Τάδε έφη Αϊνστάιν

H «νεότερη Φυσική» ξεκινά στις αρχές του 20ού αιώνα με την Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας (ΕΘΣ) του Αϊνστάιν που εισήγαγε μερικές επαναστατικές ιδέες για την εποχή της, όπως για παράδειγμα ότι ο χρόνος «κυλάει» διαφορετικά για παρατηρητές που κινούνται με διαφορετικές ταχύτητες, αλλά και ότι οι διαστάσεις των αντικειμένων αλλάζουν και εξαρτώνται από την ταχύτητα με την οποία κινούνται. Επιπλέον, αλλαγές υφίσταται η έννοια της μάζας: για παράδειγμα, ένα σώμα γίνεται «βαρύτερο» όταν κινείται. Τούτο δεν σημαίνει ότι το σώμα απέκτησε ξαφνικά περισσότερα πρωτόνια και ηλεκτρόνια, αλλά ότι απαιτείται μεγαλύτερη δύναμη για να μεταβάλουμε την κινητική του κατάσταση όταν κινείται παρά όταν ηρεμεί. Φυσικά, όλα αυτά γίνονται αντιληπτά μόνο σε κινήσεις με ταχύτητες που πλησιάζουν την ταχύτητα του φωτός. Σήμερα, τέτοιες ταχύτητες δεν είναι καθόλου σπάνιες σε πειράματα με υποατομικά σωματίδια και όλες οι προβλέψεις της ΕΘΣ έχουν επιβεβαιωθεί πειραματικά.

Η αποδοχή όμως της ΕΘΣ, η οποία κατά βάση αποτελεί μια θεωρία συσχετισμού κινηματικών καταστάσεων, επέβαλε στη συνέχεια και την αναγκαιότητα τροποποίησης της νευτώνειας θεωρίας της βαρύτητας. Αν και ασθενέστερη κατά πολλές τάξεις μεγέθους από τις υπόλοιπες δυνάμεις στη φύση, η βαρυτική δύναμη κυριαρχεί στις μεγάλες κλίμακες και κινεί το Σύμπαν. Η νευτώνεια θεωρία βαρύτητας προβλέπει πως κάθε μεταβολή στο τοπικό βαρυτικό πεδίο γίνεται αντιληπτή ακαριαία σε όλο το Σύμπαν, σε ευθεία αντίθεση με το αξίωμα της ΕΘΣ πως καμία πληροφορία δεν μπορεί να μεταδοθεί με ταχύτητα μεγαλύτερη από εκείνη του φωτός στο κενό.

Δισδιάστατη απεικόνιση του χωροχρόνου στην περιοχή ενός σώματος. Οι τροχιές σωματιδίων και φωτονίων επηρεάζονται από τον βαθμό καμπύλωσης του χωροχρόνου

Το 1911 ο Einstein, στον δρόμο προς την ανακάλυψη της ΓΘΣ, εισήγαγε έναν από τους πυλώνες της νέας θεωρίας του: αποδέχτηκε ως αξίωμα τις πειραματικές ενδείξεις για την ισοδυναμία της βαρυτικής μάζας (που είναι ανάλογη της βαρυτικής έλξης που νιώθει ή ασκεί ένα σώμα) και της μάζας αδράνειας (που είναι ανάλογη της επιτάχυνσης του σώματος όταν σε αυτό εξασκηθεί κάποια εξωτερική δύναμη). Ενα άλλο πειραματικό δεδομένο, η σταθερότητα της ταχύτητας του φωτός ως προς οποιονδήποτε παρατηρητή, χρησίμευσε ως ένα δεύτερο αξίωμα. Επειδή όμως είναι ακριβώς η κίνηση των φωτονίων που χρησιμεύει για τον ορισμό του χρόνου και του χώρου, η ταυτόχρονη αποδοχή των δύο αξιωμάτων επιβάλλει πως ο χώρος και ο χρόνος καμπυλώνονται παρουσία βαρυτικών πεδίων. Ο επίπεδος χωρόχρονος (Μινκόφσκι) της ΕΘΣ γίνεται πλέον ο καμπύλος χωρόχρονος στη ΓΘΣ και όλα τα σωματίδια και τα φωτόνια κινούνται ελεύθερα κατά μήκος καμπύλων τροχιών.

Τελικά, το 1915 ο Αϊνστάιν κατάφερε να γενικεύσει τις εξισώσεις της νευτώνειας βαρύτητας, εισάγοντας τις νέες εξισώσεις της ΓΘΣ. Σύμφωνα με αυτές, το βαρυτικό πεδίο αντικαθίσταται από την καμπύλωση του χωροχρόνου, τον οποίο οποιαδήποτε μορφή μάζας-ενέργειας μπορεί να καμπυλώσει. Ταυτοχρόνως, οι νέες εξισώσεις προβλέπουν ότι οποιαδήποτε μεταβολή της καμπύλωσης διαδίδεται ως κύμα (τα λεγόμενα βαρυτικά κύματα) και μάλιστα ακριβώς με την ίδια σταθερή ταχύτητα με την οποία διαδίδονται τα φωτόνια στον κενό χώρο. Μακριά από βαρυτικά πεδία, οι προβλέψεις της ΓΘΣ συμφωνούν με αυτές της ΕΘΣ.

Μια από τις πλέον «εξωπραγματικές» προβλέψεις της θεωρίας του Αϊνστάιν είναι οι μελανές οπές (ή αλλιώς, μαύρες τρύπες). Οταν ένα άστρο μεγάλης μάζας καταρρεύσει και συμπιεστεί τόσο ώστε η διάμετρός του να μικρύνει κατά μερικές εκατοντάδες χιλιάδες φορές, τότε δημιουργείται μια νοητή επιφάνεια (ο ορίζοντας γεγονότων) που περιβάλλει την καταρρέουσα ύλη, έτσι ώστε καμία πληροφορία για την κατάστασή της να μην μπορεί να διαφύγει. Σωματίδια και φωτόνια παραμένουν παγιδευμένα μέσα στη μελανή οπή, ενώ μας είναι άγνωστη η τελική κατάσταση στην οποία βρίσκονται. Η κλασική ΓΘΣ περιγράφει ένα σημείο άπειρης πυκνότητας στο κέντρο μιας μη περιστρεφόμενης μελανής οπής και ο ορίζοντας γεγονότων επιτελεί και τον ρόλο του «προστάτη» του εξωτερικού χωροχρόνου από μια τέτοια μαθηματική ανωμαλία. Οι πρώτες προσπάθειες περιγραφής των μελανών οπών μέσω μιας Θεωρίας Κβαντικής Βαρύτητας υπονοούν πως στην πραγματικότητα στη θέση μιας μαθηματικής ανωμαλίας θα υπάρχει απλώς μια περιοχή πολύ μεγάλης (πεπερασμένης όμως) πυκνότητας. Ακόμη και η κλασική περιγραφή του ορίζοντα γεγονότων τείνει πλέον να αντικατασταθεί από μια περιγραφή που λαμβάνει, εν μέρει, υπόψη της κβαντικά φαινόμενα, αφήνοντας διέξοδο για την εκπομπή ακτινοβολίας, τη λεγόμενη ακτινοβολία Hawking. Η συνεχιζόμενη μελέτη των κβαντικών ιδιοτήτων του ορίζοντα και του εσωτερικού των μελανών οπών, σίγουρα έχει ακόμη πολλά να μας αποκαλύψει γι’ αυτά τα αντικείμενα.

Μια απομονωμένη μελανή οπή θα ήταν πρακτικά αόρατη στις παρατηρήσεις. Ομως, σε ένα διπλό σύστημα μελανής οπής-αστέρα, η μελανή οπή μπορεί να αποσπάσει υλικό από τον αστέρα, το οποίο θα σχηματίσει έναν δίσκο προσαύξησης γύρω της. Καθώς στη γειτονιά της μελανής οπής τόσο ο χώρος όσο και ο χρόνος υφίστανται εξαιρετικά μεγάλη στρέβλωση, η εικόνα του δίσκου αυτού προκύπτει τόσο στρεβλή που θα μπορούσαμε να δούμε και πίσω από τη μελανή οπή. Τα δε φωτόνια υφίστανται τόσο μεγάλη επιρροή στη συχνότητά τους (αποτέλεσμα της βαρυτικής διαστολής του χρόνου) που το εσωτερικό χείλος του δίσκου καταλήγει να έχει αρκετά πιο ερυθρό «χρώμα» και να είναι πολύ πιο αμυδρό από ό,τι οι εξωτερικές περιοχές του. Λόγω της μεγάλης στροφορμής που έχει το υλικό του δίσκου και των έντονων μαγνητικών πεδίων που αναπτύσσονται, ένα μέρος της ύλης δεν καταλήγει στο εσωτερικό της μελανής οπής, αλλά εκτοξεύεται σε μορφή δύο αντιδιαμετρικών πιδάκων ύλης.

Εκτός από τις αστρικές μελανές οπές, έχουν παρατηρηθεί (εμμέσως) και υπερμεγέθεις μελανές οπές στα κέντρα γαλαξιών, οι οποίες έχουν μάζες που κυμαίνονται από μερικά εκατομμύρια έως μερικά δισεκατομμύρια φορές τη μάζα του Ηλιου. Στον δικό μας Γαλαξία, έχει εντοπιστεί στο γεωμετρικό κέντρο του μια περιοχή όπου ένα πλήθος αστέρων ακολουθεί τροχιές γύρω από ένα «αόρατο» κοινό κέντρο μάζας. Εχει υπολογιστεί πως εκεί κρύβεται (χωρίς να ακτινοβολεί) ένα αντικείμενο με μάζα περίπου τέσσερα εκατομμύρια φορές τη μάζα του Ηλιου, σε μια περιοχή μικρότερη από την έκταση του δικού μας ηλιακού συστήματος. Η μόνη θεωρητική εξήγηση που μπορούμε να δώσουμε για την ύπαρξη αυτού του αντικειμένου είναι πως πρόκειται για μια μελανή οπή.

Η ΓΘΣ παίζει σημαντικό ρόλο και σε πλήθος άλλων αστροφυσικών αντικειμένων και φαινομένων, όπως είναι οι αστέρες νετρονίων και οι εκλάμψεις ακτίνων-γ. Τα αντικείμενα αυτά βρίσκονται στο επίκεντρο της σύγχρονης Παρατηρησιακής Αστροφυσικής Υψηλών Ενεργειών και ένα πλήθος διαστημικών τηλεσκοπίων καταγράφει την εικόνα του ουρανού στο φάσμα των ακτίνων-Χ και των ακτίνων-γ. Χάρη στη ΓΘΣ, η ερμηνεία αυτών των παρατηρήσεων μας φέρνει πιο κοντά στη διαλεύκανση των μυστηρίων του Σύμπαντος.

Ο κ. Κώστας Κόκκοτας είναι καθηγητής Θεωρητικής Αστροφυσικής στο Πανεπιστήμιο του Tübingen.

Ο κ. Νίκος Στεργιούλας είναι αναπληρωτής καθηγητής Σχετικότητας του Τμήματος Φυσικής του ΑΠΘ.