Sciencemag.cz
Doporučujeme
Fyzikální svět vnímají informatici a matematici vesměs jako překážku – typicky něco lze sice vypočítat (rozlomit šifru apod.), ale trvalo by to třeba déle, než je doba existence vesmíru. Černé díry však takový pohled na věc poněkud komplikují až obracejí.
Celá záležitost je značně bizarní, protože mj. zahrnuje možnost se kvůli řešení určitého problému do černé díry prostě vrhnout – a to už vyžaduje značnou oddanost vědě a touze po poznání, však jde o krok totálně jednosměrný a nevratný. Výklad celého jevu je bohužel poměrně komplikovaný, samozřejmě i hodně hypotetický („pokud pomineme, že…“), nicméně snad dostatečně zajímavý.
Začněme třeba od toho, že v matematice překvapivě existují problémy, které jsou standardními prostředky tzv. nerozhodnutelné. Jde přitom stále o normálně definované matematické problémy – fakt, že tímto způsobem nelze odpovědět na otázku po smyslu života, by asi překvapil málokoho. Celá teorie souvisí mj. s možnostmi výpočetních systémů, kterým se říká Turingův stroj, a s objevy rakouského logika a matematika Kurta Gödela. Každopádně Turingův stroj představuje obecný výpočetní koncept, od něhož se odvozují současné výpočetní systémy. Existuje dokonce tzv. Churchova (Churchova-Turingova) teze, podle níž cokoliv vypočitatelného je vypočitatelné nějakým Turingovým strojem.
Začíná to působit trochu jako definice kruhem, takže to, že existují i úlohy nerozhodnutelné, je nejlépe vzít alespoň provizorně prostě jako fakt. Může jít třeba o problémy, které vyžadují projít nekonečně možností. (Další odbočka: samozřejmě ale ne všechny úlohy, kde nějak figuruje nekonečno, jsou nerozhodnutelné. Třeba to, že prvočísel je nekonečno, se dá dokázat celkem jednoduše bez toho, aby bylo třeba nechávat počítač procházet všechna čísla.)
Nás zde bude zajímat, že některé z klasicky nerozhodnutelných úloh by kupodivu mohly být řešitelné s použitím prostředků relativistické fyziky. Dále popsaný postup kupodivu není výplodem chorého mozku, ale celkem standardní akademickou vědou (Kolektiv autorů: Umělá inteligence 5, Academia 2006, podle části Výpočetní meze kognitivních a inteligentních systémů od prof. Jiřího Wiedermanna).
Takže konečně k věci. Dejme tomu, že vás zajímá, zda platí věta, dle které lze každé sudé číslo větší než 2 vyjádřit jako součet dvou prvočísel (tzv. Goldbachova domněnka). Dejme tomu, že problém nejde řešit jinak než tím, že projdete všechna čísla. To je potíž: sudých čísel je nekonečně, můžete sice odhalit protipříklad, ale platnost domněnky takhle neprokážeme nikdy – vždy bude zůstávat možnost, že někde dále existuje sudé číslo, které takto vyjádřit nepůjde.
Relativistická fyzika se všemi svými dilatacemi a kontrakcemi ale podle všeho připouští konstrukci zvláštního uspořádání, při němž počítač necháme počítat nekonečně dlouhou dobu a sami se přitom uchýlíme do systému, v němž zatím uplyne pouze konečný čas. Jinak řečeno, náš vlastní čas se nekonečně zpomalí a my si tedy budeme moci počkat i na výsledek nekonečně dlouhého výpočtu. Pokud počítač najde řešení (zde protipříklad konkrétního sudého čísla), vyšle nám příslušný signál.
Jak experiment uspořádat? Počítač provádějící výpočet by prý mohl obíhat kolem černé díry, zatímco zvídavý matematik by do ní padal. Podle všeho by přitom mělo (teoreticky!) jít zařídit i to, aby počítač předal padajícímu pozorovateli výsledek svého výpočtu. Samozřejmě zůstává i tak celá řada sporných míst, počítač počítající nekonečný čas by spotřebovával stále více paměti, vyžadoval stále více energie atd. Nakonec i černé díry jsou model, bezprostřední zkušenost s nimi nemáme a mohou se chovat jinak, než si dnes myslíme (však se k jejich podivnostem ještě dostaneme). To ale všechno pomiňme, nejde nám primárně o nic jiného než o bizarní myšlenkový experiment.
Teď se na věc podívejme očima padajícího pozorovatele. Pokud stroj najde protipříklad, pozorovatel se dozví, že Goldbachova domněnka neplatí – ne že by s tou informací mohl dále zvlášť pracovat, pro něj samotného už není návratu a nikomu o svém objevu neřekne (signál může zachytit, ale on sám už žádný signál z černé díry ven vyslat nemůže), kvůli časovému efektu jeho civilizace mezitím už nejspíš stejně dávno zanikla atd.
V opačném případě, když stroj protipříklad nenajde, padající pozorovatel dosáhne vnitřního horizontu černé díry a v tu chvíli nahlédne jakoby celou minulost vesmíru. Jeho poslední myšlenka může být: stroj výpočet nikdy nedokončil, nevyslal signál. Neexistuje tedy žádné sudé číslo větší než 2, které by nešlo vyjádřit jako součet dvou prvočísel, Goldbachova domněnka tudíž platí. To bude závěrečné hnutí zvědavcovy mysli a pak přijde konec.
Znovu: nejde teď o to, zda lze skutečně zařídit, aby pozorovatel padající do černé díry nezhynul dávno předtím (tak například, v extrémním gravitačním poli se natolik liší gravitační síla působící na různé části pozorovatele, že ho ihned roztrhá). Experiment je to myšlenkový, někomu na něm může přijít nejzajímavější ne matematika či fyzika, ale psychologie: pozorovatel, který by byl toto vše ochoten podstoupit, by prokázal neuvěřitelný zájem o řešení daného problému. Vědomí o výsledku by mohlo být jeho skutečně poslední myšlenkou, o níž by se přitom nemohl s nikým podělit. Na rozdíl od jedince upáleného za svůj objev inkvizicí by se nemohl utěšovat ani tím, že mu budoucnost dá za pravdu, nedostal by se do žádné učebnice a nakonec by si nemohl užít ani vlastní proces řešení – výpočet by prováděl počítač bez jeho přispění. Jedinou odměnou za to všechno by byl samotný výsledek: teď vím, jak to je.
Když ponecháme stranou psychologii, subjektivně se mi na tom zdá nejzajímavější věc zmíněná v úvodu: fyziku při počítání většinou vnímáme jako překážku. Zde je to naopak: Matematika, respektive informatika, prohlašují úlohu za nerozhodnutelnou, ale fyzika alespoň teoreticky nabízí řešení. Náhle není v roli někoho, kdo jen překáží, ale naopak otevírá cestu. Churchova teze, o níž se všude v učebnicích informatiky píše, že samozřejmě platí, ale formálně to bohužel nejde dokázat, je tak možná prostě chybná!
Mimochodem, kvůli čemu byste se do černé díry byli ochotni vrhnout vy?
Co přidat dvojníky?
Australský matematik a autor velmi kvalitní sci-fi Greg Egan v jedné ze svých povídek dokonce experiment ještě vyostřuje (Greg Egan: Luminous, Talpress 2011, povídka Planckův skok). Hrdinové si nechají pořídit své kopie a experiment s černou dírou provedou až ony. Pak si lidé můžou říct: odpověď neznám, ale někde žil můj dvojník (druhé já), který ví, jak to je (a já tuto svou kopii kvůli řešení problému nechal zemřít; jesli se na mě dvojník třeba trochu nezlobí?). Velmi sofistikované uspokojení a povolení experimentu by byla jistě skutečná výzva pro všemožné etické komise.
Stroje a oracula
Ovšem pozor, ani černá díra není univerzální kouzelnou hůlkou. I když „něco za Turingův stroj“ by takhle spočítat jít mohlo, nelze z toho vyvodit, že tímto způsobem (samozřejmě, znovu: kdyby to tak vůbec fungovalo) lze řešit veškeré problémy, v nichž vystupují nekonečna.
Představte si třeba domněnku, že existuje nekonečně prvočíselných dvojic, tedy takových prvočísel, která se od sebe liší o 2 (3 a 5, 17 a 19…). Teď se vraťme do černé díry. Zjistíme, že vlastně vůbec nevíme, kdy má počítač vyslat signál. Prohledává nekonečně čísel, tu najde dvojici, běží dál, zase najde nějakou… V jakém okamžiku by měl signálem hypotézu falzifikovat? Tohle přirozeně nejsou žádné objevné postřehy, v logice a počítačové vědě tomu odpovídá celá teorie o různých typech Turingových strojů, které mají k dispozici tzv. oracula atd. Každopádně to ukazuje, že i výroky o nekonečnech mohou být různě složité. Jaké gödelovsky nerozhodnutelné věty lze řešit „s nekonečným časem“ a jaké odolají i takto extrémním prostředkům, diskutuje trochu z jiné strany např. John Barrow v knize Pí na nebesích (Mladá fronta 2000).
Goldbachova domněnka či věta o prvočíselných dvojicích budou nejspíš časem nějak rozhodnuty prostředky klasické matematiky, nebude třeba prohledávat nekonečna. Oba problémy zde sloužily jen jako celkem dobře představitelné příklady.
Pro zájemce: Celkem srozumitelný výklad fungování Turingova stroje i o mezích výpočetních systémů viz např. David Leavitt: Muž, který věděl příliš mnoho, Argo a Dokořán 2008.
Populárním úvodem do Gödelových objevů je např. Rebecca Goldsteinová: Neúplnost, Argo a Dokořán 2006, techničtější, ale stále populární, je Gödelův důkaz (autoři James Roy Newman a Ernest Nagel, Vutium 2006).
Jedná se o úryvek z knihy Zvrhlá věda
Zvrhlá věda je sbírkou kuriozit, zajímavostí, hypotéz, sporů i dedukcí – a hlavně dobrá zábava, za kterou by se nemusel stydět ani Ig Nobel.
Autor: Pavel Houser
Nakladatel: Nová vlna
Jazyk: čeština
Počet stran: 370
129 Kč
Čistě hypoteticky. Pokud by v oné raketě, namísto člověka, byl přístroj pracující s kvantovou provázaností, bylo by možné takto získat informaci z poza horizontu událostí? Existuje teorie, hypotéza, o částicích za horizontem? Nejsou uvězněny ve vlasti bublině „nečasu“ a kvantová provázanost je tedy vyloučena? Máte-li nějaký zdroj informací (o víše zmíněném), byl bych za něj vděčný. M.R. and.apolo@seznam.cz. Děkuji.
pozdni reakce, pardon – v uvedenem konceptu se urcite s predavanim informaci ven z cerne diry nepocitalo, pouze dovnitr. ale podle vseho jen ten koncept stejne bludny, z rady duvodu…