Albert Einstein urodził się w 1879 r. w Ulm w Niemczech. Uczęszczał do szkoły średniej w Szwajcarii, a obywatelem szwajcarskim został w 1901 r. W 1905 r. otrzymał stopień doktorski na uniwersytecie w Zurychu, ale wówczas nie udało mu się uzyskać posady na jakiejś wyższej uczelni. W tym samym roku opublikował swoje prace na temat szczególnej teorii względności, zjawiska fotoelektrycznego i teorii ruchów Browna. W ciągu paru lat prace te, a zwłaszcza ta na temat teorii względności, sprawiły, że zaczął być uważany za jednego z najwybitniejszych i najbardziej oryginalnych uczonych na świecie. Jego teorie były wysoce kontrowersyjne. Żaden z nowożytnych uczonych, z wyjątkiem Darwina, nie wzbudził tylu sporów, co Einstein. Mimo to w 1913 r. został mianowany profesorem na uniwersytecie w Berlinie i w tym samym czasie został dyrektorem Instytutu Fizyki Cesarza Wilhelma i członkiem Pruskiej Akademii Nauk. Stanowiska te dały mu możliwość poświęcenia tyle czasu na badania naukowe, ile sam pragnął. Rząd niemiecki nie miał żadnych powodów, by żałować, iż tak niezwykle hojnie obdarzył Einsteina stanowiskami: już dwa lata później Einsteinowi udało się sformułować ogólną teorię względności, a w 1921 r. przyznano mu nagrodę Nobla. W drugiej połowie życia Einstein cieszył się światową sławą.
Był prawdopodobnie najsłynniejszym uczonym historii. Ze względu na żydowskie pochodzenie Einsteina jego sytuacja w Niemczech po dojściu Hitlera do władzy stała się niebezpieczna. W 1933 r. przeniósł się, więc do Princeton w stanie New Jersey, gdzie pracował w Instytucie for Advanced Study, a w 1940 r. został obywatelem Stanów Zjednoczonych. Pierwsze małżeństwo Einsteina zakończyło się rozwodem, drugie było chyba szczęśliwe. Z pierwszą żoną miał dwoje dzieci. Zmarł w 1955 roku w Princeton. Einstein interesował się zawsze sprawami otaczającego go świata i często zabierał głos w kwestiach politycznych. Był konsekwentnym przeciwnikiem politycznej tyranii, zagorzałym pacyfistą i zdecydowanym stronnikiem syjonizmu. Miał wielkie poczucie humoru, cechowała go skromność. Był także dość utalentowanym skrzypkiem.
W roku 1900 Wszechświat był prawie taki sam, jakim zostawił go Newton. Pojedyncza najbardziej rewolucyjna zmiana pojęciowa pojawiła się w 1905 roku, kiedy to Albert Einstein przedstawił szczególną teorię względności.
Jak sama nazwa wskazuje, teoria ta ma zastosowanie do obserwacji dokonywanych w szczególnych, określonych warunkach względem każdego innego układu będącego w ruchu, takiego jak planety czy gwiazdy. Wyeliminowała ona jeden z najbardziej niepokojących problemów fizyki- stałość prędkości rozchodzenia się światła. Einstein założył, iż prędkość światła jest taka sama dla każdego obserwatora w każdym układzie odniesienia. Cena, jaką trzeba było zapłacić za tę stałość prędkości światła, jest taka, że przestrzeń i czas okazują się być względne wobec ruchu obserwatora. A zatem gdyby np. Pan Iksiński miał wystartować w przyśpieszającej rakiecie, a my obserwowalibyśmy to w jakiś sposób: jak osiąga On prędkość światła, stalibyśmy się świadkami dziwnych zdarzeń. Towarzyszący Iksińskiemu zegar zacząłby "chodzić" wolniej a przedmioty wokół niego kurczyłyby się w kierunku jego ruchu. Również masa Pana Iksińskiego stawałaby się nieskończenie wielka w miarę zbliżania się jego prędkości do prędkości światła- prędkości nieosiągalnej dla żadnego przedmiotu, który mam masę.
Innym przykładem jest tzw. "paradoks bliźniąt", gdyby jeden z dwóch braci bliźniaków, udał się w 20-letnią podróż kosmiczną z prędkością bliską prędkości światła, po powrocie okazał by się, że brat, który znajdował się na Ziemi jest znacznie starszy od tego, który podróżował. W ten sposób dałoby się zbudować wehikuł czasu, które przenosiłoby Nas w przyszłość ( tylko, że nie dałoby się wrócić). Wyobraźmy sobie, że wsiadamy do rakiety, która podróżuje z prędkością światła i po np. 5 latach na statku, na Ziemi upłynęło 5000 lat! Max Plank- jeden z twórców teorii kwantów, natychmiast docenił znaczenie szczególnej teorii względności- porównał ją do rewolucji kopernikańskiej. Podobną ocenę wyraził Niels Boh r.
Zgodnie z teorią względności- jak stwierdził sam Einstein-"Masa ciała jest miarą jego energii". Wkrótce potem naukowiec publikuje swoje słynne równanie; energia "E" jest równa masie ciała "m", pomnożonej przez kwadrat prędkości światła: E=mc2.
Obecnie szczególna teoria względności stała się integralną częścią fizyki. Stanowi podstawę zrozumienia praw natury i takich pojęć jak: masa, energia, przestrzeń i czas. Prace Einsteina stanowią podstawę odkryć XX wieku, znalazły zastosowanie w technice, co pozwoliło manipulować zjawiskami przyrody. Tranzystory, mikroskopy elektronowe, komputery, komórki fotoelektryczne- to zaledwie kilka przykładów olbrzymiego skoku w dziedzinie informatyki i komunikacji, który nastąpił po einsteinowskiej rewolucji.
Teoria znana dziś pod nazwą ogólnej teorii względności jest przede wszystkim teorią grawitacji. Stanowi podstawę dwudziestowiecznej kosmologii- między innymi wyjaśnia przesunięcie się ku czerwieni widm galaktyk, które dowodzi, iż Wszechświat się rozszerza, oraz tłumaczy powstawanie czarnych dziur.
Najbardziej znanymi osiągnięciami Einsteina są Jego teorie względności (przytoczona pokrótce szczególna i powstała prawie dziesięć lat później ogólna teoria względności), ale nie tylko one przyniosły mu światową sławę. W rzeczywistości Albert Einstein uzyskał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki przede wszystkim za pracę wyjaśniającą ważne zjawisko fotoelektryczne, które stanowiło dla owego czasu zagadkę dla fizyków. Albert Einstein założył, iż istnieją fotony- czyli cząstki światła. Okazało się to słuszne a hipoteza istnienia fotonów wywarła istotny wpływ na rozwój teorii kwantów i stanowi obecnie jej integralną część.
Na początku XX wieku skromny urzędnik biura patentowego w Bernie opracował teorię, która raz na zawsze zmieniła naszą wizję świata. Teoria ta nazwana została teorią względności.
W swoich pamiętnikach Leopold Tyrmand pisze, że wiek dwudziesty ukształtowany został przez trzy wielkie nurty myślowe związane z nazwiskami Marksa, Freuda i Einsteina. Paul Johnson w Historii współczesnego świata posuwa się nawet dalej, twierdząc, że świat współczesny rozpoczął się 29 maja 1919 roku wraz ze słynnym doświadczeniem Eddingtona, potwierdzającym przewidywania teorii względności.
