I když jde jistě o spekulaci, přece jen by taková možnost vyřešila některé z problémů, které fyziky dlouho trápí. A dokonce zde existuje šance, že tuhle otázku rozřeší experiment.
O černých dírách toho byla napsána už spousta, ale přesto nebude na škodu, pokud si dříve, než se vrhneme na obsah nové studie, povíme minimum o tom, co jsou zač a odkud se berou.
Hvězdou to začíná, dírou končí
Do moderní fyziky se černé díry dostaly díky průkopnickým pracím Karla Schwarzschilda z roku 1916, které ve dvacátých letech rozpracoval podrobněji Subrahmanyan Chandrasekhar a později i Robert Oppenheimer. Mezi současné teoretiky známé širší veřejnosti, kteří se o pokrok v této oblasti hodně zasloužili, patří určitě Stephen Hawking, Roger Penrose nebo Igor Novikov.
Teorie černých děr je založená na Einsteinově obecné teorii relativity, novodobé teorii gravitace. Podle ní každé těleso, které se stlačí pod určitou minimální velikost, takovou černou díru vytvoří. Jako o nejčastějším mechanismu vzniku černé díry se hovoří v souvislosti s kolapsem hvězd, třebaže mechanismů u jiných typů děr může být více. Pokud je na konci své životní pouti hvězda dostatečně hmotná, tlak pocházející z pohasínajících termonukleárních reakcí uvnitř ní nebude s to čelit gravitaci, hvězda se stane nestabilní a zhroutí se.
Černou díru dělá černou tzv. horizont událostí. Je to oblast prostoru představující jakýsi bod zlomu, hranici, zpod které se již nejde dostat. Jelikož se světlo šíří konečnou rychlostí a jeho pohyb je gravitací ovlivňován (paprsky světla se řídí geometrií prostoru), ani světlo se zpoza horizontu událostí ven nedostane.
Zakřivení (času)prostoru hmotným tělesem. Díky Einsteinově obecné teorii relativity víme, že gravitace není nic jiného než zakřivený časoprostor. Když se to s křivostí přežene, z časoprostorové propasti se nedostane už nic, ani světlo ― na světě je černá díra. Autor: O. Klimánek
Astronomové nemohou černé díry pozorovat přímo (vždyť vlastně není co), ale o jejich existenci mají již mnoho nepřímých důkazů. Černé díry totiž svou obrovskou gravitací intenzivně působí na okolí. Vědci kolem nich pozorovali tzv. akreční disky tvořené hmotou, jež kolem černé díry krouží, vysílá rentgenové záření a nakonec do ní padá. Akreční disky se utvářejí například v důsledku přítomnosti hvězdné společnice, z níž díra nasává hmotu, která se kolem černé díry kupí. Obří akreční disky vznikají rovněž v centrech galaxií obývaných supermasivními dírami s hmotnostmi několika milionů či miliard Sluncí.
Binární systém XTEJ1550. Černá díra, která vznikla kolapsem skomírající hvězdy, požírá hmotu ze své hvězdné společnice. Klikněte pro detailní pohled.
Avšak bez ohledu na množství a relevanci důkazů je zde pořád možnost, že černé díry neexistují. Ne proto, že by vědci špatně interpretovali daná pozorování, ale proto, že by mohlo jít o díry červí.
Touto možností se právě nedávno ve svém článku zabývali dva fyzici Thibault Damour z Institut des Hautes Etudes Scientifiques v Bures-sur-Yvette ve Francii a Sergey Solodukhin z Mezinárodní univerzity v německých Brémách. Ukázali, že červí díry od těch černých nejde vůbec rozeznat.
Akreční disk kolem supermasivní černé díry v jádru galaxie NGC 4261, od nás vzdálené zhruba 100 milionů světelných let. Hmotnost černé díry byla určena na neuvěřitelných 1,2 miliard Sluncí. Klikněte pro detailnější pohled.
Tunely do země neznámé
Červí díry představují jakési tunely novou dimenzí, které mohou spojovat buďto dvě oblasti ve vesmíru (i v odlišných časech), nebo dokonce dva odlišné vesmíry. Tyto objekty jsou sice vděčným tématem science fiction, ale s jejich reálnou existencí v našem vesmíru to nevypadá nijak růžově (o tom za chvíli). Pokud chcete získat názornou představu o tom, co to červí díra je, představte si třeba červa na povrchu jablka. Červík se nachází na dvojrozměrné ploše, a pokud by neznal třetí rozměr, na druhý konec jablka by se mohl vydat jen zdlouhavou cestou po slupce. Když se ale červ pustí na druhou stranu jablka třetím rozměrem, když se začne jablkem prokousávat, cesta bude mnohem kratší. Stejně tak by fungovala červí díra v prostoru. Pokud by tyto objekty existovaly, mohly by umožnit cestování na obrovské vzdálenosti za podstatně kratší čas. Nebo by bylo možné je využít i jako stroje času. Nebo také jako okna do jiných vesmírů.
Červí díra je jakýmsi tunelem spojujícím dvě vzdálená prostorová místa. Šlo by ji využít i jako stroje času nebo jako brány do jiných vesmírů. Autor: O. Klimánek
Není díra jako díra
Jaký je ale rozdíl mezi černou dírou a červí dírou? Pokud jsme výše řekli, že odlišit černou díru od červí by nebylo prakticky možné, znamená to mimo jiné i to, že pozorování akrečních disků a jiných jevů by zůstala v platnosti. Nejde pak jen o problém s pojmenováním? Nestačí zaměnit slovo „černá“ za „červí“ a je po problému? Nejde, nestačí a není. Červí díry se od těch černých liší. A to podstatně. Z „globálních“ vlastností jde hlavně o ten aspekt, který z černé díru onu černou díru dělá. Ano, horizont událostí. Horizont událostí totiž u červích děr zcela chybí. Jinými slovy to znamená, že to, co do červí díry spadne, se z ní může po nějakém čase opět vynořit.
Nehledě na jednotlivé rozdíly vnější pozorovatel od sebe červí a černé díry prostě jen tak nerozezná. I když jedna možnost zde je, vlastně dvě. První se ale nikomu zamlouvat nebude ― rozlišit červí díru od černé by šlo přímým skokem do ní. Pokud by červí díra měla vhodný tvar a velikost, gravitace vás nerozcupovala na elementární částice a vůbec, jestliže by vám přálo vám velké štěstí, díky jakémusi jo-jo pohybu byste se mohli objevit zase zpátky. V případě černé díry byste měli smůlu, buď jak buď.
Druhý způsob, jak tyto dva typy děr od sebe rozlišit, je přece jen vědečtější a naprosto bezpečný.
Není to tak černé
V sedmdesátých letech minulého století známý teoretický fyzik Stephen Hawking zjistil, že černé díry nejsou zas až tak černé. Ne že by svou prací nějak chtěl svrhnout výsledky založené na Einsteinově teorii, ale jako prvnímu se mu podařilo do výpočtů provedených v rámci obecné teorie relativity zakomponovat kvantově-mechanické efekty. Šlo o důležitý pokrok, protože jak fyzici vědí, kvantová mechanika (vládnoucí ve světě mikrokosmu) a obecná teorie relativity (popisující svět na velkých měřítkách) se vzájemnému spojení urputně brání. O tomto tématu je více napsáno například ve článku Začal hon na čtvrtou prostorovou dimenzi. Hawkingovy výpočty ukazovaly na to, že z černé díry by v důsledku kvantově-mechanických efektů mělo unikat záření ― jinými slovy, černé díry by se měly vypařovat. Právě zde se ukrývá druhá možnost, jak rozhodnout, zda daný objekt je černou, nebo červí dírou.
Známý teoretický fyzik Stephen Hawking.
Hawkingovo záření rozhodne
Jelikož u červí díry chybí horizont události, zmíněné Hawkingovo záření je ukazatelem, nebo v principu může být, zda inkriminovaný objekt je černou, nebo červí dírou. Problém je ale ten, že Hawkingovo záření nebylo ještě nikdy pozorováno. Důvod tkví ve skutečnosti, že normální hvězdné černé díry se vypařují opravdu velice pomalu, takže vysílané záření je značně slabé. Ještě pomaleji se vypařují díry galaktické, jež se skrývají v jádrech galaxií. Zkrátka čím je černá díra větší, tím pomaleji se vypařuje. Jedinou nadějí tak může být pozorování vypařování miniaturních černých děr. Předpokládá se, že ty mohly hojně vznikat v raném vesmíru, v němž panovaly pekelné podmínky charakteristické vysokou teplotou a hustotou prostředí.
Nebylo by asi schůdné nějaké miniaturní díry hledat v obrovském vesmíru. Bude mnohem lepší si na ně posvítit přímo zde, na Zemi. Obří urychlovač částic LHC, který se nachází poblíž švýcarské Ženevy, bude podle posledního oznámení CERNu konečně spuštěn na jaře příštího roku. Fyzici si od něj slibují mnoho. Snad už konečně přivede na svět částice, jimž se přezdívá Higgsovy bosony (které podle částicového modelu jsou zodpovědné za existenci hmotností ostatních částic), nebo možná potvrdí existenci supersymetrie a jiné a jiné věci. Ale fyzici rovněž míní, že by se z něj mohl stát kotel, ve kterém se mohou uvařit právě výše zmíněné miniaturní černé díry. Bát se však nemusíte; podle všeho by jejich vznik neměl přinést žádné problémy. Dříve, než by snad mohly fyzikům přerůst přes hlavu, se vypaří. Těm z vás, kdo nějaké obavy přece jen mají, nezbývá než doufat, že se Hawking ve svých výpočtech o vypařování černých děr nezmýlil.
Pokud se černé díry nevypaří, a pokud věříme, že by se vypařovat měly, pak to bude nejspíše opravdu znamenat, že to nejsou žádné černé díry, nýbrž právě miniaturní červí díry. Je to tedy zatím jediný spolehlivější ukazatel a soudce ve sporu, zda černé díry jsou černými dírami, nebo tunely do jiných částí vesmíru, jiných časů či snad zcela nových světů.
Stephen Hawking ― trochu futuristická představa
Problémy jsou však i jinde
Ačkoliv práce zmíněného německé fyzika a jeho francouzského kolegy ukazuje, že černé a červí díry jsou od sebe normálními prostředky nerozlišitelné, nikdo nemůže zaručit, zda červí tunely opravdu existují. O černých dírách toho víme už spoustu. Známe jejich vlastnosti, známe jejich chování a hlavně víme, jak vznikají. U červích děr není jistého skoro nic. Ačkoliv myšlenka, že jakási okna a tunely v časoprostoru mohou existovat, není nijak nová, jejich existence stojí na vratké půdě. Na toto téma vyšlo sice hodně prací, ve kterých fyzici navrhli různé červí díry, různé mechanismy jejich vzniku a podobně, ale jejich příběh je doprovázen stále řadou potíží.
Třebaže není vyloučeno, že červí díry mohou vznikat prakticky stejně jako černé díry ― gravitačním kolapsem starých, velmi hmotných hvězd ―, pořád to není dostatečně silný argument, o který by se dala jejich reálná existence v kosmu opřít. Problémem číslo jedna jsou totiž otázky kolem stability těchto časoprostorových koridorů. Jestliže dejme tomu červí díra tedy nějak vznikne, tak cokoliv, co do ní spadne, způsobí její náhlý rozpad. Aby tunel byl stabilní, je potřeba, aby ve vesmíru existoval jistý druh exotické hmoty. Ten je ovšem natolik exotický, že některým fyzikům nestojí ani za to, aby jeho existenci brali vážně.
Červí díra lepší černé
I přes problémy, se kterými se červí díry potýkají, nemůžeme jejich existenci jen tak snadno vyloučit. Nic je nezakazuje. A co není zakázáno, to se může stát. A mnozí fyzici by černé díry na úkor červích rádi obětovali. Proč?
Jak je výše zmíněno, černé díry vše beze zbytku pohlcují. Na tom by nebylo nic tak strašlivého. Kosmické vysavače se v mnoha případech mohou jevit i jako užitečné objekty, jichž by šlo využít coby obřích skládek. Nevíte, co s odpadem? - šup s ním do černé díry. Jenže je tady problém. Ale ne s kosmickými ekology. Nabízí se totiž jedna důležitá otázka. Kam se ztrácí informace nesená danou hmotou, která do černé díry spadla? Zákony fyziky neumožňují, aby se informace ztrácely. Dobrá, může vás napadnout, pokud se informace nemohou ztrácet, pak se tedy neztrácejí a dostávají se znova ven díky Hawkingovu záření. Máte určitě pravdu. Jenže potíž je v tom, že i scénáře úniku informací vázaných na Hawkingovo záření jsou zjevně rozporuplné. Tento tzv. informační paradox černých děr je velice závažnou otázkou současné teoretické fyziky. O této problematice najdete trochu více v článku Víte, co se stane, když hodíte slona do černé díry?
Právě zde by mnohým fyzikům byly po chuti červí díry. Jak jsme řekli, červím dírám zcela chybí horizont událostí, ona hraniční oblast prostoru, zpod níž již není návratu. Takže chybí-li horizont událostí, není nic, co by objektu spadlému do červí díry bránilo se znova z ní vynořit. Informace spadlá do červí díry se může zase objevit zpátky. Neztrácí se. Bylo by to triviální řešení paradoxu černých děr, protože by žádný paradox a vlastně ani černé díry neexistovaly.
Chceme-li ale je vědět trochu více, je třeba si počkat minimálně do příštího jara. To fyzici budou mít jasněji ve více otázkách soudobé fyziky. Pokud v urychlovači LHC miniaturní černé díry skutečně vzniknou a budou-li se vypařovat, na jednu stranu budou Thibault Damour a Sergey Solodukhin asi smutní, ale na stranu druhou budeme mít jiného vítěze; Stephen Hawking se totiž s velkou pravděpodobností stane laureátem Nobelovy ceny za fyziku.
