В 1965 году британский математик Роджер Пенроуз выдвинул гипотезу космической цензуры, концепцию, которая предполагает, что сингулярности — области, где гравитация настолько сильна, что ткань пространства-времени разрывается, — никогда не могут быть обнаружены, поскольку они остаются скрытыми за горизонтом событий черных дыр.
Пенроуз получил Нобелевскую премию 2020 года за свою работу, в которой описывается, что сингулярности — это уникальные точки пространства-времени, где классические законы физики, такие как общая теория относительности, не работают .
Однако, хотя описание Пенроузом сингулярностей черных дыр пользуется широким уважением и признанием среди физиков, до сих пор не было никаких математических доказательств, подтверждающих гипотезу космической цензуры.
Наконец, исследование раскрывает новую модель, которая обеспечивает прочную математическую основу для скрытой природы сингулярностей в квантовых черных дырах. Авторы исследования предполагают, что их выводы могут разрешить многие загадки, связанные с квантовой гравитацией.
Расшифровка квантовой космической цензуры
В отличие от классических черных дыр, квантовые черные дыры — это крошечные субатомные структуры, которые управляются правилами как квантовой механики, так и общей теории относительности. В то время как обычные черные дыры образуются в результате коллапса массивных звезд, квантовые черные дыры могут быть созданы в ускорителе частиц, таком как большой адронный коллайдер.
Однако ученые нашли убедительные доказательства, указывающие на присутствие классических черных дыр в космическом пространстве, тогда как квантовые черные дыры до сих пор остаются теоретической концепцией.
Учитывая их теоретическую природу, авторы исследования разработали модель, которая проверяет, остаются ли сингулярности квантовых черных дыр экранированными при взаимодействии с ними квантовой материи. Эта модель использует гравитационную голографию — подход, который помогает ученым понять эффект гравитации в экстремальных условиях, таких как те, что находятся внутри черной дыры.
Используя метод голографии, информацию о черной дыре можно закодировать на ее границе (горизонт событий), подобно тому, как голограмма содержит трехмерную информацию в двумерном изображении.
Результаты модели показывают, что при введении квантовой материи в геометрию пространства-времени из-за квантового эффекта вокруг голой сингулярности образуется горизонт событий, полностью скрывающий ее из виду.
Поскольку этот эффект наблюдается в квантовом масштабе, его называют квантовой космической цензурой. «Этот процесс — квантовые эффекты, изменяющие исходную классическую геометрию, чтобы облечь сингулярность — интуитивно улавливает дух космической цензуры, но это исключительно квантовый эффект. И поэтому его называют «квантовой» космической цензурой», — сказал Эндрю Свеско, один из авторов исследования и научный сотрудник Королевского колледжа в Лондоне .
Испытательный стенд для квантовой гравитации
Хотя ученые еще не предоставили математических доказательств космической цензуры в классической физике, новая модель будет работать как важный шаг в этом направлении. Кроме того, она поможет ученым разгадать такие концепции, как квантовая гравитация .
«Разрешение сингулярностей черных дыр по-прежнему остается главной целью квантовой гравитации, поэтому строгое понимание того, как ведут себя такие понятия, как космическая цензура и неравенство Пенроуза, при учете эффектов квантовой материи, дополняет список критериев, которые можно использовать для дальнейшего развития квантовой гравитации», — добавил Свеско.
Более того, помимо космической цензуры, новая модель также открывает способы понимания энтропии черных дыр, степени случайности в черных дырах. Надеемся, что модель приблизит нас к получению глубоких знаний о многих других интригующих свойствах черных дыр .
Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters .