Hypotetická řešení Einsteinových rovnic a jejich extrémní (i když nepotvrzené) významy
Teoretický kontext
Na základě obecné relativity může rozložení hmoty a energie zakřivovat časoprostor. Ačkoliv standardní astrofyzikální objekty – černé díry nebo neutronové hvězdy – vykazují silné, ale „běžné“ formy zakřivení, některá matematicky platná řešení předpovídají mnohem exotikější struktury: červí díry, často nazývané „Einstein–Rosenovy mosty“. Teoreticky by červí díra mohla spojit dvě vzdálené oblasti časoprostoru, umožňující cestu z jednoho „vchodu“ do druhého rychleji než běžnou trasou. Extrémní případy možná dokonce spojují různé vesmíry nebo umožňují uzavřené časopodobné křivky – vytvářející možnosti cestování časem.
Nicméně propast mezi teorií a realitou je zde velká. Řešení červích děr obvykle vyžadují exotickou hmotu s negativní hustotou energie, aby byly stabilní, a žádné přímé experimentální nebo pozorovací údaje zatím jejich existenci nepotvrzují. Přesto červí díry zůstávají plodnou teoretickou oblastí, spojující relativistickou geometrii s kvantovými vlastnostmi polí a vyvolávající hluboké filozofické diskuse o kauzalitě.
2. Základy červích děr: Einstein–Rosenovy mosty
2.1 Schwarzschildovy (Einstein–Rosenovy) červí díry
V roce 1935 Albert Einstein a Nathan Rosen uvažovali o „mostu“, vzniklém prodloužením Schwarzschildova řešení černé díry. Tento Einstein–Rosenův most matematicky spojuje dvě oddělené asymptoticky stejné oblasti časoprostoru („vnější světy“) přes vnitřek černé díry. Nicméně:
- Takový most je nepřechodný – „zavírá se“ rychleji, než by kdo stihl přes něj projít, rozpadá se, pokud se někdo pokusí proniknout.
- Je to ekvivalent páru černé a bílé díry v maximálně rozšířeném časoprostoru, ale řešení „bílé díry“ je nestabilní a v přírodě se nevyskytuje.
Takže nejjednodušší klasická řešení černých děr neumožňují trvalý, přechodný koridor červí díry [1].
2.2 Přechodné červí díry typu Morris–Thorne
Později (kolem roku 1980) Kip Thorne s kolegy systematicky zkoumali „přechodné“ (traversable) červí díry – řešení, která mohou zůstat déle otevřená pro průchod hmoty. Ukázalo se, že pro udržení „krku“ otevřeného je často nutná „exotická hmota“ s negativní energií nebo zvláštními vlastnostmi porušujícími běžné energetické podmínky (např. nulovou energetickou podmínku). Dosud není známo, že by reálné makroskopické pole mělo takové vlastnosti, i když některé kvantové jevy (Casimirův efekt) poskytují malou negativní energii. Zda to stačí k existenci makroskopické červí díry, zůstává nejasné [2,3].
2.3 Topologická struktura
Červí díru lze vnímat jako „rukojeť“ v časoprostorovém manifoldu. Místo pohybu běžným 3D způsobem z bodu A do B by cestovatel mohl vstoupit do „vchodu“ v A, projít „krkem“ a vyjít v bodě B, možná i v úplně jiné oblasti nebo jiném vesmíru. Taková geometrie je velmi složitá a vyžaduje přesně sladěná pole. Bez exotických polí by červí díra zkolabovala do černé díry, neumožňující žádný pohyb z jedné strany na druhou.
3. Cestování časem a uzavřené časopodobné křivky
3.1 Koncept cestování časem v BR teoriích
V případě obecné relativity jsou „uzavřené časopodobné křivky (CTC)“ časoprostorové smyčky vracející se do předchozího časového okamžiku – teoreticky umožňující setkání se sebou samým v minulosti. Řešení jako Gödelův rotující vesmír nebo některé rotační parametry Kerrových černých děr ukazují, že takové křivky jsou matematicky možné. Pokud by se pohyb „vchodů“ červí díry správně sladily, jeden „vchod“ by mohl být v minulosti oproti druhému (kvůli relativistickým časovým dilatacím), a tak by vznikly časové smyčky [4].
3.2 Paradoxy a ochrana kauzality
Cestování časem vyvolává paradoxy – např. „paradox dědečka“. Stephen Hawking uvažoval o „hypotéze ochrany kauzality“, která tvrdí, že fyzikální zákony (kvantová zpětná vazba nebo jiné jevy) brání makroskopickým časovým smyčkám. Většina výpočtů ukazuje, že při pokusu vytvořit časový stroj se zvyšuje vakuová polarizace nebo vznikají nestability, které strukturu zničí ještě před jejím aktivováním.
3.3 Experimentální možnosti?
Nejsou známy žádné astrofyzikální procesy vytvářející stabilní červí díry nebo brány pro cestování časem. K tomu by byly potřeba extrémně vysoké energie nebo exotická hmota, kterou nemáme. Teoreticky BR zcela nezakazuje lokální CTC, ale kvantové gravitační efekty nebo kosmická cenzura je pravděpodobně zakazují na globální úrovni. Proto je cestování časem zatím jen spekulací bez reálných pozorovacích potvrzení.
4. Negativní energie a „exotická hmota“
4.1 Energetické podmínky BR
V klasické teorii polí obvykle platí energetické podmínky (např. slabá nebo nulová energetická podmínka), které říkají, že lokálně nemůže být energie záporná. Existence červích děr, umožňujících průchod, většinou vyžaduje porušení těchto podmínek, tedy negativní hustotu energie. Tento jev na makroskopické úrovni není znám. V kvantech (např. Casimirův efekt) je možná malá negativní energie, ale sotva by to stačilo pro stabilní, velké červí tunely.
4.2 Kvantová pole a Hawkingovy střední hodnoty
Některé teorie (Ford–Romanova omezení) se snaží pochopit, jak velká nebo dlouhodobá může být negativní hustota. Ačkoliv malé hodnoty negativní energie na kvantové úrovni jsou reálné, udržení makroskopické červí díry by mohlo vyžadovat obrovské exotické zdroje, které současná fyzika nemá k dispozici. Některé další exotické scénáře (např. tachyony, „zvonové převody“) zůstávají neprokázanými spekulacemi.
5. Pozorování a další teoretické hledání
5.1 Možné gravitační „signatury červích děr“
Pokud by existovala nějaká „přechodná“ červí díra, způsobila by neobvyklé gravitační čočkování nebo jiné dynamické anomálie. Někdy se spekuluje, že některé nesrovnalosti v galaktickém čočkování by mohly naznačovat červí díru, ale potvrzení chybí. Najít dlouhodobý „otisk“ dokazující existenci červí díry by bylo velmi obtížné, zvláště pokud by pokus o průchod byl nebezpečný nebo díra nedostatečně stabilní.
5.2 Umělé vytvoření?
Teoreticky by velmi vyspělá civilizace mohla zkusit „nafouknout“ nebo stabilizovat kvantovou červí díru exotickou hmotou. Současná fyzika však ukazuje požadavky výrazně přesahující dostupné zdroje. Ani kosmické strunové struktury nebo topologické defektní stěny pravděpodobně nestačí k otevření masivního červího kanálu.
5.3 Pokračující teoretické výzkumy
Teorie strun a modely s více dimenzemi někdy poskytují řešení příbuzná červím dírám nebo interpretace branových světů. AdS/CFT duality (holografický princip) zkoumají, jak může vnitřek černých děr nebo „červí díry“ souviset přes kvantové kanály. Někteří vědci (např. hypotéza „ER = EPR“ Maldacena/Susskind) diskutují o provázanosti kvantového provázání a časoprostoru. Ale zatím jsou to konceptuální modely bez experimentálního potvrzení [5].
6. Červí díry v popkultuře a vliv na představivost
6.1 Vědecká fantastika
Červí díry jsou populární ve vědecké fantastice jako „hvězdné brány“ nebo „skokové body“, umožňující téměř okamžitou cestu mezi hvězdami. Ve filmu „Interstellar“ je červí díra zobrazena jako sférický „vchod“, vizuálně založený na Morris–Thorneových řešeních. Ačkoliv je to efektní ve filmu, reálná fyzika zatím nepodporuje stabilní, přechodné červí tunely.
6.2 Zvědavost veřejnosti a vzdělávání
Příběhy o cestování časem vzbuzují zájem veřejnosti o paradoxy (např. „paradox dědečka“ nebo „uzavřené časové smyčky“). Ačkoliv vše zůstává spekulací, podporuje to širší zájem o relativitu a kvantovou fyziku. Vědci toho využívají k vysvětlení realit gravitační geometrie, obrovských energetických požadavků a toho, jak příroda pravděpodobně neumožňuje snadné vytvoření krátkých spojení nebo časových smyček v jednoduché kombinaci klasické/kvantové fyziky.
7. Závěr
Červí díry a cestování časem jsou jedny z nejextrémnějších (zatím nepotvrzených) důsledků Einsteinových rovnic. Ačkoliv některá řešení obecné relativity naznačují „mosty“ mezi různými oblastmi časoprostoru, všechny praktické pokusy ukazují potřebu exotické hmoty s negativní energií, jinak takový „koridor“ zkolabuje. Žádná pozorování neprokazují reálné, stabilní struktury červích děr a pokusy je využít pro cestování časem narážejí na paradoxy a pravděpodobnou kosmickou cenzuru.
Přesto téma zůstává bohatým polem pro myšlení v teoriích, kombinujících gravitační geometrii s kvantovým popisem polí a nekonečnou zvědavostí o průlomech vzdálených civilizací nebo budoucích technologií. Samá možnost – že existují kosmické zkratky nebo zpětná cesta v čase – ukazuje neuvěřitelnou šíři řešení obecné relativity, podněcující vědeckou představivost. Zatím bez experimentálních či pozorovacích potvrzení zůstávají červí díry pouze neprozkoumanou oblastí teoretické fyziky.
Odkazy a další čtení
- Einstein, A., & Rosen, N. (1935). “The particle problem in the general theory of relativity.” Physical Review, 48, 73–77.
- Morris, M. S., & Thorne, K. S. (1988). “Wormholes in spacetime and their use for interstellar travel: A tool for teaching general relativity.” American Journal of Physics, 56, 395–412.
- Visser, M. (1995). Lorentzian Wormholes: From Einstein to Hawking. AIP Press.
- Thorne, K. S. (1994). Black Holes and Time Warps: Einstein's Outrageous Legacy. W. W. Norton.
- Maldacena, J., & Susskind, L. (2013). “Cool horizons for entangled black holes.” Fortschritte der Physik, 61, 781–811.