НаверхПрорыв в физике: Уравнения Эйнштейна не работают — что скрывается в сердце чёрной дыры?
Что, если Эйнштейн недодумал? Учёные в шаге от разгадки: что скрывается в центре чёрной дыры вместо сингулярности – и почему это изменит физику навсегда.
Физики-теоретики предложили потенциальное решение одной из самых загадочных проблем современной физики: парадокса чёрной дыры сингулярности. Чёрные дыры продолжают оставаться одной из самых интригующих загадок космоса. Исследователи предполагают, что, изменив общую теорию относительности Эйнштейна, можно заменить центр чёрной дыры с бесконечной кривизной сильно искривлённой, но упорядоченной областью пространства-времени. Об этом говорится в новом исследовании.
«Сингулярности — это области Вселенной, где пространство, время и материя сжимаются и растягиваются до небытия», — рассказал Live Science по электронной почте соавтор исследования Роби Хеннигар, научный сотрудник Даремского университета в Великобритании. «Чёрные дыры ставят перед нами фундаментальные вопросы о природе реальности. Это очень серьёзная проблема, ведь если бы сингулярности действительно существовали в нашей Вселенной, это стало бы катастрофой для науки.
«Мы больше не можем использовать уравнения физики для прогнозирования будущего на основе прошлого и настоящего, — продолжил он. — По этим причинам большинство практикующих учёных считают, что сингулярности не являются физическими объектами, а указывают на то, что общая теория относительности должна быть заменена более полной теорией для описания Вселенной вблизи сингулярностей». Чёрные дыры могут оказаться ключом к новой физике.
Поправляя Эйнштейна
С момента своего появления в 1915 году общая теория относительности успешно объясняет астрофизические и космологические явления, в том числе образование чёрных дыр, структуру нейтронных звёзд, а также крупномасштабную структуру и эволюцию Вселенной.
Однако у этой теории есть фундаментальные ограничения. Она несовместима с квантовой механикой, которая описывает поведение частиц на мельчайших масштабах, и предсказывает наличие сингулярностей — точек с бесконечной плотностью — в центрах чёрных дыр и в момент Большого взрыва.
Чтобы решить эту проблему, исследователи использовали концепцию, известную как квантовая гравитация, которая обычно применяется при попытках объединить общую теорию относительности Эйнштейна с квантовой механикой, предсказывающей непрерывное создание и уничтожение частиц в пустом пространстве, а также постоянные флуктуации во всех полях, включая гравитацию. Их исследование, опубликованное в феврале в журнале Physics Letters B, предполагает, что при чрезвычайно высоких энергиях или невероятно малых расстояниях общая теория относительности должна быть дополнена бесконечным рядом дополнительных членов в уравнениях.
«В квантовой гравитации учитываются все поправки к уравнениям, связывающим энергию и импульс системы с кривизной пространства-времени, которые согласуются с известными физическими принципами, — сказал Хеннигар. — Разные подходы к квантовой гравитации по-разному оценивают различные члены в уравнениях, но все они предполагают, что уравнения Эйнштейна нуждаются в доработке».
Внедрив эти модификации в свои расчёты, исследователи изучили, как чёрные дыры будут вести себя в рамках этой обновлённой теории. Их результаты показали, что при включении бесконечного числа новых членов сингулярность исчезает. Вместо бесконечно плотной точки ядро чёрной дыры становится сильно искривлённой, но упорядоченной областью пространства-времени.
Проверка теории
Хотя новая модель математически решает проблему сингулярности, научные теории в конечном счёте должны быть проверены с помощью наблюдений. Исследователи признали, что прямое подтверждение их идеи представляет собой серьёзную проблему.
«Само по себе отсутствие сингулярностей трудно проверить экспериментально, потому что это могло бы произойти внутри чёрной дыры или в самом начале Вселенной», — сообщил Live Science в электронном письме Пабло Кано, научный сотрудник Барселонского университета и ещё один соавтор исследования. «Однако мы можем искать признаки теорий, которые приводят к устранению сингулярностей.
«Модификации общей теории относительности, которые мы рассматриваем, становятся более заметными в более сильных гравитационных полях, но в остальных случаях они очень незначительны, — добавил Кано. — Это означает, что, например, гравитационные волны, возникающие при столкновении чёрных дыр, где гравитационные поля намного сильнее, чем в Солнечной системе, позволяют искать эти эффекты».
Ещё одним перспективным направлением является изучение ранней Вселенной. Если эффекты этой теории модифицированной гравитации повлияли на космическую инфляцию — быстрое расширение, последовавшее за Большим взрывом, — то свидетельства этих изменений могут быть запечатлены в первичных гравитационных волнах. Будущие эксперименты, направленные на поиск этих сигналов, могут помочь проверить обоснованность теории.
Следующие шаги
Кроме того, необходимы дальнейшие теоретические исследования, чтобы определить, могут ли чёрные дыры без сингулярностей образовываться естественным путём в результате гравитационного коллапса и применим ли подход команды к другим типам сингулярностей, например связанным с Большим взрывом.
«Недавно мы показали, что коллапс определённого типа материи в рамках этой теории приводит к образованию таких обычных чёрных дыр, — сказал Пабло Буэно, научный сотрудник Барселонского университета и соавтор исследования. — Мы хотели бы проверить это предположение в более общих условиях. Это может привести к появлению интригующих особенностей в других областях, таких как явные модели «отскакивающей» космологии, в которых обычный сценарий Большого взрыва заменяется бесконечной чередой расширяющихся и сжимающихся фаз.
Астрономы нашли способ заглянуть в прошлое и услышать черные дыры
