Vnútorná štruktúra čiernej diery - matematika udivuje

Problematika čiernych dier je už niekoľko desaťročí jednou z najpopulárnejších oblastí modernej astrofyziky, v očiach verejnosti vnímaná ako príťažlivá a exotická téma. Človek by si mohol myslieť, že tieto objekty, z vnútra ktorých sa k nám nemôžu dostať žiadne častice, zostanú tajomné a neprebádateľné, a teda písať o nich ďalšie články bude viac populistické či edukačné ako užitočné. Skutočnosť je však odlišná. Ľudská myseľ má vďaka obdivuhodnému nástroju - matematike - možnosť preniknúť aj do hlbín čiernych dier. Seriózne vedecké práce sa naďalej výpočtom ich vlastností venujú a v poslednom období dospeli k prekvapujúcemu poznaniu - vo vnútri čiernych dier by sa mohli nachádzať stabilné makroskopické objekty, a to dokonca aj planéty. Zdá sa vám to absurdné? Pozrime sa teda spolu na najnovšie výsledky vedeckého výskumu v tejto oblasti.

Úvod

Teoretická fyzika je exaktnou vedou vytvárajúcou popis nášho sveta na základe presne definovaných a matematicky konzistentných logických konštrukcií. Vďaka tomu vedecký pokrok v tejto oblasti stojí na pevných základoch a je definovaný objektívnymi a overiteľnými faktami. V tomto článku sa však pozrieme na samotný okraj poznania a v rámci objektívneho pohľadu (kompatibilného s ambíciou ukázať vzrušujúcosť vedy pri súčasnom zachovaní triezveho, racionálneho a ne-emocionálneho hodnotenia faktov) by sme preto čitateľa radi upozornili, že realistickosť fyzikálneho prístupu je vždy limitovaná dostupnosťou a presnosťou experimentálnych dát či úrovňou vyspelosti matematického aparátu, ktorý je taktiež neustále zdokonaľovaný. Fyzika pre popis sveta používa matematické modely, ktorých extrapolácia do extrémnejších podmienok nemusí byť vždy spoľahlivá a môže odhaliť ich nedokonalosti. Tie nevyplývajú z neexaktnosti samotnej matematiky, ale z nedokonalých vstupných údajov a parametrov, na ktorých je model vystavaný. Príkladom z minulosti je Newtonova gravitačná teória, ktorá exaktne a dostatočne presne popisuje bežnú realitu, avšak v extrémnejších podmienkach kvôli pôvodne zanedbateľným a teda neobjaveným a do modelu nezapracovaným vlastnostiam prírody musela byť výrazne doplnená a pretransformovaná až do podoby omnoho komplexnejšej všeobecnej teórie relativity. Pri vedeckom výskume na hraniciach poznania a experimentálnych možností ľudstva - kam skúmanie čiernych dier nepochybne patrí - teda človek musí mať vždy na zreteli relativitu výsledkov danú limitovanosťou vstupných dát a stupňom našej znalosti skúmaného problému. Exaktnosť sa na hranici poznania nemusí automaticky rovnať realistickosti. Práve to však prispieva k napínavosti vedeckého pokroku a vzrušeniu už od čias vynálezu pästného klinu sprevádzajúceho človeka pri jeho poznávaní sveta a evolučnom progrese.

My v tomto článku nazrieme do vnútra čiernych dier, kde je možné dostať sa len vďaka ľudskému umu a striktnej logike a racionalite. Umožňujú nám to desaťročia práce mnohých teoretických astrofyzikov, spomedzi ktorých spomeňme aspoň v posledných dekádach najzvučnejšie mená ako Roger Penrose, Kip Thorne, John Wheeler či Stephen Hawking. Obsah kľúčovej kapitoly "Život pod dvoma horizontmi" je z väčšej časti založený na najnovších výpočtoch renomovaného teoretického astrofyzika Vjačeslava Dokučajeva z Ústavu jadrového výskumu Ruskej akadémie vied, ktorý s pomocou vhodného matematického aparátu úspešne rozvinul dávnejšie známe idey. Výsledky výpočtov boli v roku 2011 publikované vo vedeckom časopise Classical and Quantum Gravity vydávanom britským Institute of Physics. Aj keď tieto výsledky nemusia byť definitívne a presné (a z pohľadu striktného skeptika, ktorým správny vedec musí byť, nie je možné zatiaľ s istotou vylúčiť ani to, že sú i mylné), je nesporne zaujímavé zoznámiť sa s tým, čo sa podľa súčasných teoretických a matematicky konzistentných znalostí môže nachádzať na jednom z najťažšie prebádateľných miest vo vesmíre.

Čierne diery

Aj keď je čierne diery s najväčšou pravdepodobnosťou zbytočné osobitne predstavovať, pripomeňme si stručne základné fakty o týchto exotických objektoch. Idea existencie telesa, z ktorého nemôže uniknúť žiadne svetlo, skrsla v mysli geológa Johna Michella už v roku 1783. Prekvapujúco, veda neskôr prostredníctvom prác matematika Laplaceho a najmä fyzika Karla Schwarzschilda s využitím čerstvo publikovanej teórie relativity potvrdila reálnosť tejto predstavy. Matematickým aparátom zdôvodnila existenciu objektov, ktorých gravitácia je vďaka kompaktným rozmerom natoľko intenzívna, že nedovolí žiadnemu telesu či častici (vrátane fotónov), nachádzajúcej sa v istej kritickej vzdialenosti od ich stredu, uniknúť. Tieto objekty predstavujú záverečné štádium vývoja veľmi hmotných hviezd a vznikajú gravitačným kolapsom po ukončení fúznych reakcií v ich jadrách.

Ak si časopriestor - čiže náš dobre známy priestor spojený s časom - predstavíme ako veľkú pružnú sieť či jemnú trampolínu, na ktorej plávajú hmotné objekty, tak si ľahko uvedomíme, že čím menší a hmotnejší (a teda hustejší) objekt bude, tým viac našu sieť zdeformuje. Desať kilogramov vážiaca plastová guľa s polomerom dva metre zdeformuje sieť menej ako rovnako ťažká kovová guľa s oveľa menším polomerom. Pri istej hustote hmoty nastane situácia, keď objekt sieť "pretrhne" a vznikne akýsi lievik bez dna - a práve toto pretrhnutie je centrom čiernej diery, vo vedeckom jazyku singularitou, čiže nekonečne zdeformovaným časopriestorom. (Poznámka: singularita je bod, v ktorom teória relativity prestáva platiť a primárnu rolu začínajú hrať efekty kvantovej mechaniky. Tieto dve teórie sa však doposiaľ plnohodnotne nepodarilo zladiť, preto singularity zatiaľ vzdorujú plne konzistentnému popisu. Očakáva sa, že kvantová teória gravitácie, ktorá zatiaľ ešte nebola úspešne vyvinutá, doplní teóriu relativity v tomto kritickom bode. Popíše singularitu ako bod s extrémnou avšak nie nekonečnou hustotou, zároveň nemeniac ostatné závery teórie relativity). Aj keď čiernym dieram chýba väčšina vlastností charakteristických pre bežné objekty, niekoľko základných vlastností im zostalo - majú hmotnosť, môžu rotovať a môžu mať elektrický náboj.

Podľa toho sa delia na niekoľko typov, pričom singularita je v závislosti od typu čiernej diery obklopená viacerými oblasťami, z ktorých jedna podľa najnovších výpočtov umožňuje existenciu stabilných dráh makroskopických objektov, vrátane planét.

Obrázok 1: Ak si časopriestor predstavíme ako pružnú sieť prehýbanú hmotnými objektmi na jej povrchu, čierna diera bude ekvivalentná extrémnemu lieviku, v ktorého strede leží singularita (teóriou relativity popísaná ako nekonečná deformácia, avšak z kvantového pohľadu len nesmierne hlboká). Povrch čiernej diery (horizont udalostí) je oblasť lievika, kde strmosť jeho stien je taká veľká, že sa už žiadna častica vrátane fotónov z neho nedokáže "vyštverať" (na obrázku označená čiernou kružnicou). 

Štruktúra a pád do čiernej diery.

