Găurile negre și dinozaurii
O conversație despre Einstein, relativitatea generală, găuri negre și istoria lor agitată cu Marcia Bartusiak, profesor de jurnalism de știință la MIT.
Vasile Decu: De ce ați scris o istorie a ideii găurilor negre? Și de ce sunt atât de fascinante?
Marcia Bartusiak: Motivul principal a fost aniversarea din toamna lui 2015 a 100 de ani de la publicarea teoriei relativității generale. Încercam să găsesc o metodă, ca scriitor, să sărbătoresc acest prag. Oamenii au scris despre Einstein și despre această teorie a sa în multe moduri și, studiind subiectul, am fost surprinsă să descopăr că relativitatea generală a trecut printr-o perioadă de umbră, când nimeni nu o studia. A fost la început o agitație în lumea academică și în cea a publicului larg, în deceniile 1910-1920, când Einstein a introdus-o în lumea științei și toată lumea era încântată de idee, iar experimentul din timpul eclipsei solare din 1919 a demonstrat-o - dar apoi a interesul a început să se stingă. Ba chiar jurnalul științific Physical Review mai avea puțin și interzicea direct orice lucrare despre relativitatea generală.
Explicația era, desigur, că Einstein a introdus o teorie care era cu decenii înaintea timpului ei - pentru că nu existau observații experimentale. Am fost captivată de rolul atât de important pe care l-a avut conceptul de gaură neagră în readucerea în discuție a relativității generale.
Iar în termenii audienței generale, îmi place să glumesc că găurile negre sunt echivalentul astronomic al dinozaurilor. Dinozaurii sunt și ei fascinanți pentru că sunt mari și fioroși și există amenințarea morții, dar una departe în trecut. Copiii sunt fascinați de asta. Găurile negre sunt la fel. Ai acest obiect înfiorător în univers iar dacă îi depășești limita înseamnă moarte instantanee. Ne fascinează. E ca scenariul unui film de groază. Doar că sunt atât de îndepărtate în spațiu - la fel ca dinozaurii în timp -, așa că ne putem imaginea oroarea, dar nu trebuie s-o confruntăm direct.
Primul personaj important este John Michell, o figură tare ciudată...
Exact! După cum a spus un istoric, Michell a fost cel mai inventiv filozof al naturii din secolul 18 - dar nimeni nu-l cunoaște! Este și părintele seismologiei - a calculat epicentrul unui cutremur încă din anii 1700! A construit și balanța de torsiune care îi va permite apoi lui Cavendish să calculeze masa Pământului. A fost un om de știință genial. A fost și astronom și a avut o idee trăznită, bazată pe o teorie greșită a luminii, că putea analiza prin telescop lumina unei stele și calcula cât de mult se ducea spre roșu, pentru a cântări steaua. Era o idee ingenioasă, ținând cont de cunoașterea luminii și a materiei de pe vremea lui; desigur, nu funcționa deloc, dar l-a dus la ideea crudă a unei găuri negre - nu așa cum o știm astăzi, ci mai mult ca o bucată uriașă de materie cu un câmp gravitațional atât de puternic, încât lumina nu putea scăpa deoarece ar fi încetinit la fel ca o ghiulea trasă dintr-un tun care coboară apoi spre sol. Mi s-a părut un gând ingenios, la care a ajuns în mod independent și Laplace în Franța, câțiva ani mai târziu. Era un fel de versiune Model-T, ca mașina lui Ford, a unei găuri negre - de fapt, mai degrabă a unei stele negre, deoarece ei se gândeau la o bucată de materie care este tot acolo, dar care are o atracție gravitațională atât de puternică, încât își păstrează lumina.
Dar ce om inteligent a fost Michell! A făcut atât de multe lucruri diferite. A fost primul care a scris o lucrare despre stelele duble, arătând statistic că astronomii greșeau atunci când vedeau stele duble ori multiple și credeau că sunt iluzii optice, că ar fi fost doar stele aliniate din perspectiva noastră. El a calculat statistic - printre primele exemple de folosire a statisticii în astronomie - că, nu, acelea trebuiau să fie două stele legate între ele într-un sistem dublu, apoi William Herschel a continuat aceste studii și a început să le catalogheze.
Michell era prieten cu William Herschel și cu mulți alți oameni de știință celebri din acea perioadă, precum Joseph Priestly, Cavendish, Herschel, Ben Franklin - îi știa pe toți. Dar săracul om nu este ținut minte astăzi (râde), poate pentru că a plecat de la universitatea Cambridge pentru a se face preot în Biserica Anglicană. Când lucrai ca profesor la universitatea Cambridge, pe vremea aceea, trebuia să rămâi celibatar, dar el voia să se căsătorească, așa că a plecat de la Cambridge pentru a fonda o parohie și a se căsători. Pentru că nu a mai fost în mijlocul atmosferei academice, nu a devenit la fel de celebru ca celelalte figuri ale vremii sale.
Citind istoria lor, pare că de fiecare dată când un om de știință reușea un progres teoretic important, parcă se speria și dădea în spate...
Trebuie să ținem cont că nouă ne este ușor astăzi să ne uităm în spate și să spunem De ce nu au mers pe ideea asta mai departe?! Dar cele mai bune progrese în fizică apar atunci când teoria și observațiile experimentale merg mână în mână. Mecanica cuantică este la fel de ciudată. Ia gândește-te: particule ca unde, unde ca particule... Cine ar crede așa ceva? Dar au fost experimente făcute în același timp în laboratoarele lui Rutherford sau Thomson, care spuneau că, da, sunt comportamente ciudate, dar uite că am făcut experimente și teoria se potrivește perfect, așa că măcar au putut să meargă înainte și să înceapă să o accepte, pentru că teoria se potrivea cu rezultatele experimentelor.
Dar la momentul când Einstein și-a lansat teoria iar Schwarzschild a văzut posibilitatea unor lucruri ciudate, în 1916, nu erau niciun fel de observații experimentale care să susțină asta. Să nu uităm că, pe atunci, universul era senin și liniștit. Acum avem telescoape în spectrul razelor X, a razelor gamma, care arată o mare violență în univers, o mare activitate și energii mari. Văzut doar în spectrul luminii vizibile, universul pare calm și foarte tăcut. Astronomii nu aveau niciun motiv să creadă că stelele se pot comporta atât de nebunesc, pentru că nu văzuseră niciun exemplu. Mai apăreau strălucirile bruște și puternice ale novelor iar Fritz Zwicky i-a convins pe oamenii de știință, în cele din urmă, că o stea putea exploda, dar o stea care să se comprime până într-un punct atât de mic.... asta părea ridicol.
Părea greșit și din perspectiva matematicii, pentru că această reducere la o singularitate spunea că ceva era greșit în calculele fizicii. De fiecare dată când ai un rezultat care se duce spre zero în ecuațiile tale este un semn că matematica ta nu este descrierea corectă a ce se întâmplă. Așa că toată lumea s-a gândit atunci că încă nu înțelegeam fizica cum trebuie. Ceva trebuia să intervină să oprească acest colaps al stelei. La acel stadiu al științei, cunoștințele și ideile lor despre fizica comprimării materiei erau foarte crude, nu aveau nicio idee despre cât de mult se poate comprima materia. Era o problemă în viziunea lor, nu puteau înțelege, pentru că se gândeau în termenii materiei nucleare și pe baza fizicii lor nucleare trebuia să fie o limită a materiei, adică o limită a cât de mult poți comprima materia. De fapt, primii cercetători (chiar înainte de Chandrasekhar) care studiau limita stelelor pitice albe credeau că au descoperit limita a cât de mult poate fi comprimată materia într-o stea. Nu o vedeau ca pe un colaps într-un punct minuscul. Dar Chandrasekhar a arătat în ecuațiile lui că, ei bine, materia merge și mai departe. La început, nici lui nu i-a venit să creadă, se gândea că trebuie să intervină ceva pentru a împiedica această comprimare extremă a materiei. Ei trăiau într-o lume diferită, în care universul părea foarte diferit. Teoria relativității generale era cu mult înaintea observațiilor experimentale și oamenii se împotriveau, deoarece nu aveau niciun motiv să o creadă.
Chiar și Oppenheimer era nemulțumit că principalele sale contribuții în fizică erau despre știința găurilor negre.
Este atât de straniu, deoarece el se considera mai mult un fizician nuclear și singurul motiv pentru care se ocupase de acest subiect fusese că cineva îi sugerase această idee și credea și că era un subiect ușor pentru studenții lui să își facă doctoratele lucrând la aceste ecuații ale relativității generale. Nu cred că el a luat-o foarte în serios. Astronomia nu era specialitatea lui, dar așa s-a întâmplat - fizica particulelor și astronomia s-au împletit în studiile lui, pentru că era foarte interesat de steaua neutronică, căci neutronul era o particulă atomică. Era interesat să exploreze stabilitatea unei stele neutronice și așa a început să studieze acest subiect, care a dus apoi la prima descriere modernă a unei găuri negre în lucrarea publicată în 1939 împreună cu Hartland Snyder. Cred că s-a gândit că gata, nu o să mai auzim de lucrurile astea, uitați lucrarea, asta e tot. Apoi a plecat să lucreze la Proiectul Manhattan și nu s-a mai uitat înapoi.
Iar când s-a terminat războiul și Oppenheimer a devenit director al Institute for Advanced Study, relativitatea generală nu era încă pe radarul majorității fizicienilor. El îi sfătuia pe oameni să nu se ocupe de ea. Nu a luat-o deloc în serios, până la Texas Symposium din 1963 când a început să se gândească că poate lucrarea sa este folositoare la ceva până la urmă (râde), pentru că începuseră să apară unele dovezi din observații. Puteai folosi colapsul gravitațional ca să explici numeroase lucruri care se petreceau în univers, și care nu puteau fi explicate în niciun alt mod.
Părem să nu învățăm să ne obișnuim cu ciudățenia găurilor negre. Chiar și Hawking a fost contestat când a propus că se pot evapora.
Da, nimeni nu voia să creadă asta la început. Nici măcar el nu a crezut-o inițial. Dar mi-a plăcut reacția lui John Wheeler, care i-a spus știi ceva, e o idee suficient de trăznită cât să fie adevărată, așa că mergi mai departe. Dar și el s-a speriat când a început să vadă că gaura neagră poate avea temperatură, nu i-a plăcut asta din cauza ideii clasice că o gaură neagră absoarbe totul, și nu dă nimic înapoi.
Lui Hawking nu i-a plăcut asta, a încercat să demonstreze că este greșit, dar doar s-a convins și mai mult că, într-adevăr, Bekenstein găsise ceva. Într-un mod similar cu ce i s-a întâmplat lui John Wheeler, a început cu studiul sigularității Schwarzschild. Pentru că nu-i plăcea această singularitate, a încercat să scape de ea, dar și-a demonstrat că, nu, gaura neagră trebuie să existe.
La fel i s-a întâmplat și lui Hawking, care a început prin a încerca să demonstreze că Bekenstein greșise, dar a ajuns să se convingă că, stai așa, e chiar mai rău decât credeam, găurile negre se pot evapora! Era o idee atât de nebunească, că a durat doi ani până comunitatea științifică a fost convinsă de argumentele lui. Hawking ajunsese la granița gravitației și mecanicii cuantice și oamenii de știință se ceartă și acum pe asta. Eu am evitat în carte să merg mai departe de Hawking, pentru că mi se pare că asta e tot ce poți spune sigur până acum. Sunt atât de multe speculații despre ce se întâmplă în interiorul unei găuri negre și am discutat cu mulți teoreticieni care m-au prevenit să nu vorbesc despre supozițiile actuale, deoarece orice am spune azi poate fi contestat mâine. Subiectul este într-un mare haos acum, încât nu am vrut să scriu nimic despre prezent, deoarece discuțiile actuale se pot învechi foarte rapid, așa că tot ce am făcut a fost doar să prezint istoria.
Ca scriitor de știință și profesor, care a fost întorsătura preferată în povestea găurilor negre?
Aș spune experiența lui Roy Kerr (pentru că l-am cunoscut personal și am avut o discuție minunată cu el) în prezentarea teoriei sale despre găurile negre care se rotesc. Era la Texas Symposium și încerca să-i convingă pe oamenii de știință adunați acolo, iar astronomii citeau ziare, vorbeau între ei și nu-l ascultau deloc, deși le prezenta pe tavă soluția pentru subiectul principal al acelei conferințe. Nici la finalul conferinței, când au prezentat principalele lucruri spuse la simpozion, lucrarea lui nu a fost nici măcar menționată. Cu toate acestea, gaura neagră care se rotește a fost cea care a explicat energiile quasarilor pe care încercau să le rezolve la conferință. Ironia poveștii mi s-a părut foarte interesantă și amuzantă.
Și căutarea autorului termenului de gaură neagră a fost amuzantă. John Wheeler este creditat mereu pentru această formulare, dar cel mai probabil a pornit de la Bob Dickey, de la universitatea Princeton.
După 100 de ani, cum credeți că ar vedea Einstein obsesia noastră contemporană cu găurile negre?
M-a mai întrebat cineva asta odată și am spus că ar putea reacționa în ambele sensuri. Lui nu-i plăcea ideea de singularitate - îi părea o alarmă că nu am înțeles bine fizica găurilor negre. Și nici acum nu știm ce se petrece în interiorul unei găuri negre, pentru că nu avem teoria potrivită. Și nu era nici fanul mecanicii cuantice, deci nu știu cum ar fi reacționat în fața ideii de gravitație cuantică.
Pe de altă parte, nu i-a plăcut nici ideea expansiunii universului, el propunând conceptul unui univers stabil, sferic, dar în 1931 a vizitat coasta de vest a SUA și pe Hubble, care își făcea observațiile astronomice cu telescopul de pe Muntele Wilson. A discutat cu fizicienii de la Caltech, a vorbit cu Hubble, a urcat pe munte și a vizitat telescopul, apoi s-a întors și a declarat că Teoria lui Hubble mi-a zdrobit teoria mea cu un ciocan. Confruntat cu dovezile care îi contraziceau ideea, s-a răzgândit și a acceptat expansiunea universului. Dacă ar apărea astăzi, cred că ar accepta toate dovezile observaționale, dar cred că ar fi nemulțumit că nu știm încă ce se petrece într-o gaură neagră.