CRNE JAME I DJETEŠCA SVEMIRI*

PAD u CRNU JAMU postao je prava strava u znanstvenoj
fantastici. U stvari, za crne jame se sada može reći da
su prije stvarna tema znanosti negoli znanstvene fantastike.
Kao što ću opisati, postoje dobri razlozi za predviđanje
da crne jame postoje, a promatrački dokazni materijal
snažno upire prstom u prisustvo izvjesnog broja crnih jama
u našoj Galaktici te više u drugim galaktikama.
Dakako, ono u čemu pisci znanstvene fantastike dolaze
na svoje je što se događa ako padnete u crnu jamu.
Opći je prijedlog da ako je crna jama rotirajuća, možete
upasti kroz malu jamu u prostorvremenu te ispasti van u
drugom području svemira. To očito nudi velike moguć-
*Predavanje održano u travnju 1988. na Kalifornijskom sveučilištu.
nosti za svemirska putovanja. Dapače, nešto takvoga bismo
zaista trebali ukoliko u nekoj budućnosti namjeravamo
putovati na druge zvijezde, a pogotovo na druge
galaktike. U protivnom, činjenica da ništa ne može putovati
brže od svjetlosti znači da bi putovanje do najbliže
zvijezde i natrag trajalo najmanje osam i pol godina. Toliko
glede vikenda na Alfa Centauri! S druge strane, kad
bi se moglo proći kroz crnu jamu, mogli bi se izroniti bilo
gdje u svemiru. No kako izabrati naše odredište, nije baš
posve jasno: možete krenuti na praznike u Virgo, a završiti
u Crab maglici.
Žao mi je razočarati perspektivne galaktičke turiste,
ali stvar ne radi: Skočite li u crnu jamu, bit ćete rastrgani i
istisnuti iz postojanja. Međutim, u izvjesnom smislu,
čestice koje sačinjavaju vaše tijelo nastavit će u drugi
svemir. Ne znam bi li nekome tko će u crnoj jami biti
pretvoren u špagete bila neka utjeha ako zna da njegove
čestice mogu preživjeti.
Unatoč neumjesno neuljudnom tonu kakvog sam
upotrijebio, ovaj esej je utemeljen na čistoj znanosti. S
većinom onoga što ovdje kažem sad vlada veliki stupanj
slaganja među istraživačima koji se bave tim područjem,
premda je to tako tek odnedavno. Međutim, posljednji
dio eseja temelji se na najnovijim radovima oko kojih ne
postoji, barem ne zasad, opća suglasnost. No upravo ovo
potonje izaziva najveće zanimanje i uzbuđenje.
Premda poimanje onog što danas zovemo crna jama
seže unatrag više od dvjesto godina, sam naziv crna jama
uveo je američki fizičar John Wheeler tek 1976. Već je
samo ime takvo da mu je osigurano mjesto u mitologiji
znanstvene fantastike. Ono je također potaknulo znanstveno
istraživanje, dajući jasno i najtočnije ime za nešto
što ranije nije imalo zadovoljavajuću etiketu. Ne bi trebalo
potcijenjivati važnost dobrog imena u znanosti.
Koliko je meni poznato, prva osoba koja je raspravljala
o crnim jama bijaše čovjek imena John Michell s
Cambridgea, koji je još 1783. napisao rad o tome. Njegova
zamisao je bila ova: Zamislimo ispaljenje topovske kugle
okomito uvis s površine Zemlje. Kako se kugla uspinje
tako se i zbog sile teže usporava. Na kraju se kugla
zaustavlja i počinje padati natrag na Zemlju. Međutim,
ako smo je ispalili s nekom graničnom brzinom, kugla se
neće nikad prestati uspinjati niti pasti natrag već će se
nastaviti gibati sve dalje od Zemlje. Ova granična brzina
nazvana je brzina bijega. Ona za Zemlju iznosi oko jedanaest
kilometara u sekundi, a za Sunce oko sto šezdeset
kilometara u sekundi. Obje ove granične brzine veće su
od brzine stvarne topovske kugle, ali su mnogo manje od
brzine svjetlosti, koja je 300.000 kilometara u sekundi.
To znači da gravitacija ne utječe na svjetlost; svjetlost
može bez problema pobjeći sa Zemlje ili sa Sunca. Međutim,
Michell je umovao kako bi bilo moguće imati neku
zvijezdu koja bi bila dovoljno masivna i dovoljno malenog
polumjera da brzina bijega s nje bude veća od brzine
svjetlosti. Mi ne bismo bili u stanju vidjeti tu zvijezdu, jer
do nas ne bi stigla svjetlost s njene površine; bila bi privučena
natrag gravitacijskim poljem zvijezde. Ipak, mogli
bismo otkriti prisutnost zvijezde neizravno po učincima što
ih njeno gravitacijsko polje čini na okolnu tvar.
Nije baš prikladno gledati na svjetlost kao na neku
brzu topovsku kuglu. Naime, prema pokusu provedenom
1897. svjetlost putuje uvijek istom brzinom. Kako onda
gravitacija može usporiti svjetlost? Dosljedne teorije o
tome kako gravitacija djeluje na svjetlost nije bilo sve do
Einsteinove opće teorije relativnosti 1915. godine. No
unatoč nje, sve do šezdesetih godina nisu se šire uvidjele
važne posljedice te teorije na stare zvijezde i druga masivna
tijela.
Prema općoj teoriji relativnosti, za prostor i vrijeme
može se reći da zajedno čine četverodimenzioni prostor,
nazvan prostorvrijeme.
Taj prostor nije ravan; zakrivljen je, deformiran materijom
i energijom u njemu. Tu zakrivljenost zamijećujemo
u savijanju zrake svjetlosti ili radiovala koji prolaze pokraj
Sunca na putu do nas. Za slučaj svjetlosti koja prolazi
pokraj Sunca, to savijanje je vrlo slabo. Međutim, kad bi se
Sunce skvrčilo u kuglu promjera nekoliko kilometara,
savijanje bi bilo tako jako da svjetlost koja napušta Sunce
ne bi stigla otići s njega već bi gravitacijskim poljem
Sunca bila privučena natrag. Prema teoriji relativnosti,
ništa ne može putovati brže od brzine svjetlosti pa bi stoga
postojala područja iz kojih ništa ne može pobjeći. To se
područje zove crna jama. Granica područja se zove
događajni obzor. Njega oblikuje svjetlost kojoj upravo ne
uspijeva otići iz crne jame već stoji lebdeći na rubu.
Predodžba da bi se Sunce moglo skvrčiti na samo
nekoliko kilometara u promjeru može zvučiti smiješno.
Netko može pomisliti da tvar ne može biti tako silno zbijena.
Ali pokazalo se da ipak može.
Sunce je veličine kakve je zato jer je tako vruće. Ono
pretvara vodik u helij, kao u nekoj kontroliranoj H-bombi.
Toplina oslobođena tim postupkom (fuzijom) stvara tlak
kojim se vanjski slojevi Sunca odupiru gravitacijskim
kliještima sveukupne Sunčeve tvari, koja se nastoji sabiti u
što manji volumen.
Ipak, na kraju, Sunce će istrošiti svoje nuklearno
gorivo. To se neće dogoditi još oko pet milijardi godina,
stoga još nema hitnje za kupnju karte za let do druge
zvijezde. Međutim, zvijezde masivnije od Sunca trošit će
svoje nuklearno gorivo mnogo brže. Kad ga potroše, gubit
će toplinu i početi se stezati. Ako im je masa manja
od dvije mase Sunca, stezanje će se na kraju zaustaviti i
one će se smiriti u nekom stabilnom stanju. Jedno takvo
stanje zove se bijeli patuljak. Polumjeri bijelih patuljaka
iznose nekoliko tisuća kilometara, a gustoća im je desetke
tona po kubičnom centimetru. Drugo takvo stanje je
neutronska zvijezda. One imaju polumjer od dvadesetak
kilometara, a gustoću stotinjak tisuća tona po kubičnom
centimetru.
Poznato nam je da u našem bližem susjedstvu u Galaktici
postoji velik broj bijelih patuljaka. Neutronske zvijezda
pak nisu bile zamijećene sve do 1967., kad su Jocelyn
Bell i Antonv Hewish s Cambridgea otkrili objekte
nazvane pulsari, a koji su emitirali pravilne pulseve
radiozračenja. U početku, palo im je na pamet da su možda
otkrili signale izvanzemaljske civilizacije; štoviše, sjećam
se da je seminarska soba u kojoj su objavili svoje otkriće
bila ukrašena likovima "malih zelenih ljudi". Međutim,
na kraju su oni i svi ostali došli do manje romantičnog
zaključka da su ti objekti tek rotirajuće neutronske zvijezde.
Bile su to loše vijesti za pisce svemirskih krimića, ali
dobre vijesti za malen broj nas koji su u to doba vjerovali u
postojanje crnih jama. Ako se zvijezde mogu skvrčiti na
veličinu od nekoliko desetaka kilometara i tako postati
neutronske zvijezde, za očekivati je da će se druge
zvijezde stegnuti još i više i postati crne jame.
