|
Действительно ли черным дырам нужны сингулярности
|
|
|
|
Всякий раз, когда кто-то говорит о черных дырах, он почти всегда говорит о горизонте событий и сингулярности. В конце концов, это то, что определяет черную дыру, верно? Ну, это зависит от того, что вы подразумеваете под черной дырой. Есть люди, которые утверждают, что черной дыре не нужна сингулярность, и это может означать, что у нее даже нет горизонта событий.
|
|
|
|
Прежде чем мы углубимся в изучение черных дыр, давайте сначала проведем различие между этими двумя типами. С одной стороны, у нас есть теоретические черные дыры, описанные в общей теории относительности. Это решения уравнений поля ОТО Эйнштейна, известные как метрики. Первая метрика черной дыры была открыта Карлом Шварцшильдом и описывает простую невращающуюся черную дыру. За прошедшие годы были найдены и другие метрики, такие как метрика Керра, открытая в 1963 году Роем Керром, которая описывает незаряженную вращающуюся черную дыру. Это показатель, используемый для визуализации всех этих крутых сцен в таких фильмах, как "Интерстеллар".
|
|
|
|
С другой стороны, есть черные дыры, которые мы непосредственно наблюдали, такие как M87* и черная дыра в центре нашей галактики SagA*. Телескоп Event Horizon собрал большое количество данных об этих двух черных дырах, и из этого мы знаем, что они вращаются и имеют структуру вблизи горизонта, которая - в пределах наших наблюдений — полностью согласуется с моделью Керра.
|
|
|
|
Конечно, ни одно из наших наблюдений не позволяет заглянуть внутрь черной дыры, поэтому мы не знаем наверняка, есть ли у нее сингулярность. Аналогичным образом, мы не можем увидеть сам горизонт событий, поскольку любой свет, пересекающий горизонт событий, навсегда задерживается. Таким образом, хотя у нас нет доказательств того, что у черных дыр нет сингулярностей и горизонтов событий, теоретически возможны альтернативные модели, которые согласуются с текущими наблюдениями.
|
|
|
|
|
|
|
Причина, по которой это важно, заключается в том, что, хотя сингулярности и горизонты событий естественным образом проявляются в характеристиках черных дыр, они также вызывают всевозможные проблемы. Простая сингулярность - это математическая точка с бесконечной плотностью и нулевым объемом, где законы физики нарушаются. Это настолько проблематично, что физики прибегли к гипотезе космической цензуры, утверждая, что сингулярности всегда скрыты горизонтом событий, поэтому нам не нужно о них беспокоиться.
|
|
|
|
Но у горизонта событий есть свои проблемы. Поскольку любой объект, пересекающий горизонт событий, никогда не сможет избежать черной дыры, информация, содержащаяся в этом объекте, навсегда теряется для Вселенной, создавая информационный парадокс. Мы движемся по кругу.
|
|
|
|
Один из способов решить все это - найти модель черной дыры без сингулярности и горизонта событий. В конце концов, общая теория относительности - это классическая теория, подобная ньютоновской динамике. Реальная вселенная имеет квантовую природу, поэтому у нас действительно должна быть квантовая теория гравитации.
|
|
|
|
И есть некоторые доказательства того, что квантовая физика может решить эти проблемы. Принцип неопределенности Гейзенберга гласит, что невозможно получить точную массу в определенной точке, поэтому квантовая теория, вероятно, предотвращает образование сингулярностей, а излучение Хокинга может позволить энергии и информации покидать черную дыру во времени.
|
|
|
|
Большинство теоретических исследований этих идей сосредоточены на квантовой стороне вещей. Например, в петлевой квантовой гравитации квантовая пена пространства-времени может означать, что черные дыры образуют "планковскую звезду" на горизонте событий, а не сингулярность. Похожая модель, известная как "пушистый шар", появляется в теории струн, где сингулярность заменяется клубком вырожденных струн. Существуют также альтернативные общей теории относительности классические теории, которые могут устранить проблемы ОТО.
|
|
|
|
Но, учитывая, что нет никаких наблюдательных данных в пользу квантовой гравитации, альтернативной теории относительности или теории струн, почему бы не придерживаться старого доброго профессора Эйнштейна? Что, если мы предположим, что общая теория относительности верна, но добавим ограничение, что сингулярности запрещены? Возможна ли такая метрика черной дыры? Да, и это известно как показатель Хейворда.
|
|
|
|
Метрика Хейворда - это минимальное решение уравнений поля Эйнштейна со следующими ограничениями: статическое, асимптотически плоское, сферически симметричное и неособое. В отличие от этого, модель Шварцшильда для черной дыры является минимальным решением, удовлетворяющим первым трем ограничениям. Таким образом, черная дыра Хейворда - это, по сути, невращающаяся черная дыра Шварцшильда без сингулярности. Но это единственное отличие приводит к нескольким изменениям.
|
|
|
|
Наиболее очевидным изменением является то, что черная дыра Хейворда не имеет сингулярности. Вместо того, чтобы постоянно искривлять пространство в точку исчезновения, центр черной дыры локально плоский, как и в любой области глубокого космоса. Более тонкое изменение заключается в том, что у черных дыр Хейворда нет горизонта событий. Вместо этого модель имеет видимый горизонт, который содержит материю в течение длительного времени. Со временем материя и энергия могут постепенно исчезать. Это похоже на эффект излучения Хокинга, но без привлечения квантовой физики.
|
|
|
|
Для сверхмассивных черных дыр этот эффект настолько мал, что черная дыра Хейворда была бы почти неотличима от черной дыры Шварцшильда. И это ключевой момент. Хотя все наши наблюдения за черными дырами согласуются со стандартными моделями, черные дыры Хейворда также согласуются с данными.
|
|
|
|
Конечно, одна большая загвоздка заключается в том, что мы не знаем ни о каком физическом механизме, который препятствовал бы образованию сингулярностей. Модель Хейворда просто запрещает их в законодательном порядке. Но если модель Хейворда верна, то все эти сложные проблемы с сингулярностями и горизонтами событий могут оказаться... бессмысленными.
|
|
|
|
Источник
|
