RW Space

Теория гравитации Альберта Эйнштейна, общая теория относительности, известна своей неполнотой. Как доказал нобелевский лауреат по физике Роджер Пенроуз, когда материя коллапсирует под действием собственного гравитационного притяжения, результатом является «сингулярность» – точка бесконечной плотности или кривизны.

В сингулярности пространство, время и материя сжимаются и растягиваются в небытие. Законы физики, какими мы их знаем, терпят полный крах.

Если бы мы могли наблюдать сингулярности, наши физические теории не могут быть использованы для предсказания будущего на основе прошлого. Другими словами, наука стала бы невозможной.

Пенроуз также понял, что природа может иметь лекарство от этой судьбы. – черные дыры.

Определяющей особенностью черной дыры является ее горизонт событий, односторонняя мембрана в пространстве-времени. Объекты, включая свет, пересекающие горизонт событий, никогда не смогут покинуть его из-за невероятно сильного гравитационного притяжения черной дыры.

Во всех известных математических описаниях черных дыр сингулярности присутствуют в их ядре.

Постулировал Пенроуз что все сингулярности гравитационного коллапса «одеты» горизонтами событий черных дыр – то есть мы никогда не сможем их наблюдать. Поскольку сингулярность находится внутри горизонта событий, физика в остальной части Вселенной работает как обычно.

Это гипотеза Пенроуза о том, что не существует «голых» сингулярностей, называется космической цензурой.

После половины век, это остается недоказанной и является одной из важнейших открытых проблем математической физики. В то же время найти примеры случаев, когда гипотеза не подтверждается, оказалось столь же сложно.

В недавней работе, опубликованной в журнале Physical Review Letters, мы показали, что квантовая механика, управляющая микрокосмом частиц и атомов, поддерживает космическую цензуру.

Черные дыры

Черные дыры в некоторой степени находятся под влиянием квантовой механики, но такое влияние обычно игнорируется физиками. Например, Пенроуз исключил эти эффекты в своей работе, как и теорию, которая позволила ученым измерить пульсации в пространстве-времени, называемые гравитационными волнами от черных дыр.

Когда они включены, ученые называют черные дыры «квантовыми черными дырами». Это долгое время оставалось загадкой, поскольку мы не знаем, как гипотеза Пенроуза работает в квантовой сфере.

Модель, в которой и материя, и пространство-время подчиняются квантовой механике, часто считается фундаментальным описанием природы. Это может быть «теория всего» или теория «квантовой гравитации».

Несмотря на огромные усилия , экспериментально подтвержденная теория квантовой гравитации остается недостижимой.

Широко ожидается, что любая жизнеспособная теория квантовой гравитации гравитация должна разрешать сингулярности присутствуют в классической теории – потенциально показывая, что они являются просто артефактом неполного описания. Поэтому разумно ожидать, что квантовые эффекты не должны усугублять проблему того, сможем ли мы когда-либо наблюдать сингулярность.

Это потому, что теорема Пенроуза о сингулярности делает определенные предположения о природе материи, а именно, что материя во Вселенной всегда имеет положительную энергию.

Однако такие предположения могут быть нарушены квантовомеханически – мы знаем, что отрицательная энергия может существовать в квантовой сфере в небольших количествах (так называемый эффект Казимира).

Без полноценной теории квантовой гравитации трудно ответить на эти вопросы. Но прогресса можно добиться, рассмотрев «полуклассическую» или «частично-квантовую» гравитацию, где пространство-время подчиняется общей теории относительности, а материя описывается квантовой механикой.

Хотя определяющие уравнения полуклассической гравитации известны, их решение – это совсем другая история. По сравнению с классическим случаем наше понимание квантовых черных дыр гораздо менее полное.

Из того, что мы делаем знаем о квантовых черных дырах, у них также появляются сингулярности. Но мы ожидаем, что в полуклассической гравитации должно существовать подходящее обобщение классической космической цензуры, а именно квантовая космическая цензура.

В некоторых случаях голая сингулярность может быть изменена квантовыми эффектами, чтобы скрыть сингулярности; они становятся квантовоодетыми. Это потому, что квантовая механика играет роль в горизонте событий.

Первый такой пример был представлен физиками Роберто Эмпаран, Алессандро Фаббри и Неманья Калопер в 2002 году. Сейчас все известные конструкции квантовых черных дыр разделяют эту особенность, что предполагает более строгую формулировку квантовой космической цензуры. существует.

Неравенство Пенроуза тесно связано с космической цензурой. Это математическое соотношение, которое, если принять во внимание космическую цензуру, утверждает, что масса или энергия пространства-времени связана с площадью горизонтов черной дыры, содержащейся внутри него.

Следовательно, нарушение неравенства Пенроуза убедительно свидетельствует о нарушении космической цензуры.

Квантовое неравенство Пенроуза может быть использовано для строгой формулировки квантовой космической цензуры. Одна группа исследователей предложила такое неравенство в 2019 году. Хотя их предложение многообещающее, его очень сложно проверить на предмет квантовых черных дыр в режимах, где квантовые эффекты сильны.

В нашей работе мы обнаружили квантовое неравенство Пенроуза, которое применимо ко всем известным примерам квантовых черных дыр, даже при наличии сильных квантовых эффектов.

Квантовое неравенство Пенроуза ограничивает энергию пространства-времени с точки зрения полной энтропии – статистической меры беспорядка системы –
черных дыр и квантовой материи содержится внутри него. Такое добавление энтропии квантовой материи гарантирует, что квантовое неравенство истинно даже тогда, когда классическая версия не работает (в квантовых масштабах).

Когда квантовая материя вводится, ее энтропия добавляется к энтропии черной дыры, подчиняясь обобщенному второму закону. Другими словами, неравенство Пенроуза также можно понимать как границу энтропии — превысьте эту границу, и в пространстве-времени появятся голые сингулярности.

По логическим причинам не было очевидно, что все известные квантовые черные дыры удовлетворяют одному и тому же универсальному неравенству, но мы показали, что это так.

Наш результат не является доказательством квантового неравенства Пенроуза. Но то, что такой результат справедлив в квантовой области так же, как и классический, усиливает его.

Хотя пространство и время могут заканчиваться в сингулярностях, квантовая механика скрывает от нас эту судьбу.

Эндрю Свеско, научный сотрудник кафедры теоретической физики, Королевский колледж Лондона; Антония Микол Фрассино, научный сотрудник Высшей международной школы аванзати; Хуан Ф. Педраса, научный сотрудник Теоретико-физического института UAM/CSIC, Автономный университет Мадрида, и Роби Хеннигар, научный сотрудник Уиллмора по математической физике, Даремский университет

Эта статья переиздана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочтите оригинал статьи.