Za horizontem události
Co se stane, hodíte-li Schrödingerovu kočku do černé díry? Shoří?

Oblasti časoprostoru, v nichž je gravitace natolik silná, že z nich nemůže nic uniknout, považovali vědci kdysi dávno za matematické kuriozity. Pak na ně ale začali narážet na každém rohu. Teď se snaží spočítat, co je uvnitř.

Fyzikové Donald Marolf a Joseph Polchinski, oba z kalifornské univerzity v Santa Barbaře, si nemohou stěžovat, že by neměli o čem přemýšlet. Vybrali si totiž jako objekt studia černé díry. Jejich existence vyplývá z obecné teorie relativity, která zachází s gravitací jako s důsledkem zakřivení prostoru, způsobeného přítomností hmotných objektů. Když je nějaké těleso dostatečně kompaktní, vznikne okolo něj oblast časoprostoru natolik zakřivená, že z ní nemůže nic uniknout. Ohraničuje ji povrch, označovaný jako horizont události.

Jakmile ho překročíte, není už cesty zpět. Obecnou relativitu se však dosud nepovedlo sloučit s dalším důležitým způsobem popisu vesmíru, s kvantovou mechanikou. Z jejich konfliktů vznikají ještě zajímavější paradoxy, než dokážou oba přístupy vyprodukovat samy o sobě (a že jich není málo).

Marolf a Polchinski se zamysleli nad jedním takovým konfliktem. V časopise Physical Review Letters, tvrdí, že na hranici černé díry je moře částic s vysokou energií, k jehož popisu si vypůjčili termín z počítačové hantýrky - firewall. Jeho existenci navrhli, aby se vyrovnali s problémem označovaným jako nezákonná provázanost.

Strašidelná kočka

Je to varianta paradoxní vlastnosti hmoty, zvané kvantová provázanost. Tu Albert Einstein svého času nazval strašidelným působením na dálku. Podle zákonů kvantové mechaniky existují ve vesmíru systémy, třeba dvojice částic, jako jsou fotony, které jsou vzájemně propojeny za všech okolností. Jakákoliv změna stavu jedné části systému se okamžitě projeví i na druhé. Je přitom jedno, jak jsou od sebe daleko. Informace se tak mezi nimi musí šířit rychleji než světlo, což odporuje teorii relativity.

Kvantová mechanika vnesla do našich představ o vesmíru i další podivnosti. Jednou z nich je takzvaný princip superpozice. Některé soustavy mohou být ve dvou navzájem se vylučujících stavech zároveň. Který z nich zaujmou, je možno zjistit jedině pozorováním. Dokud ho neprovedete, nemůžete prohlásit, že jsou v jednom nebo ve druhém stavu. Známý příklad je Schrödingerova kočka.

Vezmete krabici, zavřete do ní kočku s kapslí jedovatého plynu a kus radioaktivního materiálu. Když se v materiálu rozpadne nějaký atom, aktivuje se detektor na kapsli. Ta se otevře a plyn zabije kočku. Pokus je nastavený tak, že se po jedné hodině zářič rozpadne s padesátiprocentní pravděpodobností. Dokud krabici neotevřete, je kočka podle zákonů kvantové mechaniky zároveň živá i mrtvá.

Mňoukni do nekonečna

Kdybyste navíc hodili krabici s kočkou do černé díry, má to spočítané tak jako tak. Co by se ale stalo, pokud byste skočili s ní? Mohli byste krabici otevřít a změnit tak její stav ze zároveň mrtvé a zároveň živé na jen mrtvou nebo jen živou? Marolf a Polchinski tvrdí, že neexistuje způsob, jak to spočítat. Proto si myslí, že by kočka měla na horizontu události shořet. Zkoušeli počítat s jedním pozorovatelem padajícím společně s kočkou a s dalším, který je mimo dosah černé díry.

V takovém systému by měly být kvantové stavy dostupné jak padajícímu pozorovateli, tak pozorovateli mimo černou díru. To je ale nesmysl, protože provázané mohou být jen dva objekty. Firewall by problém vyřešil, protože by padajícího pozorovatele zničil. Kdyby padající pozorovatel opravdu existoval a byl provázaný s vnějším kolegou, znamenalo by to, že je možné vynést informace zpoza horizontu události.

Podle Andrease Karcha z Washingtonské univerzity, který výzkum Marolfa a Polchinského komentoval v časopise Physics, mohou nastat tři možnosti. Za prvé: padající pozorovatel neexistuje, protože existuje firewall. Za druhé: měření padajícího a vnějšího pozorovatele jsou provázaná. Vnější pozorovatel může ovlivnit osud kočky za horizontem události. Za třetí: oba pozorovatelé jsou na sobě úplně nezávislí.

Hawkingovo záření

Marolf a Polchinski spočítali, že v případě třetí možnosti narazí padající pozorovatel na moře energie. Třetí možnost se tak stane první možností. Jelikož druhá možnost je ještě nepravděpodobnější, zdá se fyzikům, že hypotetická stěna na horizontu události opravdu existuje. To je ale staví před další problém. Podle obecné teorie relativity je na horizontu události jen vakuum. Jeden z jejích úhelných principů navíc tvrdí, že účinky gravitačního pole se nedají odlišit od účinků zrychleného pohybu. Říká se mu princip ekvivalence.

Pokud byste procházeli přes horizont události, neměli byste si toho podle něj vůbec všimnout. Abyste přijali hypotézu firewallu, musíte se proto buďto vzdát principu ekvivalence, nebo zapomenout na vakuum okolo horizontu události. Existuje ovšem ještě jedna možnost, jak se obtíže zbavit, aniž by bylo potřeba uvažovat o firewallu Marolfa a Polchinského.

Vymysleli ji už před časem známí fyzikové Leonard Susskind, Larus Thorlacius a Gerard 't Hooft. Podle ní sice informace projde přes horizont události, ale protože je na jeho úrovni nekonečně zpomalený čas, vypadá to z pohledu vnějšího pozorovatele, jako by samotná cesta k horizontu události trvala nekonečně dlouho.

Suskind také navrhl, že by vedle horizontu události mohl být na hranici černé díry ještě takzvaný natažený horizont. Ten by měl být hmotný. Informace padající do černé díry by ho zahřívala. Měnil by ji na energii, kterou by vyzařoval jako Hawkingovo záření. To je jediný typ radiace, který dokáže teoreticky z černé díry uniknout. Nenese ale žádnou informaci o jejím nitru, protože je tepelné.