Ο Αϊνστάιν και οι συνομήλικοί του ήταν «παράλογα ανθεκτικοί» στις μαύρες τρύπες. Αυτή η εικονογραφημένη ιστορία διερευνά γιατί
Σε ένα ειδικό εικονογραφημένο χαρακτηριστικό, ο Ben Platts-Mills εξηγεί γιατί ο Albert Einstein και άλλοι επιφανείς φυσικοί αρνήθηκαν να πιστέψουν ότι οι μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να είναι πραγματικές. Ήταν πολύ περίεργα και υπέροχα για να τα φανταστώ;
Όλα τα αστέρια πρέπει τελικά να πεθάνουν, αλλά όταν πεθάνουν, μπαίνουν σε μια μεταθανάτια ζωή.
Ένα μικρότερο σώμα, όπως ο Ήλιος μας, πιθανότατα θα συρρικνωθεί και θα σταθεροποιηθεί ως ένας εξαιρετικά πυκνός «νάνος». Ένα μεγαλύτερο αστέρι μπορεί να καταρρεύσει σε ένα αστέρι νετρονίων, μια σφαίρα από υποατομικά σωματίδια μόλις λίγα μίλια σε διάμετρο αλλά με βαρύτητα αρκετά ισχυρή ώστε να επιβραδύνει το χρόνο και να τεμαχίζει τα κοντινά σώματα σε "σπαγγέτι" ρεύματα ύλης. Αλλά για τα πιο ογκώδη αστέρια, ο θάνατος σημαίνει μεταμόρφωση σε κάτι που αψηφά όχι μόνο τη δύναμη της περιγραφής αλλά και τη δύναμη της σκέψης. Υπερνικημένοι από τη δική τους βαρύτητα, καταρρέουν πέρα από κάθε βιώσιμη κατάσταση της ύλης για να σχηματίσουν μια ξαφνική, εκθετική σύγκρουση: μια έκρηξη τόσο απόλυτη που τρυπάει τον χωρόχρονο και ξεκλειδώνει στην γειτονιά του όλα όσα γνωρίζουμε ως φυσική.
Η προκύπτουσα βαρυτική δίνη - μια μαύρη τρύπα - εξουσιάζει όλη την ύλη, όλη την ενέργεια, κάθε ακτινοβολία, συμπεριλαμβανομένης αυτής του άστρου που τη δημιούργησε. Ακόμη και το φως δεν μπορεί να διαφύγει όταν ξεφύγει. Σαν μια αόρατη βελονιά σε ένα ρούχο, μια μαύρη τρύπα δημιουργεί μια πρέζα στο Σύμπαν, διπλώνοντας το ύφασμα σφιχτά γύρω από τον εαυτό του ως ένα περίβλημα αδιαπέραστου σκοταδιού. Μπορεί να γίνει γνωστό μόνο από τα αποτελέσματά του: το εξαιρετικό βαρυτικό του πεδίο και την παραμόρφωση, ή «φακό» του χωροχρόνου που δημιουργεί.
Η ύπαρξη μαύρων οπών άρχισε να βρίσκει αποδοχή τη δεκαετία του 1960 και πρόσφατα αποδείχθηκε από εικόνες που καταγράφηκαν από τηλεσκόπια όπως το Event Horizon . Τώρα πιστεύεται ότι βρίσκονται στην καρδιά των περισσότερων γαλαξιών, πράγμα που σημαίνει ότι θα μπορούσαν να υπάρχουν δισεκατομμύρια διάσπαρτα σε όλο τον κόσμο. Ωστόσο, οι θεωρητικές τους βάσεις εδραιώθηκαν πριν από εκατό και πλέον χρόνια. Όπως περιέγραψε ο φυσικός Βέρνερ Ισραήλ, τα στοιχεία ήταν «ήδη μη αγνοούμενα από το 1916», αλλά διαψεύστηκαν για δεκαετίες από τους πιο διαπρεπείς επιστήμονες στον κόσμο, συμπεριλαμβανομένου του Αϊνστάιν, του οποίου η δουλειά οδήγησε στην ανακάλυψή τους. Οι μαύρες τρύπες ήταν πολύ περίεργες, πολύ ενοχλητικές για τους φυσικούς των αρχών του 20ου αιώνα, προκαλώντας αυτό που το Ισραήλ αποκάλεσε «αντίσταση που συνορεύει με το παράλογο».
