Новости Вселенная в миксере: математики нашли порядок в хаосе чёрных дыр

[NewsMaker]

Чёрные дыры работают как миксер для пространства и времени.

---

---

С самого начала времён и в центре каждой чёрной дыры скрывается точка бесконечной плотности, известная как сингулярность. Чтобы исследовать эти загадочные объекты, учёные применяют к ним известные принципы пространства, времени, гравитации и квантовой механики — но именно здесь все эти концепции перестают работать. Возможно, ничто во Вселенной не бросает более серьёзный вызов человеческому воображению. Физики уверены: если удастся создать стройное объяснение процессов, происходящих вблизи сингулярностей, это может привести к революции в понимании пространства и времени.

<h3>Рождение хаоса Mixmaster</h3> В конце 1960-х годов некоторые физики предположили, что сингулярности могут быть окружены зоной хаотической турбулентности, где пространство и время беспорядочно расширяются и сжимаются. Чарльз Миснер из Университета Мэриленда назвал этот феномен «вселенной Mixmaster» — в честь тогда Для просмотра ссылки Войди или Зарегистрируйся кухонных миксеров. Для просмотра ссылки Войди или Зарегистрируйся , позднее получивший Нобелевскую премию, писал, что если бы астронавт упал в чёрную дыру, «можно представить, что его тело будет перемешано так же, как миксер смешивает белок и желток яйца».

Общая теория относительности Эйнштейна, описывающая гравитацию в чёрных дырах, Для просмотра ссылки Войди или Зарегистрируйся одно основное уравнение, которое математически представляется в виде тензора — компактной записи 16 взаимосвязанных уравнений. Чтобы анализировать сценарии вроде Mixmaster, учёные, включая Миснера, ввели упрощённые предположения. Однако даже с этими допущениями уравнения были слишком сложны для аналитического решения и слишком трудны для численных вычислений того времени. Как и сам кухонный прибор, идеи Mixmaster со временем утратили популярность.

Тем не менее, в последние годы физики снова обратились к хаосу вблизи сингулярностей, используя новые математические методы. Они преследуют две цели: во-первых, доказать, что приближения, сделанные Миснером и другими, действительно хорошо описывают поведение гравитации; во-вторых, попытаться проникнуть глубже к сингулярности, надеясь, что её экстремальные условия помогут соединить общую теорию относительности и квантовую механику в единую теорию квантовой гравитации — задачу, над решением которой физики работают уже более века. Как выразился Шон Хартнолл из Кембриджского университета, «пришло время полноценно развить эти идеи».

<h3>Открытие хаотической сингулярности</h3> Кип Торн называл конец 1960-х «золотым веком» исследований чёрных дыр. Сам термин «чёрная дыра» только начинал входить в широкое употребление. В сентябре 1969 года Торн посетил Москву, где украинский физик Евгений Лифшиц передал ему рукопись с новыми расчётами. Совместно с Для просмотра ссылки Войди или Зарегистрируйся и Исааком Халатниковым Лифшиц нашёл новое решение уравнений гравитации Эйнштейна, основанное на специально введённых предположениях. Лифшиц опасался, что советская цензура задержит публикацию, поскольку расчёты противоречили его ранней работе, и попросил Торна передать их на Запад.

Ранее модели чёрных дыр исходили из идеальных симметрий, которые в реальности не встречаются. Например, считалось, что звезда перед коллапсом имела идеально сферическую форму и не обладала электрическим зарядом. Эти допущения позволяли Карлу Шварцшильду в 1916 году получить первое точное решение уравнений Эйнштейна, предсказывающее существование чёрных дыр.

Однако решение Белинского, Халатникова и Лифшица (BKL-решение) описывало более сложный, реалистичный случай, когда чёрная дыра формируется из асимметричного объекта. Внутри такой дыры пространство и время не просто плавно растягиваются, а превращаются в хаотический поток, который одновременно расширяется и сжимается в разных направлениях.

Получив работу советских коллег, Торн отправил её Миснеру, который уже занимался похожими исследованиями. Оказалось, что обе группы физиков независимо пришли к схожим выводам, использовав разные методы. BKL-решение позволило объяснить ключевую проблему того времени — существование так называемой «общей» сингулярности. Владимир Белинский, единственный ныне живущий из трио BKL, позже признался, что живые описания Миснера помогли ему лучше представить хаотические процессы вблизи сингулярностей.

<h3>Гравитация против квантовой механики</h3> Общая теория относительности утверждает, что пространство-время непрерывно: его можно изучать на сколь угодно малых масштабах, не обнаруживая разрывов. Квантовая механика, напротив, предполагает, что существует фундаментальный предел — так называемая планковская длина, за которой пространство-время может быть дискретным. Однако обе теории по-своему парадоксальны.

Общая теория относительности допускает, что два участка пространства могут быть полностью разобщены, так что события в одном никак не влияют на другой. Обычно это происходит, когда их разделяет огромное расстояние — свету нужно время, чтобы его преодолеть. Но сильные гравитационные поля, такие как в чёрных дырах, могут приводить к «разъединению» областей пространства даже вблизи друг друга. Например, горизонт событий чёрной дыры разобщает её внутреннюю область с остальной Вселенной: согласно теории относительности, информация изнутри никогда не сможет покинуть чёрную дыру. (Квантовая механика усложняет картину, но точные детали пока неясны.)

Советские физики утверждали, что чем ближе к сингулярности, тем сильнее гравитация, разрывая связи между соседними точками пространства. Это означает, что каждая точка становится автономной, упрощая математическое описание. По их расчётам, внутри чёрной дыры пространство хаотически вытягивается в случайном направлении, а в двух других — сжимается. Через случайный промежуток времени направление деформации меняется. Визуально это напоминает бесконечно колеблющийся мяч, который меняет свою форму и ориентацию.

<h3>Современные исследования: шаг к квантовой гравитации</h3> С начала 2000-х годов, благодаря росту вычислительных мощностей, стало возможным проводить численные расчёты, подтверждающие гипотезу BKL. В 1997 году физик Хуан Малдасена открыл Для просмотра ссылки Войди или Зарегистрируйся , связывающий гравитацию в многомерном пространстве с квантовой механикой в пространстве с меньшим числом измерений. Этот метод позволил Шону Хартноллу и его коллегам исследовать хаос внутри чёрных дыр с новой стороны.

Недавно Хартнолл и его ученик Мин Ян применили метод усреднения колебаний пространства-времени внутри чёрной дыры. Они Для просмотра ссылки Войди или Зарегистрируйся , что эти колебания подчиняются законам, связанным с модулярными формами — абстрактными математическими объектами. Это означает, что хаотические процессы внутри чёрных дыр могут быть описаны строгими математическими законами.

Хотя горизонты событий скрывают этот хаос от наблюдений, понимание его природы может привести к созданию квантовой теории гравитации, что станет крупнейшим прорывом в физике и поможет раскрыть фундаментальные тайны устройства Вселенной.