Vesmír budovaný na ověřených fyzikálních zákonech – jednota mikrosvěta, makrosvěta a megasvěta

Kapitola 5
GRAVITACE A GLOBÁLNÍ STRUKTURA VESMÍRU:
RELATIVISTICKÁ KOSMOLOGIE
5.1. Základní východiska a principy kosmologie
5.2. Einsteinův a deSitterův vesmír. Kosmologická konstanta.
5.3. Fridmanovy dynamické modely vesmíru
5.4. Standardní kosmologický model. Velký třesk.
5.5. Mikrofyzika a kosmologie. Inflační vesmír.
5.6. Budoucnost vesmíru
5.7. Antropický princip a existence více vesmírů
5.8. Astrofyzika - kosmologie - fyzika - příroda. Co víme a zatím nevíme?

5.8. Astrofyzika - kosmologie - fyzika - příroda. Co víme a co zatím nevíme?

Lze říci, že současná relativistická kosmologie se již vymanila ze stádia planých spekulací a teoretizování (již to není "mytologie"...) a stala se významnou součástí a nadstavbou astrofyziky a přírodovědy. Dovede podat konzistentní obraz struktury a evoluce vesmíru jako celku; tento obraz je přitom budován na ověřených fyzikálních zákonech a jeho předpovědi dobře souhlasí s pozorováním. Zamysleme se proto ještě na závěr nad některými obecnými aspekty vztahu kosmologie a fyziky.

  Metodika fyzikálního poznávání se skládá ze tří hlavních prvků: pozorování, experimentu a teorie. V počátečních stádiích rozvoje fyziky hrála prvá z těchto metod - pozorování - rozhodující roli; vzpomeňme jen Newtonův gravitační zákon vzniklý na základě astronomicky vypozorovaných Keplerových zákonů pohybu planet. Avšak již Newton dělal mechanické pokusy, které vyústily v jeho tři základní pohybové zákony. S dalším rozvojem fyziky, doprovázeným pronikavým zdokonalováním experimentální techniky, pak úloha pozorování rychle klesala. Zvláště od počátku 20.století, kdy k odhalování zákonitostí mikrostruktury hmoty bylo nutno používat čím dále rafinovanější a nákladnější experimenty (např. mohutné a přitom přesné urychlovače ve spojení se subtilní elektronikou), se zdálo, že metoda pozorování již zcela patří historii a vztah mezi fyzikou a astronomií je jednosměrný: fyzika ve svých laboratořích odhaluje fundamentální zákonitosti přírody, které umožňují vysvětlovat a předpovídat astronomicky pozorované jevy ve vesmíru.

Obr.5.12. Široké spektrum velikostí objektů našeho světa, zkoumaných různými obory fyziky a přírodovědy pomocí různých nástrojů.
(je podrobněji diskutováno v §1.0 "Fyzika -fundamentální přírodní věda", pasáži "Jak fyzika a přírodověda zkoumá náš svět")

