Pád do čiernej diery

(preklad článku BBC The strange fate of a person falling into a black hole)

Ak by ste spadli do čiernej diery, možno by ste čakali, že okamžite umriete. V skutočnosti by bol však váš osud ešte podivnejší.

Mohlo by sa to stať hocikomu. Možno pre ľudskú rasu hľadáte ďalšiu obývateľnú planétu, alebo ste možno len na príliš dlhej prechádzke a trošku sa pošmyknete. Bez ohľadu na okolnosti sa skôr či neskôr budete pýtať starú známu otázku: čo sa bude diať, keď padnem do čiernej diery?

Možno by ste čakali, že vás niečo rozdrtí alebo roztrhá na kusy. Realita je však ešte zvláštnejšia.

V okamihu, keď by ste vstúpili do čiernej diery, realita by sa rozdvojila. V jednej by ste boli okamžite spálení a v tej druhej by ste sa do čiernej diery ponorili úplne nezranení.

Ťažké predmety dokážu ohýbať samotnú štruktúru priestoru

Čierna diera je miesto, kde sa fyzikálne zákony, ako ich poznáme my, rúcajú. Einstein nás naučil, že gravitácia ohýba priestor a zakrivuje ho. Ak teda máme dostatočne hustý objekt, časopriestor sa môže natoľko ohnúť, že sa skrúti sám do seba a vytvorí tak dieru do štruktúry reality.

Masívna hviezda, ktorej sa minulo palivo, dokáže vyprodukovať dostatok takejto extrémnej hustoty a vytvoriť takýto rozbitý svet. Ako sa zdúva pod vlastnou váhou a rúca sa sama do seba, časopriestor sa „valí“ spolu s ňou. Gravitačné pole sa stane natoľko silným, že z neho nemôže uniknúť ani svetlo – spôsobí, že v oblasti, kde sa hviezda predtým vyskytovala, neostane nič než tma: čierna diera.

Najokrajovejšou hranicou čiernej diery je horizont udalostí. Je to presne ten bod, v ktorom je gravitačná sila dostatočná na to, aby zabránila svetlu uniknúť. Keď sa dostanete sem, niet úniku.

Horizont udalostí doslova žiari energiou. Kvantové efekty na okraji vytvárajú prúdy horúcich častíc, ktoré žiaria späť do vesmíru. Tento jav sa nazýva Hawkingova radiácia – pomenovaný je po Stephenovi Hawkingovi, ktorý ho predpovedal. Ak má čierna diera dosť času, vyžiari všetku svoju hmotu a zmizne.

Ako klesáte hlbšie do čiernej diery, priestor je čoraz zakrivenejší, až sa v strede zakriví donekonečna. Ide o singularitu. Čas a priestor už v tomto bode nedávajú zmysel a naše známe fyzikálne zákony už neplatia.

Čo sa tam deje, to nik nevie. Iný vesmír? Zabudnutie? Zadná strana knižnice (Interstellar ♥)? Odpoveď ostáva záhadou.

V čiernej diere sa priestor donekonečna zakrivuje

Takže čo sa stane, ak náhodou spadnete do jednej z týchto kozmických anomálií? Spýtajme sa najprv vašej vesmírnej spoločníčky – nazveme ju Anne –, ktorá s údesom sleduje, ako sa vnárate do čiernej diery, zatiaľ čo ona ostáva vonku v bezpečí. Z jej pohľadu sa začnú diať čudné veci.

Keď sa čoraz rýchlejšie blížite k horizontu udalostí, Anne vidí, ako sa naťahujete a skrúcate, akoby na vás hľadela cez obrie zväčšujúce sklo. Naviac, čím bližšie ste k horizontu, tým pomalšie sa z jej pohľadu pohybujete.

Keďže vo vesmíre nie je žiadny vzduch, nemôžete na ňu zakričať, no mohli by ste k nej vyslať správu v morzeovke, blikajúc svetielkom na svojom mobile. Vaše slová by sa k nej však dostávali čoraz pomalšie, keďže svetelné vlny by sa rozťahovali do stále nižších a červenších frekvencií: „Alright, a l r i g h t, a l r i...“

Keď dosiahnete horizont, Anne sa zdá, akoby ste zamrzli, akoby ktosi klikol na tlačidlo Pauza. Tam ostávate nehybní, roztiahnutí cez povrch horizontu, zatiaľ čo vás začína pohlcovať narastajúce teplo.