Αυτή είναι η εικονογραφημένη ιστορία αυτής της επιστημονικής αντίστασης και γιατί χρειάστηκε μισός αιώνας για να αναγνωρίσουν οι φυσικοί ότι οι μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να είναι πραγματικές.
Σχετικές αξίες
Ενώ ορισμένοι επιστήμονες είχαν εικασίες για την ύπαρξη παρόμοιων αντικειμένων που ονομάζονται «σκοτεινά αστέρια» πριν από περισσότερα από 200 χρόνια, ήταν η θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν που έθεσε το έδαφος για την κατανόηση του πώς θα μπορούσαν να δημιουργηθούν οι μαύρες τρύπες. Δημοσιεύτηκε για πρώτη φορά τον Οκτώβριο του 1915, αυτή ήταν μια βαθιά αναθεώρηση της κλασικής φυσικής που κυριαρχούσε στην επιστήμη και τη φιλοσοφία για αιώνες. Όπως εξήγησε ο Αϊνστάιν το 1921 , "Παλαιότερα πίστευαν ότι εάν όλα τα υλικά πράγματα εξαφανίζονταν από το Σύμπαν, ο χρόνος και ο χώρος θα έμεναν. Σύμφωνα με τη θεωρία της σχετικότητας, ωστόσο...
Ο Αϊνστάιν έδειξε ότι ο χώρος και ο χρόνος διαρκώς τεντώνονταν και παραμορφώνονταν από μάζες όπως αστέρια και πλανήτες, και ότι αυτό ευθύνεται για τη βαρύτητα. Ο τρόπος με τον οποίο τα σώματα σύρονται μεταξύ τους δεν οφείλεται σε μια «δύναμη» που τα έλκει, υποστήριξε, αλλά στην «καμπυλότητα» του Σύμπαντος που προκαλείται από τη μάζα. Όσο μεγαλύτερη είναι η μάζα, τόσο μεγαλύτερη καμπυλότητα προκαλεί και άρα τόσο μεγαλύτερη είναι η βαρυτική επίδραση.
Όταν ο Αϊνστάιν δημοσίευσε για πρώτη φορά τη θεωρία του, δεν είχε καθορίσει τις λύσεις στις δικές του εξισώσεις, οι οποίες θα του είχαν αποκαλύψει τις πλήρεις συνέπειες της ανακάλυψής του. Ήταν ένας άλλος επιστήμονας που έκανε αυτό το βήμα.
Τον Νοέμβριο του 1915, ο Karl Schwarzschild ήταν υπολοχαγός πυροβολικού στο γερμανικό στρατό, στο Ανατολικό Μέτωπο. Διάβασε τη νέα θεωρία του Αϊνστάιν ενώ εργαζόταν σε μετεωρολογικό σταθμό κοντά στην πρώτη γραμμή και έγραψε μια επιστολή ως απάντηση.
Η επιστολή του παρείχε τις λύσεις που λείπουν και έδειξε πώς θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τη διαμόρφωση της βαρύτητας ενός αστεριού. Ένα χαρακτηριστικό του μοντέλου, σημείωσε ο Schwarzschild αργότερα, ήταν μια ακτίνα συμπίεσης κάτω από την οποία ένα αστέρι - ή οποιαδήποτε άλλη σφαιρική μάζα - θα άρχιζε να εκρήγνυται επ 'αόριστον υπό τη δική του βαρύτητα. Αν εφαρμοστεί στη φυσική του πραγματικού κόσμου, αυτό είχε τρομακτικές συνέπειες. Αυτό σήμαινε ότι ένα αστέρι θα συνέχιζε να καταρρέει για πάντα, με τη μάζα του να συνθλίβεται όλο και μικρότερη. Η βαρύτητά του θα γινόταν όλο και πιο ισχυρή καθώς καταβρόχθιζε αχόρταγα τις γύρω μάζες μέχρι, τελικά, να φτάσει στο σημείο της «μοναδικότητας», μια στιγμή όπου οι νόμοι της φυσικής καταρρέουν και ο χρόνος και ο χώρος παύουν να υπάρχουν.