Mikrosvět a megasvět ve vesmíru
V posledních letech se však tento vztah začal poněkud měnit. Současná relativistická kosmologie totiž ukázala, že vesmír ve své velmi horké a husté počáteční fázi byl jakousi unikátní "laboratoří" fyziky vysokých energií, v níž intenzívně probíhaly procesy, jež se nyní s největším úsilím pokoušíme pozorovat na mohutných urychlovačích, a dokonce i ty jevy, na jejichž laboratorní realizaci není naděje v dohledné budoucnosti. Kosmologické důsledky současných teorií elementárních částic (především unitárních teorií) se ukázaly být natolik výrazné, že jejich konfrontace s astronomickými pozorováními vzdáleného vesmíru *) umožnuje stanovit silná omezení na parametry těchto teorií elementárních částic, a někdy dokonce jejich verifikaci či zamítnutí.
*) Vedle optických pozorování (včetně spektroskopických) čím dál většími a výkonnějšími dalekohledy a radioteleskopických pozorování pomocí rozsáhlých anténních systémů (vzájemně propojených), je to především detailní měření vlastností mikrovlnného reliktního záření - jeho homogenity, fluktuací (v závislosti na úhlové vzdálenosti i na vlnové délce), polarizace. Již v době oddělení záření od látky byly ve vesmíru zárodky budoucích struktur, takže tyto fotony procházely místy s různým gravitačním potenciálem, což vedlo k malým změnám jejich energie a vlnové délky - k nepatrnému ochlazení či ohřevu. Tyto fluktuace jsou patrné i nyní, jakožto nepatrně teplejší a chladnější "skvrny" v jinak izotropním rozložení reliktního záření - představují jakýsi "paleontologický otisk" struktur raného vesmíru. Rozdíl teplot je velmi malý, řádově 10^-5stupně, takže se jedná o vysoce citlivá měření*). Důleřitá je též detekce gravitačních vln (viz §2.7 "Gravitační vlny", pasáž "Detekce gravitačních vln"), či detekce reliktních neutrin (podrobně o neutrinech a jejich detekci viz např. pasáž "neutrina" v §1.2 "Radioaktivita" knihy "Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření").
*) Pro podrobné zkoumání reliktního záření byla v r.1989 vypuštěna družice COBE (Cosmic Background Explorer) a v r.2001 družice WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe); v r.2007 je ještě citlivější sonda PLANCK.
  Na první pohled by se mohlo zdát, že jaderná a částicová fyzika, zabývající se nejmenšími známými částečkami hmoty, má jen velmi málo společného s kosmologií, která zkoumá naopak největší možné objekty ve vesmíru. Současné výzkumy však tento názor vyvracejí. Jak ve vyzice elementárních částic, tak v kosmologii, se podařilo vypracovat tzv. standardní modely, které velmi dobře vysvětlují výsledky téměř všech fyzikálních pokusů a astronomických pozorování. Na druhé straně však vyvolávají nové otázky a problémy - jak "přijít věcem na kloub"?
  V současné době jsou v centru společného zájmu fyziky a kosmologie fundamentální základy našeho světa. V kosmologii to jsou otázky původu našeho vesmíru, základních zákonů jež ho ovládají, jeho konečného osudu. Ve fyzice částic jsou to otázky podstaty hmoty: jak hmota vznikla?; jaká je její struktura - co tvoří její základní stavební "kameny" a jak tyto mezi sebou působí?; jakými mechanismy z těchto stavebních elementů vznikají tak složité objekty jako jsou galaxie, hvězdy, planety - a nakonec živá hmota? Vzniká tím velmi pozoruhodná spojitost mezi mikrosvětem a megasvětem.
  Zdá se, že všechny nejzákladnější aspekty hmoty a vesmíru pramení v oněch prvních pranepatrných zlomcích sekundy po velkém třesku, kdy se formovaly vlastnosti samotných fyzikálních interakcí. Fyzikální zákony, jež vládly v těchto extrémních podmínkách, prozatím dost dobře neznáme - nevíme, jaká byla tehdy struktura prostoru a času, jaký byl počet dimenzí, jak se formovala hmota. V té době se makrosvět a kosmos, tehdy ještě v nynějším slova smyslu neexistující, prolínal s mikrosvětem kvantových zákonitostí (srov. též pasáž "Velmi raný vesmír" v §5.4). Některé aspekty těchto jevů se možná nikdy nepodaří objasnit. Určité světlo by zde však mohly vnést některé nyní budované (a především budoucí) koncepce unitárních teorií polí, interakcí a elementárních částic (zmíněných v dodatku B, zvláště v §B.6 "Sjednocování fundamentálních interakcí. Supergravitace. Superstruny."), v koprodukci s experimenty vysokoenergetických interakcí částic na postupně budovaných velkých urychlovačích (viz "Urychlovače nabitých částic"). Čím k jemnějším detailům struktury hmoty chceme proniknout - a tím zároveň do větší hloubky poznání struktury vesmíru - tím vyšší energie částic musíme použít. Lze říci, že vysokoenergetické částice jsou určitými "sondami" do nejhlubších detailů struktury hmoty a zároveň do nejranějších okamžiků vývoje vesmíru.

  Dvě zdánlivě velmi odlehlé části fyziky - teorie elementárních částic zkoumající nejmenší objekty a kosmologie zkoumající to největší co je, celý vesmír - se tak spojují k vytvoření jednotného obrazu světa. Úspěchy bádání v jedné oblasti se mohou velmi pronikavě uplatnit i v druhé oblasti poznání. Právě tato dialektická jednota mikrosvěta, makrosvěta a megasvěta je charakteristickým trendem v současné fundamentální fyzice.

