Черные дыры являются одними из самых загадочных мест во вселенной; места, где сама ткань пространства и времени деформирована настолько сильно, что даже свет не может вырваться из них. Согласно теории общей теории относительности Эйнштейна, в их центре находится особенность, место, где масса многих звезд дробится в объем с точно нулевым размером. Однако две недавние статьи по физике, опубликованные 10 декабря в журналах Physical Review Letters и Physical Review D, соответственно, могут заставить ученых пересмотреть то, что мы думаем о черных дырах. Согласно документам, черные дыры не могут длиться вечно, и вполне возможно, что мы полностью неправильно поняли их природу и то, как они выглядят в центре.
Край физики Эйнштейна
Астрономы и физики давно считают, что идея сингулярности просто должна быть ошибочной. Если объект с массой не имеет размера, то он имеет бесконечную плотность. И так же, как исследователи выбрасывают слово «бесконечность», такого рода бесконечности в природе не существует. Вместо этого, когда вы сталкиваетесь с бесконечностью в реальной, физической, научной ситуации, это действительно означает, что вы выдвинули свою математику за пределы области, в которой они применяются. Тебе нужна новая математика.
Легко привести знакомый пример этого. Закон тяготения Ньютона гласит, что сила гравитационного притяжения изменяется как единица на квадрат расстояния между двумя объектами. Поэтому, если вы возьмете мяч, расположенный далеко от Земли, он будет испытывать определенный вес. Затем, когда вы приблизите его к Земле, вес увеличится. Если довести это уравнение до крайности, когда вы приблизите объект к центру Земли, он будет испытывать бесконечную силу. Но это не так.
Вместо этого, когда вы приближаете объект к поверхности Земли, простой закон тяготения Ньютона больше не применяется. Вы должны принять во внимание фактическое распределение массы Земли, а это значит, что вам нужно использовать разные и более сложные уравнения, которые предсказывают другое поведение. Точно так же, хотя теория общей относительности Эйнштейна предсказывает, что в центре черных дыр существует особенность бесконечной плотности, это не может быть правдой. При очень малых размерах новая теория гравитации должна вступить в игру. У нас есть общее название для этой новой теории: она называется квантовой гравитацией.
Квантовая гравитация названия просто означает «гравитация в самых маленьких масштабах», но фраза не подразумевает определенную теорию. Тем не менее, были сделаны конкретные теоретические предложения, которые описывают гравитацию в микромире. Одно предложение называется петлевой квантовой гравитацией.
Петлевая квантовая гравитация четко определена математически, и она выражает ткань пространства-времени как решетку спиновых сетей, которые эволюционируют во времени. Спиновые сети - это просто математическая формулировка, которая описывает, как частицы и поля взаимодействуют. С более практической точки зрения петлевая квантовая гравитация предсказывает, что пространство-время квантуется с наименьшей возможной единицей или частью пространства и времени, за пределы которой пространство-время не может быть подразделено дальше.
Петлевая квантовая гравитация - это сложная математическая теория, которая сопротивляется созданию проверяемых предсказаний внутри черных дыр. Однако Абхай Аштекар и Хавьер Олмедо из Университета штата Пенсильвания и Парампри Сингх из Университета штата Луизиана применили петлевую квантовую гравитацию к центру черных дыр. Они утверждают, что результат не сингулярность.
Их расчет предсказывает, что пространство-время очень сильно изгибается вблизи центра черной дыры. В результате пространство-время в будущем превращается в регион, имеющий структуру белой дыры. Белая дыра, как черная дыра в обратном направлении, означает, что в отличие от черной дыры, которая притягивает материю, белая дыра выбрасывает материю.
Возможно, есть другой способ представить, что они предсказывают. Хорошо известно, что в сильных гравитационных полях время замедляется. А черные дыры содержат сильнейшие гравитационные поля во вселенной. Из-за этого одна из возможных интерпретаций этой новой работы состоит в том, что материя падает в черную дыру, а затем «подпрыгивает», отбрасывая массу обратно через космос. Поскольку время так близко к центру черной дыры, этот процесс просто занимает огромное количество времени. Если исследователи правы, в очень отдаленном будущем, где сейчас есть черные дыры, материя будет извергаться, распространяя материю по всему космосу.
Как всегда в теоретической науке, есть много интересных и провокационных идей, которые просто не соответствуют действительности, и это может быть одной из них. Поэтому важно посмотреть, есть ли экспериментальная поддержка таких теоретических идей.
Есть несколько возможностей. Ученые наблюдали явления очень высокой энергии в космосе, которые не были полностью объяснены. Одним из них является существование космических лучей очень высокой энергии, которые попадают в атмосферу Земли. Другой - то, что называют "быстрыми радиовсплесками", когда большое количество радио энергии наблюдается в очень короткий промежуток времени. Оба эти явления, по крайней мере в принципе, могут быть признаком перехода черной дыры в белую.
Конечно, преждевременно принимать эту интересную новую идею. Вместо этого было бы разумно видеть, как разворачиваются текущие вычисления с использованием петлевой квантовой гравитации. Если прогнозы улучшатся и станут больше походить на некоторые необъяснимые наблюдаемые астрономические явления, возможно, этот новый результат объяснит как работает квантовая гравитация и изменит наше понимание как прошлого, так и будущего нашей вселенной.
Дон Линкольн - исследователь физики в Fermilab, Он является авторомБольшой адронный коллайдер: экстраординарная история бозона Хиггса и других вещей, которые поразят ваш разум"(Johns Hopkins University Press, 2014), и он выпускает серию научных исследований видео, Следуй за ним в Фейсбуке, Мнения, высказанные в этом комментарии, принадлежат ему.
Дон Линкольн внес эту статью в Live Science's Голоса экспертов: Op-Ed & Insights.
