Sciencemag.cz
Doporučujeme
Podle Feynmana neexistuje jen jediná historie, ale mnoho různých možných historií; každá má svou pravděpodobnost.
David Shukman: Nobelova cena za fyziku se uděluje, pokud se teorie „osvědčí“, což v praxi znamená, že je potvrzena nezvratným důkazem. Například už v šedesátých letech předpověděl Peter Higgs a další vědci existenci částice, která uděluje ostatním částicím hmotnost. Trvalo bezmála padesát let, než dva detektory v LHC zaznamenaly známky existence částice, která dostala jméno Higgsův boson.
Byl to triumf vědy a techniky, chytré teorie a těžce získaných důkazů; a výsledkem byla Nobelova cena
pro Higgse a Belgičana Françoise Englerta. Prozatím nebyl nalezen žádný důkaz Hawkingova záření a někteří vědci tvrdí, že bude příliš obtížné je zachytit. Ale protože zkoumání černých děr pokračuje a dobírá se dalších a dalších podrobností, jednoho dne možná takový důkaz získáme.
Stephen Hawking: Když z černé díry unikne částice, černá díra ztratí část své hmotnosti a zmenší se. To způsobí zrychlení vyzařování částic. Nakonec černá díra ztratí veškerou svou hmotu a zmizí. Co se stane se všemi těmi částicemi a nebohými astronauty, kteří do ní spadli? Nemůžou se jen tak objevit, jakmile černá díra zmizí. Vypadá to, že veškeré informace o tom, co do černé díry spadlo, jsou ztraceny – všechny až na souhrnnou hmotnost, míru rotace a elektrický náboj. Ale pokud se tato informace skutečně ztratila, představuje to vážný problém, který otřese samou podstatou našeho chápání vědy.
Více než dvě století jsme věřili ve vědecký determinismus, tedy že vývoj vesmíru předurčují vědecké zákony. Tento princip formuloval Pierre-Simon Laplace, který tvrdil, že když budeme znát stav vesmíru v konkrétním okamžiku, vědecké zákony dokážou určit stav vesmíru v kterékoli minulé i budoucí chvíli. Napoleon se prý Laplace zeptal, jak do takové představy zapadá Bůh, a Laplace odpověděl: „Sire, bez této hypotézy jsem se obešel.“ Nemyslím si, že tím Laplace chtěl říct, že Bůh neexistuje – jenom tolik, že se nepokouší vědecké zákony porušit.
Tak by se k tomu měl stavět každý vědec.
Vědecký zákon není vědeckým zákonem, pokud platí jen tedy, pokud se nějaká nadpřirozená bytost rozhodne dát věcem volný průběh a nezasahovat.
V rámci Laplaceova determinismu člověku stačí znát polohy a rychlosti všech částic v konkrétní chvíli, a dokáže předpovědět budoucnost. Jenomže my musíme brát v úvahu i princip neurčitosti, který v roce 1923 formuloval Werner Heisenberg a na kterém stojí celá kvantová mechanika.
Tento princip říká, že čím přesněji známe polohu částice, tím méně přesně můžeme znát její rychlost, a naopak. Jinak řečeno není možné znát přesně rychlost i polohu současně. Jak byste tedy mohli přesně předpovídat budoucnost?
Odpověď zní, že sice nemůžeme předvídat polohy a rychlosti částic odděleně, ale můžeme předpovědět takzvaný „kvantový stav“. V jeho rámci lze do určité míry přesnosti vypočítat jak polohu, tak rychlost. Takže stále předpokládáme, že vesmír je deterministický v tom smyslu, že pokud budeme znát kvantový stav vesmíru v určitém okamžiku, vědecké zákony nám umožní předpovědět jeho kvantový stav v libovolné jiné chvíli.
DS: Výklad, který začal objasňováním toho, co se děje na horizontu událostí, se prohloubil ve zkoumání nejdůležitějších filozofických témat, která se vědy týkají – počínaje mechanistickým světem Newtonových zákonů přes zákony Laplaceovy až po Heisenbergovu neurčitost –, a bodů, v nichž jsou tyto filozofické postoje problematizovány záhadami černých děr. V zásadě platí, že podle Einsteinovy obecné teorie relativity je informace, která pronikne do černé díry, zničena, avšak kvantová teorie tvrdí, že taková informace zničena být nemůže.
SH: Kdyby se informace v černé díře ztrácely, nedokázali bychom předpovídat budoucnost, protože černá díra by mohla vyzářit libovolný soubor částic. Mohla by vyzářit zapnutý televizor nebo v kůži vázaný soubor Shakespearových dramat, i když pravděpodobnost takového exotického záření je velmi malá.
Mohlo by se zdát, že na tom zas tolik nezáleží, že nedokážeme předpovědět, co z černé díry vyjde. Stejně poblíž žádné černé díry nejsou. Ale tady jde o princip. Pokud determinismus, předvídatelnost vesmíru, poblíž černé díry přestává platit, mohl by přestat platit i v jiných situacích.
A co hůř, pokud determinismus neplatí, nemůžeme si být jistí ani vlastní minulostí. Historické práce i naše vzpomínky by mohly být pouhou iluzí. Vždyť naše minulost nám říká, kdo jsme; bez ní ztrácíme vlastní totožnost.
Je proto velmi důležité určit, jestli jsou informace v černé díře skutečně ztraceny, anebo je v principu možné je získat zpět. Mnoho vědců mělo dojem, že informace by se ztratit neměly, ale nikdo nepřišel na to, jakým mechanismem by se daly ochránit. Debatovalo se o tom roky.
Nakonec jsem myslím našel odpověď. Opírá se o myšlenku Richarda Feynmana, že neexistuje jen jediná historie, ale mnoho různých možných historií a každá má svou pravděpodobnost.
V takovém případě máme dva typy historií – v jednom je černá díra, do které mohou padat částice, v tom druhém žádná černá díra není.
Vtip je v tom, že zvenčí nepoznáme s jistotou, jestli tam černá díra je nebo není. Takže vždycky existuje možnost, že tam není. Tahle možnost k zachování informace postačuje, ovšem informace se nám nevrací v příliš použitelné podobě.
Je to jako spálit encyklopedii: pokud zachytím všechen dým a popel, informace se neztratily, ale je těžké je přečíst. Spolu s fyzikem Kipem Thornem jsem se vsadil s dalším vědcem, fyzikem Johnem Preskillem, že informace v černé díře zanikají. Když jsem objevil možnost, jak by mohly být zachovány, uznal jsem, že jsem sázku prohrál. Věnoval jsem Johnu Preskillovi encyklopedii.
Možná jsem mu ale mohl dát jen ten popel.
DS: Ve zcela deterministickém vesmíru by teoreticky bylo možné spálit encyklopedii a pak ji znovu stvořit. Museli byste znát vlastnosti a polohu každého atomu v každé molekule inkoustu a papíru a v každém okamžiku o nich mít přehled.
SH: V současné době pracuji s Malcolmem Perrym, kolegou z Cambridge, a s Andrewem Stromingerem
z Harvardu na nové teorii založené na matematické představě zvané supertranslace.
Naším cílem je popsat mechanismus, jak se informace z černé díry dostávají zpět. Podle naší teorie jsou tyto informace zakódovány v horizontu událostí černé díry. Nespouštějte ho z očí!
Tento text je úryvkem z knihy
Stephen Hawking: Černé díry
Reithův cyklus přednášek pro BBC
Argo a Dokořán 2017
O knize na stránkách vydavatele