Δεκαετίες αργότερα, η ιδιομορφία Schwarzschild θα αναγνωριστεί ως σημείο καμπής στη θεωρητική φυσική - την πρώτη φορά που υπαινίχθηκαν οι μαύρες τρύπες. Ο ίδιος ο Schwarzschild, ωστόσο, απέρριψε την ιδέα ως μαθηματικό τεχνούργημα.
Η κρίσιμη ακτίνα, συμπέρανε ο Schwarzschild, ήταν απλώς το όριο για τη συμπίεση ενός αστεριού – το σημείο που θα σταματούσε να καταρρέει. Αντί να ανακαλύψει μαύρες τρύπες, λοιπόν, έγινε ο πρώτος άνθρωπος που απέρριψε τα στοιχεία για αυτές επί της αρχής. Δεν θα μάθουμε ποτέ αν θα μπορούσε να είχε αναθεωρήσει τις ιδέες του επειδή πέθανε από αυτοάνοση ασθένεια το 1916.
Η αντίδραση του Αϊνστάιν στα διαλύματα του Schwarzschild ήταν ανάμεικτη. Από τη μια πλευρά, γνωρίζουμε ότι ήταν ευχαριστημένος επειδή βοήθησε τον Schwarzschild να τα δημοσιεύσει σε ένα επιστημονικό περιοδικό πριν πεθάνει. Από την άλλη, φαίνεται ότι τον προβλημάτισαν οι ιδιομορφίες που περιείχαν. Το 1935, με τον συνάδελφό του Nathan Rosen, εισήγαγε μια νέα ιδέα που σχεδιάστηκε ρητά για να τους καταργήσει. Συνδέοντας ένα ακραίο βαρυτικό γεγονός με ένα άλλο, η «γέφυρα» Αϊνστάιν-Ρόζεν –που αργότερα έγινε δημοφιλής ως «σκουληκότρυπα»– σχημάτισε ένα είδος σήραγγας μεταξύ δύο ζωνών του χωροχρόνου, αντικαθιστώντας τις μοναδικότητες της ύλης που καταρρέει με μια φευγαλέα, άδεια σήραγγα. Ο Αϊνστάιν και ο Ρόζεν ήταν ξεκάθαροι σχετικά με τα κίνητρά τους για τη δημοσίευση αυτής της ιδέας: μοναδικότητες, έγραψαν , "δεν μπορούμε να δεχθούμε καθόλου. Γιατί μια ιδιομορφία φέρνει τόση αυθαιρεσία στη θεωρία που στην πραγματικότητα ακυρώνει τους νόμους της."
Το 1939, ο Αϊνστάιν επανεξέτασε ξανά το πρόβλημα , δείχνοντας ότι ένα αστέρι που καταρρέει δεν θα μπορούσε να γίνει σταθερό στην κρίσιμη ακτίνα που εντόπισε ο Schwarzschild, και καταλήγοντας στο συμπέρασμα ότι οι ιδιομορφίες «δεν υπάρχουν στη φυσική πραγματικότητα». Φαίνεται ότι ο μεγαλύτερος φυσικός της εποχής του ήταν κατά κάποιον τρόπο απρόθυμος –ακόμη και ανίκανος– να σκεφτεί τις μοναδικότητες και τα άπειρα που περιείχαν.
Δεν ήταν ο μόνος. Ο σερ Άρθουρ Έντινγκτον ήταν ο γραμματέας της Βασιλικής Αστρονομικής Εταιρείας της Βρετανίας και ο κύριος πρωταθλητής του Αϊνστάιν στον αγγλόφωνο κόσμο . Μετάφρασε τη γενική σχετικότητα για αγγλικά περιοδικά και στη συνέχεια, το 1919, οργάνωσε μια αποστολή για να δοκιμάσει μια από τις κύριες προβλέψεις της. Ταξιδεύοντας στο νησί Πρίνσιπε της Δυτικής Αφρικής, τράβηξε μια σειρά φωτογραφιών κατά τη διάρκεια μιας έκλειψης ηλίου. Έχοντας γίνει ορατά από το σκοτάδι της έκλειψης, οι φωτογραφίες έδειξαν ότι τα αστέρια στην ίδια οπτική γραμμή με τον Ήλιο εμφανίζονταν σε ελαφρώς διαφορετικές θέσεις από όταν βλέπονταν τη νύχτα, απουσία του Ήλιου. Αυτό απέδειξε ότι το φως των αστεριών εκτρέπεται από τη βαρύτητα του Ήλιου – από την καμπυλότητα του χωροχρόνου – ακριβώς όπως προέβλεπε η γενική σχετικότητα.
Είναι ειρωνικό το γεγονός ότι, έχοντας καταβάλει τόσα μήκη για να αποδείξει τα αποτελέσματα της σχετικότητας, ο Έντινγκτον δεν ήταν σε θέση, όπως ο Αϊνστάιν, να δεχτεί τις πιο σημαντικές επιπτώσεις της. Στο θεμελιώδες βιβλίο του, Το Εσωτερικό Σύνταγμα των Αστέρων , που δημοσιεύτηκε το 1926, κατέστησε σαφή την υπόθεσή του ότι ένα αστρικό σώμα αρκετά μεγάλο ώστε να παγιδεύει φως ήταν αδύνατο. Το γιγάντιο αστέρι Betelgeuse, για παράδειγμα, "δεν θα μπορούσε να έχει τόσο υψηλή πυκνότητα όσο ο Ήλιος" επειδή "η δύναμη της βαρύτητας θα ήταν τόσο μεγάλη που το φως δεν θα μπορούσε να ξεφύγει από αυτό" και επειδή η μάζα θα παρήγαγε τόσα πολλά χωροχρονική καμπυλότητα ότι «ο χώρος θα κλείσει γύρω από το αστέρι, αφήνοντάς μας έξω (δηλαδή πουθενά)».
Όμως τα μαθηματικά δεν ήταν με το μέρος του. Τον Ιούλιο του 1930, ένας 19χρονος φοιτητής ονόματι Subrahmanyan Chandrasekhar βρισκόταν σε ένα ατμόπλοιο που ταξίδευε από το σπίτι του στην Ινδία στην Αγγλία για να ξεκινήσει τις μεταπτυχιακές του σπουδές στο Πανεπιστήμιο του Cambridge. Ενώ ήταν ακόμα στο σκάφος, έκανε μερικούς υπολογισμούς και διαπίστωσε ότι η μοίρα ενός αστεριού που πεθαίνει εξαρτιόταν αναπόφευκτα από τη μάζα του. Ένα αστέρι στο μέγεθος του Ήλιου σταδιακά θα συρρικνωθεί και θα σταθεροποιηθεί ως ένας εξαιρετικά πυκνός «λευκός νάνος», αλλά ένα μόνο λίγο μεγαλύτερο θα δημιουργούσε υπερβολική βαρύτητα για να ακολουθήσει αυτή τη σταθερή πτώση. «Δεν καταλάβαινα τότε τι σήμαινε αυτό το όριο», έγραψε αργότερα , «και δεν ήξερα πώς θα τελείωνε».
Ο Έντινγκτον δεν άρεσε στον ήχο αυτών των «άλλων δυνατοτήτων» και σε ένα συνέδριο το 1935 έκανε μια τρομακτική δημόσια επίθεση, εκθέτοντας την αντίρρησή του στην ιδέα της αστρικής κατάρρευσης. "Μπορεί να παρέμβουν διάφορα ατυχήματα για να σωθεί το αστέρι", είπε , "αλλά θέλω περισσότερη προστασία από αυτό. Νομίζω ότι πρέπει να υπάρχει ένας νόμος της Φύσης για να εμποδίσει ένα αστέρι να συμπεριφέρεται με αυτόν τον παράλογο τρόπο!" Ο Chandrasekhar θα έπαιρνε τελικά το βραβείο Νόμπελ για το έργο του στα αστέρια, αλλά εκείνη την εποχή η επίθεση του Eddington ήταν αποτελεσματική. Ο Chandrasekhar, ένας ακόμη νεαρός ακαδημαϊκός που δεν είχε επαγγελματική υπόσταση, αποσύρθηκε από το επιχείρημα.
Το 1931, τόσο ο Αϊνστάιν όσο και ο Έντινγκτον είχαν ανταποκριθεί με παρόμοιο τρόπο όταν ο Βέλγος ιερέας και φυσικός Georges Lemaître πρότεινε ότι το ίδιο το Σύμπαν είχε ξεκινήσει από μια μοναδικότητα. Η ιδέα τελικά θα εξελισσόταν στη θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης, αλλά εκείνη την εποχή ο Έντινγκτον την περιέγραψε ως «απεχθή», ενώ ο Αϊνστάιν είπε στον Lemaître :
Σε αυτό αναφερόταν ο Βέρνερ Ισραήλ, δεκαετίες αργότερα, όταν περιέγραψε την « αντίσταση του Αϊνστάιν και του Έντινγκτον στα όρια του παράλογου ». Ίσως όμως να αντιστάθηκαν ακριβώς επειδή η ιδιαιτερότητα τους αντιπροσώπευε μια κάθοδο στην παράλογη, μια επίθεση στην κατανόησή τους για το τι θα μπορούσε να σημαίνει «λογικό». Και οι δύο κατάλαβαν τη διαφορά μεταξύ επιστημονικών στοιχείων και προσωπικών πεποιθήσεων. Σύμφωνα με τα λόγια του Αϊνστάιν , η επιστήμη είχε «μοναδικό σκοπό να προσδιορίσει τι είναι» και «ο προσδιορισμός του τι θα έπρεπε να είναι, δεν σχετίζεται με αυτό». Όμως, σύμφωνα με την αφήγηση του φυσικού Kip Thorne στη δεκαετία του 1990 , ήταν ακριβώς το ερώτημα του τι «πρέπει να είναι» που διέπει την πρόσληψή τους για τις μαύρες τρύπες. Σύμφωνα με τα λόγια του, οι μαύρες τρύπες «παραβίασαν τις διαισθήσεις του Αϊνστάιν και του Έντινγκτον για το πώς πρέπει να συμπεριφέρεται το Σύμπαν μας».
Στις αρχές του 20ου αιώνα, οι μαύρες τρύπες ήταν εγγενώς απρόσιτες για παρατήρηση – αν δεν μπορούσε να διαφύγει φως από αυτές, δεν θα υπήρχε τρόπος να τις παρατηρήσουμε ή να ανακαλύψουμε τι περιείχαν. Τα είδη των τηλεσκοπίων που χρειάζονταν για να παρατηρήσουν αυτά τα κατά τα άλλα αόρατα φαινόμενα ήταν ακόμα πολλές δεκαετίες στο μέλλον. Αντιμέτωποι με αυτό το γεγονός, ο Αϊνστάιν και ο Έντινγκτον επανήλθαν σε προϋπάρχουσες φιλοσοφικές –ακόμα και πνευματικές– υποθέσεις σχετικά με το τι θεωρούνταν λογικό και για το πώς λειτουργούσε το Σύμπαν .
Σε μια επιστολή που γράφτηκε το 1951 , ο Αϊνστάιν αναφέρθηκε σε μια «συναισθηματική ή ψυχολογική στάση» από την πλευρά του, «εμπιστοσύνη στην ορθολογική φύση της πραγματικότητας». Σε πολλές περιπτώσεις δήλωσε την πίστη του στην ιδέα του φιλόσοφου Σπινόζα για τον Θεό : ένα θεϊκό ον που υπάρχει σε όλα. Ο Αϊνστάιν απέδωσε σε αυτόν τον Θεό την ομορφιά και τη «λογική απλότητα» του Σύμπαντος και ο οποίος αποκαλύφθηκε στη «νόμιμη αρμονία» του . Ο Έντινγκτον, ένας ισόβιος Κουάκερος, πίστευε στον Θεό ως μια «πανταχού διεισδυτική δύναμη» που μπορεί να ταυτιστεί με τη «φύση» . Έγραψε για « μυστικές εμπειρίες » που ένωναν το μυαλό με την «αρμονία και ομορφιά» του ευρύτερου Σύμπαντος. Αλλά αν η φύση ήταν όμορφη, κατά καιρούς εξέπεμπε ένα αίσθημα αηδίας για ορισμένες από τις εκφράσεις της, και όχι μόνο για τα ανθρώπινα όντα. «Με μια ασήμαντη μηχανή», έγραψε το 1934 , «μερικοί σβώλοι ύλης λανθασμένου μεγέθους έχουν σχηματιστεί περιστασιακά. Αυτά δεν διαθέτουν την καθαριστική προστασία από την έντονη θερμότητα ή το εξίσου αποτελεσματικό απόλυτο κρύο του χώρου...»
Ίσως αυτό να προοριζόταν για αστείο, αλλά οι αντιδράσεις του Έντινγκτον στις ιδιαιτερότητες –η επιθυμία του «περισσότερης προστασίας» από αυτές τις «αποκρουστικές» ιδέες– φαίνεται να μεταδίδουν μια παρόμοια αίσθηση αηδίας, σαν να ήταν κατά κάποιο τρόπο υπαρξιακά άσχημες ή βρώμικες. Τόσο για τον Αϊνστάιν όσο και για τον Έντινγκτον, οι μοναδικότητες ήταν ασύγκριτες με την ομορφιά και την αρμονία πάνω στην οποία βασίζονταν οι κοσμοθεωρίες τους και με τον λογικό θεό που έβλεπαν πίσω από αυτό.
Κοιτάζοντας πίσω στην καριέρα του στη μετέπειτα ζωή του, ο Chandrasekhar γνωστοποίησε μια παρόμοια μυστικιστική –αν και συναισθηματικά διαφορετική– απάντηση στις μαύρες τρύπες. «Σε ολόκληρη την επιστημονική μου ζωή», έγραψε το 1975 , «η πιο συντριπτική εμπειρία ήταν η συνειδητοποίηση ότι μια ακριβής λύση των εξισώσεων της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν... παρέχει την απολύτως ακριβή αναπαράσταση ανείπωτου αριθμού τεράστιων μαύρων οπών που κατοικούν Σύμπαν." Σε αντίθεση με τη φαινομενική αηδία του Αϊνστάιν και του Έντινγκτον, ο Τσαντρασεκάρ περιέγραψε την εμπειρία του ως «ανατριχίλα μπροστά στην όμορφη». Η φράση προέρχεται από τον Φαίδρο του Πλάτωνα , έναν διάλογο που συνέθεσε ο φιλόσοφος πριν από περισσότερα από 2.000 χρόνια:
Στην ίδια διάλεξη, ο Chandrasekhar ανέφερε τον φυσικό Werner Heisenberg που μιλούσε στον Αϊνστάιν για την εμπειρία της επιστημονικής αποκάλυψης: «Πρέπει να το έχετε νιώσει κι εσείς: τη σχεδόν τρομακτική απλότητα και ολότητα των σχέσεων που η φύση απλώνει ξαφνικά μπροστά μας και για τις οποίες καμία από τις ήμασταν στο λιγότερο προετοιμασμένοι».
Τρόμος και δέος στο άπειρο. η σύγκρουση μεταξύ ομορφιάς και αηδίας: αν και αυτές οι παρορμήσεις μπορεί να φαίνονται πολύ προσωπικές, στην πραγματικότητα συνδέονται με μια μακρά πολιτιστική ιστορία. Στην Ευρώπη, μια απέχθεια προς το άπειρο χρονολογείται τουλάχιστον από τους Ελληνιστές Έλληνες, για τους οποίους ήταν κάτι που, σύμφωνα με τον ιστορικό Tobias Dantzig , «έπρεπε να κρατηθεί έξω, με κάθε κόστος». Η ανάπτυξη των τηλεσκοπίων τον 17ο αιώνα έφερε σε κοινή θέα το τρομακτικό άπειρο του Σύμπαντος. «Η αιώνια σιωπή αυτών των άπειρων χώρων με γεμίζει τρόμο», έγραψε ο Γάλλος πολυμαθής Blaise Pascale τη δεκαετία του 1650 , περιγράφοντας τους ανθρώπους ως «ένα τίποτα σε σύγκριση με το άπειρο».
Σχόλια