Popularizátor vedy Brian Cox: Vesmír nemusíme chápať a je to úplne v poriadku

Nachádzame sa v kvantovom počítači? Zdanlivo bláznivú otázku pred nás kladie štúdium čiernych dier, podivných výtvorov gravitácie v centrách galaxií a tam, kde kedysi žiarili najhmotnejšie hviezdy.

K akým záverom vedie výskum záhadných útvarov, z ktorých nedokáže uniknúť žiadna hmota ani svetlo?

„Podľa mňa sú to možno najzaujímavejšie prírodné objekty,“ hovorí britský fyzik, svetoznámy popularizátor vedy a bývalý úspešný hudobník Brian Cox, spoluautor novej knihy o tajomstvách čiernych dier.

Než sa dostaneme k čiernym dieram, ako si spomínate na prelom 80. a 90. rokov, keď ste hrávali v rockových kapelách na klávesoch? Vedeli ste už vtedy, že chcete študovať fyziku?

Vždy som chcel byť astronóm. Hudba ma začala zaujímať asi v jedenástich rokoch a v osemnástich som začal hrať v skupine Dare, ktorú založil klávesista skupiny Thin Lizzy.

Dostali sme šancu nahrať platňu, takže som nešiel na univerzitu. Nahrali sme potom dva albumy, jazdili sme po koncertných šnúrach po Európe, v Británii sme robili predkapelu Jimmymu Pageovi aj Europe, ktorí vtedy mali napríklad hit Final Countdown.

Bolo to pár skvelých rokov, po ktorých som si však uvedomil, že sa naozaj chcem venovať astronómii a fyzike. Opustil som kapelu a nastúpil na Manchesterskú univerzitu. Hudbu mám rád stále a stále sporadicky hrám, ale po tých piatich rokoch, čo som sa jej venoval naplno, som pochopil, že mierim inam.

Bolo ťažké študovať matematiku a fyziku vo vyššom veku?

Bolo to ľahšie. Mal som omnoho väčšiu motiváciu, než by som mal ako osemnásťročný. Potreboval som zopár rokov robiť niečo iné, aby som sa potom mohol vrátiť k tomu, čomu som sa naozaj chcel venovať.

Prečo môžu byť čierne diery kľúčom k porozumeniu vesmíru?

Podľa mňa sú to možno najzaujímavejšie prírodné objekty. Ponúkajú lepší vhľad do toho, čo je v skutočnosti čas a priestor. Vďaka nim môžeme – hoci zatiaľ len čiastočne – nahliadnuť do hlbšej štruktúry usporiadania prírody, než opisuje Einsteinova všeobecná teória relativity.

A zisťujeme veľmi zaujímavú vec: techniky, ktoré sme si museli vyvinúť, aby sme čiernym dieram porozumeli, súvisia so znalosťami, s nápadmi a vedomosťami, ktoré potrebujeme, aby sme mohli postaviť kvantový počítať. To je fascinujúce.

Kvantový počítač je fyzikálna aparatúra, ktorá uskutočňuje výpočty či simulácie určitých procesov a využíva pritom javy z kvantového sveta. Funguje teda vesmír podobne? Čo presne nám skúmanie čiernych dier prezradilo?

Kvantová mechanika a všeobecná teória relativity nedovoľujú zničenie žiadnej informácie. Zároveň sa však zdalo, že ak použijeme obe teórie na štúdium čiernych dier, vyplýva z nich, že čierne diery informácie ničia. Ukázal to dôležitý počiatočný výpočet Stephena Hawkinga z roku 1974. Dnes vieme, že Hawking sa mýlil.

Všetky informácie o všetkom, čo čierna diera počas života pohltí, sa nakoniec dostanú von odtlačené v takzvanom Hawkingovom žiarení.

Nerozumieme presne, ako sa to deje, ale zdá sa, že existuje hlbšia teória času a priestoru, ktorú môže priblížiť nasledujúca analógia: o človeku môžeme povedať, že je len sústavou atómov. Alebo môžeme povedať, že človek je bytosť, ktorá má vedomie – a to vedomie sa vynorí, objaví ako produkt tejto zložitej sústavy atómov.

