Теорія загальної відносності, розроблена Альбертом Ейнштейном, перевернула наше уявлення про гравітацію. Згідно з нею, гравітація — це викривлення простору-часу масивними об’єктами. Чорні діри — одне з найзахопливіших передбачень цієї теорії, проте вони ставлять перед вченими чимало запитань.
Чорні діри та сингулярності
Сингулярності — це точки простору-часу, де матерія стискається до нескінченної щільності, а закони фізики перестають діяти. Вони виникають під час гравітаційного колапсу масивних зір. Нобелівський лауреат Роджер Пенроуз довів, що сингулярності є неминучим результатом такого колапсу.
Однак ці аномалії викликають серйозні проблеми. Закони фізики, які ми знаємо, перестають працювати, й передбачення стають неможливими. Для розуміння природи сингулярностей вчені звертаються до квантової механіки — теорії, яка описує поведінку частинок на мікроскопічному рівні.
Квантова механіка та чорні діри
Квантова механіка пропонує нові інструменти для дослідження чорних дір. Одним із підходів є «напівкласична гравітація», яка поєднує загальну теорію відносності з квантовою механікою. Це дозволяє досліджувати, як квантові ефекти впливають на простір-час.
Одним із цікавих явищ є «від’ємна енергія» — явище, яке можливе лише у квантовій механіці. Воно створює сценарії, які не враховані класичною фізикою. У таких умовах може виникнути «квантова космічна цензура» — ідея, що квантові ефекти приховують сингулярності за горизонтами подій чорних дір.
Нерівність Пенроуза та квантова космічна цензура
Основою ідеї космічної цензури є нерівність Пенроуза, яка пов’язує масу простору-часу з площею горизонту чорної діри. У квантовій механіці ця нерівність отримала нове тлумачення. У 2019 році вчені запропонували квантову версію нерівності, яка враховує ентропію чорних дір та квантової матерії.
Недавнє дослідження, опубліковане в журналі Physical Review Letters, вдосконалило цю квантову нерівність, показавши, що енергія простору-часу узгоджується з другим законом термодинаміки. Це підтримує ідею, що квантові ефекти зберігають передбачуваність Всесвіту, навіть у найекстремальніших умовах.
Нерозв’язані проблеми
Незважаючи на значний прогрес, досягнутий у розумінні квантового походження простору-часу, грандіозне об’єднання квантової механіки та загальної теорії відносності Ейнштейна залишається недосяжним. Пошуки універсальної теорії квантової гравітації, яка б примирила ці два стовпи сучасної фізики, є одним із найбільших викликів, з якими сьогодні стикаються фізики-теоретики.
Такі підходи, як теорія струн, петлева квантова гравітація та причинно-наслідкова динамічна тріангуляція, пропонують багатообіцяючі шляхи подолання розриву між субатомною сферою та великомасштабною структурою простору-часу. Однак шлях до повної та послідовної теорії квантової гравітації сповнений технічних і концептуальних перешкод, що вимагає нових сміливих ідей та інноваційних математичних структур.
Квантова механіка пропонує нові способи розв’язання загадок чорних дір. Ідея квантової космічної цензури показує, як квантові ефекти можуть запобігти спостереженню сингулярностей, зберігаючи фізичні закони. Хоча багато питань залишається відкритими, ці дослідження є кроком до об’єднання квантової механіки та загальної теорії відносності, що обіцяє глибше розуміння Всесвіту.
Раніше ми повідомляли про те, як фізиками знайдена альтернатива темній матерії.
За матеріалами newscientist.com
