Desenul tehnic care i-a adus lui Roger Penrose Premiul Nobel pentru Fizica in 2020

In 1965, intr-un articol inspirat si de o claritate dezarmanta – atat de scurt incat textul nu ajungesese sa umple trei pagini de revista – Roger Penrose deseneaza o figura pentru a rezuma ingenioasa sa demonstratie matematica care avea sa-i aduca Premiul Nobel pentru Fizica 2020 „pentru descoperirea faptului ca formarea gaurilor negre este o predictie robusta a teoriei generale a relativitatii”. Devenit legendar, Penrose si-a transpus calculele matematice intr-un singur paragraf, iar apoi a comprimat si mai mult dovada intr-o singura imagine care poate fi citita de catre cei initiati. Concluzie: gaurile negre sunt o consecinta inevitabila a colapsului gravitational neingradit.

Termenul de „gaura neagra” nu fusese inca inventat si nu avea sa fie pana cand John Archibald Wheeler un influent relativist american a incheiat o prelegere din 1967 cu imaginea: „[Steaua], asemenea pisicii Cheshire, dispare din peisaj. Una lasa in urma doar ranjetul ei, cealalta, doar atractia gravitationala… lumina si particulele se duc in gaura neagra…”. Sursele radio cvasi-stelare au fost un mister recent observat, numite astfel deoarece semnalele pareau sa provina dintr-un singur loc, precum o stea. Unii astronomi au emis ipoteza ca emisia isi are originea in formarea unei gauri negre supermasive (folosind in mod anacronic apelativul „gaura neagra”) cu o masa de milioane sau sute de milioane de ori mai mare decat cea a Soarelui nostru.

Desi sunt candidati ipotetici si interesanti pentru surse inexplicabile, gaurile negre nu stim sigur ca exista nici macar teoretic. Descrierile structurii spatio-temporale din jurul unor stele ipotetic prabusite erau la baza simetrice si extrem de simplificate in constructia lor. Primul model matematic al unei gauri negre i-a fost prezentat lui Einstein intr-o scrisoare la sase luni de la publicarea Teoriei generale a relativitatii. Scrisoarea a sosit de pe frontul rusesc in timpul Primului Razboi Mondial de la prietenul sau Karl Schwarzschild, astronom si soldat german inrolat, si include cuvinte de un optimism atat de derutant incat sunt adesea citate cu oarecare uimire: „Dupa cum vezi, razboiul m-a tratat cu destula bunavointa, in ciuda focurilor de arma grele, pentru a-mi permite sa scap de toate si sa fac aceasta plimbare pe taramul ideilor tale.” Schwarzschild si-a imaginat o sfera perfecta cu toata masa unei stele strivita intr-un punct. Nu s-a intrebat cum ar fi putut natura sa creeze un astfel de lucru. Pur si simplu a ales sa si-l imagineze. Aproape o jumatate de secol mai tarziu, in 1963, Roy Kerr a descoperit solutia matematica pentru o gaura neagra idealizata, perfecta, care se roteste. In ciuda acestor descrieri formale, indoiala fata de existenta gaurilor negre in natura era rezonabil. Modelele matematice erau inteligente, dar atat de idealizate incat erau imposibil de realizat in realitate.

In acel frumos paragraf din acea lucrare admirabil de concisa, Roger Penrose a sfidat scepticismul predominant si a demonstrat ca, de fapt, gaurile negre erau inevitabile, deschizand astfel portile posibilitatii aparitiei adevaratelor gauri negre in univers.

Figura in sine este o placere sa o citim. Din cauza incapacitatii noastre de a vizualiza patru dimensiuni spatio-temporale (trei dimensiuni spatiale si una temporala), Penrose a desenat doar doua dimensiuni spatiale si una temporala. Astfel, daca o stea este o sfera in spatiu-timp, pe desen ea ar fi reprezentata de un cerc. Timpul se scurge de la baza figurii pana in partea de sus. In partea de jos a figurii, o stea incepe sa se prabuseasca, iar el deseneaza liniile atmosferei exterioare care se micsoreaza pe masura ce urcam pe figura si ne indreptam spre viitor. La un moment dat, steaua se micsoreaza atat de mult incat se formeaza o „suprafata captiva” – ceea ce noi numim acum orizontul evenimentelor (event horizon). Aici lucrurile devin interesante. Penrose ilustreaza faptul ca steaua este fortata sa continue sa se prabuseasca. Dovada se bazeaza pe argumentul ca, odata ce se formeaza orizontul evenimentelor, chiar si lumina este impinsa fara mila spre interior, asa cum este reprezentat de conurile de lumina indreptate spre viitor. Deoarece nimic nu poate calatori mai repede decat viteza luminii, totul este impins in mod inevitabil departe de orizontul evenimentelor, mai adanc in gaura neagra.

