Podivný osud člověka padajícího do černé díry

Tento příběh byl v roce 2015 nejčtenějším na BBC Earth. Zde máte další příležitost si jej přečíst.

Může se to stát každému. Možná se právě snažíte najít novou obyvatelnou planetu pro lidstvo, nebo jste jen na dlouhé procházce a uklouznete. Ať už jsou okolnosti jakékoli, všichni se v určitém okamžiku ocitneme před odvěkou otázkou: Co se stane, když spadnete do černé díry?“

Možná očekáváte, že vás to rozdrtí, nebo možná roztrhá na kusy. Skutečnost je však podivnější.

V okamžiku, kdy byste vstoupili do černé díry, by se realita rozdělila na dvě části. V jedné byste byli okamžitě spáleni a v druhé byste se do černé díry ponořili zcela nezraněni.

Černá díra je místo, kde se fyzikální zákony, jak je známe, rozpadají. Einstein nás naučil, že gravitace deformuje samotný prostor a způsobuje jeho zakřivení. Pokud se tedy jedná o dostatečně hustý objekt, může se časoprostor pokřivit natolik, že se stočí sám do sebe a vytvoří díru v samotné struktuře reality.

Masivní hvězda, které došlo palivo, může vytvořit extrémní hustotu potřebnou k vytvoření takového znetvořeného kousku světa. Jak se prohýbá pod svou vlastní vahou a hroutí se dovnitř, časoprostor se propadá spolu s ní. Gravitační pole je tak silné, že z něj nemůže uniknout ani světlo, takže oblast, kde hvězda bývala, je hluboce temná: černá díra.

Jak se dostáváte hlouběji do černé díry, prostor se stále více zakřivuje

Vnější hranicí díry je její horizont událostí, bod, ve kterém gravitační síla přesně vyvažuje snahu světla uniknout. Když se přiblížíte blíž, není úniku.

Horizont událostí je plný energie. Kvantové efekty na jeho okraji vytvářejí proudy horkých částic, které vyzařují zpět do vesmíru. Tomuto jevu se říká Hawkingovo záření, podle fyzika Stephena Hawkinga, který ho předpověděl. Za dostatečně dlouhou dobu černá díra vyzáří svou hmotu a zmizí.

Jak se dostáváte hlouběji do černé díry, prostor se stále více zakřivuje, až se v jejím středu stane nekonečně zakřiveným. To je singularita. Prostor a čas přestávají být smysluplnými pojmy a fyzikální zákony, jak je známe – všechny vyžadují prostor a čas -, přestávají platit.

Co se zde stane, nikdo neví. Další vesmír? Zapomenutí? Zadní strana knihovny? To je záhada.

Co se tedy stane, když do jedné z těchto vesmírných aberací náhodou spadnete? Začněme tím, že se zeptáme vaší vesmírné společnice – budeme jí říkat Anne -, která s hrůzou sleduje, jak se propadáte směrem k černé díře, zatímco ona zůstává v bezpečí venku. Z místa, kde se vznáší, se začnou dít podivné věci.

Jak se zrychlujete směrem k horizontu událostí, Anne vidí, jak se roztahujete a deformujete, jako by se na vás dívala přes obří lupu. A co víc, čím víc se blížíte k horizontu, tím víc se zdá, že se pohybujete zpomaleně.

Než vůbec překročíte temnotu černé díry, změníte se v popel

Křičet na ni nemůžete, protože ve vesmíru není vzduch, ale můžete na ni zkusit zablikat morseovkou pomocí světla na iPhonu (existuje na to aplikace). Vaše slova se k ní však dostávají stále pomaleji, světelné vlny se roztahují na stále nižší a červenější frekvence: „Dobře, a l r i g h t, a l r i…“

Když dosáhnete horizontu, Anne vidí, že jste ztuhli, jako by někdo stiskl tlačítko pauzy. Zůstáváte tam jako přilepení, nehybně roztaženi po povrchu horizontu, zatímco vás začíná pohlcovat rostoucí žár.

Podle Anne vás pomalu vyhlazuje roztahování prostoru, zastavování času a ohně Hawkingova záření. Než vůbec překročíte hranice temnoty černé díry, proměníte se v popel.

Než však naplánujeme váš pohřeb, zapomeňme na Anne a podívejme se na tuto hrůznou scénu z vašeho pohledu. Nyní se stane něco ještě podivnějšího: nic.

Vplujete přímo do nejzlověstnějšího cíle přírody, aniž by došlo k nějakému nárazu nebo otřesu – a už vůbec ne k natahování, zpomalování nebo spalujícímu záření. To proto, že jste ve volném pádu, a proto necítíte žádnou gravitaci: něco, co Einstein nazval svou „nejšťastnější myšlenkou“.

V dostatečně velké černé díře byste mohli prožít zbytek života docela normálně

Vždyť horizont událostí není jako cihlová zeď plující v prostoru. Je to artefakt perspektivy. Pozorovatel, který zůstává mimo černou díru, skrz ni nevidí, ale to není váš problém. Pokud jde o vás, žádný horizont neexistuje.

Jistě, kdyby byla černá díra menší, měli byste problém. Gravitační síla by byla mnohem silnější u vašich nohou než u vaší hlavy a natahovala by vás jako kus špagety. Ale naštěstí pro vás je tato černá díra velká, milionkrát hmotnější než naše Slunce, takže síly, které by vás mohly špagetovat, jsou dostatečně slabé, abyste je mohli ignorovat.

V podstatě byste v dostatečně velké černé díře mohli prožít zbytek života docela normálně, než byste v singularitě zemřeli.

Jak moc normální by to vlastně mohlo být, říkáte si, vzhledem k tomu, že jste vtahováni k trhlině v časoprostorovém kontinuu, vtahováni proti své vůli a nemůžete se vydat opačným směrem?

Nemůžete se otočit a uniknout černé díře

Ale když se nad tím zamyslíte, všichni ten pocit známe, ne ze zkušenosti s prostorem, ale s časem. Čas jde pouze dopředu, nikdy zpět, a táhne nás za sebou proti naší vůli a brání nám v tom, abychom se otočili.

To není jen analogie. Černé díry deformují prostor a čas do takové míry, že uvnitř horizontu černé díry si prostor a čas skutečně vymění role. V jistém smyslu je to skutečně čas, který vás táhne směrem k singularitě. Nemůžete se otočit a uniknout černé díře, stejně jako se nemůžete otočit a cestovat zpět do minulosti.

Na tomto místě byste se možná měli zastavit a položit si naléhavou otázku: Co je sakra s Annou? Pokud se chladíte uvnitř černé díry, obklopeni ničím podivnějším než prázdným prostorem, proč trvá na tom, že jste byli spáleni na uhel zářením mimo horizont? Má snad halucinace?

Vlastně se Anne chová naprosto rozumně. Z jejího pohledu jste skutečně shořeli na popel u horizontu. Není to iluze. Mohla by dokonce posbírat váš popel a poslat ho zpět vašim blízkým.

Ve skutečnosti přírodní zákony vyžadují, abyste z pohledu Anny zůstali mimo černou díru. To proto, že kvantová fyzika vyžaduje, aby se informace nikdy neztratila. Každý kousek informace, který vysvětluje vaši existenci, musí zůstat vně horizontu, aby nedošlo k porušení Anniných fyzikálních zákonů.

Musíte být na dvou místech, ale může existovat jen jedna vaše kopie

Na druhou stranu fyzikální zákony také vyžadují, abyste proplouvali horizontem, aniž byste se setkali s horkými částicemi nebo čímkoli neobvyklým. Jinak byste porušili Einsteinovu nejšťastnější myšlenku a jeho obecnou teorii relativity.

Fyzikální zákony tedy vyžadují, abyste byli jak mimo černou díru v hromadě popela, tak uvnitř černé díry živí a zdraví. V neposlední řadě existuje třetí fyzikální zákon, který říká, že informace nelze klonovat. Musíte být na dvou místech, ale může existovat pouze jedna vaše kopie.

Nějak nás fyzikální zákony směřují k závěru, který se zdá být poněkud nesmyslný. Fyzikové tuto rozčilující hádanku nazývají informační paradox černé díry. Naštěstí v 90. letech 20. století našli způsob, jak ho vyřešit.

Leonard Susskind si uvědomil, že žádný paradox neexistuje, protože váš klon nikdy neuvidí žádná osoba. Anna vidí pouze jednu vaši kopii. Vy vidíte pouze jednu svou kopii. Vy a Anne si nikdy nemůžete porovnat poznámky. A neexistuje žádný třetí pozorovatel, který by viděl současně uvnitř i vně černé díry. Žádné fyzikální zákony tedy nejsou porušeny.

Realita záleží na tom, koho se ptáte

Tedy pokud nepožadujete vědět, který příběh je skutečně pravdivý. Jste skutečně mrtví, nebo skutečně žijete?“

Velké tajemství, které nám odhalily černé díry, spočívá v tom, že žádná skutečně neexistuje. Skutečnost závisí na tom, koho se ptáte. Existuje Annina realita a existuje vaše realita. Konec příběhu.

No, skoro. V létě roku 2012 vymysleli fyzikové Ahmed Almheiri, Donald Marolf, Joe Polchinski a James Sully, známí pod společným názvem AMPS, myšlenkový experiment, který hrozil převrátit vše, co jsme si mysleli, že víme o černých dírách.

Uvědomili si, že Susskindovo řešení závisí na tom, že jakýkoli spor mezi vámi a Anne je zprostředkován horizontem událostí. Nezáleželo na tom, jestli Anne viděla vaši nešťastnou verzi rozptýlenou mezi Hawkingovým zářením, protože horizont jí bránil vidět druhou verzi vás, která se vznášela uvnitř černé díry.

Anne by mohla tajně nahlédnout za horizont

Ale co kdyby existoval způsob, jak zjistit, co je na druhé straně horizontu, aniž by ho skutečně překročila?

