Izraelští fyzici nepřímo prokázali existenci Hawkingova záření, toku energie, který proudí z černé díry a způsobuje její vypařování.
Černé díry jsou zvláštní, určitým způsobem „zhroucené“ oblasti prostoru, třeba pozůstatky velkých hvězd. Obecně přijatá koncepce považuje černou díru za „vysavač“, který nasává všechno, a ven nevypouští nic, dokonce ani světlo. Když se ovšem zapojí kvantová mechanika, celá záležitost se pozoruhodně zkomplikuje.
Už v roce 1974 Stephen Hawking teoreticky ukázal, že na horizontu událostí černé díry se může vytvořit pár fotonů, z nichž jeden má kladnou a druhý zápornou energii. Foton se zápornou energií je vtažen do černé díry, zatímco ten s kladnou energií je emitován do prostoru. To má za následek stálý tok energie ven z černé díry, tzv. Hawkingovo záření. Černé díry se tak postupně vypařují. Jenže jak toto převratné tvrzení experimentálně dokázat?
Izraelští fyzici pod vedením Jeffa Steinhauera to zkusili pomocí „umělé“ černé díry. A uspěli. Ukázali, že záření z umělé černé díry vykazuje spektrum teplot. To jim umožnilo přiřadit černé díře určitou teplotu, a nepřímo tak prokázat existenci Hawkingova záření. Teoretický dopad tohoto tvrzení je převratný, protože v důsledku znamená, že černá díra má nenulovou teplotu.
Ve statistické mechanice je teplota definována jako střední energie systému s velkým počtem stupňů volnosti (obdobně jako plyn obsahující velký počet molekul). V Einsteinově obecné teorii relativity je ale černá díra definována pouze hmotností, nábojem a spinem. Přiřazení teploty k černé díře tak vyžaduje buď dodatečné stupně volnosti, nebo opravení samotné definice teploty.
Fyzici pod vedením teoretika Jeffa Steinhauera pracovali několik
let na umělé laboratorní černé díře, která je založena na
Bose-Einsteinově kondenzátu, látce tvořené bosony při teplotě blížící
se absolutní nule (foto: Technion)
Detekování Hawkingova záření ze skutečné černé díry by sice bylo obrovským úspěchem, ale současně je i téměř nesplnitelným úkolem. Potíž je v tom, že pro všechny známé černé díry je předpovězena teplota nižší, než je teplota kosmického mikrovlnného pozadí. To znamená, že jakékoliv záření z černé díry bude překryto zářením, které černá díra absorbuje.
Možnou cestu k řešení představuje okolnost, že rovnice obecné teorie relativity jsou po matematické stránce analogické rovnicím, popisujícím šíření vlnění v pohybujícím se médiu. Už v roce 1981 ukázal kanadský teoretik William Unruh, že takové systémy by mohly vykazovat Hawkingovo záření. Řada skupin zkoušela toto záření simulovat pomocí vln ve vodě, světla v optických vláknech i dalších systémů, ale tyto experimenty jsou velmi náročné. Některé výsledky se ukázaly jako chybné, o jiných se ještě stále diskutuje.
První Unruhova „umělá“ černá díra byla založena na vodě, která vytváří vodopád. Unruh si na okraji takového vodopádu představoval akustický fonon, tedy kvazičástici zvukového pole. Pokud by se tok vody zrychloval, začal by se fonon pohybovat nadzvukovou rychlostí, a tím by došlo k jeho uvěznění (obdoba uvěznění fotonu astrofyzikální černou dírou). Pokud by takové fonony byly v kvantově provázaných stavech, mohly by ze sonické černé díry uniknout.
Fyzici z univerzity v Haifě pod vedením teoretika Steinhauera pracovali několik let na umělé laboratorní černé díře, která je založena na Bose-Einsteinově kondenzátu, látce tvořené bosony při teplotě blížící se absolutní nule. Za těchto podmínek má velká část atomů minimální kvantovou energii, jedná se tedy o soubor zchlazených zachycených atomů.
Na vyšší hladině skoku potenciální energie teče Steinhauerův kondenzát pomalu, na straně nižší energie se ale tok zrychluje. Na obou stranách tohoto zvukového horizontu se mohou vytvářet páry zvukových fononů. Zatímco nad skokem je rychlost zvuku vyšší než rychlost samotného kondenzátu, a fonony proto černé díře unikají, na nižší hladině je rychlost zvuku oproti rychlosti toku kondenzátu nižší, což má za následek smetení fononů do černé díry.
V roce 2014 Steinhauer ohlásil, že pozoroval samozesilující se Hawkingovo záření z umělé černé díry se dvěma horizonty. Následně v roce 2016 zaznamenal kvantové provázání mezi emitovanými vlnami a vlnami smetenými do černé díry. Ale ani v jednom případě si nebyl zcela jistý. Dokonce došlo k tomu, že jiný izraelský teoretik, Ulf Leonhardt z Weizmanova ústavu, který se sám zabýval umělými černými dírami v optických vláknech, znovu analyzoval výsledky z roku 2016 a prohlásil je za artefakt statistiky.
Aby nezvratně prokázali platnost svých výsledků, provedli členové Steinhauerova týmu během následujících tří let 21 různých vylepšení experimentu. Výsledkem bylo, že se jim podařilo změřit energii emitovanou na příslušných frekvencích a ukázat, že záření má energetické spektrum černého tělesa s dobře definovanou teplotou.
Pochopitelně, že takto závažné výsledky vzbuzují diskuse. Teoretik James Auglin z univerzity v Kaiserslauternu sice s výsledky souhlasí, ale domnívá se, že pro popis reálné černé díry daný systém nestačí. Všechny důležité záhady, týkající se kvantových efektů v černých dírách, podle něj souvisejí s nelineární dynamikou.
Všichni se ale shodují v tom, že pro skutečný pokrok v oboru fyziky černých děr bude nutné ještě zodpovědět řadu důležitých otázek jako na příklad: Způsobuje emise tepelného záření zmenšení černé díry? Pokud ano, vrací se informace zachycená v černé díře zpět během smršťování? Zastaví se smršťování dosažením nějakého zbytkového kvantového objektu, který stále udržuje informace, nebo je informace ztracená? Jak souvisí povrch černé díry a entropie? A nakonec ta nejdůležitější: Existuje pevná vazba mezi kvantovou mechanikou, termodynamikou a gravitací?
Původní materiály byly uveřejněny v Nature.
Mohlo by vás zajímat:
Nanokuličky v pasti
Kvantový
internet je zase o něco blíž
Světlo
se může chovat jako magnet
Vědci
na stopě tajemství atomového jádra