Czarny los osoby wpadającej w czarną dziurę

To była najczęściej czytana historia na BBC Earth w 2015 roku. Oto kolejna szansa, aby ją przeczytać.

To może się przydarzyć każdemu. Może jesteś na zewnątrz, próbując znaleźć nową planetę nadającą się do zamieszkania dla rasy ludzkiej, a może po prostu jesteś na długim spacerze i się poślizgniesz. Niezależnie od okoliczności, w pewnym momencie wszyscy stajemy w obliczu odwiecznego pytania: co się stanie, gdy wpadniesz do czarnej dziury?

Możesz się spodziewać, że zostaniesz zmiażdżony, a może rozerwany na strzępy. Ale rzeczywistość jest dziwniejsza niż to.

W momencie wejścia do czarnej dziury, rzeczywistość podzieliłaby się na dwie części. W jednej zostałbyś natychmiast spopielony, a w drugiej pogrążyłbyś się w czarnej dziurze zupełnie bez szwanku.

Czarna dziura to miejsce, w którym prawa fizyki, jakie znamy, załamują się. Einstein nauczył nas, że grawitacja wypacza samą przestrzeń, powodując jej zakrzywienie. Zatem jeśli obiekt jest wystarczająco gęsty, czasoprzestrzeń może zostać tak wypaczona, że skręci się sama w sobie, wywiercając dziurę w samej tkaninie rzeczywistości.

Masywna gwiazda, której skończyło się paliwo, może wytworzyć ekstremalną gęstość potrzebną do stworzenia takiego kawałka świata. Gdy gwiazda ugina się pod własnym ciężarem i zapada się do środka, czasoprzestrzeń zapada się wraz z nią. Pole grawitacyjne staje się tak silne, że nawet światło nie może się z niego wydostać, czyniąc region, w którym kiedyś znajdowała się gwiazda, dogłębnie ciemnym: czarną dziurą.

Głębiąc się w czarną dziurę, przestrzeń staje się coraz bardziej zakrzywiona

Najdalej wysuniętą granicą dziury jest jej horyzont zdarzeń, punkt, w którym siła grawitacji dokładnie przeciwdziała wysiłkom światła, by się z niej wydostać. Jeśli zbliżysz się bardziej, nie będzie ucieczki.

Horyzont zdarzeń jest pełen energii. Efekty kwantowe na krawędzi tworzą strumienie gorących cząstek, które wypromieniowują się z powrotem we wszechświecie. Nazywa się to promieniowaniem Hawkinga, od nazwiska fizyka Stephena Hawkinga, który je przewidział. Jeśli starczy czasu, czarna dziura wypromieniuje swoją masę i zniknie.

Głębiąc się w czarną dziurę, przestrzeń staje się coraz bardziej zakrzywiona, aż w końcu w jej centrum staje się nieskończenie zakrzywiona. To jest właśnie osobliwość. Przestrzeń i czas przestają być sensownymi pojęciami, a prawa fizyki, jakie znamy – wszystkie wymagające przestrzeni i czasu – nie mają już zastosowania.

Co się tu dzieje, nikt nie wie. Inny wszechświat? Oblivion? Tył regału z książkami? To tajemnica.

Co więc się stanie, jeśli przypadkowo wpadniesz w jedną z tych kosmicznych aberracji? Zacznijmy od pytania twojej kosmicznej towarzyszki – nazwiemy ją Ania – która z przerażeniem obserwuje, jak zanurzasz się w czarnej dziurze, podczas gdy ona pozostaje bezpiecznie na zewnątrz. W miarę jak przyspieszasz w kierunku horyzontu zdarzeń, Ania widzi, jak rozciągasz się i zniekształcasz, jakby oglądała cię przez gigantyczne szkło powiększające. Co więcej, im bardziej zbliżacie się do horyzontu, tym bardziej wydaje się, że poruszacie się w zwolnionym tempie.

Zanim w ogóle przekroczysz ciemność czarnej dziury, jesteś zredukowany do popiołu

Nie możesz do niej krzyczeć, bo w kosmosie nie ma powietrza, ale możesz spróbować błysnąć jej alfabetem Morse’a za pomocą światła w swoim iPhonie (jest do tego aplikacja). Jednak twoje słowa docierają do niej coraz wolniej, fale świetlne rozciągają się na coraz niższe i bardziej czerwone częstotliwości: „W porządku, a l r i g h t, a l r i…”

Kiedy docierasz do horyzontu, Ania widzi, jak zastygasz, jakby ktoś wcisnął przycisk pauzy. Pozostajesz tam, nieruchomo, rozciągnięty na powierzchni horyzontu, gdy zaczyna ogarniać cię rosnący żar.

