MALÁ KOSMOLOGICKÁ HLÍDKA -- ČERNÉ DÍRY A INFORMAČNÍ PARADOX

Černé díry a informační paradox

Nová teorie S. Hawkinga k černým dírám ve vesmíru

Mimořádná osobnost světové vědy - britský teoretický fyzik Stephen W. Hawking přišel s novou teorií týkající se tématiky na které po velkou část doby své aktivní vědecké činnosti pracuje - vesmírných ≪ černých děr ≫. Má za to, že záhadné černé díry ve vesmíru ve skutečnosti nejsou tak černé. Podle jeho názoru informace, které se do nich dostanou, nemizí beze stopy, tak jako vesmírné objekty a různá fyzická tělesa.

O co v nové teorii jde

Známý vynikající astrofyzik Stephen Hawking, nehledě na svůj pokročilý věk (73 roků) a strašlivou těžkou chorobu - amyotrofickou laterální sklerózu, která ho připoutala do speciálního invalidního křesla-vozíku a zbavila možnosti normální řeči, stále pokračuje v aktivní vědecké činnosti, produkuje vědecké objevy a vyslovuje hypotézy, které se rozlétají do celého světa. V posledních dnech, při vystoupení na malém vědeckém shromáždění v Královském technologickém institutu (KTH) ve Stockholmu, vzbudil pozornost tématem procesů, které probíhají na hranicích černých děr, což je dlouhodobým předmětem jeho zájmu.

Královský technologický institut ve Stockholmu
(nejstarší a největší technická vysoká škola ve Švédsku (Foto Rachel Ho, 2014)

Jedním z hlavních problémů, které jsou před současnými teoretickými fyziky je tzv. informační paradox černé díry. Jeho podstatou je to, co se děje s informacemi o stavu hmoty padající do černé díry, zda se beze stopy ztratí nebo nikoli.

Podle obecné teorie relativity by se jakékoli informace o objektu padajícím do černé díry měly nenávratně ztratit poté, co dosáhl hranice tzv. horizontu událostí. Připomeňme, že horizont událostí je plocha v prostoročasu, která vymezuje oblast prostoru, z kterého (pro prakticky nepředstavitelnou sílu gravitace) nemůže ven nic uniknout, dokonce ani světelné záření s nejvyšší existující reálnou rychlostí šíření. Ilustrací k uvedenému jevu je tvrzení o tom, že dvě černé díry se stejnou hmotností bez náboje a spinu nelze nijak rozlišit. Jinak řečeno není důležité to, co dopadlo na hranici horizontu událostí - informace o objektu budou nenávratně ztraceny. Proto, jak se vědci žertovně vyjádřili, “černá díra nemá vlasy”. To znamená, že všechny černé díry se stejnou hmotností jsou ve skutečnosti stejné.

Výše uvedené je však v rozporu se zákony kvantové mechaniky v nichž platí to, že informace nikam nemizejí. Podle jejích principů musejí informace sídlit kdesi ve vesmíru, i když hmota se v černé díře ztratí.

S. Hawking při práci s kolegy z univerzit, profesorem Malcolmem J. Perrym z Cambridge a profesorem Andrewem E. Stromingerem z Harvardu došel k závěru, že kvantově-mechanické informace o hmotě v nitru černé díry nemizejí. Na výše zmíněném setkání 32 proslulých teoretických fyziků z různých zemí, S. Hawking oznámil, že tyto informace se na hranici černé díry, tj. v horizontu událostí, kódují do formy vhodné pro supertranslaci - jakéhosi dvourozměrného hologramu padajících částic.

Podle soudobých představ jsou černé díry formálně hypotetickými superhustými objekty jejichž gravitaci nemohou překonat ani fotony světla, které vznikají při kolapsu hvězd. S. Hawking prohlásil, že informace se neshromažďují uvnitř černé díry jak by se dalo očekávat, ale zůstávají na její hranici, tj. v horizontu událostí. Podle vědcova názoru mohou tedy informace o padajícím objektu přežít a zůstat uloženy  v horizontu událostí. Tyto informace se vyzařují jako kvantové fluktuace generované černou dírou, bohužel v chaotické, prakticky nevyužitelné formě.

