Éter a teorie černých děr

pondělí 12. říjen 2009 13:11

Podle klasického Scharzschildova modelu teorie relativity jsou černé díry tvořeny bodovými singularitami, které v určité vzdálenosti obklopuje horizont událostí, který zabraňuje světlu unikat ven z černé díry. Průběhem času se tento model zpřesňoval, např. v případě rotující černé díry byla odvozena existence několika horizontů událostí pro světlo polarizované kolmo a rovnoběžně na osu rotace. Do modelu černých děr byly zapracovány některé kvantové efekty, např. Hawkingovo záření a vypařování. V poslední době se však náš pohled na černé díry začíná zásadně měnit.

Budiž předznamenáno, že celá teorie černých děr je od svého začátku spekulativní, protože definitivní observační důkaz těchto objektů stále nemáme. Éterový model černých děr je pak spekulacemi o spekulacích jiných teorií. Nicméně z éterového modelu existence černých děr vyplývá rovněž, když vezmeme v úvahu rozptylování světla na fluktuacích vakua, které je zdrojem iluze všesměrové expanze časoprostoru, ale skutečný vzhled i chování černých děr v něm bude poněkud komplikovanější.

Teorie černých děr je ve skutečnosti dosti stará, už na konci 18. století britský geolog John Michell odhadl, že na povrchu tělesa s 500x větším poloměrem než Slunce by úniková rychlost dosáhla rychlosti světla, takže by světlo takovou hvězdu nemohlo nikdy opustit a proto by se stalo neviditelným. V roce 1915 pruský matematik Karl Schwarzschild nabídl řešení pro gravitační pole bodové hmoty a dokázal, že něco, co dnes nazýváme černou dírou, může opravdu teoreticky existovat. Schwarzschildův poloměr je dnes známý jako poloměr nerotující černé díry, ale ve své době nebyl dobře pochopený a sám Schwarzschild ho nepovažoval za fyzikální, stejně jako Albert Einstein, který na existenci černých děr dlouho nevěřil a odmítal dokonce přijmout, že by relativita mohla správně popisovat takzvané neutronové hvězdy - i přesto, že jejich předpověď učinili nezávisle na sobě jak Fritz Zwicky na Caltechu, tak uznávaný Lev Landau v Moskvě. 

Einstein odmítal myšlenku, že by teorie relativity mohla popisovat gravitační kolaps hvězd do černých děr

Problém je totiž v tom, že Schwarzschildovo řešení je časově ustálené a neřeší dobu, kterou by černá díra potřebovala ke svému vzniku. Energie i hmota se černou dírou šíří čím dál pomaleji, čím blíže je jejímu středu, protože jde o neobyčejně husté prostředí. Vnitřkem Slunce fotony cestují několik desítek tisíc let, vnitřkem neutronových hvězd světlo cestuje už desítky milionů let - s přihlédnutím k tomu, že neutronová hvězda má v průměru jen několik desítek kilometrů, vyplývá pro rychlost světla jen několik centimetrů za rok. Z řešení vyplývá, že už pro poměrně malou černou díru s hmotností několik milionů Sluncí, jaká existuje uvnitř naší galaxie by doba, kterou by potřebovala ke svému gravitačnímu zhroucení přesahovala stáří pozorovatelného vesmíru, které je v současné době odhadováno na 13,7 miliard let. Pokud tedy ve vesmíru pozorujeme černé díry o rozměrech ještě podstatně větších, znamená to, že buďto je vesmír jako celek mnohem starší, nebo tyto černé díry nejsou ještě dostatečně husté k vytvoření centrální singularity.

Vývoj černé díry s několika úrovněmi singularit

 
Ve skutečnosti jsou možné obě varianty současně a tak lze předpokládat, že vysoce svítivé objekty v centru vzdálených galaxií (tzv. kvasary) jsou sice velmi husté objekty, ale protože nestačily dostatečně zkolabovat, jejich horizont událostí není dosud vytvořen a představují zářivé, tzv. bílé díry bez horizontu událostí. Pokud napak černé díry vznikly ještě před vznikem našeho vesmíru, nemusejí být nutně svítivé, ale zato uvnitř obsahují několikanásobnou strukturu dceřinných singularit - jejich hustý vnitřek v podstatě tvoří novou generaci vesmíru, ve kterých vegetují planety, hvězdy a také černé díry s galaxiemi, které tvoří právě ony dceřinné singularity. Je pravděpodobné, že výsledek bude směs obojího, takže i naši generaci vesmíru bude možné interpretovat jako vnitřek bílé díry, podobné kvasaru, sedícího uvnitř dalšího vesmíru. Tento předpoklad je dokonce do určité míry testovatelný - jak?

Odraz světla od vnitřního povrchu horizontu událostí Totální odraz světla od gradientu hustoty

V éterové teorii lze černou díru přirovnat k jakési husté oblasti vakua, podobné skleněné kouli. Světlo se od jejího vnitřního povrchu odráží a částečně je roztylováno zpět na principu totálního odrazu, který můžeme pozorovat například pod vodní hladinou (viz obrázek želvy výše). Pokud je naše generace vesmíru tvořena vnitřkem černé díry, mohlo by se obraz vzdálených hvězd odrážet od jejího horizontu událostí a vracet zvětšený zpět jako ve sférickém zrcadle. Bude samozřejmě silně rozmazaný a posunutý do infračervené části spektra v důsledku rudého posuvu, nicméně by mohlo být možné jej na pozadí mikrovlnného pozadí vesmíru rozpoznat. Takové pozorování bylo skutečně nedávno uskutečněno, když se světlo bližších hvězd odfiltrovalo od fluktuací infračerveného pozadí (viz obr. níže). Některé modely vesmíru zohledňují houbovitou strukturu vesmíru a dokonce předpovídají, že by měl mít vzhled zrcadlové síně, takže by některé objekty (především ty hodně vzdálené) mohlo být možné pozorovat na noční obloze vícekrát. V současné době probíhá za tímto účelem počítačová analýza mikrovlnného pozadí - prozatím neúspěšně, mj. proto, že se lze očekávat, že tyto odrazy budou viditelné jen v poměrně úzké infračervené oblasti světla, protože světlo delších vlnových délek povrchem černé díry prochází a odráženo není, zatímco kratší bude rozptýleno.

Světlo vzdálených hvězd možná vzniklo odrazem od hranic naší generace vesmíru Model vesmíru jako zrcadlové síně

Houbovitou strukturu černých děr a potažmo i naší generace vesmíru lze odvodit právě z modelu vzniku dceřinných singularit, který je znázorněn na animaci výše. Při gravitačním kolapsu černé díry takové singularity vzniknou v mnoha místech současně, rostou a postupně se spojují podobně jako bubliny expandující do pěny, nebo jako oblasti, ze kterých se šíří krystalizace v podchlazené kapalině či přesyceném roztoku. Protože vzniklé oblasti jsou velmi husté a energie se přes ně šíří pomalu, z hlediska pozorovatele zevnitř vypadají jako rozsáhlé prázdné oblasti časoprostoru. Jejich pozůstatky se však projeví houbovitou sítí fluktuací časoprostoru, v jejichž uzlech budou sedět a zvolna vyhasínat galaxie, jako vedlejší a nestabilní produkt vzájemných srážek těchto bublin. Tento model je zajímavý jednak tím, že je konzistentní jak se současnými kosmologickými modely inflace, tak tzv. bránovou kosmologií ekpyrotického vesmíru prosazovaného teoretiky superstrun, podle kterého současná generace vesmíru vznikla vzájemnými srážkami časoprostorových bran. A v neposlední řadě i tím, že máme možnost tuto strukturu pozorovat jako fluktuace hustoty mikrovlnného pozadí vesmíru. a/nebo přímo na základě jejího gravitačního čočkování jako strukturu tzv. temné hmoty. Jediný model tak řeší několik otevřených otázek a výsledků pozorování současně.

Ekpyrotický model vzniku vesmíru podle éterové teorie Houbovitá struktura hmoty ve vesmíru

V éterovém modelu na sebe fluktuace časoprostoru vzájemně nenavazují: zatímco se jedna úroveň (závoje temné hmoty) postupně vytrácí v postupně houstnoucí pěně fluktuacích druhé úrovně (mikrovlnné pozadí vesmíru), třetí úroveň (kvantová pěna) se už postupně začíná tvořit uvnitř struktury druhé úrovně. Černé díry díky tomu jen málokdy připomínají pravidelné útvary, jejich jety jsou nepárové v důsledku narušení symetrie. Směrem dovnitř se původně kulatý horizont událostí štěpí, rozpadá a postupně houstne do houbovité struktury, která tvoří novou generaci vakua uvnitř černé díry. 

 Pěnovitá struktura černé díry s mnoha horizonty událostíStruktura fluktuací temné hmoty přechází uvnitř černé díry do fluktuací vakua

Pozorovatel, který je tvořen kvantovou pěnou vně černé díry by se při pádu do černé díry rozpustil a vypařil na mikrovlnné záření, protože vnitřek černé díry je tvořen jinou generací fluktuací, než její okolí. Vnitřek černé díry je tak kauzálně oddělen od jejího okolí, ačkoliv mechanismus vzniku fluktuací je stále stejný. Pozorovatel vně černé díry díky tomu bude pozorovat některé události jinak, než pozorovatel uvnitř. Z tohoto modelu vyplývá, že hranice černé díry není nikterak ostrá, je to ve skutečnosti oblast, která pro dostatečně rozsáhlou černou díru vypadá právě tak, jako okolní vesmír a její horizont definuje směr obou šipek času: termodynamickou i gravitační. Kauzální pohyb objektů napříč naší oblastí vesmíru pak lze také interpretovat jako pád do velmi rozsáhlé černé díry jejím horizontem událostí, strunoví fyzici mluví někdy v této souvislosti o průchodu hrdlem černé brány.

Objekt padající do černé díry se z větší části vypaří na akreční záření Pád objektu do černé díry se podobá šíření fotonů gamma záření napříč vesmírem

Model pozorovatelného vesmíru jako černé díry je testovatelný i nepřímo prostředky současných teorií. Např. z kvantové mechaniky vyplývá, že vesmír v podobě černé díry o velikosti odpovídající vlnové délce Howkingova záření se vypaří, resp. zhroutí do singularity v době, která je právě rovna pozorovanému stáří vesmíru, odhadnutého z rudého posuvu a fluktuací mikrovlnného záření vesmíru. Z kvantové i éterové teorie současně vyplývá, že vlnová délka Howkingova záření je právě rovna průměru černé díry (vlny takové vlnové délky nepodléhají mechanismu totálního odrazu, protože jsou větší, než horizont událostí). Z toho vyplývá, že mikrovlnné pozadí vesmíru je současně Howkingovo záření černé díry, která ho tvoří a díky mikrovlnnému záření máme tak příležitost náš vesmír pozorovat současně zevnitř a zvenku. Kauzální pozorování ovšem tímto způsobem možné není, protože toto záření je zcela chaotické, takže zákony Euklidovské geometrie v tomto případě stále platí. 

Tento závěr současně odpovídá modelu vnitřní a vnější perspektivy pozorování, podle které zůstává konstantní rychlost světla splněna pouze pro vlnovou délku mikrovln, klidová hmotnost fotonu je totiž nulová pouze pro vlny mikrovlnného záření, které proto nepodléhají gravitaci a tak právě ještě mohou z černé díry uniknout. Díky tomu do sebe jednotlivé předpovědi éterové teorie pěkně zapadají. Mechanismu Howkingova záření a některým jeho důsledkům bude věnován podrobněji některý z dalších příspěvků.  

Creative Commons License
Blog, jehož autorem je Milan Petřík, podléhá licenci Creative Commons Uveďte autora-Neužívejte dílo komerčně-Zachovejte licenci 3.0 Česko.

Milan Petřík