Stephen Hawking, 2. díl: Velký třesk bez hranice, (ne)cestování v čase a zdánlivý horizont událostí

- Vesmír autor: Pavel Vachtl

Když na konferenci cestovatelů v čase nikdo nedorazil, znamená to, že cestovat čase nelze? A 'spolkne-li' něco černá díra, je to navždy ztraceno? Stephen Hawking dokázal složité otázky fyziky vysvětlit tak, že ho chápali i laici. 

Hawking se vsadil ohledně tzv. informačního paradoxu černých děr. Ilustrační snímek

Hawking se vsadil ohledně tzv. informačního paradoxu černých děr. Ilustrační snímek,zdroj: NASA

"Každá fyzikální teorie je provizorní a neúplná, ve smyslu, že se ve skutečnosti jedná o hypotézu: nikdy ji nemůžete plně dokázat. Bez ohledu na to, kolikrát výsledky experimentů souhlasí s nějakou teorií, nemůžete si být nikdy jisti, že někdy v budoucnosti nemohou být výsledky nějakých experimentů v rozporu s vaší teorií." (Stephen Hawking)

První díl miniseriálu o Stephenu Hawkingovi najdete zde: Einstein byl Kolumbus fyziky, Hawking od něj převzal štafetu

Několik let před zkoumáním vyzařování černých děr (asi kolem roku 1964) Stephen Hawking navázal spolupráci s dalším britským významným matematikem a teoretickým fyzikem Rogerem Penrosem. Penrose tehdy také zkoumal zmíněné singularity v nitrech černých děr, zejména z matematického hlediska.

Zatímco se však většina prací ještě v 60. letech zabývala velmi speciálními modely singularit za velmi omezených podmínek, Penrose se věnoval obecným vlastnostmi vzniku a existence singularit u černých děr. Hawking pak jeho metody aplikoval na vesmír jako celek.

Ukázalo se, že například singularita musí být na začátku jakéhokoliv einsteinovského rozpínání vesmíru, i kdyby neprobíhalo ve všech směrech stejně a i kdyby vesmír nebyl zaplněn hmotou rovnoměrně (viz Hawkingova doktorandská práce s názvem "Singularity a geometrie prostoročasu").

Singularita by zde měla pochopitelně odpovídat okamžiku tzv. Velkého třesku, ve kterém by měl vzniknout zárodek celého dnešního vesmíru. Neberme však teoreticky nekonečnou teplotu, tlak, intenzitu pole, hustotu hmotnosti nebo energie v singularitě příliš doslova. Ve skutečnosti nám přítomnost singularity v nějaké teorii ukazuje meze platnosti této teorie, tj. že se zde děje něco, co v rámci daného modelu (v tomto případě obecné teorie relativity bez prvků kvantové teorie) neumíme popsat.

Počátky vesmíru "bez hranice"

Nejen proto se Hawking v pozdějších letech společně s kolegou Jamesem Hartlem intenzivně věnoval naopak tomu, jak počáteční singularitu Velkého třesku s jejími nepříjemnými nekonečnými hodnotami energie, hustoty, teploty apod. z modelu odstranit. Tyto jeho pozdější závěry sice nejsou přijímány všemi teoretickými fyziky, nicméně se mu podařilo s využitím kvantových efektů problém singularity Velkého Třesku elegantně obejít.

Šlo zde ovšem o mnohem dokonalejší kvantový model, proto nemůžeme oba Hawkingovy výsledky (řešení obsahující singularitu a řešení bez singularity) brát jako vzájemně rozporné. O co šlo?

Hawking navrhl způsob, jak vytvořit na začátku rozpínání vesmíru hladký model jeho expanze bez nekonečné hustoty a teploty na "začátku" a také bez hranic, konkrétně bez jakékoliv hranice časoprostoru a bez počátku v čase.

Jak je to možné? Především tam, kde lze předpokládat Velký Třesk, žádný čas podle Hawkingova modelu ještě neexistoval. Čas byl nejdříve jen jednou z prostorových souřadnic a teprve později se od nich postupně odlišil a rozvinul. Časoprostorový diagram pak připomíná situaci na povrchu zeměkoule v okolí severního nebo jižního pólu a žádné nekonečno se zde nekoná.

Hawkingův výsledek je o to cennější, že vyžadoval aplikaci metod (odpovídajících dodnes neexistující teorii kvantové gravitace), které v té době ještě nebyly vyvinuty, a byl to právě Stephen Hawking a jeho spolupracovníci či následovníci, kdo je pomohli vynalézt.

Nemožnost cestování v čase

Hawking zůstal u "křížení" či mixování prvků kvantové teorie a “nekvantové” relativistické teorie gravitace i nadále. Tak například přišel s hypotézou tzv. chronologické ochrany, která ve vesmíru zakazuje cestování objektů časem do minulosti na větších než mikroskopických škálách.

Běžné nekvantové, tedy makroskopické objekty tedy cestovat časem do minulosti prakticky nemohou (je to vysoce nepravděpodobné), zatímco malé kvantové částice s jistou významnou pravděpodobností ano. Na stavu vesmíru se to však přímo nebo nějak příliš viditelně neprojeví.

