Student World

Stephen Hawking prezentoval na 17. Mezinárodní konferenci o obecné relativitě a gravitaci, konané v těchto dnech v Dublinu, svou novou teorii, v níž údajně vyřešil informační paradox černých děr. Změní tato teorie dosavadní pohled na fenomén černých děr?

Že se britský astrofyzik Stephen Hawking z Cambridgeské univerzity rád sází, je známou věcí. Ve svých populárně-vědeckých bestsellerech se často zmiňuje o sázkách se svým americkým kolegou a přítelem Kipem S. Thornem. Jednou z nejznámějších Hawkingových sázek, o které slavný astrofyzik nyní tvrdí, že ji prohrál, se týká černých děr, samotného ohniska jeho vědecké práce. Uzavřel ji v roce 1997 s fyzikem Johnem P. Preskillem z pasadenského Caltechu (viz text sázky http://www.theory.caltech.edu/people/preskill/info_bet.html). Na Hawkingovu stranu se v tomto případě přidal i Kip Thorne. Společně tvrdili, že jestliže černá díra informaci spolkne, je tato informace navždy ztracena. Naproti tomu John Preskill hájil své přesvědčení, že informace v černém díře nejsou zcela destruovány.

Obhajoba dosažitelnosti informací z černé díry se paradoxně zakládá na dosud nejvýznamnějším Hawkingově objevu z počátku 70. let 20. století, teorii kvantového vyzařování černých děr. Myšlenku, že černou díru může opouštět záření, nadnesl poprvé Jakov Borisovič Zeldovič v roce 1971 v Moskvě při rozhovoru s Kipem Thornem. Tento rozhovor, jak píše Thorne ve své knize „Černé díry a zhroucený čas“, vyústil nakonec v první velkou sázku dvou fyziků týkající se černých děr. Zatímco Thorne tvrdil, že černá díra nemůže v žádném případě vyzařovat, Zeldovič byl opačného názoru. Zeldovič samozřejmě vyhrál. Thorne mu musel předat výhru v podobě láhve velmi kvalitní whisky. Brzy se totiž díky Hawkingovým výpočtům ukázalo, že vyzařuje nejen rotující černá díra, ale jakákoli černá díra. A to i poté, kdy nemá žádný moment hybnosti ani rotační energii. I v tomto případě totiž stále vysílá stále záření všeho druhu (gravitační, elektromagnetické, neutrinové).

Teorie kvantového vyzařování dále ukazuje, že jak černá díra vyzařuje, ztrácí energii – čímž se vlastně "vypařuje". Smršťuje se a zahřívá, její hmotnost a entropie klesá, teplota a povrchová gravitace roste. (Toto vypařování je velmi pomalé: Thorne uvádí příklad černé díry vzniklé kolapsem hvězdy s hmotností větší než je zhruba hmotnost dvou Sluncí, ke zřetelnému zmenšení takovéto černé díry bude zapotřebí více než 10 na 67 let (tedy 10 na 57krát více než je současné stáří vesmíru.)

Hawking byl mediálně nejsledovanější osobností na právě proběhnuvší 17. Mezinárodní konferenci o obecné relativitě a gravitaci v Dublinu (International Conference on General Relativity and Gravitation, 18-23. červenec 2004). Zde se novinářům přiznal, že výše zmíněnou sázku s Johnem Preskillem prohrál. Zdůvodnil to tím, že jeho názory se vyvíjejí, takže nyní je jeho stanovisko v této problematice shodné s Preskillovým. Nejde ale zdaleka jen o sázku, která tolik zajímala média. Pokud by Hawkingova nová teorie prezentovaná v přednášce „Informační paradox v černých dírách“ byla správná, znamenalo by to nejspíš převrat v uvažování o černých dírách jako takovém.