Z Anninho pohľadu vás toto roztiahnutie v priestore, zastavenie času a Hawkingova radiácia pomaly „vymaže“. Skôr, než vôbec vstúpite do temnoty čiernej diery, zmeníte sa na popol.

Ale ešte kým naplánujeme váš pohreb, zabudnime na chvíľu na Anne a pozrime si túto hororovú scénku z vášho pohľadu. Teraz sa začne diať čosi ešte čudnejšie: nič.

Na okraji čiernej diery je možno žiarivá ohnivá „stena“

Do cieľa, ktorý je v tomto prípade najzlovestnejším výtvorom prírody, sa plavíte bez úderov či nárazov alebo záchvevov – a rozhodne necítite žiadne naťahovanie, spomaľovanie či horúcu radiáciu. Je to preto, že sa nachádzate v stave voľného pádu, vďaka čomu necítite gravitáciu – Einstein to nazval svojou „najšťastnejšou myšlienkou“.

Napokon, horizont udalostí nie je nejaká tehlová stena, čo sa vznáša vo vesmíre. Je to uhol perspektívy. Pozorovateľ, ktorý ostal vonku, nevidí cez čiernu dieru, ale vy tento problém nemáte. Z vášho pohľadu tu žiadny horizont nie je.

Iste, ak by bola čierna diera menšia, mali by ste problém. Sila gravitácie by omnoho silnejšie pôsobila na vaše nohy než na hlavu a natiahla by vás ako špagetu. Našťastie, táto diera je veľká, milióny ráz hmotnejšia než naše Slnko, takže tieto sily, čo by mohli spôsobiť tzv. špagetifikáciu, sú také chabé, že ich budeme pokojne ignorovať.

Vlastne, v dostatočne veľkej čiernej diere by ste mohli pred dosiahnutím singularity prežiť zvyšok svojho života vcelku normálne.

Horizont udalostí nie je pevná, tuhá bariéra

Možno sa pýtate... nakoľko normálny by mohol byť, vzhľadom na to, že vás to „saje“ k roztrhnutiu v časopriestorovom kontinuu, ťahá proti vašej vôli a vy sa nemôžete otočiť späť?

No keď sa nad tým zamyslíte, všetci ten pocit poznáme, hoci nie práve v spojitosti s priestorom – ale s časom. Čas smeruje len vpred, nikdy dozadu, a ťahá nás proti našej vôli, bráni nám otočiť sa naspäť.

Nejde len o analógiu. Čierne diery zakrivujú priestor a čas do takých extrémov, že za ich horizontom si priestor a čas v podstate vymenia roly. V určitom zmysle slova je to skutočne čas, čo vás tiahne do singularity. Nemôžete sa otočiť a ujsť z čiernej diery, a rovnako sa nemôžete otočiť a cestovať do minulosti.

V tomto bode by ste sa mohli zastaviť a spýtať sa: Čo sa deje s Anne? Zatiaľ čo vy si to užívate v čiernej diere, obklopení prázdnym priestorom, prečo ona trvá na tom, že pod vplyvom radiácie pred horizontom ste boli spálení na uhoľ? Má vari halucinácie?

Hawkingova radiácia „vyteká“ von z horizontu udalostí

Anne sa v skutočnosti správa nanajvýš rozumne. Z jej pohľadu ste skutočne boli na hranici horizontu spálení na uhoľ. Nie je to žiadna ilúzia. Dokonca by mohla zozbierať vaše pozostatky a poslať ich domov vašim drahým.

Prírodné zákony „vyžadujú“, aby ste z Anninej perspektívy ostali vonku. Je to preto, že kvantová mechanika tvrdí, že žiadna informácia sa nemôže stratiť. Každá informácia, ktorá sa týka vašej existencie, musí ostať mimo horizontu udalostí, inak by boli porušené Annine fyzikálne zákony.

