Πώς οι μαύρες τρύπες ονομάστηκαν «μαύρες τρύπες» ή αλλιώς, πώς ο Αϊνστάιν έκανε λάθος

04/04/2020

ΗΛΙΑΣ ΜΑΓΚΛΙΝΗΣ

Κατά γενική ομολογία, δεν υπάρχει ουράνιο σώμα πιο εξωτικό και μυστηριώδες, πιο αλλόκοτο και εξωπραγματικό, από τις μαύρες τρύπες. Πώς υποψιαστήκαμε όμως την ύπαρξή τους και πότε και πώς τις ανακαλύψαμε; Ποιος τους έδωσε αυτή την εκπληκτική ονομασία που θα ζήλευε κάθε καλός διαφημιστής;

Η γενική αίσθηση είναι ότι την πρόβλεψη της ύπαρξής τους οφείλουμε στον Αλμπερτ Αϊνστάιν και τις δύο θεωρίες της σχετικότητας που ανέπτυξε το 1905 και το 1915. Αυτό όμως είναι εν μέρει ακριβές. Και το χρονικό γύρω από τις μαύρες τρύπες έχει τη δική του γοητεία.

Η «Γεωμετρία Σβάρτσιλντ»

Καρλ Σβάρτσιλντ

Ο άνθρωπος που υπέδειξε στον Αϊνστάιν ότι από την θεωρία της σχετικότητας προκύπτει κάτι πολύ παράξενο ήταν ο Καρλ Σβάρτσιλντ (Karl Schwartzild, 1873-1916). Ήταν με τις δικές του εξισώσεις που ο Αυστριακός αστροφυσικός (σημαντικό όνομα στον καιρό του), στην ουσία, υπέδειξε στον Αϊνστάιν ότι, με βάση τους νόμους της δικής του θεωρίας, η κατάρρευση ενός άστρου μεγάλης μάζας πρέπει λογικά να οδηγεί σε μια τερατωδία: σε ένα αδιανόητα μικροσκοπικό σημείο άπειρης πυκνότητας, σε κάτι δηλαδή σαν ρωγμή στην υφή του χωροχρόνου, από τις ασύλληπτες βαρυτικές δυνάμεις της οποίας ούτε και αυτό το φως δεν θα μπορούσε να ξεφύγει.

Την περίπτωση του Σβάρτσιλντ αφηγείται ο αστροφυσικός Κιπ Θορν (νομπελίστας το 2017 για τον εντοπισμό των βαρυτικών κυμάτων έπειτα από σύγκρουση δύο μαύρων τρυπών) στο δίτομο «Μαύρες τρύπες και στρεβλώσεις του χρόνου. Η προκλητική κληρονομιά του Αϊνστάιν» (εκδ. Κάτοπτρο).

Κιπ Θορν (Βραβείο Nobel Φυσικής, 2017)

Ο Σβάρτσιλντ υπηρετούσε στο ρωσικό μέτωπο όταν έπεσε στα χέρια του το τεύχος των Πρακτικών της Πρωσικής Ακαδημίας Επιστημών της 25ης Νοεμβρίου του 1915, όπου και δημοσιευόταν η εργασία του Αϊνστάιν για τη Γενική Σχετικότητα. Όπως γράφει ο Θορν, «πολύ σύντομα επιχείρησε να ανακαλύψει τις προβλέψεις των νέων βαρυτικών νόμων του Αϊνστάιν για τα άστρα. (...) Ο υπολογισμός του ήταν κομψός και η γεωμετρία του καμπυλωμένου χωροχρόνου που προέβλεπε, η “Γεωμετρία Σβάρτσιλντ” όπως έγινε σύντομα γνωστή, έμελλε να επηρεάσει σε μεγάλο βαθμό τις αντιλήψεις μας για τη βαρύτητα και το σύμπαν».

