За чертой сингулярности черной дыры
Теория петлевой квантовой гравитации продолжает работать там, где нарушается общая теория относительности
A. Corichi and J. P. Ruiz
Наши первые шаги в физику, которая существуют вблизи центра черной дыры, стали возможными с помощью «петлевой квантовой гравитации» — теории, которая использует квантовую механику для расширения гравитационной физики за пределы общей теории относительности Эйнштейна. Петлевая квантовая гравитация открывает новую парадигму в современной физике. Теория стала ведущим кандидатом для анализа экстремальных космологических и астрофизических явлений в таких частях вселенной, как черные дыры, где уравнения общей теории относительности перестают быть полезными.
В предыдущей работе по петлевой квантовой гравитации, которая имела большое влияние в этой области, был проанализирован квантовый характер Большого взрыва, а теперь две новые работы Абхая Аштекара и Хавьера Олмедо из штата Пенсильвания и Парамприта Сингха из Университета штата Луизиана распространяют эти результаты на черные дыры.
«Лучшая теория гравитации, которую мы имеем сегодня, — это общая теория относительности, но у нее есть ограничения», — сказал профессор физики А. Аштекар. «Например, общая теория относительности предсказывает, что во Вселенной есть места, где гравитация становится бесконечной, а пространство-время просто заканчивается. Мы называем эти места «сингулярностями». Но даже Эйнштейн согласился, что это ограничение общей теории относительности обусловлено тем, что оно игнорирует квантовую механику».
В центре черной дыры гравитация настолько сильна, что согласно общей теории относительности пространство-время становится настолько искривленным, что в конечном итоге кривизна становится бесконечной. Это приводит к тому, что пространство-время имеет предел, за которым физика больше не существует — сингулярность. Другим примером сингулярности является Большой взрыв.
Спрашивать, что произошло до Большого взрыва, — это бессмысленный вопрос в общей теории относительности, потому что пространство-время заканчивается, а до этого не было ничего. Но модификации в уравнениях Эйнштейна, которые включали квантовую механику через петлевую квантовую гравитацию, позволили исследователям расширить физику за пределы Большого взрыва и сделать новые предсказания. В двух последних работах сделано то же самое для сингулярности черной дыры.
«Основой петлевой квантовой гравитации является открытие Эйнштейна о том, что геометрия пространства-времени — это не просто стадия, на которой разыгрываются космологические события, но и сама физическая сущность, которую можно изгибать», — сказал Аштекар. «Как физическая сущность геометрия пространства-времени состоит из некоторых фундаментальных единиц, так же как материя состоит из атомов. Эти единицы геометрии, называемые «квантовыми возбуждениями», на порядки меньше, чем мы можем обнаружить с помощью современных технологий, но у нас есть точные квантовые уравнения, которые предсказывают их поведение, и одно из лучших мест для поиска их эффектов находится в центре черной дыры.»
Согласно Общей теории относительности, в центре черной дыры гравитация становится бесконечной, поэтому все, что входит в нее, включая информацию, необходимую для физических расчетов, теряется. Это приводит к знаменитому «информационному парадоксу», с которым физики-теоретики борются уже более 40 лет. Однако квантовые поправки петлевой квантовой гравитации допускают отталкивающую силу, которая может подавить даже самое сильное притяжение классической гравитации, и поэтому физика может продолжать существовать. Это открывает путь, чтобы показать в деталях, что нет потери информации в центре черной дыры, которую сейчас ищут исследователи.
Интересно, что хотя теория петлевой квантовой гравитации продолжает работать там, где нарушается общая теория относительности — ее предсказания довольно точно соответствуют предсказаниям общей теории относительности и в менее экстремальных обстоятельствах вдали от сингулярности.
«Ряд исследователей изучали квантовую природу сингулярности черной дыры в последнее десятилетие, но либо сингулярность преобладала, либо механизмы, которые ее разрешали, вызывали неестественные эффекты. Наша новая работа свободна от всех таких ограничений». — говорит Парамприт Сингх.
Abhay Ashtekar et al, Quantum Transfiguration of Kruskal Black Holes, Physical Review Letters (2018). DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.241301