Věda v Big Bang Theory: Leonard balí Penny na holografický princip

aktualizováno 
Je celý náš vesmír jen holografická projekce? Je všechno pouze nakreslené na jakémsi vesmírném plátně? Lze vůbec něco takového ověřit? Spousta otázek, kterými nás seriál Teorie velkého třesku raději nezatěžuje, si žádá odpověď.

Leonard dnes Penny odhalí poněkud kontroverzní myšlenku holografického principu. Zatímco jemu se dostane nečekané odměny, na nás zbyl nelehký úkol: proplést se spletencem strunných teorií a zjistit, jestli dokážeme holografický princip vysvětlit čtenářům, případně ho alespoň vzdáleně pochopit.

Kdy se dívat?

Všechny díly, ze kterých pocházejí naše ukázky, budou k vidění na stanici Prima Cool.

Na pátý díl VI. série se můžete v české premiéře podívat 30. května ve 21:20 (české znění). Stejný díl můžete sledovat v anglickém znění s titulky 31. května od 1:20 v noci.

Pod holografickým promítáním si obvykle představíme nějaký trojrozměrně zobrazený objekt vznášející se v prostoru, jak jej známe ze Star Wars a dalších sci-fi filmů. Takový hologram už umí vědci laserovými paprsky vytvářet od 60. let 20. století, i když stále mají co zlepšovat. "Holografický" ale označuje obecněji zaznamenání trojrozměrného objektu na dvourozměrnou plochu, nebo, ještě obecněji, zaznamenání více rozměrů do méně rozměrů. A to je hlavní teze holografického prinicpu - náš vesmír, a objekty v něm, je zaznamenán na ploše, a to, že jej vnímáme jako trojrozměrný, by mohla být jen iluze či projekce. Abychom lépe porozuměli tomu, proč vůbec vědci něco takového navrhli, musíme si udělat výlet do kvantové fyziky a teorie strun.

Počátky holografického principu ve strunách

Teorie strun začíná tam, kde končí fyzikální znalosti drtivé většiny populace (včetně našich). Jde vlastně o celou rodinu teorií (bosonická teorie strun, teorie superstrun, M-teorie, teorie polí a další), a jejich popisem zde nehodláme strávit ani odstavec. Pro nás to nejlépe shrnuje Randall Munroe v xkcd komiksu.

Teorie strun v kostce

Teorie strun v kostce

Holografický princip ovšem částečně vychází z teorie strun, respektive vznikl v podstatě jako pokus vyřešit některé paradoxy, na které vědci při tomto zkoumání narazili (zejména prostřednictvím myšlenkových principů).

Tak třeba černé díry. Vědce fascinují i proto, že jde o něco absolutního. Co se jednou vydá do černé díry a dostane se za "horizont událostí", nemá šanci se z díry dostat. Bude to stlačeno na minimální objem a stane se součástí singularity. Pro vnějšího pozorovatele daný objekt, částice či energie přestává existovat.

Foton, který se dostane příliš blízko černé díře, z ní již ani svou rychlostí...

Foton, který se dostane příliš blízko černé díře, z ní již ani svou rychlostí světla nemůže uniknout.

Černá díra by tedy účinně pohlcovala hmotu včetně její informace. To by ovšem vedlo k porušení druhého zákona termodynamiky formulovaného pomocí entropie, tedy že v uzavřeném systému musí entropie (neuspořádanost) stále narůstat. Černá díra však zatím ve vesmíru spíše "uklízela", a entropii tak, jak se zdálo, snižovala.

Hawkingovo záření a informační paradox

Hawkingovo vyzařování spočívá v kreaci dvojice částice-antičástice těsně za...

Hawkingovo vyzařování spočívá v kreaci dvojice částice-antičástice těsně za hranou horizontu událostí černé díry. Zatímco částice se vydala směrem, který jí umožnil přežít, antičástice zahučela do černé díry a snížila tak její hmotnost/energii. Navenek to tedy vypadá, jako když černá díra vyzářila částici.

