Existují červí díry a cestování časem?

V pravěku teoretické astrofyziky (1985), v jednom tajemném a exotickém koutě planety Země (Fresno, Kalifornie), seděl muž na zadním sedadle auta a pokoušel se narušit kontinuitu časoprostoru. Jmenoval se Kip Thorne: budoucí vědecký konzultant filmu Interstellar, budoucí nositel Nobelovy ceny a všestranný geek.

Ačkoli byl Thorne respektovaným a inovativním teoretickým fyzikem, ještě si nezískal pověst matematického génia stojícího za některými z nejchytřejších zápletek sci-fi. Byl naopak známý svou obratnou znalostí Einsteinových rovnic obecné relativity, flexibilního souboru podmínek popisujících interakci prostoru a času. Jeho přítel Carl Sagan ho zavolal, aby mu pomohl vyřešit problém v jeho rozepsaném románu Kontakt, který vypráví o radioastronomech, kteří navazují kontakt s mezihvězdnými bytostmi.

Sagan, povoláním popularizátor vědy, ale vzděláním astrobiolog, potřeboval Thorneovo odborné oko pro jemné nuance obecné relativity. Potřeboval, aby se jeho hrdinka dostala ze Země k Vegě, což je cesta dlouhá 26 světelných let. A potřeboval, aby se tam dostala rychle.

Je nemožné navštívit Very Large Array v Socorru v Novém Mexiku, aniž by se člověk dozvěděl, že se tam natáčel film „Kontakt“. Foto: Warner Bros

Hyperprostor

Jeho původní návrh počítal s tím, že se hrdinka vrhne do černé díry, která ji zaveze zkratkou hyperprostorem až k Vegě. Hyperprostor není jen pohodlný pojem pro autory sci-fi, kteří si s vědou příliš hlavu nelámou. Jedná se o skutečný geometrický pojem popisující prostor, který zahrnuje více než tři dimenze. Stručně řečeno, Saganova hrdinka by mohla cestovat čtvrtou dimenzí po trase, kde je vzdálenost ze Země k Vegě mnohem menší než 26 světelných let.

Thorne to neakceptoval. Koneckonců, veškerá hmota a světlo, které překročily horizont událostí černé díry, by se shromáždily v singularitě a zrychlily na ultrarelativistické rychlosti.

„Výpočty byly jednoznačné,“ napsal Thorne v knize Black Holes and Time Warps. „Jakékoli plavidlo pro cestování hyperprostorem by bylo zničeno explozivním ‚deštěm‘ ještě předtím, než by se cesta mohla uskutečnit. Carlův román musel být změněn.“

Navrhl něco ještě kosmického než černé díry: červí díry.

Schéma znázorňující model 2D prostoru složeného do sebe, s tunelem spojujícím obě strany.
Dvourozměrná verze červí díry, kde ‚hyperprostor‘ existuje ve třetí dimenzi. Foto: Kip Thorne

Lákavost červích děr

„Pokud tenhle pohon FTL brzy neopravíme, jsme mrtví!“

To jsou slova kapitána Lee Adamy ze seriálu Battlestar Galactica, a ačkoli se o tom často zmiňují, seriál nikdy přesně nevysvětlil, jak vlastně jejich pohon umožňující let rychlejší než světlo (FTL) funguje. A nejsou v tom sami. Většina sci-fi děl se opírá o domněnku existence hyperprostorových tunelů neboli červích děr.

V knize Stopařův průvodce po galaxii většina lodí cestuje po hyperprostorových dálnicích. V sérii Murderbot od Marthy Wellsové sarkastická hlavní postava stopuje přes červí díry, ačkoli to, jak se tyto červí díry tvoří nebo fungují, je ponecháno na fantazii. Jiní autoři, jako CJ Cherryh, se snaží vnést trochu více atmosféry teoretické fyziky pomocí výrazů jako „Einstein-Rosenův most“. To je jen honosný název pro červí díru.

Ztvárnění systému řízení pohonu FTL v seriálu Battlestar Galactica je přesně to, co bych navrhl, kdyby mi někdo řekl, abych vymyslel uživatelské rozhraní, které by nikdo nemohl používat. Foto: Sci-Fi Channel

Pravdou je, že ačkoli cestování FTL je základem sci-fi, nikdo dosud nepřišel na to, jak by to mohlo ve skutečnosti fungovat. Kip Thorneův návrh červích děr však formoval tento žánr po celá desetiletí.

Na červích dírách je lákavé to, že jsou ve skutečnosti matematicky správným řešením Einsteinových rovnic. Je naprosto možné, aby mezi dvěma body ve vesmíru existoval tunel, v němž je vzdálenost uvnitř kratší než venku. Co však není tak jasné, je to, jak by takový objekt mohl

Problém s červími dírami, část I

To, s čím se Thorne v roce 1985 potýkal na zadním sedadle auta, když se snažil vylepšit zápletku Carla Sagana, je skutečnost, že červí díry se k mezihvězdnému cestování nehodí. Fyzici již dříve zjistili, že mají fatální vadu. Veškerá hmota, která červí dírou projde, způsobí její gravitační smrštění. Hned po vzniku se uzavře. Nic jí neprojde až na druhou stranu.

Tomuto jevu se říká sevření a Thorne se mu musel vyhnout kvůli Carlu Saganovi. Vypočítal, že jediným způsobem, jak sevření obejít, je potáhnout vnitřek červí díry „exotickou hmotou“. Exotická hmota má z pohledu světla procházejícího červí dírou zápornou hustotu energie.

Při cestování rychlostí světla vedou Einsteinovy rovnice k podivným jevům, a jedním z nich je, že záporná hustota energie není technicky zakázána.

Thorneovy domněnky inspirovaly záplavu článků o exotické hmotě a o tom, zda by mohla pokrýt červí díru. Výsledky jsou dodnes nejednoznačné. Víme, že exotická hmota skutečně existuje, alespoň v blízkosti černých děr, kde horizont událostí narušuje energetické fluktuace způsobem, který upřednostňuje zápornou hustotu energie. Totéž se děje, když se k sobě přibližují dvě nenabité desky. Nevíme však, zda by taková hmota zůstala exotická i uvnitř červí díry.

Pro účely filmu Kontakt se Thorne spokojil s tím, že pominul podrobnosti o tom, jak mimozemšťané z planety Vega obalují svou červí díru exotickou hmotou. Z akademického hlediska však on a jeho spolupracovníci teprve začínali.

Řekněme, že máme exotickou hmotu. Řekněme, že ji můžeme použít k obalení vnitřku červí díry tak, aby se její stěny navzájem odpuzovaly a zůstaly otevřené. Jak se pustíme do hledání červí díry?

Ačkoli se černé díry zdají být bizarní, mají naprosto rozumný původ. Když se masivní hvězdy stanou velmi těžkými a již nedokážou odolávat vlastní gravitaci, zhroutí se do nekonečně malého bodu. To je černá díra.

Ale pro vznik červích děr neexistuje žádný podobný mechanismus. Alespoň ne pro ty, které jsou dostatečně velké, aby umožňovaly cestování. Na kvantové úrovni položil základy pro vznik červích děr již v 60. letech minulého století Kip Thorneův školitel John Wheeler. Předpověděl, že ve velmi, velmi malém měřítku by měl celý časoprostor pěnit a bublat. Na základě základního teorému kvantové fyziky zvaného Heisenbergův princip neurčitosti by tato „kvantová pěna“ mohla každou vteřinu vytvářet velmi malé červí díry a v další vteřině je zase zničit.

Je tedy možné násilně zvětšit červí díru z kvantového do klasického režimu? Odpověď leží v oblasti kvantové gravitace – trvalého a dosud nedosaženého Svatého grálu teoretické fyziky.

To je nemožné.

Jak červí díry implikují cestování v čase

Vytvořme červí díru prostřednictvím nespecifikovaných kvantově mechanických procesů. Navzdory jejímu neposkvrněnému vzniku, bez bizarních časových efektů, které trápí jiné navrhované mechanismy vzniku, stále podlehne pokušení cestování v čase.

Klasický příklad, poprvé pojmenovaný Kipem Thornem krátce po jeho setkání s filmem Kontakt, sází na jev zvaný časová dilatace. Když se objekty pohybují velmi blízko rychlosti světla, čas, který objekt prožívá, plyne pomaleji než čas stacionárního pozorovatele. Vzpomeňte si na Hru Endera, ve které protagonista přeskočí mezi prvními dvěma knihami 2000 let kvůli tomu, kolik času strávil na velmi rychlých vesmírných lodích.

„Paradox“ dvojčat výstižně popisuje účinky časové dilatace. Současný senátor za Arizonu Mark Kelly a jeho dvojče Scott Kelly však oba letěli do vesmíru na různých misích a vesmír se nezhroutil.

Je tedy možné násilně zvětšit červí díru z kvantového do klasického režimu? Odpověď leží v oblasti kvantové gravitace – trvalého a dosud nedosaženého Svatého grálu teoretické fyziky.

To je nemožné.

Jak červí díry implikují cestování v čase

Vytvořme červí díru prostřednictvím nespecifikovaných kvantově mechanických procesů. Navzdory jejímu neposkvrněnému vzniku, bez bizarních časových efektů, které trápí jiné navrhované mechanismy vzniku, stále podlehne pokušení cestování v čase.

Klasický příklad, poprvé pojmenovaný Kipem Thornem krátce po jeho setkání s filmem Kontakt, sází na jev zvaný časová dilatace. Když se objekty pohybují velmi blízko rychlosti světla, čas, který objekt prožívá, plyne pomaleji než čas stacionárního pozorovatele. Vzpomeňte si na Hru Endera, ve které protagonista přeskočí mezi prvními dvěma knihami 2000 let kvůli tomu, kolik času strávil na velmi rychlých vesmírných lodích.

„Paradox“ dvojčat výstižně popisuje účinky časové dilatace. Současný senátor za Arizonu Mark Kelly a jeho dvojče Scott Kelly však oba letěli do vesmíru na různých misích a vesmír se nezhroutil. Foto: UCF

Pokud si Ender vezme jeden konec červí díry s sebou na svou vesmírnou loď a druhý konec nechá na Zemi u své sestry Valentine, spojí červí díra jeho sestru s jeho časovým rámcem. Řekněme, že stráví 10 měsíců na zpáteční cestě a nakonec se vrátí na Zemi, odkud vyrazil. Pak, 10 měsíců po jeho odletu, může Valentine nahlédnout skrz červí díru a vidět ho zpátky na Zemi.

Ale řekněme, že díky časové dilataci trvá Enderova cesta z pohledu Valentine na Zemi 10 let. Když se konečně vrátí na Zemi, vstupem na svou stranu červí díry se ona vrátí na svou stranu, o 9 let a 2 měsíce dříve.

Další paradoxy

Zde vstupují do hry nejrůznější paradoxy. Co kdyby například Ender využil tohoto uspořádání k cestě 50 let do minulosti a zabil svého vlastního dědečka? Svět by přišel o jeden velmi zábavný román a celou řadu těch průměrných (promiňte, fanoušci Mluvčího za mrtvé). Pak by neexistoval žádný Ender, který by šel zabít svého dědečka, takže by jeho dědeček žil a Ender by se narodil znovu.

Je to sice podivné, ale v kvantově mechanickém světě dává tento scénář naprostý smysl. Zákony kvantové mechaniky nepředpovídají konkrétní výsledky, nýbrž pouze pravděpodobnost různých výsledků. Snaha pochopit, co to vlastně znamená, tvoří celý obor fyziky zvaný kvantové základy. Vede to k elegantním, ale znepokojivým teoriím, jako je například Everettova teorie „mnoha světů“ o rozvětvování časových os. Everett navrhuje, že pokaždé, když je testován kvantově mechanický systém, vesmír se usadí v jedné z mnoha možných časových os, které se neustále rozvětvují.

To se dobře hodí k paradoxu dědečka. Existuje určitá pravděpodobnost, že se z ničeho nic objeví muž a zavraždí dědečka Wiggina v jeho mládí. Existuje i jiná pravděpodobnost, že dědeček Wiggin žije šťastně dál, což nakonec umožní Enderovi narodit se a cestovat zpět v čase. Když nastane okamžik jeho smrti, vesmír se rozhodne. Zvedneme víko a nahlédneme na Schrödingerova dědečka: buď je naživu, nebo mrtvý, ale před vteřinou byl obojí.

Proč cestování časem (pravděpodobně) nemůže existovat

Takže, pokud můžeme soudit, podle základních principů kvantové mechaniky není cestování časem tak zjevně nemožné, jak by se dalo předpokládat.

Známe však přinejmenším jeden mechanismus, kterým by se jakákoli červí díra fungující jako stroj času mohla sama zničit. Kip Thorne, jeho doktorand Sung-Won Kim a Stephen Hawking vypočítali, že stejný druh kvantové pěny, který se vyskytuje v celém vesmíru, by se mohl hromadit uvnitř červí díry, zničit vše, co se v ní nachází, a způsobit její uzavření.

Klíčovým slovem je zde „mohl“. O kvantové gravitaci toho nevíme dost na to, abychom mohli říci, zda by k tomu skutečně došlo.

Hawking vyslovil hypotézu, že vesmír by se chránil před cestováním v čase, aby zabránil projevům kvantových jevů v lidském měřítku. Ještě důležitější je, jak napsal, že by to „udělalo vesmír bezpečným pro historiky“.

Svou teorii otestoval v roce 2008 uspořádáním večírku pro cestovatele v čase. Den po večírku rozeslal pozvánky. Nikdo se neukázal.

Většina fyziků s jeho domněnkou souhlasí. Ale dodnes to nikdo nedokáže definitivně vyřešit. To by vyžadovalo funkční teorii kvantové gravitace. Od toho jsme ještě daleko – pokud nám někdo z budoucnosti nechce pomoci.

Zdroj: explorersweb.com