Vědci v laboratoři vytvořili miniaturní analog černé díry

Fyzici získali záření černé díry z optického vlákna a poprvé sledovali, jak toto světlo reaguje zpět se simulovanou černou dírou, která jej vytvořila. Výsledek poskytuje vzácný praktický pohled na Hawkingovo záření – slabou tepelnou emisi, o které Stephen Hawking předpověděl, že by měla unikat z černých děr. Výzkumný tým v nové studii tvrdí, že je to doklad tlaku, který by v principu mohl způsobit pomalé odpařování skutečné černé díry. Mezinárodní tým v rámci laboratorního experimentu s optickými vlákny detekoval jak samotné záření, tak jeho dlouho hledanou „zpětnou reakci“ – způsob, jakým záření vrací energii zpět a přetváří objekt, který ho vytvořil.

Vědci nevytvořili skutečnou černou díru ze světla, jak hlásaly senzační titulky, ale podařilo se jim napodobit chování černé díry v laboratorních podmínkách pomocí světla v optických vláknech. Jde o tzv. analogové černé díry: fyzikální systémy, které se nechovají jako kosmické černé díry z hmoty, ale matematicky kopírují jejich vlastnosti.

Co to znamená?

Vědci poslali ultrarychlé laserové pulsy do speciálně upraveného optického vlákna. Jeden pulz dočasně změní optické vlastnosti vlákna (index lomu) tak, že pro další světlo vznikne bod, odkud už nemůže uniknout – přesně jako „horizont událostí“ u černé díry. Tento umělý horizont pak zachytává určité světelné vlny, vytváří Hawkingovo záření, tedy slabé tepelné záření, které podle teorie má unikat z černých děr. Vědci dokonce poprvé pozorovali i „zpětnou reakci“ – jak záření jemně ovlivňuje samotný pulz, který horizont vytvořil.

Nejde o skutečnou černou díru, která by měla gravitaci nebo hmotnost. Je to optický trik, který vytváří prostředí, kde se světlo chová matematicky stejně jako u černé díry. Díky tomu mohou fyzici testovat Hawkingovu teorii, protože skutečné Hawkingovo záření z kosmických černých děr je příliš slabé na přímé pozorování.

Proč se tomu říká „černá díra ze světla“?

Protože celý systém je vytvořen jen z laserových pulzů a optického vlákna – žádná hmota, žádná gravitace. Ale vznikne hranice, odkud světlo nemůže uniknout, což je definice černé díry – jen v analogové, negravitační podobě.

Hawking to předpověděl

Podle nové studie, publikované 1. července 2026 v časopise Nature, se světlo chovalo přesně tak, jak Hawking předpověděl: jako záření teplého objektu, s určitou teplotou a spektrem, které postupně slábne směrem k vyšším frekvencím. „Jacob Bekenstein předpověděl, že černé díry mají entropii a teplotu, a Hawking vypočítal tepelné záření černé díry,“ řekl spoluautor studie Ulf Leonhardt, fyzik z Weizmannova institutu věd v Izraeli. „V Hawkingově-Bekensteinově záření se setkává kvantová fyzika, obecná relativita a termodynamika – obory, které jsou obvykle ve vzájemném konfliktu.“

Konflikt sahá hluboko

Obecná relativita zobrazuje prostor a čas jako hladké a spojité, zatímco kvantová mechanika popisuje svět diskrétních, nepředvídatelných skoků. Zatím se nikomu nepodařilo tyto dva přístupy plně sladit.

Tato kombinace je přesně to, co dělá Hawkingovo záření tak obtížně studovatelným. Astronomové nikdy nepozorovali Hawkingovo záření ze skutečné černé díry a pravděpodobně ho nikdy neuvidí; záře je příliš slabá na to, aby se dala rozeznat v celém vesmíru. Fyzici se proto obrátili na laboratorní „náhradníky“, kteří se řídí stejnými matematickými rovnicemi. Staví analogy černých děr z tekoucí vody, ultrachladných atomů a nebo, jako v této studii, ze světla.

Vytvoření černé díry ze světla

Trikem stojícím za každou analogií černé díry je pohyblivé médium. „Představte si plavce v moři s proudem rychlejším, než dokáže plavat,“ vysvětlil Leonhardt. „Je stržen. To se děje za horizontem [událostí], a proto normálně nic nemůže černé díře uniknout.“

Horizont událostí černé díry je hranicí, kde se tento proud – v reálném životě samotný prostor – začíná pohybovat rychleji, než se cokoli může pohybovat. Aby ho vědecký tým mohl vytvořit, potřeboval materiál, který se řítí rychlostí světla. Jejich řešení bylo elegantní: použít přímo světlo k výrobě „materiálu“. „V optice potřebujeme materiál, který se zdá, že se pohybuje rychlostí světla,“ řekl Leonhardt. „K tomu používáme samotné světlo – v nelineární optice se světlo chová jako materiál.“