Ale ukázalo se, že černá díra není tak docela černá. Stephen Hawking, jeden z nejznámějších teoretických fyziků současnosti, v roce 1975 ukázal, že černá díra může vyzařovat energii. Děje se to díky "náhodné" kreaci dvojic částic a antičástic na samotném horizontu černé díry. Zatímco antičástice spadne do černé díry, částice z horizontu unikne. Hawking ve své slavné populárně-naučné knize Stručná historie času z roku 1998 vzpomíná na to, že původně chtěl dokázat, že černá díra opravdu nic nevyzařuje, nicméně výpočty jej přivedly právě k opačnému závěru.

No dobrá, máme tedy černé díry, které mohou dost zvláštním kvantovým jevem (někdy též "kvantové tunelování") vyzařovat energii i jiné částice. Ale pořád nám to nevyřešilo problém, který černá díra představuje pro entropii. Informace (nebo zmatek), který padá do černé díry, přestane pádem do ní existovat, a entropie by tak klesala, což termodynamika nepřipouští. Tomuto problému se říká informační paradox. Pokud by se totiž celá černá díra vypařila, všechny informace, které tam "možná" byly, tam už zcela jistě nejsou.

Fotogalerie

O řešení se pokusili vědci Gerard 't Hooft a Leonard Susskind v roce 1994. Podle nich je horizont černé díry velmi živým a rozmanitým místem, pokud se na něj podíváme dostatečně podrobně.

Díky živé výměně fotonů a dalších částic je horizont černé díry plný různých fluktuací "způsobených kombinací gravitačních a kvantových jevů. Právě tyto fluktuace by mohly být nositelem informace na povrchu černé díry," vysvětluje Petr Kulhánek, český teoretický fyzik a popularizátor astrofyziky. Vypadá to, že by se tedy informace nemusely ztrácet a entropie je zachována. Hawkingovo záření totiž nemá jen charakter "neinformačního" tepelného vyzařování, ale, pokud se dostatečně přiblížíme, nese informace o počátečním stavu.

Hawkingovo vyzařování spočívá v kreaci dvojice částice-antičástice těsně za...

Takhle podle některých vědců vypadá "povrch" horizontu událostí černé díry. Když se dostatečně přiblížíme, vidíme na povrchu plném fluktuací živou výměnu informací.

Holografický princip: nejen černé díry

Nebuďte jako Penny

Když se v seriálu Teorie velkého třesku mluví o vědě, s námi víte, která bije.

Ve spolupráci s televizi Prima COOL vám přinášíme upoutávky na nejnovější řadu populárního amerického sitcomu Thé Big Bang Theory (Teorie velkého třesku). V každé epizodě jsme pro vás vybrali jednu zajímavost z vědy nebo techniky a rozebrali ji jako skoro jako Sheldon Cooper... Bazinga! Přece jen, neomylnému géniovi samozřejmě konkurovat nemůžeme.

Výše zmíněný konstrukt je těžko dokazatelný, ale rozhodně fascinující. Mimo jiné říká, že na ploše (povrchu horizontu událostí černé díry) je zapsáno nějakým způsobem vše, co by se vešlo do jejího objemu. "Obdobná situace je známa v matematice, v teorii komplexní proměnné," připomíná Kulhánek. "Má-li komplexní funkce komplexní proměnné v určité oblasti komplexní derivaci (říkáme, že je holomorfní), postačí znát hodnoty této funkce na hranici oblasti a hodnoty uvnitř už jsou jimi určeny."

Ale vztahuje se to i na něco jiného, než na černé díry? Tady už se samozřejmě pohybujeme ryze v teoretické rovině, ale je tu teoretická možnost, že pokud lze na ploše zaznamenat libovolnou entropii v objemu uzavřeném touto plochou, pak by třeba i celý vesmír mohl být vyjádřen na ploše jako živá malba. Jacob Bekenstein se ve Scientific American zamýšlí nad tím, zda se holografický princip může týkat úplně všeho. Minulý rok dokonce v časopise Nature oznámil, že by mohl něco takového i experimentálně dokázat, byť nepřímo.

A pokud by se náhodou prokázalo, že holografický princip má pravdu, co by z toho vyplývalo?

To vážně netušíme.

