Černé díry de facto neexistují, říká slavný fyzik Stephen Hawking

Nejznámější fyzik současnosti se vložil do debaty o tom, co se nachází na okraji černých děr. A jeho řešení je radikální: v důsledku navrhuje zrušit tyto objekty jako takové, protože v nich světlo nemůže zůstat uvězněno navždy. Zatím se nezdá, že by zbytek fyzikální obce jeho nápad přijal.

Co takhle zrušit gravitaci? Stephen Hawking v roce 2007, kdy se vydal na krátký parabolický let s několik desítek sekund trvajícím stavem beztíže. | foto: Reuters

Když fyzik Stephen Hawking před před dvěma lety slavil 70. narozeniny, byl na světě o zhruba čtyři desítky let déle, než odhadovali lékaři. A rozhodně to nebyl špatně strávený čas. Je podle všech znalců oboru zaslouženě uznávaným a s ohledem na své postižení poměrně plodným a také zajímavým autorem fyzikálních textů.

Asi nejznámější je jeho přínos ke studiu tzv. černých děr. Tedy objektů, které jsou tak hmotné, že z nich nemůže uniknout nic, ani záření. Nejde tedy ani tak o označení barvy, ale fyzikální terminus technicus. Tyto objekty jsou černé, protože vůbec nezáří.

Hawking byl jedním z prvních fyziků, kteří se v 70. letech pustili do zdánlivě nemožného úkolu zavést do studia černých děr, popisovaných do té doby pomocí teorie relativity, kvantovou fyziku, jejíž zákony naopak platí ve světě jednotlivých částic, ale ve větším měřítku je pozorovat nemůžeme.

Napsal velmi inspirativní, vlivné a ve své době naprosto neprůstřelné práce, které ukazovaly, že v černých dírách se dějí velmi zajímavé věci. Vzbudily velký ohlas a jsou zajímavé dodnes, byť některé Hawkingovy teorie pod drobnohledem kolegů nakonec neodolaly.

Asi nejznámějším a dodnes úspěšným závěrem jeho práce bylo, že černé díry tak úplně černé nejsou. Z Hawkingových prací totiž vyplývalo, že z černých děr přece jen něco uniká. Konkrétně mělo jít o záření (později pojmenované Hawkingovo).

Díky kvantovým jevům se tak černé díry pomalinku "odpařují", až časem zcela zmizí. Ty malé relativně rychle, velké velmi pomalu -  za dobu výrazně převyšující stáří našeho vesmíru. Zatím jsme toto záření nezachytili, ale fyzici obecně řečeno této hypotéze věří. Matematicky je prokázaná dobře a přesvědčivější nemáme.

Ve své době se také zdálo, že Hawkingovo záření vede k tomu, že z černé díry postupně uniká hmota, ale informace o této hmotě je zničena. To pro nás laiky nezní jako nic převratného, ale z fyzikálního hlediska jde o rouhačství. Fundamentální pravidla kvantové fyziky totiž říkají, že informace nemůže být nikdy zničena.

V tomto případě se Hawking zřejmě mýlil. Jeho závěr byl sice při daném stavu poznání logický, ale nakonec díky pokroku teoretické fyziky převládl spíše názor, že informace o hmotě se v černých dírách neztrácí a mohla by se například uvolnit při zániku černé díry. Tzv. informační paradox černých děr tak zatím nemá definitivní řešení, ale zřejmě to nakonec paradox nebude.

Hawking nakonec veřejně uznal svůj omyl, ale vlivnou osobností v oboru je nadále. A nějaká autorita by se nyní v oboru hodila.

Takhle nějak by mohl vypadat pohled na černou díru (na snímku pro názornost přímo před galaxií). Samotný objekt samozřejmě není nijak vidět, ale patrný by měl být jeho vliv na světlo v okolí. Ohýbá a vyvolává tzv. efekt gravitační čočky, kdy se objekty za tímto hmotným objektem zdají trochu blíže, ale jsou zakřivené.

Ohnivá debata

Nejde o nějakou velkou krizi, ale atmosféra mezi odborníky, kteří se touto problematikou zabývají (asi nejlepší termín je kvantová gravitace) je nyní poněkud "nažhavenější". Hledají se nové směry dalšího postupu a vědci přemýšlí nad možným i nemožným. Logickým důsledkem je pak rozstříštěnost názorů a řada sporů a půtek.

Svým dílem k nesouladu přispěla i skupina Josepha Polchinského z Kalifornské univerzity. Ta si ve své práci zveřejněné před necelými dvěma lety myslí, že díky Hawkingovu záření (připomínáme, že tepelnému) jsou těsně před místem, odkud už není z černé díry návratu (tzv. horizont událostí) velmi nehostinné podmínky. Mělo by jít o oblast ničivě vysokých energií. V práci se proto pracuje s termínem "ohnivá stěna" (firewall). Práce je dostupná zde.

Abychom použili slavný hypotetický příklad: kosmonaut padající do černé díry by shořel na popel, než by se do ní dostal. Z jeho hlediska je to asi v podstatě jedno, ale teoretickým fyzikům na tomto tvrzení vadí, že porušuje předpovědi vyplývající z teorie relativity. Pokud by se to nepodařilo vyvrátit, znamená to, že bychom museli poměrně výrazně upravit Einsteina. A to se kvůli pouhému (bez urážky) Polchinskému nikomu nechce.

Hodilo by se tedy jiné vysvětlení a Hawking jedno nabízí. Ve své dvoustránkové práci bez jediné rovnice na serveru arXiv.org (dostupná zdarma zde) píše, že "ohnivé stěny" nemohou hned z několika důvodů existovat. Například proto, že porušují jeden ze základních uznávaných fyzikálních zákonů, tzv. CPT symetrii. Velmi jednoduše řečeno to znamená, že bychom nedokázali vytvořit kopii "ohnivé stěny" podle receptu, který by měl být platný pro všechny jevy ve vesmíru.

CPT symetrie

Choval by se náš svět stejně, kdybychom všechnu hmotu vyměnili za antihmotu, otočili směr času či zaměnili pravou strany za levou? To je otázka, na kterou odpovídá tzv. CPT teorém. Říká, že nejjednodušší recept na vytvoření vesmíru, na kterém bychom nikdy nepoznali, že není náš, zahrnuje tři ingredience. Tři věci, které bychom museli zajistit, jsou:

C symetrie (od "charge", náboj), tedy záměna všech částic za antičástice;
P symetrie ("parity", parita nebo také "zrcadlová symetrie"), tedy záměna všeho levého za pravé;
T symetrie ("time", čas), tedy obrácení chodu času.

Pozorovali jsme děje, které každou jednotlivou z těchto symetrií narušují. Každý si dokáže představit, že řada dějů nemůže proběhnout "pozpátku", třeba rozbití hrnku je narušení T symetrie. Najdou se i případy narušení dalších symetrií, a třeba rozpady některých mezonů narušují najednou C i P symetrii. A tak nám zbývá jen spojená CPT symetrie.

Podrobnější vysvětlení najdete třeba zde, na webu Aldebaran.cz

Tvrzení má i další, radikálnější důsledky. CPT symetrii podle Hawkinga porušuje i další, pro černé díry charakteristický jev, totiž horizont událostí. To je hranice, za kterou už není možné se vymanit z působení černé díry ani pro nekonečně rychlou raketu, ani pro paprsek světla.

To znamená, že z černé díry by mělo být možné se dostat nejen Hawkingovu záření, ale i tomu, co do ní napadalo ("prakticky" by to bylo světlo). Tím de facto dochází ke zrušení černých děr jako takových. "Neexistence horizontu událostí znamená, že neexistují černé díry ve smyslu oblastí, ze kterých světlo nikdy nemůže uniknout," píše Hawking.

Udělal mistr chybu?

Hawking samozřejmě není první, kdo chtěl přijít s novým a lepším vysvětlením povahy černých děr, a tím přispět k pokroku fyziky jako takové. Že by zrovna jeho návrh učebnic nakonec uspěl, není ještě vyloučeno, ale v tuto chvíli se to nezdá příliš pravděpodobné. Alespoň pokud bychom se měli orientovat podle veřejných vyjádření fyziků. Ti se superalativy zatím šetří.

Kdyby s tímto příspěvkem přišel někdo jiný, určitě by to nevzbudilo takový ohlas, říká Martin Schnabl z Fyzkálního ústavu a dodává: "Podstata Hawkingova sdělení není po fyzikální stránce úplně zřejmá, jedná se spíše o spekulace o tom jak vyřešit paradox ohnivé stěny."

Samotný autor hypotézy "ohnivé stěny" Joseph Polchinsky pro časopis NewScientist řekl, že britský fyzik v podstatě nahradil ohnivou stěnu něčím velmi podobným. Jde o jakousi chaotickou oblast na povrchu objektu. Tady se chaoticky zobrazuje informace o hmotě, kterou objekt přitáhne, aby se nikam neztrácela. Je vidět, že Hawking opravdu uznal svůj starší omyl.

40 let navzdory lékařům

Více o Stephenovi Hawkingovi a jeho životě jsme psali v našem článku k jeho 70. narozeninám.

Nejde o novou, ale starou myšlenku, píše třeba Clifford Johnson na svém blogu Asymptopia. "Ohnivá stěna" (a jiné příliš exotické jevy) mohou zmizet i díky jiným snahám. Existují i další nápady, které vycházejí ze stejných rovnic a zákonů, ale dospívají k jiným řešením. (Pro hodně zvědavé, toto by mohl být jeden příklad).

Práci nevěří ani český teoretický fyzik Luboš Motl. Na svém blogu jí věnoval už dva příspěvky (první reakce zde, novější zde). Jeho základní námitka říká, že o porušení CPT symetrie v tomto případě nejde.

"Černé díry jsou jako pece," píše Motl. V principu si můžeme představit, že prach z pece se znovu složí do podoby uhlí, ale je to velmi nepravděpodobné. Stejně tak není úplně vyloučeno, že by hmota mohla opustit oblast za horizontem událostí. Ale je to tak nepravděpodobné, že ho můžeme považovat za neprostupnou jednosměrnou membránu. A v takové situaci nemá smysl tvrdit, že hranice neexistuje.

Poznámka: Původní text jsme rozšířili o vyjádření Martina Schnabla z Fyzikálního ústavu.