Implicatiile sunt deja extraordinare: steaua a disparut, iar orizontul evenimentelor lasat in urma ei este o umbra goala din care nici macar lumina nu poate scapa; pentru un observator din exterior – ochii pe care Penrose ii deseneaza in stanga – timpul pare sa se opreasca la orizont, deoarece nu mai ajunge lumina la ei; ceea ce observatorul din exterior presupunea a fi centrul unei sfere este, pentru steaua cazatoare, un punct in viitor si nicidecum un punct in spatiu. Steaua nu-si poate opri coborarea in interiorul gaurii negre mai mult decat putem noi sa ne oprim curgerea in timp.

Continuam sa citim diagrama si ne dam seama ca steaua se prabuseste fulminant intr-o singularitate, un punct spatio-temporal de curbura infinita, iar toata lumina stelei se duce cu ea. Singularitatea este o anatema pentru fizicieni, chiar daca lumina se deformeaza in asa fel incat are deja o alta functie si un alt aspect, probabil si o alta profunditate. Materia si lumina lovesc singularitatea si efectiv inceteaza sa mai fie, inceteaza sa mai existe asa cum au fost. Singularitatile incalca intreaga paradigma a fizicii, deoarece viitorul dincolo de singularitate nu numai ca nu poate fi cunoscut, dar este lipsit de sens. In fata propriei sale dovezi ca singularitatile sunt inevitabile in cadrul orizontului eveniment, deoarece se afla in viitorul stelei prabusite, el sustine ca acestea trebuie sa fie o profetie falsa. El sugereaza ca singularitatile semnaleaza esecul relativitatii generale in acel punct. Merge mai departe si sugereaza ca paradigma cuantica poate rescrie povestea interiorului profund al gaurilor negre fara ele.

Penrose este actualmente Sir Roger, numit de regina Elisabeta a II-a cavaler in onorabilul Ordin de Merit, unul dintre cei doar douazeci si doi de beneficiari in viata ai celui mai inalt ordin. Mostenirea sa stiintifica este uluitoare prin amploare, profunzime si originalitate. Mintea sa matematica cu adevarat exceptionala este completata de capacitatea rara de a invoca matematica complexa in imagini. El a inventat o tehnica formala pentru a cartografia un spatiu-timp infinit intr-un desen finit, cunoscut sub numele de diagrama Penrose. A descoperit portionarile, numite acum portionari Penrose, care sunt bucati dintr-un un plan intr-un set de figuri geometrice care genereaza modele care nu se repeta. El mazgalea si crea triunghiuri imposibile si alte figuri imposibile care l-au inspirat pe M.C. Escher si chiar pe Pablo Picasso.

Dovada pe care o reprezinta acest desen realizat manual este o capodopera. Gaurile negre sunt inevitabile. Intelegem acum ca sursele radio cvasi-stelare, sau quasarii, sunt gauri negre supermasive care induc furtuni magnetice in resturile cosmice din jurul lor. In deceniul care a urmat articolului lui Penrose, au fost observate gauri negre mai mici care s-au format ca stari de moarte a stelelor, canibalizand stelele tovarase. In 2017, Premiul Nobel a fost acordat arhitectilor antenelor extravagante care inregistreaza sunetele spatiului-timp ce rasuna in jurul gaurilor negre care se ciocnesc. Iar in 2019, Telescopul Event Horizon a oferit omenirii prima imagine rezolvata reala a umbrei unui orizont de evenimente, un mastodont din galaxia M87, aflata la 55 de milioane de ani lumina distanta.

In octombrie 2020, Sir Roger a impartit premiul cu doi astrofizicieni observatori, Andrea Ghez si Reinhard Genzel, care au urmarit cu rabdare stelele din centrul galaxiei noastre care orbiteaza in jurul unui nimic greu, mic si invizibil – o gaura neagra de patru milioane de ori mai mare decat masa soarelui. Acesta a fost un secol de descoperiri si de entuziasm revigorat pentru aceste entitati obscure care se dovedesc a fi neincetat de provocatoare. La fel ca Schwarzschild si Einstein, traim cele mai intunecate vremuri, infruntand o molima, tulburari sociale, ranchiuna politica fara precedent si dezbinare. Chiar si asa, aceste descoperiri stiintifice ne invita sa ne reorientam mintea, cel putin pentru o scurta repriza, catre o realitate comuna si vasta. Penrose a publicat tehnicile sale matematice, iar acestea au fost valorificate in mod prolific in deceniile care au urmat. Imaginea lui M87 este disponibila in mod gratuit pentru toata lumea. Intreaga umanitate este purtata prin acest sistem solar pe orbita in jurul gaurii negre din centrul Caii Lactee. Premiul Nobel 2020 ne reaminteste ca trebuie sa luam in considerare puterea transcendenta a chiar si a acestor descoperiri ezoterice de a ne schimba perspectiva, chiar si numai momentan. Ni se reaminteste sa ne indepartam de focurile de arma metaforice de grea categorie pentru a face o plimbare pe taramul glorios al ideilor impartasite. Sa reflectam!