Powstanie teorii względności było bez wątpienia jednym z największych przełomów intelektualnych w dziejach ludzkości. Nie wynika to oczywiście z faktu, iż Einstein jako pierwszy zwrócił uwagę, że wszystko jest względne. Mówiąc słowami Richarda Feynmana: aby odkryć tak banalną prawdę filozoficzną, nie potrzeba było geniuszu Einsteina. Waga teorii względności polega na tym, że była to pierwsza teoria fizyczna, której przewidywania różniły się od naszych potocznych wyobrażeń o świecie, teoria opisująca zjawiska tak odległe od codzienności, że umysł ludzki nie może ich ogarnąć w ramach języka naturalnego, odnoszącego się do powszednich wrażeń zmysłowych; w tym celu nieodzowny jest abstrakcyjny język matematyki.
Na tym konflikcie pomiędzy otaczającą nas realnością doznań a rzeczywistością relatywistyczną żerowała i żeruje po dziś dzień grupa frustratów obalających teorię względności, usiłujących niezgodność tę przekształcić w pozornie nierozwiązywalne paradoksy. Konflikt ten powoduje również, że pomimo istnienia nieprzebranej ilości książek popularyzatorskich, olbrzymia rzesza ludzi uważających się i uważanych za wykształconych teorii względności nie zna albo nie rozumie.
Zanim zostanie wspomniane o tym, czym jest teoria względności, należy opowiedzieć o podstawowym pojęciu występującym w tej teorii – pojęciu obserwatora. Jest to termin opisujący w sposób abstrakcyjny możliwość dokonania pomiarów fizycznych w określonym miejscu i w określonym czasie. W przypadku teorii względności najprostszy obserwator odpowiada możliwości pomiaru odległości w przestrzeni i czasu, który minął pomiędzy określonymi zdarzeniami. Innymi słowy, obserwator to nic innego, jak linijka i zegar; oczywiście poszczególni obserwatorzy muszą być wyposażeni w takie same linijki i zegary. Można zastanawiać się, do jakiego stopnia centralna rola pojęcia obserwatora w fizyce współczesnej uwarunkowana jest wpływem myśli pozytywistycznej i neopozytywistycznej, wedle której realne jest jedynie to, co daje się zaobserwować. Zostawmy jednak to bardzo interesujące zdanie na uboczu.
Zakrawa na ironię fakt, że podstawowym postulatem, na którym opiera się teoria względności, jest założenie o bezwzględności pewnej wielkości fizycznej, mianowicie prędkości światła w próżni. Einstein powiada, że dla każdego obserwatora, należącego do klasy obserwatorów poruszających się ze stałą prędkością, prędkość światła jest taka sama. Oznacza to, że każdy taki obserwator, mierząc za pomocą swojego zegara czas, w jakim światło pokona odległość od początku do końca jego linijki, otrzyma taką samą wartość (pamiętajmy, wszystkie linijki i zegary są identyczne).
Z założenia tego wynikają natychmiast niezwykle doniosłe konsekwencje. Kiedy patrzy się na człowieka usiłującego dogonić odjeżdżający autobus z wnętrza pojazdu i z przystanku, prędkość jego ruchu jest ewidentnie różna. Na przykład, kiedy człowiek ten biegnie z prędkością równą prędkości autobusu, z perspektywy znajdujących się w nim pasażerów jego prędkość jest równa zeru. Odwracając to rozumienie, dochodzimy do wniosku, że jeśli prędkość światła jest niezmienna, niezależna od tego, jaki obserwator ją mierzy, to względne muszą być przestrzeń i czas.
Teoria względności przewiduje więc, że różni obserwatorzy inaczej widzą pewne zjawiska. Na przykład dla obserwatora poruszającego się wraz z nietrwałą cząstką jej czas życia będzie krótszy niż dla innego obserwatora, z punktu widzenia którego cząstka ta porusza się z wielką prędkością. Obserwator spoczywający, porównując chód swojego zegarka z tykaniem zegara swojego szybko poruszającego się kolegi, zauważy, że ten ostatni chodzi wolniej. Oczywiście efekty takie mogą być dostrzeżone jedynie wtedy, gdy prędkości obserwatorów względem siebie są porównywalne z prędkością światła, wynoszącą około 300 tys.km/s. Codzienne doświadczenie podpowiada, że kiedy jadę samochodem na spotkanie z jakąś osobą, to nie musze się martwić, że się spóźnię, bo mój zegarek chodzi wolniej niż jej.
Podobnie jest z linijkami: linijka poruszającego się obserwatora wydaje się spoczywającemu obserwatorowi krótsza. I tu dochodzimy do sedna sprawy. Żaden obserwator nie może z zasady, nie zakłócając ruchów innych obserwatorów, sprawdzić, "jak jest w istocie", zdany jest jedynie na subiektywne "wydaje się" . Z mojej perspektywy zegarek szybko poruszającego się względem mnie jako obserwatora chodzi wolniej, a z jego punktu to ja się poruszam i wolniej chodzi mój zegarek. Abyśmy jednak mogli naprawdę porównać wskazania naszych zegarów, musieli byśmy spoczywać względem siebie, a więc jeden z nas musiał by zmienić swoją prędkość, przestając być obserwatorem inercjalnym. Innymi słowy, obserwatorzy inercjalni mogą polegać jedynie na tym, co im się "wydaje"; ich poszczególne wizje świata są relatywne, lecz wzajemnie ze sobą spójne, są to bowiem wizje tego samego świata i tych samych procesów.
Względność ta jest analogiczna z dobrze wszystkim znaną zmiennością tempa upływu czasu psychologicznego. Kiedy jesteśmy szczęśliwi lub czymś zaabsorbowani, zdaje się on uciekać szybciej; kiedy cierpimy lub po prostu nudzimy, ciągnie się w nieskończoność. Jeśli nie mamy możliwości odniesienia swoich wrażeń do jakiegoś czasu bezwzględnego , zdani jesteśmy jedynie na to, co nam "się wydaje". Relatywizm ten jest immanentną cechą psychiki człowieka, podobnie względność czasu i przestrzeni jest immanentną cechą fizycznej struktury Wszechświata, w którym żyjemy.
Teoria względności mówi nam, że choć odległości przestrzenne i czasowe pomiędzy zdarzeniami są różnie określane przez różnych obserwatorów, fundamentalne prawa fizyki (takie jak prawa elektryczności i magnetyzmu noszące nazwę praw Maxwella) są dla nich wszystkich identyczne. Mówiąc inaczej, choć nasza percepcja przestrzeni i czasu jest względna, prawa fizyki opisujące zdarzenia zachodzące w czasie i przestrzeni są bezwzględne.
Prędkość światła odgrywa w teorii względności rolę wyjątkową, powstaje więc natychmiast pytanie, czy prędkość tę można nadać jakiemuś obiektowi fizycznemu. Okazuje się, że wszystko zależy od jego masy. Jeśli jest ona równa zeru (jak na przykład masa fotonu – cząstki światła – lub – ogólniej – promieniowania elektromagnetycznego), cząstka taka musi poruszać się z prędkością światła. Jeśli jakaś cząstka posiada niezerową masę, to nie można jej przyspieszyć do prędkości światła i musi poruszać się z mniejszą prędkością. Wynika to z faktu, że im szybciej porusza się cząstka, tym większa (z perspektywy obserwatora śledzącego jej ruch) jest jej masa. Kiedy prędkość takiej cząstki zbliża się do prędkości światła, jej masa rośnie nieograniczenie. Korzystając ze słynnego wzoru Einsteina E=mc2 (E oznacza energię, m masę, zaś c2 – prędkość światła podniesioną do kwadratu), wnioskujemy, że w celu rozpędzenia cząstki do prędkości światła zużyć trzeba nieskończoną ilość energii.
Prędkość światła stanowi więc nieprzekraczalną barierę. Powstaje naturalne pytanie, czy istnieć mogą obiekty poruszające się z prędkością większą niż prędkość światła? Teoria względności nie odpowiada bezpośrednio na to pytanie. Cząstek takich nie udało się jednak nigdy zaobserwować, a wiadomo skądinąd, że podróż z prędkością większą niż prędkość światła jest jednocześnie podróżą wstecz w czasie, a więc istnienie takich cząstek prowadziłoby do paradoksów związanych z załamaniem zasady przy czy nowości (przyczyna poprzedza skutek i nie ma skutku bez przyczyny).
Einstein zaprezentował swoją teorię względności (zwaną teorią szczególną) w 1905 roku i już wkrótce zdał sobie sprawę, że jest to teoria niekompletna. Pierwszy problem wiąże się z definicją obserwatora inercjalnego. Napisane zostało, że porusza się on ze stałą prędkością. Ale względem czego? Naiwna odpowiedź brzmiałaby : względem wyróżnionego obserwatora nieruchomego. Czymże jest więc jest taki obserwator? Nie może być on związany z powierzchnią Ziemi, bowiem Ziemia porusza się wokół Słońca ruchem, który nie jest jednostajny, podobnie nie może być on związany ani ze Słońcem, ani z naszą Galaktyką. Po krótkim zastanowieniu dochodzimy do wniosku, że obserwator taki w ogóle nie istnieje i pojawia się problem polegający na tym, że nie jesteśmy w stanie zdefiniować centralnego pojęcia teorii. Aby móc zdefiniować klasę obserwatorów inercjalnych, musimy powiązać ich z bezwzględną przestrzenią i bezwzględnym czasem, ale w jaki sposób takie bezwzględne obiekty określić operacyjnie, to znaczy podać przepis jak je obserwować?
Po drugi szczególna teoria względności jest niezgodna z teorią grawitacji Newtona. Einstein dość szybko zrozumiał, że należy tak zmodyfikować teorię grawitacji, aby uzyskać jednocześnie rozwiązanie problemu, czy są w istocie obserwatorzy inercjalni, jednak praca nad konstrukcją nowej teorii grawitacji (zwanej ogólnie teorią względności) zajęła mu ponad dziesięć lat. Pod koniec 1916 roku Einstein ogłosił swoje wyniki, a w trzy lata później przewidywania jego teorii po raz pierwszy potwierdzone zostały doświadczalnie , przynosząc skromnemu profesorowi fizyki sławę, jakiej nie zdobył żaden uczony w historii.
Ogólna teoria względności jest jedną z najbardziej skomplikowanych znanych teorii fizycznych, ale jej podstawy pojęciowe są stosunkowo proste do zrozumienia. Po pierwsze , powiada Einstein, obserwatorzy inercjalni wcale nie są wyróżnieni, bo nie istnieją w ogóle obserwatorzy wyróżnieni. Co więcej nie istnieje bezwzględna przestrzeń i bezwzględny czas. Jedyną informacją o świecie są relacje pomiędzy widzeniem tego świata przez różnych, równouprawnionych obserwatorów. Świat więc jest splotem relacji, które są wzajemnie ze sobą spójne. Na tym właśnie polega istota teorii względności: jedynym czego dowiedzieć się możemy o przyrodzie, są wizje Wszechświata podane przez różnych obserwatorów nie ma rzeczywistości "samej w sobie", a jedynie jej niezliczone obrazy widziane z różnych perspektyw.
I znów nasuwa się w tym miejscu analogia z ludzką psychiką. Wszyscy odbieramy świat po swojemu. Wierzymy jednak – wręcz mamy pewność, że wizja każdego z nas jest wizją tego samego świata – że nigdy nie będzie w stanie wyjść "na zewnątrz siebie samego" i stać się światkami realności samej w sobie. Wedle teorii względności, podobnie rzecz się ma na najbardziej elementarnym poziomie poznania Wszechświata: jesteśmy więźniami platońskiej jaskini, zdanymi na obserwację cieni na jej ścianach. Ale w przeciwieństwie do wizji Platona, wiemy, że cienie te są tożsame ze światem, a nie jedynie jego spaczonym, niepełnym odzwierciedleniem.
Podstawowym problemem przy formułowaniu teorii względności jest przetłumaczenie tej wizji na język matematyki, który umożliwia abstrakcyjną analizę postulatów i przewidywań teorii. Pierwszym krokiem w tym kierunku było utożsamienie geometrii czasu i przestrzeni z polem grawitacyjnym. W fizyce klasycznej przestrzeń i czas są areną, na której rozgrywają się procesy fizyczne. W teorii względności staja się one integralną częścią tych procesów: w pobliżu masywnych ciał czas płynie wolniej, zaś przestrzeń się zakrzywia. Własności przestrzeni i czasu są więc tożsame z grawitacją. Źródłem tego oddziaływania, najbardziej uniwersalnego ze wszystkich znanych, są wszelkie rodzaje materii energii, włączając energię niesioną przez samą grawitację. Oznacza to, że nie dość, iż struktura przestrzeni i czasu może być zmieniona przez istniejącą materię, to przestrzeń i czas mogą zakrzywiać się same z siebie.
Opis tych zjawisk można ubrać w precyzyjny i niezwykle elegancki język matematyki, ale nie jest możliwe przetłumaczenie go na język naszej codzienności. Możemy jedynie porównać wyniki obliczeń matematycznych z tym, co obserwujemy w rzeczywistości. Na przykład wiemy, że promień światła odległej gwiazdy, przechodząc w pobliżu tarczy Słońca, odchyla się o 1.75 sekundy kątowej, a orbita planety Merkury obraca się o 41 sekund kątowych na stulecie, dokładnie tak, jak przewiduje obliczenie teoretyczne.
Te dwa rezultaty z których pierwszy zweryfikowany został doświadczalnie we wspomnianym na wstępie doświadczeniu Eddingtona w 1919 roku, legły u podstaw wiary w prawdziwość teorii względności. Dziś dysponujemy znacznie większą liczbą danych obserwacyjnych i zgadzają się one doskonale z przewidywaniami tej teorii. Dzięki niej wiemy że bardzo masywne gwiazdy kończą swoje życie, zapadają się i tworzą czarne dziury i że wszechświat jako całość powstało koło 15 mld lat temu w wyniku Wielkiego wybuchu i od tego momentu nieprzerwanie rozszerza się, tak że odległe galaktyki oddalają od nas tym szybciej, im dalej się znajdują.
Co ważniejsze w świecie według Alberta Einsteina jedność przestrzeni oraz czasu i dziwaczne zachowanie zakrzywionej czasoprzestrzeni rządna miarą nie odpowiada przeczuciu duszy: jest zaprzeczenie wszystkich jej przeczuć i wyobrażeń, albowiem ten świat może być pomyślany, lecz nie sposób sobie go wyobrazić [...] poczucie, że żyje w świecie nie do zobrazowania, będzie stanowiło (dla wszystkich pokoleń) o poczuciu świata – by posłużyć się słowami wielkiego filozofa, Martina Bubera.
Podstawowe postulaty oraz wnioski wynikające ze szczególnej teorii względności
Postulaty:
a) względność ruchu - ruch można rozpatrywać tylko w odniesieniu do jakiegoś układu.
