Budeme létat skrz červí díry nebo s warpovým pohonem?

Nedávné pozorování čtvrtého případu splynutí černých děr pomocí gravitačních vln ukazuje začátek intenzivního studia těchto objektů. Mohla by vést k poznání vlastnosti jejich horizontů a průlom v testech gravitačních teorií a možná i cestu ke kvantové gravitaci. Tyto znalosti jsou kruciální pro rozhodnutí, zda bude možné využívat k mezihvězdnému cestování černé díry nebo warpový pohon. Podívejme se na toto téma podrobněji.

Do pozorování kolizí černých děr pomocí gravitačních vln se zapojil i detektor VIRGO

Do pozorování kolizí černých děr pomocí gravitačních vln se zapojil i detektor VIRGO
Zdroj: LIGO/VIRGO

V současné době se díky detekci gravitačních vln začíná průlom v našem poznání černých děr. Prostřednictvím černých děr se v našem cyklu rozboru budoucnosti mezihvězdného cestování (poslední díl zde) dostáváme k možnostem, které jsou už mimo oblast známé fyziky a zatím jsou čistě hypotetické a ve světě sci-fi, například Star Treku. Pro pohyb objektu v časoprostoru platí podle speciální teorie relativity omezení rychlosti. U hvězdoletu není možná rychlost větší, než je rychlost světla ve vakuu. Ovšem víme, že ve vesmíru existují objekty, které se od nás vzdalují rychlostí větší, než je tato rychlost. Jsou to například kupy galaxií, které jsou od nás dostatečně vzdáleny. Ovšem v tomto případě je toto vzdalování způsobeno rozpínáním časoprostoru. Toto rozpínání je popsáno Hubblovou konstantou, která je podle posledních měření okolo 70 (km/s)/Mpc. Objekty v našem vesmíru, které jsou vzdáleny okolo 14 miliard světelných let, se tak vzdalují rychlostí větší než je rychlost světla. Tato hodnota je přibližná, protože závisí na změnách Hubblovy konstanty v průběhu vývoje Vesmíru a dalších podmínkách.

Červí díry by mohly zkrátit cestování z jednoho místa našeho vesmíru na jiné

Červí díry by mohly zkrátit cestování z jednoho místa našeho vesmíru na jiné
Zdroj: Detlev van Ravenswaay/SPL

Z pozorování velmi vzdálených supernov se zjistilo, že Hubblova konstanta se mění a rozpínání vesmíru se zrychluje. Existují i experimentální důvody pro hypotézu, že vesmír se na svém počátku rozpínal extrémně rychle. Tato hypotéza je označována jako inflační model vesmíru. V každém případě se v našem vesmíru řada objektů vzdaluje od sebe rychlosti i značně přesahující rychlost světla. Je tak vidět, že pohyb hvězdoletu v časoprostoru sice nemůže překonat rychlost světla, ale není úplně vyloučeno, že se najde nějaká možnost rychlejšího propojení dvou míst v časoprostoru jeho modifikací či nalezením „zkratky“ s využitím dalších rozměrů. Na tomto principu jsou založeny všechny úvahy o využití černých a červích děr či warpu.

Černé, bílé a červí díry

Hmota padající z hvězdného partnera na černou díru vytváří akreční disk a při tomto procesu vzniká intenzivní rentgenovské záření. Na obrázku je rentgenovský zdroj Cygnus-X-1 v představách malíře.

Hmota padající z hvězdného partnera na černou díru vytváří akreční disk a při tomto procesu vzniká intenzivní rentgenovské záření. Na obrázku je rentgenovský zdroj Cygnus-X-1 v představách malíře.
Zdroj: NASA/CXC/M. Weiss

Hypotetickou možností nadsvětelného cestování je tak průlet černou dírou, a tentokrát by to nebylo pouze ergosferou, jako se o tom uvažovalo při rozboru možnosti gravitačního praku. Poprvé byla tato možnost v Schwarzschildově metrice popsána Ludwigem Flammem v roce 1916 a nezávisle pak podrobně Albertem Einsteinem a Nathanem Rosenem v roce 1935. Zatímco u černé díry nemůže nic, co se dostane a nachází pod horizontem událostí, v žádném případě tento prostor opustit, rovnice obecné teorie relativity ukazovala řešení, která obsahovala objekty s horizontem událostí, přes který by nešlo proniknout dovnitř a vše pod ním by mělo naopak přes něj uniknout ven. Tato řešení se označila jako bílé díry. Bílé díry jsou přes singularitu spojeny s černými děrami. Toto hypotetické spojení se označuje jako červí díra a mohlo by zajistit zkratku v časoprostoru. Druh červí díry nalezený zmíněnými dvěma fyziky se označuje jako Einstein-Rosenův most nebo Schwarzschildova červí díra. Kosmická loď by se skrz ní dostala do jiné části vesmíru za dobu i mnohem kratší, než za kterou tam normální cestou časoprostorem dorazí světlo. V tomto případě zase v principu nejde o narušení omezenosti rychlosti pohybu, protože jde o využití časoprostorové zkratky a přímé spojení dvou různých bodů v prostoru a v čase. Červí díra by v principu mohla spojovat i různé časoprostory, tedy různé vesmíry a mohla by tak umožnit cestování mezi nimi. Zatímco existenci černých děr, dokonce několika druhů, máme ve vesmíru potvrzenu pozorováním, bílé díry a červí díry jsou zatím pouze hypotetické objekty. Navíc mechanismus, který umožňuje vznik černé díry kolapsem velmi hmotné staré hvězdy, zabraňuje vzniku bílé díry.

Studium černých děr

Existence černých děr je nyní prokázána i přímo. Na konci roku 2015 se detektoru LIGO podařilo zachytit gravitační vlny vzniklé splynutím dvou černých děr (zde a zde). Šlo také o první přímé pozorování gravitačních vln, a to sto let od jejich předpovědi. Překvapivě šlo o splynutí černých děr s nečekaně velkými hmotnostmi, které bylo možné pozorovat na velmi velkou vzdálenost. V prvním zaznamenaném případě šlo o objekty s hmotností 36 a 29 hmotností Slunce ve vzdálenosti 1,3 miliardy světelných let. Potvrzuje to skutečnost, že v ranějších fázích vývoje vesmíru bylo více hvězd s větší hmotností. Nedávno byl zaznamenán čtvrtý případ, ten současně i detektorem VIRGO.

Supermasivní černá díra uvnitř kvazaru RX J1131-1231 rotuje s polovinou rychlosti světla

Supermasivní černá díra uvnitř kvazaru RX J1131-1231 rotuje s polovinou rychlosti světla
Zdroj: NASA

O existenci hvězdných černých děr, které jsou konečným stádiem velmi hmotných hvězd, máme navíc řadu nepřímých pozorování. Pokud se totiž vyskytuje černá díra ve dvojhvězdě, může ve vhodné konstelaci přetékat po spirále hmota z klasické hvězdy na černou díru, kolem ní se tak vytváří akreční disk složený z přetékajícího plynu. Je třeba zmínit, že složitý pohyb plazmy je ovlivňován magnetickými a elektrickými poli, které zde vznikají. Plazma se před dopadem na horizont černé díry urychluje na velmi vysoké rychlosti a při interakci vysoce urychlených jader a elektronů dochází k vytváření extrémně horkého plazmatu. V nitru akrečního disku dosahuje teplota hodnoty přesahující 10 milionů stupňů celsia. Tak horké plazma vyzařuje rentgenovské záření s vysokou energií. Dvojhvězdy obsahující kompaktní složku, která je konečným stádiem hvězdy s vysokou hmotností, jsou proto rentgenovskými zdroji. Prvním kandidátem na takový zdroj se stal rentgenovský zdroj Cygnus-X-1. Z pohybu komponent dvojhvězdy lze pak určit hmotnosti obou složek a rozhodnout, zda je kompaktní složka neutronovou hvězdou nebo černou dírou. Dominantní část černých děr je však osamělých a nelze je pozorovat. Jejich počet lze pouze odhadnout z počtu velmi hmotných hvězd, které mají toto konečné stádium. Podle těchto odhadů by měly být v naší Galaxii desítky milionů až miliarda černých děr.

Aktivní galaxie Pictor A zobrazená v rentgenovém záření (modré) a na rádiových vlnách (červeně). Velice pěkně je vidět výtrysk hmoty z centrální supermasivní černé díry.

Aktivní galaxie Pictor A zobrazená v rentgenovém záření (modré) a na rádiových vlnách (červeně). Velice pěkně je vidět výtrysk hmoty z centrální supermasivní černé díry.
Zdroj: Chandra

Z nepřímých pozorování víme i o existenci supermasivních černých děr v centrech galaxií. Ty mají hmotnosti stovek tisíc až po miliardy slunečních hmot. Největší z nich se skrývají v nitru kvazarů. Projevují se opět hlavně zářením vznikajícím při akreci hmoty na tuto černou díru. Velice bouřlivé jsou zvláště projevy těchto procesů v kvazarech a aktivních galaxiích. Zde vznikají velice intenzivně zářící výtrysky relativisticky se pohybující hmoty. Pro určení jejich hmotnosti se využívá zkoumání gravitačního vlivu těchto kompaktních objektů na pohyb hvězd v jejich blízkém okolí. Tyto hvězdy se pohybují v tak intenzivním gravitačním poli, že mohou sloužit i k ověřování obecné teorie relativity.

Základní rozdíl mezi hvězdnými a galaktickými černými děrami je, že hustota supermasivní černé díry uvnitř horizontu je mnohem nižší než u těch hvězdných. Zároveň je daleko menší i gradient tíhové síly v okolí horizontu. Rozdíl tíhové síly na hlavu a nohy kosmonauta, který by do takové černé díry padal, by nebyl o moc větší, než je na zemském povrchu. Na rozdíl od pádu do hvězdné černé díry by tak kosmonauta při průchodu horizontem galaktické černé díry slapové síly neroztrhaly.

Horizont, singularita, ohnivá stěna …

Jak bylo zmíněno, ohraničuje horizont prostor černé díry, ze kterého nemůže vyletět ani objekt s rychlostí světla. Hmota pod horizontem podle obecné teorie relativity nezadržitelně kolabuje do singularity, tedy bodu s nekonečnou hustotou. Je třeba zdůraznit, že singularita pouze ukazuje, že se dostáváme do oblasti tak silných gravitačních polí, které tato teorie popsat nedokáže. Reálně pochopitelně bod s nekonečnou hustotou nevzniká.

Pro popis procesů v této oblastí limitních hodnot gravitačních polí je nutné znát kvantovou teorii gravitace, která zatím vybudována není. Snaha o skloubení teorie gravitace popisující chování časoprostoru a kvantové fyziky naráží na jejich nekompatibilitu, která se jen těžko překonává a vede k řadě paradoxů.

Simulace vypaření mikroskopické černé díry vzniklé na LHC emisí Hawkingova záření. Urychlovač LHC mikroskopické černé díry neobjevil a jejich existence i existence Hawkingova záření zůstávají stále v oblasti hypotéz.

Simulace vypaření mikroskopické černé díry vzniklé na LHC emisí Hawkingova záření. Urychlovač LHC mikroskopické černé díry neobjevil a jejich existence i existence Hawkingova záření zůstávají stále v oblasti hypotéz.
Zdroj: CERN

Přesto se v průběhu dosavadních snah o zapracování kvantových vlastností do popisu černých děl podařilo předpovědět několik velmi zajímavých procesů a dějů. Jedním z nich je prognóza existence Hawkingova záření. Kvantové procesy v blízkosti horizontu způsobují, že černá díra vyzařuje záření s tepelným spektrem. Teplota je nepřímo úměrná její hmotnosti, a čím má černá díra hmotnost menší, tím intenzivněji vyzařuje. Nakonec se vypaří. To se však zatím netýká současných černých děr, které mají hmotnost hvězdnou nebo větší. Teplota jejich Hawkingova záření je nižší, než je teplota reliktního záření a více záření tak pohltí, než vyzáří.

Vznik Hawkingova záření lze popsat tak, že v blízkosti horizontu černé díry vznikají virtuální páry částice a antičástice. Jedna z nich se však kvůli kvantové neurčitosti octne nad horizontem a odletí ven z černé díry, druhá pak do ní spadne. Energie potřebná k tomu, aby částice vyzářená z černé díry byla reálnou, se odebere z její hmotnosti. Jinou možností popisu je, že vlnová funkce popisující pohyb částice pod horizontem zasahuje i nad horizont. Částice se tak může octnout nad horizontem a může být z černé díry vyzářena.

Existence Hawkingova záření sice dosud nebyla experimentálně potvrzena, ale všeobecně se předpokládá. U jiných předpovídaných procesů to tak jednoduché není. Jeden z paradoxů vzniká, jestliže bude kosmonaut padat do velké černé díry, třeba té galaktické. Podle obecné teorie relativity by průchod horizontem neměl zaznamenat. Naopak fyzikální zákony zakazují, aby se informace z našeho vesmíru ztratila. Když se však dostanou pod horizont do místa singularity, tak z našeho vesmíru zmizí, jsou nedostupné. Navíc platí v obecné teorii relativity princip lokality, který znamená, že se působení na dálku šíří konečnou rychlostí. Tyto tři pravidla nemohou být splněna současně a vzniká něco, co se označuje jako informační paradox. Má-li být splněno zachování informace a lokalita, musí na horizontu existovat ohnivá stěna, kterou vytváří Hawkingovo záření. Ta však má pochopitelně dramatický dopad na objekt padající do černé díry. A může také ovlivnit průběh splynutí černých děr a průběh emise gravitačních vln. To je i důvod, proč se snaží projevy existence ohnivé stěny a jejich vlastností hledat fyzikové v datech experimentů LIGO a VIRGO, které pozorovaly již čtyři kolize černých děr. Protože není znám přesnější popis fyziky okolo horizontu a případných vlastností ohnivé stěny, je náročné najít i její odezvy v pozorovaném signálu gravitačních vln.

Do značné míry je tento paradox spojen s nekompatibilitou lokality obecné teorie relativity a nelokálností kvantové teorie. Jeho řešení se tak hledá i na úrovní pochopení provázaných (propletených) stavů více částic, který je právě projevem nelokálnosti a vede k řadě paradoxů v kvantové fyzice (více zde). V roce 2013 navrhli Leonard Susskind a Juan Maldacena, že provázané částice jsou spojeny zmíněnými červími děrami. Je však pořád otevřená otázka, jestli tato cesta povede k lepšímu pochopení kvantové teorie gravitace a propojení obecné teorie relativity s kvantovou fyzikou.

Dne 14. srpna 2017 se podařila čtvrtá detekce gravitačních vln vzniklých při splynutí černých děr. Tentokrát úkaz zaznamenaly tři detektory. Dva z amerického systému LIGO a evropský detektor VIRGO. To umožnilo zatím nejpřesnější určení polohy zdroje gravitačních vln.

Dne 14. srpna 2017 se podařila čtvrtá detekce gravitačních vln vzniklých při splynutí černých děr. Tentokrát úkaz zaznamenaly tři detektory. Dva z amerického systému LIGO a evropský detektor VIRGO. To umožnilo zatím nejpřesnější určení polohy zdroje gravitačních vln.
Zdroj: LIGO – VIRGO Spolupráce – Optical Sky Data: A. Mellinger

Je tak vidět, že události a procesy v blízkosti a pod horizontem událostí bez kvantové teorie gravitace popsat nedokážeme a je proto jasné, že nemůžeme zatím určit, jak skutečně černé díry vypadají a zda existují bílé a červí díry. Velký skok v této oblasti by mohla přinést astronomie gravitačních vln, jejíž éra právě začala. Hlavně pak intenzivní studium velkého počtu splynutí černých děr s co největší přesností. Přesná analýza průběhu a vlastností vzniklých signálů gravitačních vln by mohla umožnit i zkoumání vlastností horizontu černých děr.

Stabilizace červí díry

Většina dnes známých řešení Einsteinových rovnic obecné teorie relativity, které vedou k červí díře spojující body ve stejném časoprostoru, jsou však nestabilní. Ukázali to v roce 1962 John A. Wheeler a Robert W. Fuller. Navíc je doba jejich existence extrémně krátká. Během ní nestačí proletět červí dírou žádný objekt s rychlostí menší nebo rovné rychlosti světla. To se týká právě i zmíněných řešení v Schwarzschildově metrice, tedy Schwarzschildových červích děr.

K udržení stability dostatečně dlouho, aby červí dírou mohlo něco projít, je potřeba exotické formy hmoty. A to takové, která má zápornou hustotu energie a vede k velkému zápornému tlaku. Takovou možnost udržení otevřeného hrdla černé díry navrhl Kip Thorne. Možnost získání stabilní červí díry dovolující transport objektů s podsvětelnými rychlostmi v rámci obecné teorie relativity ukázali v roce 1973 nezávisle Homer Ellis a K. A. Bronnikov. Postupně byla v rámci obecné teorie relativity nalezena řada řešení vedoucí ke stabilním červím dírám a případným možnostem jejich využití pro zkrácení cestování mezi různými body časoprostoru. Další řešení byla nalezena v případě modifikací gravitační teorie.

Reálnou existenci nějakých exotických forem hmoty naznačují i některá experimentální pozorování. Například relativně nedávný objev zrychlování rozpínání vesmíru objeveny pomocí pozorování vzdalování velmi dalekých supernov prvního druhu lze vysvětlit pomocí temné energie. Mohla by vysvětlit také některá další kosmologická pozorování, například přesná měření nehomogenit v teplotě reliktního záření. Proto by potřeba jiných exotických forem hmoty nutných pro stabilizaci červí díry nemusela být úplně nepřekonatelnou překážkou. Zatím se však jeví značně nepravděpodobná. Pokud tato možnost existuje, je založena na některých vlastnostech kvantových fluktuací vakua spojených s kvantovou teorií gravitace, kterou však zatím nemáme. Se záporným tlakem a energií vakua se setkáváme i v případě Casimirova jevu, který vzniká extrémním přiblížením elektricky nabitých desek (blíže zde). Je však třeba zmínit, že s „energií vakua“ se často spojují značně spekulativní až pavědecké návrhy, které nemají moc společného s realitou. Jako je tomu třeba s mikrovlnným (EM) pohonem.

Ještě větším problémem může být, že využití stabilní červí díry, která spojuje vzdálená místa v časoprostoru, vede k problémům s plynutím času a umožňuje cestování v čase do minulosti. A je velmi nepravděpodobné, že by byla v reálném světě taková možnost dovolena. Známý je myšlenkový experiment prezentovaný Kipem Thornem. Předpokládá, že vytvoří červí díru, jejíž jeden konec je umístěn v jeho pokoji a druhý na připravené kosmické lodi. Jeho manželka se přemístí do mezihvězdné lodi. Loď se pak vydá v normálním prostoročase na okružní cestu rychlostí blízkou rychlosti světla, která pro ni bude trvat 12 hodin. Kip Thorn při ní stále vidí svou manželku skrz červí díru, dokonce se v principu mohou držet za ruce. Při pohledu červí dírou Kip Thorn vidí manželku, co dělá při odletu, samotném letu a při návratu. To vše v čase dvanácti hodin. Pokud se však dívá oknem ven ze svého pokoje, tak se raketa s jeho ženou vrátí za mnohem delší dobu závisící na rychlosti mezihvězdné lodi. Řekněme, že rychlost bude taková, že z pozemského pohledu bude let lodi trvat deset let. Kipova žena se může při svém opětném přistání na Zemi setkat s Kipem starším o deset let, ovšem zároveň i při průchodu červí dírou se stejným člověkem po dvanácti hodinách. Samotný Kip může v tomto okamžiku přes červí díru navštívit své budoucí já nebo jeho budoucí já může navštívit jeho.

Zatím se zdá, že v přírodě červí díry vznikat nemohou, kromě doby velmi krátce po vzniku vesmíru. Některé hypotézy totiž předpovídají primordiální červí díry, jejichž velikost je však pouze 10-33 m a ihned nastane jejich rychlý zánik. V průběhu expanze vesmíru by se však některé z nich za specifických podmínek mohly i zvětšit. Je však potřeba zdůraznit, že jejich vznik je spojen s existencí hypotetických topologických poruch časoprostoru, které fungují jako požadovaná exotická forma hmoty. Nejčastěji se tak dnes uvažuje umělá konstrukce takových objektů.

Warpový pohon by mohl umožnit zkrácení doby letu k jiným hvězdám

Warpový pohon by mohl umožnit zkrácení doby letu k jiným hvězdám
Zdroj: NASA/Marshall Space Flight Center

Dalším kritickým problémem je také průlet reálných kosmických lodí červí dírou. K jejímu vytvoření by se mohly využít černé díry. Problémem však je, že v tomto případě se musíme dostat pod horizont událostí černé díry. Každá loď, která se dostane pod horizont událostí, se už nemůže dostat přes něj zpět. Není žádné cesty zpátky. Platí to, ať už pod ním červí díra je nebo není. V případě černých děr hvězdné hmotnosti je případný hvězdolet vystaven obrovskému gradientu gravitačního pole, který by každou představitelnou konstrukci roztrhal. Tím menší je možnost, že by cestu skrz horizont hvězdné černé díry a vzniklou červí díru přežil kosmonaut. Psalo se už o supermasivních černých dírách v centrech galaxií. V tomto případě by kosmická loď z hlediska gravitačních vlivů měla překonat horizont bez problémů a ohrožení. Existuje navíc možnost, že by zmíněný exotický stav hmoty expandoval i u hvězdné černé díry její vstup mimo horizont a stabilizoval její hrdlo, takže by byla dlouhodobě průchodná.

Jak už bylo zmíněno, zatím neznáme kvantový popis gravitace a nevíme tak, jak vypadá oblast, která v Obecné teorii relativity vytváří singularitu. A také exotické formy hmoty, které se ve vakuu v extrémních podmínkách vytváří. Chování černých děr, hypotetických bílých děr a červích děr v oblastech extrémních hodnot gravitačního pole nelze bez znalosti teorie kvantové gravitace popsat. Proto také nelze říci, zda opravdu mohou bílé a červí díry existovat. Jednou z testovaných možností, jak by mohla tato teorie vypadat, jsou strunové teorie. Ovšem studium strunových teorií je momentálně v krizi a nelze říci, kdy se tak podaří kvantovou teorii gravitace vybudovat.

Warpový pohon

Další zatím hypotetickou možností pro cestování rychlostí větší než světlo je warp pohon. Ten je znám hlavně ze seriálu Star Trek. Jde o hypotetický princip, při kterém mezihvězdná loď deformuje prostoročas tak, že před lodí se prostor smršťuje a za lodí roztahuje. Je tak možné zajistit přesun lodi z jednoho místa ve vesmíru na jiné rychlostí větší, než je rychlost světla, i když ve skutečnosti nejde o pohyb lodi k danému místu, ale o takovou deformaci prostoru, že se k nám kýžený cíl přiblíží. V principu bychom tak mohli cestovat ke hvězdám a nemuseli přitom téměř opustit Zemi. Necestovali bychom k Alfě Centauri, ale Alfa Centauri by byla přenesena k nám.

Červí díry by mohly zajistit cestování mezi různými vesmíry

Červí díry by mohly zajistit cestování mezi různými vesmíry
Zdroj: Nature/MIT, Aldebaran

Že je takové cestování s pomocí warpového pohonu přípustným řešením rovnic obecné teorie relativity, ukázal v roce 1994 fyzik Miguel Alcubierre. Je však třeba pro jeho uskutečnění obrovské množství exotické záporné energie a zároveň i extrémní množství normální kladné energie. Kladná energie by se využívala ke stlačování prostoru před lodí a záporná pro jeho roztahování za ní.

Stejně jako v případě červích děr narážíme na problém, že v případě možnosti realizace takového pohonu by v principu umožňoval cestování v čase. Ukázal to Allen E. Evrett v roce 1996 a může to znamenat další problém při posuzování reality této možnosti.

Rozbor Sergeje Krasnikova ukázal na to, že případná hypotetická warpová mezihvězdná loď by nešla během letu posádkou zevnitř ovládat. Vnitřek kosmické lodi by byl oddělený od vnějšího světa a oddělující hranici by nemohl žádný signál překročit. Průběh letu by tak musel být nastaven předem a nedal by se měnit. I tak by však v principu bylo možné vytvořit galaktické dálnice, které by propojovaly místa v naší Galaxii, či případně umožnily i skoky do galaxií jiných.

Cesty mezi různými vesmíry

Je však nutné opět zdůraznit, že z pohledu současné fyziky neznáme možnost, jak cestování pomocí červí díry nebo warpu dosáhnout. Fyziku, která ukáže, zda příroda takové možnosti dovoluje, zatím neznáme. Víme, že k tomu potřebujeme kvantovou teorii gravitace. Jisté náznaky potenciálních možností pozorujeme v chování celého našeho pozorovatelného vesmíru. Pozorujeme, že oblasti vesmíru se vzájemně vzdalují s rychlostí větší, než je rychlost světla. Současná pozorování ukazují, že přibývání galaxií, které se dostávají za náš pozorovatelný horizont, se zrychluje. Měla by to způsobovat temná energie. Navíc existuje řada náznaků toho, že ve velmi raném období vesmíru existovala inflační perioda, ve které se vesmír (prostor) rozpínal extrémně rychle. Není tak v principu možné vyloučit možnost i podobně rychlých kontrakcí prostoru, tedy hodně nadsvětelné přibližování vesmírných objektů.

Umělecká představa, jak by mohl vypadat hvězdolet na warpový pohon Alcubierriho

Umělecká představa, jak by mohl vypadat hvězdolet na warpový pohon Alcubierriho
Zdroj: NASA

Jedním z možných řešení filozofických problémů vznikajících při vysvětlování základních principů kvantové fyziky je hypotéza existence nekonečně mnoha paralelních vesmírů. Vlnová funkce popisuje pravděpodobnost realizace nějakého stavu. Naše konkrétní realita vzniká až „kvantovým pozorováním“, které znamená dekoherencí vlnové funkce popisující pravděpodobnostní stav a její kolaps, který vede k výběru konkrétní možnosti a její realizace.  Hugh Everett přišel s předpokladem, že se realizují vždy všechny možnosti, ovšem každá v jiném vesmíru. Každá dekoherence a kolaps vlnové funkce tak znamená rozštěpení a vznik dalších vesmírů. Při každém kvantovém pozorování tak místo kolapsu vlnové funkce dojde ke štěpení vesmíru a vzniká tak nekonečná posloupnost stále se dělících vesmírů. Existuje tak nekonečně mnoho paralelních vesmírů. Vzniká tak každý vesmír a každá historie, která je fyzikálně přípustná. Z nich některé jsou téměř stejné, jako ten náš, pouze s nějakou drobnou odchylkou. Jiné pak se mohou i velmi dramaticky lišit. Každý z těchto světů je stejně reálný.

Existencí extrémně velkého počtu vesmírů se dá v kosmologiích postavených nejen na strunových teoriích vysvětlit velmi přesné nastavení parametrů Standardního modelu hmoty a interakcí, které vede k možnosti existence rozumné bytosti – člověka. Standardní model s uvážením nenulových hmotností neutrin popisuje v současné době mnohdy s extrémní přesností kromě gravitační interakce všechny pozorované jevy a procesy, které dokážeme v laboratořích vytvořit a pozorovat. Existují entity, jako je temná hmota, temná energie či singularita černé díry, na jejichž vysvětlení Standardní model nestačí. Teorie elektroslabé interakce popíše jednotně elektromagnetickou a slabou interakci. Kvantová chromodynamika pak popíše interakci silnou. Tyto dva popisy celkově tří interakcí jsou pak součásti zmíněného Standardního modelu. Jednotný popis elektroslabé a silné interakce by měla zajistit Teorie velkého sjednocení. Ta by měla vysvětlit různé volné parametry Standardního modelu, který musí být její součástí. Samotná by pak měla být součástí obecnější teorie, která by obsahovala i kvantový popis gravitace.

Dlouho se zdálo, že správnou cestou k jednotnému popisu všech čtyř známých interakcí jsou strunové teorie. V současné době se však tento obor fyziky potýká s obrovskými problémy, které nejsou spojeny jen s jejich extrémní matematickou náročností. Původní představa byla, že se mezi strunovými teoriemi vyloupne taková, která automaticky povede ke Standardnímu modelu a hodnotám jeho volných parametrů měřeným v našem vesmíru. Postupně se však ukázalo, že existuje téměř nekonečně mnoho strunových teorií, které vedou k velice různým vesmírům s fyzikou i velmi odlišnou od Standardního modelu. Pokud tak máme přirozeně (bez nějakého „vesmírného tvůrce“) vysvětlit vznik a naší přítomnost právě ve vesmíru, který je ideální pro naši existenci, musíme předpokládat, že vzniklo nekonečně mnoho různých vesmírů s velmi rozdílnými fyzikami i parametry Standardního modelu. My pak můžeme existovat jen v tom, který má tu správnou, pro naše bytí vhodnou, fyziku.

Prosazuje se tak opět hypotéza, že existují myriády různorodých vesmírů. Některé jsou opět téměř stejné, jako ten náš. Naopak jiné mohou mít fyziku a tedy i vše ostatní úplně odlišné. Většina nevede k existenci myslících bytostí, ale velký počet je obsahuje.

Dvojice černých děr spěje ke splynutí

Dvojice černých děr spěje ke splynutí
Zdroj: SXS/LIGO

Je tak vidět, že hypotéza existence obrovského množství paralelních světů by nám pomohla vyřešit řadu nejen filosofických problémů, které přináší současná fyzika. Hypotetické červí díry by pak mohly umožnit cestování nejen mezi různými místy prostoročasu našeho vesmíru, ale i mezi různými vesmíry. Americký fyzik japonského původu Michio Kaku tak předpokládá ve své knize Paralelní světy, že budoucí civilizace stará milióny let či dokonce stovky milionů až miliardu let vyřeší problém s cestováním mezi vesmíry či dokonce dokáže vytvářet vesmíry nové. Najde tak případně možnost opustit vesmír, který bude chladnout a ztrácet podmínky pro existenci myslících bytostí.