Na druhej strane, fyzikálne zákony taktiež „vyžadujú“, aby ste horizontom prešli bez stretu s horúcimi časticami či niečoho nezvyčajného. Inak by ste porušili Einsteinovu najšťastnejšiu myšlienku a jeho všeobecnú teóriu relativity.

Podľa zákonov fyziky by ste zároveň mali byť mimo čiernej diery vo forme kôpky popola aj vnútri, v čiernej diere, živí a zdraví. V neposlednom rade je tu ešte tretí fyzikálny zákon, ktorý hovorí, že informáciu nemožno klonovať. Musíte byť na dvoch miestach naraz, no môže pritom existovať iba jedna verzia vás.

Fyzikálne zákony nás smerujú k záveru, ktorý sa zdá dosť nezmyselný. Fyzici nazývajú tento hlavolam informačný paradox čiernych dier. Našťastie, ešte v 90. rokoch našli spôsob, ako ho rozlúsknuť.

Keď tam raz spadnete, nemožno vyjsť von

Leonard Susskind si uvedomil, že nejde o žiadny paradox, pretože nik váš klon neuvidí. Anne vidí len jednu verziu vás. Vy vidíte len jednu verziu samých seba. Vy a Anne si nikdy svoje pozorovanie nebudete môcť porovnať. A nie je tu žiadny tretí pozorovateľ, ktorý by videl zároveň vnútro i vonkajšok čiernej diery. V skutočnosti teda nie sú žiadne zákony porušené.

Teda, až na to, že sa môžete spýtať, ktorý z týchto príbehov je vlastne pravdivý. Ste skutočne mŕtvi, alebo skutočne žijete?

Veľké tajomstvo, ktoré nám čierne diery zjavili, spočíva v tom, že tu nie je žiadne „skutočne“. Realita závisí na tom, koho sa spýtate. Je tu Annino „skutočne“ a vaše „skutočne“. A bodka.

Teda, takmer. V lete 2012 fyzici Ahmed Almheiri, Donald Marolf, Joe Polchinski a James Sully, známi ako AMPS, vytvorili myšlienkový experiment, ktorý takmer prevrátil všetko, čo sme si mysleli, že vieme o čiernych dierach.

Nikto nevie, čo sa nachádza vnútri čiernej diery

Uvedomili si, že Susskindovo riešenie je založené na fakte, že akékoľvek nezhody medzi vami a Anne sú sprostredkované horizontom udalostí. Na tom, že Anne videla tú nešťastnú verziu vás – rozptýlenú pod vplyvom Hawkingovej radiácie –, pretože horizont jej zabránil uzrieť druhú verziu vás, ktorá sa vznáša kdesi vnútri čiernej diery.

Ale čo ak by jestvoval spôsob, ako by Anne mohla zistiť, čo sa nachádza na druhej strane horizontu, bez toho, že by ho musela prekročiť?

Všeobecná relativita by tvrdila „v žiadnom prípade“, ale kvantová mechanika tieto pravidlá trochu rozmazáva. Anne by mohla za horizont nakuknúť vďaka malému triku, ktorý Einstein nazval „záhadné pôsobenie na diaľku“.

Deje sa vtedy, keď sa dva súbory častíc, rozdelené v priestore, záhadne „prepletú“. Sú súčasťou jednej nerozdeliteľnej diery, takže informácia, ktorou by ich bolo možné popísať, sa nedá nájsť ani v jednej z nich – ale v spojeniach medzi nimi.

Častice vzdialené od seba veľmi ďaleko môžu byť záhadne „prepletené“

Nápad vedcov AMPS bol zhruba takýto. Povedzme, že Anne má v hrsti kúsok informácie z blízkosti horizontu – nazvime ju A.

Pokiaľ je jej príbeh pravdivý a je po vás a boli ste mimo čiernej diery upražení Hawkingovou radiáciou, informácia A potom musí byť prepletená s ďalším kúskom informácie, B, ktorý je taktiež súčasťou horúceho mračna radiácie.

Na druhej strane, ak je pravdivý váš príbeh a ste živí a zdraví na druhej strane horizontu udalostí, potom A musí byť prepletené s iným kúskom informácie, C, ktorý sa nachádza niekde vnútri čiernej diery.

V čom je problém? Každý kúsok informácie sa môže prepliesť iba raz. To znamená, že A môže byť prepletené buď s B, alebo s C; nie s obomi.

