S tím, jak postupuje naše fyzikální poznání, objevují se články, v nichž stále častěji figurují slova a formulace jako „možná“, „kdyby“, „navrhujeme řešení“ apod. Týká se to i objevů, o nichž informujeme v následujících příspěvcích, konkrétně pokusu o řešení Hawkingova informačního paradoxu a nakonec i jedné z domněnek, jak mohl vzniknout život na Zemi. Abychom se trochu rozptýlili, povíme si dnes ještě něco o tom, jak včely a čmeláci využívají elektrické pole ke vzájemné komunikaci a orientaci v okolí.
Myšlenka „soft hairs“ pomáhá řešit informační paradox černých děr
Stephen Hawking vyslovil před čtyřiceti lety myšlenku, že černé díry likvidují všechny informace, které překročí jejich práh událostí. Tento zánik informací vytváří informační paradox černých děr, protože odporuje principům determinismu. Determinismus je filosofické přesvědčení, že každá událost nebo stav věcí, včetně každého lidského rozhodnutí, je důsledkem předchozích událostí nebo stavů věcí, jež zároveň nemohly způsobit nic jiného. Hawking spolu se dvěma kolegy nyní možná našel způsob, jak tento problém obejít, nebo alespoň částečně vyřešit, a to pomocí zachování informací vázaných na nehmotné částice, které dostaly přezdívku „soft hairs“ a jež by podle zmíněných vědců mohly obklopovat černé díry.
Informační paradox se objevil v sedmdesátých letech 20. století poté, co Hawking použil kvantovou mechaniku k popisu událostí na hraně černé díry. Obecná teorie relativity totiž předpokládá, že černé díry vznikají vždy, když zkolabují masivní velmi hmotné vesmírné objekty. Přitom se vytvoří gravitační pole silné tak, že se prostoročas zakřiví do uzavřené smyčky. To vytvoří skořápku, ze které není návratu a kterou fyzici nazvali horizont událostí. Za horizontem událostí jsou všechny objekty, včetně světla, zcela odříznuty od zbytku vesmíru.
Ve fyzice je ale skoro vždy nějaké „jenže“. Podle kvantové mechaniky mohou páry virtuálních částic ve vakuu přeskakovat ze stavu existence do stavu neexistence. Hawking předpokládá, že právě to by se mohlo stát takovým virtuálním částicím v blízkosti horizontu událostí. Usuzuje, že jedna částice z každého páru by mohla být pohlcena černou dírou, zatímco druhá by mohla být emitována a vytvářet takzvané Hawkingovo záření, to jest tepelné záření pocházející z černých děr. Jelikož takové záření by mohlo odvádět z černé díry energii, mohlo by se stát, že se bude černá díra vypařovat nebo nakonec docela zmizí.
Hawking si uvědomil, že tento potenciálně likvidační efekt platí i pro informace. Došel k závěru, že jelikož emitované záření je generováno na hraně černé díry, mohlo by poskytnout jen informace, které může zjistit i externí pozorovatel, a to hlavně velikost a hmotnost černé díry, náboj a moment hybnosti. Všechny další informace, tj. jaká byla velikost těchto parametrů u jednotlivých objektů, budou v černé díře navždy ztraceny. Hawkingův kolega z Harvardu Andrew Strominger k tomu dodává, že kvantová mechanika se stejně jako klasická fyzika vyvíjí deterministicky, a tím pádem se deterministicky vyvíjí také vesmír, což zase znamená, že to, co je přesně určeno, je vlnová funkce vesmíru jako celku včetně měřicího zařízení, a nikoliv poloha a hybnost jednotlivých částic. To, že v kvantovém světě nejsou hybnost a poloha dány absolutně, si lidé uvědomují jen velmi těžko. Je to totiž, jako by vlastně ani žádné fyzikální zákony nebyly.
Strominger, Hawking a Malcolm J. Perry nyní s náležitou obezřetností uveřejnili návrh řešení informačního paradoxu černých děr. Před dvěma lety Strominger ukázal, že obecná teorie relativity předpovídá v přírodě nekonečný počet symetrií a z toho plynoucí nekonečný počet zákonů zachování. To vyvrací jeden ze dvou předpokladů, na kterých je postaven Hawkingův paradox, a to ten, podle něhož má vakuum jeden kvantový stav na každou energetickou hladinu. Existence „degenerovaného“ vakua je podle něj matematicky ekvivalentní nekonečnému počtu možných symetrií, z čehož vyplývá, že informace mohou žít dál zakódovány v různých stavech vakua i v době, kdy se černá díra vypařuje.
