Это то, что могло бы (вероятно) существовать по другую сторону черной дыры.

Возможно, самым удивительным научным открытием последнего десятилетия является то, что Вселенная изобилует черными дырами.

Эти дыры наблюдались разных и удивительных размеров: некоторые с массой, немного превышающей массу Солнца, а другие с массой в миллиарды раз большей. Их также наблюдали по-разному: через радиоизлучение материала, падающего к дыре; И через свое влияние на звезды, которые вращаются вокруг него; Через гравитационные волны, испускаемые при их слиянии; И через чрезвычайно странное искажение света, которое оно вызывает (вспомните Кольцо Эйнштейна, которое появилось на изображениях Стрельца А*, сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути, которая не так давно украсила первые полосы международных газет).

Пространство, в котором мы живем, не гладкое, а дырявое в небе, как сито. Общая теория относительности Эйнштейна хорошо предсказала и описала физические свойства всех черных дыр.

Все, что мы знаем об этих странных объектах, на данный момент полностью соответствует теории Эйнштейна. Но есть два основных вопроса, на которые теория Эйнштейна не дает ответа.

Первый вопрос: куда уходит материя, когда она попадает в черную дыру? Второй вопрос: как заканчиваются черные дыры? Убедительные теоретические аргументы, впервые понятые Стивеном Хокингом несколько десятилетий назад, предполагают, что в отдаленном будущем, после жизни, которая зависит от ее размера, черная дыра сожмется (или, как говорят физики, «испарится»), испуская горячее излучение уже сейчас. известный как радиация Хокинга.

Это приводит к тому, что отверстие становится все меньше и меньше, пока не станет очень маленьким. Но что происходит после этого? Причина, по которой на эти два вопроса до сих пор нет ответа, а теория Эйнштейна не дает ответа, заключается в том, что оба они затрагивают квантовые аспекты пространства-времени.

Это означает, что обе теории связаны с квантовой гравитацией, но у нас пока нет четкой теории квантовой гравитации.

Попробуйте ответить

Но надежда есть, потому что у нас есть предварительные теории. Эти теории еще не доказаны, поскольку еще не подтверждены экспериментами или наблюдениями.

Но они достаточно продвинуты, чтобы дать нам предварительные ответы на эти два важных вопроса. Поэтому мы можем использовать эти теории, чтобы сделать обоснованное предположение о том, что происходит.

Не определен

Возможно, самой подробной и продвинутой теорией квантового пространства-времени является петлевая квантовая гравитация, или LQG – экспериментальная теория квантовой гравитации, которая стабильно развивается с конца 1980-х годов.

Благодаря этой теории появился интересный ответ на эти вопросы. Этот ответ демонстрируется в следующем сценарии. Внутренняя часть черной дыры развивается, пока не достигает стадии, когда квантовые эффекты начинают доминировать.

Это создает сильную силу отталкивания, которая отражает динамику внутренней части коллапсирующей черной дыры, заставляя ее «подпрыгивать». После этой квантовой фазы, описываемой теорией квантовой гравитации, пространство-время внутри дыры снова подчиняется теории Эйнштейна, за исключением того, что черная дыра теперь расширяется, а не сжимается.

Возможность расширения черной дыры фактически была предсказана теорией Эйнштейна точно так же, как она была предсказана в отношении черных дыр. Это возможность, о которой известно уже несколько десятилетий; У этой соответствующей области пространства-времени даже есть название: «белая дыра».

Читать далее:

Та же идея, но наоборот

Название отражает идею о том, что белая дыра в некотором смысле является противоположностью черной дыры. Мы можем думать об этом так же, как мяч, подпрыгивающий вверх, следует по восходящей траектории, противоположной пути вниз, который он прошел, когда этот мяч упал.

Белая дыра — это пространственно-временная структура, похожая на черную дыру, но с обратным временем. Внутри черной дыры все падает; Но внутри белой дыры все движется наружу. Ничто не может выбраться из черной дыры; Точно так же ничто не может проникнуть в белую дыру.

Глядя на это снаружи, происходит следующее: в конце процесса испарения черная дыра, которая теперь мала, поскольку испарила большую часть своей массы, превращается в маленькую белую дыру. ЛКГ отмечает, что такие структуры становятся почти стабильными благодаря квантовым эффектам и, следовательно, могут сохраняться в течение длительного времени.