Zvijezda mase veće od dvije mase Sunca ne može se
smiriti do stanja bijelog patuljka ili neutronske zvijezde.U
nekim slučajevima, zvijezda može eksplodirati te odbaciti
od sebe dovoljno materije da joj masa padne ispod te
granice. Ali to se ne bi dogodilo u svim slučajevima. Neke
će zvijezde postati tako malene da će njihova gravitacijska
polja toliko saviti svjetlost da će se ona vraćati prema
zvijezdi. Više nikakva svjetlost ili bilo što drugo neće
moći pobjeći. Zvijezde će postati crne jame.
Zakoni fizike su vremensko-simetrični. Stoga, ako
postoje objekti zvani crne jame, u koje stvari mogu pasti
ali ne i izaći van, trebaju postojati drugi objekti kod kojih
stvari mogu izaći van, ali ne i pasti unutra. Takve bismo
mogli nazvati bijele jame. Moglo bi se špekulirati o tome
da bi se moglo skočiti u neku crnu jamu na jednom mjestu
i izaći van iz bijele jame na drugom mjestu. To bi bio
savršen način, već ranije spomenut, svemirskih putovanja
na dulje pruge. Sve što bi vam bilo potrebno bilo bi naći
neku obližnju crnu jamu.
U prvi tren, ovakav oblik svemirskih putovanja izgledao
je moguć. U jednadžbama Einsteinove opće teorije
relativnosti postoje rješenja po kojima je moguće pasti u
neku crnu jamu i izaći na neku bijelu jamu. Međutim,
kasniji radovi pokazuju da su sva ova rješenja vrlo nestabilna:
i najmanji poremećaj, kakav je recimo prisustvo
nekog svemirskog broda, razorio bi "crvotočinu" ili prolaz,
koji vodi iz crne jame k bijeloj jami. Svemirski brod bi bio
rastrgan beskonačno jakim silama. Bilo bi to nalik
spuštanju u bačvi niz Niagaru.
Nakon toga, sve se činilo beznadnim. Crne jame bi
mogle biti od koristi da se oslobodite smeća ili da se riješite
nekog svog prijatelja. Ali one su bile zemlja "iz koje se
nijedan putnik ne vraća". Međutim, sve što sam bio rekao
dosad bilo je utemeljeno na izračunima po Einsteinovoj
općoj teoriji relativnosti. Ova je teorija u izvrsnom suglasju
sa svim promatračkim podacima. Ali znamo da ne može
biti u potpunosti točna, jer ne uključuje u sebi načelo
neodređenosti kvantne mehanike. Načelo neodređenosti
izriče da čestice ne mogu imati i točno poznat položaj i
točno poznatu brzinu. Što točnije se izmjeri položaj neke
čestice, to se manje točno može izmjeriti njena brzina, i
obratno.
Godine 1973. započeo sam istraživati što bi za crne
jame značilo načelo neodređenosti. Na veliko iznenađenje
moje i svih drugih, ustanovio sam da je ona značila da
crne jame nisu potpuno crne. Trebale bi stalnim tempom
emitirati zračenje i čestice. Kad sam rezultate objavio na
jednoj konferenciji u blizini Oxforda, dočekani su općom
nevjericom. Predsjedatelj konferencije rekao je da su
besmisleni, a u tom smislu je napisao i rad. Međutim, kad
su drugi ljudi ponovili moje izračune, došli su do istih
rezultata. Tako se, na kraju, s njima složio i spomenuti
predsjedatelj.
Kako zračenje može pobjeći iz gravitacijskog polja
crne jame? Ima više načina kako se to može shvatiti.
Premda svi oni izgledaju vrlo različiti, svi su oni zapravo
jednakoznačni. Jedan od načina je predstaviti si da načelo
neodređenosti dopušta česticama putovati na kratke
udaljenosti brže od svjetlosti. To čestici i zračenju omogućava
prolazak kroz događajni obzor i bijeg iz crne jame.
Prema tome, stvari mogu izaći iz crne jame. Međutim, ono
što izlazi iz crne jame bit će drukčije od onog što je palo
u nju. Ista će biti samo energija.