Astrofyzik navíc naznačuje, že tyto výpočty jsou cestou k teorii kvantové gravitace, která může vést k řešení konzistentního sjednocení Einsteinovy obecné teorie gravitace a kvantové mechaniky. Toto sjednocení, označované jako svatý grál moderní fyziky, se přes veškeré úsilí tisíců vědců dosud nepodařilo nikomu zformulovat, ačkoli kandidátů bylo zejména v posledních letech několik, od teorie strun po M-teorii či teorii kvantových gravitačních smyček. Že by Hawking v tomto úsilí uspěl, je nepravděpodobné a většina fyziků k jeho pokusu, využívajícího obdobného matematického postupu, jaký využil Richard Feynman při formulaci kvantové elektrodynamiky, přistupuje s velkou skepsí. „Jsem velmi skeptický k Hawkingově nové teorii,“ poznamenal již zmíněný výherce sázky John Preskill. „Stojí bohužel zatím na velmi mlhavých matematických předpokladech.“

Vypařování černých děr lze vysvětlit pouze coby kvantový jev pomocí zákonů teorie kvantové, ale protože probíhá v křivém prostoročase, musí zákonitě souviset s obecnou teorií gravitace. Fyzikové zde naráží na starý problém singularit, které vznikají v černé díře. Nové pravidla, které vznikají za tzv. horizontem událostí, popisuje kvantová gravitace, jež zásadně mění povahu prostoročasu: odděluje prostor a čas od sebe, ruší čas jakožto samostatný fenomén stejně jako jednoznačnost prostoru. To, co vzniká, se označuje jako „kvantová pěna“. V této pěně nemá prostor definovatelnou podobu. K úkolům teorie kvantové gravitace patří mimo jiné definice pravděpodobnosti pro jednotlivá zakřivení a topologie uvnitř singularity černé díry. Tato teorie by měla rovněž stanovit, zda a s jakou pravděpodobností mohou singularity vytvářet „nové vesmíry“, přesněji řečeno nové klasické (nekvantové) oblasti prostoročasu. A to možná obdobným způsobem, jakým singularita velkého třesku vytvořila náš vesmír.

Zda Hawkingův „informační paradox“ vznikající v černých dírách přivede astrofyziky k průlomovým řešením, je předčasné hodnotit. Hawking matematicky dokazuje, že všechny informace se v černých dírách neztrácí. Můžeme se zatím pouze dohadovat o důsledcích nové teorie, pokud by se prokázala její správnost: bude to znamenat, že povrch černé díry ve skutečnosti nikdy nevytváří absolutní horizont událostí, ale pouze tzv. zdánlivý horizont? Povede informační paradox k popření tzv. „principu kosmické cenzury“, definovaného Rogerem Penrosem v roce 1969? (Tento princip je založen na předpokladu, že žádný hroutící se objekt nemůže vytvořit nahou singularitu, tedy singularitu, kterou lze z vnějšího vesmíru spatřit. Že princip kosmické cenzury nemusí vždy platit, dokázaly ale již počítačové simulace Stuarta Shapira a Saula Teukolského z Cornellovy univerzity.) Na tyto otázky vzhledem k čerstvosti Hawkingovy hypotézy nelze zatím odpovědět.

Sedmnáctá Mezinárodní konference o obecné relativitě a gravitaci přinesla vedle Hawkingova informačním paradoxu i řadu dalších pozoruhodných přednášek. Britský fyzik John Baez prezentoval nové poznatky související s rozvojem teorie kvantových gravitačních smyček, Barry Barish z Caltechu vyhodnotil současný stav experimentů, které se snaží změřit gravitační vlny (LIGO, VIRGO, GEO, TAMA), Donald Marolf z Univerzity v Santa Barbaře hovořil o holografickém modelu vesmíru, Martin Rees informoval vědce o současném astronomickém pozorování černých děr, které tvoří jádra galaxií, Licia Verdeová hovořila o kosmologickém modelu vesmíru založeném na datech WMAP. Zájem vyvolala i přednáška Kipa Thorna a Rogera Penrosea, která byla přístupna širší veřejnosti.

Více informací:

International Conference on General Relativity and Gravitation
http://www.dcu.ie/~nolanb/gr17.htm

Stephne Hawking
http://www.hawking.org.uk

Black Holes
http://www.damtp.cam.ac.uk/user/gr/public/bh_home.html

autor Jan Kapoun