Co když černé díry nejsou tím, čím si myslíme, že jsou? Mladý fyzik Will Barker v Praze otevírá nový pohled na gravitaci a zpochybňuje Einsteinovu vizi vesmíru. Ve svém výzkumu se zaměřuje na kosmické dvojníky černých děr, které bychom jednou mohli zachytit pomocí gravitačních vln. Nyní je díky stipendiu MSCA COFUND Physics for Future a využití nástrojů umělé inteligence blíže chvíle, kdy se tyto radikální myšlenky promění ve faktické pozorování.
Zabýváte se řešeními Einsteinových rovnic připomínajících černé díry bez horizontů událostí. Můžete objasnit význam těchto „dvojníků černých děr“ v současném astrofyzikálním výzkumu?
Tento projekt skutečně urychlila spolupráce s lidmi z FZU. Již v roce 2020 navrhli dva výzkumníci z FZU, Constantinos Skordis a Tom Zlosnik, novou teorii gravitace, v níž jsou jevy, které připisujeme temné hmotě, místo toho vysvětleny modifikací gravitační síly. Abychom to rozvedli: temnou hmotou nazýváme neznámou látku, která tvoří většinu hmoty ve vesmíru. Její přítomnost můžeme zatím odvodit pouze z jejího gravitačního působení. Teorie modifikované gravitace se na FZU stala velmi populární a pracuje na ní mnoho lidí. Ukázali jsme, že teorie umožňuje existenci takzvaných „dvojníků černých děr“. To jsou velmi zvláštní objekty, nejlépe popsané jako červí díra, která na jedné straně vede do černé díry. Tedy „červí díra, která spolkla černou díru“. Zvenčí vypadají velmi podobně jako černé díry, ale možná si všimnete rozdílů. Například kdybyste mohli „slyšet“ gravitační vlny, mohli by „dvojníci“ po srážce a splynutí zvonit jako zvon. Splynutí černých děr již umíme „slyšet“ s potřebnou přesností, takže bude možné teorii potenciálně otestovat.
Váš výzkum upozorňuje na možné odchylky pozorování od obecné teorie relativity. Proč je pro fyziky důležité zkoumat teorie, které přesahují Einsteinovu teorii?
Je důležité si uvědomit, že naše důvěra v Einsteinovu teorii gravitace, ve srovnání s důvěrou v ostatní přírodní síly (tj. elektromagnetismus a silnou a slabou jadernou interakci), vychází z hluboce odlišných druhů experimentů. Další síly můžeme i na kvantové úrovni zkoumat pomocí urychlovačů částic. V případě gravitace studujeme převážně její účinky na úrovni klasické fyziky, když pozorujeme vesmír. Moderní kosmologie je stejně sofistikovaná jako fyzika urychlovačů, ale nechává otevřené některé překvapivě zásadní nejasnosti. Například aby mohla Einsteinova gravitace vysvětlit kosmologická pozorování, musíme k ní přidat záhadné látky nazvané temná hmota a temná energie. Pokud provozujete urychlovač, můžete zkusit provést experiment, abyste otestovali něco, čím si nejste jisti.
V kosmologii se jeden experiment odehrává už čtrnáct miliard let: můžeme si vymyslet jen různé způsoby, jak ho studovat! Problémem je také nedostatek kvantových testů: většina teoretických fyziků by řekla, že Einsteinova teorie platí při nízkých energiích, zatímco při vyšších energiích vyžaduje určité kvantové korekce. Změny klasické teorie ovlivňují způsob výpočtu těchto korekcí, takže je zde dost potenciální nejistoty. Dám vám jeden příklad: pravděpodobně víte, že Einstein popsal gravitaci jako zakřivení časoprostoru, že? To ale nemusí být nutně pravda! Časoprostor může mít dvě jiné geometrické vlastnosti, kterým se říká torze a nemetričnost, a nedávno se ukázalo, že existují čistě torzní a čistě nemetrické teorie gravitace s přesně stejnými předpověďmi jako Einsteinova teorie, bez zakřivení.