Čierne diery dokážu vysať hmotu z blízkych hviezd

Takže Anne si vezme svoju informáciu, A, a vloží ju do svojho príručného prístroja, ktorý dekóduje prepletenia častíc, a ten vypľuje odpoveď: buď B, alebo C.

Ak je odpoveďou C, váš príbeh vyhráva, no sú porušené zákony kvantovej mechaniky. Ak je A prepletené s C, ktoré sa nachádza hlboko v čiernej diere, táto informácia je pre Anne navždy stratená. Tým sa porušuje kvantový zákon, že žiadnu informáciu nemožno stratiť.

Ostáva teda B. Ak Annin dekódovací prístroj zistí, že A je prepletené s B, vyhráva Anne – a všeobecná relativita prehráva. Ak je A prepletené s B, Annin príbeh je jediný pravdivý, čo znamená, že ste boli spálení na uhoľ. Namiesto toho, aby ste preplávali horizontom, ako tvrdí relativita, narazili ste do horiacej steny.

Sme teda opäť na začiatku: čo sa stane, ak spadnete do čiernej diery? Vkĺznete priamo dnu a žijete svoj normálny život vďaka tomu, že realita záleží na uhle pohľadu? Alebo po priblížení k horizontu čiernej diery narazíte na smrtiacu ohnivú stenu?

Čierna diera zakrivuje svetelné lúče a spôsobuje „efekt gravitačnej šošovky“

Nikto nepozná odpoveď, a tento problém je jednou z najspornejších otázok fundamentálnej fyziky.

Fyzici sa už dlhšie než storočie snažia prepojiť všeobecnú relativitu s kvantovou mechanikou, ale pritom vedia, že jedna alebo druhá strana nakoniec bude musieť ustúpiť. Riešenie paradoxu ohnivej steny nám malo prezradiť, ktorá to bude, a ukázať i cestu k ešte hlbšej teórii vesmíru.

Jedno vodidlo možno spočíva v Anninom dekódovacom prístroji. Zistiť, s ktorou informáciou je A prepojené, je nesmierne zložitý problém. Preto fyzici Daniel Harlow z Princetonskej univerzity v New Jersey a Patrick Hayden, v súčasnosti na Stanfordskej univerzite v Kalifornii, uvažovali, ako dlho by to trvalo.

V roku 2013 vypočítali, že aj s tým najrýchlejším počítačom, aký fyzikálne zákony dovoľujú, by Anne zabralo neuveriteľne dlhý čas, kým by prepletenie dekódovala. Kým by sa jej podarilo získať odpoveď, čierna diera by sa stihla vypariť a zmiznúť z vesmíru, pričom by si so sebou vzala aj hrozbu smrtiacej ohnivej steny.

Centaurus A má čiernu dieru

Ak je to skutočne tak, už len číra komplexnosť tohto problému by mohla Anne zabrániť v tom, aby zistila, ktorý príbeh je ten pravdivý. Takže nakoniec by ostali oba príbehy zároveň pravdivé, realita neobvykle závislá na svojom pozorovateľovi, všetky zákony fyziky neporušené, a naviac by nikomu nehrozilo, že narazí do nevysvetliteľnej steny z ohňa.

V takomto vysvetlení spočíva i nová otázka pre fyzikov: vzrušujúce spojenie medzi komplexnými výpočtami (ako ten, ktorý Anne očividne nedokáže dokončiť) a časopriestorom. Mohlo by to otvoriť dvere k čomusi ešte hlbšiemu.

O tom sú čierne diery. Nie sú to len otravné prekážky pre vesmírnych cestovateľov. Sú to aj teoretické laboratória, ktoré dokážu tie najdôvtipnejšie bizarnosti fyzikálnych zákonov zvýrazniť natoľko, že už ich nemožno ignorovať.

Ak sa niekde nachádza pravá podstata reality, najlepšie miesto, kde by sme mohli hľadať, je čierna diera. No najlepšie bude zrejme pozerať sa zvonku: aspoň dovtedy, kým nevyriešia tú záležitosť s ohnivou stenou. Alebo tam pošlite Anne. Veď už je aj tak na rade ona.