Červí díra: co to je, existuje a šlo by jí cestovat?

Červí díra je hypotetické spojení dvou oblastí časoprostoru, které by za určitých podmínek mohlo sloužit jako zkratka vesmírem. Zatím však žádnou potvrzenou červí díru neznáme. Fyzika umí podobné struktury matematicky popsat, ale to ještě neznamená, že je příroda vytváří nebo že by jimi prošla kosmická loď. Právě mezi těmito třemi otázkami se skrývá rozdíl mezi vědeckým modelem a filmovým portálem.

Co je červí díra a jak si ji představit?

Představte si dvě města na opačných koncích mapy. Obvyklá cesta vede po její ploše. Kdyby však existovalo další spojení přímo mezi oběma místy, délka cesty by se mohla výrazně zmenšit. Červí díra představuje podobnou myšlenku pro prostor a čas. V nejjednodušší představě má dvě ústí a mezi nimi hrdlo. Jde o popis geometrie, nikoli o dutinu vyvrtanou do nějakého vesmírného materiálu.

Známé přirovnání používá přeložený list papíru. Dva vzdálené body se po přeložení ocitnou blízko sebe a obrázek je propojí krátkým tunelem. Takové schéma pomáhá porovnat délky cest, ale zmenšuje náš prostor na dvojrozměrnou plochu. Vesmír nemusí být doslova list, který někdo ohne ve vyšší místnosti. Obrázek také neříká, čím by spojení vzniklo a co by bránilo jeho uzavření.

Při čtení schématu proto sledujte hlavně dvě trasy. Delší vede po ploše, kratší spojovacím hrdlem. Samotné přiblížení bodů na kresbě nestačí: bez spojení mezi nimi musí cestovatel dál pokračovat původní cestou. Je to podobné jako zakreslit na mapu nový tunel přes horu. Kresba dobře vysvětlí jeho výhodu, ale ještě z ní nepoznáte, zda je možné tunel vybudovat.

Existují červí díry? Rovnice a pozorování jsou různé věci

NASA popisuje červí díry jako možnost obsaženou v matematice obecné relativity, pro kterou chybí pozorovací důkaz. Věta „teorie to připouští“ tedy neznamená „někde to určitě je“. Představuje začátek zkoumání. Musíme se ptát, zda by potřebné podmínky mohly nastat ve skutečném vesmíru a zda by výsledná struktura vydržela dost dlouho.

Historicky známý Einsteinův–Rosenův most pochází z roku 1935. Je spojen s idealizovaným popisem černé díry, ale neposkytuje průchodnou cestu mezi jejími vnějšími oblastmi. V populárních textech se jeho název často používá jako synonymum červí díry. Pro úvahy o cestování však potřebujeme rozlišit právě tento původní most a jiné, záměrně konstruované průchodné modely.

Užitečné je položit si tři otázky v tomto pořadí: lze geometrii popsat, mohla by vzniknout a dalo by se jí projít? Kladná odpověď na první nezaručuje druhou ani třetí. Stejně tak obrázek připomínající tunel automaticky neznamená, že v daném modelu existuje cesta dostupná světlu nebo cestovateli. Označení „most“ je v tomto ohledu svůdnější než samotný fyzikální výsledek.

Červí díra vs. černá díra: v čem je rozdíl?

Černou díru vymezuje horizont událostí. Z jeho vnitřku se světelný signál nedostane zpět do vnějšího prostoru. Červí díra je naproti tomu hypotetické propojení oblastí časoprostoru. Podobnost názvů proto neopravňuje k závěru, že pád do běžné černé díry skončí v jiné galaxii. NASA výslovně upozorňuje, že černé díry nejsou známými zkratkami ani portály do jiných vesmírů.

Konkrétní představu o pozorování dává snímek M87*, zveřejněný spoluprací Event Horizon Telescope 10. dubna 2019. Jasný prstenec obklopuje tmavou oblast označovanou jako stín černé díry. Výsledek vznikl z rádiových měření soustavy teleskopů, nejde o fotografii pořízenou běžným fotoaparátem. Zachycený prstenec není okrajem prokázaného tunelu. Snímek zde ukazuje, jak vypadá skutečný pozorovací podklad pro srovnání.

Co by bylo potřeba k cestování červí dírou?

Nestačilo by najít dva propojené konce. Spojení by muselo umožnit průchod a udržet vhodnou geometrii po dobu cesty. Einstein Online upozorňuje, že stabilizace průchodné červí díry by vyžadovala hmotu s vysoce exotickými vlastnostmi. Slovo „exotická“ tu neznamená vzácný prvek, který jednou vytěžíme na vzdálené planetě. Vyjadřuje neobvyklé fyzikální podmínky v modelu.

V často diskutovaných modelech se objevuje záporná hustota energie, alespoň pro některé pozorovatele. Kvantová fyzika podobné hodnoty za určitých okolností připouští, zároveň však omezuje jejich velikost a trvání. Z toho nelze přeskočit k zásobníku energie, který udrží otevřenou bránu pro loď. Přesný matematický popis potřebné látky není totéž jako důkaz, že ji dokážeme získat v požadované podobě.

Ani hypotetická zkratka nemusí znamenat, že loď ve svém okolí překročí rychlost světla. Její výhoda by spočívala v kratší trase. Pro jednoduchou představu vezměme dvě místa vzdálená běžnou cestou sto světelných let. Světlu zabere tato cesta sto let. Pokud by mezi nimi existovala výrazně kratší průchodná spojnice, nebylo by nutné prolétat celou původní vzdálenost. Čísla jsou pouze myšlenkový příklad, nikoli parametry známého objektu.

Z praktického hlediska bychom se pak ptali na rozměry vstupu, délku průletu, bezpečnost a možnost návratu. Žádnou z těchto položek nejde poctivě vyplnit univerzálním číslem. Představa expedice potřebuje konkrétní fyzikální model, teprve potom lze hodnotit cestu. Slib „jednou proletíme červí dírou“ tak vynechává většinu práce, která by musela předcházet i prvnímu návrhu mise.

Mohla by červí díra umožnit cestování časem?

Možnost návratu do minulosti není automatickou vlastností každé hypotetické zkratky. Morris, Thorne a Yurtsever v práci z roku 1988 zkoumali podmíněný scénář: pokud lze průchodnou červí díru vytvořit a udržet, mohla by se za vhodných okolností proměnit v prostředek porušující kauzalitu, tedy obvyklé pořadí příčiny a následku. Klíčové je ono „pokud“. Práce nedokládá existenci použitelného stroje času.

V takových úvahách se mezi ústími vytvoří časový posun, například při jejich vzájemném pohybu. Průchod propojením pak může mít jiné časové důsledky než cesta vnějším prostorem. Konec tunelu ale není kalendář, na kterém si jednoduše zvolíme rok. Záleželo by na historii ústí i na geometrii celého uspořádání. Tato možnost otevírá hlubší otázku, zda fyzikální zákony takovou situaci vůbec dovolí.

Dilatace času není návrat do minulosti

Oproti tomu dilatace času má experimentální oporu. Dvoje hodiny mohou mezi porovnávanými událostmi odměřit různou dobu podle svého pohybu a gravitačních podmínek. Princip podrobněji rozebírá náš článek o dilataci času. Rozdílné stárnutí však samo o sobě neotevírá cestu do včerejška. Když se dva lidé znovu setkají a porovnají hodinky, rozdíl v naměřených časech ještě neznamená obrácené pořadí jejich zážitků.

V roce 2022 popsali výzkumníci JILA měření gravitačního posuvu mezi oblastmi milimetrového vzorku ultrachladných stronciových atomů. Vyšší a nižší části vzorku poskytovaly nepatrně odlišné časové reference. Takový experiment je dobrým protipólem vesmírných ilustrací: ukazuje efekt na skutečné aparatuře, s měřením a vyhodnocením nejistot. Potvrzuje konkrétní důsledek relativity, nikoli všechny exotické konstrukce, které lze pomocí jejích rovnic studovat.

Pro větší rozdíl si lze představit nehybné hodiny u nerotující, elektricky nenabité černé díry. V modelu použitém v naší kalkulačce připadnou při poloze 4/3 poloměru horizontu od středu na jednu místní hodinu dvě hodiny velmi daleko. Vzdálenost zde označuje radiální souřadnici modelu. Setrvání na místě by vyžadovalo tah motorů. Výpočet proto slouží k porovnání hodin, nikoli jako návod na bezpečné parkování nebo simulace průletu červí dírou.

Červí díra v Interstellaru: co je fyzika a co film?

Interstellar je zajímavý právě tím, že propojuje pečlivě zpracované fyzikální myšlenky s velmi odvážnými předpoklady. Vědecký poradce Kip Thorne v rozhovoru pro American Physical Society sám rozlišoval dobře podloženou fyziku černých děr a spekulativní témata, mezi která patří červí díra. Odborník u filmu tedy neznamená, že každá zobrazená událost představuje potvrzenou možnost skutečného světa.

Tým vizuálních efektů a Thorne popsali výpočty světelných paprsků ve zvolené geometrii červí díry. Díky tomu mohli zkoumat, jak by se deformoval obraz hvězdného okolí. Fyzikálně promyšlený vzhled ale ověřuje důsledky přijatého modelu, nikoli jeho existenci. Také titulní ilustrace tohoto článku je výtvarná představa. Její zářivé okraje ani viditelné galaxie nejsou naměřenými vlastnostmi červí díry.

Film si proto můžeme užít a současně si zachovat užitečnou otázku: co je v dané scéně výsledek výpočtu a co předpoklad příběhu? Stejný způsob čtení funguje i u působivých videí na internetu. Věrohodný obraz může výborně vysvětlit myšlenku. Nemůže sám nahradit měření. Právě tato hranice umožňuje obdivovat vědeckou představivost, aniž bychom ilustraci zaměnili za objev.

Jak by vědci červí díru hledali?

Výzkumné návrhy zahrnují gravitační čočkování, sledování pohybů hvězd nebo analýzu gravitačních vln. Hledaly by se vlastnosti, kterými se konkrétní model červí díry liší od běžnějšího vysvětlení. Neexistuje však jedna univerzální podoba platná pro všechny teoretické varianty. Přehled Bambiho a Stojkovice zároveň upozorňuje, že například neobvyklý pohyb hvězdy mohou způsobit i jiné, obtížně viditelné objekty.

Případný přesvědčivý objev by proto musel nabídnout víc než podivný tvar na obrázku. Důležitá by byla shoda mezi předpovědí konkrétního modelu a několika nezávislými projevy. Pro čtenáře je užitečné sledovat, zda zpráva přináší nová naměřená data, nebo jen nový výpočet. Obojí může posunout poznání, ale každé odpovídá na jinou otázku.

Časté otázky o červích dírách