Czarne dziury. Klucz do zrozumienia Wszechświata recenzja

W zasadzie nie mamy wyboru interesując się czarnymi dziurami, szczególnie jeśli szukamy najgłębszych fundamentów realności. Einstein rozumiał, że jego teoria dopuszcza rozwiązania prowadzące do powstania pułapek czasu. Odrzucał jednak możliwość uformowania takich struktur, podobnie jak generowanie fal grawitacyjnych. Po stuleciu nie tylko teoretycy oba fenomeny rozumieją lepiej, ale i nasze instrumenty obserwacyjne pokazują, że po prostu istnieją. Przyjmując perspektywę złożoności problemów roztrząsanych naukowo, czarne dziury na poziomie koncepcji są zdumiewająco proste. Przy założeniu kilku uproszczeń, mają tylko masę i prędkość obrotu, a cała reszta to dynamiczne konsekwencje. Z drugiej strony, stanowiąc laboratorium do testów idei związanych z czasem i przestrzenią, wymagają zastosowania języka kwantowego. Chyba tylko kosmologiczny początek wszystkiego przebija atrakcyjnością w oczach fizyków te ‘czasoprzestrzenne deformacje’. A skoro istnieją ‘tuż za rogiem’ (**), to warto poznać takiego ‘sąsiada’. „Czarne dziury. Klucz do zrozumienia Wszechświata” autorstwa dwóch fizyków Briana Coxa i Jeffa Forshawa, to ciekawa propozycja czytelnicza. Skomplikowana jest jednak odpowiedź na pytanie, do kogo jest adresowana. Jest innowacyjna, gdy opisuje narzędzia geometryczne pomagające zrozumieć otoczenie tytułowych bohaterek. Zawiera sporo nowych wyników, które jednak po części podali autorzy w pojęciowym skrócie prowadzących do ogólników (być może nie da rady dokładniej i formalniej bez zniechęcenia czytelników).

Uporajmy się szybko z tym, co mi uwierało. Większość krytyki dotyczy ostatnich kilkunastu procent tekstu. Samo pojawienie się spekulacji, to nic złego. Jednak chodzi o proporcje. Dobry opis czarnych dziur odbywa się jednostajnie – teoria, podstawy realistycznych modeli, wplatanie termodynamiki, teorii informacji i mechaniki kwantowej. Jednak w tego typu książkach podane konkretne rozwiązania z frontu badań bez kontekstu, z którymi polemizują zapewne dziesiątki innych, mogą rozmywać granice między konsensusem a kontrowersjami. Pojawia się na przykład analiza artykułu z 2021 (str. 300) stanowiącego propozycję wykazania słuszności hipotezy o czasowej ewolucji entropii czarnych dziur. Skądinąd to z reguły bardzo ważne ustalenie, ale przecież daleko mu do akceptacji środowiskowej porównywalnej do modelu zdegenerowanego gazu elektronowego czy neutronowego (opisanych świetnie na str. 21-23). Nowości to rzecz pożądana, nawet w popularyzacji, ale liczyłem na komentarz pomagający czytelnikowi oszacować status takich hipotez. Ponadto znów pojawia się dualność AdS/CFT, choć na szczęście nie jako ‘czysty syndrom’ (***). Niestety uważam, że i ci fizycy (jako przedstawiciele społeczności naukowców, którzy zajmują się popularyzacją) nie opowiedzieli dobrze o splątaniu kwantowym (str. 265). W tak podanej wersji, nie dostajemy istoty różnicy między zwykłym (klasycznym, intuicyjnym) separowaniem dwóch obiektów o dwustanowej konfiguracji (jeśli wiem, że dostałem jedną z dwóch kulek – czarną lub białą, a ktoś inny drugą, to jeśli sprawdzę co mam, nie muszę sprawdzać czego nie mam, bo ten drugi kolor na pewno jest u tej drugiej osoby – to banał, poza który mało któremu fizykowi w opisie splątania udaje się wyjść) a w pełni kwantowym zjawiskiem.

Jestem niepomiernie wdzięczny fizykom za pierwsze 40% tekstu. W zasadzie to graficzna opowieść wprowadzająca czytelnika w świat diagramów Penrose’a. O teorii względności można opowiadać geometrycznie albo algebraicznie. Drugie jest bardziej formalne, daje pełniejszy obraz, choć jednocześnie jest mniej czytelne, gdy trzeba przejść na poziom popularny. Powstał język zbudowany na obrazkach. Choć i one koncepcyjnie mogą one stanowić poznawczą barierę u odbiorcy, z powodu nieintuicyjnego potraktowania przestrzeni i czasu (****). Nie warto traktować tych rozdziałów bez pełnego zaangażowania. Coś nieczytelne? Wracamy i analizujemy ponownie, może coś rysujemy na kartce. Proponowane takie podejście się opłaci, bo szybko zrozumiemy ‘paradoks bliźniąt’, dwa podstawowe modele teoretyczne czarnych dziur (Schwarzschilda i Kerra), włącznie z hipotezą ‘białych dziur’ i odwróceniem rolami czasu i przestrzeni pod horyzontem. Ponieważ diagramy Penrose’a to jeden z kilku najczęściej eksploatowanych graficznych interpretacji otoczenia osobliwości, to planując pogłębianie wiedzy o zagadkach czarnych dziur, taka znajomość z zasadami konstrukcji diagramów będzie procentować. Nie znam w dostępnej po polsku literaturze tak prostego i detalicznego opowiedzenia o tym narzędziu wizualizacji. Jednocześnie z wykresami, autorzy snują opowieść o podstawach grawitacji (niekoniecznie w tak ekstremalnym wydaniu) bardzo plastycznie i nowatorsko. Unikając historycznych wstawek, pokazują na przykład zdumiewającą wyjątkowość i w zasadzie iluzoryczność ciążenia, choć nasza lokalna obserwacja codzienności wydaje się czymś innym (polecam szczególnie str. 92, 101-102).

Wzory. Jest ich kilkanaście, ale większość uzasadniona. Co ważniejsze, dobrze opisali autorzy ich sens (np. str. 160-161 dla metryki czarnej dziury Schwarzschilda). Nawet wynikający z zastosowania ‘najnowszej teoretycznej maszynerii’ wzór na entropię (str. 303) skompresowany jest niemal do idei, a sama jego algebraiczna postać jest prosta i pozwala na wnioski, które autorzy nam umiejętnie dawkują. To uproszczony ekstrakt, ale pozwala laikowi zrozumieć na czym polega spór, gdzie poszukuje się wyjście z impasu i co z tego wynika dla poszerzenia wiedzy o czarnych dziurach (*****). Cały wywód Coxa i Forshawa dotyczy trudnych tematów, które kotłują się w głowach wybitnych fizyków od dekad. Dobrym sposobem na zainteresowanie tym odbiorców są częste wręcz potoczne wstawki omawiające sedno. Tłumaczenie przez analogię może nie jest przesadnie przez nich eksploatowane, bo publikacja ma dość solidne cele edukacyjne, ale w kilku miejscach podsumowania powinny się spodobać (str. 253):

„Czarne dziury” zasługują na wyróżnienie przede wszystkim za podanie solidnego instrumentarium, na którym często buduje się prawdziwą naukę, a które nie jest w swej istocie konstrukcją zbyt trudną (chodzi o wspomniane diagramy). Przepracowanie paradoksów i nietrywialnych konsekwencji istnienia czarnych dziur – hipoteza z tunelami czasu, problem ich starzenia się, zjawisko odwrotne do tytułowego obiektu do którego nie można dla odmiany wpaść (czyli białe dziury), proces podróży w kierunku osobliwości, zmiana upływu czasu i jego zamrożenie, opis zbierania informacji o obiektach wpadających do czarnej dziury z różnych punktów widzenia – wszystko to pokazuje niesłychane bogactwo zjawisk relatywistycznych, które nieubłaganie niszczą nasz zdrowy rozsądek. Przejście do zjawisk kwantowych wokół czarnych dziur (głównie jako konsekwencja postulatu Hawkinga o wydostającym się z powierzchni jej horyzontu promenowaniu) zostawiło mnie z mieszanymi odczuciami o poglądowości i doborze dydaktycznych komponentów. Jednocześnie profesorowie wytrwale postarali się przekazać aktualne kierunki badań nad tymi unikatowymi obiektami. Gdzie są spory, jakie obszary badawcze rokują, gdzie jest postęp. Dobrym zabiegiem było umieszczenie kolorowej wkładki na końcu (tylko nie wiem czy potrzebne było dublowanie tych samych rysunków czarno-białych w tekście bieżącej narracji). Grafika dodała ważny edukacyjnie komponent do całości. Wręcz w przypadku większości, inaczej pewnych treści nie udałoby się prostym językiem przekazać.