Podobne sa vďaka štúdiu čiernych dier zdá, že sa priestor a čas vynorí, objaví sa ako produkt onej hlbšej teórie. Ako produkt veľmi malých stavebných kameňov – objektov, ktorým niekedy hovoríme Q-bity, kvantové bity – jednotky kvantovej informácie. Ich povahu nepoznáme, nevieme, čo sú zač. Poznáme ich veľkosť, ale to je všetko, čo o nich vieme.

Ako sa podieľajú na vzniku priestoru a času?

Priestor a čas sú zrejme kódované v nejakej hlbšej štruktúre podobnej tomu, ako je kódovaná informácia v pamäti kvantového počítača. Zdá sa, že existuje opis vesmíru na hlbšej úrovni – a práve tento opis sa podobá na kvantový počítač.

Netvrdím, že žijeme v takomto zariadení, ktoré niekto postavil, alebo že žijeme v simulácii. Len hovorím, že čím dlhšie tieto veci študujeme, tým viac nachádzame podobnosti medzi tým, ako náš vesmír povstáva z tejto hlbšej štruktúry a ako fungujú kvantové počítače. To je obrovské prekvapenie.

Ak teda budeme študovať kvantové počítače viac do hĺbky, odhalíme hlbšie pravdy o vesmíre? Alebo nám, naopak, štúdium kozmu prezradí, ako kvantové počítače stavať? 

Môže to fungovať oboma smermi. Vedci začínajú premýšľať o tom, ako pomocou experimentov študovať kvantovú gravitáciu, čo sa predtým zdalo absolútne nemožné. Pomocou kvantových počítačov to však možno bude možné. Nebudete musieť vytvoriť čiernu dieru, aby ste mohli študovať fyziku čiernych dier.

Pomôže nám tento výskum objasniť ďalšie záhady? Napríklad čo je temná energia, ktorá urýchľuje expanziu vesmíru, alebo čo bolo pred veľkým treskom?

Väčšina fyzikov si myslí, že temná energia nejako súvisí so samotným priestorom. A štúdium čiernych dier nám umožňuje lepšie pochopiť, čo sú čas a priestor naozaj zač.

Zdá sa mi teda zrejmé, že ak chceme lepšie porozumieť temnej energii, potrebujeme najprv pochopiť, čo je vlastne priestor. A to isté platí aj o počiatku vesmíru – pokiaľ skutočne má pôvod v čase. Pokým nerozumieme času a priestoru, nemôžeme pochopiť, čo bolo na počiatku vesmíru a či počiatok vôbec má.

Kozmológia ponúka laikom čoraz zložitejší a menej zrozumiteľný obraz sveta, v ktorom žijeme. Nemáte strach, že ľudia prestanú vedcom veriť?

Snažíme sa pochopiť vesmír taký, aký je. Neexistuje dôvod domnievať sa, že vesmír nutne musí byť pochopiteľný, že sme dostatočne bystrí na to, aby sme porozumeli, ako funguje. Hodnota vedy je v schopnosti povedať, že jednoducho nevieme – a byť s tým uzrozumení.

Jeden z mojich veľkých vzorov Richard Feynman napísal v 50. rokoch krásnu esej s názvom Hodnota vedy. Hovorí v nej, že najcennejší krok vo vývoji ľudstva je, keď dokážeme povedať – toto nevieme. Napríklad nevieme, ako riadiť spoločnosť. Ako najlepšie organizovať našu civilizáciu. Feynman to nazval otvoreným kanálom.

Čo tým mal na mysli?

Že sú veci, ktoré sa ľudia naučia až v budúcnosti. Pokiaľ budeme tvrdiť, že už vieme všetko, sme ako civilizácia stratení alebo prinajmenšom robíme veľkú chybu. Feynman nahliadol do minulosti a identifikoval niektoré hrozby, ktoré ľudstvo urobilo, pretože si myslelo, že už pozná všetky odpovede.

Je to teda naopak: odkrývanie tajomstiev prírody v celej ich zložitosti a identifikovanie toho, čo už vieme a čo ešte nie, znamená pokrok. Je to možno ešte cennejšie než vedomosti samy.

Je teda úplne v poriadku, keď zisťujeme, že vesmír je zložitejší, než sme si mysleli, a že zostáva veľa nejasností. Neznamená to, že s vedou niečo nie je v poriadku, ale, naopak, že postupujeme správne.

V jednom rozhovore ste povedali, že sme možno jediné inteligentné bytosti v celej našej Galaxii. Je inteligentný život vzácny?

Je to len odhad, ale myslím si, že áno. Na Zemi trvalo takmer štyri miliardy rokov, kým sa z počiatočných jednoduchých organizmov vyvinula civilizácia. To je veľmi dlhé obdobie, počas ktorého museli byť podmienky na planéte relatívne stále, aby nedošlo k prerušeniu reťazca vyvíjajúceho sa života.

Nebudem prekvapený, ak nájdeme mikróby na mesiaci Jupitera Európa, na Marse alebo inde v slnečnej sústave. Ale keby sme niekde vo vesmíre našli komplexný inteligentný život, to by ma naozaj prekvapilo.

---

Vesmír ako hologram

Redaktor Respektu a popularizátor vedy Martin Uhlíř vysvetľuje, či je náš svet kódovaný informáciami na vzdialenej hranici, ktorú zatiaľ nechápeme.

Ako v rozhovore naznačuje Brian Cox, odborníci na čierne diery sa v uplynulých desaťročiach snažili vyriešiť jednu záhadu: v čom sa mýlil Stephen Hawking, keď v 70. rokoch vypočítal, že so zánikom čiernych dier – ku ktorému v dôsledku ich takzvaného vyparovania raz dôjde, aj keď v nepredstaviteľne vzdialenej budúcnosti – zmiznú aj informácie o všetkom, čo počas života pohltili.

Prírodné zákony totiž neumožňujú, aby sa informácie z vesmíru úplne stratili. Ak spálime knihu, stále je v princípe možné rekonštruovať jej obsah pomocou atómov, ktoré po nej zostali.

Ako Cox a jeho spoluautor Forshaw píšu v knihe Čierne diery – kľúč k porozumeniu vesmíru, možné riešenie sa začalo ukazovať v roku 2019. Vedcom sa vtedy podarilo pomocou určitého triku odvodiť správanie takzvanej Pageovej krivky, ktorá je dôležitým ukazovateľom, akým spôsobom sa informácie z čiernej diery postupne nakoniec predsa len dostávajú von. Podstatou je skutočnosť, že vzniká časopriestorové spojenie medzi oblasťou vnútri čiernej diery a mimo nej.

„Je to akési kvantové časopriestorové sito. Keď spadnete do čiernej diery, ‚sito‘ vás rozpráši na menej než kvarky a zároveň vás pošle von, takže opäť skončíte vnútri diery,“ približuje postupné „oslobodenie informácie“ zo zajatia monštruózneho kozmického objektu prekladateľ knihy do češtiny, teoretický fyzik Vojtěch Witzany.

„Vnútro a vonkajšok čiernej diery už neoddeľujete ako v klasických predstavách, ale medzi vonkajšok počítate aj ono vnútorné sito.“ Možno ich chápať aj ako sústavu miniatúrnych červích dier, ktorými informácia prejde do vonkajšieho sveta.

Dôležitú rolu v tom hrá kvantová previazanosť – jav, pri ktorom dochádza k prepojeniu dvoch kvantových objektov, napríklad fotónov alebo iných elementárnych častíc. Prepojenie v tom zmysle, že sa môžu vzájomne ovplyvňovať bez ohľadu na vzdialenosť, ktorá ich delí.

„Je medzi nimi akési spojenie. Po anglicky sa tomu hovorí ‚spooky action at a distance‘, strašidelná vzájomná akcia na veľkú vzdialenosť,“ vysvetľuje Witzany. Práve vďaka previazanosti – a prostredníctvom spomenutého sita – častice zvnútra čiernej diery nakoniec unikajú.

Aby bolo možné všetko do detailov prepočítať, potrebovali by sme poznať teóriu kvantovej gravitácie, ktorú sa vedci snažia vytvoriť už desiatky rokov. Ide o všeobecnejšiu a hlbšiu teóriu, ktorá by obsiahla a zmierila dve doteraz nezlučiteľné tváre fyziky – Einsteinovu všeobecnú teóriu relativity a kvantovú mechaniku. Bez kvantovej gravitácie sa nedá pochopiť, čo presne sa v čiernej diere deje.

Zatiaľ ju však nemáme, preto sa fyzika uchýlila k spomenutému triku: výpočty sa uskutočňujú na dvojrozmernej ploche, kde ich vieme realizovať. Môžeme si to predstaviť ako škatuľu, o ktorej vnútri sa dozvedáme pomocou vzťahov a výpočtov formulovaných práve pre škatuľu samotnú – vonkajší obal a zároveň hranicu vnútorného priestoru.

Ukázala sa pritom zvláštna vec: je možné, že celý vesmír funguje ako hologram, trojrozmerný objekt vytvorený pomocou informácií uložených na dvojrozmernej ploche. Ide iba o matematický trik alebo o stopu zásadnej pravdy o našom svete?

Brian Cox sa prikláňa k druhej možnosti: možno si predstaviť, že holografický princíp môže byť základným rysom celej prírody, nielen čiernych dier. „Čierne diery sú Rosettskou doskou, ktorá nás zoznámila s novým jazykom: úplne odlišným opisom fyzikálnej reality,“ píšu Cox a Forshaw. „Naša existencia a skúsenosti môžu byť úplne presne opísané na vzdialenej hranici, ktorej podstatu však zatiaľ nechápeme.“

Z informácií na tejto hranici môže vznikať náš vesmír spôsobom, pri ktorom hrá zásadnú rolu spomenutá kvantová previazanosť. Práve ona zodpovedá za vytváranie toho, čo vnímame ako priestor – a zdá sa, že to robí spôsobom, akým inžinieri konštruujú kvantové počítače.

Aj tieto záhadné stroje fungujú vďaka kvantovej previazanosti: základné jednotky informácie, s ktorými pracujú – kvantové bity –, sú vytvárané napríklad slučkami supravodivého prúdu, ktorý tečie súčasne v smere aj proti smeru hodinových ručičiek. To je možné iba v kvantovom svete. A zásadné je, že jednotlivé prúdové slučky na kvantovom čipe sú navzájom kvantovo previazané, takže pri výpočte fungujú ako zohratý orchester. Kvantové počítače tak môžu skúmať možné riešenia problému nie jedno po druhom, ale všetky naraz.

Opis vesmír akoby sa teda odohrával v jazyku počítačových vied. Priestor a čas môžu byť takzvané emergentné entity, ktoré v najhlbšom opise prírody neexistujú; sú syntetizované spôsobom, ktorý pripomína inteligentne zostavený počítačový kód. „Výzva zostrojenia kvantového počítača je veľmi podobná výzve spísania správnej teórie kvantovej gravitácie,“ píšu autori spomenutej knihy.

Tá je podľa Vojtěcha Witzanyho určená čitateľom, ktorí sa neuspokoja s povrchnými vysvetleniami a naozaj ich zaujíma, čo sa v čiernej diere deje. Môžu to byť zvedaví laici, ktorí čítali Hawkingovu Stručnú históriu času z roku 1988 a chcú sa dozvedieť, čo je vo výskume nové.

Ale aj univerzitní študenti a dokonca aj astrofyzici, ktorí sa čiernymi dierami priamo nezaoberali. Teda aj vedci, ktorým nestačí poznať matematický opis týchto záhadných objektov, ale chcú lepšie pochopiť, ako rovnice interpretovať a čo reálne znamenajú. „Je málo ľudí, ktorí týmto veciam naozaj rozumejú a dokážu ponúknuť potrebné vhľady,“ hovorí na adresu autorov a ich najnovšej knihy Witzany.