Článek
Když se podíváme na noční oblohu, vidíme hvězdy, galaxie a nekonečný prostor. To nejzajímavější divadlo se ale odehrává tam, kam vůbec nedohlédneme. Černé díry byly dlouho považovány jen za matematickou kuriozitu, bizarní výstřelek z rovnic Alberta Einsteina. Jde o propasti tak hluboké a s tak obrovskou gravitací, že z nich neunikne vůbec nic. Ani samotné světlo.
Jenže v roce 1974 přišel mladý, brilantní fyzik Stephen Hawking s výpočtem, který celou vědeckou komunitou otřásl. Dokázal totiž něco naprosto nemyslitelného: černé díry nejsou úplně černé.
Hawkingova proslulá rovnice, kterou publikoval v prestižním časopise Nature, ukázala, že tyto vesmírné vysavače pomalu vyzařují energii, slábnou a nakonec po bilionech let s obrovskou explozí úplně zmizí. Zní to jako úžasný objev, že? Ve skutečnosti ale tato elegantní rovnice vytvořila ten největší a nejděsivější paradox v historii moderní vědy. Problém, nad kterým si dodnes ty nejchytřejší mozky planety zoufale lámou hlavu.
Dokonalá past, která se pomalu vypařuje
Abychom pochopili, proč z toho mají fyzici noční můry, musíme se podívat na samotný okraj černé díry – na místo zvané horizont událostí. To je pomyslná hranice, bod bez návratu. Jakmile tuto hranici překročíte, už není cesty zpět. Obecná teorie relativity jasně říká, že gravitace uvnitř černé díry roste do nekonečna a drtí hmotu do jediného bodu (singularity).
Hawking se ale na horizont událostí podíval optikou kvantové mechaniky. A všiml si fascinujícího detailu.
Vesmírné vakuum totiž není prázdné. Podle kvantových zákonů v něm neustále vznikají a zase okamžitě zanikají páry takzvaných virtuálních částic a antičástic. Lze to přirovnat k neustálému mikroskopickému varu. Co se ale stane, když tento pár vznikne přesně na hraně horizontu událostí? Jednu částici to vcucne dovnitř, zatímco ta druhá stihne uniknout do vesmíru.
- Částice, která unikne: Stává se z ní reálné záření, dnes známé jako Hawkingovo záření.
- Částice, která spadne dovnitř: Podle pravidel kvantové matematiky má zápornou energii, takže černé díře v podstatě „ukradne“ kousek její hmotnosti.
Důsledek? Černá díra pomalu krvácí. Vypařuje se. A jak potvrzují i moderní modely NASA, jednoho dne zmizí úplně. A právě tady začíná náš příběh o kolapsu fyziky.
Informační paradox a destrukce reality
Představte si, že napíšete svůj životopis do deníku a ten pak hodíte do ohně. Kniha shoří na popel a dým. Z praktického hlediska je vaše informace ztracena. Jenže z pohledu fundamentální fyziky ztracena není! Kdybyste měli k dispozici božský superpočítač a dokázali sledovat pohyb každičké molekuly kouře a každého zrnka popela, dokázali byste deník zrekonstruovat a znovu si ho přečíst.
Kvantová mechanika totiž stojí na jednom naprosto nezlomném pravidle: informaci nelze ve vesmíru nikdy zcela zničit. Minulost musí být vždy matematicky odvoditelná z přítomnosti.
A teď ten problém. Co když ten samý deník hodíte do černé díry? Deník spadne dovnitř. Černá díra se ale podle Hawkinga začne vypařovat. Vyzařuje do vesmíru jen chaotický „šum“ (tepelné záření), který nenese žádnou srozumitelnou informaci. Toto záření neobsahuje žádnou stopu o tom, co do díry spadlo. A když se černá díra vypaří úplně… kam se ta informace o vašem deníku poděla?
Byla vymazána z existence.
Tento konflikt, známý jako informační paradox černých děr, připomíná srážku dvou rozjetých vlaků. Obecná teorie relativity nám říká, že díra informace sežere a zmizí. Kvantová mechanika nám zase tvrdí, že informace zmizet nesmí, jinak se rozpadne celá logika naší reality. Kdo má tedy pravdu?
Pokud informace skutečně zaniká v černých dírách, pak nemůžeme předpovídat budoucnost a neznáme ani svou minulost. Ztrácíme samotný kauzální základ reality.
Žijeme uvnitř obrovského hologramu?
Vědci dlouho netušili, jak tuto propast mezi Einsteinem a kvantovým světem překlenout. Teprve v posledních letech začínáme nacházet rozuzlení. A pointa je podivnější než jakékoliv sci-fi.
Fyzikové Leonard Susskind a Gerard 't Hooft přišli s teorií, která nakonec informační paradox řeší doslova dechberoucím způsobem. Uvědomili si, že informace o všem, co do černé díry spadne, ve skutečnosti možná nikdy nespadne přímo do jejího středu (do singularity). Místo toho se „obtiskne“ na její povrch – na horizont událostí.
Zkuste si horizont událostí představit jako hladinu rybníka. Když do něj hodíte kámen (informaci), kámen sice zmizí pod hladinou, ale na hladině zůstanou vlnky, které nikoho nenechají na pochybách, že tam něco spadlo. Informace se zachová v podobě dvoudimenzionálního kódu na okraji černé díry. Když se pak černá díra vypařuje, unikající Hawkingovo záření s sebou tyto „vlnky“ vezme zpět do vesmíru. Informace je zachráněna! A co víc, nedávné sofistikované matematické modely s takzvanými replikovými červími děrami tento předpoklad konečně potvrzují.
Závratný důsledek pro náš vesmír
Záchrana informací ale přinesla mnohem šílenější vedlejší efekt. Byla definována takzvaným holografickým principem.
- Objem versus povrch: Veškeré trojrozměrné dění uvnitř černé díry lze plně matematicky popsat pouze dvoudimenzionálními informacemi na jejím povrchu.
- Celý vesmír: Co když ale to samé platí pro celý náš vesmír?
Pokud lze obsah 3D černé díry popsat informacemi na její 2D hranici, mnoho předních teoretických fyziků se dnes domnívá, že náš zdánlivě trojrozměrný svět může být jen holografickou projekcí procesů, které se odehrávají na vzdálené, dvoudimenzionální hranici našeho vesmíru. Zcela stejně, jako když hologram na vaší platební kartě obsahuje 3D obraz na rovné 2D ploše.
Stephen Hawking nás svou jednoduchou rovnicí o záření černých děr přivedl na pokraj propasti. Přinutil vědce pochybovat o tom, zda vesmír neskrývá ještě hlubší, fundamentálnější vrstvu reality. Nakonec se tak ukazuje, že hmota možná není ničím jiným než informací. A náš svět plný hvězd, planet a lidí možná vůbec nefunguje jako hluboký bazén, ale spíše jako neuvěřitelně složitá plátěná obrazovka.
P.S.
Díky, že jste se mnou dnes nahlédli do vypařujících se hlubin černých děr. Pokud vám dnešní text pomohl pochopit, proč se Stephen Hawking nebál zpochybnit i ty největší jistoty, budu moc vděčný za drobnou podporu v ceně jedné kávy. Pomůže mi to pro vás i nadále odkrývat tyto neuvěřitelné trhliny v naší realitě. Děkuji vám!