Co o vesmíru, podstatě hmoty a přírody zatím nevíme ?
V kapitolách 1.1, 4.1-4.9, 5.1-5.7 (v koprodukci s pojednáním "Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření") jsme podrobně diskutovali převážně impozantní úspěchy v poznání stavby a evoluce vesmíru - vznik a vývoj hvězd, gravitační kolaps, neutronové hvězdy a černé díry, struktura a vznik galaxií, expanze vesmíru, velmi raný vesmír, primordiální a stelární nukleosyntéza, sjednocování interakcí v unitárních teoriích pole. Toto všechno je jistě velmi krásné a přínosné z hlediska našeho poznání přírody, vesmíru a možností technologických aplikací ve prospěch zlepšování života zde na Zemi a event. jeho rozšiřování do vesmíru.
  Pro férovou objektivitu však je asi záhodno zmínit i "druhou stranu mince" - co nám pro úplné poznání chybí. Otevřeně přiznat co zatím o vesmíru a podstatě hmoty nevíme! Nastíníme si zde seznam (jistě neúplný) otázek o vesmíru a fyzikální podstatě hmoty, na které zatím naše vědecké poznání nedokáže odpovědět :
=> Jak vznikl vesmír ?
O "mechanismu" vzniku či původu vesmíru zatím nemáme tušení. Je jen zjištěno, že na počátku byl vesmír velmi horký a hustý. A známe většinu mechanismů, jak postupně chladnul a transformoval svůj hmotný obsah až do nynějšího studeného stavu s velmi nízkým průměrným obsahem hmoty (podrobný rozbor je v §5.4 "Standardní kosmologický model. Velký třesk, Formování struktury vesmíru."). Je to podloženo astronomickými pozorováními a laboratorními experimenty na urychlovačích částic. O úplných počátcích v prvních cca 10^-43 -10^-36 sekundy však nemůžeme nic říct..!..
=> Jaká je podstata gravitace ?
Klasická v praxi dobře fungující Newtonova představa gravitace sice byla zobecněna v obecné teorii relativity perfektně fungující v celém vesmíru, která ji popisuje jako zakřivený prostoročas. Avšak důvod, proč hmota ve svém okolí zakřivuje prostoročas není známý. Zatím tedy nevíme co je gravitace, jen jak funguje. Snad na to odpoví budoucí úplná unitární teorie pole, avšak z opačné strany: jak "zhuštěniny" v geometrii prostoročasu vytvářejí to, co se nám jeví jako hmota? (§B.6 "Sjednocování fundamentálních interakcí. Supergravitace. Superstruny.", pasáž "Supersjednocení a supergravitace").
=> Proč je ve vesmíru velké množství hmoty a téměř žádná antihmota ?
Podle zákonitostí symetrického vzniku částic a antičástic by na počátku vesmíru mělo vzniknout obojího stejně 1:1, což by vedlo k úplné anihilaci a vesmír by obsahoval jen záření. To se zjevně nestalo, což svědčí pro asi o 10^-9 více hmoty než antihmoty; z tohoto nepatrného přebytku po anihilaci vyústila veškerá hmota která ve vesmíru existuje. Proč došlo k této asymetrii hmoty a antihmoty z určitostí nevíme.
Některé možnosti vzniku této baryonové asymetrie jsou diskutovány v §5.4, pasáži "Baryonová asymetrie vesmíru", z jiného pohledu v části "Antičástice - antiatomy - antihmota - antisvěty" §1.5 monografie "Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření".
=> Jaká je vnitřní struktura "elementárních" částic mikrosvěta ?
Přímé prozkoumání "vnitřku" částic mikrosvěta není možné. Lze to jen destruktivní metodou vzájemných srážek částic na urychlovačích, přičemž se studují nové vylétající částice. Tímto způsobem se podařilo odhalit vnitřní kvark-gluonovou strukturu hadronů, především protonů a neutronů. U ostatních hadronů - pionů, kaonů, hyperonů - se jejich kvarková struktura předpokládá modelově, na základě analogie (srov. "Jsou elementární částice skutečně elementární?"). U leptonů, jako jsou elektrony či miony, se žádnou vnitřní strukturu nepodařilo objevit, považují se za "bodové". Jejich pozorované vlastnosti, jako je spin či magnetický moment, se považují za jejich inherentní charakteristiky, bez náležitého vysvětlení. Musíme se tedy přiznat, že zatím neznáme podstatu většiny částic, z nichž je složen náš svět..!.. Toto vysvětlení se očekává (asi ve vzdálenější budoucnosti) od unitárních teorií pole (§B.6 "Sjednocování fundamentálních interakcí. Supergravitace. Superstruny.").
=> Nepochopitelná nepochopitelnost kvantové fyziky ?
V současné fyzice se vyskytuje řada poznatků, teorií, hypotéz, které se zabývají jevy v hlubokém mikrosvětě nebo velmi vzdáleném vesmíru - v oblastech našemu přímému pozorování a zkušenosti nedostupné. Při pokusech o jejich poznání a vysvětlení se pak objevují myšlenky a koncepce, které jsou pro náš "zdravý rozum" (který se nám vyvinul z pozorování okolního makrosvěta) těžko pochopitelné. Jednou z takových oblastí je speciální a zvláště obecná teorie relativity (o které se někdy říká že je "nepochopitelně-pochopitelná"), které je v podstatě věnována celá tato naše kniha "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu". Ještě méně srozumitelná je pro nás kvantová fyzika - o té se někdy říká že je "nepochopitelně-nepochopitelná"! Tyto skryté aspekty jsou z různých hledisek diskutovány v §1.1 "Atomy a atomová jádra", části "Kvantová povaha mikrosvěta" knihy "Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření". Kvantová fyzika je nesmírně úspěšná pro zkoumání struktury hmoty, jakož i v aplikacích, ale její základní vnitřní podstata je našemu pochopení skryta tajemstvím...
=> Jak vznikaly první galaxie a velké černé díry ?
Nynější standardní astrofyzikální mechanismy vzniku prvních galaxií vycházejí ze situace po skončení "doby temna" ve vesmíru cca 200 milionů let po big-bangu, kdy se kolem prvotních nehomogenit (pocházejících z hustotních fluktuací poinflačního období) začaly gravitační přitažlivostí shlukovat oblaka vodíkového + héliového plynu. Vytvářela se postupně velkorměrová struktura síťové koncentrace hmoty kolem velkých prázdnot - viz obrázky v §5.4, pasáži "Formování velkorozměrové struktury vesmíru" a "Hmota a distribuce hmoty ve vesmíru". V nich pak gravitační kontrakcí vznikaly první velké protohvězdy přecházející ve hvězdy 1.generace - utvářely se galaxie (§5.4., pasáž "Struktura a vývoj galaxií"). Tyto hvězdy 1.generace byly většinou podstatně větší než nynější hvězdy, cca několik stovek M_¤. Žily jen poměrně krátce, několik milionů let a pak vybuchly jako supernovy, které obohacovaly mezihvězdný prostor o těžší prvky. Toto všechno je asi v zásadě správné. Avšak nejnovější pozorování ukazují, že nejranější galaxie jsou poněkud "vyspělejší" než by se očekávalo z jejich věku. Takže možná zatím dobře neznáme přesné modely vzniku galaxií..?..
  Malé a střední černé díry vznikají gravitačním kolapsem dostatečně hmotných hvězd. Těch bylo v raných galaxiích velké množství. Postupným slučováním "hvězdných" černých děr mohou vznikat černé díry hmotností několik tisíc M_¤. Supermasivní černé díry 10⁶-10^9¨M_¤ by do těchto hmotností mohly dorůst až za miliardy let. Pozorují se však i v podstatně ranějších galaxiích. Mohly by snad vznikat nestelárním způsobem, přímým gravitačním kolapsem velkých hustých oblaků plynu (možnosti vzniku obřích černých děr jsou podrobněji diskutovány v §4.8, pasáž "Jak vznikly supermasivní černí díry?")? Ale přesný mechanismus neznáme...
=> Co je uvnitř černé díry - singularita či kvantové fluktuace ?
Černé díry jsou patrně nejtajemnějšími objekty ve vesmíru. Menší černé díry hvězdných hmotností vznikají na konci evoluce dostatečně hmotných hvězd, které po spotřebování veškerého termonukleárního paliva již nejsou schopny vzdorovat své gravitaci a podlehnou úplnému gravitačnímu kolapsu (je podrobně rozebíráno v §4.2, pasáži "Úplný gravitační kolaps. Černá díra"). V centru galaxií se dále vyskytují obří černé díry o více než milonkrát větší hmotnosti (jejich vznik je diskutován v §4.8, pasáži "Jak vznikly centrální supermasivní černé díry?").
  Společným znakem všech černých děr je, že je obklopuje horizont událostí, z pod kterého nemůže nic uniknout, ani světlo. A ve středu černé díry se podle matematických modelů černé díry (nejjednodušší je Schwarschildova černá díra) nachází bod kde je nekonečné zakřivení prostoročasu, nekonečné gradienty gravitačních sil, všechno je zde zničeno - tzv. prostoročasová singularita (§3.7 "Prostoročasové singularity"). V této singularitě by podle matematických modelů měla skončit veškerá kolabující hmota, i hmota která byla později pohlcena černou dírou. Tento jistě nepřijatelný výsledek je podle klasické teorie černých děr.
  Podle kvantové fyziky by se nic tak "patologického" jako singularita nemělo stát. V bezprostředním okolí středu černé díry by silně vzrostly kvantové fluktuace geometrie prostoročasu až do fluktuací topologie, takže prostorová singularita by se "rozpustila v topogické pěně" kvantových fluktuací..?.. (je diskutováno v §B.4 "Kvantová geometrodynamika").
Takže vlastně nevíme co je uvnitř černé díry, v jejím středu..?..
=> Co je temná hmota ?
Pozorujeme že gravitační působení v galaxiích a kupách galaxií je silnější než by odpovídalo běžné zářící+nezářící hmotě tam obsažené (§5.6, část "Skrytá-temná hmota"). Musí tam tedy být nějaká "substance" která vykazuje gravitaci, ale kterou astronomicky nevidíme. Nazýváme ji tedy "temná" protože nezáří a "hmota", protože interaguje gravitačně stejně jako hmota. Ale nevíme co to je. Uvažovalo se že by to mohly být těžko viditelné objekty z prachu, hnědých trpaslíků nebo černých děr v halo galaxií; zatím se nepotvrdilo. Fyzikálně se zdá, že by temná hmota mohla být tvořena slabě interagujícími masivními částicemi WIMP, které svou hmotností gravitují, ale kromě gravitace vykazují jen slabou interaci. Jejich detekce metodami jaderné a radiační fyziky je proto velmi obtížná; navzdory intenzivnímu snažení během mnoho desítek let se to zatím nepodařilo...
=> Co je temná energie ?
Při astronomickém měření rychlosti vzdalování velmi vzdálených supernov typu Ia překvapivě pozorujeme, že vesmír se rozpíná urychleně, místo toho aby se jeho expaze zpomalovala přitažlivým gravitačním působením hmoty. Vedle gravitace tedy ve vesmíru musí být obsaženo "něco" co působí opačně, proti gravitaci. Je to astronomicky nevidilelné takže to nazýváme "temné" a "energie", protože to dodává energii potřebnou pro urychlování. Avšak nevíme co to je? Může to být inherentní vlastnost časoprostoru (jako je kosmologická konstanta), nebo jakási "kvintecence" (temná energie a akcelerovaná expanze vesmíru je podrobně diskutována v §5.6, část "Akcelerovaná expanze vesmíru? Temná energie?", "Podstata temné energie?").
=> Existuje směr plynutí času ?
Všechny základní fyzikální zákony jsou časově invariantní, žádné rovnice ve fyzice neobsahují časový směr. Můžeme je aplikovat jedním či druhým směrem a neukazuje se nic co by říkalo který směr je správný. Zásadní výjimkou je 2.termodynamický zákon, který jakožto statistický princip ukazuje, že přírodní děje samovolně probíhají ve směru růstu entropie, jakožto míry neuspořádanosti systému. Fyzikální statistika to vysvětluje tím, že počet neuspořádaných stavů systému částic je vždy podstatně vyšší než počet uspořádaných stavů. Biochemické procesy života jdou zdánlivě proti tomuto proudu rostoucí entropie (je diskutováno v §1.1., pasáži "Pohyb mikročástic v souborech. Termodynamika" monografie "Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření").
  Nové aspekty ohledně plynutí času přinesla speciální a obecná teorie relativity - je shrnuto v sylabu "Cestování časem: fantazie nebo fyzikální realita?".
Jsme nuceni přiznat, že vlastně pořádně nevíme co je to čas..?..
=> Jak vznikl prvotní život na molekulární a buněčné úrovni ? Mimozemský život ?
Biologové mají dobře prozkoumánu evoluci úžasné různorodosti života, chemikové pak složité biochemické procesy na molekulárně-buněčné úrovni. I když zde ještě zbývá mnoho prozkoumat, je již dobře pochopena podstata života (viz §5.2., část "Buňky - základní jednotky živých organismů" v knize "Jaderná fyzika a ionizující záření").
  Nevíme však, jak vznikl prvotní život na molekulární chemické předbuněčné úrovni, včetně založení reprodukce a dědičnosti RNA->DNA? A též zda a jak by se život mohl vyvinout i mimo Zemi, na jiných planetách ve vesmíru? A jak ho hledat?
Je podrobněji diskutováno v práci "Antropický princip aneb kosmický Bůh", části "Jak vznikl život?" a "Hledání mimozemského života ve vesmíru"; možnosti příp. skončení biologické formy našeho života jsou diskutovány v pasáži "Tranhumanismus - vysvobození z "otroctví" biologie?".
=> Jak v budoucnu skončí vesmír ?
Astrofyzika a kosmologie se podrobně zabývá studiem evoluce vesmírných objektů i vesmíru jako celku. Základním astronomickým poznatkem je nynější expaze vesmíru (jednotlivé možnosti jsou analyzovány v úvodní části §5.6 "Budoucnost vesmíru." ). Byly uvažovány dvě možnosti průběhu této expanze :
1. Že se v budoucnu expanze zastaví a přejde ve smršťování - vesmír zanikne kolapsem, "velkým krachem".
2. Expanze bude pokračovat neustále do nekonečna, avšak bude se více či méně zpomalovat přitažlivou gravitací hmoty. ....
V současné době byla možnost 1. již opuštěna, nynější astronomická pozorování velmi vzdálených supernov typu Ia navíc ukazují, že :
3. Vesmír se rozpíná neustále: zpomalování expanze trvalo prvních cca 9 milard let, ale potom se expanze začala zrychlovat -> vesmír nyní expanduje akcelerovaně.
Zda a jak to všechno skončí nevíme. Diskutují se různé scénáře "velkého ochlazení - tepelné smrti vesmíru", či dokonce "velkého roztržení" v důsledku exponenciálně narůstající rychlosti expanze vesmíru..?.. Souvisí to se zatím neznámými vlastnostmi temné energie. Diskuse opět v §5.6, části "Akcelerovaná expanze vesmíru?", pasáži "....".
  Řada nevyšených otázek jistě bude existovat neustále - neboť vyřešení jednoho problému zpravidla nastoluje další otázky. Měli bychom si tuto zákonitou omezenost našeho vědění otevřeně přiznat. Někteří odborníci, zaměření poněkud "školometsky" na universitní výuku, s tímto mají určité problémy. Snaží se být "moc chytří" a některé nevysvětlené jevy, problémy, vlastnosti, mají sklon nahradit "axiomy" které se studenti musejí "nabiflovat"; zní to učeně a vědecky. Někdy to sice jinak nejde, ale přece jen by měl být určitý prostor pro nezávislé přemýšlení a snahu o neformální názorné pochopení skutečné podstaty...