Ve svém vystoupení S. Hawking vyslovil předpoklad o tom, kam se ve skutečnosti může dostat hmota, která se propadne do černé díry, totiž jinam do paralelních vesmírů. Jestli velká černá díra rotuje, může v ní být průchod do jiných vesmírů. Nemůže se však již vrátit zpět do našeho vesmíru. K tomu vědec zažertoval, že sní o vesmírném letu, ale to co říká by rozhodně neověřoval, navíc dodal, že pocítíte-li pád do černé díry, nemáte zoufat, východ tam je.

V roce 1975 vypracoval S. Hawking teorii, podle které se mohou černé díry “vypařovat” na základě stálého vznikání elementárních částic, převážně fotonů u jejich hranic. Nejdřív vědec měl za to, že vznikající záření nenese žádné informace z vnitřku černé díry, avšak v roce 2004 takovou možnost připustil. Jeho nová hypotéza říká, že Hawkingovo záření může obsahovat část informací uložených u horizontu událostí a vytrhávat se z okolí černé díry, informace ovšem budou v neužitečném chaotickém tvaru.

Hlavní myšlenkou vystoupení S. Hawkinga, jehož předmět mají spolupracující vědci komplexně zpracovat a vydat, je to, že černé díry nejsou zase tak černé jak se malují, a nejsou to ani věčná vězení, jak by si někdo mohl myslet. Hmota se, podle něho, z nich může vytrhnout jak za jejich hranice, tak i do jiných vesmírů.

Důkladnější pohled na problematiku informací ve vztahu k černým dírám

Všeobecný pohled na chování černé díry a probíhající procesy

Samotný název ‘černá díra’ vyvolává v člověku negativní pocity. V běžném vědomí většiny lidí je vlastně hypotetická černá díra spojována s něčím strašným, ničivým a zhoubným. Málo kdo si však umí představit to, čím vlastně jsou černé díry tak strašné a jaký je princip jejich chování.

Černé díry jsou oblasti prostoru a času vytvořené následkem zakřivení prostoročasu vlivem vysoké koncentrace energie a hmoty. Tak to zdůvodňuje Einsteinova teorie relativity. Černé díry mají tak silnou přitažlivost, že odolat jí není možné (jak jsme výše uvedli, ani světelným paprskům šířícím se nejvyšší možnou mezní rychlostí). V praktické vědě se pod černými dírami chápou umírající hvězdy v posledním stádiu kolapsu, jelikož jejich vlastnosti jsou prakticky stejné, jako je tomu u ”opravdových” černých děr.

Grafické znázornění horizontu událostí černé díry

V současné době lidstvo nedisponuje technickými a technologickými možnostmi provádění experimentů s přímým pozorováním bezprostředního působení černých děr na objekty, které se dostanou do zóny jejich gravitace. Proto jsou obecné představy o tomto procesu také odvozeny od teorie relativity.

Objekt, který se přibližuje k černé díře se od určitého okamžiku (když se dostane do oblasti její gravitace) prudce zrychlí a začne se pohybovat k hranici - horizontu událostí. Vzhledem k nezávislému pozorovateli objektu se však při přibližování k horizontu událostí začne prostor a čas podstatně deformovat a objekt zpomalí svůj pohyb téměř až do zastavení. Když objekt projde horizontem událostí (jinak též bodem nenávratu) nebude již schopen odolávat a ztratí se s ním jakékoli spojení (nebude moci přijímat ani vysílat jakékoli signály). Pro vnější reálný svět (ve vztahu k černé díře) objekt zmizí. O tom, co se děje s objektem uvnitř černé díry, nelze nic soudit, ani prakticky, ani teoreticky. Někdy se uvádí, že např. z těla člověka by se po pádu do černé díry roztahováním stala dlouhá “nudle” a jeho hmota by se atom po atomu ukládala do bodu singularity, to ovšem nelze ničím doložit.

Otázka života a smrti informací

Vědce celkově vzato nezajímá to, co by se stalo s člověkem po pádu do černé díry, v dohledné budoucnosti není něco takového vůbec možné a ani rozvoji teoretického poznání to nic nepřinese. Z tohoto hlediska je mnohem důležitější problém zmizení nebo zachování informací, které se dostanou do černé díry. Je tomu tak proto, že při řešení daného problému vznikly rozpory v kvantové mechanice a zatím nepřekonatelné překážky jejich řešení.

Podstata problému

Podle obecné teorie relativity (OTR) musejí černé díry existovat. Přímo je nikdo neviděl a soudí se tak pouze podle nepřímých příznaků. Ve vesmíru je vůbec mnoho různých jevů, které nelze přímo pozorovat.

Černá díra se projevuje pouze jednou svojí vlastností, a to intenzitou gravitačního pole závisející na hmotnosti hvězdy, která zkolabovala a stala se černou dírou. K tomu poznamenejme, že černá díra může mít elektrický náboj a moment hybnosti, pokud je měla původní hvězda.

Podle zákonů kvantové mechaniky může být v našem světě všechno rozloženo formou informací, např. ve formě řádku z jedniček a nul. Tyto informace se uchovávají věčně, dokonce i tehdy budou-li vtaženy do černé díry. Teorie relativity však tvrdí jiné - informace tam musejí být zničeny. A tento problém je právě informačním paradoxem.

Profesor Stephen Hawking pracoval na informačním paradoxu s výše uvedenými vědci M. J. Perrym z Cambridge a A. Stromingerem z Harvardu. Podle nich se informace na horizontu událostí mění na 2D-hologram (tzv. supertranslaci). Idea je v tom, že supertranslace je hologram částic vcházejících do černé díry, kde se uchovávají všechny informace. Tak dochází k tomu, že idea o černých dírách je trochu jiná, než se předpokládá v Einsteinově teorii. Nemají takovou vnitřní oblast, když se objekty mohou udržet na horizontě událostí. Vědecký konsenzus však v této otázce neexistuje.

Jakými výpočty je doložena idea S. Hawkinga a jeho kolegů není zatím jasné.Stať s výsledky prací se teprve má publikovat.

Částice světla - fotony - mohou opouštět černou díru v důsledku kvantových fluktuací. Tato koncepce je známa jako “Hawkingovo záření”. Touto cestou tak mohou informace uniknout z černé díry. Jak autor ideje vysvětluje, budou však nestrukturované, fragmentované, a proto pro praktické cíle bezcenné. Kdyby se informace nestaly chaotickými, mohl by vnější pozorovatel rekonstruovat obraz všeho, co spadlo do černé díry, i když by k tomu byl nutný nepředstavitelně dlouhý čas.

Zdrženlivé postoje a skeptické ohlasy

Světem fyziky prošel zprávou o napohled skvělém Hawkingově řešení informačního paradoxu černých děr, dokonce včetně objevení cesty úniku z černé díry, značný rozruch, avšak poněkud předčasný.

Teoretický fyzik S. Hawking poprvé odhalil zapeklitý problém v 70. létech, když předpověděl, že z černé díry, jako gravitační jámy, ve skutečnosti uniká světlo, nazvané Hawkingova radiace. V průběhu času může teoreticky černá díra vyzářit tak mnoho radiace, že se zcela vypaří. Takový výsledek však představuje problém, jelikož to vypadá tak, že by černé díry vypařováním ničily informace. To je podle teorie kvantové mechaniky předem jasně vyloučené.

Černé díry, jako cokoli jiného, musejí zachovávat kvantově mechanické postupy jejich vytvoření. K tomu může dojít například smrtí velké hvězdy, která spotřebuje palivo pro jadernou fúzi a svou vlastní přitažlivostí zkolabuje. Jak již bylo naznačeno výše, černá díra musí uchovat informace o tom, jak se z hvězdy zrodila jakož i o věcech, které do ní od té doby spadly. Jestli se černá díra někdy vypaří, tak to vypadá tak, že informace budou zničeny.

Fyzici se pokusili najít způsob, jak se informace vyhnou zániku v černé díře únikem cestou Hawkingova záření. Problém tohoto scénáře je v tom, že černé díry, podle všeho nemají žádnou možnost změnit informace do formy tohoto záření. Ve skutečnosti jsou černé díry podle obecné teorie relativity velmi jednoduché objekty, které nejprve předpovědí jejich existenci. Víme, že mají pouze tři vlastnosti: hmotnost, náboj a moment hybnosti. Nemají žádné charakteristiky dalších podrobností, podle hantýrky fyziků “žádné vlasy”.

Jen větší zmatek?

Mnozí fyzici mají za to, že je příliš brzy na posouzení toho, zda je Hawkingova idea reálným krokem kupředu. Může to být ještě hodně daleko od úplného řešení informačního paradoxu. U ideje supertranslací pro kódování informací je nyní ještě poněkud nejasné jak to probíhá a s jakou efektivností se to děje. Rovněž mechanizmus, kterým by se měly ukládat informace, by ve skutečnosti umožňoval střádat příliš mnoho informací (např. fyzička Sabine Hossenfelder z Nordického institutu ve Stockholmu).

A supertranslace jsou jen sotva řešením na stole. V posledních letech fyzici přišli s řadou idejí pro řešení (nebo další zkomplikování) paradoxu ztráty informací. Fyzik Ulf Danielsson ze švédské univerzity v Uppsale vyslovuje názor o tom, že říká-li Hawking, že vyřešil informační paradox, pro Danielssona to znamená, že je zde další přicházející přídavek a otázkou je, zda to skutečně něco řeší, anebo nás to zanechává v ještě větším stavu zmatku. Není si tím jist.

Záhady se zvětšují

Ať to dopadne s Hawkingovým scénářem jakkoli, paradox zůstane ve fyzice “horkým bramborem”. Otázkou nejsou jen tajemné faktory o černých dírách. Ta je hluboce provázaná s většími záhadami o podstatě a původu vesmíru. A pro zodpovězení otázky budou vědci potřebovat nejen lepší porozumění černým dírám, ale úplnou teorii kvantové gravitace, teorii, která dosud chybí.

Černé díry jsou zapeklité a místy matoucí objekty, částečně proto, že se odvolávají na odlišné teorie, které jsou podstatou - kvantovou mechaniku, která pokrývá subatomický svět a obecnou teorii relativity, která popisuje gravitaci a rozprostírá se do velkých kosmických měřítek. Dosud jsou tyto dvě teorie od základu neslučitelné. Co fyzici opravdu potřebují, je způsob jak popsat gravitaci podle pravidel kvantové mechaniky. Odvolávání se na kvantovou mechaniku a relativitu může dát paradoxu ztráty informací šanci na to, zaměřit se na to, co víme a na to, co nevíme a pokusit se přijít na to, jaké závěry bude možné učinit z odlišných hypotéz o kvantové gravitaci, prohlásil fyzik Lee Smolin z Perimeter Institute pro teoretickou fyziku v Ontariu.

L. Smolin a S. Hossenfelder v poslední době spolupracují na přehledové stati, která sumarizuje všechna různá možná řešení pro “skládanku” ztráty informací a docházejí k závěru, že se převážně dělí do šesti kategorií, z nichž každá má určitý přístup k řešení zřejmého paradoxu. Pro stručnost textu je zde nebudeme všechny probírat.

Ať již řešení dopadne jakkoli, může ovlivnit nejen problematiku černých děr, ale teoreticky také související událost - velký třesk. Malý, hustý stav černých děr je velmi podobný předpokládané situaci našeho vesmíru v době jeho zrodu. Je možné uplatnit mnoho stejných fyzikálních úvah. V obou případech matematici v současné době předpovídají “singularitu”, prostoro-časový bod, který je nekonečně hustý a nekonečně malý. Někteří fyzici mají za to, že tyto nekonečnosti jsou důkazem nesprávnosti rovnic, jiní tvrdí, že singularita je fyzikální realitou. Jestli řešení paradoxu ztráty informací přijde od kvantové teorie gravitace a vyloučí singularitu, mohlo by to přinést odlišný pohled na počátek našeho vesmíru. Podle L. Smolina jsme stále ještě u prvního okamžiku času. A táže se, zda by mohla být singularita vyloučena a zda bychom se na základě toho mohli vrátit zpět do éry vesmíru před velkým třeskem.

Z toho je vidět, kam až mohou současné úvahy vést.

S využitím statí Gautama Naika “Stephen Hawking Offers New Theory on How Information Might Escape Black Holes“, The Wall Street Journal, Aug. 25, 2015, C. Moskowitzové “Stephen Hawking Hasn’t Solved the Black Hole Paradox Just Yet”, Scientific American, Aug.27, 2015, statě “Stiven Hawking: černé díry ukládají informace” z portálu Vědecké Rusko, 28. srpna 2015 a dalších pramenů.