Według Anny, jesteś powoli zacierany przez rozciągającą się przestrzeń, zatrzymanie czasu i ogień promieniowania Hawkinga. Zanim przekroczysz ciemność czarnej dziury, zostajesz zredukowany do popiołu.

Ale zanim zaplanujemy twój pogrzeb, zapomnijmy o Annie i spójrzmy na tę makabryczną scenę z twojego punktu widzenia. Teraz dzieje się coś jeszcze dziwniejszego: nic.

Płyniesz prosto do najbardziej złowrogiego celu natury bez najmniejszego wstrząsu czy drgnięcia – a już na pewno bez rozciągania, spowolnienia czy promieniowania skalującego. To dlatego, że jesteś w swobodnym spadku i dlatego nie czujesz grawitacji: coś, co Einstein nazwał swoją „najszczęśliwszą myślą”.

W wystarczająco dużej czarnej dziurze mógłbyś przeżyć resztę swojego życia całkiem normalnie

Po tym wszystkim, horyzont zdarzeń nie jest jak ceglana ściana unosząca się w przestrzeni. Jest to artefakt perspektywy. Obserwator, który pozostaje poza czarną dziurą, nie może przez nią widzieć, ale to nie jest twój problem. Jeśli chodzi o ciebie, nie ma horyzontu.

Jasne, że gdyby czarna dziura była mniejsza, miałbyś problem. Siła grawitacji byłaby znacznie silniejsza przy twoich stopach niż przy twojej głowie, rozciągając cię jak kawałek spaghetti. Ale na szczęście dla ciebie jest ona duża, miliony razy masywniejsza od naszego Słońca, więc siły, które mogłyby cię spaghettować, są na tyle słabe, że można je zignorować.

W rzeczywistości w wystarczająco dużej czarnej dziurze mógłbyś przeżyć resztę swojego życia całkiem normalnie, zanim umarłbyś w osobliwości.

Jak normalne mogłoby to być naprawdę, możesz się zastanawiać, biorąc pod uwagę, że jesteś zasysany w kierunku pęknięcia kontinuum czasoprzestrzennego, ciągnięty za sobą wbrew swojej woli, nie mogąc zawrócić w drugą stronę?

Nie możesz zawrócić i uciec z czarnej dziury

Ale kiedy się nad tym zastanowić, wszyscy znamy to uczucie, nie z naszego doświadczenia z przestrzenią, ale z czasem. Czas biegnie tylko do przodu, nigdy do tyłu, i ciągnie nas za sobą wbrew naszej woli, uniemożliwiając nam zawrócenie.

To nie jest tylko analogia. Czarne dziury wypaczają przestrzeń i czas do tego stopnia, że wewnątrz horyzontu czarnej dziury przestrzeń i czas faktycznie zamieniają się rolami. W pewnym sensie to czas wci±ga cię w kierunku osobliwo¶ci. Nie możesz się odwrócić i uciec z czarnej dziury, tak samo jak nie możesz się odwrócić i wrócić do przeszłości.

W tym momencie możesz się zatrzymać i zadać sobie palące pytanie: Co do diabła jest nie tak z Anne? Skoro chłodzicie się wewnątrz czarnej dziury, otoczeni przez nic dziwniejszego niż pusta przestrzeń, dlaczego ona upiera się, że zostaliście spaleni na popiół przez promieniowanie spoza horyzontu? Czy ona ma halucynacje?

Właściwie Ania jest całkowicie rozsądna. Z jej punktu widzenia, naprawdę zostałeś spalony na popiół na horyzoncie. To nie jest iluzja. Mogłaby nawet zebrać twoje prochy i wysłać je z powrotem do twoich bliskich.

W rzeczywistości prawa natury wymagają, abyś pozostał poza czarną dziurą widzianą z perspektywy Anny. To dlatego, że fizyka kwantowa wymaga, aby informacja nigdy nie została utracona. Każdy bit informacji, który odpowiada za twoje istnienie musi pozostać na zewnątrz horyzontu, aby nie złamać praw fizyki Anny.