Η «Γεωμετρία Σβάρτσιλντ» προέβλεπε ότι για κάθε άστρο υπάρχει μια κρίσιμη περίμετρος, η οποία εξαρτάται από τη μάζα του: αυτό που παραξένεψε τον ίδιο τον Αϊνστάιν αλλά και ολόκληρη τη διεθνή κοινότητα των αστροφυσικών μέσα στις επόμενες δεκαετίες, ήταν η πρόβλεψη για ένα άστρο με περίμετρο ακριβώς ίση με την κρίσιμη: σε αυτό, ο χώρος στη γειτονιά αυτού του άστρου είναι έντονα καμπυλωμένος και η διαστολή του χρόνου στην επιφάνειά του γίνεται άπειρη, δηλαδή ο χρόνος δεν κυλάει καθόλου, «παγώνει». Κατά συνέπεια, το φως «παγιδεύεται», το μήκος κύματός του γίνεται και αυτό άπειρο, άρα το άστρο πλέον πρέπει να φαίνεται απολύτως σκοτεινό.

Ο Σβάρτσιλντ απέστειλε στον Αϊνστάιν δύο εργασίες του βασισμένες στη δική του θεωρία. Ήταν στη δεύτερη όπου αναπτυσσόταν ο ακριβής υπολογισμός της καμπυλότητας του χωροχρόνου στο εσωτερικό του άστρου και ο Αϊνστάιν τη διάβασε στη Πρωσική Ακαδημία Επιστημών, στο Βερολίνο στις αρχές του 1916. Ο Αϊνστάιν θαύμασε τους υπολογισμούς του Σβάρτσιλντ ωστόσο επέμεινε ότι αυτό είναι περισσότερο μια μαθηματική θεωρία: οπωσδήποτε, κατά την γνώμη του, η φύση θα πρέπει να έχει έναν μηχανισμό ασφάλειας που να μην επιτρέπει την ύπαρξη μιας τέτοιας ανωμαλίας. Γενικά, στις εξισώσεις και στους υπολογισμούς τους οι φυσικοί, και κυρίως οι μαθηματικοί, μπορούν να υπολογίζουν αδιανόητους χώρους και χρόνους, άλλες διαστάσεις και τέτοια παράδοξα. Όμως αυτό δεν σημαίνει ότι όλες αυτές οι μαθηματικές πράξεις έχουν και φυσική, πραγματική υπόσταση. Σημασία έχει το τελικό αποτέλεσμα σε αυτές τις ασκήσεις επί χάρτου να μην είναι το άπειρο.

Με τη Γεωμετρία Σβάρτσιλντ όμως, το τελικό αποτέλεσμα των εξισώσεων είναι αυτό ακριβώς: το άπειρο. Άπειρη πυκνότητα, άπειρη βαρύτητα, σε μια περιοχή στο σύμπαν όπου η φυσική όπως την ξέρουμε παύει να ισχύει.

Κάπου στην Αγγλία το μακρινό 1873…

Ωστόσο, θα πρέπει να πούμε ότι έστω και ως υποψία, η έννοια της μαύρης τρύπας υπήρχε περισσότερο από εκατό χρόνια πριν από την πρόβλεψή της από τον Σβάρτσιλντ και τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Αϊνστάιν. Στα 1783, ο Άγγλος γεωλόγος Τζον Μίτσελ, εφημέριος στην Εκκλησία Θόρνχιλ του Γιόρκσαϊρ, πραγματοποίησε μια εκπληκτική θεωρητική ανακάλυψη: έδειξε ότι αν η μάζα ενός «αστέρα» ήταν αρκετά μεγάλη, θα μπορούσε να παγιδεύσει την ίδια την ακτινοβολία του, με αποτέλεσμα το σώμα να γίνει αόρατο.