Na závěr kapitoly o kosmologii ještě stručně a kriticky zmíníme některé poněkud nestandardní a hypotetické spekulace, které se nám úplně nepodařilo zařadit do kontinuity výkladu astrofyziky a kosmologie. Na všechny 4 níže zmíněné otázky je adekvátní skeptická odpověď "Asi ne ! ".

"Holografický" vesmír ? Asi ne !
Ztráta informace v černé díře. Holografický princip.
V kapitole 4 jsme se podrobně zabývali vlastnostmi černých děr. Při vzniku černé díry gravitačním kolapsem se ztrácejí pro vnější svět všechny informace o individuálních vlastnostech kolabující hmoty kromě celkové hmotnosti, náboje a rotačního momentu hybnosti - §4.5 "Černá díra nemá vlasy", černá díra nemá mikroskopickou strukturu. Tato neobvyklá situace se označuje jako "paradox ztráty informace" - viz též diskusi v závěrečné pasáži kapitoly 4.7 "Kvantové vypařování: návrat hmoty z černé díry?". Z hlediska statistické fyziky (a teorie informace) je entropie mírou neuspořádanosti daného systému [167]. Toto ohromné množství ztracených informací je pak mírou entropie černé díry. Pro úměrnost mezi plochou horizontu a entropií pohlcené hmoty se později vžil poněkud zavádějící název "holografický princip" :
Holografický princip
Holografický obraz v optice vzniká tak, že svazek koherentního světla (z laseru) se rozdělí na dvě části, z nichž jedna dopadá na fotografickou vrstvu přímo, druhá část pak po odrazu od zobrazovaného předmětu. Oba tyto paprsky interferují a na fotografické emulzi vznikne struktura tenkých interferenčních proužků, nesoucích informaci o fázových rozdílech obou paprsků. Ozáříme-li pak tento dvojrozměrný obrázek koherentním světlem (opět z laseru), odražené paprsky zpětně rekonstruují tytéž fázové rozdíly, jaké obraz vytvořily - vzniká dojem trojrozměrného obrazu původního předmětu. Holografický obraz má tu zajímavou vlastnost, že i z úlomku hologramu můžeme vidět celý trojrozměrný obraz, i když s menším rozlišením.
  Dvojrozměrná plocha horizontu černé díry nese veškerou informaci (příslušně redukovanou - "černá díra nemá vlasy") o trojrozměrných konfiguracích hmoty pohlcené v černé díře, podobně jako dvojrozměrný hologram nese informace o trojrozměrném objektu. Tím zde ovšem podobnost s holografií končí, neboť konkrétní podrobné informace o pohlcené hmotě (kromě hmotnosti M, rotačního momentu hybnosti J a příp. elektrického náboje Q) jsou ztraceny a nelze je nijak zpětně zrekonstruovat.
  Některým odborníkům v oblasti astrofyziky a unitárních teorií pole (začali s tím G.’t Hooft a L.Susskind) se však holografická myšlenka zalíbila a vedla je k domněnce, že podobným způsobem by se všechny informace i o ostatních systémech, nejen černých dírách, daly lokalizovat na povrch (plochu) oblasti, v níž se nacházejí. Mohl by na to nepřímo ukazovat myšlenkový pokus s velmi velkou černou dírou, v okolí jejíhož horizontu by platily obvyklé fyzikální zákony jako ve stavu beztíže, ve volně padající lokálně inerciální soustavě by byly jen nepatrné slapové síly. Pod horizontem si na základě holografické úměrnosti mezi plochou horizontu černé díry a její entropii můžeme představit, že všechny informace o hmotě uvnitř jsou lokalizovány na horizontu, jehož plocha udržuje informaci o celém vnitřním prostoru..?..
Tato interpretace však není fyzikálně příliš korektní, neboť teorém "černá díra nemá vlasy" a úměrnost mezi plochou horizontu a entropií se vztahuje na vnější, nikoli vnitřní prostor černé díry..!..
  "Holografický princip" byl dále ještě zobecněn v souvislosti s budováním teorie superstrun: "Informaci (stupně volnosti) o systému uvnitř objemu V lze lokalizovat (zakódovat) na povrch ¶V tohoto objemu, přičemž hustota informace nepřesahuje jeden bit na Planckovu plochu l_p² ".
  Holografický princip je obecně tvrzení, že informace o N-dimenzionální oblasti (jejím vnitřku) je zakódována na N-1 rozměrné hranici této oblasti. V rámci obecné teorie relativity teoreticky je podložen pouze u horizontů černých děr. V ostatních případech se jedná jen o extrapolace a analogie - o neopodstatněné hypotézy.... Vesmír tedy zřejmě není "holografický". Holografické koncepce se však někdy používají v různých variantách teorie superstrun.