Některá exotická řešení plynoucí z obecné teorie relativity totiž v principu za jistých speciálních podmínek umožňovala existenci tzv. uzavřených světočar, ať už šlo o rychle rotující oblasti časoprostoru nebo o červí díry. Pečlivá analýza však ukazuje, že kromě malých elementárních částic takto cestovat časem do minulosti nelze. Navíc jsou daná řešení vysoce nestabilní a přinášejí různé problémy.

V tomto směru však Hawking nebyl pouhým teoretikem, ale v rámci jistého druhu humoru si i "zaexperimentoval". Dokonce 28. června 2009 tajně na Cambridgeské univerzitě uspořádal tzv. Konferenci cestovatelů v čase, jejíž konání oznámil úmyslně až o den později a pozval na ni všechny (budoucí) cestovatele v čase.

Pokud by v jakékoliv budoucnosti existovali nějací cestovatelé časem, věděli by z médií, kdy a kam se mají do minulosti dostavit. Žádný cestovatel se však na Hawkingově konferenci neobjevil, z čehož lze podle něj usoudit, že je pravděpodobné, že cestování v čase směrem do minulosti nefunguje. 

Sázka o informační paradox černých děr 

V nerozhodnuté rovině ovšem dodnes zůstala Hawkingova slavná sázka ohledně tzv. informačního paradoxu černých děr. Základní otázka zněla, jestli informace, která spadne do černé díry, po pádu pod její horizont zmizí nebo jestli se zde naopak v nějaké formě zachová a v případě vypaření černé díry se někdy opět dostane z černé díry ven (a bude např. nějak rozptýleně zakódována ve vlastnostech vzniklého záření).

Dotyčnou sázku Hawking uzavřel spolu s Kipem Thornem proti dalšímu fyzikovi Johnu Preskillovi. Hawking s Thornem tvrdili, že informace se po pádu do černé díry nezachovává a mizí ze světa, zatímco Preskill tvrdil opak.

Sám Hawking ale později odvodil, že by se kvantová informace (na mikroúrovni kvantového stavu) uvnitř či v blízkosti horizontu událostí černé díry opravdu měla zachovávat a případně se opět dostat ven, přičemž využil Feynmanovy sumace přes všechny potenciálně možné kvantové historie systému.

Zdánlivý horizont událostí

V modelu byly využity kvantové vlastnosti černých a červích děr a dále zde zejména došlo k silné modifikaci konceptu horizontu událostí, který obklopuje černou díru. Místo toho zde Hawking zavedl pojem "zdánlivého horizontu", který brání hmotě z černé díry uniknout pouze dočasně. Ke ztrátě znovuobnovitelné informace ovšem efektivně dojde kvůli celkovému chaosu uvnitř černé díry či na jejím horizontu, podobně jako při chaotickém proudění nebo vývoji počasí.

V blízkosti horizontu černé díry by také mohly existovat unikátní kvantové informační signatury spojené s virtuálními částicemi ve vakuu, nazvané "měkké vlasy". Černá díra by se tak stala v podstatě něčím jiným, než za co byla dosud v čistě relativistické teorii gravitace považována.

Hawking v této oblasti vytvořil mnohé extrémně abstraktní práce, které se často nesetkaly s plným pochopením či souhlasem jeho kolegů, navíc neobsahovaly vždy jen zcela exaktní a do rovnic převoditelné teze. Někdy šlo jen o několikastránkový rámcový náčrt.

Konsensus v této otázce tedy zatím nenastal, existuje dokonce i řada alternativních vysvětlení toho, co se děje na hranici a uvnitř černých děr a tato vysvětlení se často možná navzájem vylučují (anebo možná ne, ani v tomto bodě nepanuje zatím mezi fyziky jednota).

Ohnivá stěna i hologramy

Jedním z alternativních řešení informačního paradoxu je představa tzv. firewallu, ohnivé stěny, která jistou část informací o objektech, které klesly pod horizont událostí, zničí, což je ale doprovázeno porušením základního principu obecné teorie relativity - principu ekvivalence (lokální rovnocennosti gravitačního pole a zrychlení způsobeného volným pádem). Další představy pracují s hologramy nebo klubky superstrun a jsou možná ještě "šílenější".

Je však možné, že řešení všech paradoxů kolem černých děr bude nakonec ještě daleko složitější, než předpokládá Hawking i ostatní fyzikové. Struktura černé díry je prostě velmi těžkým oříškem, se kterým se budou asi potýkat i další generace fyziků.

Obecně se v tomto případě dnes zdá, že existuje jakási dualita nebo komplementarita černých děr, která říká, že informace o objektech, vstupující dovnitř černé díry a mizící v ní, se zároveň nějak odzrcadlí či projeví na horizontu událostí. Nicméně z principu neexistuje žádný pozorovatel, který by mohl pozorovat oba dva děje najednou (ztrátu či naopak zachování informace), takže k porušení základního smyslu či k nějakému rozporu nedochází.

Poslední díl si budete moci přečíst příští pondělí.

Tagy: Vesmír věda a poznání černé díry teoretická fyzika

Zdroje: vlastní