Kvantové vyzařování a termodynamika černých děr

AstroNuklFyzika ® Jaderná fyzika - Astrofyzika - Kosmologie - Filosofie

Termodynamické jevy u černé díry
V předchozím §4.6 jsme si ukázali velmi těsnou analogii mezi zákony mechaniky černých děr a zákony termodynamiky. Kdybychom však chtěli na základě této analogie v rámci klasické (nekvantové) fyziky černým dírám připsat skutečnou teplotu (úměrnou povrchové gravitaci) a skutečnou entropii (úměrnou ploše horizontu) - vybudovat tedy jakousi "termodynamiku černých děr" - nebyla by tato termodynamika konzistentní. Podle klasické fyziky černá díra může sice tělesa i záření absorbovat, avšak nemůže nic vyzařovat; její teplota musí být proto absolutní nula nezávisle na velikosti povrchové gravitace. Podobně entropie černé díry podle klasické fyziky by měla být nekonečná nezávisle na velikosti povrchu horizontu, protože černá díra může teoreticky vzniknout kolapsem nekonečně velkého počtu nekonečně malých částic. V rámci klasické fyziky by proto analogie mezi zákony mechaniky černých děr a zákony termodynamiky zůstala pouze vnější (a v podstatě náhodnou) podobností bez hlubšího fyzikálního významu.
Zatím jsme však vlastnosti černých děr vyšetřovali pouze z hlediska klasické obecné teorie relativity bez přihlédnutí ke kvantovým jevům. Zcela důsledný kvantový přístup zatím není uskutečnitelný, protože dosud nebyla vytvořena úplná kvantová teorie gravitace. Musíme se proto spokojit s jakýmsi "semikvantovým" přístupem: gravitaci necháme nekvantovanou, kvantovat budeme pouze ostatní fyzikální pole. Jinými slovy, budeme pomocí kvantové fyziky popisovat pohyb hmoty a chování negravitačních polí v zakřiveném prostoročase (na pozadí nekvantované geometrie prostoročasu - v nekvantovaném gravitačním poli). Protože efekty kvantování samotného prostoročasu se mohou výrazně uplatnit až v mikroměřítcích řádu ~10^-33cm (viz §B.3), zatímco v měřítcích běžné fyziky (tj. nad 10^-13cm) jsou velmi malé, lze očekávat, že tato semikvantová aproximace bude dobře popisovat skutečnost prakticky za všech situací, kromě jevů v bezprostřední blízkosti singularit.

Než přistoupíme k vlastnímu Hawkingovu efektu kvantové evaporace černých děr, ilustrujme si přínos kvantového přístupu pro termodynamiku černých děr na myšleném pokusu podle obr.4.22 (navrhl jej J.Bekenstein [11]). Mějme prázdnou skříňku tepelně izolovanou od okolí, jejíž vnitřní stěny jsou zahřáty na teplotu Tm a vnitřek skříňky obsahuje tepelné záření o teplotě Tm. V dostatečné vzdálenosti nechť je černá díra (pro jednoduchost Schwarzschildova) hmotnosti M, na kterou budeme skříňku s tepelným zářením pomalu (aby nedocházelo ke znatelnému vyzařování gravitačních vln) spouštět na dokonale pevném laně *) pomocí rumpálu. Potencialní energie skříňky v gravitačním poli černe díry se mění na práci roztáčející rumpál; pomocí dynama se převádí na elektrickou energii, která se uchovává v akumulátoru. Budeme předpokládat, že účinnost přeměny i akumulace je 100%.
*) Jedná se o myšlený experiment! Lano z libovolného fyzice známého materiálu by se muselo nutně přetrhnout ještě poměrně daleko od horizontu; totéž platí o skříňce.
Není to zde otázka materiálového inženýrství, ale omezení kladou samotné přírodní zákony. Pevnost všech dosud známých (i v budoucnosti vytvořených) materiálů je tvořena elektromagnetickou interakcí mezi elektronovými obaly atomů materiálu; a ta je naprosto nedostatečná v gravitačním poli poblíž horizontu. Ani hypotetické materiály držené třebas silnou interakcí by nefungovaly: zákldní fyzikální hranice je dána zákonitostmi speciální teorie relativity. Napětí lana nemůže být nikdy větší než než hmotnost na jednotku délky násobenou c².
Poznamenejme ještě, že celý rozbor myšleného experimentu má pouze heuristický charakter a neslouží k přesnému odvození kvantově-termodynamických zákonů černých děr.

Obr.4.22. Myšlený experiment pro studium termodynamických vlastností černé díry - tepelný stroj s černou dírou jako chladičem.
a) Pomalé spouštění skříňky s tepelným zářením k černé díře; získaná energie se ukládá v akumulátoru.
b) U horizontu se nechá část tepelného záření pohltit černou dírou -> ochlazení skříňky.
c) Ochlazená a odlehčená skříňka se vytáhne pomocí energie z akumulátoru zpět, přičemž zbylá energie pochází z tepelného záření pohlceného dírou.

Aby bylo možno skříňku zase vytáhnout zpátky, můžeme ji spustit nejhlouběji tak, že se její dno právě dotkne horizontu. Tedy její těžiště se může dostat nanejvýš do vzdálenosti L (poloviční výška skříňky) od horizontu černé díry. Celková práce, která se uvolní a uloží do akumulátoru při spouštění skříňky z nekonečna do vzdálenosti L od horizontu je rovna vazbové energii

kde m je hmotnost skříňky a k je povrchová gravitace na horizontu černé díry. Nyní otevřeme dno skříňky, takže část tepelného záření o hmotnosti dm unikne ven a je pohlceno černou dírou. Dno opět uzavřeme a takto odlehčenou a ochlazenou skříňku (o hmotnosti m-dm) zase budeme pomalu vytahovat nazpět tím, že dynamo nahradíme motorem poháněným energií z akumulátoru, nahromaděnou předtím při spouštění skříňky. Abychom odlehčenou skříňku vytáhli zpět do nekonečna, bude na to potřeba práce

V akumulátoru zbude energie E1 - E2, takže můžeme říci, že množství tepla dm se přeměnilo na práci E1-E2. Uspořádání na obr.4.22 je tedy z hlediska termodynamiky "tepelný stroj " přeměňující teplo ve skřínce na práci, přičemž roli "chladiče" hraje černá díra. Účinnost h přeměny tepla dm na získanou práci E1-E2 je rovna

Tato účinnost je vždy menší než jedna; přiblížení se ideální jednotkové účinnosti by bylo možné jen tehdy, kdyby se velikost skříňky L blížila nule.
A zde přichází ke slovu kvantová fyzika, podle které toto není možné, protože skříňka musí být větší než charakteristická délka vlny tepelného záření odpovídajícího dané teplotě Tm (aby se do ní toto tepelné záření "vešlo"): L ł h/k.Tm, kde h je Planckova konstanta ("přeškrtnutá": h=h/2p) a k je Boltzmanova konstanta. Účinnost přeměny tepla na práci je zde tedy omezena nerovností

Pro tepelně-energetický proces na obr.4.22 platí podle 2.zákona termodynamiky známá Carnotova věta

kde rovnost platí jen pro vratný děj. Jestliže srovnáme obě nerovnosti (4.60) a (4.61), přičemž Tohřívače je rovna původní teplotě Tm skříňky a chladičem je zde černá díra, vidíme, že z hlediska termodynamiky by černá díra měla mít termodynamickou teplotu

(T_H = h/k.r_g pro Schwarzschildovu černou díru), která je úměrná povrchové gravitaci k. Podívejme se dále, jaká je při tomto procesu podle obr.4.22 bilance entropie; připusťme přitom, že černá díra má nějakou konečnou entropii obvyklým způsobem související s hmotností a teplotou, i když to není v souladu s klasickou fyzikou. Entropie, kterou ztratí skříňka při předání části svého tepelného záření černé díře, je rovna dSskříňky = dm/Tm. Černá díra přitom získá entropii dSH = dM/T_H, kde přírustek hmotnosti černé díry dM je podle zákona zachování energie (1.zákon mechaniky černých děr) roven rozdílu předané hmotnosti dm a energie, která zbyla v akumulátoru: dM = dm - (E1-E2 ) = dm - dm(1 - k.L) = dm.k.L. Entropie černé díry tedy vzroste o dSH = dm.k.L/T_H ; dosadíme-li zde za T_H z (4.62) a použijeme-li pro skříňku kvantové podmínky L ł h/kTm, dostáváme pro celkovou bilanci entropie nerovnost dS_H ł dSskříňky. Tedy v souladu s 2.větou termodynamickou černá díra získá více entropie, než jí ztratí skříňka.
Dosadíme-li do vztahu dS_H = dM/T_H pro změnu entropie černé díry za dM z prvního zákona mechaniky černých děr (4.50) a za T_H z (4.62), dostáváme

protože je přirozené předpokládat, že neexistující černá díra nulové hmotnosti má nulovou entropii, tj. lim_A_®₀S_H(A) = 0, integrace vede ke vztahu

Dostáváme tak výsledek, podle něhož entropie černé díry je úměrná ploše jejího horizontu; je to v plném souladu s analogií mezi zákony mechaniky černých děr a zákony termodynamiky (diskutovanými v předchozím §4.6 "Zákony dynamiky černých děr").

Na začátku tohoto odstavce jsme si řekli, že podle klasické fyziky by entropie černé díry měla být nekonečná, protože černá díra může teoreticky vzniknout kolapsem neomezeně velkého počtu částeček o neomezeně malé hmotnosti. Podle kvantové fyziky (relací neurčitosti) však toto není možné, Comptonovská délka h/mc částic vytvářejících černou díru musí být omezena gravitačním poloměrem horizontu 2M, takže počet konfigurací, z nichž může vzniknout černá díra dané hmotnosti je konečný. Podle kvantové mechaniky je tedy entropie černé díry sice velmi velká, avšak konečná.
Ztráta informace v černé díře. Holografický princip.
Z hlediska statistické fyziky (a teorie informace) je entropie mírou neuspořádanosti daného systému [167]. Při vzniku černé díry gravitačním kolapsem se ztrácejí pro vnější svět všechny informace o individuálních vlastnostech kolabující hmoty kromě celkové hmotnosti, náboje a rotačního momentu hybnosti - "černá díra nemá vlasy", černá díra nemá mikroskopickou strukturu. Tato neobvyklá situace se označuje jako "paradox ztráty informace" - viz též diskusi v závěrečné pasáži této kapitoly "Kvantové vypařování: návrat hmoty z černé díry?". Toto ohromné množství ztracených informací je pak mírou entropie černé díry. Pro úměrnost mezi plochou horizontu a entropií pohlcené hmoty se později vžil poněkud zavádějící název "holografický princip" :
Holografický princip
Holografický obraz v optice vzniká tak, že svazek koherentního světla (z laseru) se rozdělí na dvě části, z nichž jedna dopadá na fotografickou vrstvu přímo, druhá část pak po odrazu od zobrazovaného předmětu. Oba tyto paprsky interferují a na fotografické emulzi vznikne struktura tenkých interferenčních proužků, nesoucích informaci o fázových rozdílech obou paprsků. Ozáříme-li pak tento dvojrozměrný obrázek koherentním světlem (opět z laseru), odražené paprsky zpětně rekonstruují tytéž fázové rozdíly, jaké obraz vytvořily - vzniká dojem trojrozměrného obrazu původního předmětu. Holografický obraz má tu zajímavou vlastnost, že i z úlomku hologramu můžeme vidět celý trojrozměrný obraz, i když s menším rozlišením.
Dvojrozměrná plocha horizontu černé díry nese veškerou (příslušně redukovanou - "černá díra nemá vlasy") informaci o trojrozměrných konfiguracích pohlcené hmoty v černé díře, podobně jako dvojrozměrný hologram nese informace o trojrozměrném objektu. Tím ovšem podobnost s holografií končí, neboť podrobné informace o pohlcené hmotě (kromě M,J,Q) jsou ztraceny a nelze je nijak zpětně zrekonstruovat.
"Holografický princip" byl dále ještě zobecněn v souvislosti s budováním kvantových teorií gravitace: "Informaci (stupně volnosti) o systému uvnitř objemu V lze lokalizovat (zakódovat) na povrch ¶V tohoto objemu, přičemž hustota informace nepřesahuje jeden bit na Planckovu plochu l_p²".
Holografický princip je obecně tvrzení, že informace o N-dimenzionální oblasti (jejím vnitřku) je zakódována na N-1 rozměrné hranici této oblasti. Teoreticky je podložen pouze u horizontů černých děr. V ostatních případech se jedná jen o extrapolace a analogie - o nepotvrzené hypotézy....

Při zachycení elementární částice černou dírou se pro vnějšího pozorovatele ztrácí možnost identifikace této částice. Vyjádříme-li se v počítačové terminologii, ztratil se jeden "bit" informace: částice ano-ne. Entropie černé díry se tím zvětší o hodnotu úměrnou Boltzmanově konstantě k (dS_H = k.ln2) a současně se patřičně zvětší plocha horizontu A černé díry. Bekenstein [11],[13] vypočítal, že při pohlcení tělesa hmotnosti m (m <<M) a velikosti d černou dírou vzroste plocha jejího horizontu nejméně o 8pm.d. V kvantové mechanice má každá částice efektivní průměr řádu comptonovské vlnové délky, takže vezmeme-li za velikost elementární částice její Comptonův průměr h/mc (avšak pracujeme v jednotkách, kde c=1), vzroste plocha horizontu při jejím zachycení černou dírou nejméně o 8ph. Poměr mezi přírustkem entropie černé díry a zvětšením plochy jejího horizontu při zachycení elementární částice je tedy

Podle kvantové mechaniky a statistické fyziky tak opět dostáváme vztah (4.63), podle něhož je entropie černé díry úměrná ploše jejího horizontu. Koeficient této úměrnosti pak plyne ze vztahu (4.62) pro teplotu černé díry při Hawkingovu efektu kvantové evaporace a z 1.zákona mechaniky černých děr (4.50), viz níže.
V termodynamice plynů, kapalin a pevných látek je entropie přímo úměrná počtu částic, tedy objemu zaplněnému látkou. V kvantové fyzice gravitace je však entropie přímo úměrná povrchu, takže do daného objemu je možno "zakódovat" podstatně méně informace, než by odpovídalo klasické představě. Vztah (4.63) pro entropii černé díry lze přepsat v ekvivalentním tvaru

kde l_p = Ö(Ghc^-3) je Planckova délka (B.10) zavedená v §B.4. Vidíme, že entropie černé díry je dána počtem Planckových ploch l_p², kterými lze pokrýt horizont černé díry (s koeficientem 1/4). Entropie černé díry (4.63) je zároveň maximální entropií, kterou lze "vtěsnat" do daného objemu uzavřeného uvnitř plochy velikosti A. Jinými slovy, černá díra představuje objekt, který nejefektivněji soustřeďuje entropii - plocha jejího horizontu A je nejmenším možným povrchem prostorové oblasti, v níž se hmota dané entropie S_Hmůže nacházet.

Kvantové vypařování černých děr
Zůstává nám ještě poslední rozpor, bránící aby termodynamika černých děr byla konzistentní: černá díra může sice cokoliv absorbovat, avšak nemůže "na oplátku" nic vyzařovat. Proto nemůže být černá díra s ničím v termodynamické rovnováze, její "teplota" by podle klasické fyziky měla být absolutní nula.
Tento chybějící článek v řetězci termodynamiky černých děr doplnil S.Hawking, který v r.1974 vyslovil hypothézu kvantového vyzařování černých děr [123],[126], podle níž každá černá díra spontánně emituje záření přesně tak, jako kdyby byla obyčejným (absolutně) černým tělesem zahřátým na teplotu T_H = k.h/k úměrnou povrchové gravitaci k na horizontu.
Určitou předzvěstí Hawkingova efektu kvantové evaporace byl kvantový rozbor superradiace v ergosféře rotující černé díry (zmíněné v §4.4), který provedli Zeldovič a Starobinskij [286],[234]. Z hlediska kvantové fyziky je zesilování vln jakýmsi "indukovaným" zářením, takže lze očekávat též existenci spontánního záření.
Hawkingův efekt kvantové evaporace se často diskutuje v souvislosti s termodynymikou, avšak má svůj fundamentální samostatný význam, i kdyby souvislosti s termodynamikou nebylo. Důležitý je totiž její mechanismus (diskutovaný níže). Může sloužit jako spojovací můstek mezi obecnou teorií relativity jako fyzikou gravitace a kvantovou fyzikou - "okno" do kvantové gravitace.

Mechanismus kvantové evaporace (názorné populární vysvětlení může být zavádějící !)
Základní ideu kvantové teorie pole v zakřiveném prostoročase (semikvantový přístup) vedoucí ke spontánnímu vytváření částic záření kvantovými efekty v nehomogenním gravitačním poli, je možno názorně shrnout následujícím způsobem. Podle kvantové teorie pole (viz např. §1.1 "Atomy a atomová jádra", pasáž "Kvantová teorie pole" v monografii "Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření") je vakuum zaplněno fluktuujícími dvojicemi částic a antičástic, které se neustále vytvářejí a vzápětí anihilují (rekombinují). Nejobvyklejšími takovými dvojicemi jsou páry elektron-pozitron a dvojice fotonů (foton je svou vlastní antičásticí). Podle kvantových relací neurčitosti dE.dt ł h je dvojice částic s hmotností m a energií mc² virtuální tehdy, jestliže jejich doba života do rekombinace nepřekročí Comptonovský čas ~h/mc².
V silně nehomogenním gravitačním poli (např. černé díry) se gravitační síly v místech částice a antičástice mohou značně lišit (velké gravitační gradienty - slapové síly), takže vlivem deviace geodetik se obě původně virtuální částice za comptonovskou dobu mohou od sebe oddálit na vzdálenost podstatně převyšující h/mc. V tomto případě již nemusí k rekombinaci dojít a původně virtuální dvojice se stane skutečnou dvojicí částice-antičástice, přičemž příslušná energie byla dodána gravitačním polem.
Vraťme se ještě na chvilku k efektu superradiace (§4.4., část "Penroseův proces", pasáž "Superradiace"). Dojde-li k výše popsanému kvantovému procesu uvolnění původně virtuální dvojice v ergosféře rotující černé díry a jedna z částic se přitom dostane na orbitu se zápornou energií vzhledem k nekonečnu a je zachycena černou dírou, může její partner stejně jako v Penroseově procesu mít dostatečnou energii aby mohl vylétnout z ergosféry jako reálná částice a vzdálit se od černé díry. Tímto mechanismem bude rotující černá díra spontánně emitovat záření odnášející postupně její rotační energii. Plocha horizontu černé díry se přitom ve shodě s klasickým 2.zákonem dynamiky černých děr zvětšuje. Jak jsme si řekli v §4.4, jsou rotující černé díry nestatické a "živé", takže možnost jejich kvantového vyzařování není tak překvapující.
Hawkingův objev (zatím je to hypotéza), že i statická Schwarzschildova černá díra emituje záření, které vede k postupnému zmenšování ("vypařování") hmoty černé díry, byl však zcela neočekávaný! Je to ve zřejmém rozporu s druhým zákonem mechaniky černých děr (§4.6 "Zákony dynamiky černých děr", věta 4.7), podle něhož se horizont černé díry nemůže zmenšovat. Pro platnost tohoto zákona (viz §4.6) je však nutný předpoklad, že vlastní hustota energie T_oo nemůže bý záporná. V měřítcích odpovídajících kvantovým fluktuacím však již tento předpoklad nemusí být splněn *) a může tak dojít k porušení 2.zákona dynamiky černých děr. Druhý zákon dynamiky černých děr je proto třeba zobecnit tak, aby platil i v případě kvantové evaporace; níže si ukážeme ("Sjednocení termodynamiky a kvantové evaporace černých děr"), že takové zobecnění vede zároveň k jeho sjednocení s druhou větou termodynamickou.
*) Kromě kladné hustoty lokální energie pro každého pozorovatele požaduje "silná" energetická podmínka též proud energie pouze časového charakteru (§2.6). Při vytváření virtuálního páru se dvě částice "materializují" s intervalem prostorového charakteru, takže se lokálně jedná o proud energie prostorového typu; to narušuje energetickou podmínku nutnou pro 2.zákon dynamiky černých děr.
Zákonitosti kvantové fyziky aplikované v zakřiveném prostoročase v okolí horizontu černé díry poskytují tři základní způsoby, jak si představit mechanismus vyzařování černých děr :
1. Pohlcení jednoho z členů virtuální dvojice částice-antičástice pod horizont a emise druhého členu jako reálné částice. Toto názorné populární vysvětlení je však poněkud zavádějící!
2. Kvantový tunelový jev umožňující virtuálním částicím z pod horizontu proniknout do vnějšího prostoru a stát se reálnými.
3. Kvantová teorie gravitace (dosud nebyla vytvořena).
Základní názorná představa o mechanismu Hawkingova efektu kvantového vyzařování (podle bodu 1.) je schématicky znázorněna na obr.4.23. V silném nehomogenním gravitačním poli s univerzálními účinky dochází kolem černé díry k určité "polarizaci" vakua fluktuujících virtuálních párů částic a antičástic. V oblastech blízko horizontu existuje jistá pravděpodobnost, že jeden člen páru částice-antičástice pronikne pod horizont a je pohlcen, zatímco druhý člen unikne do vnějšího prostoru jako reálná částice, která "nemá s čím" anihilovat. Pod horizont je v takovém případě vnesena vlastně záporná energie potřebná k uvolnění původně virtuálního páru. Vztah částice-antičástice a naopak souvisí s inverzí času, takže pro posaný proces bude platit opak druhého zákona dynamiky černých děr, tj. horizont se zmenší.

Obr.4.23. Znázornění Hawkingova mechanismu kvantového vyzařování černé díry pohlcením jedné části virtuální dvojice částice-antičástice a vyzářením druhé části jako reálné emitované částice. Horizont se přitom postupně zmenšuje.
Toto názorné populární vysvětlení mechanismu kvantové evaporace je však poněkud zavádějící, jak je níže diskutováno.

Zavádějící názorné populární vysvětlení mechanismu kvantové evaporace ?
Původní Hawkingovo názorné vysvětlení mechanismu kvantové evaporace z r.1974, s cílem jeho pochopení pro širší veřejnost i mimo odborníků na obecnou teorii relativity a kvantovou fyziku, jsme se pokusili znázornit na obr.4.23. Toto zjednodušené vysvětlení se při bližším pohledu však jeví jako poněkud zavádějící, neodpovídající objektivní skutečnosti. Základním mechanismem je jistě polarizace vakua v silném nehomogenním gravitačnim poli v okolí černé díry. Většinou se však neprodukují drobné vysokoenergetické částice blízko horizontu událostí jak je znázorněno na obrázku, nýbrž zdrojem záření je celé širší okolí černé díry, zhruba 20-krát větší než horizont; taková je i maximální vlnová délka emitovaného záření. A minimální vlnová délka záření odpovídá průměru horizontu. Kromě toho je Hawkingovo záření závislé na relativistickém efektu pozorované vztažné soustavy, podobného Unruhovu efektu akcelerovaných vztažných soustav.
Intenzita kvantového vyzařování černé díry
Výsledkem kvantového rozboru (nebudeme zde uvádět technické podrobnosti kvantových výpočtů, viz např. [123],[117],[280]) je závěr, že černá díra bude takto produkovat záření, jehož celková intenzita (výkon) bude úměrná

Pro obecnou Kerrovu-Newmanovu černou díru s povrchovou gravitací k, úhlovou rychlostí horizontu W_H a elektrickým potenciálem horizontu F_H je pravděpodobnost vyzáření částice s energií E (=h.w, kde w je frekvence příslušné vlny), momentem hybnosti L (vzhledem k ose rotace černé díry) a elektrickým nábojem q, rovna
e^-2^p^(E-L^W^H^-q^F^H^)/h.^k . G(E,L,q) ,
kde G udává pravděpodobnost pohlcení částice s energií E, momentem hybnosti L a nábojem q touto černou dírou. Střední počet <N> částic vyzářených (jakožto vlny-kvanta) s frekvencí w, momentem hybnosti L a elektrickým nábojem q, je potom dán vztahem

G
d<N> = ------------------------------- dw.dL.dq ;
e^-2^p^(E-L^W^H^-q^F^H^)/h.^k ± 1

(4.65)

znaménko "+" platí pro fermiony, znaménko "-" pro bosony. Povrchová gravitace k, úhlová rychlost W_H a elektrický potenciál F_H horizontu černé díry jsou dány vztahy (4.44-4.47 v §4.4). Absorbční koeficient G je pomalu proměnnou funkcí w a závisí na druhu částic nebo záření; řádově je roven jedné (zvláště pro vlnové délky podstatně převyšující velikost horizontu daný M). Pro Kerrovu černou díru bude toto záření mít spektrum tepelného záření *) absolutně černého tělesa o teplotě T_H = k.h/k = h(r_g⁺-r_g^-)/8pkMr_g⁺ ; pro nerotující nenabitou Schwarzschildovu černou díru je T_H = h/4pkr_g (= hc³/8pM G @ 10^-7M_¤/M [°K]. Vzdálený pozorovatel přitom toto spektrum pozoruje přes "filtr" tvořený potenciály pole kolem černé díry.
*) Pod tepelným zářením teploty Tm budeme v dalším rozumět záření absolutně černého tělesa o teplotě Tm. Je to záření v širším smyslu, než se pod obvyklým tepelným zářením rozumí; toto záření může obsahovat nejen fotony (elektromagnetické vlnění), ale i gravitony (gravitační vlnění) a při dostatečně vysoké teplotě Tm budou přítomny též částice s nenulovou klidovou hmotností (elektrony, protony a pod.) spolu s příslušnými antičásticemi.
Ze vztahu (4.65) je vidět, že při stejném w je intenzita emise částic s kladným momentem hybnosti L vyšší než se záporným momentem hybnosti, takže kvantové záření odnáší rotační moment hybnosti černé díry (podobně je tomu s elektrickým nábojem). Pokud je w < L.W_H, bude (pro bosonová pole) jmenovatel (4.65) záporný; uvedená nerovnost je však podmínkou superradiace, takže záporné bude i G. Pro černé díry větších hmotností (tj. velmi nízké teploty T_H) pak kvantová emise může znatelně probíhat pouze pro záření s w< L.W_H, a to s intenzitou G, což je ve shodě s kvantovým rozborem superradiace provedené Starobinským [234] a Unruhem [258].
Kvantové záření černých děr sestává především z fotonů (elektromagnetických vln jejichž vlnová délka bude srovnatelná s velikostí horizontu, l ~ r_g/2); elektrony, pozitrony a další částice s nenulovou klidovou hmotností mohou vyzařovat jen černé minidíry (viz níže pasáž "Kvantová evoluce černé díry").

Hawkingův efekt kvantového vyzařování je výsledkem použití kvantové teorie pole v zakřiveném prostoročase. Obecně přitom vznikají problémy, jak v silném gravitačním poli definovat stavy vakua a přítomnosti částice. Například v poli úplné extenze Schwarzschildovy geometrie (Kruskalův diagram na obr.3.19, popisuje "věčnou" černou díru) bude konečný výsledek toku částic kvantového vyzařování v nekonečnu ovlivňován způsobem volby počátečních vakuových a částicových stavů na horizontu minulosti [25], [259]; příslušnou volbou těchto stavů lze dosáhnout toho, že žádné vyzařování nebude. Problémy tohoto druhu nevznikají pro černou díru vzniklou gravitačním kolapsem v asymptoticky rovinném prostoročase, protože všechny částice zde začínají (v minulosti) a končí (v budoucnosti) svůj pohyb v oblastech, kde je možno vliv pole zanedbat. Pro takové asymptoticky volné částice lze použít veličinu asymptotické energie a při kvantování použít jen asymptotické tvary polí. Tímto způsobem dospěl Hawking ke svému výsledku [123]; konečný výsledek je zcela nezávislý na detailech průběhu kolapsu, takže se zdá, že výsledek bude platit i bez předpokladu, že černá díra vznikla kolapsem ("věčná" černá díra). Některé jiné způsoby odvození kvantového vyzařování černých děr [117],[280] to skutečně ukazují bez předpokladu gravitačního kolapsu.
V souvislosti s tím je zajímavé položit si otázku, kde vlastně vznikají částice tvořící kvantové záření černé díry? Jsou v podstatě dvě diametrálně odlišné možnosti. Podle první z nich je vytváření částic způsobováno proměnnou komponentou gravitačního pole při gravitačním kolapsu [27],[63], tedy jsou tvořeny kolabující hmotou před vznikem horizontu. Kolabující hmota zůstává pro vnějšího pozorovatele stále vně horizontu, přičemž záření jí odebírá kinetickou energii. Povrch kolabujícího objektu (plocha "horizontu") se tím zmenšuje. Takto vznikající částice jsou pak gravitačním polem drženy po různě dlouhou dobu v blízkosti horizontu a postupně unikají pryč (do nekonečna). Vzniká zde však vážná potíž: částice by musely být tvořeny se stále vyšší vlastní energií, aby se tím kompensoval rostoucí rudý posuv na jejich cestě do nekonečna. Podle tohoto mechanismu by se kvantové vyzařování projevovalo jen u černých děr vzniklých kolapsem, zatímco "věčné" černé díry by kvantově nevyzařovaly.
Druhá možnost, z níž vycházel Hawking (a kterou jsme též použili výše při výkladu) spočívá v tom, že částice se neustále tvoří v párech z polarizovaného vakua v nehomogenním (i statickém) poli vně horizontu. Energie jdoucí do nekonečna je kompensována proudem záporné energie částic padajících pod horizont. Všechny fyzikální argumenty svědčí pro správnost této druhé možnosti [260],[280], z níž přímo plyne nezávislost záření na individuálních vlastnostech a průběhu předchozího kolapsu, jakož i tepelný tvar spektra. Podle tohoto bude tedy "věčná" černá díra kvantově vyzařovat stejně jako díra vzniklá kolapsem; kvantové efekty tak vedou k tomu, že skutečně "věčná" černá díra nemůže existovat.

Unruhovo akcelerační kvantové záření
Z hlediska kvantově-gravitační analýzy v OTR je kvantový vznik záření obecnějším dynamickýn efektem, odehrávajícím se ve vakuu nejen za přítomnosti skutečné gravitace, ale i setrvačných sil v neinerciálních soustavách. V r.1973-76 S.Fulling, P.Davies a především W.Unruh [259] ukázali, že ve zrychleně se pohybující vztažné soustavě ve vakuu bude vznikat záření s tepelným spektrem (jako je záření absolutně černého tělesa). V inerciální soustavě ve vakuu se žádné takové záření neprojevuje, zatímco zrychleně se pohybující pozorovatel bude ve vakuu registrovat záření s tepelným spektrem odpovídajícím teplotě
T_a = h.a/(4pc.k) @ 10^-19.a [°K] ,
kde a je okamžité zrychlení, k je Boltzmanova konstanta, h Plankova konstanta (redukovaná). Je to analogický výsledek jako Hawkingovo záření teploty T_H = h.g/(4pc.k) černé díry, na jejímž horizontu poloměru r_g je gravitační zrychlení g.
Z hlediska mechanismu vzniku kvantového záření je Hawkingova evaporace důsledkem existence gravitačně vzniklého horizontu černé díry, zatímco Unruhovo záření souvisí s existencí kinematického tzv. Rindlerova horizontu v akcelerující vztažné soustavě. Tato analogie plně odpovídá principu ekvivalence mezi gravitací a zrychlením neinerciální soustavy. Koncepce Unruhova záření též ukazuje, že z hlediska kvantového pojetí se vakum, zaplněné virtuálními fluktuujícími kvantovými poli, jeví v různých stavech pro různé vztažné soustavy - v závislosti na pohybovém stavu pozorovatele.
Podobně jako Hawkingovo záření kvantové evaporace černé díry, je i Unruhovo akcelerační záření zatím zcela hypotetické, bez možnosti experimentálního ověření *).
*) Při vysokoenergetických srážkách částic v urychlovačích sice dochází k velmi vysokým hodnotám zrychlení, při nichž by několik kvant Unruhova záření mohlo vznikat. Avšak odlišit toto slaboučké záření od obrovského pozadí velmi silné radiace (vznikající při částicových interakcích) je zcela nemožné! Zůstává jen jako teoretická zajímavost...

