|
Черные дыры могут избегать сингулярностей
|
|
|
|
Черные дыры - это области в космосе, где гравитация настолько сильна, что ничто, даже свет, не может вырваться наружу. Общая теория относительности Эйнштейна рушится внутри черных дыр либо из-за наличия так называемой "сингулярности кривизны", либо из-за "горизонта Коши".
|
|
|
|
Сингулярность кривизны - это точка, в которой плотность и кривизна пространства-времени становятся бесконечными, законы физики нарушаются, и материя сжимается в бесконечно малом пространстве. Горизонт Коши, с другой стороны, является границей, за которой будущее не может быть надежно предсказано известными физическими теориями.
|
|
|
|
Франческо Ди Филиппо, научный сотрудник Института теоретической физики во Франкфурте, недавно провел теоретическое исследование, которое опровергает предположение о том, что черные дыры неизбежно должны обладать либо сингулярностью, либо горизонтом Коши. Его статья, опубликованная в журнале Physical Review Letters, показывает, что сочетание электромагнитного отталкивания от электрического заряда и квантовых эффектов, описываемых теорией излучения Стивена Хокинга, может предотвратить образование сингулярностей и горизонтов Коши в некоторых черных дырах.
|
|
|
|
"Отправной точкой для этого исследования была наглядность", - сказал Ди Филиппо. Phys.org "В моей исследовательской работе люди часто используют инструмент, называемый диаграммой Пенроуза. Диаграмма Пенроуза - это своего рода сжатое представление всего пространства-времени, так что вся история Вселенной умещается на одной странице. Этот инструмент чрезвычайно полезен для анализа глобальной структуры черных дыр.
|
|
|
|
|
|
|
Всегда ли черные дыры сингулярны?
|
|
|
|
Существование сингулярности и горизонтов Коши в черных дырах предсказывается знаменитой теоремой Пенроуза о сингулярности и ее продолжателями.
|
|
|
|
"Эти теоремы доказывают, что в предположении о том, что гравитация всегда притягательна, внутренняя часть любой черной дыры должна быть неполной: пространство-время просто заканчивается", - сказал Ди Филиппо. "Это может произойти либо через сингулярность кривизны (где такие величины, как плотность или приливные силы, расходятся до бесконечности), либо через горизонт Коши (поверхность, за пределами которой будущее становится непредсказуемым)".
|
|
|
|
Теоретический анализ и расчеты, проведенные Ди Филиппо, показывают, что при определенных условиях внутри черной дыры не образовалось бы ни сингулярности, ни горизонта Коши. Когда он изучал диаграмму Пенроуза, представляющую образование заряженной сферически симметричной черной дыры в результате гравитационного коллапса, он заметил, что стандартный аргумент в пользу образования сингулярностей в испаряющихся черных дырах не выдерживает критики.
|
|
|
|
Это был теоретический аргумент, который объяснял, почему эффекты квантовой материи не должны препятствовать образованию сингулярности в черных дырах, если только мы не рассмотрим также квантовое описание гравитации. Причина этого заключается в том, что излучение Хокинга (то есть квантовый процесс, посредством которого черные дыры медленно теряют массу и энергию) нарушает энергетические условия, предполагаемые теоремами о сингулярности.
|
|
|
|
"Однако этот эффект обычно считается слишком малым, чтобы избежать вывода теоремы о сингулярности", - сказал Ди Филиппо. "В своей статье я отмечаю, что сочетание этого эффекта с электромагнитным отталкиванием, присутствующим в заряженной черной дыре, может быть достаточно сильным, чтобы предотвратить образование как сингулярности, так и горизонта Коши. Другими словами, ни электромагнитное отталкивание, ни испарение Хокинга не могли бы сами по себе предотвратить нарушение предсказуемости, но вместе они могли бы. Как только я увидел, что этот аргумент не выдерживает критики, диаграммы Пенроуза сами по себе направили большую часть последующего анализа довольно естественным образом".
|
|
|
|
Эта статья является одной из первых, в которой ставится под сомнение давнее предположение в изучении черных дыр, а именно неизбежное образование сингулярностей и горизонтов Коши. В отличие от более ранних работ, это предполагает, что при определенных условиях излучение Хокинга может изменить внутреннюю структуру черных дыр более кардинально, чем предполагалось первоначально.
|
|
|
|
"Это важно: это означает, что для решения внутренних патологий черных дыр может не потребоваться полная теория квантовой гравитации, а только хорошо зарекомендовавшая себя (хотя и с большим количеством открытых вопросов) структура, в которой поля материи рассматриваются квантово-механически, в то время как пространство-время остается классическим", - сказал Ди Филиппо.
|
|
|
|
"Я должен подчеркнуть, что мы все еще находимся на очень ранней стадии, и все это умозрительно. Нам нужно провести множество дополнительных исследований в этом направлении, чтобы оценить осуществимость программы. Я считаю, что документ показывает, что мы знаем немного меньше, чем думали. Я ожидал, что нам понадобится полная теория квантовой гравитации, чтобы понять особенности черных дыр. Это все еще может быть правдой, но теперь есть аргументы в пользу того, что нам может понадобиться гораздо меньше."
|
|
|
|
Ди Филиппо надеется, что его исследование вскоре вдохновит на новые исследования в области теоретической физики, основанные на идеях, изложенных в его статье. Тем временем он планирует распространить свой анализ на вращающиеся черные дыры, которые обладают угловым моментом и, как известно, существуют в природе.
|
|
|
|
"В своей статье я утверждаю, что угловой момент вращающейся черной дыры может играть роль, аналогичную электрическому заряду, обеспечивая отталкивающий эффект, необходимый для противодействия гравитационному коллапсу и предотвращения образования сингулярности", - добавил Ди Филиппо.
|
|
|
|
"С технической точки зрения, это более сложная задача, но именно это направление меня больше всего волнует. В более широком смысле, я надеюсь, что эта работа послужит стимулом для дальнейших исследований взаимосвязи между излучением Хокинга и внутренней структурой черных дыр".
|
|
|
|
Источник
|
