Albert Einstein przyszedł na świat w 1879 roku w Niemczech w miejscowości Ulm. Wykształcenie średnie zdobył w szkole w Szwajcarii, której obywatelem stał się w 1901 roku. Rok 1905 był rokiem obfitym w ważne dla niego wydarzenia. Wtedy to zdobył tytuł doktorancki na uniwersytecie w Zurychu, jednak nie został przyjęty w poczet pracowników naukowych tejże uczelni. W roku tym także udało mu się dokonać publikacji swoich najważniejszych teorii: wyjaśnienia efektu fotoelektrycznego, opisu ruchów Browna, czy słynnej teorii względności. Teorie te okazały się tak rewolucyjne, a w szczególności teoria względności, że Einstein w krótkim czasie stał się najpopularniejszą osobą świata naukowego. Kontrowersyjność jego teorii w połączeniu z oryginalnością jego osobowości, sprawiły, że zaczął uchodzić za najwybitniejszego i najoryginalniejszego naukowca na świecie. Nikt wcześniej od czasów Darwina nie wzbudzał tylu dyskusji, co Einstein głosząc swoje teorie. Jego śmiałe poglądy przyczyniły się do tego, iż w 1913 roku zyskał tytuł profesora uniwersytetu w Berlinie. W tym czasie został także członkiem Pruskiej Akademii Nauk, oraz objął stanowisko dyrektorskie Instytutu im. Cesarza Wilhelma. W ten sposób rząd niemiecki dosyć hojnie obdarzył Einsteina stanowiskami, lecz historia pokazała, że to był krok jak najbardziej właściwy. Dzięki tym stanowisko Einstein mógł w spokoju oddać się swojej pracy dotyczącej rozwoju swoich teorii. To przyczyniło się do tego, iż Einstein w niedługim czasie sformułował Ogólną Teorię Względności, a w roku 1921 dostał Nagrodę Nobla. Co ciekawe nie dostał jej za Ogólną Teorię Względności, która wówczas nadal uchodziła za dosyć kontrowersyjną, a za wyjaśnienie efektu fotoelektrycznego. Do dzisiaj najbardziej fundamentalna teoria opisująca całą czasoprzestrzeń, nie doczekała się wyróżnienia przez komitet noblowski. Obecnie uznaje się ten fakt za największy błąd towarzystwa przyznającego nagrody Nobla. Einstein z pochodzenia był Żydem, to sprawiło, że osiągnięciach czasie gdy Niemcy stały się krajem faszystowskim, zaczął obawiać się o swoje życie. Zmusiło go to do wyemigrowania w 1933 roku do Stanów Zjednoczonych, gdzie przyjęto go z otwartymi rękoma. Rozpoczął on pracę w New Jersey w Institute of Advance Study. W 7 lat po swoim przybyciu do Stanów został ich pełnoprawnym obywatelem. Einstein w swoim życiu był dwa razy żonaty. Jego pierwsze małżeństwo nie było niestety szczęśliwe, bo zakończyło się rozwodem, drugie jednak przetrwało. Jednak to z pierwszego zostawił po sobie potomków - dwoje dzieci. Zmarł w wieku 76 lat w Princeton.

Po ogłoszeniu swoich rewolucyjnych teorii przez resztę swego życia cieszył się niesłabnącą popularnością. Był zaangażowany w wielkie sprawy świata, odważnie wypowiadał się w kwestiach politycznych. Przy każdej okazji krytykował działania wojenne nawołując do pokoju. Oprócz tego Ci którzy go bliżej znali, mogą powiedzieć, iż był człowiekiem sympatycznym, skromnym z wielkim poczuciem humoru i co ciekawe całkiem dobrze grał na skrzypcach. Przeszedł do historii jako najsłynniejszy a może i największy umysł świata.

Gdy wiek XX się rozpoczynał, wyobrażenie Wszechświata były niezmienione od czasu Newtona. Dopiero Einstein w 1905 roku zrewolucjonizował jego postrzeganie poprzez ogłoszenie swojej szczególnej teorii względności. Nazwa "szczególna" bierze się stąd, iż teoria ta opisuje obserwacje jakie można przeprowadzić w ściśle określonych warunkach, dotyczących innych układów poruszających się, takich jak gwiazdy, planety czy też galaktyki. Najbardziej rewolucyjnym postulatem szczególnej teorii względności było stwierdzenie, iż prędkość światła jest taka sama bez względu na to, w jakim układzie jest ona mierzona. Jednak postulat ten musiał wprowadzić względność przestrzeni i czasu względem obserwatora znajdującego się w poruszającym się układzie. Otóż można to wyjaśnić w ten sposób, iż jeśli powiedzmy pan Kowalski wystartuje w rakiecie, która będzie stopniowo przyśpieszać i osiągać coraz to większą prędkość światła, to będziemy obserwować niezwykłe efekty. W miarę wzrostu prędkości czas dla pana Kowalskiego będzie wolniej płynął, a jego masa będzie stawać się coraz większa. Masa ta stawałaby się coraz większa, aż w granicznym przypadku osiągnięcia przez pana Kowalskiego prędkości światła stałaby się nieskończenie wielka. Kolejnym przykładem ilustrującym szczególną teorię względności jest tzw. paradoks bliźniąt. Otóż mamy dwóch bliźniaków, z których jeden wsiada do rakiety i wyrusza w długą podróż kosmiczną, poruszając się z dużą prędkością. Otóż według teorii względności dla bliźniaka w rakiecie czas powinien płynąć wolniej, a dla bliźniaka, który pozostał na Ziemi czas powinien płynąć w sposób normalny. W ten sposób zgodnie z dalszą myślą bliźniak z rakiety po powrocie powinien być młodszy niż bliźniak, który został na Ziemi. W ten sposób dostaliśmy niejako metodę podróży w przyszłość. Jeśli udamy się w podróż trwającą np 5 lat i będziemy się w tym czasie poruszać z prędkością bliską prędkości światła to okaże się, że po powrocie na Ziemi upłynęło 5000 lat. Jednak tutaj pojawia się tytułowy paradoks. Polegający na tym, że skoro stwierdzamy, iż jeden z bliźniaków porusza się względem bliźniaka który spoczywa na Ziemi, to tak samo możemy powiedzieć o bliźniaku na Ziemi, że to on porusza się względem bliźniaka znajdującego się w nieruchomej rakiecie. Wyjaśnienie tego paradoksu opiera się na wyróżnieniu jednego układu poprzez nadanie mu przyśpieszenia pozwalającego mu osiągnąć daną prędkość.

Dalszy postulat teorii względności dotyczy równoważności energii i masy, które w słowach Einsteina wyraża się:

"Masa ciała jest miarą energii"

Einstein ogłosił swój rewolucyjny i najsłynniejszy wzór w fizyce:

E = mc2

W dzisiejszych czasach teoria względności stała się fundamentem całej współczesnej fizyki. Dzięki niej zrozumiano istotę czasu i przestrzeni, masy i energii. Ale prace to nie tylko czyste teorie, to także podstawy odkryć XX wieku. Dzięki pracom Einsteina powstały urządzenia takie jak tranzystory, komórki, czujniki fotoelektryczne, a także dziesiątki innych odpowiedzialnych za ogromny skok technologiczny, którego ludzkość doświadczyła.

Rozwinięciem szczególnej teorii względności jest teoria dzisiaj określana mianem Ogólnej Teorii Względności. Teoria ta jest głównie teorią opisującą grawitację, położyła fundamenty pod współczesną kosmologię. To dzięki jej założeniom odkryto przesunięcie ku czerwieni, które dowodzi, że Wszechświat się rozszerza, a także wytłumaczono w jaki sposób powstają czarne dziury.

Obie teorie względności, szczególna i ogólna przyniosły Einsteinowi międzynarodową sławę, jednak to nie dzięki nim zdobył on nagrodę Nobla, a dzięki wytłumaczeniu efektu fotoelektrycznego. Efekt ten dal ówczesnych fizyków stanowił wielką zagadkę. Einstein wytłumaczył ten efekt dokonując założenia, iż strumień światła jest zbiorem cząstek - fotonów. Okazało się to jak najbardziej słusznym założeniem, a sama hipoteza istnienia fotonów, stanowiła istotną podstawę teorii kwantów.