Kako crna jama odašilje čestice i zračenje, tako će i
gubiti na masi. Stoga će crna jama postajati sve manja te će
odašiljati čestice sve brže. Na kraju, past će na masu nula
i potpuno nestati. Što će se tada dogoditi predmetima,
uključivo recimo svemirski brod, koji su bili pali u crnu
jamu? Prema nekim mojim posljednjim radovima,
odgovor glasi: oni će provaliti u neki maleni vlastiti djetešce-
svemir. Neki mali, samosvojni svemir, izdanak
koji se izdvaja iz našeg svemira. Ovaj djetešce-svemir
može se ponovno priključiti našem području
prostorvremena. Učini li to, pojavit će nam se kao neka
druga crna jama, koja se oblikovala i zatim nestajala.
Čestice koje su upale u jednu crnu jamu pojavile bi se kao
čestice emitirane iz druge crne jame, i obratno.
Ovo zvuči baš kao plan koji će omogućiti svemirska
putovanja kroz crne jame. Samo usmjerite svoj svemirski
brod u neku prikladnu crnu jamu. Doduše, bolje je uzeti
jedno poveću, jer će vas inače gravitacijske sile razvući u
špagete prije negoli uđete unutra. Mogli biste se tada nadati
da ćete se pojaviti van iz neke druge jame, premda
vam ne bi bilo moguće odabrati gdje.
Međutim, ovakav način intergalaktičkog putovanja
ima jednu kvaku. Djetešca-svemiri, koji uzimaju sebi čestice
što upadaju u crnu jamu, događaju se u vremenu
kojeg nazivamo imaginarno vrijeme. U stvarnom vremenu,
astronaut koji bi pao u crnu jamu imao bi tužan kraj. Bio
bi rastrgan razlikom sila gravitacije na njegovu glavu i
njegova stopala. Ne bi preživjele čak ni čestice od kojih je
njegovo tijelo sazdano. Njihovi prikazi bi u stvarnom
vremenu završili u singularnosti. Ali životopisi čestica
nastavili bi se u imaginarnom vremenu. One bi prešle u
djetešce-svemir i izronile bi u naš svemir kao čestice
emitirane iz neke druge crne jame. Dakle, u izvjesnom
smislu, astronaut bi doista bio prebačen u drugo područje
svemira. Ipak, čestice koje bi se pojavile i ne bi baš bile
mnogo slične našem astronautu. Također, saznanje da će
njegove čestice preživjeti u imaginarnom vremenu neće
mu biti baš neka utjeha kad dospije u singularnost
stvarnog vremena. Moto za svakoga tko pada u crnu jamu
mora biti: "Misli imaginarno."
Što određuje gdje će čestice opet izroniti? Broj čestica
u djetešcu-svemiru bit će jednak broju čestica koje su
upale u crnu jamu, plus broj čestica što ih je crna jama
isijavala tijekom svog isparavanja. To znači da će čestice
što upadaju u jednu crnu jamu izaći iz druge jame otprilike
iste mase. Dakle, može se pokušati izabrati mjesto gdje će
čestice izroniti tako da se napravi neka crna jama iste
mase kao i ona u koju čestice siđoše. Međutim,
crna jama bi jednako vjerojatno isijavala neki drugi skup
čestica iste ukupne energije. Čak i ako je crna jama emitirala
točne vrste čestica, ne bi se moglo reći jesu li to
doista one iste čestice koje su sišle u drugu crnu jamu.
Čestice ne nose sa sobom osobne iskaznice; sve čestice
određene vrste izgledaju isto.
Sve ovo znači da se prolaz kroz crnu jamu vjerojatno
neće pokazati kao privlačan i pouzdan način svemirskih
putovanja. Prije svega, morali biste uspjeti putovati u
imaginarnom vremenu i ne brinuti o tome da je vaš prikaz
u stvarnom vremenu došao do gadnog kraja. Drugo, doista
ne biste mogli birati odredište. To vam je kao da letite s
nekim zrakoplovnim kompanijama, koje bih mogao
imenovati.
Premda djetešca-svemiri baš ne bi bili od koristi za
međuzvjezdana putovanja, imaju važne duboke posljedice
za naše nastojanje u iznalaženju potpune jedinstvene teorije
koja će opisati sveukupnost svemira. Naše sadašnje
teorije sadrže neki broj veličina, poput električnog naboja
na nekoj čestici. Vrijednosti ovih veličina se pomoću naših
teorija ne mogu predvidjeti. Umjesto toga, moraju biti
izabrane tako da se slažu s promatranjima. Većina
znanstvenika smatra, međutim, da postoji neka sadržajna
jedinstvena teorija koja će predvidjeti vrijednosti svih tih
veličina.
Možda takva jedna teorija doista i postoji. Najjači
kandidat za nju ovog trenutka nazvan je heterotska
superstruna. Zamišlja se da je prostorvrijeme ispunjeno
malim petljama, poput komada konaca ili struna. Ono o
čemu mi mislimo kao o elementarnim česticama zapravo
su te sitne petlje, titrajući na različite načine. Ova teorija
ne sadrži neke brojeve čije vrijednosti se mogu podešavati.
Stoga bi se očekivalo da ova teorija omogući predvidjeti
sve vrijednosti veličina, poput električnog naboja na
čestici, koje su u sadašnjim teorijama ostajale neodređene.
Unatoč tomu što iz teorije superstrune još uvijek nismo u
stanju predvidjeti neku od tih veličina, mnogi ljudi
smatraju da će nam na kraju to uspjeti.
Međutim, ako je ova predodžba djetešca-svemira
točna, bit će umanjena naša sposobnost predviđanja tih
veličina. Razlog tome je što ne možemo promatrati koliko
mnogo tih djetešca-svemira postoji izvan našeg, čekajući
da se priključi na naše područje svemira. Mogu postojati
djetešca-svemiri koji sadrže svega nekoliko čestica. Ovi
djetešca-svemiri su tako sitni da se ne bi ni zamijetilo
njihovo priključivanje odnosno odvajanje. Priključujući
nam se, međutim, oni će promijeniti prave vrijednosti
veličina, kakva je na primjer električni naboj na čestici.
Prema tome, nećemo moći predvidjeti što će biti prave
vrijednosti ovih veličina, jer ne znamo koliko mnogo
djetešca-svemira čeka tamo vani. Mogla bi biti populacijska
eksplozija djetešca-svemira. Međutim, za razliku
od ljudske populacijske eksplozije, čini se da kod svemira
nema ograničavajućih čimbenika poput hrane ili životnog
prostora. Djetešca-svemiri postoje u carstve sebe samih.
Koliko ih ima je pitanje poput pitanja koliko anđela može
plesati na vršku igle.
Za najveći broj veličina, djetešca-svemiri izgleda
uvode neki određeni, premda vrlo maleni, iznos neodređenosti
u predviđenim vrijednostima. Međutim, oni mogu
pružiti objašnjenje opažene vrijednosti jedne vrlo važne
veličine: takozvane kozmološke konstante. To je član u
jednadžbama opće relativnosti koji prostorvremenu
daje ugrađenu težnju ka širenju ili skupljanju. Einstein je
prvotno predložio vrlo malu kozmološku konstantu, poništavajući
njome težnju materije da steže svemir. Ovaj
je razlog nestao kad je otkriveno da se svemir širi. Ali
nije bilo tako lako riješiti se te kozmološke konstante.
Može se očekivati da će fluktuacije što ih podrazumijeva
kvantna mehanika dati kozmološku konstantu koja je vrlo
velika. Ipak, možemo promatrati kako se širenje svemira
mijenja vremenom te stoga odrediti da je kozmološka
konstanta vrlo mala. Sve do sada, nije bilo dobrog
objašnjenja zašto bi opažena vrijednost bila tako mala.
Međutim, odvajanja i pripajanja djetešca-svemira imat
će utjecaja na pravu vrijednost kozmološke konstante.
Budući da ne znamo koliko ima djetešca-svemira, bit će i
raznim mogućih vrijednosti za stvarnu kozmološku konstantu.
Ipak, gotovo nulta vrijednost bila bi daleko najvjerojatnija.
To je povoljno, jer samo ako je vrijednost
kozmološke konstante vrlo mala, svemir je pogodno mjesto
za bića poput nas.
Rezimirajmo: Čini se da čestice mogu pasti u crne
jame koje zatim isparuju odnosno nestaju iz našeg područja
svemira. Čestice provaljuju u djetešca-svemire koji
se odvajaju iz našeg svemira. Ova djetešca-svemiri mogu
se priključiti natrag našem svemiru negdje drugdje. To
baš možda nije dobro za svemirska putovanja pomoću crnih
jama, ali postojanje djetešca-svemira znači da ćemo biti u
stanju slabije predviđati, čak i ukoliko pronađemo potpunu
jedinstvenu teoriju. S druge strane, možemo biti u
mogućnosti pružiti objašnjenja za izmjerene vrijednosti
nekih veličina, poput kozmološke konstante. Tijekom
posljednjih nekoliko godina mnogi ljudi su započeli
istraživanja na temu djetešca-svemira. Ne mislim da će se
netko od njih obogatiti patentirajući s njima način
međuzvjezdanih putovanja, ali oni su postali vrlo uzbudljivo
područje istraživanja.