Další předpoklad, který byl tímto novým výzkumem zpochybněn, je ten, že černá díra nemá „vlasy“ (hair). Tento název vymyslel John Wheeler, když mluvil o informaci v okolí černé díry – vedle její celkové hmotnosti, náboje a momentu hybnosti. Hawking, Perry a Strominger ukázali, že některé informace obsažené v elektrických nábojích přecházejících přes horizont událostí ve skutečnosti zůstávají ve formě fotonů s nulovou energií („měkké fotony“) rozprostřené kolem černé díry. Tyto informace dostaly přezdívku „měkké vlasy“ („soft hairs“). Strominger vysvětluje, že černé díry s různými „účesy“ emitují Hawkingovo záření s různými spektry. Pokud tomu tak opravdu je, pak může z černé díry unikat daleko více informací, než se doteď myslelo.
Práce, jež vzbudila u ostatních fyziků opatrné reakce, si rozhodně zasluhuje pozornost, může však být platná jen pro tu část informací, které vstupují do černé díry. Jelikož stavy vakua se od sebe liší momentem hybnosti, dvě černé díry, které mají stejnou hmotnost a moment hybnosti, se za určitých okolností mohou jevit jako nerozlišitelné.
Strominger, Perry a Hawking připouštějí, že má jejich práce určitá omezení a nebude zřejmě úplným ani dokonalým řešením informačního paradoxu. Vědci však učinili první krok a udali směr, kterým by se další bádání mělo ubírat. Fascinující na jejich návrhu je hlavně fakt, že v jeho rámci byla poprvé po tak dlouhé době pravděpodobně objevena fundamentální chyba v původních argumentech.
Hmyzí chloupky slouží k detekci elektrického pole
Čmeláci a včely používají své žluté a černé chloupky k zaregistrování slabých elektrických polí. K tomuto závěru došli britští biofyzici. Ti ukázali, že se jemné chloupky hmyzu vlivem elektrostatického pole pohybují a vyvolávají nervovou odezvu. Zjistili rovněž, že se v přítomnosti elektrického pole pohybují i hmyzí tykadla, jenže k překvapení všech zde žádnou nervovou odezvu nenalezli. Práce je velmi důležitá pro pochopení složitého chování včel, jejichž relativně jednoduchý nervový systém je inspirací pro strojově čitelné algoritmy.
Biofyzici z Bristolu voskem přichytili živé čmeláky na hliněnou podložku. Hmyz udržovali ve vzdálenosti jednoho centimetru od ocelového disku, na který pak přikládali 400V pulsy o délce 1 sekundy. Hmyzí chloupky se na základě toho pohybovaly dopředu a dozadu. Ke změření pohybu vědci použili techniku laserové Dopplerovy vibrometrie. Laserový paprsek zamířili na pohybující se chloupky a následně měřili vlnovou délku odraženého světla, jež se měnila podle Dopplerova zákona. Z naměřených dat bylo možno spočítat, jak se vlivem elektrického pole chloupky vychylují.
Aby bylo možno detekovat elektrický signál produkovaný neurony, bylo potřeba ke kořínkům chloupků zapíchnout tenoučkou ostrou jehlu. Výsledky měření přinesly překvapení. Všichni se původně domnívali, že nervová odezva na elektrické pole přichází z tykadel hmyzu. Vědci proto provedli více než pět set pokusů, jejichž účelem bylo přimět tykadla, aby na elektrické pole reagovala. To se jim však nepodařilo. Ukázalo se, že nožičky ani křídla hmyzu nebyla na elektrické pole citlivá. Vědci se tedy museli smířit s tím, že elektrická odezva je svázána s charakteristickými jemnými chloupky.
Vědci v nové práci navázali na své dřívější pokusy z roku 2013, v nichž se jim podařilo odhalit, že čmeláci i včely elektrické pole registrují. Obecně se má za to, že schopnost zaregistrovat různá elektrické pole pomáhá hmyzu v navigaci při hledání potravy. Každá květina totiž ve svém okolí vytváří elektrické pole s různými parametry. Když včela poprvé opustí úl, neví, jak která květina vypadá. Jakmile potká první květinu, musí se nejprve naučit, jak z ní získat pyl a nektar. Díky tomu, že je schopna registrovat charakteristické elektrické pole každé květiny nebo jiné rostliny, dokáže následně již cíleně létat na známé druhy, aniž by se mechanismu sbírání pylu a krmení musela opakovaně učit. Čmeláci i včely mají oblíbené zdroje potravy, což většinou bývají květy. Ty hmyz lákají svou barvou, vůní, chutí a – jak bylo nyní zjištěno – také tvarem elektrického pole.