Jeszcze jednym ciekawym faktem z życia Einsteina, jest to, iż swego czasu pracował on jako urzędnik w urzędzie patentowym. I to właśnie pomysły tego urzędnika zrewolucjonizowały dotychczasowe spojrzenie na świat, które to bez wątpienia okazało się jednym z najistotniejszych osiągnięć w całej historii fizyki. Geniusz tej teorii jak sam Feymann to ujmuje nie leży w samym stwierdzeniu, że wszystko jest względne, bo to nawet zwykły człowiek myślący może stwierdzić, ale chodzi o to, iż była to pierwsza teoria, która w drastyczny sposób burzyła dotychczasowy sposób pojmowania świata. Jej postulaty niszczyły wszelkie dotychczasowe wyobrażenia o otaczającej nas przyrodzie. I co najważniejsze, nie można tych wszystkich zmian ogarnąć tylko poprzez naturalny język, ale ich wytłumaczenie musi się opierać na języku matematyki.

Powstała pewna niezgodność pomiędzy relatywistycznością zdarzeń, a realnymi doznaniami, niezgodność ta do tej pory jest wykorzystywana przez pewne grupy ludzi w próbach obalenia teorii względności. Według nich konflikt ten można wytłumaczyć poprzez nierozwiązalne paradoksy. Konflikt ten nie jest łatwy do zaakceptowania przez ludzi, nawet ludzi wykształconych, pomimo faktu istnienia wielu już książek popularnonaukowych, które w sposób bardzo przystępny opisują teorie względności.

Najważniejszym elementem teorii względności jest pojęcie obserwatora. Pojęcie obserwatora opisuje możliwość przeprowadzenia pomiarów w określonym czasie i miejscu, pomiarów, których zadaniem jest zmierzenie odległości i czasu jakie uległy zmianie pomiędzy dwoma zdarzeniami w czasoprzestrzeni. Mówiąc krócej i bardziej opisowo, obserwator to nic innego jak zegar i linijka. Każdy obserwator posiada taki sam zegar i taką samą linijkę. Pojęcie obserwatora zahacza także o tematy filozoficzne według których to co poddaje się obserwacji, jest prawdziwie rzeczywiste.

To co wydaje się troszkę śmieszne to to, że teoria względności opiera się na stwierdzeniu iż prędkość światła w próżni jest bezwzględna. Oznacza to tyle, że dla każdego obserwatora pomiar prędkości światła da tą samą wartość, bez względu, z jakimi prędkościami dani obserwatorzy się poruszają. Żeby jeszcze to lepiej wytłumaczyć to załóżmy, iż mamy dwóch obserwatorów, z których każdy porusza się z określoną prędkością, zakładamy, iż prędkości znacząco się różnią. Jeśli każdy z tych obserwatorów dokona pomiaru prędkości światła za pomocą identycznych linijek i zegarów, to obaj dostaną ten sam wynik. Postulat ten pozostaje w sprzeczności z doświadczeniami, które obserwujemy w życiu codziennym. W życiu widzimy, iż człowiek biegnący w poruszającym się w pociągu, dla obserwatora stojącego w pewnej odległości od torów porusza się z prędkością równą sumie prędkości pociągu i jego samego. A gdy ten sam obserwator będzie się poruszał np. jadąc samochodem wzdłuż torów z taką samą prędkością jak suma prędkości pociągu i biegnącego człowieka, to będzie on obserwował człowieka tak jakby ten w ogóle się nie poruszał. W ten sposób odwracając to rozumienie, jeśli prędkość światła jest stała, to przestrzeń i czas muszą być względne. Dalej idąc tym rozumowaniem dochodzimy do wniosku, że skoro czasoprzestrzeń jest względna, to inaczej będą wyglądać zjawiska dla różnych obserwatorów. Przykładem tu mogą być nietrwałe cząstki poruszające się z dużymi prędkościami. Dla obserwatora, który obserwuje cząstkę z układu nie poruszającego się z tzw. układu laboratoryjnego będzie ona krócej żyła, niż dla obserwatora, który porusza się z taką samą prędkością jak cząstka. Wiąże się to bezpośrednio z wydłużeniem czasu dla obserwatora poruszającego się, względem obserwatora spoczywającego. Oczywiście wszystkie tutaj efekty dotyczą sytuacji, w których prędkości są bardzo bliskie prędkościom światła. Gdy np. jedziemy samochodem z dużą prędkością ok. 100 km/h, śpiesząc się na spotkanie, nie musimy się martwić, że osobie, która na nas czeka zegarek, mierzy czas szybciej niż nasz.

Podobne efekty obserwuje się w przypadku długości ciał. Otóż poruszająca się linijka wydaje się krótsza dla obserwatora spoczywającego, niż ta sama linijka będąca w spoczynku. Jednak tutaj dochodzimy do sedna sprawy. Otóż żaden obserwator w praktyczny sposób nie może sprawdzić, która linijka jest krótsza, bez zakłócania ruchu drugiego. Obserwatorzy mogą tylko stwierdzić, że im się tak wydaje. Ponieważ każdy z obserwatorów może stwierdzić, że to on się porusza względem drugiego spoczywającego, to każdy z nich mógłby stwierdzić, iż to jego zegarek chodzi wolniej. Aby tego dowieść, obserwatorzy ci powinni się zatrzymać i porównać wskazania swoich zegarów. Jednak aby to zrobić, jeden z nich musiałby zahamować, czyli zmienić swoją prędkość, a to prowadzi do przejścia do układu nieinercjalnego. Tak, więc widać, że obaj obserwatorzy, mogą tylko powiedzieć, że "wydaje się im". Obaj obserwuję spójne, relatywne wizje świata, świata i procesów takich samych dla każdego obserwatora.

Bardzo dobrym tutaj przykładem względności upływu czasu, jest nie fizyczny eksperyment, ale psychologiczne zjawisko, bardzo dobrze oddające wyobrażenie zmiany tempa upływu czasu. Otóż, gdy jesteśmy szczęśliwi, w towarzystwie lubianej osoby, albo oddając się swojemu ulubionemu zajęciu, mówi się, że czas upływa nam bardzo szybko. Gdy jesteśmy natomiast znudzeni, albo wykonujemy czynność pozbawioną dla nas sensu, lub gdy nas coś boli, to mówi się że czas wtedy w naszym mniemaniu bardzo powoli płynie. Człowiek wtedy mówi, że "wydaje mu" się że czas płynie bardzo szybko, lub ciągnie się w nieskończoność. Jest to doskonała ilustracja względności sytuacji. Ten relatywizm jest zasadniczą cechą ludzkiej osobowości. Tak samo względność czasu i przestrzeni jest zasadniczą cechą otaczającego nas Wszechświata.

Kolejnym stwierdzeniem teorii względności, jest to, że bez względu na to, jakie są mierzone odległości i czasy w różnych układach to wszystkie prawa fizyki, takie jak prawo grawitacji, czy zasady termodynamiki są takie same w każdym układzie. Krótko ujmując, nawet jeśli postrzeganie czasoprzestrzeni jest względne to prawa fizyki opisujące zjawiska w tej czasoprzestrzeni są bezwzględne.

Jak już wiemy prędkość światła w teorii względności odgrywa fundamentalną rolę. Wypada, więc się zastanowić, czy możliwe jest nadanie takiej prędkości jakiemuś ciału, jakiejś cząstce. Otóż z teorii względności wynika, że wraz ze wzrostem prędkości cząstki, wzrasta także jej masa. Gdy prędkość ta zbliża się coraz bardziej do wartości prędkości światła, to masa rośnie nieograniczenie. W przypadku granicznym, gdy cząstka porusza się z prędkością światła musi ona posiadać zerową masę. Cząstką poruszającą się z prędkością światła jest foton - bezmasowa cząstka promieniowania elektromagnetycznego. Jeśli przyjrzymy się natomiast słynnemu wzorowi Einsteina E = mc2 zauważymy, że aby rozpędzić, cząstkę do prędkości światła, należałoby jej dostarczyć nieskończenie dużej energii. Widzimy, więc, że rozpędzenie cząstki do prędkości światła jest rzeczą nieosiągalną. Można jeszcze zapytać, czy możemy tą prędkość przekroczyć. Na to pytanie nie można jednoznacznie odpowiedzieć. Do tej pory jednak nie udało się zaobserwować takich cząstek, ale wiadomo, iż fakt przekroczenia bariery prędkości światła prowadziłby do powstania pewnych paradoksów związanych z cofaniem się w czasie. To z kolei łamałoby zasadę mówiącą, że nie ma skutku bez przyczyny.