Ordinární teorie relativity by říkala, že to není možné, ale kvantová mechanika pravidla trochu rozmlžuje. Anne by se mohla tajně podívat za horizont pomocí malého triku, který Einstein nazval „strašidelné působení na dálku“.

K tomu dochází, když se dva soubory částic, které jsou od sebe v prostoru odděleny, záhadně „propletou“. Jsou součástí jediného, nedělitelného celku, takže informaci potřebnou k jejich popisu nelze nalézt v žádné z těchto množin samotné, ale ve strašidelných vazbách mezi nimi.

Myšlenka AMPS vypadala asi takto. Řekněme, že Anne uchopí kousek informace poblíž horizontu – nazvěme ji A.

Každý bit informace může být entanglován pouze jednou

Pokud je její příběh správný a vy jste ztraceni, zakódováni mezi Hawkingovým zářením vně černé díry, pak musí být A entanglován s jiným bitem informace, B, který je také součástí horkého oblaku záření.

Na druhou stranu, pokud je váš příběh pravdivý a vy jste živí a zdraví na druhé straně horizontu událostí, pak A musí být entanglován s jiným bitem informace, C, který je někde uvnitř černé díry.

Tady je ten háček: každý bit informace může být entanglován pouze jednou. To znamená, že A může být entanglován pouze s B nebo s C, ne s oběma.

Ane tedy vezme svůj bit, A, a nechá ho projít svým šikovným strojem na dekódování entanglementu, který vyplivne odpověď: buď B, nebo C.

Proklouznete skrz a budete žít normální život?

Pokud se ukáže, že odpověď je C, pak váš příběh vyhrává, ale zákony kvantové mechaniky jsou porušeny. Pokud je A zapleteno s C, které je hluboko uvnitř černé díry, pak je tato informace pro Annu navždy ztracena. Tím je porušen kvantový zákon, že informace nemůže být nikdy ztracena.

Zbývá tedy B. Pokud Annin dekódovací stroj zjistí, že A je zapleteno s B, pak Anne vyhrává a obecná relativita prohrává. Pokud je A zapleteno s B, pak je Annin příběh jediným pravdivým příběhem, což znamená, že jste skutečně shořeli na popel. Místo toho, abyste proplouvali přímo horizontem, jak by podle teorie relativity mělo být, narazili jste do hořící ohnivé stěny.

Takže jsme tam, kde jsme začali: co se stane, když spadnete do černé díry? Proklouznete skrz a budete žít normální život díky realitě, která je podivně závislá na pozorovateli? Nebo se přiblížíte k horizontu černé díry a narazíte na smrtící firewall?

Nikdo nezná odpověď a tato otázka se stala jednou z nejspornějších v oblasti fundamentální fyziky.

Anně by trvalo mimořádně dlouho, než by entanglement dekódovala

Fyzikové se více než sto let snažili sladit obecnou teorii relativity s kvantovou mechanikou s vědomím, že nakonec bude muset jedno nebo druhé ustoupit. Řešení paradoxu firewallu by nám mělo napovědět, které to je, a ukázat cestu k ještě hlubší teorii vesmíru.

Jedním z vodítek by mohl být Annin dekódovací stroj. Zjistit, se kterým dalším bitem informace je A zapleten, je mimořádně složitý problém. Fyzikové Daniel Harlow z Princetonské univerzity v New Jersey a Patrick Hayden, který nyní působí na Stanfordské univerzitě v Kalifornii, se proto zajímali o to, jak dlouho to bude trvat.

V roce 2013 spočítali, že i při použití nejrychlejšího počítače, který fyzikální zákony umožňují, by dekódování entanglementu trvalo Anne mimořádně dlouho. Než by měla odpověď, černá díra by se už dávno vypařila, zmizela by z vesmíru a vzala by s sebou hrozbu smrtícího firewallu.

Pokud by tomu tak bylo, samotná složitost problému by mohla Anne zabránit v tom, aby někdy zjistila, který příběh je ten pravý. Tím by zůstaly oba příběhy současně pravdivé, realita by byla zajímavě závislá na pozorovateli, všechny fyzikální zákony by byly neporušené a nikomu by nehrozilo, že narazí na nevysvětlitelnou ohnivou zeď.

Pokud se pravá podstata reality někde skrývá, nejlepším místem k hledání je černá díra

Fyzikům to také dává něco nového k přemýšlení: dráždivé souvislosti mezi složitými výpočty (jako je ten, který Anne zřejmě neumí) a časoprostorem. To může otevřít dveře k něčemu ještě hlubšímu.

To je právě ta věc s černými dírami. Nejsou to jen nepříjemné překážky pro vesmírné cestovatele. Jsou to také teoretické laboratoře, které si berou na paškál nejjemnější výstřednosti ve fyzikálních zákonech a pak je zesilují do takových rozměrů, že je nelze ignorovat.

Pokud se někde skrývá pravá podstata reality, nejlepším místem k hledání je černá díra. Pravděpodobně je však nejlepší dívat se zvenčí: přinejmenším do doby, než se vyřeší celá ta věc s firewallem. Nebo tam pošlete Anne. Už je na ní řada.