pondělí 26. ledna 2009

Černé díry a budoucnost vesmíru Stephena Hawkinga

Černé díry a budoucnost vesmíru: tak zní poněkud zvláštní překlad knihy Black Holes and Baby Universes and Other Essays. O černých děrách mohl přemýšlet už Isaac Newton, kdyby ho taková myšlenka napadla, a po roce 1687 každý čtenář jeho Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica. Následující časový údaj je tedy o něco méně překvapivý, než jak na první pohled vypadá.

Pokud je mi známo, byl prvním, kdo se zmiňoval o černých dírách, cambridgeský učenec jménem John Michell: napsal o nich článek v roce 1783. Vycházel z následující myšlenky. Představme si dělovou kouli vystřelenou z povrchu Země kolmo vzhůru. Pohyb koule bude brzděn gravitací. Nakonec dosáhne nejvyššího bodu, zastaví se a začne opět padat. To ovšem platí, pokud je počáteční rychlost koule menší než určitá kritická rychlost. Je-li větší, nikdy se nepřestane vzdalovat a nezačne nikdy padat zpět. Takové rychlosti se říká úniková. Pro Zemi je rovna asi 11 kilometrům za sekundu, na Slunci má hodnotu kolem 160 kilometrů za sekundu. V obou případech jde o rychlosti vyšší než u reálných dělových koulí, ale mnohem nižší, než je rychlost světla, tedy 300 000 kilometrů za sekundu. To naznačuje, že vliv gravitace na světlo bude u Země i Slunce malý – světlo snadno unikne ze Země i ze Slunce. Michell zvažoval i možnost existence hvězdy dostatečně hmotné a zároveň s tak malými rozměry, že by úniková rychlost z jejího povrchu byla vyšší než rychlost světla. Takovou hvězdu bychom nemohli vidět, protože by nás světlo z jejího povrchu nikdy nedostihlo: zadrželo by je gravitační pole hvězdy. Existenci hvězdy bychom ovšem mohli zjistit prostřednictvím účinků jejího gravitačního pole na okolní hmotu.
Stephen Hawking – Černé díry a budoucnost vesmíru

Vědec, ačkoliv musí používat vědeckou metodu, se může inspirovat i mimo vědu. František Koukolík o tom píše na více místech, např. zde:

Filosofa [Pythagoru] to zřejmě ohromilo, a protože byl i matematikem, vyvodil z toho závěr ovlivňující filosofy a po nich vědce dodnes: za předměty a jevy, případně v nich samotných je matematický řád a ten je krásný. Odtud zřejmě i proslulá harmonie sfér, němý zpěv oběžnic a hvězd na křišťálových koulích obíhající Zemi. A snad i důvod, proč dva velcí fyzici, Maxwell v devatenáctém století a Dirac ve století dvacátém, doplnili chybějící člen ve své jinak neřešitelné rovnice jen na základě pocitu krásy. Matematici dodnes mluví o kráse rovnice jako o jenom z důvodů její platnosti nebo neplatnosti.
František Koukolík – Homo sapiens stupidus

Nevím o co u Maxwella a Diraca konkrétně šlo, ale následující příklad, kdy se takováto inspirace katastrofálně nepovedla, je poměrně známý. Hawking to popisuje takto:

Z původních Einsteinových rovnic obecné relativity plyne, že se vesmír buď rozpíná, nebo smršťuje. Einstein proto přidal k těmto rovnicím, které vyjadřují vztah mezi zakřivením prostoročasu a rozložením hmoty a energie, další člen. Tento – tzv. kosmologický – člen efektivně způsobuje gravitační repulzi. Tím gravitační přitažlivost hmoty vyvážila odpuzování v důsledku kosmologického členu. Jinými slovy – negativní křivost prostoročasu vyvolaná kosmologickým členem se může vyrušit s pozitivní křivostí vytvářenou hmotou a energií vesmíru. Tak se podařilo vytvořit model vesmíru, který navěky zůstává ve stejném stavu. Kdyby byl Einstein zůstal u svých původních rovnic, byl by předpověděl, že vesmír se buď rozpíná, nebo smršťuje. Takto myšlenka časově proměnného vesmíru zvítězila až v roce 1929, kdy Edwin Hubble objevil, že se vzdálené galaxie pohybují od nás. Vesmír se tedy rozpíná. Později Einstein nazval zavedení kosmologického členu „největším omylem svého života“.
Stephen Hawking – Černé díry a budoucnost vesmíru

Žádné komentáře: