Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 24 – vyšlo 1. července, ročník 20 (2022) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

24/2022

Pár slov o singularitách

Jakub Kast Novák

Obvyklá podoba bulletinů je taková, že se představí nějaká novinka jakožto aspekt našeho technologického pokroku. Vedle toho se vyskytují bulletiny, které představují vývoj fyzikálních teorií a ty jsou vždy (a musí být) apriorně polemické. Teoretická věda polemická je, protože je do velké míry spekulativní. Berte prosím tento můj příspěvek jako vysoce polemický, neboť se zabývá vysoce teoretickým tématem singularity. Ale i zde se odehrávají všelijaké novinky, na které cítím potřebu upozornit a případně je postavit nohama na zem, neboť současná popularizace vědy už není jen předmětem vzdělávání společnosti předáváním výsledků naší práce srozumitelnou cestou, ale i neustálým soubojem s mediální hydrou, která se pro vytvoření senzace vůbec nebojí překroutit to, co bychom snad mohli nazvat pravdou.

Singularita jako strašidlo fyziků. Zdroj: Wallpaper Cave.

Obecná relativita – teorie gravitace publikovaná Albertem Einsteinem v roce 1915. Její základní myšlenkou je tvrzení, že každé těleso svou přítomností zakřivuje prostor a čas ve svém okolí. Ostatní tělesa se v tomto pokřiveném světě pohybují po nejrovnějších možných drahách, tzv. geodetikách. Černá díra – objekt, který kolem sebe zakřiví čas a prostor natolik, že z něho nemůže uniknout ani světlo. Část z nich vzniká kolapsem hvězdy v zá­vě­reč­ných fázích vývoje. Druhou skupinu tvoří obří černé díry sídlící v centrech galaxií. Rotující černé díry kolem sebe vytvářejí akreční disky látky a v ose rotace výtrysky vysoce urychlených částic. Paradoxně akreční disky i výtrysky, vznikající v bezprostředním okolí černé díry, velmi intenzivně vyzařují. Singularita – oblast, v níž některé veličiny nabývají nekonečných hodnot. Nekonečno samotné je matematickou limitou označující hodnotu velkou „nade všechny meze“. Takové hodnoty mohou vycházet v teoriích (například ve středu černé díry, na počátku vesmíru, v místě bodového náboje), ale neměly by být součástí přírody. Nekonečno v teorii obvykle znamená její selhání pro popis dané situace.

Nekonečno

Nekonečné struktury umožňují tvorbu zajímavých matematicko-filosofických paradoxů a myšlenkových hrátek, která stály za akcelerací dalšího poznání, neboť bylo zapotřebí se s těmito život spořádaného občana komplikujícími skutečnostmi vyrovnat – vzpomeňme například Cantorovy výsledky v teorii množin či slavný Hilbertův hotel. Občas to vede k myšlenkám, které se z pohledu konzervativní matematiky dají považovat za kacířské, totiž nekonečno axiomaticky nahradit konečnem, i když třeba konečnem velmi zvláštním – vzpomeňme si na snahy českého matematika Petra Vopěnky vybudovat alternativní teorii množin. I přes vědomí, že herezí je intelektuální člověk živ, je dobré sledovat, co říká mainstream, neboť hereze má smysl pouze v případě, kdy se jedná o herezi poučenou. A tady bych se rád zastavil u mainstreamové fyzikální komunity, která tvrdí, že nekonečno a nekonečná struktura do fyzikálního světa nepatří. Horlivý čtenář tohoto článku by namítl, a namítl by správně, že se přeci nekonečno ve fyzikálních teoriích vyskytuje a přitom by vzpomněl všelijaké fyzikální singularitySingularita – oblast, v níž některé veličiny nabývají nekonečných hodnot. Nekonečno samotné je matematickou limitou označující hodnotu velkou „nade všechny meze“. Takové hodnoty mohou vycházet v teoriích (například ve středu černé díry, na počátku vesmíru, v místě bodového náboje), ale neměly by být součástí přírody. Nekonečno v teorii obvykle znamená její selhání pro popis dané situace., neboli oblasti, kde určité fyzikální veličiny nabývají nekonečných hodnot (třeba singularita gravitační vyskytující se v centru černých děrČerná díra – objekt, který kolem sebe zakřiví čas a prostor natolik, že z něho nemůže uniknout ani světlo. Část z nich vzniká kolapsem hvězdy v zá­vě­reč­ných fázích vývoje. Druhou skupinu tvoří obří černé díry sídlící v centrech galaxií. Rotující černé díry kolem sebe vytvářejí akreční disky látky a v ose rotace výtrysky vysoce urychlených částic. Paradoxně akreční disky i výtrysky, vznikající v bezprostředním okolí černé díry, velmi intenzivně vyzařují.). Bylo by vhodné ozřejmit, jak vlastně fungují nekonečna ve fyzikálních teoriích. Vysvětlím to analogií a každý ví, že analogie fungují pouze do limity představivosti toho, kdo analogii vymýšlí, tak prosím o shovívavost – když máte nádobu, ze které vytéká nějaká kapalina, tak díru potřebujete nějak zalepit. Cumláte-li v puse při této katastrofě žvýkačku, tak si pomůžete po vzoru MacGyvera právě tou žvýkačkou. Ideální řešení to zcela jistě není, ale dočasně funguje. Takhle nějak je to s nekonečnem ve fyzikální teorii – je to řešení dočasné, čekající na řešení respektující fyzikální realitu. V případě gravitační singularity panuje většinový názor, že řešením by mohla být fungující teorie kvantové gravitaceKvantová gravitace – teorie pokoušející se spojit zákony kvantové mechaniky se současnou teorií gravitace, obecnou relativitou. Zdá se, že nejblíže cíli jsou tzv. teorie strun..

Symbol nekonečna. Zdroj: Shields Property Services, Adam.

Kosmická cenzura

Nyní je potřeba vysvětlit pojem kosmické cenzury. Tato hypotéza má svou silnou a slabou variantu. Co vlastně říká silná varianta? Klasická mechanika je deterministickou teorií, neboli každý jev je následkem jevu předchozího a takto by se dal s dokonalou znalostí dat rekonstruovat celý sled událostí vedoucí k jevu v daném čase poslednímu. Dle silné varianty kosmické cenzury je stejně deterministickou teorií i obecná teorie relativityObecná relativita – teorie gravitace publikovaná Albertem Einsteinem v roce 1915. Její základní myšlenkou je tvrzení, že každé těleso svou přítomností zakřivuje prostor a čas ve svém okolí. Ostatní tělesa se v tomto pokřiveném světě pohybují po nejrovnějších možných drahách, tzv. geodetikách.. Tady si neodpustím drobnou pedagogickou poznámku. V souvislosti s deterministickými teoriemi a tudíž i se silnou variantou kosmické cenzury se uvádí tzv. Laplaceův démon. Ve svém díle Essai philosophique sur les probabilités (Filosofická esej o pravděpodobnosti) francouzský myslitel Pierre Simone de Laplace popisuje inteligenci, která kdyby znala všechna data – dle Laplace všechny síly uvádějící věci do pohybu a všechny pozice těchto věcí – tak dokáže vytvořit jedinou sosutavu rovnic popisující vesmír ve všech jeho aspektech od jeho počátku do jeho konce. No, jak už název eseje naznačuje, Laplace byl tvrdý zastánce teorie pravděpodobnosti a Laplaceův démon je pouze ironickým popisem determinismu, nikoliv jeho obhajobou, jak se občas mylně uvádí.

Slabá varianta říká něco úplně jiného. Totiž to, že singularitySingularita – oblast, v níž některé veličiny nabývají nekonečných hodnot. Nekonečno samotné je matematickou limitou označující hodnotu velkou „nade všechny meze“. Takové hodnoty mohou vycházet v teoriích (například ve středu černé díry, na počátku vesmíru, v místě bodového náboje), ale neměly by být součástí přírody. Nekonečno v teorii obvykle znamená její selhání pro popis dané situace. vzešlé z řešení rovnic obecné teorie relativityObecná relativita – teorie gravitace publikovaná Albertem Einsteinem v roce 1915. Její základní myšlenkou je tvrzení, že každé těleso svou přítomností zakřivuje prostor a čas ve svém okolí. Ostatní tělesa se v tomto pokřiveném světě pohybují po nejrovnějších možných drahách, tzv. geodetikách. jsou skryté v horizontu událostíHorizont událostí – rozhraní u černé díry, po jehož překročení již není možné vyslat jakýkoli signál vnějšímu pozorovateli. Rozměr horizontu událostí určil z obecné relativity Karl Schwarzschild v roce 1916, proto často hovoříme o tzv. Schwarzschildovu poloměru černé díry. U rotující černé díry spočítal tvar horizontu událostí Roy Kerr v roce 1963., takže nemohou být odnikud vně horizontu události pozorované. No a s tímto souvisí pojem tzv. nahé singularity, což je singularita, která nepodléhá kosmické cenzuře, ovšem dle hypotézy Rogera Penrose je jedinou nahou singularitou velký třesk. Samozřejmě existují v současné době hlasy, které nevylučují existenci nahých singularit. Všelijaké poučené diskuze o daném problému na sebe nabalují efektem sněhové koule nejrůznější případy lidské stupidity, ovšem to neznamená, že by oba tábory neměly své rozumné přístupy. Proč vlastně uvažovat o kosmické cenzuře? Mohlo by se zdát, že se jedná o zjednodušení si práce fyzika, neboť když zahalíme problém nekonečna závojem neproniknutelného horizontu události, tak jsme na oko vyřešili problém a jde se dál. Nic není vzdálenější pravdě. Však jsem už psal, že singularita je dočasné řešení teorie a navíc nutnost existence kosmické cenzury jasně vyplývá z řešení Einsteinových rovnic obecné relativity, neboť kdyby singularita byla nahá, tak by se kolem ní mohly odehrávat všelijaké kejkle, které by se nám nelíbily – například by vznikaly časové smyčky, díky kterým by šipka času mohla jít oběma směry zároveň, a tím by byl narušen princip kauzalityKauzalita – příčinná souvislost. Pokud jsou dva děje v příčinné souvislosti (například zapálení rozbušky a exploze) musí ve všech souřadnicových soustavách nastat ve stejném pořadí. Kauzálně spojené děje jsou v takové vzdálenosti, že mezi nimi mohl proběhnout světelný signál., neboli by byl porušen druhý termodynamický zákon. Jinými slovy, mezi tím, co se stalo v minulosti, a tím, co by se stalo v budoucnosti, by nebyl rozdíl, a tudíž tyto pojmy by ztratily smyslu.

Naopak přívrženci existence nahých singularit, a tím popření slabé varianty kosmické cenzury, se odvolávají na to, že dle Kerrovy-Newmanovy metrikyMetrika – matematická struktura zobecňující pojem vzdálenosti dvou bodů. Definuje nejkratší vzdálenost mezi dvěma body v obecném (tzv. metrickém) prostoru. Tvoří-li metrický prostor například povrch koule, potom nejkratší spojnicí mezi libovolnými dvěma body tohoto prostoru je část kružnice (oblouk). Metrickým prostorem je i zakřivený prostoročas obecné relativity, a metrikou tohoto prostoru pak rozumíme nejkratší prostoročasový interval mezi dvěma událostmi v tomto prostoročase. je každá částice s nenulovým spinemSpin – vlastní (vnitřní) rotační moment částice souvisící s Lorentzovou symetrií. Pro částici v centrálním poli se přirozeným způsobem skládá s momentem hybnosti. Částice s nenulovým spinem se mohou chovat jako elementární magnetické dipóly μ, aniž by měly elektrický náboj. Takové částice reagují na vnější magnetická pole. a každá částice s nábojem vlastně nahou singularitou. Nicméně to je častý problém výsledků, které nám dává matematická fyzika zkoumající fyzikální objekty ryze matematickou cestou. Často nám vyjdou matematicky koherentní výsledky, které ale nejsou v souladu s fyzikální realitou, proto taky by se u matematického důkazu ve fyzikálním bádání nemělo končit. Například si vezměte, že Higgsův mechanizmus spontánního narušení symetrieSpontánní narušení symetrie – samovolná změna symetrie systému z vyšší symetrie na nižší při přechodu do nižšího energetického stavu. Typickým příkladem je narušení všesměrové symetrie při změně vody v led. Obdobně při ochlazování feromagnetického materiálu dojde při Curieově teplotě ke změně chování feromagnetika – vytvoří se Weissovy domény a naruší se původní symetrie. Spontánní narušení symetrie je důležitým jevem v částicové fyzice, například při energiích nižších než řádově 100 GeV dojde k rozdělení elektroslabé interakce na elektromagnetickou a slabou. neboli vysvětlení, proč mají elementární částice hmotnost, byl matematicky objeven a popsán roku 1964, nicméně experimentální potvrzení přišlo v letech 2012 a 2013 a až pak lze mluvit suverénně o existenci Higgsova bosonuHiggsovy částice – částice, které se objevují ve sjednocené teorii elektromagnetické a slabé interakce (tzv. elektroslabé interakce) standardního modelu. Částice a jim odpovídající Higgsovo pole zde zajišťují nenulovou hmotnost polních částic slabé interakce a způsobují narušení symetrie elektroslabé interakce při energiích nižších než 100 GeV. Částice jsou pojmenovány podle skotského fyzika Petera Higgse. Tento mechanizmus nazýváme Higgsův mechanizmus a je aplikovatelný i na jiné částice. Existence Higgsovy částice byla s největší pravděpodobností potvrzena v červenci 2012 na dvou detektorech urychlovače LHC v CERNu. O Higgsově částici se často hovoří jako o Higgsově bosonu, Higgsově poli či jen higgsi.. Do té doby to byla matematická struktura, která dost možná vysvětlovala fyzikální realitu. Tady to šťastný konec mělo, ovšem rozhodně to není pravidlem.

Schematické znázornění gravitačního kolapsu. Zdroj: Wikimedia Commons.

Gravitační kolaps

A nyní se dostávám k pojmu gravitačního kolapsu. Těleso se za normálních podmínek nachází v hydrostatické rovnováze, neboli ve stavu, kdy gravitační a vztlakové působení je vyrovnáno. V momentě, kdy vztlakové působení nestačí na vzdor působení gravitačnímu, těleso se hroutí do sebe procesem, kterému se říká gravitační kolaps. Takto se například mohou hroutit hvězdotvorná mračna, což má za následek vznik hvězdy, ovšem mohou se takto hroutit ve své v závěrečné fázi i samotné hvězdy. V dané fázi se tlakový gradient hvězdy vznikající tlakem záření hvězdy nevyrovná vnitřnímu gravitačnímu působení a nastává gravitační kolaps. A pak záleží na hmotnosti hvězdy, co se děje dál. Teoretická astrofyzika pracuje s tzv. Tolmanovou–Oppenheimerovou–Volkoffovou mezí (TOV mezíTOV mez – horní mez stability neutronové hvězdy. Tuto mez odvodili na základě prací Richarda Tolmana americký teoretik Robert Oppenheimer a kanadský fyzik George Volkoff v roce 1939. Její hodnota je přibližně 2 až 3 hmotnosti Slunce.), která má hodnotu hmotnosti dvou až třech Sluncí. Jak je možno si všimnout, odhad je to velmi nepřesný, v rámci intervalu odhadu je nejistota přesné hodnoty extrémní. Čím to? Tato mez určuje horní mez hmotnosti, kterou může mít neutronová hvězdaNeutronová hvězda – těleso tvořené degenerovaným neutronovým plynem o hmotnosti menší než přibližně 2,2 až 3 M_S (Tolmanova-Oppenheimerova-Volkoffova mez). Typický průměr neutronové hvězdy je v řádu desítek kilometrů, průměrná hustota 10¹⁷ kg m⁻³ dosahuje hodnot hustoty atomového jádra. Neutronové hvězdy vznikají při gravitačním kolapsu velmi hmotných červených veleobrů, při výbuchu supernovy typu II. Obrovský tlak způsobuje „vtlačení“ elektronů do protonů za vzniku neutronů a neutrin. Neutronové hvězdy byly teoreticky předpovězeny ve 30. letech 20. století.. A vzhledem k tomu, že v našem astrofyzikálním poznání je výrazné bílé místo, neboť neznáme přesnou podobu stavové rovnice neutronového degenerovaného plynuDegenerovaný plyn – plyn s natolik extrémní hustotou, že dominují jeho kvantové vlastnosti. Například tlak už není dán stavovou rovnicí ideálního plynu, ale kvantovými vlastnostmi fermionů či bosonů, z nichž je plyn tvořen. V případě fermionů je tlak dominantně určen Pauliho vylučovvacím principem., což je látka, ze které je neutronová hvězda složená, nezbývá nám nic jiného, než jen odhadovat, a to velmi ledabyle. TOV mez zmiňuji proto, že pokud se hroutící se značně hmotná hvězda vejde do této meze, stává se neutronovou hvězdou. Ovšem překročí-li TOV mez, stává se hvězdnou černou dírouČerná díra – objekt, který kolem sebe zakřiví čas a prostor natolik, že z něho nemůže uniknout ani světlo. Část z nich vzniká kolapsem hvězdy v zá­vě­reč­ných fázích vývoje. Druhou skupinu tvoří obří černé díry sídlící v centrech galaxií. Rotující černé díry kolem sebe vytvářejí akreční disky látky a v ose rotace výtrysky vysoce urychlených částic. Paradoxně akreční disky i výtrysky, vznikající v bezprostředním okolí černé díry, velmi intenzivně vyzařují..

Nicméně s tímto tvrzením nesouhlasí všichni vědci věnující se relativistické kosmologii. V roce 2014 fyzička Laura Mersini-Houghton šokovala mediální svět (vědecký už tolik ne, jak to obvykle bývá), že černá díra tímto procesem vzniknout nemůže. Stěžejním pojmem její argumentace je tzv. Hawkingovo záření. Dle teoretických modelů je Hawkingovo záření tepelným vyzařováním černých děr. Dle zákonitostí kvantové teorie existují tzv. virtuální částice, což je například částice vznikající se svou antičásticí, přičemž se de facto navzájem anihilují. Proto ten název „virtuální“. Ovšem dle Hawkingova mechanizmu, pokud taková virtuální částice vznikne na horizontu událostíHorizont událostí – rozhraní u černé díry, po jehož překročení již není možné vyslat jakýkoli signál vnějšímu pozorovateli. Rozměr horizontu událostí určil z obecné relativity Karl Schwarzschild v roce 1916, proto často hovoříme o tzv. Schwarzschildovu poloměru černé díry. U rotující černé díry spočítal tvar horizontu událostí Roy Kerr v roce 1963. černé díry, tak jedna částice patří černé díře, druhá se dostane ven a taková částice je právě elementem Hawkingova záření. Unikající částice s sebou bere část hmoty černé díry, a tím černá díra ztrácí hmotnost, neboli se tzv. „vypařuje“. Částice, která zůstane uvnitř, má zápornou energii/hmotnost, a tím působí negativně na hmotnost černé díry. Dle autorky studie z roku 2014 se Hawkingovo vypařování objeví dříve, než vznikne černá díra. A vypařování v této fázi je natolik významné, že sníží hmotnost gravitačně hroutící se hvězdy natolik, že nedosáhne nutné hmotnosti ke vzniku černé díry. Laura Mersini-Houghton jakožto zastánce hypotézy multivesmíruMultiverzum – mnohovesmír, předpoklad některých kosmologických modelů nebo interpretací kvantové teorie, podle kterého může existovat vysoký počet, možná dokonce nekonečně mnoho různých oddělených vesmírů. veškeré časoprostorové anomálie vysvětluje gravitačním tahem způsobeným jinými vesmíry (o teoretické predikovatelnosti fyzikálního pozorování a experimentů multivesmírové hypotézy bych rád pohovořil v jiném bulletinu, který snad brzy vznikne). Nicméně postavme tuto hypotézu na zem, neboť rozhodně není pravda, jak jsem se dočetl na české Wikipedii v článku o gravitačním kolapsu (stav k 29. 6. 2022), že „v roce 2014 vědci došli k závěru, že Hawkingovo záření při hroucení hvězdy odnáší tolik energie a hmoty, že ke kolapsu v černou díru nedojde“. Vyskytla se alternativní hypotéza, ale různé alternativy se vyskytují neustále. Je to sice krásný příklad kreativity lidského ducha, ale fyzikální teorie musí být v souladu s experimentem. A experimenty s pozorováními potvrzují výsledky obecné relativityObecná relativita – teorie gravitace publikovaná Albertem Einsteinem v roce 1915. Její základní myšlenkou je tvrzení, že každé těleso svou přítomností zakřivuje prostor a čas ve svém okolí. Ostatní tělesa se v tomto pokřiveném světě pohybují po nejrovnějších možných drahách, tzv. geodetikách. ohledně černých děr, jak nám například v roce 2019 ukázal tým radioteleskopické sítě EHTEHT – Event Horizont Telescope, spojení osmi radioteleskopů a jejich polí do celosvětového přístroje. Projekt pochází z roku 2012 a v roce 2019 poprvé vyfotografoval bezprostřední okolí černé díry v centru galaxie M87. Součástí jsou tyto přístroje: ALMA (Atacama Large Millimeter Array), APEX (Atacama Pathfinder EXperiment), SPT (South Pole Telescope), JCMT (James Clerk Maxwell Telscope), SMA (Submillimeter Array), SMT (Submillimeter Telescope), LMT (Large Millimeter Telescope) a třicetimetrový radioteleskop IRAM (Institute for Radio Astronomy in the Millimeter Range) na Pico Veleta..

Historicky první snímek těsného okolí černé díry z roku 2019. Zdroj: EHT.

Navíc hypotéza má i výrazné teoretické trhliny, na které ukázal například Andrew Hamilton z Coloradské univerzity (viz článek na webu Ars Technica s názvem „Completely implausible—a controversial paper exists, but so do black holes“). Ve zkratce, autorka studie s principem Hawkingova záření pracuje velmi ledabyle. Navíc mechanizmus vzniku černé díry z gravitačně hroutící se hvězdy není jediným mechanizmem vzniku černých děr a není mi známo, jak se autorka vypořádává například s mechanizmem vzniku vlivem akumulace hmoty. Celé to zmiňuji ze dvou důvodů: jednak abych ukázal, že i kolem existence černých děr dosud panují bouřlivé diskuze (což je naprosto v pořádku a žádoucí – jak jsem již psal, věda je neustále probíhající diskuze) a jednak, že fyzikální kontroverze je sice lákavá, ale je potřeba ji vždy porovnávat s doposud provedenými experimenty a pozorováními.

Červí díry na scéně

Co se týče teorie singularit, nejsou zajímavé pouze objekty, které singularitu obsahují, ale i ty objekty, které ji právě neobsahují. Co touto podivnou větou myslím? Především červí díry. Bylo by vhodné porovnat chování černých děr a červích děr. Černá díra je dynamická struktura, jejíž hrdlo se vlivem gravitace neustále smršťuje tak, že eschatologie hmoty musí být v bodě singularitySingularita – oblast, v níž některé veličiny nabývají nekonečných hodnot. Nekonečno samotné je matematickou limitou označující hodnotu velkou „nade všechny meze“. Takové hodnoty mohou vycházet v teoriích (například ve středu černé díry, na počátku vesmíru, v místě bodového náboje), ale neměly by být součástí přírody. Nekonečno v teorii obvykle znamená její selhání pro popis dané situace.. Takže sci-fi představy o tom, že lze projít černou dírou, jsou pravděpodobně zcela mylné. Tohle neplatí u červí díry, která žádný singulární bod nemá a projít skrz ní by dle teoretických modelů možné být mělo (ne nadarmo původní název červích děr pochází z roku 1935 od Alberta Einsteina a Nathana Rosena jakožto Einsteinův-Rosenův most – nutno zmínit, že tento popis nelze zobecnit na obecný popis červí díry). Ovšem z logiky věci, pokud smršťování černých děr způsobuje gravitace, tak u červí díry musí fungovat gravitace repulzívní. To není nic, co by ve vesmíru neexistovalo, vzpomeňme na zrychlenou expanziTemná energie – entita zodpovědná za zrychlenou expanzi vesmíru, která byla objevena na konci roku 1998 (Saul Perlmutter, Adam Riess). Temná energie tvoří 68 % hmoty a energie ve vesmíru. Hustota temné energie je velmi málo proměnná v čase i v prostoru, pokud vůbec. Nejnadějnějším kandidátem na temnou energii je energie vakuových fluktuací. vesmíru. Nicméně existence lokální struktury s repulzívními gravitačními vlastnostmi je už trochu jiné kafe. Zatímco u černých děr si vystačíme s běžnými formami hmoty (vznik gravitačním kolapsem jsem v předchozím textu již popsal, či jsou teorie, které obří a primordiální černé díry dávají do souvislosti s temnou hmotouTemná hmota – hmota ve vesmíru nebaryonové povahy, která není složena z kvarků. Temná hmota udržuje pohromadě svítící objekty velkých rozměrů, které díky ní v periferních oblastech obíhají rychleji, než odpovídá gravitačnímu zákonu aplikovanému na viditelnou hmotu. Podle posledních odhadů na základě pozorování existuje ve vesmíru 5 % baryonové hmoty, 27 % temné hmoty a 68 % temné energie. Existuje několik hypotetických částic, které jsou vhodnými kandidáty na částice temné hmoty, dosud však nebyly objeveny. Termín „temná hmota“ zavedl v roce 1933 Fritz Zwicky, když zjistil, že se členové Kupy galaxií ve Vlasech Bereniky pohybují v průměru rychleji, než by odpovídalo gravitačním účinkům viditelné látky. Existují také teorie, které se pokoušejí vysvětlit rotační křivky galaxií a pohyby galaxií v kupách jiným způsobem než temnou hmotou.), tak u červích děr se obecně počítá s nějakou exotickou formou hmoty, která dosud nebyla pozorována. Hypotézou, která se obejde bez exotické formy hmoty, je například hypotéza, která vysvětluje červí díru pomocí tzv. Casimirova jevuCasimirův jev – působení kvantového vakua na dvě blízké kovové rovnoběžné desky. Mezi deskami se mohou rozvinout fluktuace jen některých vlnových délek, mimo desky fluktuace libovolné vlnové délky. Výsledkem je přitažlivá síla působící na obě desky. Jev navrhli Hendrik Casimir a Dirk Polder. Experimentálně jev ověřili v roce 1948. (viz [8]).