Einstein uważał, że nie można wykryć eteru (ośrodka w którym, jak uważali ówcześni uczeni, rozchodzi się światło, a który wypełnia cały wszechświat) ponieważ nieruchomy eter byłby jedynym nieruchomym ciałem we wszechświecie, posiadałby ruch absolutny. Stwierdziliśmy jednak, że możemy wykryć jedynie ruch względny, dlatego też nie możemy wykryć eteru.
b) stałość prędkości światła - prędkość światła wynosi około 300 tys. km/s i jest stała względem obserwatora tzn. nie zależy ona od tego czy obserwator zbliża się do źródła światła czy oddala.
Wnioski:
a) skrócenie długości - jeśli obserwator lecący w rakiecie A ma możliwość mierzenia długości rakiety B, gdy obie poruszają się względem siebie z prędkością V, to matematyczne obliczenia mówią, iż rakieta B wyda się skrócona. Zjawisko to nosi nazwę skrócenia Fitzgeralda-Lorentza i opisujemy je wzorem:
L` - długość skróconej rakietyL - długość początkowav - prędkość rakiety A względem rakiety Bc - prędkość światła
b) wzrost masy wraz z prędkością - wartość masy m` rakiety B otrzymana przez obserwatora A jest zależna od ich prędkości względem siebie i opisuję ją wzór:
m` - masa poruszającej się rakiety (tzw. masa relatywistyczna) m - masa spoczynkowa rakietyv - prędkość rakiety A względem rakiety Bc - prędkość światła
Wartość masy m` rakiety B dla obserwatora B jest równa m ponieważ jego prędkość względna jest równa zero (masa nie zmienia się).
c) dodawanie prędkości - jeżeli dwa pojazdy mają prędkości V=160 tys. km/s względem jakiegoś układu, te same kierunki, lecz poruszają się w przeciwne strony to na podstawie podanego wzoru obliczymy, że prędkość jednej rakiety względem drugiej wynosi 250 tys. km/s, a nie 320 tys. km/s (jak wynikałoby to z teorii Newtona) ponieważ żadne ciało nie może poruszać się z prędkością względną większą niż 300 tys. km/s.
Vab - prękość rakiety A względem rakiety BVa - prędkość rakiety A względem określonego układuVb - prędkość rakiety B względem tego samego układuc - prędkość światła
d) równoważność masy i energii - wniosek ten opisuje najsławniejszy i najprostszy, a jakże genialny wzór Einsteina:
E - energiam - masa ciałac - prędkość światła
Jeżeli masa ciała jest całkowicie zamieniona w energię tak, że żadna część tej masy nie pozostała w dawnej postaci, to ilość otrzymanej energii jest dana tym równaniem.
e) zwolnienie czasu (dylatacja czasu) - oznacza zwolnienie tempa upływu czasu wraz ze wzrostem prędkości.
t` - zwolnienie czasu w układzie A względem układu Bt - czas w układzie Bv - prędkość układów względem siebiec - prędkość światła
Jeżeli ze wzoru otrzymamy np. 0,5 oznacza to, że czas u obserwatora B płynie dwa razy wolniej niż u obserwatora A. Ma to miejsce przy V=270 tys. km/s. Pojęcie "względności jednoczesności zdarzeń" było podstawą rozumowania Einsteina. Oznaczało ono, że dane zdarzenie obserwowane przez obserwatora A i obserwatora B nie musi być równoczesne. Czas spostrzeżenia danego zdarzenia przez tych dwóch obserwatorów jest zależny od ich prędkości względem siebie.
Podstawowe postulaty oraz wnioski wynikające z ogólnej teorii względności
Postulaty:
Zasada równoważności - w danym punkcie przestrzeni efekty grawitacji i ruchu przyśpieszonego są równoważne i nie mogą być rozróżnione. Aby zrozumieć ogólną teorię względności, należy zacząć od tej zasady. Jak stwierdził Galileusz w swym słynnym doświadczeniu, ciała spadają na Ziemię z jednakowym przyśpieszeniem, niezależnym od ich masy. W tym sensie spadające ciała, duże i małe, Są "nieważkie" - ich masa nie wpływa na to, jak reagują na przyciąganie ziemskie. W rzeczywistości astronauci na orbicie nieustannie "spadają" na Ziemię, dzięki czemu są w stanie nieważkości. Gdy jednak ich statek kosmiczny opuszcza orbitę i przyśpiesza w kierunku odległej gwiazdy, astronauci czują ciężar. Przyczyną jest wtedy przyśpieszenie, a nie grawitacja. Zasada równoważności Einsteina mówi, że siły grawitacyjne i inercjalne, związane z przyśpieszeniem układu, są nieodróżnialne.
Wnioski:
- deformacja orbit planet przez zmianę masy spowodowaną zmienną prędkością planety
- ugięcie wiązki światła w polu grawitacyjnym
- zwolniony rytm zegara w pobliżu dużych mas
Z zasady równoważności wynika, że przyciągnie grawitacyjne nie jest po prostu siłą, z jaką przyciągają się wzajemnie wszystkie ciała. Ciążenie należy uważać za skutek zakrzywienia czasoprzestrzeni przez masę. Masa powoduje, że przestrzeń ma geometrię nieeuklidesową. Wprawdzie w warunkach, z jakimi spotykamy się na co dzień, ogólna teoria względności i prawo powszechnego ciążenia Newtona dają w zasadzie takie same wyniki, ale teoria Einsteina nie tylko opisuje eliptyczne orbity planet, lecz również tłumaczy pewne anomalie, takie jak precesja orbity Merkurego wokół Słońca.
Kilka lat po tym, jak Einstein opublikował ogólną teorię względności, została ona potwierdzona przez obserwacje astronomiczne. Już w 1911 r. Einstein przewidział, że promień światła gwiazdy, przelatując w pobliżu dużej masy - na przykład Słońca ulega ugięciu. Ugięcie można zaobserwować porównując położenie gwiazdy na niebie, gdy leży z dala od Słońca i gdy jej promienie przelatują tuż obok Słońca. Z ogólnej teorii względności wynika, że kąt ugięcia powinien być dwa razy większy, niż przewiduje teoria klasyczna, w której przestrzeń uważamy za płaską.
Przewidywania Newtona i Einsteina można porównać, obserwując położenie gwiazd podczas zaćmienia Słońca. Pierwsze próby zakończyły się niepowodzeniem, ale w 1919 r. za namową astronoma Arthura Eddingtona wyruszyły dwie ekspedycje angielskie, jedna do Brazylii, a druga na Wyspę Książęcą, u wybrzeży Afryki Zachodniej. Wyniki były jednoznaczne: analiza zdjęć dowiodła, że położenie gwiazd jest zgodne z przewidywaniami ogólnej teorii względności. Einstein uzyskał z dnia na dzień międzynarodową sławę.
Teoria względności stawia wciąż przed fizykami problemy, których rozwiązania spodziewać się możemy zapewne dopiero w następnym wieku. Nie rozumiemy co dzieje się w czeluściach czarnych dziur, nie wiemy jakie procesy zachodziły w trakcie Wielkiego Wybuchu ani – tym bardziej – co było przedtem jeśli w ogóle określenie "przedtem" ma w tym kontekście jakikolwiek sens.
Wiemy jedynie, że przy odległościach miliardy miliardów razy mniejszych niż rozmiary cząstek elementarnych teoria względności w postaci, jaką znamy współcześnie, traci swoją moc przewidywania i musi być zastąpiona przez inną teorię. Teoria ta została nazwana "kwantową grawitacją" i będzie ona syntezą teorii względności z inną wielką teorią fizyczną – mechaniką kwantową. Dopóki synteza ta nie zostanie dokonana, nasz obraz rzeczywistości będzie nie pełny a rewolucja rozpoczęta wraz z powstaniem teorii względności nie zostanie zakończona. Niewątpliwie jednak sformułowanie tej nowej teorii w XXI wieku doprowadzi do równie wielkiego przełomu intelektualnego, jak dzieło Einsteina w XX wieku.
Czarna dziura
Nasza obecna wiedza o ruchu ciał wywodzi się od koncepcji Galileusza i Newtona. Przedtem ludzie wierzyli Arystotelesowi, który twierdził, że naturalnym stanem ciała jest spoczynek i że porusza się on tylko pod wpływem siły pchnięcia. Wynikało stąd, że ciężkie ciała powinny spadać szybciej. Pierwszą osobą, która przeciwstawiła się Arystotelesowskiej fizyce był Galileusz, który mierząc prędkości rożnych ciał toczących się po równi pochyłej stwierdził, że po zaniechaniu oporu powietrza, ciała przyspieszają jednostajnie niezależnie od ich prędkości. Badania Galileusza posłużyły Newtonowi za podstawę jego praw ruchu. Ich niebywałą zaletą była prostota i generalnie pokrywała się z opisem świata postrzeganego przez ludzi. Powstał nawet styl myślenia Newtonowskiego zwany "mechaniką nieba".
W roku 1676 duński astronom Ole Christensen odkrył, że światło porusza się z ogromną, ale skończoną prędkością. Zaobserwował on, że księżyce Jowisza nie chowają się za nim w równych odstępach czasu. W trakcie ruchu Ziemi i Jowisza wokół Słońca zmienia się odległość między nimi. Zauważył on że zaćmienia księżyców są tym bardziej opóźnione im większa jest ich odległość od Ziemi. Pomiar odległości Ziemi i Jowisza którego dokonał nie był zbyt dokładny i obliczona prędkość światła wynosiła 200 tys. km/s (dziś przyjmuje się jej wartość na około 300 tys. km/s). Mimo błędu było to znaczące osiągnięcie.
Poprawną teorię rozchodzenia się światła sformułował dopiero w roku 1865 brytyjski fizyk James Clerk Maxwell, który zdołał połączyć cząstkowe teorie stosowane przedtem do opisu sił elektryczności i magnetyzmu. Z równań Maxwella wynika istnienie falowych zaburzeń pola elektromagnetycznego, które powinny rozprzestrzeniać się ze skończoną prędkością, podobnie jak fale na powierzchni stawu. Teoria Newtona wyeliminowała pojęcie absolutnego spoczynku i podając prędkość światła należało podać względem czego. Wprowadzono zatem pojęcie "eteru kosmicznego" obecnego wszędzie - nawet w pustej przestrzeni. Niemniej jednak wynikało z tych założeń, że prędkość światła mierzona względem różnych źródeł (ruchomych lub spoczywających) będzie różna. Wynika z tego że na przykład prędkość światła mierzona w kierunku obrotowym ziemi powinna być większa niż mierzona prostopadle do niego. W roku 1887 Albert Michelson i Edward Morley przeprowadzili powyższy eksperyment bardzo starannie. Ku swojemu wielkiemu zdziwieniu odkryli, że obie prędkości są sobie równe.
Powyższe przekonania przetrwały do początku XX wieku - do czasów Alberta Einsteina. Pracował on nad stworzeniem jednolitej teorii opisującej wszystkie zjawiska zachodzące w przyrodzie. Stworzył on tak zwaną Teorię Względności (najpierw Szczególną Teorię Względności, później Ogólną). Zgodnie ze Szczególną Teorią Względności, odległość mierzymy posługując się pomiarami czasu i prędkością światła. Szczególna Teoria Względności zmusza nas do zmiany koncepcji czasu. Musimy przyjąć, że czas nie jest zupełnie oddzielony od przestrzeni, lecz jest z nią połączony w jedną całość - czasoprzestrzeń. W takim układzie czas jest dodatkową współrzędną.
Z równań Maxwella wynika, że prędkość światła nie zależy od prędkości z jaką porusza się źródło, a sygnał świetlny wyemitowany w pewnej chwili rozprzestrzeni się formując kulę o promieniu zależnym od czasu. Jeżeli pominiemy jeden z wymiarów przestrzennych i umieścimy źródło w układzie współrzędnych (x,y) to będzie to wyglądało jak fale na wodzie. Jeżeli dodamy współrzędną czasową to otrzymamy stożek - świetlny (rysunek 1). Wszystkie zdarzenia z których światło mogło dotrzeć do naszego zdarzenia tworzą drugi symetryczny stożek świetlny - przeszłości. Stożki dzielą zatem czasoprzestrzeń na trzy regiony - absolutna przyszłość zdarzenia P, absolutna przeszłość zdarzenia P i teraźniejszość - zdarzenie P. Absolutna przyszłość to wnętrze stożka przyszłości. Jest to zbiór wszystkich zdarzeń na które P może oddziaływać (rysunek 2). Absolutna przeszłość to zdarzenia wewnątrz stożka przeszłości. Tylko te mogą oddziaływać na nasze zdarzenie. Obszar poza stożkami to tak zwane "gdzie indziej". Te zdarzenia nie mogą wpływać na P, ani P nie może wpływać na nie. Granicę stożków stanowi prędkość światła od której (według Teorii Względności) nic nie może poruszać się szybciej.
Szczególną Teorię Względności z powodzeniem wyjaśnia fakt, że prędkość światła jest taka sama dla różnych obserwatorów, doskonale opisuje zjawiska jakie zachodzą, kiedy ciało porusza się z bardzo dużą prędkością. Jest ona jednak sprzeczna z teorią Newtona, która powiada, że zmiana parametrów jednego ciała oddziaływującego na drugie natychmiast zmienia siłę przyciągania. Oznacza to, że efekty grawitacyjne powinny podróżować z nieskończoną prędkością. Einstein długo starał się znaleźć teorię ciążenia zgodną ze Szczególną Teorią Względności. Ostatecznie w roku 1915 zaproponował nową teorię, zwaną dziś Ogólną Teorią Względności. Rewelacyjność pomysłu Einsteina polega na potraktowaniu grawitacji odmiennie niż innych sił, a mianowicie jako konsekwencję krzywizny czasoprzestrzeni. Czasoprzestrzeń nie jest płaska lecz pofałdowana. Przez rozłożoną w niej energię i masę. Ciała takie jak Ziemia poruszają się po najkrótszej linii tzw. linii geodezyjnej, po zakrzywionej czasoprzestrzeni. Na przykład linia geodezyjna na ziemi to łuk. Pierwszy dowodem na słuszność twierdzeń Einsteina było potwierdzenie jej przy obrocie długiej osi elipsy Merkurego o 1 stopień w ciągu 10000 lat. Zauważono ten efekt kilka lat przed Teorią Względności. Efekt ten choć niezauważalny, był nie do obliczenia ze wzorów Newtona.
Promienie świetlne muszą również poruszać się po liniach geodezyjnych w czasoprzestrzeni. W tym przypadku wydaje nam się, że światło nie porusza się po liniach prostych lecz krzywych. A zatem z OTW wynika, iż promienie światła zaginane są przez pole grawitacyjne. Na przykład stożki świetlne w punktach bliskich Słońca pochylają się ku niemu. Efekt ten widoczny jest dopiero podczas zaćmienia Słońca i została po raz pierwszy potwierdzony w 1919 roku podczas zaćmienia Słońca obserwowanego w Afryce. Teoria Newtona pokrywa się więc z Ogólną Teorią Względności, lecz tylko dla płaskiej czasoprzestrzeni.
Kolejną konsekwencją Ogólnej Teorii Względności jest stwierdzenie, że czas powinien płynąć wolniej w pobliżu dużych mas takich jak np. Ziemia. Wynika to z istnienia związku między energią światła i jego częstością - im większa energia tym większa częstość. W miarę jak światło wędruje w górę w polu grawitacyjnym maleje jego częstość (co oznacza wydłużenie okresu między kolejnymi grzbietami fali). Komuś kto obserwowałby Ziemię z góry wydawałoby się że czas płynie na Ziemi wolniej. Istnienie tego faktu potwierdzono w 1962 roku za pomocą pary bardzo dokładnych zegarów zamontowanych na dole i szczycie wieży ciśnień. Różnica szybkości zegarów ma dzisiaj bardzo duże znaczenie np. przy nawigacji satelitarnej. Gdyby nie uwzględniano Ogólnej Teorii Względności błąd mógłby wynosić kilka mil. Dobrym przykładem dylatacji czasowych jest tak zwany paradoks bliźniąt. Ogólna Teoria Względności zawiera zupełnie inny pogląd na czas i przestrzeń - są one teraz dynamicznymi wielkościami. Poruszające się w niej ciała wpływają na czasoprzestrzeń, która to z kolei wpływa na ich ruch i działanie sił.
Czym jest czarna dziura?
Termin "czarna dziura" powstał bardzo niedawno. Wprowadził go w 1969 roku amerykański uczony John Wheele r. Idea czarnych dziur pojawiła się ponad 200 lat wcześniej i jako pierwszy dopuścił ich istnienie w roku 1783 John Michell i prawie jednocześnie Pierre Simone de Laplace. Wykazali oni, że gwiazda o dostatecznie dużej masie i gęstości wytwarzałaby tak silne pole grawitacyjne iż światło nie mogłoby się oddalić. Chociaż nie widzielibyśmy ich światła moglibyśmy je wykryć dzięki ich przyciąganiu grawitacyjnemu. Dla Michell'a i Laplace'a czarne dziury były jedynie nie świecącymi gwiazdami. Nie wiedzieli oni, że nic nie może poruszać się szybciej niż światło.
Według teorii Newtona siła przyciągania grawitacyjnego jest wprost proporcjonalna do iloczynu mas obu ciał i odwrotnie proporcjonalnie do kwadratu odległości.. Wyobraźmy teraz sobie że zmniejszamy promień. Wówczas grawitacja no powierzchni wzrośnie (odległość od środka zmalała). Według teorii Newtona zmniejszenie promienia dwukrotnie zwiększa grawitację czterokrotnie, według Einsteina nawet bardziej. Ma to znaczenie gdy gwiazda zostanie ściśnięta tak bardzo że siła grawitacji stanie się supersilna - wtedy różnica między dwiema teoriami staje się ogromna. Pierwsza zakłada że siła dąży do nieskończoności, gdy promień dąży do zera, druga gdy staje się równy tak zwanemu promieniowi grawitacyjnemu. Wielkość takiego promienia (tzw. promienia grawitacyjnego) określona jest przez masę ciała. Dla Ziemi promień grawitacyjny równy jest 1 cm, dla Słońca 1 km. Dla promienia dużo większego niż promień grawitacyjny różnica między teoriami wynosi miliardową część.
Zgodnie z Teorią Względności światło nie może opuścić powierzchni ciała o promieniu mniejszym od promienia grawitacyjnego. Nie jest to jedyna niezwykłość. Siła grawitacji na powierzchni gwiazdy o promieniu równym promieniowi grawitacyjnemu staje się nieskończona - przyśpieszenie swobodnego spadku staje się nieskończenie wielkie. Zwykłe planety i gwiazdy nie zostają ściśnięte do rozmiaru punktu, ponieważ siły ciśnienia i sprężystości równoważą zapadanie się grawitacyjne. Ciśnienie zależy od stanu materii, czyli im np. bardziej ściśnięta materia tym większe ciśnienie. Gdy rozmiary ciała zbliżają się do promienia grawitacyjnego siła grawitacji wzrasta do nieskończoności i nie może być zrównoważona przez skończone siły. Materia zmuszona do swobodnego spadku na promień grawitacyjny nie może zatrzymać się na powierzchni Schwarzschilda (zewnętrzne pole grawitacyjne wokół promienia grawitacyjnego, nazwane tak na cześć fizyka, który jako pierwszy rozwiązał równania Einsteina)., ponieważ podlegałaby nieskończonym siłom grawitacji. Cokolwiek zatem znajdzie się poniżej promienia grawitacyjnego musi spaść do środka. Wynika to z tak dużego zakrzywienia stożków świetlnych, że ich cały stożek przyszłości znajduje się poniżej promienia grawitacyjnego. Wywołuje to katastroficzne, niepohamowane zapadanie się aż do osobliwości, zwane kolapsem relatywistycznym. Wystarczy zatem ścisnąć ciało do rozmiaru odpowiadającego promieniowi grawitacyjnemu, by dalsze ważącą miliard ton do rozmiaru jądra atomowego.
zapadanie następowało samoistnie. Można zrobić to sztucznie np. ściskając górę
Jakie Czarna Dziura ma własności?
Teoria Względności zakłada, że im bliżej lub im większa masa ciała tym czas w jej pobliżu płynie wolniej. W pobliżu czarnej dziury czas płynie bardzo wolno, by wreszcie już na jej horyzoncie zwolnić nieskończenie. Obserwator obserwujący np. kamień spadający na czarną dziurę zauważy hamowanie w jej pobliżu i wreszcie zamarcie przy jej granicy. Tak samo obserwator obserwujący zapadanie się gazu gwiazdy dostrzeże zjawisko po nieskończenie długim czasie. Nie oznacza to jednak kontemplowania tego samego obrazu przez wieczność, ponieważ światło emitowane przez ciało w pobliżu masy czerwienieje (zmniejsza się jego częstość). Obserwując kamień spadający na czarną dziurę widzimy jego obraz coraz bardziej poczerwieniony (przesunięte widmo), by wreszcie "poczerwienione" fotony niosące coraz mniej energii dotarły do obserwatora po nieskończenie długim czasie. Połączenie efektu Dopplera i dylatacji czasu powoduje, że obszar zapadającej się gwiazdy w pobliżu sfery Schwarzschilda staje się niewidoczny. Również radar nie jest w stanie wykryć czarnej dziury, ponieważ jego fale odbiją się po nieskończenie długim czasie. Tak więc w praktyce gwiazda nigdy nie skurczy się do rozmiaru punktu, ponieważ w praktyce przestaje się zapadać w momencie osiągnięcia wymiaru promienia grawitacyjnego.
Ciała poruszające się w pobliżu czarnej dziury mają pewne ograniczenia. Gdy promień orbity wynosi mniej niż półtorej promienia Schwarzschilda prędkość ucieczki zrównuje się prędkości światła. W odległości 3 promieni prędkość wynosi prawie połowę prędkości światła. W dużej odległości ruch może odbywać się po paraboli i siła grawitacji tylko odrobinę zakrzywi czasoprzestrzeń. Jeżeli ruch paraboliczny odbywa się w pobliżu podwojonego promienia, nawinie się on jak przędza na motek i zamieni w orbitę kołową. Ciało zostanie schwytane przez czarną dziurę i nigdy się od niej nie. Samo posiadanie wystarczającej prędkości ucieczki nie wystarczy. Potrzebny jest jeszcze odpowiedni tor ruchu tworzący charakterystyczny kąt z kierunkiem ku czarnej dziurze. Im dalej od czarnej dziury tym kąt ten jest mniejszy.
