Paradox uzavřených vesmírů: Jak pozorovatelé mění náš pohled na realitu
Fyzikové se ve svých laboratořích zabývají matematikou kvantového prostoru a času a objevují záhadné otázky. Tajemné zákony kvantové teorie a gravitace jim umožňují představit si mnoho různých druhů vesmírů s přesnými detaily, což vede k mocným myšlenkovým experimentům, které se v posledních letech zabývaly dlouho očekávanými záhadami kolem černých děr.
V roce 2019 se však skupina badatelů podívala na vesmír, který byl zajímavě podobný našemu, a objevila paradox: Teoretický vesmír se zdál mít pouze jeden možný stav. Byl tak jednoduchý, že jeho obsah mohl být popsán bez jakýchkoliv informací, dokonce ani volba nuly nebo jedničky nebyla přítomna. Tento výsledek byl v rozporu s tím, že tento typ vesmíru by měl být schopen hostit černé díry, hvězdy, planety a lidi. Přesto byly všechny tyto bohaté detaily k smutku nikde k nalezení.
Rob Myers, teoretický fyzik z Perimeter Institute for Theoretical Physics v Kanadě, poznamenal: „Díváme se kolem sebe a svět se zdá být složitější než to.“ Fyzikové mají dobrou důvod, proč důvěřovat těmto výpočtům, které staví na základních fyzikálních idejích. Matematika naznačuje vesmír s jediným stavem; náš vesmír se jistě nejeví jako takový. Nyní tým teoretiků navrhnul možné vysvětlení. Paradoxní výsledek nastal, když se fyzikové pokusili o objektivní popis stavu celého vesmíru. Ale takový popis možná není vůbec možný, i v principu. Implicitně předpokládá vesmír, který existuje bez pozorovatele, který by ho pozoroval. A snad bez pozorovatelů ztrácí složitost vesmíru svůj význam.
Šokující argument
Pro fyziky, kteří se vášnivě zajímají jak o kvantovou mechaniku, tak o gravitaci, se ukazuje, že kombinace těchto dvou teorií je extrémně obtížná. Teorie strun je jednou z možných odpovědí na tento problém, nahrazující částice miniaturními délky vibrujících strun, aby se překonaly zádrhele, které ničí jiné kandidátské teorie. Matematika této teorie je však složitá a její důsledky se těžce rozplétají.
Před téměř 30 lety publikoval Juan Maldacena, fyzik z Institute for Advanced Study, průlomový článek, který ukázal, že obtížné výpočty teorie strun lze občas vynechat a provést pomocí známých konceptů z částicové fyziky. Avšak tento přístup funguje pouze v případě, že vesmír má neobvyklou geometrii „anti-de Sitter“. Tento typ vesmíru má hranici, často ilustrovanou jako plechovka. Remarkabilně, všechno, co se děje uvnitř plechovky, od kolidujících částic po rotující černé díry, je odhaleno ve stínech na vnější hranici plechovky. Je to jako by 3D vesmír uvnitř byl ekvivalentem obrazu na plochém displeji, což fyzikové nazývají holografií.
Holografie a její implikace
Holografie přinesla významné průlomy. V roce 2019, Maldacena a jeho tři kolegové použili holografické myšlení k lepšímu pochopení toho, co se děje uvnitř černé díry. Na základě dřívějších prací navrhli „vzorec ostrova“, který sleduje hranice různých oblastí uvnitř černé díry. To jim brzy pomohlo odhalit potenciální vysvětlení pro dlouholeté tajemství: Jak mohou černé díry odhalit informace o tom, co do nich spadlo — což kvantová teorie říká, že se musí dít — když by to mohlo na první pohled odporovat absolutní povaze gravitace černé díry?
Přesto bylo jasné, že experimenty s černými dírami jsou jen začátkem. Jak řekl Henry Maxfield, fyzik na Stanfordově univerzitě: „Černé díry jsou opravdu dobrým testovacím prostředím pro nápady, ale to nejsou ty důležité otázky; důležitou otázkou kvantové gravitace je kvantová kosmologie“ — snaha pochopit velmi raný vesmír.
Uzavřené vesmíry a jejich tajemství
Problém spočívá v tom, že nežijeme v anti-de Sitter vesmíru. Povaha expanze vesmíru naznačuje, že nemá hranici. Bez ohledu na to, jak daleko se dostanete, nikdy nenarazíte na okraj. Jedním ze způsobů, jak může vesmír postrádat hranu, je jeho uzavřená geometrie. V tom případě by se cestovatel pohybující se ve vymezeném směru mohl nakonec vrátit na místo, kde začal— podobně jako kdybyste skočili do letadla a letěli na východ.
Jakmile se Maldacena pokusil aplikovat ostrovní vzorec na uzavřený vesmír, objevil něco, co jeho kolegové obtížně akceptovali: Uzavřená oblast se zdála být téměř úplně prázdná. „Byl jsem touto argumentací dost šokován,“ přiznal Zhao. „Snažil jsem se s ním diskutovat.“ Trvalo několik let, ale Zhao nakonec našel skulinu v Maldacenově prázdném vesmíru.
Prázdný prostor
Uzavřené vesmíry, které Maldacena zkoumal, nebyly prázdné masou nebo energií. Byly prázdné něčím ještě důležitějším: informacemi. Když fyzikové zkoumají kvantové teorie, musí si sledovat každý možný stav, v němž se fyzický systém může nacházet. K tomu používají abstraktní prostor zvaný Hilbertův prostor. Hilbertovy prostory, pojmenované po matematikovi Davidu Hilbertovi, se vyrovnávají s různými kvantovými stavy tím, že přidávají nové matematické dimenze. Čím více dimenzí je, tím více informací mohou tyto Hilbertovy prostory zapsat.
S jednoduchým systémem, jako je počítačový bit, který může být buď nula, nebo jedna, by mohli mít dvě dimenze. Většina kvantových systémů je však mnohem složitějších. Vezměte si jediný atom vodíku. Jeho elektron může dosahovat stále vyšších oběžných drah, jak mu dodáváte více energie. V tomto případě je počet možných stavů neomezený, a tak je jeho Hilbertův prostor nekonečně dimenzionální. Většina skutečných kvantových systémů má tuto vlastnost.
Proto fyzikové očekávají, že celý vesmír bude mít také nekonečný počet stavů. Když však Maldacena aplikoval ostrovní vzorec na uzavřený vesmír, zjistil, že má Hilbertův prostor pouze s jednou dimenzí. Nebyla zde žádná informace. Celý vesmír a vše, co obsahuje, může být pouze v jednom kvantovém stavu. Postrádal dokonce i složitost jediné bitu.
Komplexita se vrací
Tato závěrečná úvaha byla pro fyziky paradoxní, protože bychom také mohli žít v uzavřeném vesmíru, a jasně vidíme mnohem více než jen jeden stav kolem nás. „Na mém stole je nekonečný počet stavů,“ řekl Edgar Shaghoulian, fyzik na University of California, Santa Cruz. Jak fyzikové pokračovali ve studování různých typů uzavřených vesmírů, neustále uviděli stejný vzor. Zatímco skupina IAS zkoumala černé díry, Maxfield a jeho spolupracovník Donald Marolf se zaměřili na hypotetické kvantové bubliny prostoru-času zvané dětské vesmíry. Objevili stejnou drsnou jednoduchost. Vypadal to, že chudoba uzavřených vesmírů byla univerzálním trendem.
„Nakonec jsme tomu uvěřili,“ řekl Zhao.
Situace se nyní stává paradoxní: Výpočty konzistentně naznačují, že jakýkoli uzavřený vesmír má pouze jeden možný stav. Ale náš vesmír, který může být velmi dobře uzavřený, se zdá být nekonečně komplexní. Co se tedy děje?
V eseji z roku 2023 Shaghoulian poznamenal, že fyzikové tuto podivnou chování viděli již dříve v teoriích nazvaných topologické pole. Matematici tyto teorie používají k chartování tvaru nebo topologie geometrických prostorů. Topologické pole mohou mít také jednorozměrné Hilbertovy prostory. Ale pokud rozdělíte geometrický prostor na více zón, můžete prostor popsat mnoha různými způsoby. Aby bylo možné sledovat všechny nové možnosti, potřebujete větší Hilbertův prostor. „Pravidla hry se mění,“ řekl Shaghoulian.
Shaghoulian navrhl, že by mohla existovat podobná metoda, jak rozdělit uzavřený vesmír: Přivést pozorovatele. Kvantová mechanika vyžaduje odlišení mezi pozorovatelem — například vědcem provádějícím experiment — a systémem, který pozoruje. Systém je obvykle něco malého a kvantového, jako je atom. Pozorovatel je velký a vzdálený, a proto je dobře popsán klasickou fyzikou. Shaghoulian si všiml, že toto rozdělení je analogické tomu, které zvětšuje Hilbertovy prostory topologických polí. Snad pozorovatel by mohl udělat to samé pro tyto uzavřené, zdánlivě jednoduše vypadající vesmíry?
V roce 2024 se Zhao přestěhovala na Massachusetts Institute of Technology, kde se začala zabývat problematikou, jak umístit pozorovatele do uzavřeného vesmíru. Ona a její dva kolegové — Daniel Harlow a Mykhaylo Usatyuk — považovali pozorovatele za představující novou hranici: ne okraj vesmíru, ale hranici samotného pozorovatele. Když vezmete v úvahu klasického pozorovatele uvnitř uzavřeného vesmíru, veškerá složitost světa se vrací, ukázali Zhao a její spolupracovníci.
Papír týmu MIT vyšel na začátku roku 2025, přičemž jiná skupina přišla vpřed s podobnou myšlenkou. Další se připojili a poukázali na spojení s dřívějšími pracemi. V tuto chvíli všichni zúčastnění zdůrazňují, že neznají plné řešení. Paradox sám o sobě může být nedorozuměním, které se vytratí s novým argumentem. Ale zatím se zdá, že přidání pozorovatele do uzavřeného vesmíru a pokus o zohlednění jeho přítomnosti může být nejbezpečnější cestou.
„Jsem opravdu jistý, že je to správné? Říci, že je to něco, co vyřeší problém? Nemohu to říci. Snažíme se dělat to nejlepší, co můžeme,“ řekla Zhao.
Pokud se tato myšlenka ukáže jako správná, použít subjektivní povahu pozorovatele jako způsob, jak objasnit složitost vesmíru, by představovalo paradigmový posun v fyzice. Fyzikové obvykle usilují o výhled nikde, samostatný popis přírody. Chtějí vědět, jak svět funguje, a jak se pozorovatelé jako my stávají součástmi světa. Ale když fyzikové začínají chápat uzavřené vesmíry z pohledu soukromých hranic kolem soukromých pozorovatelů, zdá se, že výhled nikde je stále méně životaschopný. Možná, že výhledy odněkud jsou jedinou variantou, kterou kdy můžeme mít.
