Jak funguje informační paradox a proč černé díry nemají vlasy

Odpovědi na proč a jak funguje vesmír. Psáno pro Tima, mého syna, ale určitě si to rádi přečtou i jiní. Dneska o tom, jak nám černé díry vykusují informace z vesmíru.

Drahý Time,

v minulém článku jsme nakousli, jak se z galaktických černých děr stávají ty nejjasnější objekty ve vesmíru - kvazary. Je to z anglického quasi stellar, jako hvězda. Jsou to vesmírní otesánci, kteří zhltnou vše, co se k nim neopatrně přiblíží, včetně informací.

Jak vypadá černá díra

Jako díra v časoprostoru, kus temna. Obvykle, pokud má ale co žrát ji obklopuje prstenec prachu a plynu, který se velmi rozzáří gravitační energií, jak je strháván do chřtánu nenasytné příšery. Ale to není jediná možnost, jak najít černou díru. I když je třeba uprostřed mezi galaktické pustiny, můžeme ji najít. A to hned dvěma způsoby. Jednak může zářit Hawkingovým zářením, více viz můj předchozí článek, ale to se týká jenom hypotetických primordiálních černých děr, jinde je to mimo schopnosti našich měřících přístrojů. Anebo ji uvidíme nepřímo, díky gravitačnímu čočkování. Je to podobné, jako na níže uvedeném obrázku, ale tam je to s galaxií.

Najednou místo jedné vzdálené galaxie nebo jiného objektu, který je z našeho pohledu za galaxií uvidíme třeba hned čtyři různé obrazy toho samého objektu. Sama singularita je ale příliš malá, takže tam se to projeví zjasněním objektu, asi tak jako když si lupou propaluješ papír zaostřeným světlem ze sluníčka.

I když to vypadá složitě, ve skutečnosti se dá jakákoliv černá díra popsat třemi základními hodnotami - hmotností, elektrickým nábojem a momentem hybnosti. Nezáleží na tom, co černá díra snědla, všechno co do ní spadne se projeví jenom jako možná změna těchto tří hodnot. Proto se říká, že černá díra nemá vlasy. Tedy že neuchovává žádné podrobnější informace o tom, co zbaštila. Je to podobné, jako bys měl dvojčata, kterým předepíšeš hodně rozdílnou dietu, ale dodržíš, že každý den budou konzumovat stejně velkou hmotnost jídla. Jedno se bude cpát keto dietou a druhé baštit pouze sladké. Po měsíci logicky bude vypadat každé jinak, ale pro černé díry to neplatí. Kdyby jsi našel mezi nimi ekvivalent dvojčat a jednu nakrmil třeba menší hvězdou a druhou cpal mezihvězdným plynem o stejné hmotnosti, na konci budou vypadat obě dvě díry stejně. jsou plešaté.

Informační paradox

Ve fyzice platí, že dokážeš ze stávajícího stavu odvodit, jak to vypadlo v minulosti. Anebo předpovědět, jak to bude vypadat v budoucnosti. Když Tě ráno probudí budík a ty jsi pod peřinou v posteli, dokážeš si odvodit, že jsi do ní musel včera večer zalézt. A pokud se rozhodneš ještě spát, dokážeš si představit, že přijdeš pozdě do školy a bude průšvih.

Tohle u černých děr neplatí. Ať do ní spadne co spadne, změní se pouze hmotnost, elektrický náboj, moment hybnosti. Nezáleží ani na tom, jak vypadal objekt předtím, než se z něj stala černá díra. Právě tomu se říká informační paradox. Mnoho různých původních stavů nakonec skončí jako stejné černé díry, ochudí to vesmír o podstatnou informaci. Tento princip, že se dá otočit směr času a podívat se do minulosti je společný jako pro relativistickou, tak pro kvantovou fyziku. A fyzikové se to celé snaží řešit už od sedmdesátých let, kdy Stephen Hawking přišel se svoji hypotézou o vypařování černých děr. Zřejmě nejpopulárnější je ADs-CFT hypotéza, která tvrdí, že vypařování černé díry je kvantově korelované a tak nese informaci zevnitř singularity. Dokonce k tomu našli podporu v rámci teorie strun. Jiní třeba přišli s nápadem, že by uvnitř černé díry mohl vzniknout jiný vesmír a temná energie by potom byl důsledek požírání hmoty černou dírou. Jak se zdá, jenom velmi málo fyziků je ochotno se smířit s tím, že se informace nevratně ztrácí z našeho vesmíru. Ale byl bych nerad, kdyby z toho vznikla představa, že náš vesmír je deterministický, něco jako hodinový stroj, plný ozubených koleček, co tikají. Ne, je stochastický, náhodný, ale pořád platí, že černé díry na z vesmíru vykusují informace.

Nosí černé díry paruku?

Zajímavé to začíná být, když zatáhneme do hry temnou hmotu. Kanadský fyzik řeckého původu Stefanos Aretakis tvrdí, že pokud černá díra rotuje dost rychle a nachází se ve skalárním poli, měli bychom charakteristiku singularity rozšířit i o tzv. Aretakisův náboj. O co se jedná? Vědci předpověděli, že pokud splynou dvě černé díry, nebo singularita pohltí hvězdu, měli bychom naměřit gravitační vlny s drobnými vrcholy vln o jedné frekvenci. Právě když spolu splývají dvě galaktické černé díry je tak energeticky ohromný proces, že to otřese doslova celým vesmír a rozvlní to časoprostor tak, že to dokážeme detekovat i milióny světelných let daleko. Prozatím jsou naše přístroje, jako je LIGO, příliš málo citlivé, abychom tuto hypotézu dokázali potvrdit nebo vyvrátit. Pokud bychom podobné signatury v gravitačních vlnách našli, znamenalo by to, že sice černé díry nemají vlasy, ale alespoň  na nějaký čas si nasadí paruku. A také by nám to mohlo pomoci při detekci temné hmoty, po které tak usilovně pátráme už dlouhé roky.