Белые дыры иногда называют «остатками», потому что они остаются после испарения черной дыры. Переход от черной дыры к белой можно считать «квантовым скачком». Это похоже на концепцию квантовых скачков датского физика Нильса Бора, когда электроны перепрыгивают с одной атомной орбитали на другую, когда меняют свою энергию.

Квантовые скачки заставляют атомы испускать фотоны, которые и вызывают излучение света, позволяющего нам видеть вещи. Но теория квантовой гравитации предсказывает размер этих крошечных остатков. Отсюда особый физический результат: геометрическое квантование. В частности, теория квантовой гравитации предсказывает, что площадь любой поверхности может иметь только определенные дискретные значения.

Площадь остаточного горизонта белой дыры необходимо определять по наименьшему неисчезающему значению. Это соответствует белой дыре с массой в доли микрограмма: примерно весом человеческого волоса.

Этот сценарий отвечает на два вопроса, поставленных ранее. В конце процесса испарения квантовая черная дыра перепрыгивает в маленькую долгоживущую белую дыру. Материя, попавшая в черную дыру, позже может выйти из этой белой дыры.

Большая часть энергии материи уже будет высвобождена излучением Хокинга — низкоэнергетическим излучением, испускаемым черной дырой из-за квантовых эффектов, которые заставляют ее испаряться. Из белой дыры выходит не энергия попавшей в нее материи, а оставшееся низкоэнергетическое излучение, которое тем не менее несет в себе всю оставшуюся информацию о попавшей в нее материи.

Одна из интригующих возможностей, которую открывает этот сценарий, заключается в том, что загадочная темная материя, следы которой астрономы видят в небе, могла на самом деле образоваться, полностью или частично, из крошечных белых дыр, порожденных древними испаряющимися черными дырами. Эти дыры могли возникнуть на ранних стадиях существования Вселенной, возможно, до Большого взрыва, который, похоже, также предсказывает теория квантовой гравитации.

Это привлекательное потенциальное решение загадки природы темной материи, поскольку оно обеспечивает понимание темной материи, основанное исключительно на общей теории относительности и квантовой механике, двух хорошо известных аспектах природы. Он также не добавляет случайных частиц поля или новых динамических уравнений, как это делают большинство альтернативных экспериментальных гипотез о темной материи.

Следующие шаги

Итак, можем ли мы обнаружить белые дыры? Наблюдение белых дыр напрямую будет затруднено, поскольку эти маленькие объекты взаимодействуют с пространством и окружающей их материей почти исключительно посредством гравитации, которая чрезвычайно слаба.

Нелегко обнаружить волос, используя только его гравитацию. Но, возможно, по мере развития технологий это уже не будет невозможно. Идеи, как это сделать с помощью детекторов на основе квантовых технологий, уже предложены.

Если темная материя состоит из остатков белых дыр, простая оценка показывает, что несколько таких объектов могут каждый день пролетать через территорию размером с большую комнату. На данный момент нам нужно изучить этот сценарий и то, как он согласуется с тем, что мы знаем о Вселенной, ожидая, пока технологии помогут нам напрямую обнаружить эти объекты.

Но, что удивительно, этот сценарий раньше не учитывался. Причину можно найти в гипотезе, которую поддерживают многие теоретики, имеющие опыт работы в теории струн: сильная версия так называемой «голографической» гипотезы.

Согласно этой гипотезе, информация внутри маленькой черной дыры обязательно мала, что противоречит вышеизложенной идее. Гипотеза основана на идее вечных черных дыр: технически это идея о том, что горизонт черной дыры обязательно является горизонтом «событий» (горизонт «событий» по определению является вечным горизонтом). Если горизонт вечен, то то, что происходит внутри, фактически потеряно навсегда, и черная дыра однозначно отличается от того, что можно увидеть снаружи.

Но явления квантовой гравитации разрушают горизонт, когда он становится маленьким, не позволяя ему быть вечным. Следовательно, горизонт черной дыры не может быть горизонтом «событий». Содержащаяся в нем информация может быть большой, даже когда горизонт мал, и ее можно восстановить после стадии черной дыры, во время стадии белой дыры.

Любопытно, что когда черные дыры изучались теоретически и их квантовые свойства игнорировались, вечный горизонт считался их определяющим свойством. Теперь, когда мы понимаем черные дыры как реальные объекты на небе и исследуем их квантовые свойства, мы понимаем, что идея о том, что их горизонты должны быть вечными, была всего лишь идеалом.

Реальность более тонкая. Возможно, ничто не вечно, даже горизонт черной дыры.

Читать далее: