Tajemnicza osobliwość

3. Einstein wątpi w fizyczne istnienie osobliwości

W roku 1939 Robert Oppenheimer oraz jego student George Volkoff, rosyjski emigrant, przewidzieli teoretycznie, że gwiazda neutronowa nie może być stabilna, jeśli jest bardziej masywna od Słońca. Według ogólnej teorii względności obiekty takie powinny nieuchronnie zapaść się i utworzyć czarne dziury. Później wykazano, że granica Oppenheimera-Volkoa dla masy gwiazdy neutronowej może wynosić 3 masy Słońca. Często stosowane jest kryterium, że jeśli masa zwartego obiektu jest większa od trzech mas słonecznych, to obiekt ten jest czarną dziurą.

Interesujące, że sam Einstein, ojciec ogólnej teorii względności, w 1939 roku napisał artykuł, w którym próbował wykazać, że osobliwość nie istnieje. Podał prosty argument, który praktycznie odwracał rozumowanie Johna Michella wskazujące na możliwość istnienia czarnych dziur. W roku 1784 Michell zauważył, że siła grawitacji wytworzona przez masę może być tak duża, że nawet światło nie mogłoby jej pokonać i po daremnych próbach musiałoby zawrócić.



Albert Einstein i Robert Oppenheimer w Princeton. W roku 1939 opublikowali oni dwa przeciwstawne poglądy na temat czarnych dziur. Oppenheimer obliczył, jak powstają czarne dziury. Einstein chciał wykazać, że czarne dziury nie mogą istnieć w fizycznej rzeczywistości.

Einstein badał przypadek, kiedy cząstka jest początkowo umieszczona na zewnątrz zwartego ciała o rozmiarach mniejszych od promienia Schwarzschil-da. W zasadzie zauważył, że prędkość spadku swobodnego przekraczałaby prędkość światła, gdyby cząstka zbliżyła się do powierzchni ciała, ponieważ końcowa prędkość zderzenia jest równa prędkości ucieczki. Ruch z prędkością większą od prędkości światła jest teoretycznie niedopuszczalny, Einstein doszedł więc do następującego wniosku: „Zasadniczym wynikiem tej analizy jest przejrzyste wyjaśnienie, dlaczego «osobliwości Schwarzschilda» nie mogą istnieć w fizycznej rzeczywistości”.

Współcześni studenci dziedzictwa Einsteina myślą, że „niechętny ojciec czarnych dziur” popełnił interesujący błąd koncepcyjny (nawet jego błędy – jeśli się zdarzały – były zawsze interesujące!). Zastanawiał się nad stacjonarnymi ciałami zwartymi, lecz pomijał niestacjonarną naturę samej przestrzeni, bez której czarna dziura jest ciągłym procesem zapadania się. W ogólnej teorii względności przestrzeń wewnątrz horyzontu płynie do osobliwości, a prędkość spadającego ciała względem strumienia przestrzeni nie przekracza prędkości światła. Jednak to, co uważano za przeoczenie w geometrycznej teorii grawitacji, było wspaniałym intuicyjnym przypuszczeniem w kwantowej teorii pola grawitacyjnego, w której nie ma pływającej przestrzeni!

Einstein nie był odosobniony w swoich wątpliwościach. Jeden z założycieli nowoczesnej astrofizyki, Sir Arthur Eddington, był głęboko zaniepokojony przewidywanym zapadaniem się do osobliwości. Intuicja podpowiadała mu, że w teorii brakowało czegoś istotnego. Do końca swojego życia uważał, że musi istnieć prawo fizyczne zapobiegające ostatecznemu zapadaniu się masywnych zwartych obiektów.

W latach 1970. na konferencji poświęconej Einsteinowi duński fizyk, Claus Møller, ponownie podjął temat istnienia osobliwości. W ogólnej teorii względności, jak i w innych teoriach fizycznych, istnieją matematyczne osobliwości jako rozwiązania równań. W fizyce jednak można zazwyczaj znaleźć powód zatrzymania się w skończonej odległości i ignorować widmo osobliwości. Møller zaproponował, by poszukiwać teorii grawitacji odtwarzającej wszystkie pozytywne cechy ogólnej teorii względności w słabym polu grawitacyjnym, ale która nie dopuszcza osobliwości.