Je celý náš vesmír uvnitř gigantické černé díry ?
Rozvoj astrofyziky černých děr v 60.-80.letech a atraktivnost těchto "exotických" objektů vedly ještě k další bizarní hypotéze: Že celý náš vesmír (se všemi galaxiemi, mlhovinanami, hvězdami, planetami a dalšími strukturami, které lze vidět teleskopy nebo odvodit z detekce elektromagnetického či korpuskulárního záření a příp. gravitačních vln) by se mohl nacházet uvnitř gigantické černé díry, existující uvnitř ještě většího celku - multivesmíru (není zde však přímá souvislost s hypotézou multiverza v předchozím §5.7 "Antropický princip a existence více vesmírů"). Vznik tohoto vesmíru by pak bylo možno vysvětlit stejně bizarní představou: že Velký třesk byl jakýmsi "velkým odrazem", kde gravitační kolaps v předchozím vesmíru vytvořil "červí díru" *), jejíž výstupní ústí se otevřelo do nového rozpínajícího se vesmíru..?..
*) Otázky hypotetických červích děr a jejich vztahu k černým dírám jsme kriticky diskutovali v §4.4., pasáži "Červí díry - mosty do jiných vesmírů?".
  Tedy samé neověřené domněnky. Kromě toho, z astrofyzikálního hlediska by to nebylo v souladu s kosmologickým principem (diskutovaným již v §5.1, pasáž "Kosmologický princip") globální homogenity a izotropie vesmíru. Ve směru ven, k horizontu černé díry, by bylo pozorované řidší rozložení galaxií než směrem ke středu, k "singularitě". Žádný "okraj" vesmíru u horizontu, ani zhuštění ve směru do centra a příp. pád do singularity, se nepozoruje.
  Představa vesmíru, nacházejícímu se uvnitř černé díry, se některým astrofyzikům líbí - hlavně však popularizátorům a zájemcům z oblasti filosofie, kultury a společenských věd, považují ji za vzrušující a tajemnou. Skutečnému vesmíru, který pozorujeme a v němž žijeme, však neodpovídá...

Vesmír je jen iluze? Vesmír jako giantický kvantový počítač ?
Úspěšné analýzy a počítačové simulace mnoha procesů ve vesmíru pomocí výkonných počítačů s důmyslným softwarem vzbudily u některých autorů dojem, že to není jen náhodný úspěch erudovaných astrofyziků a počítačových odborníků, ale je to proto, že samotný vesmír je jakýmsi gigantickým softwarovým systémem, který se my jen snažíme odhalit. A z hlediska evoluce je Vesmír jakýmsi autodidaktickým systémem..?.. Tuto naprosto neopodstaněnou sci-fi hypotézu většina odborníků jistě nemyslí doslovně, ale spíše metaforicky! "Mohli bychom žít v digitálním světě zobrazeném v Matrixu, aniž bychom o tom věděli"...?.. Asi ne! Doslovné hypotetické tvrzení že "vesmír je počítač" jistě neodpovídá realitě. Místo toho by věrohodnější tvrzení mělo znít: "Řada prosesů ve vesmíru může být softwarově algorimizovatelná" a anylyzovaná na velkých počítačích (v budoucnu možná kvantových), což umožňuje jejich lepší pochopení, simulaci a extrapolaci do budoucna. Z filosofického hlediska to pak naznačuje, že vesmír je poznatelný v duchu ideje materiální jednoty světa... Je reálně existující!

Kosmické vědomí - vesmír jako "živá bytost", která si uvědomuje sám sebe ?
Tato sci-fi idea je příliš subjektivní a antropomorfní, než aby ji v našem (astro)fyzikálním pojednání bylo potřeba podrobněji diskutovat.
  Astrofyzika a kosmologie pozoruje Vesmír jako pusté a nehostinné místo, které se skládá téměř výhradně z prázdného prostoru a neživé hmoty. Život je extrémně vzácný. Na Zemi se hmota speciálními mechanismy zorganizovala do vysoké úrovně složitosti a postupně vytvořila živé bytosti ("Hvězdy, planety, život ve vesmíru"). Zda se tak stalo i na jiných místech ve vesmíru, zatím nevíme...
  Někteří filosofové, alternativní přírodovědci a ekologové, v duchu antropomorfismu, by rádi viděli vesmír ne zcela "mrtvý", ale Vesmír jako živý, vyvíjející se a učící se systém, s nímž bychom my lidé žili ve vzájemné harmonii, pro lepší a udržitelný život na Zemi, bez krizí a devastace přírodního prostředí. To je jistě pozitivní motivace. Zcela zavádějící zde ale může být idealistická motivace proti materialismu, která nekorektně ztotožňuje objektivní "osvícený" vědecký materialismus, který lepším poznáním reality pomáhá chránit přírodu, s vulgárním lidským materialismem, vedoucím k sobectví, konzumní společnosti a devastaci přírody.
"Vesmír poznává sám sebe - skrze nás" (C.Sagan)...
Žádné objektivní potvrzení této ideje samozřejmě není.

5.7. Antropický princip a existence více vesmírů		Dodatek A: Machův princip a obecná teorie relativity

Vojtěch Ullmann