Vypařujeme černou díru - mýty, fakta a teorie

Drahý Time,

dnešní díl bude opět pokračováním pojednání o entropii a vesmíru, ale spíše to bude malá odbočka. V minulém díle jsem se bavili o tom, že vesmírní Otesánci v podobě černých děr nejsou odsouzeni jenom k neustálému růstu. Naopak, až jim dojde jídlo, začnou se vypařovat, zmenšovat, až se nakonec v gigantické explozi úplně vypaří. Jenom to bude trvat nepředstavitelně dlouho.

Za tím vypařováním je Hawkingovo záření. Na první pohled je to celkem jasná věc - díky energii vakua vznikají částice a antičástice. To je jedna z věcí, která jde přímo proti selskému rozumu, jak může něco vzniknout z ničeho? Nicméně na kvantové úrovni je to naprosto běžné. Energie se neustále stává hmotou a zase zpátky energií. Obvykle vznikne pár, který zase rychle anihiluje a znovu po něm zbude jenom vakuum. Odborně se tomu říká kvantová fluktuace.

Že si to fyzici nevymysleli a netahají nás, jak se říká, za fusekli, svědčí pozorování tzv. Casimirova jevu. O co jde v kostce - máme dvě nenabité desky, což je důležité, abychom ze hry vynechali elektromagnetické síly. Gravitační působení obou desek bude dostatečně menší, než námi pozorovaný jev z kvantové fluktuace. Desky totiž dáme velmi blízko k sobě nejlépe do dokonalého vakua. Po nějakém čase zjistím, že nám něco přitlačilo ty dvě desky k sobě. Je to jako na tomhle obrázku z wiki:

Co se tedy děje? Mezi deskami je omezený prostor, mohou tam vznikat virtuální pár částic pouze omezeného počtu vlnových délek - z vlnění, z energie na pár částic mohou vznikat jenom celočíselné násobky dané vlnové délky omezené vzdáleností obou desek. Oproti tomu všude okolo je těch možností mnohem, mnohem více. A tak začne působit síla, která ty dvě desky přimáčkne k sobě.

Dlouho se tedy mělo za to, že na podobném principu funguje vypařování černé díry. Před horizontem událostí, což je mez, kde je pádová rychlost právě rovna rychlosti světla a nic tedy nemůže ten horizont překonat. Tak před horizontem událostí se tvoří páry částice a antičástice a může se stát, že jedna z toho páru má dostatečnou rychlost, aby odfrčela pryč od černé díry. Tady je to schématicky naznačeno na obrázku.

Cel0 to má jednu podstatnou vadu - děje se to mimo černou díru a není tedy jak by unikající částice snižovaly celkovou hmotnost černé díry. Můžeš namítnout, že je to přes gravitaci, ale tu pořád chápeme jako zakřivení prostoru a tím pádem nic jako přenos energie z vnitra černé díry nefunguje.

Potom se vyskytly mýty o tom, že jedna z částic má zápornou hmotnost nebo dokonce zápornou energii. To je ovšem nesmyl, cokoliv se zápornou hmotností se pohybuje rychleji než světlo, tedy podle vzorců obecné teorie relativity. Já osobně jsem to chápal tak, že dochází ke kvantovému tunelování, kdy se z díry protuneluje ven energie, ze které potom vznikne ten pár částic. Ale i to je mýtus.

Pod posledním článkem se na tohle téma rozpoutala zajímavá diskuze, která mne přiměla studovat daný problém hlouběji a najít tento článek z Big Think. Řešení celého problému je, jak jinak, kvantové. Ve skutečnosti jde v souladu s QED, s kvantovou elektrodynamikou, o projev kvantového pole. Přemýšlím, jak něco takového přiblížit někomu, kdo o tom v životě neslyšel.

Zkusím to takto - představ si, že každá částice má svoje kvantové pole, které obsahuje pravděpodobnosti, že tam částici najdeš. To pole je přes celý prostor, výskyty částice jsou potom excitací tohoto pole. A tak nějak to funguje s černou dírou. Jako celek má svoje kvantové pole včetně částic, které už jsou za horizontem. A to pole v prudce zakřiveném časoprostoru okolo singularity „tepe“. Nevím, jak to lépe popsat, ve skutečnosti se chová jako zářič a vyzařuje ve spektru jako fyzikům dobře známého dokonale černého tělesa. Pole vyzařuje do okolí fotony, které zmenšují celkovou energii toho systému, tedy i černé díry samotné.

Nabízím Ti následující analogii, od pana profesora Chýly: Neutron se za cca 15 minut rozpadne na proton, elektron a elektronové antineutrino, přičemž cca 1 promile hmotnosti neutrina se přemění na kinetické energie protonu, elektronu a neutrina, protože v relativitě se hmotnost nezachovává. V žádné případě si rozpad nemůžeš představit tak že proton, elektron a neutrino před v neutronu existovaly před jeho rozpadem. U černé díry se podobně zmenší v důsledku emise fotonů z oblasti PŘED horizontem její hmotnost sedící v singularitě a tím pádem také její poloměr.

Takže černé díry se vypařují, ale podle posledních našich poznatků to dělají úplně jinak, než si Hawking myslel. Doufám Time, že jednou dorosteš do toho, že si to kvantové pole kolem černé díry dokážeš na základě matematického popisu představit lépe než já teď.

A tímto končím odbočku a příště už to bude vážně o gravitační entropii.