Čas a priestor v zajatí čiernych dier

Ako sa mení koncept času v blízkosti čiernej diery

Akým spôsobom Einstein popísal rozdiel medzi minulosťou, prítomnosťou a budúcnosťou? To sú niektoré z otázok, ktoré preskúmame v tomto článku, keď sa vydáme na cestu tajomným a myseľ ohýbajúcim svetom čiernych dier a konceptom času.

Poďme spolu preskúmať neuveriteľnú silu a zvláštnosti týchto vesmírnych behemotov a objaviť dôsledky cestovania k čiernej diere – od extrémnych fyzických účinkov na telo až po zásadné zmeny v našom chápaní časopriestoru a gravitácie.

Bezpečná vzdialenosť od čiernej diery

V princípe, ak zostanete mimo horizontu udalostí čiernej diery s hmotnosťou m, existuje krásny malý vzorec, ktorým môžete vypočítať, ako veľká je čierna diera. Vezmete konštantu 2, vynásobíte ju Newtonovou konštantou G a hmotnosťou čiernej diery, a potom výsledok vydelíte druhou mocninou rýchlosti svetla (c²). Toto číslo vám povie, ako blízko sa môžete bezpečne priblížiť k čiernej diere bez toho, aby ste boli vtiahnutí dovnútra.

Ak zostanete za touto hranicou (2GM/c²), v princípe sa môžete dostať k okraju čiernej diery, otočiť sa a vrátiť sa späť. Ak to urobíte, zistíte, že sa vraciate do budúcnosti. Keď trávite čas blízko okraja čiernej diery, čas tam plynie pomalšie. Hodiny na Zemi budú tikať rýchlo, zatiaľ čo vaše hodiny budú odmeriavať čas pomaly.

Ak strávite približne rok v blízkosti okraja čiernej diery a potom sa vrátite na Zem, mohlo by tam byť už 10 rokov v budúcnosti, alebo tisíc rokov, či dokonca miliarda rokov do budúcnosti. Cesta, o ktorej hovoríme, sa môže zdať ako cesta priestorom – idete zo Zeme k čiernej diere a potom sa vrátite späť – ale v skutočnosti je to aj cesta časom. Keď sa vrátite, neuplynie toľko času, koľko si myslíte, že by malo uplynúť – na planéte Zem uplynie oveľa viac času.

Einsteinova teória relativity a povaha času

Einsteinova teória relativity revolučne zmenila naše chápanie priestoru a času. Podľa tejto teórie čas nie je absolútny a univerzálny, ale relatívny a závisí od pohybu pozorovateľa a gravitačného poľa. Plynutie času je opísané ako štvrtý rozmer spolu s tromi rozmermi priestoru.

Avšak koncept smerovania času je stále predmetom diskusie medzi fyzikmi. Niektorí veria, že čas sa pohybuje iba jedným smerom, od minulosti k budúcnosti, čo je známe ako šípka času. Iní naznačujú, že čas je symetrický a šípka času vzniká z počiatočných podmienok vesmíru.

Einsteinova relativita ponúka veľmi odlišný spôsob uvažovania o čase, kde si predstavujeme, že každý okamih je rovnako reálny ako každý iný okamih. Nie je to len tak, že prítomnosť je reálna, minulosť je preč a budúcnosť ešte nebola – každý moment je rovnako reálny ako každý iný. Minulosť stále existuje, budúcnosť existuje, prítomnosť existuje.

To viedlo k Einsteinovmu vlastnému poetickému opisu, kde povedal: „Rozdiel medzi minulosťou, prítomnosťou a budúcnosťou je len ilúzia, hoci pretrvávajúca.“

Šípka času

Sme natoľko zvyknutí na to, že keď pozorujeme fyzické javy vo svete, zdá sa, že sa vždy odvíjajú v jednej časovej orientácii. V skutočnosti existuje intuitívny pocit, že čas má smer – čas má to, čo nazývame šípkou.

Kanonické príklady, ktoré radi používame: ak pustíte vajce, rozbije sa, ale nikdy sa „nerozbije naspäť“. Ak niekto skočí z odrazového mostíka do vody, nikdy neuvidíte, ako niekto vyskočí z vody, odtočí sa a pristane na odrazovom mostíku. To je dôležitý fakt, pretože keď sledujete filmy pustené odzadu, dôvod, prečo sa smejete, je ten, že je to tak absurdné vzhľadom na vaše chápanie a intuíciu o povahe času.

Tu je však úžasný fakt: keď sa pozriete na zákony fyziky v súčasnej konfigurácii, všetky zákony fyziky, keď sú správne interpretované, majú tú vlastnosť, že zaobchádzajú s budúcnosťou a minulosťou symetricky, identicky, na rovnakej úrovni. To znamená, že keď my fyzici študujeme zákony pohybu, akákoľvek sekvencia udalostí, ktorá sa môže odvíjať v jednom smere, je zákonmi fyziky povolená aj v opačnom smere.

V skutočnosti existuje algoritmus, ktorý zabezpečuje, že ak máte napríklad akýkoľvek fyzikálny priebeh, a chcete ho obrátiť, stačí obrátiť pohyby častíc, ktoré sú v tom zúčastnené.

Časová relativita blízko čiernych dier

Dôsledky relativity času sú obzvlášť výrazné v blízkosti čiernych dier, kde extrémne gravitačné zrýchlenie spomaľuje čas. Ako sa približujete k čiernej diere, gravitačná sila sa stáva silnejšou a silnejšou, čo spôsobuje spomalenie času. Ak by ste boli schopní prežiť tieto extrémne podmienky, mohli by ste potenciálne zažiť niektoré z najextrémnejších fenoménov vo vesmíre.

Pochopenie povahy času je preto kľúčové pre pochopenie správania čiernych dier a účinkov, ktoré majú na svoje okolie.

V blízkosti čiernej diery je priestor a čas natoľko narušený, že za takzvaným horizontom udalostí je smer času a priestoru tak skrútený, že svetlo, ktoré sa šíri, nemôže vyjsť von. Nemôže prekonať horizont udalostí čiernej diery, a preto z nej nemôže vyjsť žiadne svetlo. Preto je čierna diera čierna.

Cestovanie k čiernej diere

Predstava cestovania k čiernej diere a návratu späť je niečo, čo často vidíme vo vedeckej fantastike, ale nie je to len fiktívny koncept. Je to teoreticky možné, ale extrémne gravitačné sily by mali vážne fyzické účinky na vaše telo. Rozdiel v gravitačných silách medzi vašou hlavou a nohami by mohol natiahnuť vaše telo až do bodu, kedy by sa roztrhlo.

Ak ste v blízkosti vodopádu a pádlujete v kajaku, ak môžete pádlovať rýchlejšie, ako tečie voda smerom k vodopádu, môžete uniknúť. Ale ak nemôžete pádlovať rýchlejšie, ako tečie voda, nemôžete uniknúť a ste odsúdení spadnúť dole vodopádom.

Predstavte si túto analógiu: samotný priestor padá cez okraj čiernej diery ako vodopád priestoru. Rýchlosť, akou priestor prechádza cez okraj čiernej diery, sa rovná rýchlosti svetla. Nič nemôže ísť rýchlejšie ako svetlo, takže v blízkosti čiernej diery ste stratení. Takže by ste mohli rovno pádlovať priamo k čiernej diere a ísť na adrenalínovú jazdu dole hrdlom samotnej čiernej diery.

Na okraji čiernej diery teda priestor v určitom zmysle preteká cez okraj, a to rýchlosťou rovnajúcou sa rýchlosti svetla. Keďže nič nemôže ísť rýchlejšie ako svetlo, nemôžete pádlovať proti prúdu. A ak nemôžete pádlovať proti prúdu, nemôžete uniknúť čiernej diere. Ste stratení a padnete do čiernej diery.

Časové skrivenie v blízkosti čiernej diery

Dôsledky cestovania k čiernej diere nie sú len fyzické. Ak by ste dokázali prežiť tieto extrémne podmienky, mohli by ste potenciálne zažiť niektoré z najextrémnejších javov vo vesmíre. Ako sa približujete k čiernej diere, jej gravitačné zrýchlenie sa stáva silnejším a silnejším, čo spôsobuje spomalenie času.

Čas nie je rovnaký, nie je univerzálny. Závisí nielen od toho, ako sa pohybujete, ale aj od gravitačného poľa, ktoré zažívate. Ak by ste sa dostali blízko okraja čiernej diery, kde je gravitácia oveľa silnejšia, časová deformácia spojená s tým, že ste bližšie k čiernej diere versus ďalej od čiernej diery, by mohla mať za následok významný časový rozdiel medzi hodinami, ktoré tikajú na týchto rôznych miestach.

Samozrejme, existujú príklady v populárnej kultúre, ktoré využili tento vedecký fakt. Napríklad vo filme Interstellar sa astronauti dostanú relatívne blízko k čiernej diere, čo ovplyvní ich plynutie času. Kip Thorne, ktorý bol vedeckým poradcom a mal pôvodnú myšlienku pre tento film, sa postaral o to, aby všetko bolo vedecky čo najpresnejšie. Toto je príklad, keď len niekoľko hodín podľa Matthewa McConaugheyho znamená 23 rokov na materskej lodi, pretože čas plynie tak pomaly v silnom gravitačnom poli čiernej diery v porovnaní s tempom, akým plynie čas inde.

Teoretické úvahy a budúcnosť výskumu

Samozrejme, všetko toto je v súčasnosti čisto teoretické, ale fakt, že bolo možné uvažovať o takejto ceste, je dôkazom neuveriteľnej sily a zvláštnosti čiernych dier. Napriek ich tajomným a často mätúcim vlastnostiam čierne diery naďalej fascinujú a inšpirujú vedcov aj verejnosť.

Aj keď myšlienka cestovania k čiernej diere môže byť stále záležitosťou vedeckej fantastiky, pokroky v našom chápaní čiernych dier a povahy času pripravujú cestu novým objavom a poznatkom o fungovaní vesmíru. Kto vie, aké ďalšie objavy ohýbajúce myseľ nás čakajú v budúcnosti.