Musisz być w dwóch miejscach, ale może istnieć tylko jedna kopia ciebie

Z drugiej strony, prawa fizyki wymagają również, abyś przepłynął przez horyzont bez napotkania gorących cząstek lub czegokolwiek innego. W przeciwnym razie naruszyłbyś najszczęśliwszą myśl Einsteina i jego teorię ogólnej względności.

Prawa fizyki wymagają więc, abyś był zarówno na zewnątrz czarnej dziury w kupie popiołu, jak i wewnątrz czarnej dziury żywy i zdrowy. Wreszcie, istnieje trzecie prawo fizyki, które mówi, że informacja nie może być sklonowana. Musisz być w dwóch miejscach, ale może istnieć tylko jedna kopia ciebie.

W jakiś sposób prawa fizyki kierują nas w stronę wniosku, który wydaje się raczej bezsensowny. Fizycy nazywają tę irytującą zagadkę paradoksem informacyjnym czarnej dziury. Na szczęście w latach 90. znaleźli sposób, aby go rozwiązać.

Leonard Susskind zdał sobie sprawę, że nie ma paradoksu, ponieważ żadna osoba nigdy nie widzi twojego klonu. Anna widzi tylko jedną kopię ciebie. Ty widzisz tylko jedną kopię siebie. Ty i Ania nigdy nie możecie porównać notatek. I nie ma trzeciego obserwatora, który mógłby widzieć jednocześnie wnętrze i zewn¡trz czarnej dziury. Więc żadne prawa fizyki nie są złamane.

Rzeczywistość zależy od tego, kogo pytasz

Chyba że, to jest, żądasz wiedzieć, która historia jest naprawdę prawdziwa. Czy naprawdę jesteś martwy, czy naprawdę żyjesz?

Wielką tajemnicą, którą ujawniły nam czarne dziury, jest to, że nie ma naprawdę. Rzeczywistość zależy od tego, kogo pytasz. Jest rzeczywistość Anny i jest twoja rzeczywistość. Koniec historii.

Cóż, prawie. Latem 2012 roku fizycy Ahmed Almheiri, Donald Marolf, Joe Polchinski i James Sully, znani pod wspólną nazwą AMPS, wymyślili eksperyment myślowy, który groził podważeniem wszystkiego, co myśleliśmy, że wiemy o czarnych dziurach.

Zdali sobie sprawę, że rozwiązanie Susskinda opiera się na fakcie, że wszelkie nieporozumienia między tobą a Anną są zapośredniczone przez horyzont zdarzeń. Nie miało znaczenia, czy Ania widziała pechową wersję ciebie rozproszoną wśród promieniowania Hawkinga, poniewa” horyzont uniemo „liwiał jej zobaczenie innej wersji ciebie unoszącej się wewnątrz czarnej dziury.

Anna może ukradkiem zerknąć za horyzont

Ale co by się stało, gdyby istniał sposób na dowiedzenie się, co jest po drugiej stronie horyzontu, bez przekraczania go?

Pierwotna względność powiedziałaby, że to nie ma sensu, ale mechanika kwantowa sprawia, że zasady są trochę bardziej niejasne. Ania może przemycić spojrzenie za horyzont, używając małej sztuczki, którą Einstein nazwał „upiornym działaniem na odległość”.

Tak się dzieje, gdy dwa zestawy cząstek, które są oddzielone w przestrzeni, są w tajemniczy sposób „splątane”. Są one częścią jednej, niepodzielnej całości, tak że informacji potrzebnej do ich opisania nie można znaleźć w żadnym z nich, ale w upiornych powiązaniach między nimi.

Pomysł AMPS wygląda mniej więcej tak. Załóżmy, że Ania złapała kawałek informacji blisko horyzontu – nazwijmy go A.

Każdy bit informacji może być zaplątany tylko raz

Jeżeli jej opowieść jest słuszna, a ty jesteś stracony, zakodowany wśród promieniowania Hawkinga poza czarną dziurą, to A musi być zaplątane z innym bitem informacji, B, który również jest częścią gorącej chmury promieniowania.

Z drugiej strony, jeśli twoja historia jest prawdziwa, a ty żyjesz i masz się dobrze po drugiej stronie horyzontu zdarzeń, to A musi być uwikłane w inną informację, C, która jest gdzieś wewnątrz czarnej dziury.

I tu jest haczyk: każdy bit informacji może być uwikłany tylko raz. Oznacza to, że A może być splątany tylko z B lub z C, nie z obydwoma.