Nelokálnost kvantové evaporace
Je třeba si uvědomit principiální prostorovou nelokálnost procesu kvantové evaporace: charakteristická vlnová délka kvantového záření je srovnatelná s velikostí černé díry. Každé kvantum záření se formuje v prostorové oblasti velikosti srovnatelné s černou dírou, takže není možné přesněji lokalizovat v prostoru místo vzniku tohoto kvanta. Pozorovatel padající do černé díry by u horizontu lokálně žádné záření nepozoroval...
Černá díra se při kvantové evaporaci zmenšuje ani ne tak únikem částic kladné energie zpod horizontu (horizont je směrem ven neproniknutelný *), ale v důsledku bombardování a pohlcování částic záporné energie z okolního prostoru. Hawkingův mechanismus kvantového vypařování je vlastně procesem "vnější likvidace" černé díry polarizovaným vakuem.
*) V kvantové fyzice (v souvislosti s kvantovými relacemi neurčitosti) jsou však možné i procesy "tunelování" částic z míst pod horizontem do míst vně horizontu - částice která je těsně pod horizontem má nenulovou pravděpodobnost výskytu i vně horizontu (o podstatě tunelového jevu viz §1.1, pasáž "kvantový tunelový jev" v monografii "Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření"). Původně virtuální částice se pak nad horizontem může stát reálnou částicí, odnášející příslušnou energii z černé díry. Tyto různé interpretace vedou ke stejným pozorovatelným důsledkům pro kvantovou evaporaci černých děr.
Stochastický charakter kvantového vyzařování
Tepelný tvar spektra, tj. že kvantové záření z černé díry je zcela náhodné a nekorelované, souvisí s teorémem "černá díra nemá vlasy". Kvantové záření totiž přichází z oblasti, o niž vnější pozorovatel nemá jinou informaci než znalost celkové hmotnosti, náboje a momentu hybnosti. Proto všechny konfigurace emitovaných částic, které mají stejnou energii, náboj a moment hybnosti, jsou stejně pravděpodobné. Ohledně takových za horizonty "skrytých" oblastí (hyperploch), o nichž má vnější pozorovatel jen omezené dostupné informace, vyslovil S.Hawking tzv. "princip ignorance" [125]: Všechny konfigurace ve "skryté" oblasti, slučitelné s omezenou principiálně pozorovatelnou informací, jsou stejně pravděpodobné. Vede to k porušení předvídatelnosti evoluce studovaných systémů (je diskutováno níže níže v pasáži "Kvantové vypařování: návrat hmoty a informace z černé díry?").
Černá díra bude tedy vyzařovat se stejnou pravděpodobností *) libovolnou konfiguraci částic slučitelnou se zachováním energie, momentu hybnosti a náboje. V principu je tedy možné, aby černá díra emitovala hmotný útvar jakékoliv struktury. Hawking uvádí [125], že by černá díra mohla kvantově vyzářit třebas televizor nebo dokonce i člověka, avšak všechny podobné komplikované a "exotické" způsoby záření mají jen zcela nepatrnou pravděpodobnost (a nikdy se nezrealizují). Daleko největší pravděpodobnost má emise částic s tepelným spektrem.
*)Do nekonečna však nemusí každá taková částice nebo soustava částic přijít se stejnou pravdépodobností, protože při interakci s polem černé díry existuje pro emitované částice jistá potenciálová bariéra, na níž se některé částice mohou "odrazit" zpět do černé díry. Jen málokterá z částic, uvolněných u horizontu nebo tunelujících zpod horizontu, má dostatečnou energii k překonání gravitace černé díry a uniknutí do nekonečna (únikovou rychlost nasměrovanou kolmo vzhůru). Většina těchto částic je vzápětí zachycena gravitačním polem a znovu pohlcena černou dírou. Můžeme si tedy představit, že černá díra má těsně kolem svého horizontu jakousi "kvantově-částicovou atmosféru" (tu by mohl registrovat jen hypotetický pozorovatel "slaňující" pomalu k horizontu podle obr.4.22; volně padající pozorovatel by ji vzhledem k principu ekvivalence nepozoroval). U makroskopických černých děr je však taková "atmosféra" v každém případě mizivě řídká, výrazná může vznikat jen u černých mikroděr (viz níže "Kvantová expoloze černé mikrodíry").
Některé možnosti kvantové evaporace černých děr jsou dále diskutovány níže v pasáži "Kvantové vypařování: návrat hmoty a informace z černé díry?".

Ne-astrofyzikální analogie Hawkingova záření ?
Obecný semikvantový mechanismus vzniku Hawkingova záření u černých děr inspiroval zkoumání podobných jevů i v jiných oblastech. Ukázalo se, že podobná teoretická situace, kdy se určitým prostředím šíří rozruch nějakou konečnou rychlostí a jsou zde přítomny oblasti oddělené horizonty pro tyto rychlosti, může nastat i při šíření světla v dielektrickém materiálu (např. v optických vláknech), nebo akustických vln v proudící kapalině...

Sjednocení termodynamiky a kvantové evaporace černých děr
Řekli jsme si, že při kvantovém vyzařování se porušuje druhý zákon dynamiky černých děr. A zase naopak, za přítomnosti černé díry je porušena 2.věta termodynamická - černá díra (pro kterou v klasickém případě není definována entropie) pohlcuje hmotu a odčerpává tak z okolí entropii. Pohlcování hmoty je však vždy doprovázeno zvětšováním povrchu černé díry a kvantové vyzařování zase zmenšováním povrchu horizontu. Nabízí se proto "zachránit" současně jak 2.větu termodynamickou, tak i 2.zákon dynamiky černých děr: zkombinovat entropii hmoty vně černé díry Sm s velikostí plochy A černé díry a vytvořit z nich veličinu S, která by s časem nikdy nemohla klesat. Termodynamický rozbor (provedený Bekensteinem ještě před objevem Hawkingova efektu) ukazuje, že takovou veličinou by měl být součet entropie vně horizontu a jistého násobku plochy horizontu: S = Sm + a.A, kde a je konstanta. Protože k/2p považujeme za teplotu, lze 1.zákon mechaniky černých děr pokládat za 1.větu termodynamickou pro černou díru, zintegrovat jej, čímž se dostane a.A= S_H = (k/8ph).A + const., kde ovšem const.=0, protože požadujeme, aby entropie černé díry o hmotnosti blížící se nule šla též k nule. Můžeme tedy vyslovit tvrzení, které zobecňuje druhý zákon dynamiky černých děr a zároveň též druhou větu termodynamickou :

Součet (k/8ph)-násobku plochy horizontu A černé díry a entropie Sm hmoty nacházející se vně černé díry nemůže s časem klesat.

(v soustavě jednotek, kde je i h=k=1 je a = 1/4). Bekenstein [11] postuloval tento zobecněný zákon ještě před Hawkingovým objevem kvantové evaporace. Bez kvantového vyzařování by však mohl být zobecněný druhý zákon 4.10 v určitých situacích porušen, např. když by se černá díra nacházela v poli tepelného záření o teplotě nižší než je "teplota" černé díry; tehdy při akreci tepelného záření entropie černé díry S_H vzroste o menší hednotu, než o jakou se zmenší entropie okolního tepelného záření (a "teplo" přechází z chladnějšího prostředí na teplejší černou díru). Kvantová evaporace je tedy nezbytným předpokladem pro platnost zobecněného 2.zákona dynaniky černých děr. Existencí kvantového vyzařování se termodynamika černých děr stává zcela konzistentní - černá díra může být v rovnováze s tepelným zářením (o stabilitě takové rovnováhy však viz níže). Černá díra se chová jako každé jiné těleso zahřáté na určitou teplotu T_H a mající určitou entropii S_H, které se při interakci s okolím řídí základními zákony termodynamiky. Všechny čtyři zákony mechaniky černých děr lze ekvivalentně formulovat v termodynamické terminologii a hovořit pak o zákonech termodynamiky černých děr :

Teplota T_H = k.h/k stacionární černé díry je stejná ve všech místech horizontu.

Platí zákon zachování celkové energie ~ hmoty, přičemž dva blízké rovnovážné stavy černé díry jsou spojeny vztahem
dM_H = T_H dS_H + W_HdJ + F_H dQ .
ëpráceě

Celková entropie S = S_H + Sm černé díry S_H a hmoty vně černé díry Sm se s časem nemůže zmenšovat.

Konečným počtem kroků nelze černou díru ochladit na teplotu T_H = 0 absolutní nuly.

Podívejme se nyní na vlastnosti interakce černé díry s tepelným zářením. Zvětšováním hmotnosti černé díry její teplota klesá. Jestliže černá díra absorbuje určité množství tepelného záření, vzroste její hmotnost, čímž její teplota T_H = h/4M poklesne. Černá díra má tedy zápornou tepelnou kapacitu (dM/dT_H = -4M²/h) - dodáním energie černé díře se její teplota sníží. Řečeno termodynamicky: dodáváním tepla (~energie, tedy zahříváním) se černá díra neohřívá, ale chladne! Čím více energie (tepla) černá díra pohltí, tím se stává chladnější a čím více energie vyzáří, tím více se ohřívá.
Mějme Schwarzschildovu černou díru *) obklopenou zářením absolutně černého tělesa o teplotě Tm stejné jako je teplota černé díry Tm=T_H. Vlivem kvantové evaporace zde bude existovat tepelná rovnováha mezi pohlcovaným a emitovaným zářením, přičemž tato rovnováha bude samozřejmě vykazovat statistické fluktuace.
*) Protože, přesně vzato, pouze nerotující a elektricky neutrální černá díra může být v rovnováze s tepelným zářením. Nabitá a rotující černá díra emituje přednostně částice s elektrickým nábojem a momentem hybnosti téhož "znaménka" jako má černá díra, takže toto záření nebude mít přesně planckovské spektrum tepelného záření.
Nechť vlivem statistické fluktuace černá díra v určitém okamžiku pohltila o něco více energie tepelného záření než vyzářila. Protože černá díra má zápornou tepelnou kapacitu, její teplota se sníží a tím se zmenší intenzita kvantového vyzařování; intenzita pohlcování záření se naopak poněkud zvýší. Bude-li teplota tepelného záření udržována konstantní (tak tomu bude v případě, že celý vesmír je vyplněný tímto tepelným zářením, popř. když se černá díra bude nacházet uvnitř termostatu napájeného z dostatečně velkého zásobníku energie - obr.4.24a), povede to k neustále výraznějšímu porušení rovnováhy mezi akrecí tepelného záření a kvantovou evaporací: vyzařování černé díry se bude neustále zpomalovat (černá díra bude neustále chladnout) a pohlcování tepelného záření neustále zrychlovat. Hmotnost černé díry neomezeně poroste. Jestliže naopak následkem statistické fluktuace černá díra na chvíli vyzáří o něco více energie než jí pohltila, její teplota (díky záporné tepelné kapacitě) stoupne, tím bude ještě intenzívněji vyzařovat a méně pohlcovat; tento proces porušení rovnováhy se bude lavinovitě zvyšovat. Nakonec se černá díra zcela vyzáří a vymizí.

Obr.4.24. K termodynamické rovnováze mezi kvantovou evaporací černé díry a okolním tepelným zářením.
a) Černá díra uzavřená ve skříňce s tepelným zářením, jehož teplota je termostatem udržována na konstantní hodnotě Tm = T_H. Pokud je zásobník energie schopen poskytnout a přijmout neomezené množství energie (což modeluje situaci, kdy je celý vesmír vyplněn tepelným zářením teploty Tm), nemůže být termodynamická rovnováha mezi černou dírou a tepelným zářením stabilní.
b) Stabilní tepelná rovnováha mezi zářením a černou dírou se ustaví pouze tehdy, když černá díra interaguje s prostředím, které je schopno vydat a přijmout jen omezené množství energie (jako je tepelně izolovaná skríňka na obrázku).

Záporná tepelná kapacita černé díry tedy způsobuje, že černá díra nemůže být ve stabilní termodynamické rovnováze s prostředím, které může vydat nebo přijmout neomezeně velké množství tepelného záření; taková tepelná rovnováha je jen labilní. Stabilní tepelná rovnováha mezi černou dírou a tepelným zářením je možná jen za situace znázorněné na obr.4.24b, kde černá díra je uzavřena do tepelně izolované skříňky o konečném objemu. V tomto případě se vždy ustaví tepelná rovnováha bez ohledu na příp. rozdílnost původní teploty černé díry a tepelného záření ve skříňce. Jestliže za této rovnováhy v důsledku statistické fluktuace se černá díra oteplí tím, že vyzáří více energie než jí pohltila, zvýší se tím teplota tepelného záření ve skříňce, převáží akrece a černá díra se zase ochladí. Analogicky náhodným pohlcením více záření se černá díra ochladí, avšak ve skříňce ubude tepelného záření a teplota klesne, převáží kvantová evaporace a černá díra se zase oteplí.

Kvantová evoluce černé díry
Efekt kvantového vyzařování černých děr ve svém důsledku poněkud mění obraz, který jsme si v §4.2-4.6 vytvořili - že totiž gravitačním kolapsem vzniká černá díra, která je absolutně konečným produktem evoluce dostatečně hmotných hvězd. Kvantové efekty způsobují, že ani v prázdném prostoru žádná černá díra nemůže být přesně stacionární, ale pouze kvazistacionární, protože hmotnost, moment hybnosti i náboj postupně ubývají následkem kvantové evaporace. Na obr.4.25 jsou schématicky znázorněny základní rysy takto doplněné představy o konečných fázích evoluce dostatečně hmotné hvězdy v prázdném asymptoticky rovinném prostoročase. Gravitačním kolapsem vzniká černá díra, která se začne nejprve nesmírně zvolna, avšak s neustále rostoucí rychlostí kvantově vypařovat. Tloušťka bariéry, kterou musejí částice při kvantové evaporaci překonávat tunelovým jevem, je úměrná gravitačnímu poloměru černé díry. U velkých černých děr hvězdných hmotností (s rozměry řádově kilometry) je kvantové vypařování zcela nepatrné a v praxi je mnohonásobně převáženo akrecí plynů, částic a záření z okolního prostoru do černé díry *); zde však předpokládáme, že černá díra je ve vakuu. Teplota černé díry

bude u kolapsarů hvězdných hmotností velmi blízká absoltní nule. Může docházet k nepatrnému vyzařování velmi slabých elektromagnetických vln o velkých vlnových délkách (mnoha kilometrů).
*) Opačná by byla situace u malých primordiálních černých děr s rozměry řádově 10^-13cm, které se budou jevit velmi "horké" a jejichž kvantové vyzařování bude již velmi intenzívní (řádově 10⁹ W), viz §4.8 "Astrofyzikální význam černých děr", pasáž "Primordiální černé díry?". V případě otevřeného expandujícího vesmíru by teplota reliktního záření po uplynutí dostatečně dlouhé doby poklesla i pod teplotu černých děr hvězdných hmotností, takže nakonec by se všechny černé díry mohly kvantově vypařit (viz §5.6 "Budoucnost vesmíru. Šipka času. Skrytá hmota.").
Kvantová exploze černé mikrodíry
S postupným vypařováním (zmenšováním r_g) se intenzita záření a energie emitovaných částic neustále zvětšuje - menší černá díra září více - a budou se vyzařovat nejen fotony, ale i elektrony (+pozitrony) a později i těžké částice (protony, neutrony, ...) a antičástice. Po zmenšení na mikroskopické rozměry kvantová evaporace nabývá nakonec lavinovitý charakter jakési kvantové exploze černé díry. Černá díra tedy končí svoji existenci mohutným výbuchem, při němž se během poslední asi 0,1 sekundy uvolní energie řádově 10²³ J. Rychlost závěrečné fáze kvantové evaporace (tj. mohutnost kvantové exploze) závisí na tom, kolik různých druhů elementárních částic existuje, protože v závěrečném stadiu teplota černé díry neomezeně roste a je schopna emitovat všechny druhy elementárních částic. Výše uvedená hodnota odpovídá spektru elementárních částic jak jej známe nyní (částice složené z 6 druhů kvarků); pokud by existovaly další elementární částice o vyšších hmotnostech, mohl by finální kvantový výbuch být ještě o několik řádů silnější.

Obr.4.25. Schématické znázornění prostoročasového diagramu kolapsu za vzniku černé díry, postupné kvantové evaporace této černé díry až k její kvantové explozi a úplnému vyzáření a vymizení.