W pobliżu czarnej dziury zachodzi jeszcze jeden ważny proces związany z falami grawitacyjnymi, których istnienie zakłada Teoria Względności. Takie fale według Teorii Względności powinny przypominać fale elektromagnetyczne. W normalnych warunkach ich energia jest bardzo słaba i tak np. ruch planet w Układzie Słonecznym generuje energię grawitacyjną równą mocy około 100 żarówek. Kiedy planety lub gwiazdy w układach podwójnych poruszają się po orbitach kołowych wysyłają fale grawitacyjne, które unoszą energię. Zwykle te straty energii są bardzo małe. Ciała krążące po kołowych orbitach wokół czarnych dziur emitują także fale grawitacyjne. Proces ten trwa do czasu gdy promień orbity zmaleje do trzech promieni grawitacyjnych. Osiągnąwszy tę odległość ciało wykonuje jeszcze kilka obiegów, wypromieniowuje pewną ilość energii i wpada do czarnej dziu r. Zwykle natężenie promieniowania grawitacyjnego jest bardzo małe, ale proces trwa bardzo długo (dylatacja czasowa). Suma energii będzie zatem bardzo duża. Suma "wydalonej" energii będzie wynosiła około 6 procent masy. Czarne dziury mogły by być zatem źródłem energii.
Dotychczas rozważałam problem czarnych dziur powstałych przez zapadnięcie się idealnie sferycznych gwiazd będących nieruchomymi przed zapadnięciem. Załóżmy że ciało przed zapadnięciem nie było idealnie sferyczne. Czy oznacza to, że pole grawitacyjne też będzie spłaszczone. Otóż udowodniono, że w takim wypadku promień będzie zbyt wielki i nie dojdzie do kolapsu. Rzecz w tym, że kiedy rozmiary ciała zbliżają się do promienia grawitacyjnego, następuje bardzo intensywna emisja fal grawitacyjnych a wobec tego wszelkie odstępstwa od idealnie sferycznego kształtu zostają sprasowane i wypromieniowane. W pierwszych chwilach po powstaniu czarna dziura jest spłaszczona i zdeformowana. Takiego kształtu nie może jednak zbyt długo zachować. Bardzo szybko odzyskuje sferyczny kształt, a zbędne "detale" zostają wypromieniowane w postaci fal grawitacyjnych. O charakterze pola decyduje jeden parametr - masa wytwarzającego je ciała. Czarne dziury mogą być różnych rozmiarów, ale w gruncie rzeczy różnią się tylko masą. Natychmiast powstaje pytanie co się dzieje gdy ciało zapadające obdarzone jest ładunkiem elektrycznym (otacza je pole elektryczne). Badanie tego problemu doprowadziło do szalenie ciekawego wniosku. Wszelkie pola fizyczne w momencie kolapsu zostają wypromieniowane, ale pole elektryczne nie zmienia się i nadal otacza czarną dziurę. Zjawisko pola elektrycznego nie ma większego znaczenia wśród obiektów kosmicznych. Wszystkie czarne dziury można opisać tylko dwoma parametrami - masą i ładunkiem elektrycznym. To tak jakby wszystkie kobiety opisać można było tylko wagą i kolorem włosów. Wszystkie pola, które mogą zostać wypromieniowane zostają wypromieniowane, tylko idealnie sferyczne pole grawitacyjne i elektryczne zostają. Czarna dziura ma idealnie sferyczny kształt. Dlatego mówi się, że "czarne dziury nie mają włosów".
Do tej pory zajmowałam się "statycznymi" czarnymi dziurami. Co stanie się jednak gdy ciało zapadające się posiadało pewną rotację. Teoria Względności zakłada, że pole grawitacyjne także wiruje. Rotacja nieco spłaszcza czarną dziurę, podobnie jak to ma miejsce w przypadku Ziemi. Rotacja zmienia granicę nieskończonej grawitacji. Staje się ona nieskończona na zewnątrz horyzontu, na powierzchni zwanej ergosferą. Gdy ciało przekroczy powierzchnię ergosfery żadna siła nie jest w stanie go utrzymać. Pole wirowe zmusza je do ruchu względem czarnej dziury. W przeciwieństwie do sfery Schwarzschilda ergosfera nie zmusza do ruchu do wnętrza czarnej dziury, lecz do okrążania jej. Ciało poruszające się wewnątrz ergosfery porusza się za to ze skończoną prędkością i dozwolona jest orbita kołowa. W statycznej czarnej dziurze orbita kołowa jest praktycznie niemożliwa ze względu na swoją niestabilność. Rotacja czarnej dziury zmienia więc zasadniczo jej cechy. Czarna dziura nie może jednak obracać się zbyt szybko. Rzecz w tym, że gdyby ciało poruszałoby się ze zbyt dużą prędkością nie powstałaby czarna dziura, ponieważ podczas kolapsu siły przypływowe zmieniły by ciało w "naleśnik" i jak wcześniej powiedziałam nie powstanie czarna dziura. I tu kolejna ciekawostka - ciało poruszające się po orbicie kołowej wokół czarnej dziury, która wiruje z maksymalną dozwoloną prędkością emituje w postaci fal grawitacyjnych 7 razy więcej energii niż zwykle.
Uwolnienie z rotującej czarnej dziury w przeciwieństwie do statycznej jest możliwe. Jeżeli np. pilot fikcyjnej rakiety w bezpośrednim sąsiedztwie czarnej dziury włączy silniki, wyrzucone zostaną gazy odrzutowe. Można je tak nakierować by wpadały do czarnej dziury. Wówczas rakieta ulegnie przyśpieszeniu i zostanie wyrzucona z ergosfery z ogromną prędkością - dużo większą niż uzyskałaby z pracy silników. Silnik rakiety przemieścił ją na nową orbitę, skąd porwał ją wir grawitacyjny i wyrzucił z ogromną prędkość. Energia uniesiona przez rakietę pochodzi z wiru, czyli energii rotacyjnej czarnej dziury. W rezultacie obroty czarnej dziury zostają spowolnione. Właściwość tę przewidział angielski fizyk Roger Penrose. Mimo, że energia rotacyjna zmniejsza się, rozmiarów horyzontu nie można zmniejszyć. Udowodniono, że w żaden sposób nie da się tego zrobić. Jeśli kilka dziur oddziałuje ze sobą, suma powierzchni ich horyzontów nie może zmaleć w wyniku tego oddziaływania. Czarna dziura jest czymś w rodzaju przepaści bez dna. Są wiecznie powiększającymi się grawitacyjnymi otchłaniami.
Możliwe jest zatem by natężenie fal padających na obracającą się czarną dziurę było niższe od natężenia fal rozproszonych przez czarną dziurę. W tym wypadku częstość fal elektromagnetycznych padających musi być niższa od częstości jej obrotów. Zjawisko takie odkrył profesor Jakow Zeledowicz i nazwano je nadpromienistością. Wzmocnienie fal w oddziaływaniu z czarną dziurą jest raczej skromne i wynosi 4,4%. Niemniej jednak możliwa jest sytuacja zamkniętego obiegu i w efekcie lawinowego wzmocnienia co mogłoby doprowadzić do ogromnego wzmocnienia.
Co stanie się z człowiekiem, który wpadłby do czarnej dziury? Czarna dziura rozerwie go na strzępy. Możliwy czas "życia" w czarnej dziurze równy jest czasowi jaki potrzebuje światło by przemierzyć średnicę czarnej dziury. Nie trwa to długo, zważywszy rozmiary czarnej dziury. Rozerwanie następuje na skutek tzw. sił przypływowych - różnica siły działającej na głowę i stopy człowieka (lub innego ciała) jest nieskończona i w efekcie rozrywa go na strzępy w czasie części stutysięcznych sekundy.
