Paradox, který trápí fyziku už půl století

Příběh začíná v 70. letech minulého století, kdy slavný teoretický fyzik Stephen Hawking dospěl k převratnému závěru. Pomocí takzvaných semiklasických výpočtů ukázal, že černé díry nejsou dokonale černé. Naopak vyzařují velmi slabé záření, dnes známé jako Hawkingovo záření.

Tento proces způsobuje, že černá díra postupně ztrácí energii a hmotnost. V případě že by měla dostatek času, mohla by se nakonec vypařit úplně.

V tom ovšem tkví jeden problém. Podle kvantové mechaniky nelze informaci z vesmíru jednoduše vymazat. Veškeré informace o fyzikálním stavu systému by měly být zachovány. Pokud ale černá díra skutečně zmizí beze stopy, co se stane s informací o hvězdách, plynu, planetách nebo jiných objektech, které do ní spadly?

Tato zdánlivá ztráta informace je v rozporu s jedním ze základních principů kvantové teorie, který můžeme znát také pod pojmem unitarita. Rozpor těchto elementárních principů je označován jako paradox informace v černých dírách a dodnes patří mezi největší nevyřešené problémy teoretické fyziky.

Sedm rozměrů místo čtyř

Nová studie vedená týmem Richarda Pinčáka přichází s možným řešením založeným na existenci dodatečných prostorových rozměrů.

Naše běžná zkušenost pracuje se třemi prostorovými rozměry a jedním časovým, tedy celkem se čtyřrozměrným prostoročasem. Některé pokročilé fyzikální teorie však předpokládají existenci dalších rozměrů, které jsou natolik malé nebo specificky uspořádané, že je přímo nepozorujeme - o čemž jsme již psali nebo jsme to alespoň trošku naťukávali v dřívějších článcích.

Největší kosmická záhada: Polovina vesmíru někam zmizela, nyní víme proč

Vědci ve své práci využili rozšířenou gravitační teorii známou jako Einsteinova–Cartanova teorie. Na rozdíl od obecné teorie relativity, která popisuje gravitaci jako zakřivení časoprostoru, umožňuje tato teorie ještě jeden efekt, takzvanou torzi.

Zjednodušeně řečeno, časoprostor se podle tohoto modelu nemusí pouze ohýbat, ale může se také určitým způsobem kroutit nebo zkrucovat, což hraje v novém scénáři velmi důležitou roli.

Torze jako obrana proti úplnému kolapsu

Výpočty ukázaly efekt, který se projeví při extrémních hustotách blízkých Planckově škále. V těchto podmínkách začíná torze vytvářet odpudivou sílu působící proti gravitačnímu kolapsu.

Místo toho, aby se černá díra zcela vypařila a zmizela, zastaví se poslední fáze Hawkingova vypařování. To má pak za následek vznik stabilního reliktu / mimořádně malého objektu s odhadovanou hmotností přibližně 9 × 10⁻⁴¹ kilogramu.

Tento pozůstatek by představoval jakousi konečnou fázi existence černé díry. Nebyl by dostatečně hmotný na další kolaps, ale zároveň by nezmizel.

Paměť ukrytá v pozůstatku černé díry

Pokud černá díra nikdy úplně nezanikne, informace nemusí být zničena. Podle autorů studie může být uchována přímo uvnitř stabilního reliktu.

Mechanismus ukládání informací je spojen s takzvanými kvazinormálními módy. Jde o specifické vibrační stavy, které lze přirovnat k doznívajícímu zvuku zvonu po úderu. V případě černé díry však nejde o zvukové vlny, ale o oscilace gravitačního a torzního pole.

Výzkumníci tvrdí, že kvantová informace by mohla být zakódována přesně do těchto dlouhodobě přetrvávajících vibrací. Relikt by tak fungoval jako jakýsi kosmický archiv, který uchovává kompletní historii objektů pohlcených černou dírou.

Výpočty naznačují, že relikt vzniklý z černé díry o hmotnosti našeho Slunce by mohl uchovávat přibližně 1,5 × 10⁷⁷ qubitů informace. To je nepředstavitelně vysoké číslo, které by podle autorů mohlo postačovat k zachování veškeré informace z původní černé díry.

Překvapivé spojení s Higgsovým polem

Možná ještě impozantnější jsou důsledky této teorie pro částicovou fyziku.

Při převodu sedmirozměrné geometrie na náš běžný čtyřrozměrný časoprostor totiž model přirozeně vytváří elektroslabou škálu o energii přibližně 246 GeV. Tato hodnota je úzce spojena s Higgsovým polem, které podle současného standardního modelu částicové fyziky uděluje elementárním částicím jejich hmotnost.

Autoři studie naznačují, že vakuová očekávaná hodnota torzního pole je s touto energetickou škálou dynamicky propojena. Takže vlastně stejný geometrický mechanismus, který brání úplnému vypaření černých děr, by mohl zároveň vysvětlovat původ hmotnosti částic.

Proč jsme další rozměry ještě neobjevili?

Pokud skutečně existují další rozměry, nabízí se logická otázka: proč jsme je dosud nepozorovali?

Podle autorů studie je důvod prostý. Částice spojené s těmito rozměry by měly obrovské hmotnosti odpovídající energiím kolem 8,6 × 10¹⁵ GeV.

To je přibližně sedm řádů nad možnostmi současného urychlovače částic, kterým je Velký hadronový urychlovač (LHC). Současná experimentální technika jednoduše nedokáže dosáhnout energií potřebných k jejich přímé detekci. Ale teorii by mělo jít v praxi otestovat i jinak.

Temná hmota a stopy z počátku vesmíru

Je možné, že relikty jsou úzce spojeny s temnou hmotou.

Temná hmota tvoří podle kosmologických měření významnou část hmoty ve vesmíru, přesto stále nevíme, z čeho se skládá. Pokud by po vypařených černých dírách zůstávaly stabilní relikty, mohly by představovat část této neviditelné hmoty.

Detekce jejich gravitačních účinků by pak znamenala velmi silný argument ve prospěch nové teorie.

Další možností je hledání stop sedmirozměrné geometrie v reliktním mikrovlnném záření nebo v primordiálních gravitačních vlnách vzniklých krátce po velkém třesku. Extrémní energetické podmínky raného vesmíru totiž mohly nést otisk fyzikálních procesů, které dnes již nejsou přímo pozorovatelné.

Nový pohled na strukturu reality

Je třeba však zdůraznit, že se stále jedná o čistě teoretickou práci - hypotézu. Žádný experiment zatím existenci takových reliktů nepotvrdil a samotná teorie bude muset projít dalším ověřováním.

Přesto studie představuje zajímavý příspěvek do debaty o jednom z největších problémů moderní fyziky. Namísto radikálního přepisování kvantové mechaniky nabízí možnost, že řešení paradoxu informace je ukryto v hlubší geometrické struktuře samotného vesmíru.