Teoria względności została ogłoszona przez Einsteina w 1905 roku i już po krótkim czasie Einstein zdał sobie sprawę, iż teoria ta nie wyjaśnia wszystkich przypadków, dlatego też dzisiaj jest ona nazywana Szczególną Teorią Względności. Otóż teoria ta nic nie wyjaśnia dokładnie, czym jest obserwator znajdujący się w układzie inercjalnym. Teoria ta wyjaśnia, iż układ inercjalny to układ poruszający się ze stałą prędkość, ale tutaj nasuwa się pytanie o względność tej prędkości: względem, czego jest to prędkość stała. Można łatwo odpowiedzieć, że prędkość ta jest stała względem obserwatora będącego w spoczynku. Można dalej brnąć, zadając kolejne pytanie: a względem, jakiego punktu w przestrzeni obserwator ten jest nieruchomy. Biorąc przykład z życia codziennego obserwator taki może stać na powierzchni Ziemi. Jednak taką odpowiedź także możemy szybko uznać za niewystarczającą, ponieważ Ziemia porusza się dokoła Słońca po okręgu, co oznacza, że nie jest to wcale układ inercjalny. Słońce w dalszej kolejności porusza się po orbicie wokół centrum naszej Galaktyki, z kolei Galaktyka także może poruszać się we Wszechświecie po orbicie, która wprowadza pewne siły do naszego układu. Gdy się nad tym jeszcze chwilę zastanowimy to w końcu dojdziemy do wniosku, że niemożliwym jest znalezienie takiego absolutnego obserwatora, a co za tym idzie centralny postulat teorii względności jest niemożliwy do spełnienia. Jeśli chcemy określić obserwatorów w układach inercjalnych, to należy te układy odnieść do określonego bezwzględnie punktu w czasoprzestrzeni. Jednak, w jaki sposób tego dokonać, skąd wziąć taki punkt, jak go można zaobserwować? Drugą także bardzo ważną nieścisłością wczesnej teorii względności, był jej całkowity brak zgodności z teorią grawitacji, która istniała od czasów Newtona. Było oczywiste dla Einsteina, iż potrzebna jest nowa teoria grawitacji, która zgadzałaby się z teorią względności i jednocześnie potrafiłaby odpowiedzieć na pytanie: skąd wziąć obserwatora inercjalnego. Ponad 10 lat Einstein pracował nad taką teorią, finałem jego pracy było to, że w 1916 roku ogłosił swoją Ogólną Teorię Względności, teorię, która przyniosła mu historyczną sławę. Teoria ta jest bardzo złożona i skomplikowana, w czasach Einsteina była to prawdopodobnie najbardziej skomplikowana teoria, jaką ogłoszono. Jednak jej podstawowe są stosunkowo proste do zrozumienia. Otóż jeśli chodzi o obserwatora inercjalnego to nie możemy go wyróżnić z powodu tego, że żaden obserwator nie jest wyróżniony - nie istnieje takie zjawisko. Dalej nie możemy określić takiego bezwzględnego punktu w czasoprzestrzeni, ponieważ nie ma czegoś takiego, jak bezwzględna czasoprzestrzeń. To co postrzegają obserwatorzy, to tylko informacje wynikające z relacji postrzegania tego świata przez różnych obserwatorów, cały otaczający nas wszechświat jest powiązanymi relacjami, spójnymi ze sobą. Nie można określić absolutnej, bezwzględnej rzeczywistości, ponieważ wszystko to co postrzegamy to wynik obserwacji różnych obserwatorów. Tu także możemy przywołać skojarzenia z ludzką psychiką i osobowością. Każdy człowiek w inny sposób postrzega rzeczywistość otaczającą jego, jednocześnie jest przekonany, że inna osoba postrzega jego rzeczywistość w ten sam sposób tzn. widzi ten sam świat, co druga osoba. Jednak nigdy nie będzie w stanie stwierdzić i określić bezwzględną, absolutną rzeczywistość tego świata, nie może niejako wyjść z samego siebie i zobaczyć jak wygląda świat z punktu widzenia nie odnoszącego się do niego. W ten sam sposób postrzegamy Wszechświat, wizje, które obserwujemy to tylko cienie rzeczywistości, cienie tożsame z otaczającym nas światem. Jednak jak ten cały opis przedstawić w formie ścisłej za pomocą języka matematyki, dzięki któremu można by przeprowadzić dokładną analizę całej teorii. Otóż pierwszym etapem jest uzmysłowienie sobie, że przestrzeń i czas są ściśle powiązane z grawitację. Że zupełnie odmiennie niż w fizyce klasycznej wielkości te stanowią integralną całość. Grawitacja, bowiem kształtuje czasoprzestrzeń, powoduje wolniejszy upływ czasu, zakrzywia przestrzeń. Cała obecna we Wszechświecie materia oddziałuje ze sobą grawitacyjnie, źródłem grawitacji jest wszelka materia i energia, a także sama energia grawitacji. W ten sposób powstaje wniosek, iż czasoprzestrzeń nie tylko może być modelowana przez zewnętrzne obiekty, ale może także się zakrzywiać sama z siebie.

Postulaty i wnioski tu przedstawione, okazuje się, że można znakomicie i elegancko przedstawić w postaci wzorów matematycznych. To z kolei dostarcza nam narzędzi pozwalających sprawdzić słuszność Ogólnej Teorii Względności. Dzięki temu możemy przeprowadzić pomiary na obiektach występujących w naszej rzeczywistości, a następnie porównać je z obliczeniami teoretycznymi. Wiemy z obserwacji astronomicznych, że światło pochodzące z odległej gwiazdy, po przejściu w pobliżu tarczy Słońca zostaje odchylone od swojego pierwotnego kierunku o 1.75'' kąta. Innym faktem obserwowalnym jest precesja orbity Merkurego, która obraca się o kąt 41'' w ciągu 100 lat. Obserwacje te dokładnie potwierdzają przewidywania teoretyczne. Fakty te, gdy je odkryto stanowiły fundamenty potwierdzające słuszność teorii względności. Do dnia dzisiejszego odkryto jeszcze mnóstwo innych przykładów potwierdzających słuszność wniosków Einsteina, dzięki którym w dniu dzisiejszym Ogólna Teoria Względności jest uznawana za jedyną prawdziwą. A dzięki niej możliwym się stało wytłumaczenie mechanizmu powstawania czarnych dziur na skutek grawitacyjnego zapadania się umierających masywnych gwiazd. Dzięki niej także opracowano teorię Wielkiego Wybuchu, obliczono, że jego wiek na ok. 15 miliardów lat, oraz udowodniono, że Wszechświat w dalszym ciągu się rozszerza.

Wielki filozof Martin Buber, opisywał świat stworzony przez Ogólną Teorię Względności, jako świat będący w sprzeczności z wszystkimi potrzebami duszy, co do sposobu mierzenia czasoprzestrzeni. Według niego, świat tak skonstruowany może zostać pomyślany, lecz niemożliwym jest wyobrażenie go sobie i co najbardziej ciekawe "poczucie, że żyje w świecie nie do zobrazowania, będzie stanowiło (dla wszystkich pokoleń) o poczuciu świata"

Podsumowanie Szczególnej i Ogólnej Teorii Względności

Postulaty i wnioski, jakie wynikają bezpośrednio ze Szczególnej Teorii Względności

Postulaty

  • Ruch jest względny - każdy ruch musimy odnosić do określonego układu. Postulat ten przeczył ówczesnemu przekonaniu, dotyczącemu obecności eteru wypełniającego cały Wszechświat. Według Einsteina, wtedy istniałby pewien absolutny nieruchomy układ odniesienia. A według teorii istnieje tylko ruch względny, dlatego też nie można byłoby wykryć eteru.
  • Prędkość światła jest stała, niezależnie od układu, w którym jest mierzona. Stałość prędkości światła, oznacza iż bez względu w jakim układzie jest mierzona, bez względu na to jak jeden układ porusza się względem drugiego, zawsze pomiar prędkości światła da tą samą wartość.

Wnioski

  • Dylatacja czasu - zwolnienie tempa upływu czasu, w układzie poruszającym się względem drugiego układu poruszającego się z mniejszą prędkością.

t - czas mierzony w układzie B

v - prędkość układu A względem B

t' - czas mierzony w układzie A

  • Skrócenie długości - ciało znajdujące się w układzie poruszającym się A doznaje skrócenia długości względem obserwatora znajdującego się w układzie spoczywającym B.

l - długość mierzona w układzie B

v - prędkość względna układów A i B

l' - długość mierzona w układzie A

  • Zwiększanie się masy przy zwiększaniu prędkości ciała - wartość masy ciała znajdującego się w poruszającym się układzie B mierzona przez obserwatora z układu A poruszającego się z mniejszą prędkością, jest większa niż gdyby to ciało znajdowało się w układzie A.

m - masa mierzona w układzie A

v - prędkość względna układów A i B

m' - masa mierzona w układzie B

  • Równoważność energii i masy - najpopularniejszy wzór fizyki, określający tożsamość pomiędzy masą i energią.

E = mc2

m - masa ciała

c - prędkość światła

  • Dodawanie prędkości - reguła określająca względną prędkość VAB pomiędzy dwoma układami A i B, poruszającymi się względem siebie z prędkościami VA i VB

Postulaty i wnioski, jakie wynikają bezpośrednio z Ogólnej Teorii Względności

Postulaty

Zasada równoważności - zrozumienie całej Ogólnej Teorii Względności opiera się na zrozumieniu tejże zasady. Według niej efekty działania grawitacji i nadania ciału pewnego przyśpieszenia są takie same i nie powinny być rozróżnialne. Jak wiemy każde ciało spada na Ziemię z jednakowym przyśpieszeniem, bez względu na to jaką jest obdarzone masą. Czy ciało jest duże, czy małe, w czasie spadku na Ziemię ich masa nie wpływa na ich reakcję na przyciąganie ziemskie. Ciała spadające na Ziemie są "nieważkie", podobnie jak astronauci znajdujący się na orbicie okołoziemskiej. Oni także w pewnym sensie spadają na Ziemię i są wtedy w stanie nieważkości. Jednak gdy astronauta startuje z orbity ku odległej planecie, przyśpieszając odpowiednio, czuje on wtedy swój ciężar. Jednak poczucie ciężaru nie wynika wtedy z nagłego pojawienia się grawitacji, ale z faktu istnienia przyśpieszenia. Jest to dokładnie przejaw zasady równoważności, która według Einsteina, oznacza tyle co niemożność rozróżnienia pomiędzy sobą sił grawitacji i sił pochodzących od przyśpieszenia układu.

Wnioski jakie płyną z zasady równoważności

  • Czas płynie wolniej w pobliżu obiektów o bardzo dużych masach
  • Orbity planet ulegają deformacji na skutek zmiany masy planety, która z kolei nastąpiła w wyniku zmiany prędkości ruchu planety po orbicie
  • Wiązka światła ulega ugięciu w pobliżu obiektu o dużej masie, na skutek silnego pola grawitacyjnego.

Według Ogólnej Teorii Względności efektem działania grawitacji, nie jest wzajemne przyciąganie się ciał, ale zakrzywienie czasoprzestrzeni w pobliżu ciała obdarzonego masą. Przestrzeń tak zakrzywioną nie możemy opisać geometrią euklidesową. Na mniejszych skalach wyniki jakie daje Ogólna Teoria Względności są równoważne wynikom obliczonym na podstawie prawa powszechnego ciążenia Newtona. Jednak prawo to nie tłumaczy, dlaczego orbita Merkurego ulega precesji wokół Słońca, ani tego dlaczego orbity planet mają kształt eliptyczny.

Po tym jak Einstein opublikował swoją Ogólną Teorię Względności, w kilka lat później postulaty w niej zawarte zostały potwierdzone przez obserwacje astronomiczne. Pięć lat wcześniej przed jej ogłoszeniem, Einstein twierdził iż światło ulega zakrzywieniu przechodząc w pobliżu obiektów o dużej masie. Zakrzywienie to można zaobserwować podczas obserwacji położenia określonej gwiazdy na niebie, gdy jest ona daleko od Słońca i gdy przechodzi w jego otoczeniu. Według teorii klasycznej, w której przestrzeń jest płaska, promienie świetlne w ogóle nie powinny ulegać zakrzywieniu. W czasach gdy Einstein żył, nie było prostą sprawą dowiedzenie tego faktu, ponieważ nie istniały jeszcze wtedy na tyle dobre teleskopy. Jedyną szansą na potwierdzenie tej teorii była obserwacja światła gwiazd przy całkowitym zaćmieniu Księżyca. Eksperyment taki został wykonany przez dwie ekspedycje angielskie, które aby móc obserwować takie zjawisko wybrały się w 1919 roku do Brazylii i Afryki. Otrzymane wyniki były jednoznaczne: Ogólna Teoria Einsteina była prawdziwa.

Ogólna Teoria Względności Einsteina okazała się teorią wielce przełomową. Jednak nadal nie rozwiązuje ona wszystkich problemów. Nadal nie jest wytłumaczone co takiego może dziać się we wnętrzach czarnych dziur, i chyba dużo czasu upłynie, zanim będzie to nam dane. Nadal nie wiemy, co działo się ze Wszechświatem przed Wielkim Wybuchem, jeżeli w ogóle coś się wtedy działo. Teoria względności na odległościach dużo mniejszych od rozmiarów cząstek elementarnych traci swoją moc i nie opisuje poprawnie rzeczywistości, musi ona zostać zastąpiona przez inną teorię. W przyszłości wydaje się, że nastąpi wielka synteza Ogólnej Teorii Względności i Mechaniki Kwantowej, wskutek czego powstanie jedna spójna teoria określana mianem "Kwantowej Grawitacji". Kiedy to nastąpi ludzkość będzie świadkiem kolejnego wielkiego przełomu w nauce, a obraz powstały z takiej teorii będzie w pełni opisywał rzeczywistość.

Czarne dziury

W dawnych czasach, zanim narodził się Galileusz, ludzkość trwała w poglądzie jaki przyjął Arystoteles, że naturalnym stanem ciał jest spoczynek, oraz że pod wpływem pchnięcia dane ciało może się poruszać. Z takiego poglądu wynikało, że ciało o większej masie powinno spadać szybciej na Ziemię niż ciało o mniejszej masie. Dopiero Galileusz sprzeciwił się takiemu postrzeganiu rzeczywistości. Ogólnie dzisiejsze postrzeganie ruchu ciał wywodzi się bezpośrednio z osiągnięć, jakich dokonali Galileusz i Newton. Galileusz przeprowadzał doświadczenia z toczącymi się ciałami po równi pochyłej i doszedł do wniosku, że jeśli zaniedba się opory ruchu, to każde ciało, bez względu na jego masę spada z taką samą prędkością. Z wyników jakie otrzymał Galileusz, następnie skorzystał Newton, wykorzystując je w sformułowaniu swoich praw ruchu. Dzięki nim Newton stworzył prosty i elegancki opis, który pasował do ludzkiej intuicji. Istnieje także termin określający sposób myślenia prezentowany przez Newtona - "mechanika nieba".

Jednak to nie był koniec nad badaniem ruchu ciał. Ludzkość od zamierzchłych czasów zastanawiała się nad naturą światła. Przeprowadzali także mnóstwo doświadczeń mających na celu wyznaczyć jego prędkość. Pierwszym takim znaczącym eksperymentem, była obserwacja księżyców Jowisza przez duńskiego astronoma Ole Christensena, który w 1976 roku stwierdził, iż światło porusza się ze skończoną prędkością. Obserwując księżyce Jowisza, zaobserwował, że odstępy czasowe pomiędzy ich kolejnymi zaćmieniami (kiedy księżyc znika za tarczą Jowisza) nie są takie same. Wynika to z tego, że w czasie ruchu Ziemi i Jowisza po orbitach wokół Słońca, ich odległość wzajemna się zmienia, czyli światło potrzebuje więcej lub mniej czasu na dotarcie do obserwatora będącego na Ziemi, co właśnie zaobserwował Christensen. Swoje spostrzeżenia pozwoliły mu na obliczenie prędkości światła, które nie było niestety dokładne, bo prędkość światła wynosiła według niego 200000 km/s. Jednak stwierdzenie, że prędkość światła jest skończona i wstępne oszacowanie rzędu jej wielkości było ogromnym osiągnięciem. Przypomnijmy, że prędkość światła wynosi ok. 300000 km/s.

Jednak prędkość światła to jedno, a natura światła to drugie. Dopiero w 1865 roku powstała poprawna teoria określająca sposób rozchodzeni się światła. Człowiekiem, który tego dokonał był J. C. Maxwell, brytyjski fizyk. Dzięki niemu dokonała się pełna unifikacja elektryczności i magnetyzmu, została ona zawarta w tzw. równaniach Maxwella. Z równań tych wynika, że może istnieć zaburzenie elektromagnetyczne w postaci fali, a prędkość rozchodzenia się tego zaburzenia powinna być skończona, tak jak zaburzenie rozchodzące się w postaci fali na stawie. Jednak pojawił się następny problem, ponieważ zgodnie z teorią Newtona, która wcześniej wyeliminowała termin absolutnego spoczynku, należało podać względem, czego jest ta prędkość liczona. I tu wprowadzono pojęcie "eteru kosmicznego", który to miał być ośrodkiem wypełniającym cały Wszechświat i światło miało się rozchodzić jako zaburzenie w takim ośrodku. Jednak z takiego wniosku wynikało też, że w zależność, w jakim kierunku mierzymy prędkość światła, jej wartość powinna być inna, co nie było raczej fizycznie eleganckie. Postanowiono dokładnie wyznaczyć prędkość światła względem eteru. W tym celu panowie Albert Michelson i Edward Morley wykonali swoje słynne doświadczenie, które miało na celu wyznaczenie prędkości światła w kierunku obrotowym Ziemi i prostopadle do tego kierunku. Jednak ku ich olbrzymiemu zdumieniu okazało się, że wartości tych prędkości są takie same. To z kolei doprowadziło w dalszych latach do wyeliminowania koncepcji eteru i zrozumienia, że światło nie potrzebuje żadnego ośrodka do tego, aby się rozprzestrzeniać. Jednak to jeszcze nie tłumaczyło wszystkich problemów dotyczących światła. Wyjaśniły się one dopiero, gdy na początku XX wieku Albert Einstein opracował swoją Teorię Względności, najpierw Szczególną, a potem udoskonaloną Ogólną Teorią Względności. Ważnym wnioskiem tej Teorii jest to, że czas i przestrzeń nie istnieją jako osobne wielkości. Są one ściśle ze sobą powiązaną i razem tworzą tzw. czasoprzestrzeń, czas staje się po prostu dodatkową współrzędną. Drugim równie ważnym wnioskiem wynikającym z Teorii Względności było to, że prędkość światła jest absolutna, bez względu na to, w jakim układzie jest mierzona. Ten ostatni wniosek wynika także z równań Maxwella, według których bez względu na to, z jaką prędkością porusza się źródło światłą, prędkość światła emitowanego będzie zawsze taka sama. Możemy takie źródło światła zlokalizować w czasoprzestrzeni. Na początek zlokalizujmy je w samej przestrzeni, uwzględniając tylko dwa wymiary (x,y). Umieśćmy takie źródło światła w początku układu współrzędnych - punkcie P, w ten sposób dostaniemy coś na wzór fal na wodzie, po wrzuceniu do niej kamienia. Jeśli teraz uwzględnimy trzecią współrzędną - czas, to dostaniemy stożek. Gdy uwzględnimy także ujemne wartości czasu - przeszłość to dostaniemy drugi stożek. W ten sposób powstają nam trzy obszary, w których zawarte są absolutna przyszłość, teraźniejszość absolutna przeszłość. Absolutna przeszłość to obszar we wnętrzu stożka dla czasów ujemnych, zdarzenia wewnątrz tego stożka mogą mieć wpływa na nasze zdarzenie P. Absolutna przeszłość to obszar we wnętrzu stożka dla czasów dodatnich i na te zdarzenia zdarzenie P może oddziaływać. Granicę tych stożków wyznacza prędkość światła, a poza nią jest tzw. obszar "gdzie indziej" na którego zdarzenia zdarzenie P nie ma wpływu, ani one nie mają wpływu na zdarzenie P.

Szczególna Teoria Względności doskonale sobie poradziła z prędkością światła, stwierdzając że jest ona bezwzględna niezależnie od tego w jakim układzie jest mierzona. I co najważniejsze dokładnie opisywała zjawiska jakie towarzyszą ciałom poruszającym się z dużymi prędkościami. Jednak wprowadzała sprzeczność z teorią grawitacji, jaka istniała od czasów Newtona. Według Szczególnej Teorii Względności, wraz z rosnącą prędkością masa ciała też rośnie, czyli efekty grawitacyjne także powinny się zmieniać. To z kolei oznaczało, natychmiastową zmianę efektów grawitacyjnych i zmuszenie grawitacji do podróży z prędkością światła. Einstein długo pracowała nad teorią która w poprawny sposób opisywałaby grawitacje, czego zwieńczenie było ogłoszenie w 1915 roku Ogólnej Teorii Względności. Rewolucyjność tej teorii opierała się na stwierdzeniu, że grawitacja nie jest siłą przyciągania pomiędzy ciałami, a zakrzywieniem jakiego doznaje czasoprzestrzeń w pobliżu materii i energii. Dla przykładu Ziemia, także porusza się w takiej zakrzywionej czasoprzestrzeni, którego źródłem krzywizny jest Słońce. Porusza się po najkrótszym torze tzw. linia geodezyjna. Sama Ziemia także powoduje zakrzywienie czasoprzestrzeni wskutek czego ciała w jej pobliżu poruszają się po łukach będącymi odpowiednikami linii geodezyjnych. Ogólna Teoria Względności w znakomity sposób tłumaczyła obserwowaną już wcześniej precesję orbity Merkurego, która obraca się o 1 stopień w ciągu 10000 lat. Nie można było tego wytłumaczyć, korzystając z teorii Newtona. Jeśli czasoprzestrzeń jest zakrzywiana, to poruszające się światło, także powinno odczuwać to zakrzywienie. Powinno poruszać się w po liniach krzywych, a nie prostych. I tu także założenia Ogólnej Teorii Względności zostały potwierdzone. Przeprowadzono eksperymenty w 1919 roku w Afryce podczas całkowitego zaćmienia Słońca, w których zaobserwowano "pochylanie" się światła gwiazd w stronę Słońca.

Ogólna Teoria Względności stwierdza zakrzywienie czasoprzestrzeni, czyli czas także inaczej powinien płynąć, a dokładniej, zgodnie z teorią powinien płynąć wolniej w pobliżu skupisk materii lub energii. Efekt ten jest ściśle związany z energią światła, która jest równoważna częstości światła - im większa energia tym większa częstość. Teraz jeśli światło zbliża się do dużej masy, np. Ziemi maleje jego energia, a co za tym idzie częstość. To z kolei prowadzi do wydłużenie okresu fali. Obserwator znajdujący się wysoko nad Ziemią powinien zgodnie z teorią zaobserwować wolniejszy upływ czasu. I tego także dowiedziono. W 1962 roku wykorzystano dwa bardzo dokładne zegary zamontowane na dole i na górze wysokiej wieży. Okazało się, iż rzeczywiście zegar znajdujący się bliżej powierzchni Ziemi mierzy czas wolniej niż ten zamontowany na górze. W dzisiejszych czasach jest to fakt bardzo ważny dla techniki, ponieważ przy działaniu satelitów krążących wokół Ziemi należy taką różnicę czasową uwzględnić.

Ogólna Teoria Względności wprowadziła zupełnie inny sposób postrzegania czasu i przestrzeni, w którym wielkości te są ściśle ze sobą związane. Co więcej są to wielkości dynamicznie zmieniające się, ciała które poruszają się w czasoprzestrzeni bezpośrednio wpływają na jej zachowanie się, a ta z kolei wpływa na ich ruch.

Co to jest czarna dziura?

Nazwa czarna dziura, został wprowadzony do fizyki w 1969 roku przez John'a Wheeler'a, czyli stosunkowo nie dawno. Jednak sama idea istnienia czarnych istniała już dużo wcześniej, bo pojawiła się w 1783 roku w pracach John'a Michell'a i Pierre'a Simone'a de Laplace'a. W ich pracach była mowa o tym, że gwiazda która miałaby wystarczająco dużą masę, posiadałaby tak silne pole grawitacyjne, że światło nie mogłoby z niego uciec. Światła tego nie moglibyśmy bezpośrednio wykryć, jednak dzięki wykorzystaniu przyciągania grawitacyjnego, można byłoby zauważyć taką czarną dziurę. Jednak twórcy tej idei, mieli czarne dziury po prostu za nie świecące gwiazdy, co nie zgadza się z rzeczywistością. Poza tym żyli oni w czasach kiedy nie znano jeszcze prawdziwej natury światła i nie wiedziano, że może poruszać się ze skończoną prędkością.

Teorie grawitacji, która panowała do początków XX wieku określił Newton, który zawarł ją w swoim prawie powszechnego ciążenia, a według którego, wszystkie ciała przyciągają się siła proporcjonalną do iloczynu ich masy, oraz odwrotnie proporcjonalną do kwadratu i wzajemnej odległości. Analizując to prawo dochodzimy do wniosku, że zmniejszając odległość pomiędzy ciałami zwiększamy siłę grawitacji pomiędzy nimi. Jeśli odległość tą zmniejszy dwukrotnie, to siła wzrośnie czterokrotnie. To są wnioski sformułowane na podstawie teorii Newtona, jednak Einstein twierdził, że grawitacja wzrośnie jeszcze bardziej niż to przewidywał Newton. Na skalach obserwowalnych w pobliżu Ziemi, nie jest to zauważalne, ale w przypadku ściśnięcia gwiazdy do niewielkich rozmiarów, grawitacja tak wysoce wzrasta, że różnice pomiędzy teorią Newtona a Einsteina są ogromne. Teoria Newtona zakłada, że gdy odległość pomiędzy ciałami dąży do zera to siła staje się nieskończona, teoria Einsteina mówi o tym, że ta nieskończoność powstaje wcześniej bo przy określonym promieniu granicznym. Jego wartość zależy bezpośrednio od masy ciała. Jeśli obliczymy jego wartość dla naszej planety to dostaniemy, że promień ten wynosi 1 cm, a z kolei dla Słońca 1 km, dla większych promieni różnice, wartości grawitacji obliczone za pomocą teorii Newtona i teorii Einsteina są niewielkie. Zgodnie z teorią Einsteina gdy dana gwiazda zostanie ściśnięta do rozmiarów kuli o promieniu równym promieniowi granicznemu, dzieją się wtedy bardzo interesujące rzeczy. Otóż grawitacja wzrasta wtedy do nieskończoności, czyli każde ciało znajdujące się w jej polu doznaje działania nieskończenie wielkiego przyśpieszenia przyciągającego. Jednak ściskanie planety, czy gwiazdy nie może prowadzić, do tego że obiekt będzie miał rozmiary punktu. Zapobiega temu ciśnienie panujące we wnętrzu gwiazdy bądź planety. Otóż im bardziej ściśnięta staje się materia tym większe ciśnienie panuje w jej wnętrzu. Tak więc, gdy dane ciało zmniejszymy do rozmiarów o promieniu równym promieniowi granicznemu, grawitacja wokół takiego ciała wzrośnie do wartości nieskończonej. Nieskończoność ta nie może być zrównoważona przez żadne siły, dlatego też każde ciało jest zmuszone do swobodnego spadku na takie ciało z nieskończenie wielkim przyśpieszeniem na promień grawitacyjny. Określa się przy tym tak zwaną powierzchnię Schwarzwilda określającą zewnętrzne pole grawitacyjne, które roztacza się wokół promienia grawitacyjnego. Posługując się tą powierzchnią, ciało będące w polu nieskończonej grawitacji nigdy nie spadnie na taką powierzchnię, ponieważ będąc na takiej powierzchni doznawało by działania nieskończenie dużej siły grawitacji. Ciało po prostu musi spaść poniżej promienia grawitacyjnego, do środka, co wynika z tego iż cały stożek przyszłości dla światła znajduje się poniżej promienia grawitacyjnego. Prowadzi to zatem do tzw. kolapsu relatywistycznego, czyli niepohamowanego zapadania się materii i energii. Tak więc, aby otrzymać czarną dziurę, wystarczy ścisnąć określoną masę do rozmiarów swojego promienia granicznego, np. ściskając górę, może spowodować jej zapadnięcie się do rozmiarów jądra atomowego.

Właściwości czarnych dziur.

Ogólna Teoria Względności mówi o tym, że grawitacja powoduje zwolnienie tempa upływu czasu. Tak więc wnioskując z tego, można stwierdzić, że nieskończenie duża grawitacja spowoduje nieskończenie wolny upływ czasu. I tak też jest w rzeczywistości. Czas w miarę zbliżania się do czarnej dziury płynie coraz wolniej, aż po dotarciu do jej horyzontu upływa nieskończenie wolno, czyli praktycznie mówiąc, zatrzymuje się. Można sobie to wyobrazić w ten sposób, że obserwując kamień rzucony do czarnej dziury, widzi się jego coraz wolniejsze spadanie, a po dotarciu do istoty czarnej dziury obraz, jaki obserwujemy zamiera. To nie znaczy, że cały czas widzimy ten sam niezmieniony obraz. Światło, które dochodzi do nas odbite, lub emitowane przez kamień, także się zmienia w pobliżu czarnej dziury. Jego częstość maleje coraz bardzie, czyli okres się wydłuża. Powoduje to przesunięcie światła ku czerwieni. Aż w końcu okres staje się nieskończenie długi i obraz w postaci fotonów dochodzi do obserwatora po nieskończenie długim czasie. W ten sposób obszar horyzontu czarnej dziury - tzw. sfery Schwarzwilda, staje się zupełnie niewidoczny dla obserwatora - stąd nazwa "czarna dziura". Także żadnym innym przyrządem pomiarowym nie można zbadać czarnej dziury, ponieważ wszelkie sygnały, które do niej dochodzą, już nie powracają z powrotem do obserwatora.

Zachowanie się ciał w pobliżu czarnej dziury, jest różne w zależności od tego jak blisko się znajdują. Ciało jeśli znajdzie się w odległości równej 1,5 promienia sfery Schwarzwilda, aby uciec od czarnej dziury musi mieć prędkość ucieczki równą prędkości światła. Dla odległości ciała równej 3 promieniom Schwarzwilda prędkość ucieczki wzrasta do połowy prędkości światła. Przy większych odległościach, grawitacja tylko nieznacznie powoduje zakrzywienie czasoprzestrzeni, wskutek czego ciało może się poruszać po paraboli. Jeśli jednak zbliży się ono wtedy na odległość równą 2 promieniom, Schwarzwilda zostanie ono schwytane prze czarną dziurę i już zawsze będzie krążyć wokół niej bez możliwości ucieczki. Prędkość ucieczki oprócz odpowiedniej wartości musi także posiadać określony kierunek względem kierunku wyznaczającego położenie czarnej dziury. Im większa odległość tym ten kąt pomiędzy kierunkiem wskazującym na czarną dziurę, a kierunkiem prędkości ciał może być mniejszy.

Kolejnym ważnym aspektem dotyczącym czarnych dziur, a który przewiduje Ogólna Teoria Względności jest istnienie fal grawitacyjnych. Fale takie według teorii, powinny mieć postać podobną do fal elektromagnetycznych, o podobnie jak one powinny nieść ze sobą pewną energię. Energia ta w przypadku normalnych warunków, czyli np. planet poruszających się w naszym Układzie Słonecznym jest w porównaniu równa energii, jaką dają 100 żarówek, czyli nie jest to energia duża. Kolejnym przykładem są planety bądź gwiazdy w układach podwójnych, w tych przypadkach energia niesiona przez fale grawitacyjne także jest niewielka. Jednak w przypadku ciała orbitującego wokół czarnej dziury, energia niesiona przez fale grawitacyjne powoduje na tyle duże straty energii, że promień orbity ulega systematycznemu zmniejszaniu się, aż osiągnie promień orbity równy 3 promieniom Schwarzwilda. Wtedy to po kilku jeszcze obiegach wypromieniowuje część swojej energii i spada do czarnej dziury. Energia wypromieniowana przez ciało, jest zwykle mała, jednak uwzględniając zwolnienie czasu, suma wypromieniowanej energii może być znacząc i może wynosić ok. 6% masy ciała. Widzimy więc, że czarna dziura może być źródłem całkiem pokaźnej ilości energii.

Do tego momentu cały czas rozważaliśmy czarne dziury powstałe w wyniku zapadnięcia się gwiazd, które miały kształt idealnie sferyczny i pozostawały w miejscu. W przypadku, gdy dana gwiazda nie będzie miała kształtu sferycznego, a w pewien sposób spłaszczony, pole grawitacyjne także będzie spłaszczone. Teoria dowodzi, że w takim wypadku kolaps grawitacyjny nie nastąpi, ponieważ promień będzie zbyt wielki. Otóż gdy ciało coraz bardziej zbliża się do rozmiarów bliskich promieniowi grawitacyjnemu, wszelkie odstępstwa od sferycznego kształtu, zostają wypromieniowane w postaci fal grawitacyjnych. To samo dzieje się w pierwszych chwilach po powstaniu czarnej dziury. Jest ona wtedy zdeformowana i spłaszczona i w ogóle swoim kształtem nie przypomina sfery. Jednak bardzo szybko, wszelkie niedoskonałości zostają wypromieniowane w postaci fal grawitacyjnych.

Na to jak wygląda pole czarnej dziury, ma bezpośredni wpływ masa ciała, z którego powstała czarna dziura. Ich rozmiary mogą się różnić, ale to, co je charakteryzuje to ich masa. Można się dalej zastanawiać, a co z innymi polami, co się dzieje, gdy dane ciało które ulega kolapsowi posiada ładunek elektryczny, co wtedy dzieje się z istniejącym polem elektrycznym. Okazuje się, że pole to pozostaje i otacza czarną dziurę, natomiast wszystkie inne pola zostają wypromieniowane z czarnej dziury w postaci energii. W ten sposób, jedynymi cechami charakterystycznymi, czyli jedynymi własnościami, jakimi można opisać czarną dziurę to jej masa i wartość pola elektrycznego, jakie ją otacza. To tak jakby człowieka opisać tylko dwiema cechami, wagą i kolorem włosów. Czarna dziura przyjmuje kształt idealnie sferyczny, co określa się popularnym stwierdzeniem, iż czarna dziura jest pozbawiona włosów.

Powyżej opisaliśmy co się dzieje z czarnymi dziurami powstałymi z ciał które nie posiadały, symetrii sferycznej, jednak nadal przyjmowaliśmy że obiekt ten był statyczny. Teraz zajmijmy się zapadającym się obiektem, który jest w ruchu, będzie posiadać pewną rotację. Otóż według Ogólnej Teorii Względności, pole grawitacyjne także podlega rotacji. Rotacja ta powoduje podobnie jak w przypadku Ziemi, nieznaczne spłaszczenie czarnej dziury. Jednak to co najważniejsze, to to, że istnienie rotacji wpływa na granicę nieskończoności grawitacji. Nieskończoność ta powstaje na zewnątrz horyzontu czarnej dziury i jest określana powierzchnią tzw. ergosferą. Jeśli ciało na tyle zbliży się do czarnej dziury, że przekroczy tą granicę, żadna siła już go utrzymać. Jednak grawitacyjne polew wirowe, w odróżnieniu od sfery Schwarzwilda nie powoduje bezpośredniego spadku ciała na czarną dziurę, ale nadanie mu pewnej rotacji. W wyniku, czego ciało wewnątrz ergosfery porusza się po orbicie kołowej wokół centrum czarnej dziury, co było nie do osiągnięcia w przypadku sfery Schwarzwilda. Tak, więc widać, że istnienie ruchu obrotowego czarnej dziury, prowadzi do zasadniczej zmiany jej właściwości. Jednak, jeśli dane ciało miałoby zbyt dużą wartość rotacji, zbyt szybko by się obracało to czarna dziura nie mogłaby powstać. Wynika to z tego, że wtedy siły pływowe nie pozwoliłyby na to. Ciało jedynie zamieniłoby się w naleśnik. Co ciekawe, ciało które zostanie przechwycone przez taką rotującą czarną dziurę, promieniuje 7 razy więcej energii, niż ciało schwytane przez statyczną czarną dziurę.

Kolejną cechą odróżniającą rotujące czarne dziury, jest to, że ciało może się z nich uwolnić. Wystarczy mu nadać odpowiednią prędkość, kiedy już zostanie schwytane przez takową. Możemy sobie wyobrazić to w ten sposób, iż jeśli rakieta zostanie złapana przez taką dziurę, to, gdy włączy silniki swoje odrzutowe, wskutek odrzutu gazów nabierze pewnej prędkości. Jeśli gazy te ustawi się tak, aby wpadały do czarnej dziury, to rakieta nabierze przyśpieszenia większego niż uzyskanego bezpośrednio w wyniku pracy silników. Rakieta może wskoczyć na nową wyższą orbitę, a stamtąd wskutek większych obrotów zostanie wyrzucona z pola czarnej dziury. Jednocześnie zabierze ze sobą energię rotacji czarnej dziury, którą zużyła na wydostanie się z niej. W ten sposób spowoduje jednoczesne zwolnienie obrotów czarnej dziury. Jednak nie spowoduje to jej zmniejszenia. Obserwacje wykazały, że w żaden sposób nie jest to możliwe. Udowodniono, że czarna dziura to taka swoista przepaść bez dna, nie może się zmniejszyć, a jedynie powiększyć, natomiast wszystko, co do niej wpadnie przepada tam bezpowrotnie.

W przypadku czarnych dziur rotujących, możliwe staje się zjawisko, w którym fala elektromagnetyczna o danej częstotliwości padając na taką dziurę, może wrócić z niej z częstotliwością większą. Jednak, aby tak się stało częstotliwość fali padającej powinna być mniejsza niż częstotliwość obrotów dziury. Takie zjawisko zostało już potwierdzone za pomocą obserwacji, i odkrył je Jakow Zeldow. Możemy powiedzieć, że w takim przypadku czarna dziura działa jak wzmacniacz fal. Nie jest to jednak mocny wzmacniacz, bo fala rozproszona, niesie energię tylko o ok. 4% większą od energii fali padającej. Ale pomyślmy, że gdyby tak cały czas taką falę kierować na czarną dziurę i systematycznie ją wzmacniać, wtedy sumaryczne wzmocnienie fali, mogłoby być całkiem pokaźne.

