Proč se vědci snaží vytvořit na Zemi černou díru? A jak to udělají?

Černé díry jsou nenasytné látky, které polykají vše v okolí. To je důvod, proč se vědci obávají, že by jejich kolegové mohli náhodně nebo záměrně vytvořit podobné jevy, například uvnitř urychlovače částic, velkého hadronového urychlovače (LHC). Co se stane v tomto případě? Pojďme na to přijít.

Jak by vypadala černá díra, kdyby byla vytvořena v laboratoři?

Černá díra vzniká, když zemře hvězda mnohem hmotnější než naše Slunce. Jak vnější vrstvy hvězdy explodují směrem ven v supernově, její jádro je rozdrceno dovnitř a sráží se směrem k jejímu centrálnímu bodu takovou silou, že ji žádná síla známá ve vesmíru nemůže zastavit. To má za následek subatomární kapku nepředstavitelné hmotnosti a hustoty, jejíž gravitace je tak silná, že z jejích spárů nemůže uniknout ani něco, co se pohybuje rychlostí světla. Tomu se říká černá díra.

Když k němu poletíte příliš blízko, spolkne vás. Pouze uvnitř sférické hranice obklopující díru bude vtažena osoba nebo jakýkoli jiný předmět. Obrovské černé díry mají velkou hranici (horizont událostí) – miliony kilometrů v průměru, zatímco menší mají v průměru jen desítky kilometrů. Pokud bychom v laboratoři dokázali vytvořit černou díru o hmotnosti pouhých 500 g, její horizont událostí by byl bilionkrát menší než horizont protonu.

I kdyby chtěl někdo něco podobného vytvořit v laboratoři na Zemi, limity naší techniky by nám to nedovolily. Vědci tvrdí, že umělá černá díra by měla tak nízkou hmotnost, že by její gravitační vliv byl relativně malý.

Ve skutečnosti se již v roce 2021 vědci pokusili vytvořit umělou černou díru. Přesněji zopakovat princip jeho fungování. Již v roce 1974 Stephen Hawking tvrdil, že typ záření podobný tepelnému záření vzniká jako uvolnění z přerušení kvantových fluktuací způsobených horizontem událostí. Hawkingovo záření je však pravděpodobně příliš slabé na to, aby jej bylo možné detekovat ze Země, a pravděpodobně příliš obtížné jej detekovat nebo odfiltrovat – za předpokladu, že vůbec existuje. K ověření této teorie se vědci rozhodli simulovat díru v laboratoři.

Vědci umožnili elektronům přeskakovat z jedné pozice do druhé a vytvořit tak jednorozměrný řetězec atomů. Některým vlastnostem bylo umožněno zmizet a efektivně vytvořit jakýsi plochý horizont, který narušoval vlnovou povahu elektronů. To způsobilo nárůst teploty, jak se teoreticky očekávalo od černé díry, a napodobilo časoprostor, který by mohl být v určitých simulacích považován za plochý.

Částice byly vytvořeny poruchami v kvantových fluktuacích způsobených roztrháním časoprostoru černou dírou. Hawkingovo záření se pak projevilo ve formě viditelného světla. Černá díra, kterou vědci vypěstovali v laboratoři, se skládala z proudu plynu (asi 8000 XNUMX atomů rubidia, ochlazeného téměř na absolutní nulu a drženého na místě laserovým paprskem). Vytvořili stav hmoty známý jako Bose-Einsteinův kondenzát, který umožňuje tisícům atomů působit jednotně, jako by byly jedinou entitou.

Proč chtějí vědci vytvořit černou díru?

Schopnost vytvořit černou díru v laboratoři je cílem, který vědci aktivně sledují. Umožní výzkumníkům odpovědět na mnoho zásadních otázek o kvantové mechanice a povaze gravitace.

Obavy z toho, že LHC dokáže vytvořit černou díru, vznikly proto, že v Einsteinově speciální teorii relativity jsou hmotnost (m) a energie (E) zaměnitelné: odtud slavná rovnice E = mc2, kde „c“ je rychlost světla. Vzhledem k tomu, že supercollider rozbíjí protony dohromady neuvěřitelnou rychlostí (blízko rychlosti světla) a energií, mohou vzniknout nejrůznější podivné a exotické částice, včetně černé díry.

Ale vytvoření díry s mikroskopickým horizontem událostí by vyžadovalo miliardkrát více energie, než dokáže vyrobit LHC. I kdyby dokázal vytvořit takovou látku, objekt by rychle ztratil energii a rozplynul by se v mrknutí oka.

Před spuštěním zařízení v roce 2008 někteří výzkumníci navrhli, že pokud by struktura časoprostoru měla další rozměry, jako jsou ty, které navrhuje teorie strun (možný způsob, jak sjednotit kvantovou fyziku a gravitaci do jediné teorie), mohla by být vytvořena černá díra. Je to proto, že v našem čtyřrozměrném vesmíru je gravitace příliš slabá na to, aby vtlačila hmotu do černé díry.

Pokud však existují jiné dimenze, gravitace nemusí být tak slabá, jak si myslíme, protože část její síly může do těchto dimenzí unikat. V takovém vesmíru se černá díra objevující se uvnitř atomového rozbíječe stává mnohem reálnější a potenciálně otevírá pohled na samotnou podstatu gravitace. Tento objev by byl jedním z nejpodivnějších a nejúžasnějších jevů.

Nápad se chopila média a vyvolala velkou senzaci. Německý chemik dokonce podal na CERN žalobu k Evropskému soudu pro lidská práva. Zvláštní komise fyziků začala tento problém studovat v roce 2003 a dospěla k závěru, že vzhledem k tomu, že částice z vesmíru by zasáhly atmosféru s energiemi mnohem většími než energie superkolideru, aniž by vytvořily černé díry, zdá se taková možnost nepravděpodobná. Zpráva výboru byla revidována a znovu vydána v roce 2008 s dalšími informacemi, které měly zmírnit obavy veřejnosti.

Dosud nebyly na LHC pozorovány žádné černé díry. Ale kdo ví, kam povede technologický vývoj v budoucnu.