Každý má něco. Pro čtenáře Karla Maye to je Manitou, pro Rudolfa II. elixír mládí, pro artušovce svatý grál a pro Židy příchod Mesiáše. Moderní fyzika má teorii všeho, tedy nalezení principu, jenž by dokázal skloubit dva způsoby, jimiž popisujeme, co známe: na jedné straně obecnou teorii relativity, na druhé kvantovou mechaniku.
Oba fungují, ale ani jeden nevysvětluje podstatu existence beze zbytku; a aby toho nebylo málo, jeden druhému alespoň zdánlivě odporují.
Na čem se fyzikové plus minus shodnou, je prominentní role, již v jejich bádání hrají černé díry. Tyto absurdně „těžké“ oblasti časoprostoru vykazují takovou přitažlivost, že od jisté hranice, nesoucí pěkné poetické pojmenování „horizont událostí“, z jejich dosahu nic neunikne -všechno pohltí, včetně světla a času.
To je také chvíle, kdy pro většinu z nás přestane mít další bádání reálný smysl, protože si něco takového nedokážeme prakticky představit. To není hanba.
„Nerozumíte kvantové kosmologii?“ ptal se kdysi svých studentů Richard Feynman, muž nadaný stejně brilantním vědeckým mozkem jako uměním sdělovat poznatky ostatním, pokud možno milosrdně.
„Nic si z toho nedělejte, já taky ne. Nikdo to nechápe.“
Co naopak lze, pokud jste ten typ (Feynman jím byl), je počítat zákony takového smysly nepostižitelného světa teoreticky a pak dokazovat správnost svého počínání na důkazech nepřímých. Tak se to děje i se samotnou existencí černých děr: protože z definice nejsou vidět ani slyšet, prozradilo je až zakřivení světla v jejich předpokládané blízkosti. Teoretičtí fyzikové si na takový způsob práce již zvykli, jakkoli laikovi zůstává povětšinou zapovězen.
Hawkingovo záření
Během posledního zhruba půlstoletí se stalo, že jasnozřivé mysli dvou zdánlivě jen volně souvisejících oborů přišly s poznatky, jejichž revolučnost je dnes zjevnější než tehdy. Stephen Hawking v roce 1974 vymyslel, že černé díry nerostou do nebe (metafora zde ne úplně sedí, ale co má pisálek dělat, když je vybaven pouze jazykem pozemským?), nýbrž časem jaksi vyčichnou, vyzáří se. Ono tepelné záření, jež černá díra vydává, se logicky jmenuje Hawkingovo, a protože lidé z branže je berou jako fakt, nemáme ani my důvod uvažovat jinak.
Vtip je v tom, že Hawking považoval ono záření za náhodné. „Náhodné“ je pro fyzika to, co pro laika „chaotické“; naopak pro fyzika je chaos velmi složitě organizovaný stav věcí. Tak či tak, podle Hawkinga černá díra absorbovala, co jí přišlo pod ruku (komety, kartáčky na zuby, planetky, staré noviny, kosmický prach i všechno ostatní) a postupně to zase anonymně vyzařovala ven. Je to podobné, jako když házíte dřevo do kamen - podle tepla nepoznáte, jestli zrovna hoří kus starého plotu, nebo babiččina biedermeierovská židle.
Pro větší přehlednost nyní Hawkingovo záření na chvíli opustíme a budeme se věnovat druhému, o dvacet let mladšímu objevu. Odpovědnost za něj nese jistý Peter Shor, matematik z výzkumného oddělení amerického telekomunikačního operátora AT&T. Domákl se postřehu, že pokud by bylo lze sestrojit kvantový počítač, svou schopností zvládat velká množství početních úkonů co nejrychleji by strčil své starší kolegy do kapsy. První, co ho v té souvislosti napadlo, byla revoluce, jakou by takový stroj způsobil v šifrování.
Rozmazlené qubity
Zádrhel byl v tom, že kvantový počítač (věc, která dosud funguje jen v malém měřítku v laboratorních podmínkách) pracuje se základní informační jednotkou jménem qubit (či někdy kubit), která je, jak to říct slušně, krapet cimprlich. Zatímco „normální“ jednotka, ta, se kterou pracuje váš laptop, je buď jednička, nebo nula, qubit je nutné charakterizovat jako kombinaci pravděpodobnostních hodnot na dvou různých rovinách.
Klidně umí být jednička a nula najednou, když se mu zlíbí - a vy se to ani nedozvíte, protože to nelze přesně změřit. A když se to změřit pokusíte, už tím samotným měřením řečenou hodnotu změníte, takže - qubit se zkrátka chová dost jako primabalerína.
Aby to bylo ještě složitější, takovému rozmazlenému qubitu stačí malinko (řekněme slaboučké magnetické pole nebo mikrovlnný impuls), aby svoji hodnotu pro nic za nic změnil. Jak tedy může kvantový systém vůbec fungovat? Shora další (na něm nezávislí) vědci přišli během následujícího roku na to, že existují matematické formule, které dokážou fungovat jako kód, jenž chybovost qubitů může razantně omezit.
Čím lepší je kód, tím menší je chybovost.
Sestrojení co nejlepšího takového kódu je také od té doby předmětem snahy lidí, kteří kvantové počítače vyvíjejí. Aby mohl konkurovat „normálním“ výkonným komputerům, musí takový kvantový stroj mít k dispozici lepší opravný kód, než jaký zatím umíme sestrojit.
V roce 2014, jak to loni pro laiky pěkně zopakoval americký časopis Quanta Magazine, se stala podivuhodná věc; dvacet let je zřejmě pro průlomy v teoretické fyzice obzvlášť vhodný časový interval.
Lidé, kteří se hnali za kódem na umravnění qubitů, zjistili, že výsledek jejich práce vypadá úplně stejně jako matematický popis vzniku časoprostoru.
(Expert zde promine hrubé zjednodušení věci: nejde o jen tak ledajaký popis, nýbrž o holografickou projekci v anti-de Sitterově vesmíru, pokud to někomu pomůže.)
Tři autoři tohoto objevu - Arab Achmed Ahmeírí, Američan Daniel Harlow a Číňan Si Tung - si poté v textu pro Journal for High Energy Physics (takové čtení na pláž, rozumějte) hráli s myšlenkou, že celý časoprostor, jehož jsme zanedbatelně nepatrnou součástí, je ve skutečnosti pouze takovým kódem, jež napravuje jakési kvantové megachyby uspořádání všehomíru.
Nechodíme po špičkách
To se leckomu nečte dobře, ale fyziky to pochopitelně vzrušilo na nejvyšší míru.
Kvantový výzkum nabral do té doby nevídané obrátky a s hypotézami se dveře netrhly. John Preskill z California Institute of Technology tvrdí, že právě princip kvantové korekce je základem k vysvětlení trvanlivosti časoprostoru, který je sice utkán z křehkých kvantových vazeb, ale přesto je slušně stabilní. „Nechodíme tady po špičkách, abychom nějak neporušili křehkou geometrii časoprostoru“ říká Preskill. „Souvislost s kvantovou korekcí je naším dosud nejhlubším poznáním důvodů jeho stability
To přivádí řeč zpět ke Stephenu Hawkingovi, černým dírám a jejich záření.
Nahlížíme-li na to celé okem kvantového fyzika, velmi rychle nás zarazí to, čemu se říká paradox černých děr. Na jedné straně existuje uznávaný zákon zachování kvantové informace fungující stejně jako v newtonovské fyzice zákon o zachování energie. Zachovají-li se ony neposedné qubity tak či onak, je to informace, kterou již nelze zrušit.
Na druhé straně je tu Hawkingovo záření, o němž jeho objevitel zprvu předpokládal, že žádnou kvantovou informaci neobsahuje; že ji pobyt v černé díře zdeformoval a znehodnotil.
A právě toho se týká nejnovější objev, byť jen teoretický (jaký taky jiný).
Tým fyzika Sepehra Nezamiho (znovu z California Institute of Technology) přišel s plánem na pokus, jenž by dokazoval, že kvantová informace v černé díře dokáže přežít - a využívá k tomu výše popsaného principu.
Napohled to není zas tak složité.
Vezmete jednu černou díru, pak k ní přidáte druhou a obě propojíte dírou červí, která funguje jako spojovací kabel. To se samozřejmě snadněji řekne, než provede; ale ačkoli to zní neuvěřitelně, lze takovou věc simulovat na obyčejném počítači, protože kvantové charakteristiky černé díry lze matematicky replikovat. Říká Nezami; věřme mu.
