Vědci tvrdí, že našli svatý grál fyziky

„Problém je vyřešen,“ řekl BBC Xavier Calmet z britské University of Sussex, hlavní autor nedávno publikované studie, v níž s kolegy představil teorii „vlasatých“ černých děr.

Pokud by měl pravdu, šlo by o obrovský průlom. Informační paradox černých děr je totiž pro některé vědce tou vůbec největší nevyřešenou otázkou celé teoretické fyziky, protože poukazuje na nekompatibilitu dvou základních pilířů oboru, kterými je Einsteinova teorie gravitace (chcete-li teorie relativity) a kvantová fyzika (chcete-li mechanika).

„Jak jde Einsteinova teorie gravitace dohromady s kvantovou mechanikou, je určitě jednou z hlavních otevřených otázek teoretické fyziky, je to takový svatý grál,“ řekl Seznam Zprávám odborník na kvantovou gravitaci Joris Raeymaekers z Fyzikálního ústavu AV ČR.

Jak už to ale většinou bývá, záležitost vyřešení tak velkého problému není vůbec jednoznačná. Řada odborníků je ke studii skeptická, Raeymaekers ji shledal „zajímavou a důležitou“, zároveň si ale myslí, že jde možná spíš o první krok k zodpovězení otázky, a nikoliv o rozluštění problému.

Pokud člověk nemá vzdělání v teoretické fyzice, s největší pravděpodobností neví, co si o této novince myslet. Naštěstí ale základní popis podstaty informačního paradoxu ani řešení navrhované studií není příliš složité.

Černé díry jsou konečným produktem kolapsu hvězd a jsou tak hmotné, že jejich gravitační pole pohlcuje úplně všechno v okolí včetně světla. Jejich existenci matematicky předpověděl právě Albert Einstein, podle kterého z nich nemůže uniknout vůbec nic včetně informace.

Podle kvantové fyziky ale žádná informace nemůže jednoduše zmizet a vždy zůstává zachována v jiné formě.

Toto pravidlo není zrovna snadno představitelné a Raeymaekers ho proto přiblížil následujícím příkladem: „Když hodíte knihu do ohně, v principu byste podle pravidel fyziky za předpokladu, že posbíráte úplně všechny její částečky kouře a poskládáte je zpět, měl být schopný tu knihu přečíst,“ řekl fyzik. Další často diskutovaný aspekt tohoto pravidla je například to, že kvantová fyzika v zásadě počítá i s posmrtným životem, protože potom, co člověk umře a zbyde z něj jen prach, informace o jeho osobě by někde měla být.

Původně se skloubení teorie relativity a kvantové fyziky řešilo celkem jednoduchým předpokladem, že informace prostě zůstává někde v černé díře. Bylo to tedy v souladu s teorií relativity, podle níž z černých děr nic nevychází, i s kvantovou fyzikou, podle které informace nezaniká.

V 70. letech však přišel slavný fyzik Stephen Hawking a toto bezproblémové soužití dvou konceptů rozbil.

„Hawking popsal, že černé díry produkují záření a velmi pomalu skrze něj uvolňují hmotu. Když takový proces trvá dost dlouho, černá díra bude menší a menší, až se úplně změní na záření. Paradox ale spočívá v tom, že toto záření v sobě nemá téměř žádnou informaci,“ vysvětlil Raeymaekers. „I kdybychom ho změřili, nemohli bychom z toho zjistit, co všechno černá díra spolkla,“ dodal.

Tak tedy vznikl pojem Hawkingovo záření a s ním i informační paradox černých děr, jehož podstata spočívá v tom, že se černá díra může úplně vypařit ve formě záření, které má téměř nulovou informaci.

V následujících letech se objevovala řada teorií a pokusů o vysvětlení problému. Žádná zatím ale nebyla většinově přijata a většina z nich se neobešla bez rozvrácení jednoho z výše zmiňovaných pilířů moderní fyziky, tedy Einstenovy teorie gravitace a kvantové mechaniky.

„Obecně se předpokládalo, že k vyřešení tohoto paradoxu bude zapotřebí velkou změnu paradigmatu, tedy nutnost reformulace kvantové mechaniky nebo obecné relativity. My jsme ale zjistili, a to je podle mě mimořádně vzrušující, že to není nutné,“ řekl k tomu podle Guardianu autor nové studie Xavier Calmet.

Teorie se podle Raeymaekerse přímo netýká Hawkingova záření, ale napadá „no hair teorém“, tedy volně přeloženo teorii o bezvlasých černých dírách. Jejím hlavním sdělením je, že černé díry dávají informaci pouze o své hmotnosti, momentu hybnosti, elektrickém náboji a o ničem dalším, takže se ani nedají jedna od druhé rozlišit.

Podle autorů nové studie ale černé díry vlasy mají. „Studie přináší explicitní výpočet, který říká, že když vezmete v potaz kvantovou mechaniku, černé díry mají další vlastnost, která se dá měřit a podle které se černé díry dají rozlišit,“ řekl Raeymaekers s tím, že tou vlastností jsou právě takzvané vlasy. Jinými slovy se těmito vlasy myslí „slabý otisk v gravitačním poli“ černých děr.

Druhým dechem Calmet a jeho tým dodávají, že rozdíly v gravitačním poli různých černých děr (tedy jejich vlasy) jsou tak malé, že v tuto chvíli neexistuje způsob, jak je pozorovat přímo ve vesmíru a ověřit správnost teorie.

To však podle Raeymaekerse není hlavním důvodem ke skepsi.

„Studie je poměrně přesvědčivá v tom, že existuje vlas, ale neukazuje, že je to způsob, jakým jde z černé díry informace,“ řekl vědec a dodal, že to je uváděno spíš jako hypotetická možnost či přání autorů, kteří to ničím nedokázali dál podložit.

Ve skutečnosti se podle něj ve studii ani přímo nepíše, že autoři našli řešení problému, ale spíš něco jako: „toto by v principu mohlo být ono“.

„To, co říkají v médiích, se tedy liší od toho, co píší ve studii. Pokud chcete tvrdit, že jste vyřešili Hawkingův informační paradox, musíte opravdu ukázat, že ta informace skutečně z černé díry vychází a je uložená ve vlasu,“ dodal.

Nová teorie se tak podle Raeymaekerse staví do řady vedle mnoha dalších. Dá se předpokládat, že Calmetův tým bude ve výpočtech, které mimochodem dosud trvaly asi 10 let, pokračovat a v budoucnu možná přinese lepší důkazy.

Do té doby ale paradox s nejvyšší pravděpodobností zůstane nevysvětleným.

„Teorií je celá řada a jedna dokonce pochází přímo od Hawkinga. I on na sklonku svého života došel k tomu, že existuje nějaký další kanál, kudy informace proudí, a jeho spolupracovníci to popsali po jeho smrti ve studii,“ řekl vědec. „Ta se ale velmi liší od této nové a správná může být samozřejmě jen jedna. Takže teď bude zajímavé sledovat, které se podaří přesvědčit vědeckou komunitu,“ řekl.