnienia czarnych dziur, lecz mogłoby dostarczyć alternatywnych rozwiązań w kwestii np. nagłych, intensywnych rozbłysków gamma.
Przyszłe projekty badawcze Wielki Zderzacz Hadronów dane na temat mikro-czarnych dziur, promieniowania Hawkinga. Teleskop kosmiczny Chandra obserwacje w zakresie fal rentgenowskich umożliwiają badanie i obserwacje m.in. czarnych dziur w Drodze Mlecznej. Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba - będzie w stanie zarejestrować obraz pierwszych gwiazd, galaktyk i czarnych dziur jakie pojawiły się po Wielkim Wybuchu. Wielki Zderzacz Hadronów Teleskop Chandra Teleskop J. Webba
Zaistniałe problemy Co stanie się podczas zderzenia grawastaru z czarną dziurą? Czy czarna dziura mogłaby rotować z prędkością bliską prędkości światła, a jeżeli tak co by się wówczas stało z jej horyzontem? Dlaczego fluktuacje kwantowe na horyzoncie czarnej dziury mogą zachowywać się jak fluktuacje termiczne? Jak fakt obserwacji wpływa na wrażenia osoby obserwującej przedmiot przekraczający horyzont zdarzeń i czy ma to związek z elementami teorii kwantowej? Czy niemożliwe jest przesłanie informacji zza horyzontu zdarzeń posługując się mikro-tunelami czasoprzestrzennymi?
Podsumowanie Uważam, że istnieje duża szansa, iż badania wczesnego wszechświata i wymogi matematycznej spójności doprowadzą do poznania kompletnej, jednolitej teorii w ciągu życia obecnego pokolenia, jeżeli, oczywiście, nie wysadzimy się najpierw w powietrze. - Stephen Hawking
Sposoby gromadzenia informacji i prowadzenia badań - I 1. Dyskusja na temat czarnych dziur z panem Andrzejem Wasilewskim w Zakładzie Fizyki Promieniowania Kosmicznego Narodowego Centrum Badań Jądrowych przy ul. Uniwersyteckiej 5 w Łodzi. 2. Analiza wybranych pozycji literatury opisującej historię badań nad czarnymi dziurami i rozważaniami na temat paradoksu informacyjnego zawartymi w publikacjach: Michio Kaku Wszechświaty Równoległe - Prószyński i S-ka Warszawa 2010, Marcus Chown Teoria Kwantowa nie gryzie Zysk i S-ka Warszawa 2009, Leonard Susskind Bitwa o Czarne Dziury Prószyński i S-ka Warszawa 2011
Sposoby gromadzenia informacji i prowadzenia badań - II 1. Gromadzenie i analiza informacji ze stron internetowych poświeconych astronomii i astrofizyce, encyklopedii internetowych oraz pozyskiwanie publikacji naukowych ze stron uniwersytetów: Cornell University, Ithaca, New York - http://www.library.cornell.edu/, Stanford University, Stanford, California - http://plato.stanford.edu/, Los Alamos National Laboratory, New Mexico - http://www.lanl.gov/news/. 2. Analiza wybranych pozycji filmów dokumentalnych nawiązujących pośrednio lub bezpośrednio do tematyki czarnych dziur i paradoksu informacyjnego: How The Universe Works: Black Holes (2010) Discovery Channel, Through the Wormhole: The Riddle of Black Holes - The Science Channel, Into the Universe with Stephen Hawking - Episode 2 : Time Travel - Discovery Channel, Into the Universe with Stephen Hawking - Episode 3 : The Story of Everything - Discovery Channel, The Universe - Most Dangerous Places - Discovery Channel,
Bibliografia prezentacji Tła : http://wall.alphacoders.com/ Zdjęcia: http://www.nasa.gov/ http://lhc.web.cern.ch/lhc/ http://chandra.harvard.edu/ http://www.google.pl/imghp?hl=pl&tab=wi Informacje dodatkowe: http://www.nasa.gov/topics/universe/index.html http://www.princeton.edu/physics/