Nagrody Nobla z fizyki

Tegoroczne nagrody Nobla w dziedzinie fizyki otrzymali: Roger Penrose, emerytowany profesor Uniwersytetu Oxfordzkiego, Andrea Ghez z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles (czwarty Nobel z fizyki dla kobiety, ale już drugi w ostatniej dekadzie!) oraz Reinhard Genzel z Instytutu Maxa Plancka w Garching pod Monachium. Nagrodę przyznano za odkrycia w dziedzinie fizyki czarnych dziur, egzotycznych obiektów, których istnienie przewiduje einsteinowska ogólna teoria względności. Ogólna teoria względności, jedno z najpiękniejszych osiągnięć ludzkiej myśli, przyniosła radykalną zmianę rozumienia tak podstawowych pojęć, jak przestrzeń i czas. Przykładem są właśnie czarne dziury, posiadające tzw. horyzont zdarzeń, powierzchnię, przez którą materia może wpaść do wnętrza czarnej dziury, ale nie może się z niej wydostać. Co więcej, wnętrze czarnej dziury zawiera tzw. osobliwość, miejsce,  w którym pojęcia czasu i przestrzeni tracą sens i załamują się znane prawa fizyki.

Równania teorii względności są bardzo skomplikowane (choć, równocześnie, z punktu widzenia matematycznej harmonii, bardzo proste) i tylko w szczególnych przypadkach można znaleźć ich rozwiązania, również te opisujące czarne dziury. Aby je otrzymać, należy poczynić dodatkowe założenia, które z pewnością nie są spełnione w realnym świecie. Można by więc podejrzewać, że czarne dziury są bardziej matematyczną ciekawostką niż obiektami realnie istniejącymi. Zasługą Rogera Penrose’a było opracowanie nowatorskich, wyrafinowanych metod matematycznych, pozwalających opisywać ogólne własności rozwiązań równań Einsteina, nawet jeśli nie jesteśmy w stanie tych rozwiązań znaleźć. Najważniejszym wnioskiem z jego badań było stwierdzenie, że, wbrew początkowym podejrzeniom, czarne dziury mogą, a nawet muszą się pojawiać jako rezultat fizycznych procesów, takich jak zapadanie się masywnych gwiazd. Jego pierwsza praca na ten temat z 1965 r., którą bez przesady można nazwać epokową, liczy niecałe trzy strony (!) i jest prawdziwą perełką.

Wielką zasługą pozostałej dwójki laureatów było wykazanie, że czarne dziury rzeczywiście istnieją. Rozwinięte przez nich metody obserwacyjne, dotyczące zarówno teleskopów naziemnych (tzw. optyka adaptatywna, pozwalająca na wyeliminowanie zaburzeń spowodowanych drganiami atmosfery), jak i satelitarnych, pozwoliły na śledzenie ruchów gwiazd w centrum naszej Galaktyki. Okazało się, że krążą one wokół bardzo masywnego obiektu zwanego Sagittarius A*; jego masę ocenia się na ok. cztery miliony mas Słońca. Biorąc pod uwagę całokształt danych dotyczących tego obiektu, nie ulega wątpliwości, że jedynym wyjaśnieniem, zgodnym z aktualnym stanem wiedzy fizycznej, jest przyjęcie, że Sagittarius A* jest tzw. supermasywną czarną dziurą. W ten sposób ogólna teoria względności znalazła spektakularne potwierdzenie.

Podcast

Materiał źródłowy: prof. dr hab. Piotr Kosiński, Katedra Informatyki WFiIS UŁ