V zásadě má černá díra jen dvě možnosti chování - podle své velikosti a obsahu okolního prostředí. Buďto je "všezničující hltoun" - to když je černá díra dostatečně hmotná a její mohutné gravitační pole z okolního prostoru doslova "vysává" veškerou hmotu a nenávratně pohlcuje každé těleso, které se do její blízkosti dostane. Nebo naopak, když je černá díra velmi malá, bude "sebezničující rozdávač" - bude překotně zářit, dokud nevyzáří veškerou svoji hmotu a nakonec přestane existovat.
Kvantové vypařování: návrat hmoty a informace z černé díry?
Efekt kvantové evaporace by mohl navodit myšlenku, že hmota (a s ní spojená informace) pohlcená černou dírou při kolapsu a akreci je v černé díře jen dočasně "uvězněna" a nakonec se opět vrací do původního prostoru..?.. Tento přímočarý pohled by byl však zavádějící. Při kvantové evaporaci se "vrací zpět" pouze hodnota gravitující hmotnosti~energie, ekvivalentní látce která vytvořila černou díru. Samotná látka pohlcená černou dírou se nenávratně "roztavila" v poli - včetně všech jejích atomů a částic, veškerá její struktura zmizela. To, co se z černé díry vyzařuje při kvantové evaporaci, nejsou původní pohlcené částice, ale zcela jiné "nové" částice a záření, vznikající z gradientu gravitačního pole. Ani sebepečlivější analýzou částic, emitovaných černou dírou při kvantové evaporaci, proto nelze nic zjistit o objektech v minulosti černou dírou pohlcených - nelze "zrekonstruovat" jejich složení a strukturu! I kdybychom v myšleném pokusu "sesbírali" všechny fotony, elektrony a další částice a antičástice emitované během celého procesu evaporace a změřili jejich energie a další charakteristiky, nic by nám to neřeklo o hmotě z níž černá díra předtím vznikla.
Nedá se tedy očekávat, že kvantové vypařování černé díry je obrácený pochod ke vzniku černé díry kolapsem *), a že by se snad mohly objevit znovu některé individuální charakteristiky objektu před kolapsem. Všechny charakteristiky kromě hmotnosti, náboje a rotačního momentu hybnosti černá díra nenávratně "zapoměla" již při vzniku horizontu. Například pravděpodobnost emise částic a antičástic nezávisí na tom, zda černá díra vznikla z obyčejné hmoty nebo z antihmoty.
*) Že Hawkingův proces kvantové evaporace by byl časově obrácený kolaps, nelze očekávat již proto, že za oba procesy jsou odpovědné zcela rozdílné fyzikální teorie: klasická OTR za kolaps a kvantová teorie pole (na daném pozadí zakřiveného prostoročasu) za kvantové vypařování.
Procesem kolapsu a následné kvantové evaporace je též zcela porušen zákon zachování byryonového čísla (který se v jaderné fyzice považuje za neotřesitelný!). Černá díra (která svou hmotností vznikla převážně z baryonů) po většinu času emituje téměř výhradně fotony a jiné částice s nulovou klidovou hmotností a vyzáří takto naprostou většinu své hmotnosti. Elektrony, pozitrony a jiné leptony bude černá dira vyzařovat až se dostatečně zmenší (a tím "oteplí"), a teprve až v samém závěru blízko ke svému konci začne emitovat i baryony. Hmotnost černé díry je však v této době již velmi malá, takže principiálně by mohla vyzářit jen zcela nepatrné procento baryonů ve srovnání s množstvím baryonů z nichž při kolapsu vznikla. A i potom bude černá díra emitovat v průměru stejný počet baryonů a antibaryonů...
Paradox ztráty informace?
V §4.5 "Černá díra nemá vlasy" bylo ukázáno, že když černá díra pohltí pod svůj horizont nějakou hmotu-látku, pohltí a nenávratně pohřbí i všechny informace o ní (s výjimkou pouze celkové hmotnosti, náboje a rotačního momentu hybnosti). Tyto individuální informace o částicích a strukturách pohlcené hmoty jsou pro vnější svět definitivně "zapomenuty", žádným způsobem je již nelze zjistit. Není poznat, zda černá díra vznikla při gravitačním kolapsu z vodíku, hélia či železa, z obyčejné hmoty nebo antihmoty, jaké bylo zastoupení elektronů, protonů, neutronů, různých druhů polí. V této souvislosti se někdy hovoří o "paradoxu ztráty informace" - z hlediska obecné teorie relativity bylo diskutováno v §4.5, pasáži "Ztráta determinismu ? - Informační paradox ?". Zde budeme stručně pokračovat v této diskusi z hlediska kvantové fyziky (a příp. možností sloučení gravitace s kvantovou fyzikou) :
Determinismus v kvantové fyzice se uplatňuje na úrovni vlnových funkcí, jejichž budoucí stav je určen kvantovými operátory, které jsou časově inverzní; takže i minulý stav vlnových funkcí je zpětně determinovaný - vlnové funkce jsou jednoznačné, unitární. Předpokládá se zde, že informace by měly být zachovány. Tento "zákon zachování informace" v kvantové fyzice (její Kodaňské interpretaci) je však fakticky splněn jen na nejzákladnější modelové úrovni: když máme vlnovou funkci částice bez jakékoli interakce s "okolním světem". Potom skutečně částici máme trvale popsanou vlnovou funkcí y(t,x,y,z) , jejíž kvadrát IyI² udává hustotu pravděpobobnosti nalezení částice v daném místě (x,y,z) v čase t. Pravděpodobnost nalezení částice v určitém objemu V je pak dána integrálem _VňIyI²dxdzdy přes tento objem V. A když sečteme (zintegrujeme) hodnoty IyI² přes celý prostor, měli bychom dostat číslo "1", t.j. jistotu že částice "někde je". V tom spočívá princip unitarity: myšlenka, že součet pravděpodobností všech možných výsledků musí být "1". Během existence částice se neztratí žádná informace. Avšak ve skutečnosti při vzniku a zániku částic dochází neustále nesčíslněkrát ke ztrátě informace...
Jakmile však nastane interakce, nebo měření pozice či hybnosti částice, dochází ke "kolapsu" vlnové funkce. A v kvantové teorii pole běžně dochází ke vzniku částic a k jejich zániku, t.j. ke vzniku a zániku příslušných vlnových funkcí. Takže "informace" o existenci či neexistenci částic se neustále objevuje a ztrácí......
Fyzika černých děr v obecné teorii relativity ukazuje ztrátu informace o všech strukturních detailech hmoty zkolabované do černé díry, kromě hmotnosti, el. náboje a rotačního momentu hybnosti (§4.5 "Černá díra nemá vlasy"). Někteří kvantoví fyzikové v tom spatřují zásadní rozpor (porušení principu unitarity vlnových funkcí).
Proč to na teoretické úrovni vadí ?
Kdyby neexistovalo kvantové vyzařování černých děr a černé díry by přetrvávaly navždy, mohli bychom "alibisticky" tvrdit, že informace i nadále skrytě existují uvnitř černé díry, jen jsou pro nás nedostupné. A mnozí by tomu věřili... Černé díry se však pomalu vypařují v důsledku Hawkingova záření, které nenese žádné konkrétní informace o hmotě která černou díru vytvořila. Takže tyto informace se skutečně - fyzicky - ztrácejí !
Možným řešením by mohla být hypotéza kvantových perturbací-fluktuací horizontu: každá částice která je pohlcena černou dírou by zanechala na horizontu určitou kvantovou "stopu"... Takže jakýsi mikro-deformovaný "zvrásněný-chlupatý" horizont..?.. Hawkingovo záření kvantové evaporace černé díry by pak mohlo nést informace z těchto kvantových deformací horizontu. Problémem je ale nestabilita těchto hypotetických kvantových mikro-deformací horizontu. Jak na kvantové úrovni, tak i z hlediska obecné teorie relativity, kde veškeré gravitační a elektromagnetické nesymetrie se vyzařují ve formě gravitačních a elektromagnetických vln - a tím se zahladí...
"Ohnivá stěna" ? Ne !
Snaha o řešení informačního paradoxu též motivovala bizarní hypotézu jakési "ohnivé stěny" z vysokoenergetických kvant a záření (zmíněné již v §4.2, pasáži "Pozorovatel padající do černé díry"), která by se mohla nacházet těsně pod horizontem černé díry (A.Almheiri, D.Marolf, J.Polchinski, J.Sully v r.2012). Mohla by údajně vznikat z Hawkingova kvantového záření, jehož dvojice kvant pod a nad horizontem by mohly zůstat "kvantově provázány" i po vyzáření. Takové kvantové efekty by snad mohly nastávat u černých miniděr, nikoli však u černých děr hvězdných hmotností (či dokonce větších). Přítomnost "ohnivé stěny" je v rozporu s Einsteinovým principem ekvivalence, na němž je založena obecná teorie relativity. Proto pravděpodobně hypotéza "ohnivé stěny" je mylná, takže jsme ji při analýze vlastností černých děr neuvažovali.
Žádná "ohnivá stěna" u černé díry není, přičemž je to v souladu jak s obecnou teorií relativity, tak v zásadě i s kvantovou fyzikou.
Z faktického přírodovědného hlediska je tento "informační paradox" snad jen nepodstatným detailem (jeho astrofyzikální význam je asi nulový...). Může však být jednou z teoretických překážek u některých přístupů při sjednocování gravitace s kvantovou fyzikou..?..
Tak, jak se obecná teorie relativity musela na matematické úrovni smířit s prostoročasovými singularitami (v nichž ztrácí platnost) uvnitř černých děr a při vzniku vesmíru, měla by se kvantová mechanika smířit s možností ztráty informace při výskytu horizontů událostí. Ničemu důležitému to nebude vadit! Tento rozpor by mohla rozřešit budoucí unitární teorie pole, v rámci sjednocení všech interakcí a organického spojení kvantové fyziky s obecnou teorií relativity (§B.6 "Sjednocování fundamentálních interakcí. Supergravitace. Superstruny.").
Objektivní analýza tedy ukazuje, že v silně zakřiveném prostoročase s horizonty událostí zákon zachování informace obecně neplatí (podobně jako shora diskutovaný zákon zachování baryonového čísla)! Tato zdánlivě paradoxní ztráta informace fakticky není rozpor, ale fyzikální skutečnost: zákonitosti prostoročasu „vládnou“ i informacím !

Porušení determinismu ?
Prostoročasová událost úplného vypaření a vymizení černé díry (kvantová exploze) je vlastně nahou singularitou, která se na okamžik objeví, takže kvantová evaporace vede k porušení principu kosmické cenzury rozebíraného v §3.9. Fakticky ani není třeba čekat na úplné vypaření černé díry, protože jak ukázal Hawking [125], již během "pokojného" kvantového vyzařování je princip kosmické cenzury v jistém smyslu porušen. Emitované částice totiž vnější pozorovatel může považovat za částice pocházející ze singularity, které tunelují přes horizont podél trajektorií prostorového typu. V každém případě kvantovým zářením na nás působí oblasti, o kterých nemáme žádnou dostupnou informaci (kromě hmotnosti, náboje a momentu hybnosti). Efekt kvantového vyzařování tedy snižuje "stínící schopnost" horizontu vůči singularitě a vede tím k principiálnímu porušení determinovanosti evoluce prostoročasu [125]. V §4.5 jsme si ukázali, že teorém "černá díra nemá vlasy" omezuje naši schopnost rekonstruovat minulost, protože černá díra v sobě nenávratně "pohřbí" všechny informace o struktuře hmoty, z níž vznikla. Kvantové vyzařování nás však zbavuje i možnosti předpovídat budoucnost, protože u kvantového záření vycházejícího z černé díry (a ovlivňujícího fyzikální děje v budoucnosti) jsme schopni určit pouze pravděpodobnosti jednotlivých vyzářených konfigurací. Neurčitost a "náhodnost" pramenící z kvantové mechaniky se zde kombinuje s klasickou neurčitostí způsobenou kauzálními vztahy v silně zakřiveném prostoročase - horizont černé díry a její vlastnost "nemít vlasy".
Albert Einstein, který nikdy vnitřně nepřijal kvantovou mechaniku (přesto že k jejímu vybudování významě přispěl), jako hlavní argument proti jejímu indeterminismu uváděl metaforický výrok "Nevěřím, že Bůh hraje se světem v kostky" *). S.Hawking naopak charakterizoval kvantové procesy u černých děr slovy: "Bůh nejen že v kostky se světem hraje, ale někdy je hází i tam, kde nejsou vidět"...
*) Hra v kostky zde symbolizuje naprostou náhodnost a nepředvídatelnost toho, jaké číslo při jednotlivých vrzích padne. Einstein byl přesvědčen o kauzálním a deterministickém charakteru fyzikálních zákonů, jejichž "tvůrcem a projektantem" je symbolicky Bůh. Nevěřil, že chování jednotlivých mikročástic je principiálně náhodné a "chaotické" a teprve při velkém počtu interakcí se z různých pravděpodobností "vyloupne" určitá přesná zákonitost. Hawking naopak věřil v principiální charakter stochastických kvantových zákonitostí (ona "hra v kostky") a jako kvantový astrofyzik zdůrazňoval skutečnost, že některé částice se dostávají pod horizont černé díry, kde z vnějšího vesmíru principiálně "nejsou vidět". A efekt kvantové evaporace černé díry touto "schovanou stochastičností" může nekontrolovatelně ovlivňovat okolní vesmír..!?..

-------- níže uvedené poznatky vznikly až po sepsání knihy "Gravitace, černé díry ...", takže v knižním vydání nebyly obsaženy -----

Je možný návrat informace z černé díry ?
Shora diskutovaný paradox ztráty informace v černé díře vzbuzuje mezi některými odborníky, hlavně v oblasti kvantové fyziky, určitou nelibost; veškerá informace by se přece měla zachovávat! V poslední době dokonce sám jeho autor S.Hawking se nechal zviklat a vystoupil s kontraverzním zpochybněním, kterému se dostalo široké publicity - objevovaly se články se senzačními titulky jako "Hawking se navrací z černé díry"..!.. :

Alegorické sci-fi znázornění návratu informací při kvantovém vyzařování černé díry.
Představme si, že S.Hawhing se rozhodne "skočit" do černé díry. Při svém pádu je v blízkosti černé díry jeho tělo "špagetizováno" a posléze i atomizováno, veškeré strutury jsou zničeny. V tomto stavu je černou dírou pohlceno (část jejo hmotnosri je přitom vyzářena gravitačními vlnami).
Vzniká otázka, zda se S.Hawking, resp. informace o něm, nacházejí v té černé díře (třebas ve formě kvantových fluktuací horizontu)? A zda na základě analýzy všech kvant-částic Hawkingova záření během procesu kvantové evaporace a expolze černé díry (za nepředstavitelně dlouhou dobu cca 10⁸⁰let) by se S.Hawking snad dal "zrekonstruovat" - jakýsi jeho "návrat z černé díry"..?..

O co ze střízlivého fyzikálního hlediska jde? Jedná se o myšlenku (či přání?), že všechny informace (kromě hmotnosti, náboje a momentu hybnosti - které se zachovánají) o hmotě, která kolapsem a akrecí vytváří černou díru, se nemusí nenávratně ztratit, nýbrž část jich může být znovu vyzářena zpět při Hawkingově procesu kvantové evaporace..?.. Jakým mechanismem by však tyto informace mohly uniknout z černé díry? Byly diskutovány především dvě varianty :

S.Hawking nedávno upozornil, že kvantové fluktuace by mohly zabránit vytvoření dobře definovaného horizontu událostí, jehož "stínící schopnost" vůči informacím zevnitř černé díry by pak nemusela být tak dokonalá, jak se předpokládá v rámci obecné teorie relativity..?..
Celá záležitost možnosti vyzařování informací z černé díry (dalších než souvisejících s teorémem "černá díra nemá vlasy", tj. hmotnosti, náboje a momentu hybnosti) je zatím zcela nejasná, jedná se jen o hypotézu, na kterou odborníci nemají jednotný názor. Ve světle shora zmíněné diskuse v pasáži "Kvantové vypařování: návrat hmoty a informace z černé díry?" tato hypotéza není příliš pravděpodobná. Kvantoví zastánci „zákona zachování informace“, i kdyby se „stavěli na uši“, žádnou takovou informaci z pod horizontu událostí nevydolují..!..
Argumentovat "zákonem zachování informace" zde není asi na místě, protože úplný gravitační kolaps je tak univerzální a vše postihující událost, že i obvyklý pojem informace (používaný v klasické fyzice a standardní kvantové mechanice) zde ztrácí smysl, stává se iluzorním... (zde může být "všechno jinak" - srov. s výše diskutovaným porušením zákona zachování počtu baryonů, v jaderné fyzice nepřijatelným..!..)...
S trochou nadsázky lze říci, že: Vlastnosti prostoročasu „šéfují“ i informacím !

Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu :
Gravitace ve fyzice	Obecná teorie relativity	Geometrie a topologie
Černé díry	Relativistická kosmologie	Unitární teorie pole
Antropický princip aneb kosmický Bůh
Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření
AstroNuklFyzika ® Jaderná fyzika - Astrofyzika - Kosmologie - Filosofie


4.6. Zákony dynamiky černých děr		4.8. Astrofyzikální význam černých děr

Hawkingova kvantová evaporace černých děr