Особенности гипотезы «космической цензуры»
Сингулярность может существовать вне черных дыр — в других Вселенных. Об этом говорится в Scientific American. Недавняя работа показала, как «голые сингулярности» могут опровергнуть гипотезу космической цензуры.
Черные дыры — это структуры, которые всё поглощают на своём пути, но что, если они защищают нас от непредсказуемых воздействий тех мест, где нарушается наше физическое понимание Вселенной? Этот вопрос лежит в основе многолетней физической головоломки, известной как «космическая цензура», и исследователи, возможно, наконец-то стали близки к ответу.
Внутри черных дыр заканчивается известная нам физика. Наша текущая теория гравитации, общая теория относительности Эйнштейна, предсказывает собственную неудачу в точках пространства-времени, называемых «сингулярностями». Согласно уравнениям, в этих точках гравитационные поля ведут себя непредсказуемо, часто усиливаясь до невероятно, бесконечно высоких уровней, где сами уравнения не могут описать то, что происходит.
Основополагающие принципы физики требуют, чтобы реальный физический мир продолжал иметь смысл внутри черных дыр. Они склонны интерпретировать это нарушение математики как означающее, что некоторая еще неизвестная физика, которая, вероятно, включает квантовую механику, берет верх около сингулярностей. Но пока они не найдут теорию, объединяющую гравитацию и квантовую физику, невозможно узнать, что именно происходит в этих точках.
К счастью, благодаря сингулярностям, скрытым внутри черных дыр, нам не нужно беспокоиться об их потенциально причудливом воздействии на внешний мир. Но что, если эти особенности могут проявиться снаружи — сами по себе? Последствия могут быть огромными. «Голые сингулярности приводят к потере предсказательной силы общей теории относительности», — говорит Йен Чин Онг, физик из Университета Янчжоу в Китае, изучавший природу сингулярностей в теориях гравитации.
В 1960-х годах британский физик Роджер Пенроуз занимался математикой черных дыр и сингулярностей, которая позже принесла ему Нобелевскую премию по физике 2020 года. В то время никто не обнаружил убедительных доказательств того, что уравнения общей теории относительности могут описывать эти открытые сингулярности в физически разумной Вселенной. Они материализовались только в черной дыре. Пенроуз собрал воедино ключи, которые наводили на предположение — обоснованное предположение, а не надежное доказательство, что общая теория относительности никогда не сделает этого предсказания. Эта гипотеза известна как космическая цензура: каким-то образом математика должна работать так, чтобы природа подвергала цензуре эти «голые» особенности существования.
Космическая цензура — это идея, которая кажется физикам правильной, и большинство полагает, что это так. Хотя исследователи предложили способы обнаружить обнаженные сингулярности — наблюдаемые признаки, которые могли бы отличить их от черных дыр, — астрономы еще не увидели никаких свидетельств их существования. Тем не менее, по прошествии более чем 50 лет никто не подтвердил и не опроверг предположение Пенроуза.
В первые несколько десятилетий после первоначальной работы Пенроуза теоретические исследования подтвердили идею о сохранении космической цензуры. Затем, в 2010 году, физики Луис Ленер и Франс Преториус использовали компьютерное моделирование, чтобы показать, что внешняя поверхность черных дыр может распадаться на части и оставлять голые сингулярности. Однако трещина имеет любопытный поворот. Это происходит в результате так называемой нестабильности Грегори-Лафламма, которая может произойти только во вселенных с более чем тремя измерениями пространства. Другими словами, такого рода нестабильности, обнаруживающие сингулярности, должны быть невозможны в трех измерениях нашей Вселенной, как это описано в общей теории относительности.
Несмотря на это предостережение, результат все же имеет значение. Взяв этот пример в качестве отправной точки, исследователи могут искать похожие процессы и спрашивать: «Происходит ли что-то подобное в нашей Вселенной?» Если ответ отрицательный, они могут спросить: «Почему бы и нет?» Пау Фигерас, физик из Лондонского университета королевы Марии, говорит, что такой подход не дает полного доказательства, но все же убедителен. «Если этот конкретный процесс — единственный способ нарушить космическую цензуру, — говорит он, — и астрофизические черные дыры не страдают от этого, то это предлагает способ доказать, что гипотеза Пенроуза верна в астрофизическом пространстве-времени».
Результат Ленера и Преториуса вызвал новый всплеск интереса к космической цензуре. По словам Фигераса, эта область набрала обороты в последнее десятилетие, во многом благодаря достижениям в области вычислений, которые позволили вычислить, как черные дыры развиваются и, в некоторых случаях, распадаются, чтобы выявить сингулярности. «Дело не только в том, что необходимые компьютеры не были доступны 20 лет назад», — говорит он. «Мы не понимали, как моделировать общую теорию относительности и, следовательно, черные дыры в компьютерах». В результате, говорит он, да, голые сингулярности встречаются чаще, чем ожидалось — во вселенных с дополнительными измерениями.
Фигерас и его коллеги продемонстрировали, например, что голые сингулярности могут проявляться при столкновении черных дыр. Такие столкновения случаются даже в нашем университете. Но исследователи обнаружили, что такие события в нашей Вселенной не приводят к тому же результату — столкновение всегда заканчивается сингулярностью, все еще находящейся внутри черной дыры.
Полное доказательство или окончательное опровержение гипотезы Пенроуза о космической цензуре остается неуловимым. Однако независимо от того, верна эта гипотеза или нет, сама загадка больше не является главным вопросом для большинства теоретиков, говорит Онг. «Это то, что мы можем узнать в процессе, какие идеи мы можем получить, какие инструменты мы можем разработать», — добавляет он. «Путешествие будет иметь значение, а не только пункт назначения».