"Každá fyzikální teorie je provizorní a neúplná, ve smyslu, že se ve skutečnosti jedná o hypotézu: nikdy ji nemůžete plně dokázat. Bez ohledu na to, kolikrát výsledky experimentů souhlasí s nějakou teorií, nemůžete si být nikdy jisti, že někdy v budoucnosti nemohou být výsledky nějakých experimentů v rozporu s vaší teorií." (Stephen Hawking)

Kolumbus je v historii jen jeden

Když nedávno zemřel významný fyzik a astrofyzik Stephen Hawking, objevily se v médiích znovu spekulace o tom, jestli byl, či nebyl stejně významným vědcem jako Albert Einstein a jestli si zasloužil, nebo nezasloužil Nobelovu cenu. Vědecký vklad Stephena Hawkinga, převážně teoretického fyzika, ovšem nelze hodnotit či poměřovat takto jednoduše nebo zkratkovitě.

Pozice Alberta Einsteina v dějinách fyziky byla zcela jedinečná a neopakovatelná a v zásadě s ní tedy nelze porovnávat práci žádného jiného fyzika ani před ním ani po něm, ani kdyby byli příslušní jiní fyzici sebegeniálnější. Einsteinovy práce totiž byly zcela klíčové pro vznik nové fyziky na začátku 20. století, pro kompletní přebudování fyziky na bázi nových teorií, kterými byly teorie relativity a kvantová mechanika. Navíc byly poměrně rychle potvrzeny všemožnými experimenty.

Einstein tak byl v příhodné pozici jakéhosi fyzikálního Kryštofa Kolumba, objevujícího nový kontinent a ukazujícího svým následovníkům cestu dále do jeho vnitrozemí. Takový Kolumbus však bývá zpravidla v historii jen jeden.

Během 20. století pak šlo o to, převzít od Einsteina štafetu a důkladně tento jím nově objevený "fyzikální kontinent" zmapovat a "dobýt". Svým způsobem však bylo mapování nového fyzikálního území mnohem těžším úkolem než tento kontinent objevit (což byl fakticky jednorázový a dost zvláštní akt) a nestačilo by na něj snad ani 1000 Einsteinů.

Leckdy za tuto práci ani nebylo či není možné získat Nobelovu cenu, protože Nobelovy ceny se rozdávají jen za témata, která se za života jejich autorů někomu povede dovést k jednoznačnému experimentálnímu potvrzení.

Za hypotézy se Nobelovy ceny nerozdávají

Jednou z hlavních osobností, které v této nelehké situaci převzaly od Alberta Einsteina štafetový kolík, byl právě Stephen Hawking, který pracoval po většinu svého produktivního věku v oblasti relativistické a kvantové astrofyziky a kosmologie. Jeho největší vědecký přínos se přitom týká fyziky a matematiky černých děr, teorie singularit, dále stavby, vývoje a počátků našeho vesmíru.

Již z tohoto výčtu je jasné, že oblasti, ve kterých se Hawking pohyboval, nebyly příliš vhodné k tomu, aby zde bylo možné snadno získat Nobelovu cenu. Černé díry dodnes vlastně nemůžeme pozorovat přímo (neměly by prakticky vyzařovat žádné částice včetně fotonů, všechny částice pouze pohlcují – odtud ostatně pochází i jejich jméno) a k dispozici máme jen různé stopy jejich vlivu na okolní hmotu, zejména gravitační.

Řada dalších Hawkingem zvolených témat z oblasti na pomezí kvantové teorie a teorie gravitace je přitom doposud podobně hypotetická či vysoce spekulativní jako teorie superstrun.

To platí zejména pro kosmologii – pro nauku o vesmíru jako celku. Tento fakt však nijak neznehodnocuje význam jeho modelů, hypotéz a předpovědí pro pokrok fyziky a astrofyziky. Naopak můžeme říci, že Stephen Hawking se jako jeden z prvních odvážně pustil do takových končin, kam se předtím žádný fyzik včetně Einsteina nevydal, řečeno ve slangu Star Treku. A kam se zatím nemohly "vydat" ani fyzikální přístroje, aby jeho modely ověřily.

Einstein černé díry "nakousl"

Abychom plně docenili Hawkingem odvážně kreslené mapy nových území fyziky, nejdříve si zrekapitulujme některé fyzikální pojmy. Einsteinem založená teorie vesmíru a časoprostoru (tzv. obecná teorie relativity či gravitace) nezahrnuje základní a všeobecné jevy z oblasti mikrosvěta a elementárních částic, tedy jevy, které popisuje kvantová teorie. Tyto jevy přitom mohou velmi podstatně modifikovat fyzikální obraz či chování mnoha objektů, nebo dokonce i celého vesmíru.

Ani dnes po skoro 100 letech však vědci nezjistili, jak lze teorii gravitace a kvantovou teorii zkombinovat dohromady, tedy vytvořit z nich jednotnou kvantovou teorii gravitace. Gravitační pole se velmi "vzpírá" svému "zkvantování", na rozdíl třeba od pole elektromagnetického, protože gravitační pole je vlastně souhrnem vlastností samotného času a prostoru.

Einstein sice mimo jiné díky své teorii relativity předpověděl existenci černých děr několika typů a také rámcově zmapoval jejich vlastnosti, avšak bylo to ve skutečnosti pouze první přiblížení, první krok k vysvětlení toho, jak by se černé díry mohly chovat ve skutečnosti.

Reálné chování černých děr pravděpodobně nelze plně popsat bez započtení různých "podivných" kvantových jevů, od kvantově neurčitého chování částic a polí až po kvantování samotného časoprostoru. Einsteinovy nekvantové modely tedy nemusejí dostatečně věrně popisovat skutečné černé díry. Přitom černé díry ve své nekvantové aproximaci jsou už i tak dost podivné útvary a vedou k řadě paradoxů.

Složité chování černých děr 

Podle obecné teorie relativity (bez započítání kvantových jevů) každá hmota či pole o dostatečně velké hustotě či intenzitě zkolabuje do oblasti prakticky nulového průměru, do tzv. singularity a vznikne tak tzv. černá díra.

Tato singularita (místo v prostoru nebo v čase, kde nějaká veličina v rámci modelu roste nad všechny meze) je navíc v jisté vzdálenosti obklopena tzv. horizontem událostí. Veškerá hmota (ať už ve formě polí nebo částic), která zvenčí spadne na tento horizont, je následně vtažena dovnitř a skončí také v singularitě. A jelikož i částice světla, fotony, jsou hmotné, ani světlo z této hranice neunikne.

Pochopitelně by nemělo uniknout nic ani z vnitřku této oblasti, tj. z černé díry ani ze samotné singularity. Všechny černé díry by tedy měly s postupem času zvyšovat svou hmotnost, adekvátně zvětšovat velikost svého horizontu událostí a případně pohlcovat podle možností další hmotu ze svého okolí.

Pro názornost, objekt o hmotnosti našeho Slunce by teoreticky mohl skončit jako černá díra tehdy, kdyby se veškerá jeho hmota vměstnala do koule o poloměru asi tři kilometry a stejný rozměr by pak měl příslušný horizont událostí. To se však samovolně nestane, samovolný kolaps do černé díry je totiž možný až u hvězd, které jsou zhruba třikrát hmotnější než Slunce.

Co se všechno děje uvnitř černých děr, vlastně dodnes asi nikdo netuší, protože vše je jakoby "zamknuto" pod horizontem událostí, jak prostorově, tak i časově. Co víme je to, že prostor a čas se tam chovají velmi podivně a jejich role ani zdaleka neodpovídají tomu, na co jsme zvyklí z naší běžné zkušenosti, a dokonce i z běžné vědecké zkušenosti. Jisté rámcové modely však máme.

Hawking a termodynamika 

Po 2. světové válce začali fyzikové dále rozpracovávat různé modely a představy o chování černých děr, které šly mnohem dál za základní představy Alberta Einsteina a jeho obecné teorie relativity.

Ukázalo se, že černé díry se za hranicemi svého horizontu (tedy navenek) projevují nejen prostřednictvím své hmotnosti, elektrického náboje a momentu hybnosti (míry rotace), ale chovají se také jako termodynamický objekt, tj. objekt, který vykazuje jistý stupeň vnitřní "neuspořádanosti", tj. entropie. A také pro ně platí jisté analogické zákony, které mnohem dříve fyzikové objevili v rámci pozemských tepelných dějů.

Existovaly dílčí náznaky, že entropie černé díry je možná úměrná ploše hranice černé díry, tedy horizontu událostí. Sám Hawking tomu nejdříve nechtěl věřit, ale pozdější výpočty tento závěr potvrdily, a to dokonce pro jakékoliv černé díry.

Při jakýchkoliv procesech včetně srážek a vzájemného pohlcení se u izolované skupiny černých děr teoreticky nemůže stát, že by se součet ploch jejich horizontů zmenšil, v jakémkoliv uzavřeném systému vždy nevratně roste. Také entropie padající hmoty pádem pod horizont černé díry přispěje ke zvětšení horizontu černé díry. Podobnou vlastnost má entropie systému běžných objektů v rámci druhé termodynamické věty.

Odtud již vedla postupná cesta k úvahám o tom, že černá díra se chová také jako termodynamický objekt se vším všudy, tj. že má určitou teplotu a že této teplotě také odpovídá jistá forma tepelného záření. To bylo ovšem v rozporu s nekvantovým modelem černé díry, který říkal, že z černé díry žádné záření, tedy ani tepelné, vycházet nemůže.

Hawking začal kolem roku 1970 zkoumat tento problém pomocí započítávání kvantových jevů v blízkosti horizontu černé díry a zjistil, že z blízkosti horizontu skutečně mohou (díky kvantovým fluktuacím vakua, které lze obrazně popsat i jako vylétávající virtuální páry částic a antičástic) vylétat směrem ven různé částic. Díky tomu se navíc může snižovat hmotnost černé díry a tedy i zmenšovat i její poloměr.

Zdánlivě zcela uzavřené černé díry se pomocí tohoto mechanismu vlastně jakoby "tepelně vypařují", i když pro většinu reálných černých děr jde o vyzařování velmi slabé a tomu odpovídá i velmi nízká efektivní teplota černé díry. V podstatě čím je daná černá díra menší, tím se vypařuje intenzivněji a rychleji ztrácí hmotnost.

Hawingovo záření černých děr

Přesněji řečeno, před Hawkingem se s podobnou úlohou pro rotující černé díry úspěšně utkali dva ruští fyzikové (Zeldovič a Starobinský), ale až Hawking byl schopen odvodit přesné spektrum tepelného záření pro černou díru jakéhokoliv typu. Na jeho počest se toto záření nazývá Hawkingovým zářením černých děr.

Hawkingova práce na této problematice se promítla nejen do řady jeho článků, ale také do článků mnoha jeho kolegů a následovníků.

Jejím hlavním významem je však fakt, že jde v podstatě o vůbec první důvěryhodný fyzikální model nacházející se v oblasti kvantové gravitace. Tedy tam, kde se zároveň projevují jak jevy kvantové teorie, tak obecné teorie relativity, na což obecně dodnes neexistuje ověřená a fungující jednotná fyzikální teorie.

Sám Hawking se pak pracím kombinujícím prvky obecné teorie relativity a kvantové teorie věnoval po celý svůj zbývající život. Mimochodem, stejné výsledky pro entropii a kvantovými jevy způsobené vyzařování černých děr poskytují i dnešní mnohem obecnější ale také mnohem spekulativnější teorie superstrun.

Hawkingovo záření černých děr by si jakožto téma jistě zasloužilo získat Nobelovu cenu, pokud by ovšem bylo možno jej nějakým přístrojem umístěným blízko skutečné černé díry změřit. To se sice v blízké budoucnosti jen tak nestane, nicméně nepřímý experimentální důkaz Hawkingova záření máme již několik let díky izraelským vědcům z Haify.

Ti ve své laboratoři vytvořili dokonalý sonický analog černé díry – a sice pomocí speciálního systému hluboce podchlazených rubidiových atomů, pohlcujících místo světla zvukové vlny. Patřičnou analogii Hawkingova vyzařování v oblasti zvukových vln zde pak také naměřili.

Ještě dodejme, že podle této teorie by Hawkingovo tepelné záření nemělo odnášet z černé díry žádnou informaci (je tepelně rozmazané a náhodné). Tento fakt bude důležitý pro další (nejen) Hawkingovy práce o černých děrách, zejména ty, které se potýkaly s tzv. informačním paradoxem černých děr.

Text je prvním dílem seriálu o významu a práci Stephena Hawkinga. Další díl si můžete přečíst následující pondělí.