Фізики знайшли спосіб позбутися головної проблеми чорних дір
Науковці розробили модель простору-часу, яка усуває нескінченну кривину чорних дір і пояснює темну енергію.
Нова математична модель простору-часу обіцяє прибрати нескінченну кривину в центрі чорної діри та водночас пояснити природу темної енергії Всесвіту.
Вчені стверджують, що сингулярність не "розмивається" фізикою, а просто не існує в межах нової геометрії.
Чорні діри роками ставлять фізиків у пастку: у центрі кожної з них загальна теорія відносності передбачає точку з нескінченною кривиною простору, де закони фізики просто перестають працювати. Нове теоретичне дослідження пропонує вихід із цього тупика через незвичну математичну конструкцію.
Як пише видання NewsYou, команда фізиків розширила математичний апарат теорії відносності так, що сингулярності в чорних дірах стають геометрично неможливими, а темна енергія випливає з тих самих рівнянь.
Основою роботи стала концепція, яку розробили ще раніше фізики Петер Гесс та покійний Вальтер Грайнер. У новому аналізі дослідники Фрідолін Вебер, Петер Гесс і Сезар Зен Васконселлос показали, як розширена геометрія простору-часу обмежує максимально можливу кривину і водночас керує еволюцією космічного вакууму.
Суть підходу - у заміні звичних координат простору-часу на так звані псевдокомплексні числа. На відміну від звичних комплексних чисел, тут квадрат уявної одиниці дорівнює не мінус одиниці, а плюс одиниці. Ця, на перший погляд, дрібна деталь докорінно змінює математичну структуру: вона розпадається на два незалежні сектори - фізичний, який ми спостерігаємо, і "тіньовий", допоміжний.
Тіньовий сектор не є вільною величиною - його жорстко фіксує спеціальна умова, названа авторами "умовою одночасності": рівняння Ейнштейна мають виконуватись окремо в кожному із двох секторів. Завдяки цьому теорія залишається настільки ж "економною", як і звичайна відносність, але значно жорсткіше обмежує допустимі форми простору-часу.
Запобіжник проти нескінченності
Ключовий наслідок нової геометрії - поява так званої інваріантної шкали прискорення, яку автори позначили літерою a₀. Якщо прирівняти цю величину до нуля, два сектори зливаються назад у звичайну загальну відносність. Але за скінченного значення a₀ вона діє як своєрідний геометричний запобіжник.
У класичній теорії функція, яка описує "хід часу" всередині чорної діри, може занулятися точно в центрі - саме це і породжує сингулярність. Нова версія теорії забороняє цій функції опускатися нижче певного порогу, пов'язаного з тим самим параметром a₀. Автори назвали це умовою "розриву просвіту".
Наслідки виявились суттєвими. У стандартній теорії міра кривини простору-часу (так званий скаляр Кретчмана) у центрі чорної діри зростає до нескінченності. У новій версії ця величина залишається обмеженою і скінченною - максимальна можлива кривина масштабується оберненою четвертою степенем параметра a₀. Тобто сингулярність не зникає завдяки якійсь екзотичній матерії чи квантовим ефектам - їй просто не залишається місця в просторі допустимих геометрій.
Важливо, що нова теорія "вміє відступати" там, де вона не потрібна. У слабких гравітаційних полях, як у Сонячній системі, модифікована геометрія плавно повертається до звичного шварцшильдівського розв'язку. Тож усі класичні експериментальні перевірки теорії відносності залишаються справедливими. Відхилення від стандартної фізики стають помітними лише в екстремальних умовах поблизу дуже щільних об'єктів.
Автори оцінюють, що ефекти нової геометрії можуть проявитися на радіусах, трохи зміщених від класичного радіуса Шварцшильда. Це потенційно здатне вплинути на положення так званої фотонної сфери навколо чорної діри, на характер коливань простору-часу та на те, як гаситься гравітаційно-хвильовий сигнал під час злиття чорних дір. А це вже конкретні параметри, які астрономи можуть перевірити спостереженнями.
Темна енергія з тієї ж математики
Друга частина роботи переносить ідею псевдокомплексної геометрії у космологію - на масштаб усього Всесвіту. Коли дослідники застосували нову математику до стандартної моделі однорідного й ізотропного розширення космосу, рівняння поля розпалися на дві пов'язані системи.
Виявилось, що допоміжний "тіньовий" сектор автоматично додає до рівнянь ефективну енергетичну густину - саме те, що астрономи спостерігають як темну енергію, яка прискорює розширення Всесвіту. Іншими словами, темна енергія в цій моделі не потребує окремого пояснення чи нової екзотичної субстанції - вона природно випливає з тієї самої геометричної структури, яка усуває сингулярності чорних дір.
Такий збіг двох найбільших нерозв'язаних проблем сучасної фізики - сингулярностей чорних дір і природи темної енергії - в одному теоретичному підході робить роботу особливо цікавою для наукової спільноти. Наступний крок - перевірка передбачень за допомогою реальних астрономічних спостережень, зокрема даних про гравітаційні хвилі та зображення надзвичайно щільних об'єктів у космосі.
Поки теорія залишається математичною моделлю, яка чекає на спостережну перевірку. Але якщо астрономи знайдуть передбачені зміщення в характеристиках чорних дір, це може стати одним із найбільших прогресів у розумінні гравітації з часів Айнштайна.
