Чорні діри часто описують як небезпечні деструктивні об’єкти, які поглинають усе, що опиняється поблизу. Але що, якщо вони насправді оберігають нас від непередбачуваних впливів місць, де порушується наше розуміння Всесвіту? Це питання може здаватись несерйозним, але насправді воно лежить в основі багаторічної фізичної дилеми, відомої під назвою «гіпотези космічної цензури». Можливо, дослідники нарешті наближаються до її розв’язку.
Відомі нам закони фізики перестають діяти всередині чорних дір. Сучасна теорія гравітації, сформульована Альбертом Айнштайном, передбачає власну невдачу у точках простору-часу, які називаються «сингулярностями». Згідно з нею, у цих точках гравітаційні поля, посилюючись до нескінченно високих рівнів, поводяться непередбачувано, а її рівняння більше не можуть їх описувати.
Але фундаментальні закони фізики повинні виконуватись усюди, зокрема і всередині чорних дір. Науковці схильні інтерпретувати цей парадокс таким чином: усередині сингулярностей спрацьовує якась ще невідома науці фізика, яка, можливо, включає квантову механіку. Але поки учені не створять теорії, яка б об’єднала гравітацію і квантову механіку, зрозуміти, що саме відбувається всередині сингулярностей, неможливо.
На щастя, сингулярності надійно «сховані» всередині чорних дір, тож нам не потрібно перейматись їхнім непередбачуваним впливом на зовнішній світ. Але чи можна уявити собі «голу» сингулярність? Оскільки у нас немає теорії, яка б описувала поведінку такого об'єкта, наслідки його контакту з відомим нам Всесвітом були б абсолютно непередбачуваними і непоясненними, вважає Єнь Чинь Онг, фізик з Університету Янчжоу у Китаї, який досліджує природу сингулярностей.
У 1960-х британський фізик Роджер Пенроуз, який займався математичним описом чорних дір і сингулярностей, – ця робота принесла йому Нобелівську премію з фізики 2020 року, – висунув припущення, що закони природи налаштовані так, щоби унеможливити існування «голих» сингулярностей.
Це припущення отримало назву «гіпотези космічної цензури». Хоча інтуїтивно фізики з ним погоджуються, а за понад пів століття спостережень ніхто не отримав доказів існування «голих» сингулярностей, гіпотезу Пенроуза поки не вдається ані довести, ні спростувати.
У 2010 р. фізики Луїс Ленер і Франс Преторіус за допомогою комп’ютерного моделювання показали, що зовнішня оболонка чорних дір може розпадатися на частини, залишаючи «голі» сигнулярності. Це відбувається унаслідок так званої нестабільності Ґреґорі-Лафлама, яка описує гіпотетичний всесвіт з більш ніж трьома просторовими вимірами. Іншими словами, «голі» сингулярності могли б існувати в альтернативній реальності з додатковими розмірностями простору, проте у нашому Всесвіті, який описує теорія відносності, вони неможливі.
Щоправда, тепер дослідники запитують: чому такі сингулярності неможливі у нашому Всесвіті? За словами фізика По Фіґераса з Лондонського університету королеви Марії, хоча підхід Ленера і Преторіуса ще не можна вважати однозначним доведенням «гіпотези Пенроуза», він все-таки переконливий. «Якщо цей конкретний процес – єдиний спосіб порушення “космічної цензури”, то звідси випливає, що ця гіпотеза правильна принаймні в “нашому” астрофізичному просторі-часі», – каже науковець.
За його словами, інтерес до гіпотези «космічної цензури» зріс в останні роки завдяки поступу комп’ютерних технологій, які дозволяють моделювати поведінку чорних дір: «Справа не тільки в тому, що ще 20 років тому у нас не було потрібних комп’ютерів, а й у тому, що ми ще не вміли правильно здійснювати такі моделювання».
Фігерас і його колеги, наприклад, продемонстрували, що «голі» сингулярності можуть залишатися після зіткнення чорних дір – але лише у всесвіті з додатковими просторовими вимірами. Натомість хоча такі події завжди породжують сингулярності у тривимірному Всесвіті, вони, однак, завжди залишаються схованими усередині чорних дір.
Повний доказ або остаточне спростування гіпотези Пенроуза про «космічну цензуру» поки що залишаються недосяжними. Однак незалежно від того, чи правильна ця гіпотеза, її розв’язок більше не є головною метою для більшості теоретиків, вважає Онг. «Важливими є ідеї, інструменти та знахідки, які ми можемо отримати у процесі розв’язання, – каже він. – Це той випадок, коли подорож має значення, а не лише пункт призначення».
Brendan Z. Foster
Singularities Can Exist Outside Black Holes—in Other Universes
Scientific American, 23/08/2021
Зреферував Є. Л.
25.08.2021