Pro výzkum tak pozoruhodných živočichů, jako jsou včely, je podstatné porozumět jejich chování. To, že tento hmyz využívá k poznávání svého okolí elektrického pole, ještě před třemi lety nebylo vůbec známo. Včely jsou vůbec velmi zajímavým objektem pro biofyzikální výzkum. Přestože jejich mozek obsahuje pouze milion neuronů, což je sto tisíckrát méně než má mozek člověka, umí řešit komplikované úlohy, jako je třeba vzájemné dorozumívání. Vědci se domnívají, že chováním včel by se mohly inspirovat třeba rozhodovací algoritmy robotů.
Další, neméně důležitou otázkou v tomto výzkumu je, jak tento druh hmyzu ovlivňují elektrická pole, jež vznikají v důsledku lidmi používaných technologií. Biofyzici sice ukázali, že rezonanční frekvence chloupků čmeláků je kolem 4 kHz, což je daleko méně, než jsou třeba běžné komunikační frekvence, jenže bez experimentálního zkoumání není možné dopad různých jiných technologií na chování včel poznat. Před fyziky tedy nyní stojí důležitý problém, kterému by se měli snažit přijít na kloub v rámci svých dalších výzkumů.
Na kometě 67P/Churyumov-Gerasimenko byly nalezeny ingredience nutné pro život
Kosmická sonda Rosetta objevila na kometě 67P/Churyumov-Gerasimenko aminokyselinu glycin. Objev napovídá, že ingredience pro raný život mohly na Zemi v minulosti zanést právě komety. Podobné komety navíc mohly zanést život i jinam do vesmíru.
Vznik života na Zemi se datuje do období před 3,7 miliardami let. Jenže ještě v době před 3,8 miliardami byla Země příliš horká na to, aby se na ní nestálé prvky potřebné pro vznik života, včetně vody, udržely. Sto milionů let je také krátký úsek pro to, aby vznikly oceány a vytvořily se v nich organické molekuly a nakonec i živé buňky. Astrofyzici proto přišli s myšlenkou, že proces mohly urychlit organické molekuly, jako jsou aminokyseliny, zanesené na Zemi kometami či meteority.
Aminokyseliny, které jsou základním stavebním kamenem proteinů, mohly vzniknout v jednom molekulárním mraku – jenž dal vzniknout hvězdnému systému – a na Zemi mohly být dopraveny kometami nebo meteority. Podle kráterů, které se nacházejí na Měsíci, navíc víme, že v této době k podobným impaktům často docházelo.
Astrobiolog Jason Dworkin spolu se svými kolegy z NASA v roce 2009 oznámil, že vzorky z komety Wild 2, nasbírané misí Stardust, obsahují glycin. Toto tvrzení však bylo posléze odvoláno, protože se vzorky po návratu z vesmíru na Zemi kontaminovaly. Aminokyseliny, obsažené v meteoritech, navíc neposkytovaly přesvědčivý důkaz, že jsou mimozemského původu (i když poměry izotopů tomu napovídaly).
Nový výzkum se věnoval analýze prachu z obalu komety 67P/Churyumov-Gerasimenko. Výzkum byl prováděn pomocí hmotového spektrometru ROSINA, jenž se nachází na palubě kosmické lodi Rosetta patřící Evropské kosmické agentuře (European Space Agency, ESA). Spektrometr ionizoval přicházející molekuly a nepřetržitě měřil poměry hmotnost – náboj zbývajících molekulárních fragmentů. Vědci zjistili, že některé z těchto molekulárních fragmentů odpovídají produktům, které se formují po rozbití molekuly glycinu. To bylo překvapivé, protože glycin není příliš těkavý, takže se neočekávalo, že by se z komety uvolnil do okolního mraku plynu. Následné analýzy ukázaly, že byl vtažen do prachu částic v ledu.
Tým nenašel žádné důkazy přítomnosti komplexnějších aminokyselin, což se však očekávalo, protože jedině glycin může vznikat bez přítomnosti kapalné vody. Zajímavé je, že ROSINA objevila fosfor, to jest atom také velmi podstatný pro vznik života. Na Zemi se také nachází mnoho fosforu, pokud se však pohromadě najdou organické molekuly a fosfor, je pravděpodobné, že spolu budou reagovat.
Astrofyzici se shodují, že mise Stardust odvedla výborný kus práce. Rozhodně ale nepřinesla nezvratný důkaz toho, že život na Zemi přinesly skutečně komety. K tomu by bylo potřeba přinést vzorek jádra těchto komet a v pozemských laboratořích jej podrobně analyzovat. V jednom se však všichni shodují. Shrnout to lze do jediné věty: Na kometě je všechno, co je potřeba ke vzniku života, jenom život sám chybí…
Nalezení glycinu na kometě však alespoň pravděpodobnost nalezení mimozemského života do budoucna zvýšila.
Původní materiály byly uveřejněny v Physical Review Letters, Proceedings of the National Academy of Sciences (British), Physics World a Science Advances.
Další díly: