Черные дыры часто описываются как опасные разрушительные сущности, которые никогда не отказываются от того, что попадает им в руки. Но что, если черные дыры защищают нас—защищают от непредсказуемых последствий мест, где наше физическое понимание Вселенной нарушается? Этот вопрос может показаться легкомысленным, но на самом деле он лежит в основе загадки физики, длившейся десятилетия, известной как “космическая цензура”, на которую исследователи, возможно, наконец, нашли ответ.
Внутри черных дыр физика в том виде, в каком мы ее знаем, заканчивается. Наша нынешняя теория гравитации, общая теория относительности Эйнштейна, предсказывает свой собственный провал в точках пространства-времени, называемых “сингулярностями». Согласно уравнениям, в этих точках гравитационные поля ведут себя непредсказуемо, часто усиливаясь до невероятно, бесконечно высоких уровней, когда сами уравнения не могут описать, что происходит.
Основополагающие принципы физики требуют, чтобы реальный физический мир продолжал иметь смысл внутри черных дыр. Они склонны интерпретировать это нарушение математики как означающее, что какая-то пока неизвестная физика, которая, вероятно, включает квантовую механику, берет верх вблизи особенностей. Но до тех пор, пока они не найдут теорию, объединяющую гравитацию и квантовую физику, нельзя точно знать, что происходит в этих точках.
К счастью, с сингулярностями, скрытыми внутри черных дыр, нам не нужно беспокоиться об их потенциально странном влиянии на внешний мир. Но что, если бы эти особенности могли проявиться снаружи — сами по себе? Последствия могут быть невероятными. Поскольку у нас еще нет полной теории для описания того, что происходит в сингулярностях, мы не можем доверять истории, которую рассказывает нам общая теория относительности. “Голые сингулярности приводят к тому, что общая теория относительности теряет свою предсказательную силу”, — говорит Йен Чин Онг, физик из Университета Янчжоу в Китае, который изучал природу сингулярностей в гравитационных теориях.
В 1960-е годы британский физик Роджер Пенроуз работал над математикой черных дыр и сингулярностей, которая впоследствии принесла ему Нобелевскую премию по физике 2020 года. В то время никто не нашел убедительных доказательств того, что уравнения общей теории относительности могут описать эти открытые сингулярности в физически ощутимой Вселенной. Они когда-либо материализовывались, замаскированные только внутри черной дыры. Пенроуз собрал воедино улики, которые наводили на предположение — обоснованное предположение, а не неопровержимое доказательство, — что общая теория относительности никогда не сделает такого предсказания. Эта гипотеза известна как космическая цензура: каким-то образом математика должна сработать так, чтобы природа исключила эти “голые” сингулярности из существования.
Космическая цензура — это идея, которая звучит для физиков так, как будто она должна быть правильной, и большинство предполагает, что это так. Хотя исследователи предложили способы обнаружения голых сингулярностей—заметных признаков, которые могли бы отличить их от черных дыр, — астрономы еще не видели никаких свидетельств их существования. Тем не менее, по прошествии более чем 50 лет никто не доказал и не опроверг гипотезу Пенроуза.
В первые несколько десятилетий после первой работы Пенроуза теоретические исследования поддерживали идею о том, что космическая цензура сохранится. Затем, в 2010 году, физики Луис Ленер и Франс Преториус использовали компьютерное моделирование, чтобы показать, что внешняя поверхность черных дыр может распасться на части и оставить после себя голые сингулярности. Однако разрушение происходит с любопытным поворотом. Это происходит в процессе, так называемой нестабильности Грегори-Лафламма, это может произойти только во вселенных с более чем тремя пространственными измерениями. Другими словами, такого рода нестабильности, выявляющие сингулярности, должны быть невозможны в трех измерениях нашей Вселенной, как описано общей теорией относительности.
Несмотря на это предостережение, результат все еще имеет значение. Используя этот единственный пример в качестве отправной точки, исследователи могут искать подобные процессы и спрашивать: “Происходит ли что-то подобное в нашей Вселенной?” Если ответ отрицательный, они могут спросить: “Почему бы и нет?” Пау Фигерас, физик из Лондонского университета Королевы Марии, говорит, что такой подход не приравнивается к полному доказательству, но он все еще убедителен. “Если этот конкретный процесс-единственный способ нарушить космическую цензуру, — говорит он, — и астрофизические черные дыры от этого не страдают, то это предлагает способ доказать, что гипотеза [Пенроуза] верна в астрофизическом пространстве-времени”.
Результаты Лехнера и Преториуса вызвали новый всплеск интереса к космической цензуре. По словам Фигераса, в последнее десятилетие эта область набрала обороты во многом благодаря достижениям в области вычислительной техники, которые позволили рассчитать, как развиваются черные дыры, а в некоторых случаях распадаются, выявляя особенности. “Дело не только в том, что 20 лет назад не было необходимых компьютеров”, — говорит он. “Мы не понимали, как моделировать общую теорию относительности и, следовательно, черные дыры в компьютерах”. В результате, говорит он, да, голые сингулярности встречаются чаще, чем ожидалось, — во вселенных с дополнительными измерениями.
Фигерас и его коллеги продемонстрировали, например, что голые сингулярности могут проявляться при столкновении черных дыр. Такие столкновения случаются даже в нашем университете. Но исследователи обнаружили, что такие события в нашей Вселенной не приводят к одинаковым результатам—столкновение всегда заканчивается сингулярностью, все еще заключенной в черную дыру.
Полное доказательство или убедительное опровержение гипотезы Пенроуза о космической цензуре остается неуловимым. Независимо от того, верна ли гипотеза или нет, однако сама головоломка больше не является главным для большинства теоретиков, говорит Онг. “Это то, чему мы можем научиться на этом пути, какие идеи мы можем получить, какие инструменты мы можем разработать”, — добавляет он. “Само путешествие будет не менее важным, чем и пункт назначения”.