Tomu se přezdívá „geometrická trojice“ gravitace. Na klasické úrovni by tedy bylo možné celou kosmologii a astrofyziku vysvětlit stejně dobře i bez zakřiveného prostoru. Zatím však nevíme, jak tyto alternativní geometrie ovlivňují kvantové korekce. V tom spočívá velká část mého současného výzkumu.
Nedávno jste také pracoval na tématu červích děr. Nakolik jsou červí díry pravděpodobné jako fyzikální realita, a ne jako čistě teoretický konstrukt?
Dvojník černé díry je technicky vzato červí díra. Nepřipomíná ovšem červí díry, které vídáme ve sci-fi. Tam bývají červí díry představovány jako užitečné tunely skrz časoprostor, které spojují dva vesmíry nebo dva vzdálené body ve stejném vesmíru. V případě dvojníka černé díry je vnější strana červí díry skutečně náš známý vesmír, ale uvnitř je nehostinný zkroucený kus prostoročasu. Na vnější straně, když se vzdálíme od hrdla červí díry, se prostor stává plochým a nudným. Na vnitřní straně se prostor stále více deformuje, a nakonec skončíte v místě, které připomíná horizont černé díry. Myslíme si, že jsme v přírodě pozorovali mnoho černých děr, a Einsteinova teorie předpovídá, že jsou stabilní, nicméně červí díry, jaké se vyskytují ve sci-fi, stabilní nejsou. Pomocí dalších výpočtů potřebujeme zjistit, nakolik je dvojník černé díry stabilní.
Ve své profesní dráze jste se posunul od základní gravitační teorie k implikacím pro pozorování. Byla to záměrná volba? Jak tento přechod ovlivnil váš přístup k výzkumu?
V teoretické fyzice, když nejste omezeni pozorováním, si můžete užít spoustu zábavy. Získáte tím ale méně – šance, že do vědy přispějete důležitými objevy, je velmi malá. Moji volbu ovlivnila síť spolupracovníků, kterou jsem si vytvořil po ukončení doktorského studia. Záměrně posouvám svůj přístup k výzkumu a všechny své publikace se snažím začínat upřímnou diskusí o důsledcích pro pozorování. Pokud mě žádné nenapadnou, musím si dvojnásob rozmyslet, zda by se práce měla publikovat.
„Všechny své publikace se snažím začínat upřímnou diskusí o důsledcích pro pozorování.“
Jaké jsou podle vás největší výzvy, kterým v současnosti čelí obor gravitační fyziky?
Řadě teoretiků v tomto století schází to, co přezdíváme „signály nové fyziky“. Jde o experimentální nebo pozorovací důkazy, které nelze vysvětlit běžně přijímanými teoriemi. Ve skutečnosti je kosmologická a gravitační komunita v současné době rozpolcena v otázce, zda jsme takové signály zachytili, nebo ne. Nejlepším kandidátem je něco, co se nazývá „Hubbleovo napětí“. V podstatě to znamená, že když měříme rychlost rozpínání vesmíru různými metodami, dostáváme různé odpovědi. Tento rozdíl existuje již několik let a postupem času se stále prohlubuje. Řešení tohoto problému jsem vlastně navrhl už v roce 2019, hned na začátku své kariéry. Myšlenka spočívá v tom, že Einsteinova teorie gravitace vzniká dynamicky z procesu zvaného torzní kondenzace, k němuž dochází v raném vesmíru. Jedna z mých studentek tuto teorii zátěžově testovala na nejnovějších přesných datech z kosmologie, a to s vynikajícími výsledky: její článek vyjde za pár týdnů!
Minulý měsíc se pak objevil další kandidátní signál z Dark Energy Spectroscopic Instrument: v podstatě jde o indikaci, že kosmologická konstanta (kterou používáme k parametrizaci temné energie urychlující rozpínání vesmíru) není vůbec konstantní. To jsou příklady výzev, kterým čelíme: máme k dispozici obrovské množství dat v podobě přesných kosmologických průzkumů, údaje o mikrovlnném doznívání velkého třesku, polohách galaxií a tak dále. Mezi těmito daty existují zjevné nesrovnalosti, ale nemůžeme se shodnout, zda jsou tyto nesrovnalosti reálné, a pokud ano, co je jejich příčinou. Velkou část problému tvoří skutečnost, že je relativně málo lidí, kteří se vyznají jak v observační kosmologii, tak v teoretické fyzice.
Ovlivnila vaše účast v programu Physics for Future nějak výrazně směr nebo metodiku vašeho výzkumu?
Směr mého výzkumu se hodně změnil, zejména se teď mnohem více zajímám o důsledky pro pozorování. Co se týče metodologie, zdaleka nejpodstatnější změnou je, že při práci využívám umělou inteligenci. To mi program P4F usnadnil: krátce po nástupu na stipendium jsem učinil „nouzové“ rozhodnutí přesměrovat velmi velkou část svého rozpočtu na výzkum do generativní umělé inteligence, abych zajistil, že já a moji spolupracovníci zůstaneme po celou dobu dvouletého působení na absolutní špičce dostupných technologií. Dosavadní výsledky jsou ohromující.
PHYSICS FOR FUTURE (P4F) je stipendijní program podpořený MSCA COFUND, jehož cílem je získat 60 postdoktorandů do Fyzikálního ústavu AV ČR a ELI Beamlines, kteří se budou věnovat tématům fyziky zásadním pro společnost a ekonomiku. První výzva byla velmi úspěšná, druhá výzva byla otevřena v srpnu 2025.
Během své kariéry jste spolupracoval na mezinárodní úrovni. Jak práce v různých zemích a výzkumných skupinách ovlivnila váš pohled na fyziku?
Je pravda, že jsem spolupracoval mezinárodně, ale to je v akademickém prostředí běžné. Ve skutečnosti je Česko technicky vzato teprve druhou zemí, ve které jsem oficiálně pracoval (i když jsem byl krátce jako součást doktorátu na výzkumném pobytu v Nizozemí). Strávil jsem mnoho let ve Velké Británii, kde jsem absolvoval bakalářské, magisterské i doktorské studium a stáž v rámci Junior Research Fellowship v Cambridge. Nebylo to záměrně (měl jsem velké štěstí s přihláškami) a ke konci stáže se už dostavoval určitý pocit stagnace. Protože akademické prostředí je ze své podstaty mezinárodní, způsob, jakým se dělá fyzika, se ve skutečnosti po celém světě v až překvapivé míře sjednotil. Zejména v teoretické fyzice jsou vědecké přístupy docela jednotné. Výzkumníci volně spolupracují. Tento proces pro mě byl vždy velmi přirozený a nechtěl bych pracovat jinak. Téměř bez výjimky vedla spolupráce k trvalým přátelstvím. Někdy narazíte na instituce, které jsou izolovanější. Příznačné je, že to nebývají ty na špičce.
„Příroda nám nedluží technologie ani pokrok.“
Jaké jsou vyhlídky na praktické využití vašeho výzkumu, nebo považujete svou práci především za přínos k základním teoretickým poznatkům?
Je legrační, že to prezentujete jako dichotomii. Ale máte pravdu: základní teorie a praktické aplikace se od sebe začaly rozcházet po skončení druhé světové války. A vzhledem k tomu, jakou roli v tomto konfliktu sehráli fyzici, to můžeme asi pokládat za štěstí. Praktických aplikací je stále méně, ale nezapomeňte, že příroda nám nedluží technologie ani pokrok. (Mnoho lidí to neví, ale naše nejlepší základní teorie se od roku 1964 příliš nezměnily. Od té doby se především uskutečnila spousta důležitých experimentů.)
To, co nazýváte „základními teoretickými poznatky“, je doménou mého působiště na FZU: Oddělení fyziky elementárních částic. Zde, zjednodušeně řečeno, studujeme čtyři základní přírodní síly. Zatím to bylo trochu jako ruleta. Elektromagnetická síla nám dala téměř všechny moderní technologie. Silné a slabé jaderné síly nám daly atomovou bombu. Co pro nás udělá gravitace? Podle sci-fi přinese červí díry a warp pohon. To zní v éře chemických raket užitečně, když tolik exoplanet velikostí podobných Zemi leží mimo náš dosah. Hodně o nich přemýšlím. Ve skutečnosti ale nejsme takovým technologiím blízko. Moje odpověď vás proto asi trochu zklame. Gravitační teorie má využití při významném zdokonalení GPS a FZU stojí také v čele tohoto výzkumu.
Zabýváte se popularizací nebo komunikací vědy? Jaké klíčové sdělení se snažíte studentům nebo širší veřejnosti o svém výzkumu sdělit?
Zabývám. Začátkem jara jsem strávil dva týdny na cestách po nejlepších mezinárodních středních školách v Číně, kde jsem přednášel a pořádal workshopy. Každá návštěva měla dva cíle. Prvním (a osobnějším) cílem bylo inspirovat příští generaci teoretiků. Druhým (praktičtějším) cílem bylo provést studenty přijímacím řízením na západní univerzity. Když se ohlédnu za svými vlastními zkušenostmi, jsem hluboce vděčný mentorům, kteří mi pomáhali, když jsem studoval. Proces poskytování této pomoci z druhé strany – zejména studentům, kteří čelí náročnějším kulturním výzvám než já – byl pro mě až překvapivě smysluplný. Když si vzpomenu na své představy ze školy, myslím, že jsem tehdy měl k vědeckým autoritám mnohem větší důvěru než dnes. Během doktorátu jsem začal chápat, že v teoretické fyzice vlastně „show“ nikdo neřídí a v předních liniích výzkumu převládá nejistota. Ve svých osvětových přednáškách se snažím studentům část této nejistoty odkrýt. Tam, kde je nejistota, je totiž i naděje na pokrok.
Vzhledem k tomu, že vaše stipendium zahrnuje i jiné aspekty než jen výzkum, například školení v oblasti měkkých dovedností nebo navazování kontaktů, považujete tyto složky za přínosné pro svůj kariérní postup?
To vám řeknu po dalším cyklu podávání přihlášek do výběrových řízení letos na podzim. Mám pocit, že mé schopnosti navazovat kontakty se posílily. Ale to vše teprve uvidíme.
Nakonec: do jaké míry život a práce v Praze ovlivnily produktivitu vašeho výzkumu nebo osobní radost z vědy? Máte nějaké oblíbené aktivity nebo koníčky, které vám pomáhají vyvažovat vědeckou práci?
Dojíždění bylo náročné, ale podařilo se mi z něj udělat součást mé běžecké trasy: nejezdím metrem, pokud nemám zpoždění na schůzku, takže mě to udržuje v kondici. Moje trasa začíná pořádným kopcem s výhledem na Prahu na jedné straně a na Vltavu vinoucí se českou krajinou na straně druhé; je to dobrý začátek dne. Nicméně to je na úkor produktivity, protože nejlépe se mi pracuje krátce po probuzení a dostat se do práce chvíli zabere.
Autorka: Petra Köppl
William Barker je britský kosmolog a postdoktorandský výzkumník na FZU AV ČR v rámci programu Physics for Future (P4F). Svou úspěšnou kariéru zahájil na univerzitě v Cambridge. Mimo kosmologie je jeho vášní běhání.
- Autor článku: ne
- Zdroj: Akademie věd ČR
