Особливості гіпотези «космічної цензури»

Чорні діри — це структури, які все поглинають на своєму шляху, але що, якщо вони захищають нас від непередбачуваних впливів тих місць, де порушується наше фізичне розуміння Всесвіту? Це питання лежить в основі багаторічної фізичної головоломки, відомої як «космічна цензура», і дослідники, можливо, нарешті стали близькі до відповіді.

Усередині чорних дір закінчується відома нам фізика. Наша поточна теорія гравітації, загальна теорія відносності Ейнштейна, пророкує власну невдачу в точках простору-часу, званих «сингулярностями». Згідно з рівняннями, у цих точках гравітаційні поля поводяться непередбачувано, часто посилюючись до неймовірно, нескінченно високих рівнів, де самі рівняння не можуть описати те, що відбувається.

Основоположні принципи фізики вимагають, щоб реальний фізичний світ продовжував мати сенс усередині чорних дір. Вони схильні інтерпретувати це порушення математики як таке, що означає, що деяка ще невідома фізика, яка, ймовірно, включає квантову механіку, бере гору біля сингулярностей. Але поки вони не знайдуть теорію, що об'єднує гравітацію і квантову фізику, неможливо дізнатися, що саме відбувається в цих точках.

На щастя, завдяки сингулярностям, прихованим усередині чорних дір, нам не потрібно турбуватися про їхній потенційно химерний вплив на зовнішній світ. Але що, якщо ці особливості можуть проявитися зовні — самі по собі? Наслідки можуть бути величезними. «Голі сингулярності призводять до втрати прогностичної сили загальної теорії відносності», — каже Йен Чин Онг, фізик з Університету Янчжоу в Китаї, який вивчав природу сингулярностей у теоріях гравітації.

У 1960-х роках британський фізик Роджер Пенроуз займався математикою чорних дір і сингулярностей, яка пізніше принесла йому Нобелівську премію з фізики 2020 року. На той час ніхто не виявив переконливих доказів того, що рівняння загальної теорії відносності можуть описувати ці відкриті сингулярності у фізично розумному Всесвіті. Вони матеріалізувалися тільки в чорній дірі. Пенроуз зібрав воєдино ключі, які наводили на припущення — обґрунтоване припущення, а не надійний доказ, що загальна теорія відносності ніколи не зробить цього передбачення. Ця гіпотеза відома як космічна цензура: якимось чином математика має працювати так, щоб природа піддавала цензурі ці «голі» особливості існування.

Космічна цензура — це ідея, яка здається фізикам правильною, і більшість вважає, що це так. Хоча дослідники запропонували способи виявити оголені сингулярності — спостережувані ознаки, які могли б відрізнити їх від чорних дір, — астрономи ще не побачили жодних свідчень їхнього існування. Проте, після більш ніж 50 років ніхто не підтвердив і не спростував припущення Пенроуза.

У перші кілька десятиліть після початкової роботи Пенроуза теоретичні дослідження підтвердили ідею про збереження космічної цензури. Потім, у 2010 році, фізики Луїс Ленер і Франс Преторіус використовували комп'ютерне моделювання, щоб показати, що зовнішня поверхня чорних дір може розпадатися на частини і залишати голі сингулярності. Однак тріщина має цікавий поворот. Це відбувається внаслідок так званої нестабільності Грегорі-Лафламма, яка може статися тільки у всесвітах з більш ніж трьома вимірами простору. Інакше кажучи, такого роду нестабільності, що виявляють сингулярності, мають бути неможливими в трьох вимірах нашого Всесвіту, як це описано в загальній теорії відносності.

Попри це застереження, результат все ж має значення. Взявши цей приклад за відправну точку, дослідники можуть шукати схожі процеси і запитувати: «Чи відбувається щось подібне в нашому Всесвіті?» Якщо відповідь негативна, вони можуть запитати: «Чому б і ні?» Пау Фігерас, фізик із Лондонського університету королеви Марії, каже, що такий підхід не дає повного доказу, але все ж таки переконливий. «Якщо цей конкретний процес — єдиний спосіб порушити космічну цензуру, — каже він, — і астрофізичні чорні діри не страждають від цього, то це пропонує спосіб довести, що гіпотеза Пенроуза правильна в астрофізичному просторі-часі».

Результат Ленера і Преторіуса викликав новий сплеск інтересу до космічної цензури. За словами Фігераса, ця царина набрала обертів в останнє десятиліття, багато в чому завдяки досягненням у галузі обчислень, які дали змогу обчислити, як чорні діри розвиваються і, в деяких випадках, розпадаються, щоб виявити сингулярності. «Справа не тільки в тому, що необхідні комп'ютери не були доступні 20 років тому», — говорить він. «Ми не розуміли, як моделювати загальну теорію відносності і, отже, чорні діри в комп'ютерах». У результаті, каже він, так, голі сингулярності трапляються частіше, ніж очікувалося — у всесвітах із додатковими вимірами.

Фігерас і його колеги продемонстрували, наприклад, що голі сингулярності можуть проявлятися під час зіткнення чорних дір. Такі зіткнення трапляються навіть у нашому університеті. Але дослідники виявили, що такі події в нашому Всесвіті не призводять до того ж результату — зіткнення завжди закінчується сингулярністю, яка все ще перебуває всередині чорної діри.

Повний доказ або остаточне спростування гіпотези Пенроуза про космічну цензуру залишається невловимим. Однак незалежно від того, правильна ця гіпотеза чи ні, сама загадка більше не є головним питанням для більшості теоретиків, каже Онг. «Це те, що ми можемо дізнатися в процесі, які ідеї ми можемо отримати, які інструменти ми можемо розробити», — додає він. «Подорож матиме значення, а не тільки пункт призначення».