31.10.2025, Брайан Коберлейн, briankoberlein.com
Когда речь заходит о чёрных дырах, почти всегда говорят о горизонте событий и сингулярности. В конце концов, именно это определяет чёрную дыру, верно? Но всё зависит от того, что вы подразумеваете под чёрной дырой. Некоторые утверждают, что чёрной дыре не нужна сингулярность, а это может означать, что у неё вообще нет горизонта событий.
Прежде чем углубиться в изучение чёрных дыр, давайте сначала разберёмся между этими двумя типами. С одной стороны, существуют теоретические чёрные дыры, описанные в общей теории относительности. Это решения уравнений поля ОТО Эйнштейна, известные как метрики. Первая метрика чёрных дыр была открыта Карлом Шварцшильдом и описывает простую невращающуюся чёрную дыру. С течением времени были найдены и другие метрики, например, метрика Керра, открытая в 1963 году Роем Керром и описывающая незаряженную вращающуюся чёрную дыру. Именно эта метрика используется для визуализации всех захватывающих сцен в таких фильмах, как «Интерстеллар».
С другой стороны, есть чёрные дыры, которые мы непосредственно наблюдали, такие как M87* и чёрная дыра в центре нашей галактики, SagA*. Телескоп горизонта событий собрал большой объём данных об этих двух чёрных дырах, и благодаря этому мы знаем, что они вращаются и имеют окологоризонтную структуру, которая — в пределах наших наблюдений — идеально согласуется с моделью Керра. Конечно, ни одно из наших наблюдений не может заглянуть внутрь чёрной дыры, поэтому мы не знаем наверняка, есть ли у неё сингулярность. Аналогично, мы не можем видеть сам горизонт событий, поскольку любой свет, пересекающий горизонт событий, оказывается запертым навсегда. Поэтому, так как у нас нет доказательств того, что у чёрных дыр нет сингулярностей и горизонтов событий, любые альтернативные модели, согласующиеся с текущими наблюдениями, также теоретически возможны.
Это важно, потому что, хотя сингулярности и горизонты событий естественным образом присутствуют в метриках чёрной дыры, они также вызывают всевозможные проблемы. Простая сингулярность — это математическая точка бесконечной плотности и нулевого объёма, где законы физики нарушаются. Это настолько проблематично, что физики прибегли к гипотезе космической цензуры, утверждая, что сингулярности всегда скрыты горизонтом событий, поэтому нам не нужно о них беспокоиться. Но у горизонтов событий есть свои проблемы. Поскольку любой объект, пересекающий горизонт событий, никогда не сможет покинуть чёрную дыру, информация, содержащаяся в нём, навсегда теряется для Вселенной, создавая информационный парадокс. И так по кругу.
Один из способов решить эту проблему — найти модель чёрной дыры без сингулярности и горизонта событий. В конце концов, общая теория относительности — это классическая теория, подобная ньютоновской динамике. Реальная Вселенная имеет квантовую природу, поэтому нам действительно необходима квантовая теория гравитации. И есть некоторые свидетельства того, что квантовая физика может решить эти проблемы. Принцип неопределённости Гейзенберга гласит, что невозможно иметь точную массу в определённой точке, поэтому квантовая теория, вероятно, предотвращает образование сингулярностей, а излучение Хокинга может позволить энергии и информации покинуть чёрную дыру со временем.
Большинство теоретических исследований этих идей сосредоточено на квантовой стороне вещей. Например, в петлевой квантовой гравитации квантовая пена пространства-времени может означать, что чёрные дыры образуют «планковскую звезду» внутри горизонта событий, а не сингулярность.(1) Похожая модель, известная как «пушистый комок», появляется в теории струн, где сингулярность заменяется клубком вырожденных струн.(2) Существуют также альтернативные общей теории относительности классические теории, которые могут устранить проблемы ОТО.
Но, учитывая отсутствие наблюдаемых свидетельств квантовой гравитации, альтернативной теории относительности или теории струн, почему бы не остановиться на старом добром профессоре Эйнштейне? Что, если предположить, что общая теория относительности верна, но добавить ограничение, согласно которому сингулярности запрещены? Возможна ли такая метрика чёрной дыры? Да, и она известна как метрика Хейворда.(3)
Метрика Хейворда — это минимальное решение уравнений поля Эйнштейна со следующими ограничениями: статичность, асимптотическая плоскость, сферическая симметрия и несингулярность. Напротив, модель Шварцшильда для чёрной дыры — это минимальное решение, удовлетворяющее первым трём ограничениям. Таким образом, чёрная дыра Хейворда — это, по сути, невращающаяся чёрная дыра Шварцшильда без сингулярности. Однако это единственное отличие приводит к нескольким изменениям.
Самое очевидное изменение заключается в том, что у черной дыры Хейворда нет сингулярности. Вместо того, чтобы пространство постоянно искривлялось в точку схода, центр черной дыры локально плоский, как и любая область глубокого космоса. Более тонкое изменение заключается в том, что у черных дыр Хейворда нет горизонта событий. Вместо этого модель имеет кажущийся горизонт, который удерживает материю в течение длительного времени. Со временем материя и энергия могут постепенно улетучиваться. Это похоже на эффект излучения Хокинга, но без привлечения квантовой физики. Для сверхмассивных черных дыр этот эффект настолько мал, что черная дыра Хейворда была бы практически неотличима от черной дыры Шварцшильда. И это ключевой момент. Хотя все наши наблюдения за черными дырами согласуются со стандартными моделями, черные дыры Хейворда также согласуются с данными.
Конечно, есть одна большая загвоздка: нам неизвестен физический механизм, который бы предотвращал образование сингулярностей. Модель Хейворда просто запрещает их появление. Но если модель Хейворда верна, то все эти каверзные проблемы с сингулярностями и горизонтами событий могут оказаться… бессмысленными.
1) Ровелли, Карло и Франческа Видотто. «Планковские звёзды». International Journal of Modern Physics D 23.12 (2014): 1442026. ↩︎
2) Матур, Самир Д. «Предложение по разрешению парадокса информации о чёрных дырах». International Journal of Modern Physics D 11.10 (2002): 1537–1540. ↩︎
3) Хейворд, Шон А. «Образование и испарение несингулярных чёрных дыр». Physical Review Letters 96.3 (2006): 031103. ↩︎
Перевод: Александр Тарлаковский (блог tay-ceti)
Оригинал: Pointless