V experimentu vědci vyslali intenzivní, ultrakrátký „pumpovací“ pulz do tenkého fotonicko-krystalického vlákna, vlákna skla propleteného vzorem drobných vzduchových kanálků probíhajících po jeho délce, což umožňuje vědcům jemně doladit, jak se světlo pohybuje skrz něj. Během cesty puls mírně změnil způsob, jakým sklo ohýbá světlo, a vytvořil pohybující se zpomalovací rampu, která se s ním hnala. Druhý, mnohem slabší puls „sondy“ pak narazil do této pohybující se fronty. Tam, kde sonda už nemohla držet krok, se vytvořil umělý horizont – a zrodil se analog černé díry.

Zachycení záře a její odraz

Výsledek přišel v ultrafialovém spektru. Podle teorie vzniká Hawkingovo záření v párech: Jeden partner uniká, zatímco druhý, nesoucí „negativní“ energii, je zrcadlovým obrazem, který by dopadl do skutečné černé díry. Ve vlákně se tento partner projevil jako ultrafialové světlo. „Počítali jsme fotony v ultrafialovém spektru, které odpovídají Hawkingovým partnerům za horizontem,“ vysvětlil Leonhardt. „Mají vlnovou délku kolem 233 nanometrů. To byl náš signál.“

Stejně důležité jako vidět záření bylo pochopit, jak vzniká. Po léta vědci předpokládali, že vlákno vytváří své Hawkingovo záření kaskádou – řetězcem samostatných kroků, ve kterých se světlo přeměňuje nejprve na jednu přechodovou formu a poté na další, přičemž každá z nich zásobuje tu další, než se konečně objeví záření. Tým zjistil, že místo toho funguje jediná přímá interakce, kdy světlo pumpy a sondy vytváří Hawkingův pár v jednom čistém kroku. Je to mnohem jednodušší obraz, který by se podle vědců mohl přenést i na jiné analogy a možná i na skutečné černé díry.

Protože energie musí odněkud pocházet, mělo by Hawkingovo záření ovlivnit (postrčit) zdroj, který ho vytvořil. U skutečné černé díry je toto postrčení způsob, jakým ztrácí hmotnost a v nepředstavitelných časových horizontech se zcela vypařuje – proces, který Hawking popsal ve svém přelomovém článku z roku 1974. Žádný experiment tento zpětný ráz nikdy nezachytil.

Zde to tým viděl. Produkce záření posunula malou část vlastního světla čerpacího pulzu na mírně odlišnou barvu, což ve spektru zanechalo zřetelný nerovný vzor. Tato asymetrie, která v dřívějších experimentech chyběla, je otiskem zpětné reakce neboli zpětného rázu – analog černé díry tiše platí energetickou cenu za svou vlastní záři.

Cesta ke kvantovému experimentu

Výsledek také hovoří o jedné z nejtrnitějších hádanek ve fyzice černých děr: transplanckovském problému. Pokud vystopujeme Hawkingovo záření zpět k místu, kde se zrodilo, výpočet narazí na území, za které žádný fyzik nemůže ručit – Planckovu škálu, mizivě malou velikost, při které se předpokládá, že prostor a čas ztrácejí svůj známý význam a veškerá známá fyzika se bortí. Jinými slovy, Hawkingova předpověď se zdá být založena na základech, které nemusejí existovat.

„Jakékoli světlo, které se vzdálí od horizontu, je enormně natažené,“ řekl Leonhardt. „Musí tedy pocházet z vln menších než je nejmenší měřítko v přírodě, kde je fyzika neznámá. Dávalo by to stále Hawkingovo záření? To byla otázka a my jsme na ni v našem experimentu odpověděli.“ Je pozoruhodné, že záření zůstalo i v tomto extrémním režimu dokonale tepelné.

Další krok týmu je už naplánován. Dosud používali běžné laserové světlo, které reprodukuje spektrum Hawkingova záření, ale ne jeho nejhlubší kvantovou podivnost. Dále tým plánuje „jít kvantově,“ řekl Leonhardt. „Budeme zkoumat, jak se dostat do kvantového režimu a pozorovat kvantové rysy, jako je provázání“ – tajemné spojení, které by mělo spojovat každou unikající Hawkingovu částici s jejím ztraceným partnerem.

Zdroj: Procopio, L. M., Aguero-Santacruz, R., Bermudez, D., & Leonhardt, U. (2026). Backreaction of stimulated Hawking radiation in an optical analogue. Nature, 655(8122), 336–341. https://doi.org/10.1038/s41586-026-10720-3