Физики представили квантовый подход к проблеме сингулярности
Одна из основных проблем общей теории относительности, которая отделяет ее от других описаний Вселенной, таких как квантовая физика, — это существование сингулярностей. Сингулярности — это точки, которые при математическом описании дают бесконечное значение и указывают на области Вселенной, где законы физики перестают существовать, то есть точки в начале Вселенной и в центре черных дыр.
В новой статье, опубликованной в Nuclear Physics B, ученые предполагают, что распространение сингулярностей в классической физике на квантовую физику может помочь решить это несоответствие между разделами физики.
«Никакое описание природы не является совершенным и полным. Каждая теория имеет свою область применимости, за пределами которой она не работает, и ее предсказания теряют смысл», — говорят исследователи. В качестве примера они приводят теории Ньютона, которые все еще достаточно надежны, чтобы запускать ракеты в космос, но не работают при описании очень маленьких или чрезвычайно массивных объектов.
«Это серьезная проблема, потому что общая теория относительности — теория, которая наилучшим образом описывает гравитационное взаимодействие в настоящее время — предсказывает существование сингулярностей в общих чертах», — говорят исследователи. «Это похоже на дыру в космосе, где ничего не может существовать, но в которую, тем не менее, могут попасть наблюдатели и все остальное».
Они предполагают, что эту ситуацию можно представить как лист бумаги с небольшим отверстием. «Вы можете двигать кончиком пера по бумаге, что представляет собой движение частицы, но если вы дойдете до отверстия, перо внезапно перестанет рисовать, и частицы внезапно исчезнут. Это показывает, насколько сингулярности являются теоретическими препятствиями, мешающими нам полностью понять природу».
Тот факт, что физика перестает существовать в сингулярностях, приводит к оставшимся без ответа вопросам, например: что на самом деле произошло в начале Вселенной? Было ли все рождено из точки, которой на самом деле никогда не существовало? Что происходит с частицей, когда она попадает в центр черной дыры?
«Эти открытые вопросы являются той самой причиной, по которой наше любопытство побуждает продолжить это направление расследования», — говорит Роберто Касадио, один из авторов работы. «Наш подход в значительной степени опирается на методы квантовой теории поля (КТП): основу, которая объединяет квантовую механику и специальную теорию относительности и дает начало очень успешной стандартной модели физики элементарных частиц».
Авторы использовали инструменты КТП для построения математического объекта, который может сигнализировать о наличии сингулярностей в экспериментально измеряемых величинах. Этот объект, который они назвали «functional winding number», отличен от нуля при наличии сингулярностей и исчезает при их отсутствии.
Этот подход показал, что определенные особенности, предсказанные теоретически, не влияют на величины, которые в принципе могут быть измерены экспериментально, и поэтому остаются безвредными математическими конструкциями.
«Если бы наш формализм выдержал научное исследование и оказался правильным подходом, он предполагал бы существование очень глубокого физического принципа, поэтому выбор физических переменных не так важен», — заключают ученые. «Это может иметь важное значение для нашего понимания физики, даже за пределами предмета сингулярностей».
Исследование было опубликовано в журнале Nuclear Physics B.