10. Kvantová mechanika černých děr
Zveřejněno v časopise Scientific American v lednu 1977.
Prvních třicet let tohoto století bylo svědkem vzniku tří teorií, které radikálně pozměnily náš pohled na fyziku a realitu samu. Fyzikové ještě stále zkoumají jejich různé důsledky a snaží se je sloučit v jediný celek. Těmito teoriemi jsou speciální teorie relativity (1905), obecná teorie relativity (1915) a kvantová mechanika (okolo 1926). Albertu Einsteinovi přísluší z velké části zásluha za první z nich, zcela jeho dílem je druhá a hrál velkou roli i při vytváření třetí. Einstein však kvantovou mechaniku nepřijal vzhledem k prvkům náhodnosti a nejistoty v ní obsažených. Své námitky vyjádřil často citovaným výrokem: „Bůh nehraje v kostky!“ Většina fyziků však ochotně přijala jak speciální teorii relativity, tak kvantovou teorii, protože popisovaly přímo pozorovatelné efekty. Na druhé straně se obecné teorii relativity věnovala mnohem menší pozornost, protože je matematicky příliš komplikovaná, není bezprostředně ověřitelná v laboratoři a je to čistě klasická teorie, která se zdála neslučitelná s kvantovou mechanikou. Obecná teorie relativity tak skoro celých padesát let zůstávala v ústraní.
Zájem o obecnou teorii relativity oživil veliký rozmach astronomických pozorování počátkem šedesátých let. Řada nových objektů v té době objevených – kvazary, pulzary a kompaktní rentgenové zdroje – svědčila totiž o existenci silných gravitačních polí. A taková pole mohla popsat právě jen obecná teorie relativity.
Kvazary jsou objekty podobné hvězdám, které však musí vyzařovat mnohonásobně více energie než celá galaxie, pokud se nacházejí v takových vzdálenostech, jak to naznačuje červený posuv jejich spekter. Pulzary jsou rychle periodicky blikající pozůstatky exploze supernov; předpokládá se, že jde o rychle rotující superhutné neutronové hvězdy. Kompaktními rentgenovými zdroji, odhalenými přístroji umístěnými na umělých družicích, mohou být i neutronové hvězdy či hypotetické zdroje o ještě větší hustotě – černé díry.
Jedním z problémů, s nimiž se potýkali fyzikové snažící se aplikovat obecnou teorii relativity na tyto nově objevené či hypotetické objekty, bylo dostat ji do souladu s kvantovou mechanikou. V několika posledních letech došlo k takovému pokroku v teorii, že dává naději, že zanedlouho budeme mít plně konzistentní kvantovou teorii gravitace, tj. takovou teorii, která bude v souladu s výsledky obecné teorie relativity pro makroskopické objekty a přitom nebude zatížena nekonečny, která jsou vadou na kráse kvantové teorie jiných polí. Tento vývoj má něco společného s nedávno objevenými kvantovými efekty spojenými s černými dírami, které ukazují na pozoruhodnou souvislost mezi černými dírami a zákony termodynamiky.
A teď v krátkosti, jak může černá díra vzniknout. Představ-me si hvězdu, jejíž hmotnost dosahuje přibližně desetinásobku hmotnosti Slunce. Většinu svého života, to znamená asi miliardu let, produkuje ve svém centru teplo tím, že přetváří vodík v helium. Uvolněná energie vyvolává tlak dostatečný k tomu, aby zabránil hvězdě zhroutit se účinkem vlastní gravitace. Takovýto rovnovážný objekt bude mít asi pětinásobný poloměr Slunce. Úniková rychlost na povrchu takového tělesa je kolem 1 000 kilometrů za sekundu. To znamená, že objekt vystřelený z povrchu hvězdy přímo vzhůru rychlostí menší než 1 000 kilometrů za sekundu na ni nakonec znovu spadne účinkem jejího gravitačního pole, zatímco objekt vystřelený větší rychlostí unikne do nekonečna.
Když hvězda vyčerpá své jaderné palivo, nemá v ní už co udržovat spád tlaku směrem vzhůru a začne se hroutit účinkem vlastní gravitace. Jak se hvězda smršťuje, gravitační pole na jejím povrchu sílí a úniková rychlost roste. V okamžiku, kdy její poloměr klesne na pouhých 30 kilometrů, vzroste úniková rychlost na 300 000 kilometrů za sekundu, tedy na rychlost světla. Po tomto okamžiku se světlo vyslané z povrchu hvězdy nemůže vzdálit do nekonečna, nýbrž je gravitačním polem vtaženo zp…