Pokud však podobná možnost existuje, bude potřebovat extrémní množství energie a technologie, o kterých v současné době nemáme ani ponětí. Pokud se však civilizace v dohledné době nezničí, mohla by mít na výzkum v tomto směru dostatek času.

Závěr

Je vidět, že v principu je cestování rychlostí větší, než je rychlost světla, s využitím modifikací časoprostoru možné. Jestli bude reálné využití černých děr, červích děr nebo warpového pohonu je otázka úplně otevřená. V tomto případě kvůli naši neznalosti kvantové gravitace nevíme, zda takové možnosti alespoň v principu existují. Základní rozdíl mezi možnostmi mezihvězdného cestování, které jsme zatím v cyklu o vesmírných pohonech probírali, a černými děrami i warpem je, že ty předchozí, neodporují žádným fyzikálním zákonitostem a o jejich využití rozhodne nalezení odpovídající technologie. To se týká například i vesmírného výtahu, u kterého proběhla velmi intenzivní a zajímavá diskuze. U černých a červích děr či warpu neznáme odpovídající teorie, které tyto jevy dokáží popsat. Nedokážeme tak rozhodnout, zda přírodní zákonitosti tyto možnosti dovolují. O případných potřebných technologiích pak už nemáme představu žádnou. V současnosti jsou tak tyto způsoby mezihvězdného cestování čistě hypotetické a může se ukázat, že ani principiálně neexistují. Pro rozhodnutí potřebujeme vybudovat kvantovou teorii gravitace. K tomu se můžeme dopracovat buď přes částicovou fyziku v podobě signálů nové fyziky (hledají se třeba pomocí urychlovače LHC) nebo pozorováním velice kompaktních vesmírných objektů – černých děr. Zde nyní dochází k zásadnímu průlomu díky detekci gravitačních vln vznikajících při splynutí dvojice černých děr. Je tak možné, že již brzy budeme vědět v této oblasti více.

Psáno pro servery Kosmonautix a Osel

Budeme létat skrz červí díry nebo s warpovým pohonem?, 4.9 out of 5 based on 38 ratings
Pin It
(Visited 5 128 times, 1 visits today)
Kontaktujte autora článku - hlášení chyb a nepřesností, rady, či připomínky

Hlášení chyb a nepřesnostíClose

VN:F [1.9.22_1171]
Rating: 4.9/5 (38 votes cast)
(Visited 5 128 times, 1 visits today)
Níže můžete zanechat svůj komentář.

Více se o tomto tématu dočtete zde »
(odkaz vede na příslušné vlákno diskuzního fóra www.kosmonautix.cz)


30 komentářů ke článku “Budeme létat skrz červí díry nebo s warpovým pohonem?”

  1. bill napsal:

    Whau! Tak to je něco. 🙂 Velice děkuji.

  2. Velmi zajímavé rozjímání, které zatím nemá realitu pro aplikaci. Avšak tyto vize jsou velmi potřebné pro hledání mnoha nevysvělených jevů. K řešení kosmické a mezivesmírné logistiky potřebujeme zjistit podstatu a následně využít temné energie, temné hmoty, antičástic a kvantové energie včetně všech jejich možných projevů. Zejména využití silové kvantové energie bude dle mého úsudku pro tuto oblast rozhodující. Příkladným projevem jsou černé díry, kde dochází k přeměně hmoty na energie, a pokud se jedná o mnohovesmírné pojetí, pak dořešit vznik Velkého třesku, neboť se naskýtá vysvětlení jeho vzniku právě z podstaty mega černé díry která dosáhla kritické hodnoty energetického stavu. Warpový pohon v modifikaci na nové poznatky bude pravděpodobně realizovatelný , rovněž průchodnost červí dírou lze teoreticky zdůvodnit v povaze vzájemného rušení energetických vlnění.

  3. ventyl napsal:

    Pochopil som to spravne tak, ze tento mechanizmus (cervie diery) by mal teoreticky byt schopny otvorit branu do vesmiru s inou fyzikou? Vstup do takeho vesmiru by mal asi pre struktury drzane pokope fyzikou nasho vesmiru fatalne nasledky…

    • Fantasta napsal:

      Já chápu červí díru jako projení / zkratku/ v našem zakřiveném vesmíru, či prostoročasu. To by mělo umožnit cestování na ohromné vzdálenosti v podstatě rychleji, než světlo. Ovšem pokud vůbec existují a pokud je budeme schopni využít. Zatím čistá sci fi. ☺

  4. Android napsal:

    Jako je prima si tyhle abstrakce představovat z pohledu jedné hodně neutrální, nekonečně malé částice. Když si ale zkusíte představit elektron prolétající červí dírou/warpem a popsat co to s ním udělá. Tak to nemáte šanci spočítat a nebo si to jen představit. A teď si představte co to udělá s kosmickou lodí velkou 100metrů. To by z ní byl slušný guláš že? 🙂

  5. Jiný Honza napsal:

    Tak to je masakr. Ale na pobavení dobrý. 🙂

  6. Pája napsal:

    Pokud bych si měl tipnout, tak si myslím, že lidé nikdy neopustí vnitřní sluneční soustavu. Vyjma nějakých malých sond, které poletí tisíce a tisíce let do tmy.

    • Cx napsal:

      Tak to jste asi ignoroval pokrok za posledních 100 let. Lidé tu jsou 10 000 let, možná i déle, a mají další tisíce let na vývoj. Dneškem pokrok opravdu neskončil 🙂

      • Štěpán Krňanský napsal:

        Souhlasím, není to tak dlouho co cesta na orbitu byla něco technicky totálně neproveditelného a jen se otom maximálně teoretizovalo.. Možná to šlo částěčně spočítat, ale bylo to stejné jako dnes cesty nadsvětelnou rychlostí.

        Než se k tomu dopracujeme, bude to dlouhá doba a je pravděpodobné, jak si o nás za několik set let budou říkat jaké jsme měli naivní a primitivní představy o cestování mimo sluneční soustavu 🙂

        Také ale třeba řeknou, alespoň o tom snili a pokládali základy …

        Naše představy vycházejí z toho co známe, nikdo například nepředpověděl internet a najednou neb něj nedokážeme žít.. Kdo by si to představil ještě v polovině 90 let, jak nás ovlivní.. Nebo když si přečtete člínky jak si v roce 1900 představovali rok 2000..

        Bude zajímavé sledovat pokroky… Ale nikdy bych neříkal nikdy, protože největší objevy jsou většinou nečekané 🙂

      • maro napsal:

        Ale on má pravdu. Biologičtí lidé tu Sluneční soustavu opravdu neopustí. To co poletí pryč budou robotické systémy obsahující v sobě lidské myšlení. To je právě ten pokrok. Prostě poletí lidská mysl, ale bez biologické schránky, která by to nezvládala.

    • Pája napsal:

      Ano, romantické optimstické předpovědi vycházejí z předpokladu možného nekonečného a exponenciálního růstu vědomostí a technologií. Takže se mnozí těší na nadsvětelné rychlosti cestování, nebo aspoň rychlosti světla blízké, cestování hyperprostorem či mimoprostorem, na WARP a kdo ví co ještě. Jenže se může taky stát, že tyto hypotetické fantazijní představy reálná fyzika našeho vesmíru neumožní. Nadějeplná srovnání s vývojem letectví, mořeplavectví, komonautikou a informatikou může být hodně zavádějící a iluzorní.

      „…kvůli naši neznalosti kvantové gravitace nevíme, zda takové možnosti alespoň v principu existují. U černých a červích děr či warpu neznáme odpovídající teorie, které tyto jevy dokáží popsat. Nedokážeme tak rozhodnout, zda přírodní zákonitosti tyto možnosti dovolují. V současnosti jsou tak tyto způsoby mezihvězdného cestování čistě hypotetické a může se ukázat, že ani principiálně neexistují…“

      V současnosti nemáme ruce vůbec nic. Kdyby se povedl průlom do fyziky, může i tak ukázat, že tudy žádná cesta nevede. Ale kdyby se hypoteticky ukázalo, že to aspoň teoreticky principiálně možné je, tak by to stejně pravděpodobně platilo jen pro nějaké exotické extrémní formy hmoty a obrovské energie, které by praktické použití pro živé makroskopické objekty vyloučilo.

      Nadto si nelze povšimnout, jak v posledních 100 letech exponenciálně postupuje devastace a vyčerpání životního prostředí a může se lehce stát, že v dalších sto letech se civilizace zhroutí ve válkách o zdroje, v boji s infekčními nemocemi a povrch souše se přemění v pouště a oceány v mrtvé skládky a lidi budou mít úplně jiné starosti než stavět hvězdolety na WARP (třeba jak nasbírat dost bobků do ohínku na uvaření polévky z trávy, mechu a řas).

      • mireko napsal:

        Dobrý den Pájo, připomínáte mi ředitele patentního úřadu ve Washingtonu, který v roce 1832 prohlásil: Navrhuji zrušení patentního ústavu. Všechno už bylo vynalezeno a nic nového už nelze objevit.

        • Pája napsal:

          Máte pravdu, taky si tak připadám, asi jsme příbuzní 😀 Jen neříkám, že nejde už nic nového objevit či vynalézt; dokonce připouštím možnost cestování po sluneční soustavě. Jen jsem si tipoval, že se nepůjde přemisťovat nadsvětelnou rychlostí a skrz černé díry. Optimismus některých lidí mi zas připomíná předpověďi, že v roce 2000 budeme na chodit Marsu, budeme mít fúzní reaktory a vznášející se automobily.

    • Honza napsal:

      Generační megalodě to jistí. Případně výše navrhovaný přesun vědomí na lepší harware. Nehledě na potenciální vývoj strojového života.

      • Bohumil Boruvka napsal:

        Treba Brian Aldiss to krasne popsal v knize NON-STOP- Vsem doporucuju je i v audioverzi.Uzasnej pribeh o tom co se pri tom muze stat….

  7. Dan napsal:

    Skvělý rozbor, děkuji 🙂

  8. marekS napsal:

    Práve získali Rainer Weiss, Barry Barish a Kip Thorne
    nobelovu cenu za fyziku za rok 2017 ,za objav gravitačních vln na detektore LIGO.
    http://www.ceskatelevize.cz/ct24/veda/2261005-nobelovu-cenu-za-fyziku-dostali-objevitele-gravitacnich-vln-jejich-vyzkum-otrasl

    • Vladimír Wagner napsal:

      Sice se to čekalo, ale i tak je to fantastické a zasloužené. Moc jim gratuluji.

    • ptpc napsal:

      Takisto sa pripájam!
      Inak – rád by som si pozrel ako sa o tomto objave bude referovať napr. o takých 100 rokov…

  9. JardaP napsal:

    Kdyby vedle naší dimenze existovala dimenze, která by byla s naší provázaná, ale byla o hodně menší. Tak na jiné místo v naší dimenzi by se dalo rychle cestovat přes tu menší dimenzi.
    Jinak podle mě je cestování ohýbáním prostoru nesmysl.

  10. pbpitko napsal:

    Papier znesie všetko, aj hociaké „teórie”, ktoré nie sú žiadnymi teóriami, dokonca ani nie hypotézami a dokonca ani sci-fi ale hraničia s chimérou.
    Nie je pravda že nemáme žiadnu teóriu kvantovej gravitácie, opak je pravdou, máme ich desiatky, hádam aj viac ako sto a ešte viacej sme ich už zavrhli ako nezmysel. A v tom je práve tá potiaž, ani u tých zatiaľ nevylučených nikto nevie povedať ktorá je správna.
    Ja by som povedal že ani jedna. Veľká väčšina z nich nedáva ani náznak toho ako by sa aspoň čiastočne dala čo i len hypoteticky dokázať. Nedáva ani náznak čo a kde by sme mali hľadať, ako a kde by sa dôsledky „teórie” mohli prejavovať a čím by sme ich mohli pozorovať. Sú naprosto nedokázateľné a často aj nevyvrátiteľné. Nachádzajú sa viac-menej v oblasti mýtov kde dôkaz nie je len nepotrebný ale dokonca aj nežiadúci. Matematicky to síce môže byť O.K. ale to ešte vôbec nedokazuje že je to aj reálne.
    A ak to matematicky nesedí a ani nemôže sedieť tak to môže niečo dokazovať, ale iba to že je to celkom určite nezmysel.
    A čo bude o 100 rokov ? Veď pokrok predsa napreduje míľovými krokmi. SKUTOČNE ?
    Zdá sa že sme nepochopili ani to čo je zjasvné. za posledných 50 rokov sa počet obyvateľov zvýšil zo 4 Gľudí na takmer 8 Gľudí. Ak to pôjde takto ďalej o 100 rokov (každých 50 rokov dvojnásobok) by nás malo byť ešte 4x viac, teda 32 GHľudí. Ako to zvládneme, keď už teraz pri 8Gľuďoch to očividne nezvládame. ZEM NIE JE NAFUKOVACIA, jej limity sme už dávno prekročili, veľa bolo už pred 50 rokmi keď nás bolo iba 4 Gľudí. Štatistiky varujú že počet hladujúcich napriek zvyšujúcej sa výrobe potravín stále rastie (na úkor kvality životného prostredia aj životov ľudí), rovnako je to s vodou, vzduchom, priestorom …
    Ako sa zbaviť 4Gľudí ? To ešte nikto nepovedal ani hypoteticky a zdá sa že ani nikto nad tým sa ani neodvažuje pomyslieť. A pritom je to naprosto nevyhnutné urobiť.
    Pre 4Gľudí by asi bolo ešte možné pri rozumnom hospodárení zabezpečiť každému dostatočnú, kvalitnú a zdravú stravu pri slušnom životnom štandarde, pri zdravom vzduchu a vode, pri kvalitnom životnom prostredí, lesoch, morí, zvierat … pri dostatku energie pre všetkých ľudí aj všetkého živého.
    Naše znalosti a vedomosti a technické možnosti síce rastú geometrickým radom, ale raka v ruke s tým s dvojnásobným geomerickým radom sa začínajú nnožiť aj problémy a ťažkosti.
    Tie všetky na nás neustále bušia zo všetkých strán a my zatiaľ nereagujeme !
    ZOBUDÍME SA ?
    pb :}

    • Honza napsal:

      A jak podle Vás máme reagovat? Po takovém výkřiku, jaký jste předvedl, by se hodilo navrhnout, co s tím, jinak jsou to dost plané řeči. Velmi elegantní způsob omezování populace se zdá být zvyšování životní úrovně. A na tom tak nějak dělá opravdu hodně lidí.

      • pbpitko napsal:

        Áno, výkrik do tmy. Neviem čo s tým robiť. Zvyšovať životnú úroveň dokážeme len pre silne obmedzený okruh ľudí, pre veľkú väčšinu viem zabezpečiť iba zhoršovanie. Iba 3-4 Gľudí by vyriešilo tak 95% súčasných problémov :
        Potraviny, voda, životné prostredie, znečistenie, produkciu energie – hlavne fosilnéh palivá,životný priestor, zdravie, stres z preľudnenia, migrácia… Keby som vedel čo s tým tak by som napísal. Chcel som vyprovokovať tých ktorí to vedia, alebo aspoň tušia. Je to krajne chúlostivá téma, všetci sa jej boja ako čert svätenej vody. Ja som našiel aspoň trochu tej odvahy naznačiť čo bude naprosto nevyhnutné urobiť. Predpokladám, že aj tak ma kde kto bude chcieť prinajmenšom ukrižovať.

  11. Spytihněv napsal:

    Skvělý článek, který velmi pochopitelně vykládá fakta- černé díry, jejich typy a účinek na okolní hmotu atd.- spolu s vědeckými spekulacemi- červí díry, ohýbání prostoru, warp… Vše má však něco do sebe. Teorie nekonečného množství paralelních vesmírů, kde se realizují všechny možnosti včetně různé fyziky, opravdu velmi elegantně vysvětluje proč to zrovna tady u nás tak dobře funguje. Jen doufejme, že červí díry umožní propojit jen ty se stejnou fyzikou. Jasně, jde zatím o čirou sci-fi, ale podstatné je tam to science. Teoretický základ máme, i když vědecký přístup je samozřejmě skepse a volání po důkazech (s čímž lze jen souhlasit). Nejsem však vědec a proto to mohu v klidu považovat za možné a pouštět představivost ze řetězu 🙂

    • vedator napsal:

      Presne tak!! Ludska predstavivost a lenivost su vlastnosti, ktore posuvaju ludstvo dopredu 🙂

      • Spytihněv napsal:

        Myslím, že ani jeden z nás dvou (nebo vlastně vůbec nikdo) nemůže kvalifikovaně a zodpovědně prohlásit, že výše popsané vize o červích dírách, ohýbání časoprosoru apod. jsou reálné/nereálné. S tím nemá nějaká lenivost nic společného. Každý jasný výrok v tomto směru je zatím jen spekulace. Ale ta představa se mi líbí, proto volím variantu „jednou to půjde“ 🙂

  12. ptpc napsal:

    Wau! Tak to bola pecka!
    Okrem veľa nových informácii bol pre mňa veľký prínos v tom, že v jednom článku boli zhrnuté všetky (asi?) teórie ktoré sa takýmto typom cestovania zaoberali a zároveň vychádzali z toho čo už vieme. 🙂

  13. Rudolf Šíma napsal:

    Díky za skvělý článek. Je to poprvé, co souhlasím se všemi příspěvky. 🙂

  14. Petr Hájek napsal:

    Článek super,děkuji.
    jednou se stejně objeví někdo kdo neví že to nejde a udělá to:-)

  15. Petr Kasan napsal:

    Díky autorovi za fantastickou exkurzi do světa, který je mi jinak uzavřený, který přesahuje mé mozkové schopnosti.

Zanechte komentář