Anna bierze więc swój bit, A, i przepuszcza go przez swoją poręczną maszynę dekodującą splątanie, która wypluwa odpowiedź: albo B, albo C.

Czy prześlizgnąć się przez to i żyć normalnie?

Jeśli odpowiedzią okaże się C, to twoja historia wygrywa, ale prawa mechaniki kwantowej zostają złamane. Jeśli A jest splątany z C, który jest głęboko w czarnej dziurze, wtedy ten kawałek informacji jest stracony dla Anne na zawsze. To łamie kwantowe prawo, że informacja nigdy nie może być utracona.

Zostaje B. Jeśli maszyna dekodująca Anny znajdzie, że A jest splątane z B, to Ania wygrywa, a ogólna względność przegrywa. Jeśli A jest uwikłane w B, to historia Anny jest jedyną prawdziwą historią, co oznacza, że naprawdę spłonąłeś na popiół. Zamiast płynąć prosto przez horyzont, jak mówi względność, uderzyłeś w płonącą ścianę ogniową.

Wracamy więc do punktu wyjścia: co się dzieje, gdy wpadasz w czarną dziurę? Czy prześlizgujesz się przez nią i żyjesz normalnie, dzięki rzeczywistości, która jest dziwnie zależna od obserwatora? Czy też zbliżasz się do horyzontu czarnej dziury tylko po to, by zderzyć się ze śmiertelną zaporą ogniową?

Nikt nie zna odpowiedzi, a zagadnienie to stało się jednym z najbardziej kontrowersyjnych pytań w fizyce fundamentalnej.

Odszyfrowanie splątania zajęłoby Annie niezwykle dużo czasu

Fizycy spędzili ponad sto lat próbując pogodzić ogólną względność z mechaniką kwantową, wiedząc, że w końcu jedno lub drugie będzie musiało ustąpić. Rozwiązanie paradoksu firewalla powinno nam powiedzieć, które z nich i wskazać drogę do jeszcze głębszej teorii wszechświata.

Jedna wskazówka może leżeć w maszynie dekodującej Anny. Ustalenie, z którym innym bitem informacji A jest zaplątana, jest niezwykle skomplikowanym problemem. Dlatego fizycy Daniel Harlow z Uniwersytetu Princeton w New Jersey i Patrick Hayden, obecnie na Uniwersytecie Stanforda w Kalifornii, zastanawiali się, jak długo to potrwa.

W 2013 roku obliczyli, że nawet przy najszybszym komputerze, na jaki pozwoliłyby prawa fizyki, rozszyfrowanie splątania zajęłoby Annie wyjątkowo dużo czasu. Zanim uzyskałaby odpowiedź, czarna dziura dawno by już wyparowała, znikając z wszechświata i zabierając ze sobą groźbę śmiertelnej zapory ogniowej.

Jeśli tak jest, sama złożoność problemu mogłaby uniemożliwić Annie zorientowanie się, która historia jest prawdziwa. Pozostawiłoby to obie historie jednocześnie prawdziwe, rzeczywistość intrygująco zależną od obserwatora, wszystkie prawa fizyki nienaruszone i nikt nie byłby zagrożony natrafieniem na niewytłumaczalną ścianę ognia.

Jeśli prawdziwa natura rzeczywistości leży gdzieś ukryta, najlepszym miejscem do szukania jest czarna dziura

Daje to również fizykom coś nowego do myślenia: tantalizujące połączenia pomiędzy złożonymi obliczeniami (jak te, których Anne najwyraźniej nie potrafi wykonać) a czasoprzestrzenią. To może otworzyć drzwi do czegoś jeszcze głębszego.

Taka jest rzecz o czarnych dziurach. Nie są one tylko irytującymi przeszkodami dla podróżujących w kosmosie. To także teoretyczne laboratoria, które biorą najsubtelniejsze dziwactwa praw fizyki, a następnie wzmacniają je do takich rozmiarów, że nie można ich zignorować.

Jeśli prawdziwa natura rzeczywistości leży gdzieś ukryta, najlepszym miejscem do jej poszukiwania jest czarna dziura. Prawdopodobnie najlepiej jest jednak patrzeć z zewnątrz: przynajmniej dopóki nie rozgryzą tego całego firewalla. Albo wysłać Anne do środka. Jej kolej już nadeszła.