Teoretičtí fyzikové ovšem v určité rovině o holografickém principu již dávno nepochybují (viz tisíce článků). Důležitou roli hrál holografický princip například při nalezení důležité souvislosti umožňující spojit klasickou teorii gravitace a teorii konformního pole (tzv. AdS/CFT korespondence), o kterou se zasloužil teoretický fyzik Juan Maldacena. To už je ale opravdu mimo horizont událostí našeho článku a do této černé díry se nemůžeme nechat vtáhnou.

Zdroje a odkazy

Holografický princip ani teorie superstrun nepatří mezi naše supersilné strunky, tedy stránky. Proto zájemcům doporučujeme podrobnější vysvětlení problematiky v následujících materiálech.

Autor:

50. výročí přistání na Měsící

Americký kosmický let Apollo 11 splnil svoji misi 20. července 1969. Na povrch Měsíce jako první člověk vstoupil velitel posádky Neil Armstrong. Doprovázel jej Edwin "Buzz" Aldrin, zatímco Michael Collins zůstal na palubě vesmírné lodi.

Téma Apollo 11 v článcích Technet.cz:
O čem si povídali kosmonauti Apolla 11. Poslechněte si tisíce hodin „ticha“
Co kdyby Apollo 11 zůstalo na Měsíci? Pohřbili by je přes rádio zaživa
Vlajky na Měsíci stále stojí. Podívejte se na důkaz ze sondy LRO

Nejčtenější

Chyběl necelý metr. Parašutisté nekopali v kryptě obležené nacisty marně

Radarový průzkum krypty v únoru 2019

Po 77 letech od atentátu na Heydricha se podařilo prokázat existenci průchozí stoky před kostelem sv. Cyrila a Metoděje...

Nečekaný objev. Našli jsme stopy po posledním boji parašutistů

Stopy po výbuchu granátu, který podle dostupných indícií smrtelně zranil Jana...

Osmnáctého června 1942, ve čtyři hodiny deset minut ráno, začal v Resslově ulici v Praze nerovný boj. Stovky esesmanů...

Zelené peklo Normandie. Problém odhalených spodků vyřešil seržant Culin

Digitálně kolorovaná dobová fotografie lehkého tanku M5 Stuart s improvizovanou...

Během detailního plánovaní vylodění v Normandii a prvních fází následného postupu do nitra Francie se zapomnělo na...

Některé nejlevnější notebooky nedoporučí ani výrobce. Vyzkoušeli jsme je

Test nejlevnějších notebooků

Na rčení „nejsem tak bohatý, abych kupoval levné věci“ zákazníci často zapomínají. Otestovali jsme proto šest levných...

USA zesilují kyberútoky na Rusko. Je zrada to psát, říká překvapivě Trump

Amerika zvyšuje intenzitu kyberoperací vůči Rusku, chce tak údajně Rusko...

Spojené státy zvýšily intenzitu přípravy kyberútoku na sítě ruských elektráren. Reagují tak údajně na pokusy Ruska...

Další z rubriky

INTERAKTIVNĚ: Z malé účasti těží ANO, z vysoké Piráti? Najděte souvislosti

Prozkoumejte statistiky okresů ČR, najděte souvislosti a korelace

Výsledky voleb do Evropského parlamentu lze analyzovat z různých pohledů. Připravili jsme pro vás nástroj, s jehož...

Postavte si dělo na vatové tyčinky. Je to zábava a něco se naučíte

Jedním z makerů, který bude na Maker Faire Prague 2019 vystavovat je Matěj...

Cílem není získat stroj roznášející hrůzu a smrt, ale pobavit se při výrobě funkčního kanónu na vatové tyčinky. A taky...

NASA cvičila astronauty na Měsíc nad sopkou, které je dobré se bát

Krajina centrálního Islandu je nehostinné místo téměř bez života, tvořené...

Okolí islandské sopky Asjki je jedno z nejnehostinnějších míst na Zemi. Což je možná dobře, protože její divoká exploze...

Akční letáky
Akční letáky

Prohlédněte si akční letáky všech obchodů hezky na jednom místě!

Najdete na iDNES.cz