Na koniec – tak ‘boldem’. Książka jest trudna w tym sensie, że opisuje fizykę współczesną. Do tego jest trudna, bo skupia się na względności, jako dalekim od naszej codzienności zjawisku (zawsze warto się zastanowić jak bardzo determinuje nasze postrzeganie świata błędne przekonanie, że to, co widzimy oznacza, że ‘tam gdzieś’ się ‘to coś’ stało dokładnie w tym samym momencie, jak nasza percepcja zareagowała ‘na to coś’). Książka jest trudna, bo jest w niej mechanika kwantowa. Do tego, jest trochę bardziej trudna pod koniec, w związku ze skrótami, które wymagałyby szerszego wytłumaczenia (jako bazę traktuję ogólną wiedzę z LO sprzed 30-tu lat). ALE. Jest łatwa, bo w kontraście do podanych zwariowanych koncepcji, jest napisana językiem z reguły pilnującym ‘kontaktu intelektualnego z odbiorcą’. Nie ma u autorów maniery mentorskiego zauroczenia czytelnika. Życząc zdrowia Rogerowi Penrosowi, ponawiam apel do czytelników – czytając starajcie się naprawdę zrozumieć idee diagramów, które wymyślił dla poglądowości.

DOBRE z małym plusem – 7/10

=======

* To poetycki zwrot z książki. Pełniejszy sens oddają zawierające go zdania: „Osobliwość utworzona przez kolaps grawitacyjny to chwila bez jutra. Na zewnątrz pozostaje tylko ciemny ślad tego, co kiedyś świeciło: czarna dziura.” (str. 12)

** W sierpniu 2022 ukazał się kolejny artykuł na podstawie spływających cały czas danych z sondy Gaia, która bada od lat właściwości miliardów gwiazd w Galaktyce. Tym razem odkryła najprawdopodobniej czarną dziurę . Jeśli tak faktycznie jest, to byłaby to najbliższa nam osobliwość (ok. 1500 lat świetlnych).

*** Cox i Forshaw podają podstawy koncepcji zwanej AdS/CFT (służy im do pokazania kierunków badań w XXI wieku nad entropią czarnych dziur i paradoksem informacyjnym, który zaprowadził Hawkinga chyba w ślepą uliczkę), choć nie da się i u nich tej idei zrozumieć w zasadzie, to nie traktuje ich opowieści jako ‘intelektualnej zapory’ dla początkujących czytelników. Zaś ‘syndrom’ jako zjawisko negatywne opisałem w opinii pod książką „Droga do Wszechświata. Podróż na skraj rzeczywistości ”, Dine M..

**** Koncepcja umieszczenia w czworokącie całego Wszechświata (jego początku, końca, nieskończonych odległości) mądrze nazywa się odwzorowaniem konforemnym, gdzie oddalanie się od początku układu odniesienia (np. dla ustalenia uwagi, rozumianego jako analogię do zwykłej płaszczyzny kartezjańskiej) ‘kompresuje odległości’ zachowując kształty. Pewnej elastyczności rozszerzającej wyobraźnię dodają umieszczone w książce prace Eschera czy rzut Merkatora stosowany na mapach geograficznych (str. 64-65, 287).

***** Autorzy na kontrowersje wokół problemu potencjalnej utraty informacji przenoszonej przez materię, która wpada pod horyzont zdarzeń czarnych dziur, poświęcili zaledwie kilkadziesiąt stron. Stąd reklamuję solidny tekst Susskinda, który w tym sporze był w samym centrum – „Bitwa o czarne dziury”, Prószyński i S-ka 2011. Opowiada w nim o swojej konfrontacji z Hawkingiem, szeroko nakreślając kontekst bardzo obrazowym (amerykańskim) stylem gawędziarskim.