Thread by @Mitokochan

Vítám všechny u pátečního vlákna! Minule jsme zabrousili do entropie černých děr a ukázali jsme si další prapodivné věci, které se okolo horizontu událostí dějí. Dnes v tom budeme pokračovat a mrkneme se proto na další zvláštní jev černých děr — na Hawkingovo záření. #fyzivlakno

Černé díry jsou divné, to už je asi jasné úplně všem. Jedna z nejdivnějších věcí je ale fakt, že ačkoliv do černé díry může spadnou úplně cokoliv, ven by se z principu nemělo dostat vůbec nic.

Zdá se tedy, že černá díra je opravdu vysloveně díra v časoprostoru nebo díra ve vesmíru, která jen roste a roste a z hlediska obecné relativity by měla existovat věčně, protože tato teorie nepopisuje žádný proces, který by uměl černou díru “zmenšit”.

Tento pohled ve vědecké komunitě přetrvával až do roku 1974, kdy Hawking publikoval článek s názvem Black Hole Explosions? A ano, včetně toho otazníku: ui.adsabs.harvard.edu/abs/1974Natur.…

Hawking to měl nesmírně těžké a teď nenarážím na jeho životní příběh, ale jeho práci. Zkoumání černých děr je totiž neskutečně zrádné.

Jsou to masivní objekty s obrovským gravitačním zakřivením, ale jejich chování zároveň přesahuje do kvantové fyziky.

Kdokoliv se proto snaží je studovat, musí ovládat jak obecnou relativitu, tak kvantovou teorii pole, což jsou nejsložitější teorie v dnešní fyzice a nejhorší na tom je, že si ve spoustě ohledech vyloženě protiřečí.

Člověk proto musí obě teorie nějak skloubit. Jak ale víte, pokud čtete moje vlákna, teorie kvantové gravitace neexistuje i přesto, že se o to snaží nejlepší mozky na planetě už přes padesát let.

Jak má člověk studovat kvantově gravitační objekt, když neexistuje teorie, která by ho popisovala? Nejen to, my dokonce ani nevíme, jestli taková teorie existovat může.

Samotné hledání teorie kvantové gravitace je však téma, které by dalo další sérii vláken… proto ji pro vás ale už připravuji, so stay tuned! Koho by zajímaly detaily, tomu doporučím tuto knihu: goodreads.com/book/show/1326…

Momentálně se kvantovou gravitací však nebudeme zabývat a podíváme se místo toho na to, jak to tedy Hawking obešel, když ji neměl.

K tomu potřebujeme znát pár konceptů z kvantové teorie pole, hlavně to, jak se dívá na vakuum.

Pokud jste náááhodou nečetli moje vlákno o kvantové teorii pole, pak vám dávám šanci to napravit zde:

https://twitter.com/Mitokochan/status/1301940339922657280

TLDR: prostor je vyplněn kvantovými poli. Pole lze následně excitovat (vybudit) energií a tyhle excitace pak vidíme a chápeme jako částice.

To platí i ve vakuu, kde však probíhá další zajímavý proces skrz Heisenbergův princip neurčitosti.

Jedná se o proces, kdy zdánlivě z ničeho vznikne ve vakuu pár částice a antičástice, který chvilku existuje a následně anihiluje a zanikne. Detaily tohoto procesu nejsou důležité, jeden aspekt ale znát potřebujeme: virtuální částice.

Virtuální částice se používají jako nástroj při výpočtech v polní teorii. Slouží hlavně k tomu, abychom pochopili, jak přesně spolu “reálné částice interagují. Konkrétně to znamená, že každá interakce reálných částic odpovídá výměně virtuálních částic.

Když si reálné částice vymění virtuální částice, pak na sebe silově působí a interagují. Existenci ve vakuu si pak virtuální částice vypůjčují právě skrz Heisenbergův princip — jejich existence je proto dočasná a po velice krátkém časovém úseku tyto částice zase zaniknou.

Jejich zmizení pak probíhá skrz anihilaci — spojení částice a antičástice, které se sejdou v takovém stavu, že se “spojí” a následně zmizí.

Můžeme to chápat jako součet dvou vln s takovými frekvencemi, že se navzájem vyruší, podobně jako se někdy vyruší navzájem vlny na moři.

Zajímavé je, že antičástici lze chápat jako vlnu s negativní frekvencí (opět něco, co si v makrosvětě těžko představíme), tedy jako částici, která se pohybuje zpět v čase.

Je to celý na hlavu a neni moc důležitý, jak to přesně funguje, my chceme jen vědět, že to existuje.

Abych to tedy shrnula: vakuum je plné kvantových polí. Ta si čas od času vypůjčí od vakua energii a přemění ji na dvojici virtuálních částic, které se jako dvě protichůdné vlny zase vyruší. Tomuhle říkáme fluktuace vakua a probíhá to konstantně.

Pak ale přijde černá díra a do celýho našeho pohledu nám hodí vidle.

Náš původně plochý a pěkný časoprostor s vakuem plných fluktuací rozhodí svým silným gravitačním působením, které ještě ke všemu v kvantové teorii nemáme jak popsat a vysvětlit.

Hawking tedy zkoumal, co udělá silné zakřivení časoprostoru s fluktuacemi a zjistil, že je naruší.

V momentě, kdy se tyto fluktuace pak dostanou do “normálnější” části vesmíru, začnou vypadat jako reálné částice.

Řečeno jinými slovy, začne to vypadat, jako kdyby černá díra vyzařovala částice.

Nezapomeňte, že my reálně virtuální částice nevidíme, proto jsou virtuální a koncepčně odlišné od “reálných” částic. Hawking takto vzniklé záření zkoumal dál a zjistil úžasnou věc.

Zjistil, že toto záření je analogické tepelnému záření a že teplota tohoto záření je nepřímo úměrná hmotnosti černé díry, což, jak víme z minulého vlákna, je závislé na velikosti povrchu horizontu událostí.

Frekvence Hawkingova záření tedy závisí na tom, jak velký je horizont událostí. Je to asi jeden z důvodů, proč jsou malé černé díry tak nestabilní — z těchto výpočtů plyne, že rychle mizí, podle Hawkinga by to dokonce mohlo snad vypadat tak, že vybuchují (radiate explosively).

Kde přesně se reálné částice berou a jak přesně to tedy je s tím, že se původně virtuální částice změní na reálnou hmotu nebo reálné světlo, je dodnes nejasné a existuje vícero interpretací. Někdo říká, že reálné částice vznikají interakcemi virtuálních částic a gravitonů.

Faktem ale je, že se několika lidem po Hawkingovi podařilo odvodit stejný výsledek, ačkoliv šli jinou cestou.
Tyhle nejasnosti a podivnosti okolo odlišných výpočtů ale napovídají, že pokládáme správné otázky a že jdeme správným směrem, směrem k nové fyzice.

Jak taková fyzika bude vypadat, to nikdo neví. Jsme ale dost možná v momentě, kde se situace obrací a jsou tací (Lee Smolin nebo Leonard Susskind například), kteří říkají, že nás od kvantové teorie gravitace dělí jen pár let.

Jestli to tak opravdu je, pak se máme na co těšit. Taková teorie by například konečně mohla objasnit podstatu provázání. Jedna z teorií totiž například říká, že provázané částice jsou spolu spojené červí dírou skrz časoprostor!

V tomhle momentě jsou to ale pořád pouze jen matematické hrátky a je proto nutné být spíše skeptický a počkat, co potvrdí nebo vyvrátí experimenty, které v bližších letech budou provedeny.

Tak jo, tak tady to zase ukončíme. Pokud se vám vlákno líbilo, tak mě prosím sdílejte, ale samozřejmě nemusíte, nechám to na vás 😉 užijte si každopádně ale páteční večer a mějte krásný víkend. ❤️