Kip Thorne: Stroj času by zničil sám sebe

Co můžeme zjistit v okamžiku, kdy černá díra trhá na kusy hvězdu? V Praze přednášel v polovině května slavný americký fyzik, nobelista a popularizátor vědy Kip Thorne, jeden z vědců, díky nimž nedávno začala nová éra astronomie – pozorování vesmíru pomocí gravitačních vln. Poprvé se je podařilo zachytit v roce 2015 pomocí detektorů LIGO, jejichž stavbu Thorne prosazoval a inicioval. Potvrdila se tím předpověď o existenci gravitačních vln, kterou učinil o sto let dříve Albert Einstein – a také správnost cesty, o jejíž smysluplnosti dokázal Thorne přesvědčit politiky i řadu kolegů. Nobelovu cenu za objev gravitačních vln získal v roce 2017. O Thorneových strhujících vizualizacích srážek černých děr, které během pražských přednášek promítal stovkám posluchačů, a dalších překvapeních z výzkumu kosmu najdete text v novém Respektu 23/2019 v článku Einsteinův vnuk v Praze. V následujícím rozhovoru Thorne přidává detaily a vzpomíná, jaké argumenty přesvědčily Kongres, aby věnoval na stavbu detektorů LIGO miliardu dolarů.

Jako vědecký poradce jste spolupracoval na filmu Interstellar. Jaká to pro vás byla zkušenost?

Spolupracovat s filmaři bylo velmi zábavné. A filmaře zároveň těšilo, že mohou spolupracovat se mnou a tvořit vědeckofantastický film založený na skutečné vědě. S režisérem a scénáristou Christopherem Nolanem jsme se spřátelili a on se mnou teď konzultuje různá vědecká témata i ve svých dalších filmech.

Skutečně lze vletět do černé díry jako hlavní hrdina Cooper a přežít?

Nevíme. Jsme si ale dost jisti, že se uvnitř černých děr nacházejí celkem tři singularity. Kontakt s jednou či dvěma z nich možná přežít lze. Film ale spoléhá na něco jiného. Cooper a robot TARS do černé díry vletí, aby tu ze singularity získali informace o zákonech kvantové gravitace, jejichž pochopení by mohlo Cooperově dceři pomoci zachránit lidstvo. Už to je velmi spekulativní. Především ale v příběhu vystupuje civilizace, která žije ve vícerozměrném prostoru. Ta postaví kosmickou loď rovněž se pohybující vícerozměrným prostorem, která může Coopera a TARSe chytit, když do singularity spadnou, „vyzvednout“ do vyšší dimenze mimo centrum černé díry a dopravit zpět k Zemi. To je samozřejmě nesmírně nepravděpodobné, ale úplně vyloučeno to není - nemohu zkrátka dokázat, že je to nemožné. Současné představy a spekulace o těchto otázkách vysvětluji ve své knize The Science of Interstellar. Ve vícerozměrném prostoru sice s největší pravděpodobností nežijí civilizace ochotné pomáhat lidské rase, ale odehrává se tam velmi zajímavá fyzika, o níž asi máme celkem správné představy.

Veřejnost se obvykle nejvíc zajímá o exotické objekty a jevy, jako jsou bílé díry, červí díry, cestování časem. Jak vidíte možnost jejich existence?

I o tom jsem psal ve zmíněné knize. Máme důvod se domnívat, že cestovat zpět časem se nedá, že každý stroj času, který vyspělá civilizace postaví, sám sebe zničí, jakmile se ho ta civilizace pokusí aktivovat.

I když stroj cestuje do budoucnosti?

Jen když cestuje do minulosti. Pokud cestuje do budoucnosti, není problém. Ovšem putuje-li časem zpět, dojde k sebedestrukci stroje. Nevíme to ale s určitostí, nejsme si vůbec jistí, a usilovně se snažíme celé věci porozumět. Také pevně věřím, že červí díry nemohou existovat přirozeně. Možná se ale dají vytvořit uměle, pokud je civilizace dostatečně vyspělá. Pravděpodobně je však nelze udržet otevřené dost dlouho, aby jimi bylo možné cestovat. Jsou to ale odhady z oblasti, v níž jsme zatím ještě nedokázali vyřešit potřebné rovnice a pochopit, co příroda predikuje.

Během přednášek v Praze jste řekl, že díky detekci gravitačních vln je astronomie dnes svým způsobem ve stejném okamžiku, v jakém byla před čtyřmi sty lety, kdy Galileo Galilei poprvé namířil svůj dalekohled na oblohu. Proč je pozorování vesmíru pomocí gravitačních vln tak odlišné?

Elektromagnetické vlny, jež využíval Galileo a další astronomové - například viditelné světlo, rádiové vlny nebo rentgenové záření - jsou produkovány hmotou, oscilujícími elektrickými náboji. Gravitační vlny vznikají jinak: vytváří je pohyb velkých množství energie. Nejsilněji je produkuje energie, která se podílí na zakřivení časoprostoru. Jejich ideálními zdroji jsou proto objekty tvořené silným zakřivením časoprostoru, nikoliv hmotou – například černé díry. Povaha černých děr i gravitačních vln je ostatně totožná; zakřiveným časoprostorem jsou tvořeny i gravitační vlny samé.

Světlo nebo rentgenové záření lze proto dobře pozorovat konvenčními teleskopy skládajícími se z obyčejné hmoty, elektronů, protonů a podobně. Týmž druhem hmoty jsou totiž tvořeny i objekty ve vesmíru, které teleskopy zkoumají. Pomocí gravitačních vln lze naopak studovat tu část vesmíru, která je v elektromagnetickém spektru neviditelná – objekty vytvořené zakřivením časoprostoru. Rozdíl je tedy obrovský.

První pozorované gravitační vlny vznikly při splynutí dvou černých děr ve vzdálenosti 1,3 miliardy světelných let od Země. Vy jste se černým dírám začal věnovat v době, kdy ani někteří vědci nevěřili v jejich existenci. Neváhal jste někdy, jestli jste si skutečně zvolil správné téma? Trvalo pět desetiletí, než se existence černých děr potvrdila…

Neváhal jsem, protože my, odborníci na černé díry, jsme v ně velice věřili. Zakládali jsme své přesvědčení na fyzikálních zákonech i pozorováních vesmíru, která nám říkala, že by tam černé díry být měly. Klíčovým problémem však nebyly černé díry, ale to, jestli bude možné postavit dostatečně citlivé detektory pro detekci gravitačních vln. Věděli jsme, jaká přibližně má citlivost být – takže velkou otázkou bylo, jestli se podaří vytvořit tým, který dokáže tento experiment uskutečnit. Právě tím jsem strávil několik let; studoval jsem, jaké problémy se s tím pojí, než jsem se rozhodl do toho jít. Jakmile jsem experimentálním problémům dost porozuměl, věděl jsem, kdo jsou v této oblasti ti nejlepší experimentátoři, například Rainer Weiss a Vladimir Braginskij – věřil jsem jim a důvěru v ně jsem nikdy neztratil.

Když jste koncem 80. let plánovali stavbu detektorů LIGO, věděli jste, že jejich první generace ještě pravděpodobně žádné gravitační vlny nezachytí. Jak se vám podařilo přesvědčit politiky, aby dali peníze na dlouhodobý a nejistý projekt, který během prvních deseti let měření neměl zaznamenat vůbec žádný signál? V roce 1992 Kongres zastavil stavbu gigantického urychlovače SSC v Texasu, ačkoliv na ni utratil už dvě miliardy dolarů. LIGO ale turbulence přežilo.

Uspěli jsme z několika důvodů. Za prvé, odměna za úspěch by byla obrovská: úplně nový způsob pozorování vesmíru a možnost studovat jevy, které by pravděpodobně fundamentálně změnily jeho chápání. Za druhé, měli jsme vynikající experimentální tým včetně externích posuzovatelů, kteří se na projektu mohli podílet, a skvěle řízený Barry Barishem (další z nobelistů oceněných v roce 2017 spolu s Thornem, pozn. aut.). Dále jsme byli vůči politikům naprosto upřímní a nijak jsme neskrývali, že projekt bude pravděpodobně vyžadovat dvě generace detektorů. Nemuseli jsme navíc získat na svoji stranu celý Kongres, stačilo přesvědčit členy výborů, které se zabývají rozpočtem na vědu. Detektory LIGO také přece jen nebyly tak velký projekt jako Supravodivý superurychlovač v Texasu. My jsme plánovali utratit miliardu dolarů, jejich rozpočet byl pět, nebo dokonce deset miliard. A konečně jsme měli skvělé posudky, které oceňovaly kvalitu našeho týmu i pravděpodobnost úspěchu.

Podařilo se vám rozpočet dodržet?

Nakonec LIGO vyšel na 1,1 miliardy dolarů. Na první generaci detektoru jsme žádali 300 milionů a víc jsme neutratili. Barry Barish přesně věděl, co dělá: v každé fázi výstavby dokázal naplánovat, kolik bude stát a jak dlouho potrvá. A nikdy se nemýlil, což je ve vědě neobvyklé – a nejen ve vědě, ale vlastně v každém projektu, který využívá státní peníze. Častěji jsme svědky překračování rozpočtu a nedodržování lhůt.

Počítačová simulace zachycuje srážku dvou černých děr, která v září 2015 přinesla první přímý důkaz o existenci gravitačních vln. V horní části obě černé díry, v prostřední znázornění deformace časoprostoru (červená barva označuje extrémní zpomalení času). Dole signál z detektoru gravitačních vln.

Co může studium gravitačních vln prozradit?

Pozorovali jsme srážku černých děr, pomocí níž získáváme informace o tom, čemu říkám dynamika geometrie – jak se chová časoprostor, když je silně zakřivený a rychle se mění. Pozorovali jsme srážku neutronových hvězd: detekce gravitačních vln ukazují, že opravdu jde o neutronové hvězdy, pozorování elektromagnetického záření zase potvrzují, že právě při takovýchto kolizích vzniklo zlato a platina, které máme dnes na Zemi. Nedávno jsme rovněž zaznamenali první případ, kdy černá díra trhá na kusy hvězdu. Signály nejsou moc silné, takže nutně potřebujeme další pozorování, abychom si mohli být jisti. Bude to ale velice zajímavé - pokud chceme skutečně porozumět chování hmoty při hustotách desetkrát vyšších, než jsou největší hustoty ve středu atomového jádra, pak je ideální cestou pozorovat, jak černá díra trhá neutronovou hvězdu. Je to výhodnější případ než srážka dvou neutronových hvězd, protože když černá díra rve hvězdu na kusy, vidíte probíhající děje daleko zřetelněji. Očekáváme také, že během dvaceti let začneme pozorovat nejranější okamžiky vesmíru.

Předpokládáte, že zaznamenáme gravitační vlny z dob jeho zrodu?

Ano, gravitační vlny vzniklé při samém velkém třesku. Teorie, které hodně věříme, nám říká, že ať už se ve velkém třesku dělo cokoli, takzvané kvantové fluktuace vakua tehdy uvolnily gravitační vlny. A cokoliv vzešlo z velkého třesku, bylo zesíleno inflací, což je fáze extrémně rychlého rozpínání vesmíru v jeho nejranějších okamžicích. A my takto zesílené gravitační vlny zaznamenáme – nejprve nepřímo a později přímo. Budou nám vyprávět o samém velkém třesku a o procesu inflace, který tyto vlny zesílil. Předpokládám, že se v průběhu příštích deseti let začne výzkum výrazně věnovat právě tomuto tématu – přímému pozorování propojení zrodu vesmíru a inflace – a potrvá několik desetiletí.

Změní to náš pohled na vesmír?

To nevíme, záleží na tom, co se ukáže. Konzervativní předpověď říká, že z velkého třesku povstaly zmíněné fluktuace vakua, jakési minimální množství vln, které příroda dovolí. Ty by pak byly zesíleny inflací. Ale samo zrození vesmíru podléhalo zákonům, kterým nerozumíme – zákonům kvantové gravitace. A protože jim nerozumíme, jsem poněkud skeptický vůči tomu, že je konzervativní předpověď správná. Pokud je, posílí to důvěru ve správnost našich současných představ o zrození vesmíru. Velmi vzrušující by ale bylo, kdyby se mýlila. Pak bychom se totiž mohli dozvědět něco právě o zákonech kvantové gravitace.

Co spatříme?

Existuje také docela velká šance, že uvidíme gravitační vlny vytvořené ne přímo při vzniku kosmu, ale v době, kdy byl stár biliontinu vteřiny (tedy již po inflaci). Tehdy se zrodila elektromagnetická síla. Předtím byly energie částic, třeba elektronů, tak velké, že elektrické a magnetické pole neexistovala - místo nich vládla takzvaná elektroslabá interakce a fyzikální zákony byly jiné než dnes. Jak vesmír chladl a dospěl do věku zhruba té biliontiny vteřiny, elektroslabá interakce se rozpadla; zrodil se elektromagnetismus a jaderná síla jakožto dvě samostatné síly. Byl to zřejmě divoký proces, který vyvolal gravitační vlny. Observatoř Evropské vesmírné agentury nazvaná LISA, která by se měla vydat do kosmu počátkem třicátých let, má velmi slušnou šanci, že je zaznamená. Doufáme tedy, že spatříme nejen zrození vesmíru, ale také trochu pozdější zrození některých základních přírodních sil.

Ve svých přednáškách zmiňujete spoustu detektorů gravitačních vln, které mají v následujících desetiletích vznikat na Zemi i ve vesmíru: LISA, Big Bang Observer, Einsteinův teleskop. Budou ale opravdu postaveny? Lidstvo může mít jiné priority a obavy, může dávat peníze třeba na řešení klimatických změn.

Množství peněz, které tyto projekty potřebují, je malé v porovnání s náklady na řešení klimatických změn a dalších věcí, které mohou být pokládány za důležitější než astrofyzika. Mluvíme o skromných rozpočtech. Myslím proto, že se zmíněné detektory vybudovat podaří. Díky spolupráci detektorů LIGO a Virgo (Virgo je sesterský evropský detektor vybudovaný v Itálii) se už dozvídáme nové věci. Vědecká motivace pro vybudování Einsteinova teleskopu (má jít o evropský podzemní detektor gravitačních vln tvořený třemi desetikilometrovými rameny) a kosmické observatoře LISA je značná a náklady malé v porovnání s tématy, která jsou pro lidstvo důležitější, jako je klimatická změna. Nicméně tyto věci mají v rukách mladší generace.

Rád zdůrazňuji, že také objevy učiněné pomocí detektorů LIGO a Virgo jsou výsledkem práce mladší generace, než je ta moje. Já se podílel na startu LIGA a na stanovení jeho vědeckých cílů. Pak jsem ale projekt opustil, abych mohl iniciovat začátek práce na počítačových simulacích srážek černých děr, které by projektu LIGO pomohly. Bylo to deset let před první detekcí gravitačních vln. Ta je výsledkem práce skvělého a početného týmu mladších lidí. Budoucnost je v jejich rukách.

Očekáváte, že gravitační vlny pomohou zodpovědět také další fundamentální otázky, jako je podstata temné hmoty a temné energie nebo skutečnost, že se rozpínání vesmíru zrychluje?

Je určitá naděje, že ano. Ohledně současné rychlosti rozpínání vesmíru panují nejasnosti. Jedna pozorovací metoda je založená na výbuších supernov, druhá zkoumá reliktní mikrovlnné záření kosmického pozadí – a ohledně rychlosti rozpínání vesmíru se neshodují. My máme naprosto nezávislou metodu, jak rychlost změřit, ale bohužel zatím není dostatečně přesná. Už nám nicméně přinesla první číslo, první výsledky, když týmy kolem detektorů LIGO a Virgo pozorovaly srážku dvou neutronových hvězd. Prostřednictvím elektromagnetického záření se podařilo určit galaxii, v níž ke kolizi došlo, a zjistit, jak rychle se v důsledku rozpínání vesmíru vzdaluje od Země. Prostřednictvím gravitačních vln jsme pak mohli změřit, jak je daleko. Z toho lze spočítat Hubbleovu konstantu (právě ta je mírou rychlosti rozpínání vesmíru). Přesnost ještě není dostatečná, ale s novými pozorováními se bude zlepšovat.

Už jste se zmínil o kvantové gravitaci. Detekce gravitačních vln znovu a velmi přesvědčivě potvrdila Einsteinovu teorii relativity, ale ta je stále v rozporu s druhým pilířem současné fyziky – kvantovou fyzikou. Zatím se je nedaří sladit, propojit v jeden funkční celek. Myslíte si, že je třeba odhalit ještě něco fundamentálnějšího? Ještě další základní sílu, fundamentální jev, aby se obě tyto teorie podařilo propojit?

Víme, že musí dojít k nějaké změně fyzikálních zákonů, že relativita a kvantová fyzika samy o sobě jsou neslučitelné. Dosažení jejich kompatibility bude vyžadovat něco zásadně nového. Je docela pravděpodobné, že bude třeba nějaká verze teorie strun nebo M-teorie.

Věříte tedy v teorii strun?

Považuji za dosti pravděpodobné, že právě ona nabízí řešení. Z minulých zkušeností také víme, že zákony fyziky, které se zprvu zdají úplně rozdílné, se nakonec mohou ukázat jako shodné. V raných dobách kvantové mechaniky existovala vlnová mechanika, kterou formuloval a rozvinul Erwin Schrödinger, a maticová mechanika, jejímž hlavním zakladatelem byl Werner Heisenberg. Vypadaly jako zcela odlišné – ale ukázalo se, že jde o stejnou teorii, ovšem nazíranou z jiných matematických hledisek. Trvalo několik let, než si tím byli vědci jisti, než tomu porozuměli. A podobné věci se stávaly častěji, takže může nakonec vyjít najevo, že jak teorie strun, tak další přístupy ke kvantové gravitaci jsou správně. Jako dva příklady mohou sloužit teorie strun a takzvaná smyčková kvantová gravitace. Obě teorie jsou rovnocenné, nebo existuje alespoň doména, v níž se rovnají. Takže si počkejme a uvidíme. Pilně se na tom pracuje a jsem optimista, že během několika příštích desetiletí dostaneme nějaké definitivní odpovědi.

Zmínil jste řadu nezodpovězených otázek, na které by gravitační vlny mohly pomoci najít odpověď. Jaká je pro vás ta nejzajímavější, jejíž řešení byste si nejvíc přál znát?

Rád bych se dozvěděl podrobnosti o tom, jak se zrodil vesmír, protože tyto detaily v sobě také skrývají informace o zákonech kvantové gravitace, která zrod vesmíru řídila. To je pro mne opravdu nejvíc vzrušující záležitost.

Jana Olivová je spolupracovnicí časopisu Vesmír

Rozhovor vznikl ve spolupráci časopisů Respekt a Vesmír, v jehož červencovém čísle vyjde rozšířená verze rozhovoru. Kip Thorne byl do Prahy pozván v rámci cyklu Bolzanovských přednášek pořádaných Učenou společností ČR. Byl také hostem Matematicko-fyzikální fakulty UK. Přednesl celkem tři přednášky pro laické i odborné publikum, které lze sledovat  na stránkách MFF.

Kip Thorne (79) je jedním z největších světových expertů na aplikaci Einsteinovy obecné teorie relativity v astrofyzice. Do roku 2009 byl profesorem teoretické fyziky na Kalifornském technologickém institutu. V roce 2017 se stal jedním ze tří vědců oceněných Nobelovou cenu za dlouholeté úsilí, které vyvrcholilo prvním přímým důkazem o existenci gravitačních vln. Ty v roce 2015 poprvé zachytila dvojice detektorů LIGO, o jejichž vybudování Thorne usiloval již od 80. let minulého století. Předtím, v 60. letech, se Thorne spolu se svým učitelem Johnem Wheelerem zasadili o to, že se z obecné teorie relativity stal základ astrofyziky.