Horizont událostí

01.05.2014 14:09

Horizont událostí je plocha v prostoročasu, která pro daného pozorovatele vymezuje oblast, ze které ho nemůže dosáhnout žádné elektromagnetické záření (světlo). Typickým příkladem horizontu událostí je hranice černé díry – úniková rychlost je na ní rovna rychlosti světla, takže tato oblast je nejzazší mez z hlediska pozorovatele vně černé díry, odkud může světlo uniknout. Jinak řečeno, pod horizontem všechny časupodobné a světelné světočáry zůstávají v černé díře (eventuálně směřují do singularity) a nemohou ovlivnit pozorovatele vně černé díry.

Ve Schwarzschildově řešení, které popisuje nerotující nenabitou černou díru, má horizont tvar koule o poloměru nazvaném Schwarzschildův poloměr. Závisí pouze na hmotnosti černé díry a je dán

kde G je gravitační konstanta, m je hmotnost, a c rychlost světla. Pro objekt hmotnosti Slunce vychází poloměr přibližně 3 km, pro Zemi by tento poloměr byl necelých 9 mm.

Jevy, ke kterým by mohlo docházet v okolí horizontu, jsou v současnosti předmětem intenzivního výzkumu. V roce 1974 Stephen Hawking použitím kvantové teorie pole na křivém časoprostorovém podkladu odvodil, že černá díra vyzařuje jako absolutně černé těleso. Hawkingovo vyzařování si lze názorně představit jako jev v těsném sousedství horizontu. Z vakua neustále vznikají páry částic a antičástic, které za normálních okolností opět velmi rychle anihilují. Těsně nad horizontem se ale může stát, že pár je „roztržen“ a jedna částice pohlcena černou dírou. Druhá částice pak uniká jako reálná částice do vesmíru. Právě tyto reálné částice způsobují vyzařování černých děr. Záření je ve formě gama a X paprsků, které je teoreticky možné zachytit, ale je příliš slabé. Abychom ho byli schopni zachytit, musela by být vyzařující černá díra vzdálená od nás asi jen půl miliardy km (vzdálenost Pluta). Černá díra tímto procesem ztrácí hmotnost. Ztráta hmotnosti je způsobena tím, že částice pohlcená černou dírou dostane vlivem obrovské gravitace záporný náboj. Z Einsteinova vzorce E=mc2 víme, že hmotnost je závislá na energii, proto když se záporné částice dostanou do černé díry způsobí pokles energie a tím i hmotnosti. O tomto jevu mluvíme jako o Hawkingovu vypařování.

Problémem tohoto výsledku je (možná zdánlivý) rozpor s jedním ze základů kvantové mechaniky. Představme si vesmír s hmotou, která zkolabuje do černé díry. Na počátku je vesmír v čistém kvantovém stavu. Pak projde gravitačním kolapsem, vytvoří se černá díra, a ta se Hawkingovým vyzařováním vypaří. Výsledné tepelné spektrum je ale popsáno stavem smíšeným, v průběhu procesu došlo k „zapomenutí“ téměř veškeré informace. V kvantové teorii je ovšem časový vývoj popsán unitárním operátorem, který uzavřený systém z čistého do smíšeného stavu nikdy nedokáže převést.

Vysvětlení tohoto paradoxu se věnuje dosti velká pozornost a bylo navrhnuto několik řešení. Velkou pozornost vyvolal návrh představený v červenci 2004 Stephenem Hawkingem, podle kterého kolem černých děr skutečný horizont událostí neexistuje a díky kvantovým fluktuacím se mohou informace dostávat ven z černé díry. Podle jeho názoru zveřejněného v roce 2014 pak gravitačním kolapsem nevzniká skutečný horizont událostí, ale pouhý zdánlivý horizont událostí, a tak klasicky vnímaná černá díra neexistuje.