Δεκατρία χρόνια μετά, το 1796, ο Γάλλος φυσικός φιλόσοφος Πιερ-Σιμόν Λαπλάς έκανε ευρέως γνωστή την ίδια πρόβλεψη στο περίφημο έργο του «Το σύστημα του κόσμου». Αυτά σε μια εποχή όπου το φως εκλαμβάνεται ως συλλογή από σωματίδια. Ωστόσο, η ανακάλυψη της συμβολής του φωτός ως κύματος, υποχρέωσε τον Λαπλάς να παραλείψει τα περί «σκοτεινών άστρων» από τις κατοπινές εκδόσεις του «Συστήματος του κόσμου».

Ο Μίτσελ θεωρείται πατέρας της σεισμολογίας και υπήρξε ο πρώτος που εξήγησε, ύστερα από το σεισμό της Λισαβόνας το 1755, ότι οι σεισμοί ξεκίνησαν ως αποτέλεσμα της συσσώρευσης πίεσης αερίων από βραστό νερό λόγω ηφαιστειακής θερμότητας. Επεσήμανε, επίσης, ότι οι σεισμοί θα μπορούσαν να αρχίσουν κάτω από το βυθό των ωκεανών και ότι ο σεισμός της Λισαβόνας ήταν ένα τέτοιο παράδειγμα. Οι απόψεις του σχετικά με το σχηματισμό αυτού που ξέρουμε σήμερα ως μαύρη τρύπα στο χώρο παρουσιάστηκαν στη Βασιλική Εταιρεία του Λονδίνου το 1783.

Ο Μίτσελ ακολούθησε τη συμβατική άποψη της εποχής του, δηλ. του Νεύτωνα. Πίστευε λοιπόν ότι το φως αποτελείται από σωματίδια. Συνεπώς, έπρεπε να επηρεάζεται από τη βαρύτητα όπως οποιοδήποτε άλλο αντικείμενο. Όμως, ένας αστέρας της ίδιας πυκνότητας με τον Ήλιο, αλλά 500 φορές πιο μεγάλος, θα είχε μια ταχύτητα διαφυγής που θα ξεπερνούσε την ταχύτητα του φωτός, και έτσι τα σωματίδια του φωτός δεν θα κινούνταν αρκετά γρήγορα, ώστε να διαφύγουν από τη βαρυτική έλξη. Ένας τέτοιος αστέρας θα έπρεπε, επομένως, να φαίνεται μαύρος στον έξω κόσμο. Στην πραγματικότητα θα ήταν αόρατος.

Τελικά, ένας αόρατος αστέρας, όπως τους περιέγραψαν οι Μίτσελ και Λαπλάς, δεν παρουσιάζει πραγματικό ενδιαφέρον. Οι μαύροι αστέρες του Μίτσελ είναι στέρεα αντικείμενα συγκεκριμένου μεγέθους, αλλά οι μαύρες τρύπες, έτσι όπως τις κατανοούμε σήμερα, περιλαμβάνουν σχεδόν εξολοκλήρου νεκρό χώρο. Στην πραγματικότητα, είναι κυριολεκτικά τρύπες του χώρου και του χρόνου ή όπως λέει ο Κιπ Θορν «οι μαύρες τρύπες δεν αποτελούνται από ύλη αλλά από χώρο και χρόνο που έχουν περιπέσει σε περιδίνηση».

Μια μοιραία, ιστορική ημερομηνία

Ρόμπερτ Οπενχάιμερ

Οι εξισώσεις του Σβάτσιλντ μπορεί να εντυπωσίασαν θεωρητικά μόνον τον Αϊνστάιν, πάντως δεν πέρασαν απαρατήρητες γενικότερα. Την 1η Σεπτεμβρίου του 1939, συμβαίνει αυτό που συμβαίνει στην Ευρώπη, δηλαδή ο πόλεμος, ολοκληρωτικός και κεραυνοβόλος, μα από ένα παράξενο γύρισμα της τύχης, εκείνη ακριβώς τη μοιραία ημερομηνία, την 1η Σεπτεμβρίου του 1939, μαζί με την γερμανική εισβολή στην Πολωνία, δημοσιεύονται στο αμερικανικό περιοδικό Physical Review, στο ίδιο τεύχος, δύο σημαντικά επιστημονικά άρθρα: το ένα είχε ως θέμα την πυρηνική σχάση και το υπέγραφαν ο μεγάλος Δανός Νιλς Μπορ και ο Αμερικανός Τζον Άρτσιμπαλντ Ουίλερ (ας συγκρατήσουμε αυτό το όνομα διότι ήταν ο άνθρωπος που το 1967 έδωσε την ονομασία «μαύρη τρύπα»).

Το δεύτερο άρθρο είχε ως θέμα την ολική κατάρρευση ενός άστρου στο άπειρο και συγγραφείς του ήσαν οι διάσημος σήμερα Ρόμπερτ Οπενχάιμερ και Χάρτλαντ Σνάιντερ. Τρομερή ειρωνεία: το όνομα του Οπενχάιμερ είναι πολύ περισσότερο συνδεδεμένο στη συνείδηση του ευρέως κοινού με το θέμα του άρθρου των Μπορ-Ουίλερ, δηλαδή την πυρηνική σχάση, καθώς ο Οπενχάιμερ έχει αποκληθεί από το 1945 και έπειτα «πατέρας της ατομικής βόμβας».

Εξαιτίας του πολέμου, το θέμα του άρθρου των Μπορ-Ουίλερ, η πυρηνική σχάση, βρέθηκε πολύ γρήγορα στην καρδιά του κολοσσιαίου αμερικανικού εγχειρήματος που αργότερα οδήγησε στις ατομικές βόμβες και στον μεταπολεμικό πυρηνικό εξοπλισμό και ο Οπενχάιμερ διηύθυνε το πρόγραμμα «Μανχάταν» στο Νέο Μεξικό όπου τον Ιούλιο του 1945 πραγματοποιήθηκε η πρώτη ατομική δοκιμή, ανοίγοντας το δρόμο για τον βομβαρδισμό της Χιροσίμα με το «Μικρό Αγόρι» είκοσι ημέρες αργότερα (ένας στενόμακρος σκουπιδοτενεκές με πτερύγια τον αποκάλεσε ο Αμερικανός δημοσιογράφος και συγγραφέας Ντέιβιντ Μποντάνις, που έκανε 43 δευτερόλεπτα για να σκάσει από τη στιγμή που τον ξέρασε το αμερικανικό βομβαρδιστικό Β-29 του Πολ Τίμπετς), «με τη λάμψη της έκρηξης να φτάνει έως την τροχιά του φεγγαριού, ένα μέρος της να επιστρέφει πίσω, στη Γη, το μεγαλύτερο μέρος της όμως να συνεχίζει ως τον Ήλιο και πολύ, πολύ πέρα και μακριά από αυτόν. Ήταν μια λάμψη που έγινε ορατή από τον μακρινό Δία, μα από την προοπτική του Γαλαξία μας, ήταν μια χαρακτηριστικά ασήμαντη αναλαμπή», γράφει ο Μποντάνις στο βιβλίο του «Η βιογραφία της πιο διάσημης εξίσωσης στον κόσμο» (εκδ. Λιβάνης).

Ο Ουίλερ διηύθυνε το πρόγραμμα κατασκευής των πρώτων πυρηνικών αντιδραστήρων στον κόσμο στην πολιτεία Ουάσινγκτον, στη δυτική ακτή, όπου και παρασκευάστηκε το πλουτώνιο-239, το οποίο χρησιμοποιήθηκε με τη σειρά του στη δεύτερη βόμβα, τον «Χοντρό άντρα», που έπεσε στο Ναγκασάκι, τρεις μέρες μετά την Χιροσίμα.

