Зашто су Ајнштајн и његове колеге пружали „ирационални отпор“ идеји да постоје црне рупе

У овом специјалном илустрованом чланку, Бен Платс-Милс објашњава зашто су Алберт Ајнштајн и други еминентни физичари одбијали да поверују да су црне рупе стварне. Јесу ли биле сувише необичне и величанствене да би могле да се замисле?

Све звезде на крају морају да умру, али кад се то догоди, оне почну да живе загробним животом.

Мање тело, као наше Сунце, највероватније ће се смањити и стабилизовати као супергусти „патуљак".

Већа звезда могла би да се распадне у неутронску звезду, лопту субатомских честица пречника свега неколико километара, а опет са гравитацијом довољно јаком да успори време и исече оближња тела у „шпагетизоване" млазеве материје.

Али за најмасивније звезде, смрт значи трансформацију у нешто што измиче не само моћи описа већ и саме мисли.

Под тежином властите гравитације, оне се распадну ван било ког одрживог стања материје да би формирали изненадни, експоненцијални прасак: имплозију толико апсолутну да буши простор-време и растаче у својој близини све што нам је познато као физика.

Резултирајући гравитациони вртлог - црна рупа - гута сву материју, сву енергију, сав сјај, чак и звезде која ју је створила.

Чак ни светлост не може да јој побегне једном кад залута у њен домашај.

Попут невидљивог шава на одећи, црна рупа ствара уштип у Универзуму, затегнувши тканину тесно око себе као омотач непробојног мрака.

Може да се спозна само по ефектима: њеном изузетном гравитационом пољу и дисторзији простор-времена који ствара, илити „сочиву".

Постојање црне рупе почело је да наилази на прихватање шездесетих и недавно је доказано сликама које су начинили телескопи као што је Ивент хорајзон.

Сада се верује да се оне налазе у срцу већине галаксија, што значи да би могло да их буде милијарду разбацаних широм космоса.

А опет су њихове теоријске основе постављене пре више од сто година.

Како је описао физичар Вернер Израел, докази „нису могли да се игноришу већ 1916. године", али су негирани деценијама од најеминентнијих научника на свету, међу њима и Алберта Ајнштајна, чији је властити рад довео до њиховог открића.

Црне рупе су биле превише чудне, сувише узнемирујуће, за физичаре с почетка 20. века, изазвавши оно што је Израел назвао „отпором који се граничио са ирационалним".

Ово је илустрована прича о том научном отпору и зашто је физичарима било потребно пола века да прихвате да би црне рупе могле бити стварне.

Релативне вредности

И док су неки научници спекулисали о постојању сличних објеката званих „тамне звезде" пре више од 200 година, управо је Ајнштајнова теорија опште релативности поставила темеље за разумевање како су црне рупе могле настати.

Први пут објављена у октобру 1915. године, то је била темељна ревизија класичне физике која је вековима доминирала науком и филозофијом.

Као што је Ајнштајн објаснио 1921. године, „Некада се веровало да кад би све материјалне ствари нестале из Универзума, време и простор би остали."

Према теорији релативност, међутим…

…време и простор нестају заједно са свим стварима.

Ајнштајн је показао да су простор и време непрестано развучени и изобличени од маса као што су звезде и планете и да то објашњава постојање гравитације.

Начин на који тела привлаче једно друго није због „силе" која их привлачи, тврдио је он, већ због „закривљења" Универзума коју изазива маса.

Што је већа маса, веће закривљење ствара и зато је већа гравитациона сила.

Кад је Ајнштајн први пут објавио своју теорију, није везао решења за властите једначине, које би му до краја откриле импликације његовог открића.

Тај корак начинио је један други научник.

У новембру 1915. године, Карл Шварцшилд био је поручник артиљерије у немачкој војсци на Источном фронту.

Он је прочитао Ајнштајнову нову теорију док је радио на метеоролошкој станици близу прве линије фронта и написао му је писмо.

Његово писмо је понудило недостајућа решења и показало како би она могла да се искористе за моделовање гравитације звезде.

Једно својство модела, истакао је Шварцшилд касније, било је да радијус компресије испод сваке звезде - или било које друге сферичне масе - почиње да имплодира на неодређено под тежином властите гравитације.

Примењено на физику стварног света, то је имало застрашујуће импликације.

То је значило да би звезда наставила да се распада заувек, а њена маса да се сабија и да постаје све мања.

Њена гравитација постајала би све снажнија док незајажљиво гута околну масу, све док, коначно, не достигне тачку „сингуларитета", тренутак кад закони физике престају да важе, а простор и време престају да постоје.

Деценијама касније, Шварцшилдов сингуларитет биће признат као прекретница у теоријског физици - као први наговештај постојања црне рупе.

Шварцшилд је лично, међутим, одбацио ту идеју као математички артефакт.

Критични радијус био је, закључио је Шварцшилд, просто граница компресије звезде - тачка у којој ће она престати да се распада.

Уместо да открије црне рупе, он је тада постао прва особа која је одбацила доказе за њихово постојање из принципа.

Никад нећемо сазнати да ли би можда касније преиспитао властите идеје, зато што је умро од аутоимуне болести 1916. године.

Ајнштајнове реакције на Шварцшилдова решења биле су помешане.

С једне стране, знамо да је био задовољан, јер је помогао Шварцшилду да их објави у научном часопису пре него што је умро.

С друге стране, чини се да су га мучили сингуларитети које су та решења садржала.

Године 1935, са колегом Нејтаном Розеном, представио је нови концепт осмишљен са изричитим циљем да их се реши.

Повезивањем једног екстремног гравитационог догађаја са другим, Ајнштајн-Розенов „мост"- касније популаризован као „црвоточина" - формирао је неку врсту тунела између две зоне простор-време, заменивши сингуларитете материје која се распада пролазним, празним тунелом.

Ајнштајн и Розен били су недвосмислени поводом њихових мотива за објављивање ове идеје: сингуларитете, написали су они, „не можемо никако да прихватимо. Јер сингуларитет уводи толико арбитрарности у теорију да практично анулира њене законе."

Године 1939, Ајнштајн се вратио овом проблему, демонстрирајући да звезда која се распада не може да постане стабилна у критичном радијусу који је идентификовао Шварцшилд и закључио да сингуларитети „не постоје у физичкој реалности".

Чини се да је највећи физичар свога времена некако био неспреман - неспособан чак - да размишља о сингуларитетима и бесконачностима које су садржали.

У томе није био једини.

Сер Артур Едингтон био је секретар британског Краљевског астрономског друштва и Ајнштајнов главни популаризатор на енглеском говорном подручју.

Превео је општу теорију релативности за енглеске часописе, а потом, 1919. године, повео експедицију да тестира једну од њених највећих предвиђања.

Отпутовавши на западноафричко острво Принципе, направио је серију фотографија током помрачења Сунца.

Пошто су постале видљиве у тами помрачења, фотографије су показале да су звезде у истој линији видокруга као и Сунце деловале као да су у незнатно другачијим положајима него кад се гледају по ноћи, у одсуству Сунца.

То је доказало да је гравитација Сунца скретала светлост звезда - закривљењем простор-времена - баш као што је општа теорија релативности то предвидела.

Једна ствар бар је сигурна, светло има тежину

Једна ствар је сигурна, остало је предмет расправе

Светлосни зраци кад су близу Сунца,

скрећу са путање

Иронично је да, након што је уложио толики труд да демонстрира ефекте релативности, Едингтон, баш као и Ајнштајн, није могао да прихвати њене најзначајније импликације.

У својој утицајној књизи, Унутрашња конституција звезда, објављеној 1926. године, јасно је изложио претпоставку да је астрално тело довољно масивно да заточи светлост немогуће.

Огромна звезда Бетелгез, на пример, „не може да има толику густину као Сунце", зашто што би „сила гравитације била толико велика да светлост не би могла да побегне од ње" и зато што би маса произвела толико закривљена простор-времена да би се „простор затворио око звезде, оставивши нас напољу (што ће рећи, нигде)".

Али, математика није била на његовој страни.

У јулу 1930. године, 19-годишњи студент Субрахманјан Чандрасекар био је на пароброду који је пловио од његовог дома у Индији до Енглеске да би започео дипломске студије на Универзитету у Кембриџу.

Док је још био на броду, направио је неке прорачуне и открио да судбина умируће звезде неизбежно зависи од њене масе.

Звезда отприлике величине Сунца постепено би се смањивала и стабилизовала као супер-густи „бели патуљак", али би само незнатно већа звезда створила превише гравитације да би следила тај постепени пад.

„Нисам у то време схватао шта то ограничење значи", написао је он касније, „и нисам знао како би се све то завршило."

Звезда велике масе не може да пређе у стадијум белог патуљка и човек просто почне да спекулише о другим могућностима.

Едингтону се није допадало како звуче те „друге могућности" и на једној конференцији 1935. године извео је запањујући јавни напад, изложивши противљење идеји о распаду звезда.

„Разне несреће могле би да интервенишу да спасу звезду", рекао је он, „али ја желим више заштите од тога. Мислим да треба да постоји закон Природе који би спречавао звезду да се понаша тако апсурдно!"

Чандрасекар ће на крају бити овенчан Нобеловом наградом за свој рад, али у то време Едингтонов напад је био ефикасан.

Чандрасекар, и даље млади академик коме је недостајала професионална тежина, повукао се из те свађе.

Године 1931, и Ајнштајн и Едингтон одговорили су на сличан начин кад је белгијски свештеник и физичар Жорж Леметр изнео претпоставку да је сам Универзум настао из сингуларитета.

Та идеја ће се временом развити у Теорију о великом праску, али у оно време ју је Едингтон описао као „одбојну" , док је Ајнштајн рекао Леметру:

„Твоји прорачуни су тачни, али је твоја физика одурна."

На то се позвао Вернер Израел, деценијама касније, кад је описао Ајнштајнов и Едингтонов „отпор који се граничи са ирационалним".

Али они су можда пружали отпор управо зато што је за њих сингуларитет представљао понирање у безумље, напад на њихово разумевање шта би „рационално" могло да значи.

Обојица су схватала разлику између научних доказа и личног убеђења.

Ајнштајновим речима, „једина сврха науке је да утврди оно што јесте", а „утврђивање онога шта би требало да буде нема везе с њом."

Али, према сведочанству физичара Кипа Торна из 1990-тих, управо је питање „шта би требало да буде" доминирало њиховим прихватањем црних рупа.

Према његовим речима, црне рупе су „нарушавале Ајнштајнову и Едингтонову интуицију како би наш Универзум требало да се понаша".

Почетком 20. века, црне рупе су биле суштински неприступачне за посматрање - ако не могу да пропусте светло, не постоји начин да се посматрају или открије шта садрже.

Врста телескопа неопходна да се посматрају ови иначе невидљиви феномени још увек се налазила много деценија у будућности.

Суочени са том чињеницом, Ајнштајн и Едингтон су се позвали на одраније постојеће филозофске - чак духовне - претпоставке шта се сматрало рационалним и како Универзум функционише.

У писму написаном 1951, Ајнштајн је поменуо свој „емоционални или психолошки став", „уверење у рационалну природу стварности".

У бројним приликама он је истицао властито веровање у представу о Богу филозофа Спинозе: божанском бићу које постоји у свему.

Ајнштајн је овом Богу приписао лепоту и „логичку једноставност" Универзума, Богу који се указивао у „законитој хармонији" .

Едингтон, доживотни квекер, веровао је у Бога као „све-прожимајућу силу" која може да се идентификује са „природом".

Писао је о „мистичним искуствима" која су сједињавала ум са „хармонијом и лепотом" ширег Универзума.

Али иако је за њега природа била прелепа, повремено би говорио о осећању гађења према неким њеним појавним облицима, међу њима чак и људским бићима.

„Безначајном грешком у машини", написао је он 1934, „повремено би настајале неке громаде материје погрешне величине. Њима недостаје прочишћујућа заштита изузетне врелине или једнако ефикасна апсолутна хладноћа свемира…"

Човек је један од стравичних резултата ових повремених пропуста антисептичких мера предострожности.

Можда је желео да се нашали, али Едингтонове реакције на сингуларитете - његово захтевање „веће заштите" од тих „одбојних" идеја - као да су желеле да пренесу исту врсту гађења, као да су на неки начин егзистенцијално ружне или прљаве.

И за Ајнштајна и за Едингтона, сингуларитети су били неспојиви са лепотом и хармонијом на којима су заснивали властите светоназоре, и са рационалном богом који је стајао иза њих.

Осврнувши се на сопствену каријеру касније у животу, Чандрасекар је имао слично мистични - мада емоционално различити - одговор на црне рупе.

„У читавом мом научничком животу", написао је он 1975. године, „нашокантније искуство било је кад сам схватио да тачно решење Ајнштајнових једначина опште релативности пружа апсолутно тачну репрезентацију небројених масивних црних рупа које насељавају Универзум."

За разлику од Ајнштајновог и Едингтоновог отвореног гађења, Чандрасекар је описао властито искуство као „дрхтање пред лепотом".

Израз је преузет из Платоновог Федра, дијалога који је филозоф написао пре више од 2.000 година:

Душа је опхрвана страхопоштовањем и подрхтава од призора

лепоте јер осећа нешто пробуђено у себи

што већ постоји у њој дубоко у несвесној области

У истом предавању, Чандрасекар је цитирао физичара Вернера Хајзенберга у разговору са Ајнштајном о искуству научног открића: „И ви то мора да сте осетили: готово застрашујућу једноставност односа који природа наједном распростре пред нас и на које нико од нас ни најмање није био спреман."

Ужаснутост и страхопоштовање пред бесконачним; сукоб између лепоте и гађења: иако ови импулси можда делују крајње лично, они су заправо повезани са дугом културолошком историјом.

У Европи, одбојност према бесконачном датира најмање од Старих Грка, за које је то било нешто што је, према историчару Тобајасу Данцигу, „морало да се држи подаље, по сваку цену."

Развој телескопа у 17. веку довео је застрашујућу бесконачност Универзума у први план.

„Вечна тишина ових бескрајних простора испуњава ме ужасом", написао је француски полимат Блез Паскал 1650-тих, описујући људе као „ништавне у поређењу са бесконачношћу".

Англо-ирски аристократ Едмунд Берк је 1750-тих формализовао ову духовну тескобу у концепту „узвишеног".

Овај „спокој зачињен ужасом" нигде није боље приказан него у контемплацији о бесконачности, која испуњава ум „предивним страхом".

Немачки филозоф Имануел Кант је 1780-тих - такође фасциниран узвишеним - писао како „звездана небеса проширују везу у којој стојим у неограниченом мноштву светова изван светова и система над системима", и описао Земљу као „пуку трунчицу у Универзуму".

Размишљајући о бесконачности космоса, Кант је написао:

…безброј мноштава светова разбија моју важност као животињског створа…

Још један писац чије су речи предвиделе утицај црних рупа - на језовити начин - био је Американац Едгар Алан По.

У његовој краткој причи из 1841. године „У Малстремском вртлогу", он контемплира о трансформативној моћи узвишене бесконачности, док његов неименовани приповедач зури у застрашујући вртлог - „Малстрем" - и слуша сведочанство о рибаревој борби са истим вртлогом годинама раније.

Прича сучељава приповедачев осећај за рационално са страхом који прети да га целог обузме.

„Узалуд сам се борио", каже приповедач током бесне олује, „да се отарасим идеје да су сами темељи планине у опасности од беса ветрова."

О вртлогу он каже: „Обична сведочанства о овом вртлогу ме ни на који начин нису припремила за оно што сам угледао… она не могу да пренесу ни најблажу представу нити о величанствености, нити о ужасу те сцене…"

…нити о збуњујућем осећају нечег новог са чим се суочава верник.

Ови описи одражавају и Чандрасекарово „дрхтање" и нелагоду коју су испољили Ајнштајн и Едингтон.

По својим сликама, Поова прича је такође претеча Ајнштајнове идеје о црвоточинама.

Приповедач приче помиње како су локални Норвежани „готово сви одреда веровали" у представу „да је у центру канала Малстрема амбис који пролази кроз планету и излази на неком њеном веома удаљеном делу."

Поов извор за ову идеју био је немачки свештеник и полимат Атанасиус Кирчер, чија је књига из 1664. године Мундус Субтеранеус садржала мапе тунела испод Норвешке који су повезивали вртлог који је описао По са једним истим таквом у Ботнијском заливу, на другом крају Шведске, као и једним који је приказао утицај сличног подземног канала на вртлог Харибда на обали Сицилије.

Идеја веома личи на тунеле простор-време које је замислио Ајнптајн као бекство од егзистенцијалног вртлога сингуларитета без дна.

Постојао је, међутим, најмање један научник с почетка 20. века кога нису поколебали сингуларитети.

У септембру 1939. године, Роберт Опенхајмер и један његов колега објавили су прву студију која је описала црне рупе не као пуке теоретске артефакте већ као реалан звездани феномен.

„Кад сви термонуклеарни извори енергије буду исцрпљени", написали су они , „одговарајуће тешка звезда ће се распасти."

Код највећих звезда, и код оних код којих није интервенисао ниједан други фактор, распадање би се настављало у бескрај и звезда би се одсекла од остатка Универзума.

Чланак су неки описали као Опенхајмеров највећи допринос науци а опет у оно време једва да га је било ко приметио.

Истог месеца кад је објављен, нацисти су извршили инвазију на Пољску, а у октобру 1941. године Опенхајмер је регрутован да преводи рад на атомској бомби.

Никада се није вратио теми гравитационог колапса.

Погледајте видео: Како звучи црна рупа

Иако то није експлицитно повезао са црним рупама, Опенхајмер је често говорио о осећају страхопоштовања и дезоријентације у властитом раду.

У једном карактеристичном говору из 1960, он је рекао, речима које подсећају на Хајзенбергове: „Ужас се везује за ново знање. Он има квалитет извлачења тепиха испод ногу; затиче људе неспремним да се суоче са њим."

Године 1965. описао је „осећај беде кад уроните у нову непознаницу", навевши страх малтене као сигнал величине открића.

„Чуо сам од неких великана нашег времена", написао је он, „да када су открили нешто запањујуће…

…знали су да је добро зато што су се уплашили.

Иако су реаговали на различите начине на доказе пред собом, оно што је заједничко за све ове научнике - од Ајнштајна до Опенхајмера - било је да су у најважнијим питањима били руковођени осећањима.

Али та осећања су и оно што их раздваја.

Кад је био узнемирен, Ајнштајн је постао опрезан; Едингтон згађен; Чандрасекар је показао више симпатија ка узвишеном.

Опенхајмер је, коначно, могао да пригрли оно што га је плашило, могао је то да разуме као предзнак трансценденције.

И као што се свет ускоро у то уверио кроз бомбу коју је направио, страх није осујетио његову потрагу за открићем.

Чак и данас, црне рупе настављају да призивају контрадикторне емоције.

Почетком ове године тим аустралијских астронома идентификовао је најсветлији познат објект у Универзуму - масивну црну рупу окружену гасовитим „акреционим дисковима" пречника седам светлосних година.

Око 500 билиона пута јаркији од Сунца, диск садржи међузвездану олују са муњама, са температурама од 10.000 степени Целзијусових и ветровима који дувају толиком брзином да би обишли Земљу за секунду.

Рупа у њеном средишту гута еквивалент соларне масе сваки дан.

Интервјуисан у фебруару, лидер тима Кристијан Вулф, подсетио је на претке својом реакцијом: радовао се због новог открића, али је „и био шокиран и затечен тренутком страхопоштовања, замишљајући то паклено место… замишљајући те услове и да природа производи нешто још екстремније од онога што смо замишљали пре."

Црна рупа је непробојна енигма.

Ниједна светлост не може да продре кроз њу, ниједна енергија у било ком облику: ниједан звук, ниједна слика, ниједан сигнал, ништа по чему би њена унутрашњост могла да се истражи или разуме.

Штавише, чак и са правим астрономским црним рупама које су сада примећене, и даље је могуће да је Ајнштајн био у праву - да у њима нема сингуларитета - зато што очигледно тренутно нема начина да се то сазна директно.

Али ако су црне рупе оно у шта већина физичара верује, оне немају дно, и воде само ка унутра, у бескрај.

По дефиницији, са њима се не може расправљати, у њих ући, спознати их.

Оне нуде бесконачност мрака и уништења: супротно од просветљења.

Оне су проба истовремено храбрости и рационалног, мрачни базен у ком видимо одраз космоса - и самих себе.

Бен Платс-Милс је писац и илустратор чија дела истражују моћ, резоновање и рањивост, и начине на које је наука заступљена у популарној култури. Његови мемоари, Изрецитуј ми планете, објављени су 2018. године. Пратите га на Инстаграму @benplattsmills

ББЦ на српском је од сада и на Јутјубу, пратите нас ОВДЕ.

Пратите нас на Фејсбуку, Твитеру, Инстаграму, Јутјубу и Вајберу. Ако имате предлог теме за нас, јавите се на [email protected]