Jako mravenec
Vtip je v tom, že podle Nezamiho záření vycházející z černé díry lze do jisté míry ovládat. Je to způsobeno faktem, že když se černá díra „vyzáří“ do fáze, kdy už nemá, kam by kvantové informace ukládala, rovnou je zase vyzařuje ven - jen v podobě, která tak na první pohled nevypadá.
A teď přichází ten skutečný rock-and-roll. Dvě černé díry nelze umístit vedle sebe, protože by se navzájem pohltily.
Proto je tu ten tah s červí dírou, jež funguje jako spojovací kanál mezi „záhyby“ časoprostoru. Zní to divně? Představte si, že sledujete mravence lezoucího po listu papíru. Uleze dvacet centimetrů, během nichž se však papír stáčí tak, že z pohledu trojrozměrného člověka je evidentní, že mravenec je dva centimetry od místa, z něhož vyšel - jen ty dva centimetry neopisují povrch papíru, nýbrž jdou kolmo k němu.
Onomu mravenci však nikdy nevysvětlíte, že nejkratší cesta do počátečního bodu nevede po oněch již jednou absolvovaných dvaceti centimetrech.
A pokud přeložíte papír tak, že se oba konce (tedy výchozí a konečný bod mravencovy cesty) dotýkají, máte mravenčí ekvivalent červí díry - tajemný, rozumem neuchopitelný jev, kdy dvacet centimetrů pochodu jako by najednou přestalo existovat.
Zhruba tak jsme na tom my ve vztahu ke skutečným červím dírám. Jedna z nich má v Nezamiho pokusu propojit dvě černé díry, z nichž jedna bude tak akorát vyzářená, aby informace, jež pohlcuje, zase vysílala v podobě záření ven. A teď: kvantové systémy mají sklon vzájemně se provazovat (což jim také pomáhá udržet stabilitu). A pokud se jedna černá díra takto prováže s druhou, měla by podle Nezamiho do druhé černé díry doputovat tatáž informace, jakou první díra spolkla.
Ten proces je podstatně složitější, než toto místo (a autorova erudice) umožňují, ale princip je zhruba srozumitelný.
Antiklimax?
Podle teorie korespondence AdS/CFT, která se zabývá vztahem kosmologických a kvantových pravidel, je celý náš časoprostor kvantovým hologramem reality, jež má o jeden rozměr více. Veškeré informace oné reality - v té, jež je mravenci nepochopitelná, ačkoli ji svým způsobem obývá - jsou zakódovány v kvantových interakcích o jeden rozměr chudších, tedy v onom složeném listu papíru.
Pro nás to znamená jistý antiklimax. Po celou dobu lidského bádání o věcech nás pohání touha pochopit, proč je vesmír zařízen tak, jak je, a jaký to má smysl; jakou roli v tom hraje život a především my, lidé, coby jeho vrcholoví nositelé.
Dostali jsme se - mluvíme-li nyní o posledních dvou tisících letech západní židovsko-křesťanské civilizace - zhruba k tomu, že klíčem ke všemu je pochopení gravitace jako té nejzákladnější síly, již jsme dosud byli schopni identifikovat.
Teorie AdS/CFT se nám však nyní zdá přesvědčivě tvrdit, že gravitace sama je jen vedlejším produktem kvantových vztahů tak složitých, že k jejich pochopení - coby bytosti od základu trojrozměrné - patrně nikdy nedojdeme. Můžeme se tedy od nynějška (pokud se zmiňovaná teorie potvrdí) přít se stejnou vervou jako ve sporech dosavadních o to, jestli z toho pro nás plyne něco dobrého, či zlého; ale všichni budeme tušit, že náš názor na věc je ještě méně významný, než jsme si dosud mysleli. 0
Lidé, kteří se hnali za kódem na umravnění qubitů, zjistili, že výsledek jejich práce vypadá úplně stejně jako matematický popis vzniku časoprostoru. Dvě černé díry nelze umístit vedle sebe, protože by se navzájem pohltily. Proto je tu ten tah s červí dírou.
ČLÁNKY DO MAILU