Tým lidí kolem Zdeňka Stuchlíka z Fyzikální ústavu v Opavě přišel roku 2021 s dalším vysvětlením, které by exotickou formu hmoty nepotřebovalo. Jejich práce stojí na dvou jiných nezávislých přístupech, které problematiku exotické formy hmoty obchází. První z nich (viz [10]) pracuje v Einsteinově-Diracově-Maxwellově modelu, který se snaží skloubit Einsteinovy rovnice obecné relativity, Maxwellovy rovnice elektromagnetizmu a Diracovu rovnici relativistické kvantové mechaniky. Výsledkem této práce je snaha o vysvětlení existence červí díry jakožto správné kombinace fermionůFermiony – částice, které mají poločíselný spin, vlnová funkce je antisymetrická, splňují Pauliho vylučovací princip a podléhají Fermiho–Diracovu statistickému rozdělení. Patří mezi ně všechny leptony, kvarky a baryony – například elektron, neutrino, proton a neutron. Při nízkých teplotách fermiony obsazují stavy postupně, až po tzv. Fermiho mez. a standardního elektromagnetického pole. Druhý přístup stojí na tzv. Randallově-Sandrumově modelu, který k popisu používá vícedimenzionální zborcenou geometrii. První práce týmu (viz [9]), jehož součástí byl i Zdeněk Stuchlík, se snaží o numerické řešení červích děr. V další práci (viz [11]), kterou napsal s Jaroslavem Vrbou, spojili teoretické numerické výpočty s praktickým astronomickým pozorováním. Když analyzovali data z rentgenovské oblasti, tak zatímco výpočty plynoucí z použitého modelu u mikrokvazarů seděly dobře, tak v případě velmi hmotných černých děr se začaly vyskytovat anomálie od pozorované reality. Jelikož se jedná o výzkumný tým, který se kromě fyziky černých děr zaobírá i fyzikou červích děr, tak v modelu zaměnili černou díru za červí a v případě právě velmi hmotných černých děr díra červí ve výpočtech seděla lépe. Tady bych opět a opět zdůraznil, že to neznamená, že v těch oblastech, kde jsme předpokládali hmotnou černou díru, taková díra není a je tam červí díra, nicméně i takové pokusy na cestě za poznáním nám otevírají nové obzory tím, že jsme nuceni si klást nové a nové otázky. A uvidíme, kam nás otázky na základě prací Stuchlíkova týmu dovedou. Možná daleko, možná je to slepá ulička. Ale tahle nejistota je to, co se na vědecké práci dá skutečně milovat.

Vizuální model červí díry. Zdroj: BBC Science Focus Magazine.

Odkazy