W roku 1974 Stephen Hawking dokonał sensacyjnego odkrycia. Odkrycia, które może przyczyniło się znacząco do zrozumienia świata. Udowodnił on, że istnieje proces dzięki któremu czarna dziura może prowadzić do tworzenia cząstek co prowadzi do zmniejszenia masy i rozmiarów czarnej dziury. Na pierwszy rzut oka jest to niemożliwe. Rzecz w tym, że na zewnątrz czarnej dziury pole nie może być zamrożone, ponieważ ciała muszą spadać na czarną dziurę. Otóż próżnia tak naprawdę nie jest pusta. W każdym punkcie przestrzeni, co chwila powstają tak zwane cząstki wirtualne. Jest to para identycznej cząstki i antycząstki. Ich suma energii równa jest zero. Może się tak zdarzyć, że jedna z nich powstanie za horyzontem, druga przed. Pierwsza w efekcie zostanie pochłonięta a druga np. znajdująca się w ergosferze zostanie wyrzucona. Mamy więc do czynienia z kwantowym wypromieniowywaniem energii. Z obliczeń Hawkinga wynika, że dziura zachowuje się jak zwykłe ciało promieniujące w bardzo niskiej temperaturze np. czarna dziura o masie Słońca ma temperaturę 1/10 milionowej stopnia. Tak niskie promieniowanie praktycznie nie obniża energii czarnej dziury. Czarna dziura zyskuje więcej energii w wyniku "połykania" międzygwiezdnego pyłu i gazu. Kiedy zmniejsza się masa czarnej dziury, jej temperatura wzrasta i proces parowania ulega przyśpieszeniu. Temperatura czarnej dziury o masie 1000 ton wynosi 1017. Parowanie zmieni się w eksplozję. Przeciętna "gwiazdowa" czarna dziura wyparuje po 1066 lat. Czarna dziura stwarza nie tylko fotony, ale i inne cząstki. Im mniejsza masa tym cięższe cząstki czarna dziura może emitować. Czarna dziura o masie typowej gwiazdy produkuje neutrina (81%), fotony (17%) i grawitony (2%).
Reasumując nic nie może być prostsze niż czarna dziura. Jej cechy w momencie kolapsu ograniczają się tylko do masy i ewentualnie pola elektrycznego i rotacji .Wszystkie inne cechy są zatracane i znikają w momencie kolapsu. Dla obserwatora nie mają one żadnego znaczenia. Badanie czarnej dziury rozszerza naszą wiedzę na temat czasu i przestrzeni. Ludzka wyobraźnia nie może objąć efektów zachodzących we wnętrzu czarnej dziury. Jest ona zatem mimo swej prostoty bardzo skomplikowana.
Jak powstaje? Jak je znaleźć?
Jak już wcześniej wspomniane zostało, ciśnienie gazów kompensuje grawitacyjne zapadanie się gwiazdy. W miarę upływu czasu zapas paliwa jądrowego w gwieździe wyczerpuje się. Długość życia gwiazdy zależy od szybkości spalania paliwa. Im większa gwiazda tym więcej paliwa mysi zużywać by utrzymać się przy życiu i tym szybciej paliwo się kończy. Gwiazdy o masie zbliżonej do Słońca żyją około 10 miliardów lat. Dla przykładu gwiazda o masie 3 razy większej od Słońca istnieje przez miliard lat., 10 razy - 100 milionów lat. Gdy kończy się paliwo gwiazda dalej wypromieniowuje paliwo i stopniowo się kurczy. Jeśli masa gwiazdy nie przekracza 1,2 masy Słońca to kurczenie ustaje gdy jej promień zmniejszy się do kilku tysięcy kilometrów. Gęstość materii sięga wtedy 1019g/cm3. Takie gwiazdy nazywamy białymi karłami. Taka gwiazda może dalej świecić aż wystygnie nawet całkowicie.
Jeśli masa gwiazdy przekracza 1,2 masy Słońca to reakcje energochłonne reakcje jądrowe zachodzące podczas kurczenia się spowodują jej całkowite zapadnięcie się. Obserwuje się wtedy eksplozję supernowej (rysunek obok). Jeżeli masa gwiazdy nie przekracza dwóch mas słońca to oddziaływanie kwantowe powstrzymuje dalsze kurczenie się gwiazdy. Jej gęstość wynosi 1014-1015 g/cm3. Jest to gęstość jądra atomowego. Taką gwiazdę nazywamy neutronową. Rozmiar gwiazdy neutronowej nie przekracza 10 km. Ich istnienie było długo kwestionowane, ale ostatnie badania pulsarów potwierdziły, że są to Obzdy neutronowe. rkę liczenia wykazują jednak, że po wypaleniu paliwa jądrowego, skurczeniu się i odrzuceniu otoczki masa gwiazdy przekracza wartość krytyczną (około 2 masy Słońca), nic nie jest w stanie powstrzymać gwiazdy od zapadnięcia się (nawet ogromne ciśnienie wewnętrzne). Czarne dziury powstają zatem nieuchronnie gdy gwiazdy o dużej masie kończą swoją ewolucję.
Jak szukać czarnych dziur? Znalezienie czarnej dziury jest bardzo trudne z uwagi na absolutnie czarny charakter, małe rozmiary i brak emisji znaczących ilości energii. Jednak gaz spadający na czarnej dziurze nie może spadać po linii prostej, ale zawsze po spirali. Oddziaływanie między spiralami gazu podnosi jego temperaturę do 10 milionów stopni. Gaz podgrzany do takiej temperatury emituje promieniowanie rentgenowskie. Aby obserwować takie źródła trzeba wynieść ponad atmosferę specjalne teleskopy. Po dokładniejszych badaniach stwierdzono, że czarne dziury muszą znajdować się wśród nie pulsujących źródeł rentgenowskich w układach podwójnych. Pole grawitacyjne potrzebne do podgrzania gazu do takiej temperatury przy której świeci on rentgenowsko musi być bardzo silne. Wiemy, że najważniejsza jest masa. Jeśli masa "martwej" gwiazdy przekracza 2 masy Słońca to musi to być czarna dziura.
Najbardziej wiarygodnym obiektem do tej pory okazało się źródło w gwiazdozbiorze Łabędzia nazwane Cygnus X-1. Źródło tego układu to gwiazda około 20 razy masywniejsza od Słońca. Promieniowanie rentgenowskie pochodzi z "martwej" gwiazdy o około 10 razy cięższej niż Słońce. Wiele badań określa prawdopodobieństwo istnienia tam czarnej dziury na 95%. W układzie tym obiekty obracają się dookoła co 5,6 dnia. Czarna dziura ściąga gaz z atmosfery gwiazdy olbrzyma. Temperatura gazu w zewnętrznych częściach dysku wynosi kilkadziesiąt tysięcy stopni, podczas gdy w wewnętrznych ponad 10 milionów stopni. Całkowita jasność rentgenowska przekracza kilka tysięcy razy jasność Słońca (we wszystkich zakresach widma). Wewnętrzny dysk ma średnicę około 200 km, czarna dziura 30 km. Całe źródło znajduje się około 6 tys. lat świetlnych od Ziemi. Odkryto je w 1971 roku. Od tamtej pory znaleziono ponad 20 podobnych źródeł. Do tej pory jednak jesteśmy ostrożni z mówieniem o Czarnych Dziurach, ponieważ są one zupełnie inne niż rzeczywistość, która nas otacza.