Predstavte si dvojčatá.
Jedno zostane bezpečne na Zemi. Druhé odletí k čiernej diere, nejaký čas strávi v jej blízkosti a potom sa — v našom hypotetickom scenári — vráti domov.
Keď sa znovu stretnú, nemuseli by mať rovnaký vek.
Človeku, ktorý sa pohyboval v extrémne silnom gravitačnom poli čiernej diery, mohlo uplynúť menej času než človeku ďaleko od nej.
Nie je to sci-fi trik.
Je to dôsledok Einsteinovej všeobecnej teórie relativity.
Čas totiž nie je všade vo vesmíre rovnaký.
Gravitácia neovplyvňuje iba predmety. Ovplyvňuje aj čas
V bežnom živote si gravitáciu predstavujeme jednoducho.
Zem priťahuje predmety smerom nadol.
Slnko drží planéty na obežných dráhach.
Čierna diera má takú silnú gravitáciu, že z určitej oblasti neunikne ani svetlo.
Einstein však ukázal niečo omnoho zvláštnejšie.
Hmota a energia zakrivujú časopriestor. A čím silnejšie gravitačné pole, tým rozdielnejšie môže plynúť čas v porovnaní s miestom, kde je gravitácia slabšia.
Tomuto javu hovoríme gravitačná dilatácia času. Hodiny umiestnené bližšie k silnému gravitačnému zdroju tikajú pri porovnaní so vzdialenými hodinami pomalšie.
Čierne diery sú extrémnym príkladom.
Ale veď sekunda je sekunda. Ako môže plynúť pomalšie?
Tu začína byť fyzika poriadne divná.
Predstavte si dvoje dokonale presných hodín.
Jedny necháme ďaleko od čiernej diery.
Druhé umiestnime oveľa bližšie k nej.
Ak ich neskôr porovnáme, neukážu rovnaký uplynutý čas.
Hodiny bližšie k čiernej diere zaznamenajú menej času.
A nejde o to, že by gravitácia mechanicky pokazila hodinový strojček.
Rovnako by sa spomalili všetky fyzikálne procesy, podľa ktorých čas meriame.
Pre pozorovateľa ďaleko od čiernej diery teda čas v jej blízkosti plynie pomalšie. NASA tento efekt opisuje ako dôsledok extrémneho zakrivenia časopriestoru silnou gravitáciou.
Človek pri čiernej diere by však nič zvláštne necítil
Toto je najdôležitejšia časť celého príbehu.
Predstavte si, že máte na zápästí hodinky a letíte smerom k čiernej diere.
Vaše hodinky tikajú normálne.
Vaše srdce bije normálne.
Premýšľate normálnou rýchlosťou.
Jedna vaša sekunda je pre vás stále jedna sekunda.
Nevšimli by ste si, že váš vlastný čas „ide pomaly“.
Rozdiel sa objaví až pri porovnaní s niekým, kto sa nachádza inde.
NASA upozorňuje, že človek padajúci k čiernej diere by sám na svojich hodinách žiadne spomaľovanie nezaznamenal, zatiaľ čo vzdialenému pozorovateľovi by jeho procesy pripadali čoraz pomalšie.
Čím bližšie k horizontu udalostí, tým je rozdiel extrémnejší
Okolo čiernej diery existuje hranica nazývaná horizont udalostí.
Je to bod, spoza ktorého sa už žiadny signál nemôže vrátiť k vzdialenému pozorovateľovi — ani svetlo.
Pri neotáčajúcej sa čiernej diere gravitačná dilatácia času rastie s približovaním k horizontu.
Z pohľadu veľmi vzdialeného pozorovateľa sa hodiny približujúce k horizontu zdajú tikajúce stále pomalšie.
Objekt zároveň vyzerá čoraz červenší a slabší, pretože jeho svetlo stráca energiu a podlieha gravitačnému červenému posunu.
A tu vzniklo populárne tvrdenie:
„Na horizonte udalostí sa čas zastaví.“
Je však potrebné ho vysvetliť správne.
Človek pri horizonte udalostí nezamrzne vo vlastnom čase
Ak z diaľky sledujeme človeka padajúceho do čiernej diery, jeho pohyb sa bude zdať čoraz pomalší.
Nikdy jednoducho nedostaneme bežný svetelný signál ukazujúci okamih, keď prekročil horizont.
Jeho svetlo bude stále viac červeno posunuté, oneskorené a slabšie, až sa prakticky stratí.
Ale astronaut sám seba ako zamrznutého neuvidí.
V jeho vlastnom čase horizont udalostí prekročí za konečný čas.
Takže veta „čas sa na horizonte zastaví“ je užitočná skratka pri opisovaní pohľadu vzdialeného pozorovateľa, ale nie doslovný opis toho, čo zažíva padajúci človek.
Mohli by ste teda cestovať do budúcnosti?
V istom zmysle áno.
A nepotrebujete ani čiernu dieru.
Relativita umožňuje dva základné spôsoby, ako docieliť, aby vám uplynulo menej času než niekomu inému:
pohybovať sa extrémne vysokou rýchlosťou alebo sa nachádzať v silnejšom gravitačnom poli.
Pri čiernej diere sa môžu dokonca kombinovať oba efekty.
Ak by ste dokázali bezpečne pobudnúť v oblasti s veľmi silnou gravitačnou dilatáciou a potom sa vrátiť na Zem, mohlo by sa stať, že vám uplynul napríklad rok, zatiaľ čo na Zemi uplynulo oveľa viac času.
Nemohli by ste sa tým však vrátiť do minulosti.
V podstate by ste preskočili časť budúcnosti ostatných ľudí.
Film Interstellar si tento efekt nevymyslel
Vo filme Interstellar pristane posádka na planéte veľmi blízko obrovskej rotujúcej čiernej diery Gargantua.
Vo filme približne jedna hodina na planéte zodpovedá siedmim rokom ďaleko od čiernej diery.
Extrémnosť tohto konkrétneho scenára závisí od veľmi špecifických podmienok, ale základný fyzikálny princíp je skutočný.
NASA v simulácii letu okolo supermasívnej čiernej diery ukázala oveľa miernejší príklad: astronautka absolvujúca približne šesťhodinovú cestu v blízkosti horizontu by sa mohla vrátiť o 36 minút mladšia než kolegovia ďaleko od čiernej diery. Pri rýchlo rotujúcej čiernej diere môže byť rozdiel podstatne väčší.
Takže Hollywood si nevymyslel samotnú dilatáciu času.
Iba ju poriadne vytočil.
Prečo môže rotujúca čierna diera situáciu ešte viac skomplikovať?
Skutočné čierne diery sa často otáčajú.
Rotujúca čierna diera podľa všeobecnej relativity spolu so svojou rotáciou akoby „ťahá“ okolitý časopriestor.
Tento jav sa nazýva frame dragging.
Pri dostatočne rýchlo rotujúcej čiernej diere existuje oblasť nazývaná ergosféra, v ktorej nie je možné jednoducho zostať nehybne vzhľadom na vzdialené hviezdy — samotná geometria časopriestoru vás núti pohybovať sa v smere rotácie čiernej diery.
Takže pri čiernych dierach sa čudne nespráva iba čas.
Čudne sa správa aj samotný pojem „stáť na mieste“.
A čo Zem? Aj tu čas plynie rôzne
Toto všetko môže znieť ako exotická fyzika použiteľná iba pri čiernej diere.
Nie je.
Gravitačná dilatácia času funguje aj na Zemi.
Hodiny vo vyššej nadmorskej výške, teda o trochu ďalej od stredu Zeme, tikajú nepatrne rýchlejšie ako hodiny nižšie v gravitačnom poli.
Rozdiel je extrémne malý, ale moderné atómové hodiny ho dokážu merať.
NASA uvádza, že rozdielne rýchlosti chodu hodín boli experimentálne pozorované aj pri porovnávaní hodín v lietadlách a na povrchu Zeme.
Časová dilatácia teda nie je filozofická úvaha.
Je to merateľný fyzikálny jav.
Bez Einsteina by vám dokonca zle fungovala navigácia
Satelity navigačných systémov sa nachádzajú vysoko nad Zemou a zároveň sa pohybujú veľkou rýchlosťou.
To znamená, že na ich hodiny pôsobia oba relativistické efekty.
Špeciálna relativita spôsobuje zmenu spôsobenú ich rýchlosťou.
Všeobecná relativita zase spôsobuje inú zmenu preto, že sa nachádzajú v slabšom gravitačnom poli než prijímač na povrchu Zeme.
Systém preto musí tieto rozdiely zohľadňovať.
Einsteinova teória teda nie je iba vec pre fyzikov kresliacich čierne diery na tabuľu.
Jej dôsledky pomáhajú tomu, aby navigácia vedela správne určiť, kde sa nachádzate.
Čo by ste videli, keby ste padali k čiernej diere?
Tu sa situácia stáva ešte podivnejšou.
Pre vás plynie váš vlastný čas normálne.
Keď sa však pozriete smerom k vzdialenému vesmíru, svetlo prichádzajúce zvonka môže byť výrazne deformované gravitačným poľom.
Čierna diera ohýba dráhy svetla, takže môžete vidieť zvláštne zdeformované obrazy okolia.
Pri páde navyše narastajú slapové sily.
Gravitácia pôsobiaca napríklad na vaše nohy môže byť výrazne silnejšia než gravitácia pôsobiaca na hlavu.
Výsledkom je jav s prekvapivo oficiálnym názvom:
špagetifikácia.
Objekt sa naťahuje v jednom smere a stláča v druhom.
Takže najväčším problémom výletu k čiernej diere by nakoniec nemuseli byť oneskorené hodinky.
Pri supermasívnej čiernej diere môžete horizont teoreticky prekročiť skôr, než vás roztrhá
Prekvapivo záleží aj na veľkosti čiernej diery.
Pri menších čiernych dierach môže byť rozdiel gravitácie medzi vašou hlavou a nohami v okolí horizontu obrovský.
Špagetifikácia by vás zničila ešte pred horizontom alebo v jeho blízkosti.
Pri supermasívnej čiernej diere môže byť horizont udalostí obrovský a gradient gravitácie na jeho úrovni podstatne miernejší.
Teoreticky by ste teda mohli horizont prekročiť bez okamžitého dramatického momentu.
To by však nebola dobrá správa.
Po prekročení horizontu už žiadna cesta smerom von neexistuje. Všetky možné budúce dráhy vedú hlbšie do čiernej diery.
Výlet by bol jednosmerný.
Čo sa potom deje s časom vo vnútri?
A tu sa dostávame na hranicu toho, čo dokážeme spoľahlivo popísať.
Všeobecná relativita veľmi dobre predpovedá správanie čiernych dier a horizontu udalostí.
Pri klasickom opise však hlboko vo vnútri smerujeme k singularite — miestu, kde matematické veličiny modelu rastú do extrému a naša súčasná fyzika prestáva poskytovať úplný opis reality.
NASA otvorene uvádza, že čierne diery patria medzi oblasti, kde sa stretáva fyzika veľmi veľkých objektov s fyzikou extrémne malých mierok a kde súčasnému opisu stále niečo chýba.
Na úplné pochopenie pravdepodobne potrebujeme teóriu, ktorá spojí všeobecnú relativitu s kvantovou fyzikou.
Takú úplnú teóriu kvantovej gravitácie zatiaľ nemáme.
Najdivnejšie teda nie je, že čierna diera „spomaľuje hodiny“
Najdivnejšie je niečo hlbšie.
Podľa relativity neexistujú jedny univerzálne kozmické hodiny, ktoré tikajú rovnakým tempom pre celý vesmír.
To, koľko času medzi dvoma udalosťami prežijete, závisí okrem iného od:
toho, ako sa pohybujete a v akom gravitačnom poli sa nachádzate.
Na Zemi sú rozdiely v každodennom živote také malé, že ich nevnímame.
Pri čiernej diere sa však rovnaký princíp dostáva do extrému.
A zrazu môže mať otázka:
„Koľko času uplynulo?“
viac než jednu správnu odpoveď.
Pre vás mohla uplynúť hodina.
Pre niekoho ďaleko od vás podstatne viac.
A obaja máte pravdu.