A) Horizont udalostí - hranica bez návratu

Ľudia majú tendenciu myslieť si, že povrch čiernej diery je pevnou hranicou, prechod cez ktorú znamená pre akýkoľvek objekt okamžitú deštrukciu. Nie je to však tak. Ako už z obrázku 1 vyplýva, povrch čiernej diery, nazývaný horizont udalostí, nie je ničím iným než oblasťou v okolí singularity, kde úniková rýchlosť z daného miesta s extrémnou gravitáciou je rovná rýchlosti svetla. Inými slovami, objekt, ktorý sa dostane k singularite bližšie než horizont udalostí, už nemôže od nej uniknúť preč. Na našej pružnej časopriestorovej sieti si to môžeme predstaviť ako vzdialenosť od centra lievika, v ktorej strmosť stien lievika presiahne kritickú hodnotu, pri ktorej sa už ani najrýchlejšie častice z lievika nedokážu vyštverať. Prekročením horizontu udalostí sa dostaneme do tzv. T-regiónu, kde vzdialenosť od singularity získava charakter časovej dimenzie, čiže môže plynúť len jedným smerom - smerom k singularite. Avšak prechod cez horizont udalostí nie je ničím iným významný, nie je to žiadna fyzická bariéra ani oblasť kde prestávajú platiť fyzikálne zákony. Ak by sme boli hypotetickým pozorovateľom padajúcim do čiernej diery, po prechode horizontu udalostí by sme si nevšimli žiadnu zjavnú zmenu - jednoducho by sme len ďalej padali smerom k singularite, intenzita gravitácie by naďalej pozvoľna narastala a videli by sme čoraz viac zdeformovaný obraz vesmíru prostredníctvom fotónov prichádzajúcich z oblasti mimo čiernej diery.

Čo sa bude pri našom páde diať ďalej? Je dôležité si uvedomiť, že pre padajúceho pozorovateľa je najdôležitejším faktorom rozdiel v gravitácii medzi dvoma miestami (v prípade tvora Homo sapiens medzi nohami a hlavou), čiže tzv. slapové sily, ktoré "naťahujú" či "miesia" padajúce objekty. Tieto sily sú tým výraznejšie, čím bližšie sa pozorovateľ nachádza k singularite. Príroda a jej zákony zároveň určujú, že polomer horizontu udalostí rastie priamo úmerne s hmotnosťou čiernej diery, zatiaľ čo intenzita gravitácie klesá oveľa prudšie (konkrétne s druhou mocninou vzdialenosti od singularity). Slapové sily na horizonte udalostí sú teda veľmi veľké pre málo hmotné čierne diery (s hmotnosťou blízkou hmotnosti jednotlivých hviezd), avšak čím je čierna diera hmotnejšia, tým vo väčšej vzdialenosti a v menej intenzívnom gravitačnom poli sa horizont udalostí nachádza, a teda tým sú slapové sily na ňom slabšie. Preložené do zrozumiteľnej reči to znamená, že pri páde pozorovateľa do malej čiernej diery ho rozdiely v gravitácii roztrhajú veľmi rýchlo, avšak pri supermasívnej čiernej diere s hmotnosťou niekoľkých miliárd hmotností Slnka by nielenže prežil prechod horizontom udalostí, ale by žil aj značne dlhý lokálny* čas po jeho prechode. Pripomeňme si, že najhmotnejšia doposiaľ pozorovaná čierna diera v centre kvazaru OJ287 má hmotnosť 18 miliárd hmotností Slnka (supermasívne čierne diery vznikajú v centrách galaxií postupným pohlcovaním medzihviezdneho plynu, hviezd a ďalšieho materiálu - odporúčame poučné a laikovi prístupné vedecko popularizačné video o supermasívnych čiernych dierach a ich úlohe vo vývoji vesmíru, v angličtine s angl. titulkami). Ako presne dlhý čas však bude pozorovateľ ešte žiť? Ako si hneď vysvetlíme, odpoveď na túto zaujímavú otázku závisí od typu čiernej diery.

* Poznámka: ako prevenciu pred nejednoznačnosťou si (i keď čiastočne mimo základného rámca tohto článku) pripomeňme štandardnú vlastnosť prírody popísanú teóriou relativity - lokálnosť (čiže relativitu) času. V rôznych miestach vo vesmíre plynie čas rôznou rýchlosťou v závislosti od vzájomnej rýchlosti pohybu (tento efekt popisuje špeciálna teória relativity) a rozdielov v intenzite lokálneho gravitačného poľa (všeobecná teória relativity). Rozdiely v plynutí vo väčšine prípadov sú veľmi malé, avšak sú objektívne potvrdené a experimentálne merateľné (napr. čas na obežnej dráhe okolo Zeme plynie vďaka nižšej gravitácii o veľmi malý zlomok rýchlejšie ako čas na zemskom povrchu - efekt bol experimentálne potvrdený identickou dvojicou atómových hodín, z ktorých jedny zostali na povrchu Zeme, zatiaľ čo druhé boli umiestnené na obežnú dráhu - po ich návrate rozdiel v čase na hodinách s veľkou presnosťou zodpovedal hodnote vypočítanej teóriou relativity). Rozdiely sú však zistiteľné iba po vzájomnom porovnaní uplynutého času, lokálne je zmena rýchlosti plynutia času nemerateľná a nepostrehnuteľná, pretože sa týka všetkých častíc a fyzikálnych procesov v danom mieste, teda atómov, molekúl, atómových hodín, biochemických procesov, mysle pozorovateľa a podobne. V prípade čiernych dier je tento jav vďaka intenzívnej gravitácii omnoho markantnejší, avšak stále ide o tú istú vlastnosť prírody. Zmena plynutia lokálneho času pozorovateľa z jeho lokálneho pohľadu teda nie je pádom do čiernej diery žiadnym spôsobom priamo merateľná - na svojich akokoľvek presných hodinách by si pozorovateľ nevšimol žiadnu zmenu, pretože spolu so samotným časom sú ovplyvnené aj fyzikálne procesy používané na meranie času v hodinách a aj myšlienkové procesy pozorovateľa. Jeho čas sa vplyvom relativistických efektov mení iba vo vzťahu k vzdialenejšiemu pozorovateľovi, napr. mimo čiernej diery - tam nastáva známe 'spomalenie' pádu do čiernej diery (z pohľadu vonkajšieho pozorovateľa), a postupné znižovanie energie a počtu fotónov prilietavajúcich od padajúceho pozorovateľa k jeho vonkajšiemu náprotivku (spôsobené tým, že fotóny strácajú pri úniku zo silného gravitačného poľa časť svojej energie, ich dráha je čoraz viac zakrivovaná a teda hustota toku fotónov sa vďaka tomuto zintenzívňujúcemu sa rozptylu a takisto vďaka relatívnemu spomaľovaniu času na mieste pozorovateľa postupne znižuje). Ten teda síce nikdy neuvidí prechod padajúceho pozorovateľa cez horizont udalostí, avšak je to len relativistický efekt, ilúzia spôsobená extrémnym skreslením výmeny informácií (v tomto prípade fotónov), pričom v skutočnosti pozorovateľ cez horizont udalostí samozrejme prejde, bez subjektívneho spozorovania zmeny plynutia jeho lokálneho času. Analogicky, padajúci pozorovateľ uvidí zdeformovaný obraz vonkajšieho vesmíru, v ktorom plynie čas rýchlejšie ako na jeho hodinách - ak by mal teda počítač s vhodným softwarom, bol by schopný z pozorovaného deformovaného obrazu vesmíru rekonštruovať časť budúceho vývoja vonkajšieho vesmíru. 

B) Pod horizontom udalostí

1. Nerotujúce nenabité čierne diery - zánik je nevyhnutný

V prípade, že supermasívna diera nerotuje a má nulový elektrický náboj, je osud padajúceho pozorovateľa naozaj spečatený - výpočty ukazujú, že jeho pád do singularity je nevyhnutný (keďže sa nachádza v spomínanom T-regióne). Napriek tomu je zaujímavé, že v lokálnom čase padajúceho pozorovateľa (mimo čiernej diery samozrejme medzitým prebehne omnoho dlhší čas) pre čiernu dieru s hmotnosťou približne osemnástich miliárd hmotností Slnka uplynie medzi prekročením jej horizontu udalostí až po pohltenie singularitou až tridsaťtri hodín. Nie je to až také prekvapujúce, keď si uvedomíme, že polomer horizontu udalostí takto hmotnej čiernej diery je viac než desaťkrát väčší ako vzdialenosť planéty Neptún od Slnka. Jej priemerná hustota je menšia ako hustota zemskej atmosféry (hustota je nepriamo úmerná druhej mocnine hmotnosti - čím hmotnejšia čierna diera, tým má menšiu priemernú hustotu). 

V prípade, že do čiernej diery nepadá priveľa inej hmoty, s ktorou by pozorovateľ kolidoval, by teda pred záverečnou fázou nárastu slapových síl a roztrhaním v blízkosti singularity prežil vnútri čiernej diery dlhé hodiny a mohol pozorovať bizarné efekty deformovaného obrazu vonkajšieho vesmíru (týmto nesporne zaujímavým efektom sa však v tomto článku venovať nebudeme, v prípade záujmu čitateľ nájde graficky pôsobivé a vedecky realistické superpočítačové videosimulácie toho, čo uvidí padajúci pozorovateľ, na tejto stránke, prípadne tie isté simulácie v kompaktnejšej forme v tomto videu, oboje v angličtine). Bezpochyby zaujímavý fakt, avšak skutočná zaujímavosť nás v tomto článku ešte len čaká.

Obrázok 2: Štruktúra nerotujúcej elektricky nenabitej (tzv. Schwarzschildovej) čiernej diery. Medzi bodovou singularitou v centre a sférickým horizontom udalostí sa nachádza oblasť T-regiónu, kde jedinou možnou trajektóriou je približovanie sa k centrálnej singularite. Zdroj: autor.

2. Rotujúce a/alebo nabité čierne diery - záchrana pod Cauchyho horizontom

Výrazne komplikovanejšia je situácia čiernej diery, ktorá rotuje a/alebo má elektrický náboj. Vtedy totiž nastáva radikálna zmena v jej vnútornej štruktúre. Singularita v centre už nenadobúda tvar bodu, ale prstenca, a T-región už nesiaha až k singularite, ale končí sa na ďalšom, tzv. Cauchyho horizonte, kde časopriestor opäť nadobúda nám známu štandardnú podobu. Prítomnosť Cauchyho horizontu by tentoraz padajúci pozorovateľ už aj fyzicky pocítil - v jeho blízkosti totiž častice nadobúdajú veľmi vysoké energie. Cauchyho horizont je miesto, kde teória relativity stráca schopnosť jednoznačne predpovedať budúcnosť vývoja časopriestoru z jednoznačných počiatočných dát, a je zároveň aj hranicou súčasných znalostí - na Cauchyho horizonte sa končí jednoznačnosť a všeobecná zhoda vedcov. Prvotné výpočty ukazovali, že tento horizont je nestabilný a pozorovateľ ho nemôže prekročiť - energia fotónov a častíc totiž na ňom mala byť nekonečná, a navyše pozorovateľ na ňom mal uvidieť v konečnom čase nekonečné množstvo udalostí v celej histórii vesmíru. Avšak viaceré novšie práce podporujú možnosť jeho stability, a teda aj konečných energií a možnosť jeho prechodu, prinajmenšom pre čierne diery s hmotnosťou a rotáciou či nábojom v istom vhodnom rozmedzí (Cauchyho horizont by teda mohol byť vonkajším zásahom stabilizovaný). Vedecká diskusia v tomto smere neustále prebieha, avšak jej interpretácia je mimo rozsahu tohto článku a neovplyvňuje jeho závery - preto sa jej nebudeme podrobnejšie venovať a záujemcom ako prehľadný úvod do problematiky odporúčame druhý odkaz v literatúre na konci tohto článku.

Obrázok 3: Štruktúra/prierez rotujúcej (tzv. Kerrovej) a rotujúcej i nabitej (tzv. Kerr-Newmanovej) čiernej diery. Vidíme výrazný rozdiel oproti Schwarzschildovej čiernej diere z predchádzajúceho obrázku. Singularita má tvar prstenca, a k horizontu udalostí pribudol nový, tzv. Cauchyho horizont. Na Cauchyho horizonte sa končí T-región a v jeho vnútri má časopriestor opäť štandardné vlastnosti, pričom vďaka prstencovému tvaru singularity je možné sa jej natrvalo vyhnúť. Nerotujúca nabitá (tzv. Reissner-Nordströmova) čierna diera má tiež dva horizonty, avšak bodovú singularitu. Zdroj: autor.

V každom prípade, neovplyvnené možnosťou či nemožnosťou prechodu Cauchyho horizontu, čakalo vedcov pod ním prekvapenie - podľa najnovších výpočtov existuje pod týmto horizontom v prípade supermasívnych čiernych dier stabilná a aj rozľahlá oblasť, kde majú stabilné dráhy nielen fotóny a častice, ale je tam dostatok štandardného 3D priestoru i pre makroskopické objekty, teda napr. aj planéty. Dráhy nikdy neopustia oblasť pod Cauchyho horizontom, ale ani neskončia v singularite. Opakujeme, že to platí pre supermasívne čierne diery, kde sú slapové sily v dostatočne veľkej oblasti pod Cauchyho horizontom relatívne malé, a teda aj vyžarovanie gravitačných a elektromagnetických vĺn (ktoré by v prípade malých rotujúcich dier v priebehu pomerne krátkeho času stabilné dráhy narušili) nie je intenzívne a umožňuje dlhodobú stabilitu dráh.

Planéty či potenciálne aj život by teda mohli vnútri Cauchyho horizontu existovať, a vďaka stabilite dráh by mali dostatok času na svoje sformovanie a vývoj, podobne ako majú dostatok času v okolí štandardných hviezd. Zdrojom energie by bola centrálna singularita a takisto fotóny uväznené na rovnako stabilných dráhach.

Obrázok 4: Stabilné dráhy vnútri rotujúcej či elektricky nabitej čiernej diery majú bizarné tvary, vyplývajúce zo zložitej a nezvyčajnej vnútornej štruktúry týchto objektov, predovšetkým prstencového tvaru centrálnej singularity. Zdroj: V.I. Dokuchaev, Classical and Quantum Gravity 28, 235015, 2011.

Život pod dvoma horizontmi

Elektrický náboj čiernej diery je malý a pomerne rýchlo vymizne. Elektromagnetická sila je totiž o ohromujúcich 36 rádov silnejšia než gravitačná (pre porovnanie - rovnaký rádový rozdiel je medzi veľkosťou atómu a veľkosťou pozorovateľného vesmíru), a teda vzniku silne nabitých čiernych dier vždy včas zabráni (odpudzovanie častíc v hmote so silným elektrickým nábojom zabráni jej gravitačnému zmršťovaniu skôr než hustota a gravitácia dosiahne vysoké hodnoty). Navyše elektricky nabitá čierna diera ako akýkoľvek iný nabitý objekt bude prednostne pohlcovať predovšetkým častice s opačným nábojom. Preto nabitá čierna diera postupne svoj relatívne slabý náboj a Cauchyho horizont stratí. Na druhej strane rotácia čiernej diery je omnoho trvalejšou vlastnosťou, a navyše aj pravdepodobnejšou. Kompaktné objekty totiž vďaka zachovaniu rotačného momentu hybnosti po ich kolapse prudko rotujú, podobne ako krasokorčuliarka sa pritiahnutím rúk a nôh k telu prudko roztočí. Astronómovia pozorujú napr. tisícky neutrónových hviezd rotujúcich desiatky či stovky krát za sekundu. Najideálnejšie podmienky predstavuje teda čierna diera, ktorá:

• je supermasívna (slabé slapové sily a elektromagnetické i gravitačné vlny)
• rotuje (dlhodobá existencia Cauchyho horizontu, prstencovej singularity a stabilných dráh)
• už vyčerpala/pohltila zdroje hmoty vo svojom okolí (nízka hustota energie a hmoty pohybujúcej sa vo vnútri čiernej diery).

Takéto prípady už existujú a budú čoraz bežnejšie, keďže podľa súčasných pozorovaní takmer každá galaxia má vo svojom centre supermasívnu rotujúcu čiernu dieru - tie v priebehu desiatok miliárd rokov pohltia a vyčerpajú veľkú časť hmoty vo svojom okolí. Pod Cauchyho horizontom sa teda môžu vyvíjať systémy na stabilných dráhach so stabilným zdrojom energie. Súčasná veda zatiaľ nemôže vylúčiť dokonca ani podmienky - hoci drsné - vhodné pre niektoré formy odolného života. Vedci vyslovili hypotézu, že veľmi vyspelé civilizácie by mohli prežívať práve vnútri tohto typu čiernych dier, nepozorovateľné zo svojho materského vesmíru. Aj keď táto myšlienka je už viac v rovine špekulácie ako exaktnej vedy, súčasné znalosti nielenže nevyvracajú takúto možnosť, ale naopak ju podporujú.

Matematika a fyzika versus realita

Matematika je nástrojom, ktorý sa stal obdivuhodne až neuveriteľne presným pri popise prírody a sveta okolo nás. Matematika však skrýva omnoho viac ako demonštruje príroda - umožňuje nám nahliadnuť aj do hypotetických svetov, ktoré by mohli existovať, ale vďaka nastaveniu konštánt a reálnych prírodných zákonov neexistujú. Fyzika je v podstate aplikovanou matematikou, ktorá z mnohých teoretických možností vyberá a skúma len tie, ktoré sa v prírode realizovali (situácia je o niečo zložitejšia, pretože niekedy aj imaginárne riešenia matematických rovníc umožňujú nájsť reálne fyzikálna riešenia, ale podrobnejšia diskusia na túto tému by už bola mimo rámca tohto článku). Niekedy môže byť náročné oddeliť presnú hranicu medzi tým, čo sa v realite prírody skutočne demonštruje, a tým, čo pripúšťa matematické riešenie, najmä v prípadoch, keď nám chýbajú experimentálne dáta a pozorovania. Matematika a fyzika však vďaka ich vnútornej logike prepájajú niekedy aj veľmi vzdialené a zdanlivo nesúvisiace oblasti poznania - aj v oblastiach s nedostatkom experimentálnych dát dokážeme vďaka tomu objavovať a poznávať. Fyzikálne výpočty vnútornej štruktúry čiernych dier sú preto dynamickou oblasťou, kde vedci odhaľujú nové skutočnosti - existencia stabilných dráh elementárnych častíc (nie makroskopických objektov) vnútri čiernych dier či problém s extrémnymi energiami na Cauchyho horizonte sú známe už niekoľko desaťročí, avšak ich charakteristiky a vlastnosti sa neustále objavujú a spresňujú. Väčšina súčasných nejasností a problémov pri popise čiernych dier je spôsobených absenciou kvantového popisu gravitácie - po jeho úspešnom vyvinutí sa očakáva, že značná časť nestabilít a singularít bude eliminovaná a veda dospeje ku komplexnému a konzistentnému riešeniu. Nechajme sa prekvapiť, kam nás prísnou logikou vydláždená a preto evolučne nezvyčajne cenná cesta poznania dovedie, a to nielen v tak exotickej a zaujímavej oblasti akou je vnútro čiernych dier.

Matematika, abstraktný jazyk vytvorený ľudským umom, prekvapujúco a pri dostatku experimentálnych vstupov obdivuhodne presne popisuje svet. Vpravo vidíte ukážku zjednodušenej formy rovnice popisujúcej časopriestor rotujúcej čiernej diery. 

Autor: Juraj Kotulič Bunta, Ph.D  

(LinkedIn)

Literatúra na podrobnejšie štúdium (odborná):

Is there life inside black holes?
(V. I. Dokuchaev, Classical and Quantum Gravity 28, 235015, 2011)
The Cauchy Horizon In Black Hole-de Sitter Spacetimes 
(Ch. M. Chambers, proceedings of ``The Internal Structure of Black Holes and Spacetime Singularities", Technion -- IIT, Haifa, Israel. June 29 - July 3, 1997)
Circular motion of neutral test particles in Reissner-Nordström spacetime 
(D. Pugliese, H. Quevedo, R. Ruffini, Physical Review D83: 024021, 2011)
Motion of charged test particles in Reissner--Nordström spacetime 
(D. Pugliese, H. Quevedo, R. Ruffini, Physical Review D83: 104052, 2011)
Circular motion in Reissner-Nordström spacetime 
(D. Pugliese, H. Quevedo, R. Ruffini, Marcel Grossman Meeting, Paris, France, 12-18 Jul 2009)

a referencie v uvedených prácach