Neviditelný čert

V tomto příspěvku do Populárně naučného koutku budou hlavními aktéry černé a červí díry. Černé díry jsou astrofyziky považovány za hotovou věc. Vesmír se jimi prý hemží a ty největší sídlí v jádrech galaxií jako vysavače hmoty. Červí díra je zatím jen hypotetický objekt, který umožňuje utvořit „zkratku“ přes prostor a čas. Hlavním tématem tohoto příspěvku je informační paradox černé díry, který vznikl na základě teorie Stephena Hawkinga, že černé díry se mohou vypařovat. Až tak, že černá díra může zaniknout. Problém je v tom, že Hawkingova teorie umožňuje vypařování částic, ale ne únik informace. Když se černá díra vypaří, kam se ty informace podějí? A tady přicházejí na řadu červí díry, s jejichž pomocí by se ten paradox dal vyřešit. Následující text představuje poupravené výňatky z článku A spiderweb of wormholes could solve a fundamental paradox first proposed by Stephen Hawking na Live Science.

Lucifer

V 70. letech 20. století Hawking zjistil, že černé díry nejsou tak docela černé, ale zpočátku si neuvědomoval, jaký obrovský problém tím vytvořil. Před jeho objevem se fyzikové domnívali, že černé díry jsou nesmírně jednoduché. Jistě, padaly do nich nejrůznější komplikované věci, ale černé díry všechny tyto informace uzamkly, aby je už nikdy nikdo neviděl.

Hawking však zjistil, že černé díry uvolňují záření a nakonec se mohou zcela vypařit v procesu, který je dnes známý jako Hawkingovo záření Toto záření však samo o sobě nenese žádnou informaci. Vlastně ani nemohlo; horizont událostí černé díry podle definice brání tomu, aby informace opustila prostor. Když se tedy černá díra nakonec vypaří a zmizí z vesmíru, kam se poděly všechny její uzamčené informace?

To je informační paradox černé díry. Jednou z možností je, že informace může být zničena, což se zdá být v rozporu se vším, co víme o fyzice. (Například pokud se informace může ztratit, pak nelze rekonstruovat minulost ze současných událostí nebo předvídat budoucí události.) Místo toho se většina fyziků snaží paradox vyřešit tím, že najde nějaký způsob – jakýkoli –, jakým by informace uvnitř černé díry unikla ven prostřednictvím Hawkingova záření. Tímto způsobem, až černá díra zmizí, bude informace ve vesmíru stále přítomna.

Fyzikové se domnívají, že takový způsob našli. Říkají tomu Pavučina červích děr. Červí díra je něco jako průchod časoprostorem. Spojuje vnitřek černé díry se zářením vně, jako most. Uvnitř horizontu událostí černé díry, hranice, za kterou nemůže nic uniknout, se objeví druhý povrch. Vlákna z červí díry spojují tento povrch s vnějším světem a propojují informace mezi vnitřkem černé díry a úniky záření na jejích okrajích. Obecná teorie relativity a kvantová mechanika jsou v současné podobě ve vzájemném rozporu. Je třeba najít jednotný rámec v podobě kvantové gravitace.

V roce 1992 se fyzik Don Page, bývalý Hawkingův postgraduální student, podíval na problém informačního paradoxu jiným způsobem. Začal tím, že se zabýval kvantovým provázáním, což je situace, kdy jsou osudy vzdálených částic propojeny. Toto provázání funguje jako kvantově mechanické spojení mezi Hawkingovým zářením a samotnou černou dírou. Page změřil množství provázanosti výpočtem "entanglementové entropie", což je míra množství informace obsažené v provázaném Hawkingově záření.

V původním Hawkingově výpočtu žádná informace neunikne a entanglementová entropie se vždy zvyšuje, dokud černá díra nakonec nezmizí. Page však zjistil, že pokud černé díry skutečně uvolňují informace, entanglementová entropie zpočátku roste; pak v polovině života černé díry klesá a nakonec dosáhne nuly, když se černá díra vypaří (což znamená, že všechny informace uvnitř černé díry nakonec unikly).

Pokud jsou Pageovy výpočty správné, naznačuje to, že pokud černé díry skutečně umožňují únik informací, pak se kolem poloviny jejich života musí stát něco zvláštního. Pageova práce sice informační paradox nevyřešila, ale dala fyzikům něco pikantního k práci. Pokud by se jim podařilo způsobit černým dírám krizi středního věku, pak by toto řešení mohlo paradox vyřešit.

V nedávné době několik týmů teoretiků použilo matematické techniky převzaté z teorie superstrun ke zkoumání tohoto problému. Zkoumali, jak může být časoprostor v blízkosti horizontu událostí složitější, než se vědci původně domnívali. Jak složitý? Tak složitý, jak jen to je možné, aby umožňoval jakékoliv zakřivení a ohyb v mikroskopickém měřítku.

Jejich práce vedla ke dvěma překvapivým poznatkům. Jedním z nich byl výskyt „kvantového extrémního povrchu“ těsně pod horizontem událostí. Tento vnitřní povrch zmírňuje množství informací opouštějících černou díru. Zpočátku toho moc nedělá. Ale když je černá díra v polovině svého života, začne dominovat nad entanglementem a snižovat množství uvolňované informace), takže entanglementová entropie se řídí Pageovými předpověďmi. Za druhé, výpočty odhalily přítomnost červích děr. Zdálo se, že tyto červí díry spojují kvantový extrémní povrch s vnější stranou černé díry, což umožňuje informaci obejít horizont událostí a uvolnit se jako Hawkingovo záření.

Stále však zůstává mnoho otázek. Například zatím není jasné, zda červí díry, které se objevují v matematice, jsou tytéž červí díry, které považujeme za zkratky v čase a prostoru. Jsou tak hluboko pohřbeny v matematice, že je obtížné určit jejich fyzikální význam. Na jedné straně by to mohlo znamenat, že se do vypařující se černé díry vlévají a vylézají doslova červí díry. Nebo by to mohlo být jen znamení, že časoprostor v blízkosti černé díry je nelokální, což je charakteristický znak provázanosti – dvě provázané částice nemusí být v kauzálním kontaktu, aby se navzájem ovlivňovaly.

Jedním z dalších zásadních problémů je, že fyzikové sice identifikovali možný mechanismus, který by paradox zmírnil, ale nevědí, jak vlastně funguje. Není znám žádný proces, který by skutečně vykonával práci spočívající v tom, že by vzal informaci, která je uvnitř černé díry, a zakódoval ji do Hawkingova záření. Jinými slovy, fyzikové postavili možnou cestu k vyřešení informačního paradoxu, ale nenašli žádný způsob, jak postavit nákladní auta, která po této cestě pojedou.

22.03.2022, 00:00:00   Publikoval Luciferkomentářů: 0