Χωρίς να το ξέρουν, οι δύο φυσικοί τα είχαν μοιράσει θαυμάσια: ο Οπενχάιμερ γέννησε τη βόμβα για τη Χιροσίμα και ο Ουίλερ αυτή για το Ναγκασάκι. Ο καθένας τους όμως βίωσε σχεδόν διαμετρικά αντίθετα τη συμμετοχή του στο ατομικό πρόγραμμα: ο Οπενχάιμερ αισθάνθηκε βαθιά ενοχή προτού καν ισοπεδωθεί η Χιροσίμα και 30.000 άνθρωποι περάσουν στην ανυπαρξία μέσα σε ένα δευτερόλεπτο και προτού απανθρακωθούν χιλιάδες άλλοι ακόμη. Είναι γνωστή η ρήση που χρησιμοποίησε «Έγινα ο Θάνατος, ο Καταστροφέας των Κόσμων», που είναι στίχος από ινδιάνικη προφητεία, ενώ ένας –μάλλον αστικός- μύθος τον θέλει να πηγαίνει βαρύθυμος στον πρόεδρο Τρούμαν και να του λέει ότι λέρωσαν τα χέρια τους με αίμα, όπου ο Τρούμαν λέγεται ότι του απάντησε με μια απαξίωση ότι με λίγο νερό μπορούν εύκολα να τα ξεπλύνουν. Πολλά χρόνια μετά, οι ενοχές του Οπενχάιμερ έγιναν όπερα από τον εκπληκτικό Αμερικανό μινιμαλιστή συνθέτη Τζον Άνταμς, με άξονα την πρώτη δοκιμή στην έρημο του Λος Άλαμος, τον Ιούλιο του 1945. Η όπερα έφερε τον εύγλωττο τίτλο «Δρ. Ατόμικ» και την είχε σκηνοθετήσει ο πολύς Πίτερ Σέλαρς στην περιώνυμη Όπερα του Σαν Φρανσίσκο.

Ο Ουίλερ, πάλι, υπέφερε από άλλου είδους ενοχές, λιγότερο ποιητικές, υπαρξιακές συγκριτικά με εκείνες του Οπενχάιμερ: αισθανόταν ένοχος επειδή είχε καθυστερήσει τη δημιουργία της ατομικής βόμβας, αδυνατώντας έτσι να σώσει εκατομμύρια ζωές στρατιωτών, μεταξύ αυτών και του αγαπημένου του αδελφού, ο οποίος έπεσε μαχόμενος τους Γερμανούς στο ιταλικό μέτωπο τον Οκτώβριο του 1944.

«Γιατί όχι μαύρες τρύπες;»
Εκείνα τα δύο άρθρα που δημοσιεύθηκαν την 1η Σεπτεμβρίου του 1939 είχαν λοιπόν μια διαφορετική αλλά και συναρπαστική ιστορία. Το μεν άρθρο περί πυρηνικής σχάσης των Μπορ-Ουίλερ έγινε ανάρπαστο μετά τη δημοσίευσή του. Το άλλο, για την κατάρρευση των άστρων, πέρασε στα αζήτητα για κάμποσα χρόνια. Η όλη συζήτηση μετατέθηκε για τη δεκαετία του ’50: εξαιτίας του πολέμου, οι φυσικοί δεν είχαν χρόνο για θεωρητικές έρευνες πάνω στην αλλόκοτη κατάσταση ενός άστρου που καταρρέει, και που αργότερα θα λάβει την ονομασία «μαύρη τρύπα», και αφοσιώθηκαν ολόψυχα στην πυρηνική φυσική.

Όταν μεταπολεμικά οι φυσικοί επανήλθαν στον θεωρητικό προβληματισμό των Οπενχάιμερ-Σνάιντερ, αισθάνθηκαν την ανάγκη να διαφωνήσουν μαζί τους, χρησιμοποιώντας το παλιό επιχείρημα του Αϊνστάιν: αποκλείεται η φύση να επιτρέπει να συμβεί μια τέτοια τερατωδία, αντιβαίνει τους νόμους της. Ένας από τους αρχικούς αμφισβητίες ήταν ακόμα και αυτός ο Ουίλερ, ο μετέπειτα «νονός της μαύρης τρύπας», που βέβαια, αργότερα μετακινήθηκε ως προς τις επιστημονικές απόψεις του, και μάλιστα δραστικά.

Η διεθνής κοινότητα των αστροφυσικών συνέχισε να απασχολείται με το ζήτημα αυτών των απειρισμών στο διάστημα χωρίς να έχουν κάποιο απτό παράδειγμα παρά μόνον ασκήσεις επί χάρτου. Ώσπου, το 1964 έγινε γνωστό πως ενδεχομένως να υπάρχει ένα τέτοιο σκοτεινό, «ρευστό» άστρο στον αστερισμό του Κύκνου, γνωστό ως Κύκνος Χ-1.

Αυτή ήταν ουσιαστικά η πρώτη ανακάλυψη ύπαρξης μαύρης τρύπας έπειτα από δεκαετίες θεωρητικών ερευνών και υπολογισμών. Τρία χρόνια μετά, κατά τη διάρκεια μαθήματός του στο πανεπιστήμιο, ο πρώην αμφισβητίας της ύπαρξης των μαύρων τρυπών και μετέπειτα πρωτοποριακός μελετητής τους, ο Αρτσιμπαλντ Ουίλερ, που είχε τόσο σημαντικό ρόλο στο πολεμικό πυρηνικό πρόγραμμα, αναρωτήθηκε ποια θα ήταν η ιδανική ονομασία για αυτά τα παράξενα άστρα που ρουφάνε το φως και μοιάζουν να είναι τρύπες στον χώρο. Λένε πως τότε πετάχτηκε ένας φοιτητής του και είπε, «Γιατί όχι μαύρες τρύπες;» Ο Ουίλερ το υιοθέτησε αμέσως, αναγνωρίζοντας πως ήταν μια πολύ «πιασιάρικη» ονομασία. Αυτό ήταν.

Από τότε, κύλησε πολύ νερό στο αυλάκι. Πλήθος ιδιοφυών επιστημόνων, μεταξύ αυτών ο Στίβεν Χόκινγκ, ο Κιπ Θορν (μαθητής του Ουίλερ) κ.ά., εξέλιξαν δραστικά την έρευνα πάνω στις μαύρες τρύπες. Πριν από τρία χρόνια εντοπίστηκαν τα βαρυτικά κύματα (που επίσης είχε προβλέψει ο Αϊνστάιν) έπειτα από τη συγχώνευση δύο μαύρων τρυπών εκατομμύρια έτη φωτός μακριά και, βέβαια, η πρώτη στον κόσμο φωτογραφία μαύρης τρύπας από το συλλογικό, διεθνές ραδιοαστρονομικό πρότζεκτ «Ορίζοντας Γεγονότων».

Ο Καρλ Σβάρτσιλντ θα ήταν σίγουρα πολύ συγκινημένος. Αλίμονο, την επόμενη φορά που ο Αϊνστάιν θα μιλούσε για τον Σβάρτσιλντ στην Πρωσική Ακαδημία θα ήταν για να ανακοινώσει τον θάνατό του στο ρωσικό μέτωπο του Α’ Παγκοσμίου Πολέμου από μεταδοτική ασθένεια. Πίσω όμως στο 1916, όταν o χαρισματικός Σβάρτσιλντ ουσιαστικά προέβλεψε τη μαθηματική ύπαρξη των μαύρων τρυπών, όπως είπαμε ο Αϊνστάιν απέρριψε κάθε ενδεχόμενο πραγματικής ύπαρξής τους.

Τώρα πια ξέρουμε ότι εδώ ο Αϊνστάιν έκανε λάθος και ότι η φύση είναι πολύ πιο αλλόκοτη και από την πιο τρελή φαντασία.

ΠΗΓΗ: www.kathimerini.gr