A teraz zadajmy interesujące pytanie: co stałoby się z człowiekiem, który znalazłby się we wnętrzu czarnej dziur. Jego sytuacja nie byłaby zbyt wesoła. Otóż zostałby rozerwany na strzępy, w wyniku działania na niego sił pływowych, która polega na tym, że różnica pomiędzy siłą działającą na powiedzmy głowę człowieka, a jego nogi jest nieskończona. To bezpośrednio spowodowałoby rozerwanie człowieka na molekuły. A jak długo by żył zanim by to nastąpiło. Jego czas życia wynosiłby tyle ile czasu potrzebuje foton na przebycie drogi równej średnicy czarnej dziury, czyli bardzo krótko.

W 1974 roku dokonano odkrycia które zrewolucjonizowało postrzeganie czarnych dziur. Człowiekiem który dokonał tego odkrycia, które pozwoliło na lepsze zrozumienie otaczającego nas Wszechświata był Stephen Hawkings. Otóż udowodnił on, że istnienie czarnej dziury może prowadzić do produkcji cząstek - taki gejzer strumienia cząstek. To z kolei może prowadzić do zmniejszania się czarnej dziury. Ale przecież to według tego co powiedzieliśmy wcześniej nie może być możliwe. Otóż mechanika kwantowa i teoria pola odpowiada, że jednak jest to możliwe. Cały mechanizm takiej produkcji opiera się na tym, że pole wokół czarnej dziury jest aktywne, czego dowodem jest spadek ciał na czarną dziurę. Ostatnie osiągnięcie fizyki teoretycznej - teoria pola, mówi nam, że tak naprawdę próżnia nie jest pusta. Jest aktywnym ośrodkiem, w której ciągle powstają i znikają cząstki. Cząstki, jakie powstają to pary materii i antymaterii - cząstka i antycząstka. Teraz, jeśli tak para powstanie w pobliżu czarnej dziury w ten sposób, że jedna z nich powstanie za horyzontem czarnej dziury, a druga przed to ta pierwsza zostanie wciągnięta do czarnej dziury, a ta druga może zostać z niej wyrzucona. Tak, więc otrzymujemy kwantowy gejzer wypromieniowujący energię, proces ten bywa także nazywany parowaniem czarnej dziury. Hawkings obliczył, że taka czarna dziura promieniując zachowuje się identycznie jak inne ciało promieniujące w niskiej temperaturze. Gdyby Słońce stało się czarną dziurą to promieniowałoby z temperaturą 10-6 stopnia, czyli bardzo, bardzo niską. Ale tak niewielkie promieniowanie jednak nie powoduje spadku energii czarnej dziury, która w wyniku wyłapywania pyłu międzygwiezdnego zyskuje jeszcze więcej energii. Gdy masa czarnej dziury maleje, zwiększa się temperatura jej promieniowania. Dla przykładu czarna dziura której masa wynosiłaby 1000 ton parowałaby z temperaturą 1017 stopni, aż przy końcu parowania czarna dziura eksplodowałaby. Przeciętne czarne dziury powstałe w wyniku śmierci gwiazd mogą żyć i parować przez okres 1066 lat, czyli bardzo długo, znacznie dłużej niż istnieje Wszechświat. Czarna dziura produkuje przede wszystkim neutrina i fotony, jednak im jej masa jest większa tym częściej może wyprodukować cząstki cięższe.

Podsumowując właściwości czarnej dziury widzimy, iż jest to obiekt w zasadzie bardzo prosty. Czarną dziurę można w pełni scharakteryzować podając jej masę, pole elektryczne i szybkość rotacji. Wszystkie inne informacje zostają utracone w momencie kolapsu grawitacyjnego. Jednak procesy zachodzące w jej wnętrzu są niemożliwe do wyobrażenia ich sobie, to jednak czyni z czarnej dziury obiekt bardzo skomplikowany. Dzięki nim jednak człowiek coraz lepiej rozumie otaczającą go czasoprzestrzeń.

Powstanie czarnej dziury.

Dopóki gwiazda żyje w normalny sposób, czyli spala swój zapas paliwa jądrowego, jaki jest zgromadzony w jej wnętrzu to zapadanie grawitacyjne gwiazdy jest podtrzymywane przez ciśnienie gazów. Czas życia gwiazdy bezpośrednio zależy od szybkości spalania tego paliwa. Gwiazdy podobne do naszego Słońca żyją ok. 10 miliardów lat. Gwiazdy jednak większe potrzebują większego zużycia paliwa i szybciej się wypalają. Gwiazda będąca tylko 3 razy większa od naszego Słońca, żyje już tylko ok. 1 miliarda lat, a gwiazda 10 razy większa od Słońca świeci tylko przez 100 milionów lat. W chwili, gdy to paliwo się kończy gwiazda powoli się kurczy i w zależności od tego, jaka jest jej masa, może ona ewoluować w różnym kierunku. Jeśli jest to gwiazda o masie podobnej do masy Słońca to, gdy skończy jej się paliwo zamieni się ona w białego karła. Jeśli jednak masa takiej gwiazdy jest większa od masy Słońca, to kurczenie się takiej gwiazdy spowoduje całkowite jej zapadnięcie się. Powstaje wtedy spektakularne zjawisko, tzw. wybuch supernowej. Następnie jeśli masa gwiazdy jest mniejsza od dwóch mas Słońca to zjawiska kwantowe zapobiegają dalszemu kurczeniu się i powstaje tzw. gwiazda neutronowa. Gwiazdy neutronowe są bardzo małe - ich średnica najczęściej jest mniejsza niż 10 km. Przez to też ich istnienie było długo kwestionowane, ale ostatnie badania nada pulsarami dowiodły ich realności. Gdy "umierająca" gwiazda ma większą masę niż dwie masy Słońca, następuje odrzucenie otoczki i już nic nie może powstrzymać grawitacyjnego zapadania się gwiazdy, czego następstwem jest powstanie czarnej dziury. Mówiąc krótko czarna dziura jest niejako grobem dużej masywnej gwiazdy.

W poszukiwaniu czarnej dziury.

Powiedzieliśmy wcześniej że z czarnej dziury, światło nie może się wydostać, a energia emitowana jest bardzo niewielka, więc nasuwa się pytanie skąd wiemy, że czarna dziura jest w tym miejscu a nie w innym. Otóż w przypadku gazu spadającego na czarną dziurę, możliwy jest jego ruch tylko po torze spiralnym, nie może on spadać prostopadle na dziurę. Takie gazowe spirale oddziałują pomiędzy sobą, czego skutkiem jest znaczące podgrzanie takiego gazu. Taki gorący gaz jest w stanie emitować promieniowanie rentgenowskie. Aby je jednak wykryć, nie wystarczą teleskopy znajdujące się na Ziemi, ponieważ nasza atmosfera absorbuje promieniowanie rentgenowskie. Należy użyć teleskopów znajdujących się w przestrzeni kosmicznej. Z obserwacji wynika, że takich czarnych dziur należy poszukiwać wśród źródeł promieniowania rentgenowskiego, które nie pulsują i do tego, które znajdują się w układach podwójnych. Ponieważ aby podgrzać gaz do tak wysokich temperatur potrzeba wyjątkowo silnego pola grawitacyjnego, możemy w takich punktach spodziewać się czarnej dziury.

Najlepszym obserwowalnym kandydatem na czarną dziurę jest obiekt znajdujący się w gwiazdozbiorze Łabędzia, który nazwano Cygnus X-1. Promieniowanie rentgenowskie rejestrowane wskazuje na to, że "martwa" gwiazda miała masę 10 razy większą od masy Slońca, a gdy w pełni świeciła, była 20 razy większa. Obliczenia wskazują na to, iż na 95% jest to czarna dziura. Obiekty krążą wokół niej bardzo szybko, bo z okresem równym 5, 6 dni i dodatkowo ściąga cały gaz ze swojego otoczenie, jednocześnie mocno go podgrzewając. Gaz ten we wnętrzu osiąga temperaturę 10 milionów stopni, a w zewnętrznych partiach kilka tysięcy stopni. Szacuje się, że rozmiar czarnej dziury wynosi 30 km i jest położona w odległości 6 tys. lat świetlnych. Została ona odkryta w 1971 roku, do tej pory odkryto już 20 obiektów, o których z pewnym prawdopodobieństwem możemy stwierdzić, że są czarnymi dziurami.