Předpověď existence černých děr

Nobelova cena za fyziku v roce 2020

V roce 2020 byla udělena Nobelova cena za fyziku třem významným vědcům, kteří se zasloužili o výzkum týkající se černých děr ve vesmíru. Polovinu ceny získal Roger Penrose (*1931) z Oxfordské univerzity za objev skutečnosti, že „tvorbu černých děr lze robustně předpovědět z Einsteinovy teorie relativity“. O druhou polovinu ceny se rozdělili Reinhard Genzel a Andrea Ghezová za „objev superhmotné černé díry v centru naší Galaxie“. Zatímco R. Penrose dovodil existenci černých děr na základě teoretických úvah vycházejících z řešení rovnic Einsteinovy obecné teorie relativity, R. Genzel a A. M. Ghezová prokázali přítomnost černé díry v centru Galaxie na základě pozorování pohybu hvězd v blízkosti centra Galaxie.

Andrea Mia Ghezová (*1965) studovala fyziku na Massachusettské technice, doktorát získala na Kalifornské technice. Je čtvrtou ženou, která získala Nobelovu cenu za fyziku.

Reinhard Genzel (*1952) studoval fyziku na Univerzitě ve Freiburgu, doktorát získal na Univerzitě v Bonnu. Byl také profesorem na Kalifornské univerzitě v Berkeley (v USA je profesura funkční). Je jedním ze čtyř vědeckých ředitelů Ústavu Maxe Plancka pro mimozemskou fyziku.

Roger Penrose (*1931) vystudoval topologii a většinu své profesní dráhy se zabýval teoretickou fyzikou. Doktorát získal na Univerzitě v Cambridgi a je profesorem na Oxfordské univerzitě. Česky vyšly jeho popularizující knihy Makrosvět, mikrosvět a lidská mysl (1999), Povaha prostoru a času (2000), Cykly času (2013) a science fiction Bílý Mars, kterou napsal spolu s Brianem Aldissem.

Ivan Boháček

Předpověď existence černých děr

Černé díry jsou jednou z nejzajímavějších předpovědí teoretické fyziky. Otázku, zda ve vesmíru mohou existovat natolik kompaktní tělesa, že úniková rychlost z jejich povrchu převyšuje rychlost světla, si pravděpodobně jako první položil John Michell v roce 1784. Vypočítal, že pokud by takové těleso bylo složené z materiálu stejné hustoty, jako je naše Slunce, stačilo by, aby bylo jen 500krát větší. Ačkoli byl jeho výpočet založen na tehdejších představách fyziky (Newtonově teorii gravitace, korpuskulární teorii světla), správně určil vztah mezi rozměrem a hmotností takového tělesa, který je dán jen základními konstantami fyziky (rychlostí světla a gravitační konstantou). Tento fakt dobře ilustruje zcela výjimečné postavení černých děr v rámci moderní fyziky: jde o tělesa v jistém smyslu fundamentální, o jejichž vlastnostech rozhodují jen základní přírodní zákony, nezáleží, jakými procesy ani z jaké látky vznikly. Podobné postavení mají v současné fyzice už jen elementární částice.

Teoretickým rámcem k popisu černých děr je Einsteinova teorie relativity, která spojila do té doby odděleně vnímaný čas a trojrozměrný prostor v jeden čtyřrozměrný celek, prostoročas. To, co z něj různí pozorovatelé vnímají jako prostor a čas, záleží na jejich pohybovém stavu. Světelné signály, na jejichž rychlosti se však všichni pozorovatelé shodnou, určují kauzální strukturu prostoročasu, oddělují oblasti, které se mohou vzájemně ovlivnit, od těch kauzálně nezávislých. Urychlení pozorovatelé pociťují přítomnost tzv. setrvačných sil, které nelze odlišit od působení homogenního gravitačního pole, nehomogenity v gravitačním poli jsou projevem vnitřní křivosti prostoročasu. Michellova hypotetická temná tělesa popisující oblasti, z nichž v důsledku silného gravitačního pole světlo nemůže uniknout, jsou tak projevem fundamentální kauzální struktury zakřiveného prostoročasu.