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:

Mohlo by vás zajímat: Černobyl

Černobylská havárie se stala 26. dubna 1986 v černobylské jaderné elektrárně na Ukrajině (tehdy část Sovětského svazu). Vzpomínka na tragédii v těchto dnech oživila televizní minisérie Černobyl.

Téma Černobyl v článcích Technet.cz:
Brzda místo plynu a plyn místo brzdy. To byl Černobyl
Havárie neskončí před rokem 2065. Černobyl polyká tuny vody a miliardy eur
Výbuch roztavil beton a tisícitunový poklop létal vzduchem. Černobyl 1986

Nejčtenější

Scéna jako z hororu. Na střeše mrakodrapu vrtule rozsekala cestující

Havárie vrtulníku N619PA na střeše budovy PAN AM 16.5. 1977

Části zdeformované vrtule se do ulic New Yorku řítily jako smrtící neřízené projektily. Vrtulník společnosti New York...

Třímachový zabiják letadlových lodí Suchoj T-4 byl velkým žroutem rublů

Suchoj T-4

Historie letectví se pozoruhodnými stroji jenom hemží. Jedním takovým byl i sovětský bombardér Suchoj T-4. Vznikl pouze...

Osudový omyl. První a poslední přistání proudového letadla v Olomouci

MiG-21F trupového čísla 0618 s nímž v Olomouci tragicky havaroval kadet Omran...

Bylo mu 23 let, když se u Přerova učil létat na vysoce výkonném letounu Mig-21F. Podcenil však zadání úkolu a při...

Kilogram má novou definici. Jeho fyzická podoba ztratila 50 mikrogramů

Kopie originálu kilogram z Paříže v americké laboratoři Sandia. Podobné vzory

Od 20. května začala platit nová definice kilogramu. Ta již nebude mít fyzickou podobu, ale bude odvozená od pevné...

Jarní aktualizace Windows 10 je ke stažení. Microsoft se moc nepředvedl

Světlý motiv v jarní verzi Windows 10  2019

Microsoft uvolnil ke stažení velkou jarní aktualizaci Windows 10. Nečekejte však žádné velké změny. Většina se odehrála...

Další z rubriky

Kilogram má novou definici. Jeho fyzická podoba ztratila 50 mikrogramů

Kopie originálu kilogram z Paříže v americké laboratoři Sandia. Podobné vzory

Od 20. května začala platit nová definice kilogramu. Ta již nebude mít fyzickou podobu, ale bude odvozená od pevné...

Velký omyl českého rodáka odstartoval snahy o ovládnutí energie Slunce

Ronald Richter pracující na projektu Huemul. Snímek z argentinského zdroje není...

Příběh fyzika Ronalda Richtera, rodáka z dnešního Sokolova, dokazuje, že ve vědě slepé uličky opravdu mohou vést na...

Brontosaurovi potvrdili jméno až v roce 2015. Práskal ocasem jako bičem

Stádo brontosaurů na pochodu. Tito obří sauropodi se zřejmě sdružovali do...

Brontosaurus, tedy v doslovném překladu „hřmotný ještěr“, patří k nejznámějším a nejpopulárnějším dinosaurům vůbec....

Najdete na iDNES.cz