Prostředí černých děr je neznámý svět, protože dovnitř se nemůžeme podívat a sdělit světu, co tam je. Černá díra má tak silnou gravitaci, že z ní neunikne žádný objekt, světlo, ba ani informace.

Vědci se přesto pokoušejí zjistit, co se v nitru těchto objektů skrývá.

Co když žijeme v hologramu?

Nová studie černých děr v časopise PRX Quantum připouští možnost, že vesmír i samotné černé díry mohou být hologramem. Vychází z holografického principu, podle něhož veškeré informace obsažené v objemu vesmíru mohou být uloženy na dvourozměrné ploše, která se však lidem jeví jako trojrozměrný prostor.

Holografický princip se snaží spojit částicovou fyziku a gravitační fyziku –první popisuje chování nejmenších a druhá největších uskupení hmoty. Ačkoli víme, že obě teorie samy o sobě platí (bez částicové fyziky by nefungovala elektronika, bez gravitace by nelétaly satelity), snahy o sjednocení obou stran fyziky jsou dosud neúspěšné.

Holografická hypotéza teorii gravitace i teorii částic matematicky propojuje. Pokud by náš vesmír byl dvourozměrný a třetí rozměr byl jen projekcí nebo iluzí, byla by platná. Ale na to zatím nemáme důkazy.

Mnozí vědci nicméně nevzdávají snahu tyto důkazy najít. Tým fyzika Enrika Rinaldiho k tomu využívá strojového učení a kvantových počítačů, které díky zákonitostem kvantové fyziky dokážou některé druhy operací provádět rychleji než počítače klasické. Svůj výzkum experti popisují v časopise PRX Quantum.

Jako zrnka písku

„V Einsteinově obecné teorii relativity neexistují žádné částice – je tu jen časoprostor. A ve standardním modelu částicové fyziky není gravitace, jsou tam jen částice. Propojení těchto dvou různých teorií je ve fyzice dlouhodobým problémem – něco, o co se lidé snaží už od minulého století,“ cituje magazín Phys Rinaldiho, vědeckého pracovníka katedry fyziky na Michiganské univerzitě.

Kdyby platila holografická hypotéza, částice a gravitace by si byly rovny. Pak bychom mohli sestavit rovnici a z ní odhadnout, jak částice mimo černé díry ovlivňují prostředí v jejím nitru.

Vědci vyvinuli zjednodušenou simulaci, v níž bloky na mřížce obrázku pod tímto odstavcem představují nejmenší objekty v teorii superstrun, jedné z hypotéz snažících se spojit částice a gravitaci. Tato teorie předpokládá, že základními stavebními kameny přírody nejsou částice s nulovými rozměry, ale jednorozměrné struny

Strojové učení s kvantovými počítači se snaží najít takovou sestavu částic v simulovaném prostoru, která vytváří nejnižší energetický stav sytému – okamžik, kdy simulovaná mřížka s objekty může zůstat v klidu, alespoň pokud ji něco nenaruší zvenku. Tento základní stav si lze představit jako zrnka písku – vyrovnaný písek představuje základ, ale pokud se na písku objeví vlny, je to změna tohoto základu, po němž se systém snaží znovu se dostat do ploché podoby.

Simulace černé díry pomocí maticového kvantového modelu. | zdroj: Kredit-Enrico Rinaldi/U-M/RIKEN a A. Silvestri

„Tyto mřížky jsou jednou z možných prezentací pro speciální typ černé díry. Pokud víme, jak jsou mřížky uspořádány a jaké jsou jejich vlastnosti, můžeme zjistit, jak černá díra vypadá uvnitř a co se nachází na horizontu událostí černé díry, ze které neuniknete“ upozorňuje Rinaldi.

Jednou budeme dál

Odpověď na to, jak nitro černé díry vypadá, studie ještě nenašla. Ukázala ale, že kvantové počítače by nám to v budoucnu (alespoň pro holografickou hypotézu) mohly prozradit.

Autoři studie také prokázali, že současné kvantové algoritmy používané pro řešení chemických problémů mohou být využity i pro řešení kvantových problémů.

„Naše výsledky pokládají základy pro příští výzkumy,“ píše se v závěru studie.