Черные дыры - одни из самых загадочных объектов на просторах Вселенной. И хотя физики давно догадывались об их существовании, статус реальных космических обитателей черные дыры получили несколько лет назад. Открытие гравитационных волн в 2017 году и первый снимок черной дыры (2019 год) ознаменовали собой новую эру космических исследований - в самом ближайшем будущем мы узнаем много нового о Вселенной и существующих на ее просторах объектах. Так, недавно в журнале Physical Review Letters вышла статья, авторы которой утверждают что эти космические монстры обладают уникальными и причудливыми квантовыми свойствами. Новое исследование имеет отношение к теории квантовой гравитации - одной из нерешенных загадок современной науки. В основе работы лежит компьютерное моделирование - с его помощью физики обнаружили что черные дыры обладают свойствами, характерными для квантовых частиц. Удивительно, но исследователи полагают, что эти космические монстры могут быть одновременно маленькими и большими, тяжелыми и легкими, мертвыми и живыми.
Результаты нового исследования показали, что черные дыры обладают квантовыми свойствами. Но что это означает?
В поисках квантовой гравитации
Согласно квантовой теории наш мир состоит из невидимых частиц, постоянно взаимодействующих между собой и обладающих разными свойствами. Но вот что особенно интересно - законам квантовой механики подчиняются все фундаментальные силы Вселенной, за исключением самой важной из них - гравитации. Увы, но многолетние попытки вписать гравитацию в квантовую теорию не увенчались успехом, впрочем, как и создание теории всего.
Считается, что теория всего призвана объяснить устройство Вселенной и законы, по которым в ней все устроено. Физики, однако, до сих пор не знают что именно представляет собой главная сила во Вселенной. Некоторые исследователи полагают, что гравитация обладает квантовым свойствами и состоит из субатомных частиц - так называемых гравитонов, обнаружить которые до сих пор не удалось.
Гравитон - гипотетическая безмассовая элементарная частица гравитации
Вопросы также вызывает квантовая запутанность - явление при котором две субатомные частицы остаются неразрывно связаны вне зависимости от того, как далеко находятся друг от друга. Эту связь Альберт Эйнштейн называл сверхъестественной и сомневался в ней до последнего.
Так как все вокруг состоит из квантов, способных вести себя и как частица и как волна, существование гравитонов может доказать квантовую природу главной силы во Вселенной. Проблема заключается в том, что гравитация чрезвычайно слаба. Более того, для непосредственного наблюдения едва ощутимого воздействия гравитона на материю, потребуется массивный специальный детектор, способный сам образовать черную дыру (очевидно, о его создании говорить бессмысленно).
Моделирование показало, что черная дыра демонстрировала признаки квантовой суперпозиции, то есть способность существовать сразу в нескольких состояниях
К счастью, поиски гравитона можно продолжать и без супер детектора - в работе, опубликованной в журнале Physical Review Letters, физики рассказали о новой компьютерной модели, способной определить квантовые свойства черных дыр и больше узнать об устройстве Вселенной.
Квантовая суперпозиция и черные дыры
Физики из университета Квинсленда разработали математическую модель, поместив смоделированную квантовую частицу рядом с гигантской черной дырой. Полученные результаты показали, что черная дыра демонстрирует признаки квантовой суперпозиции - способности частиц существовать сразу в нескольких состояниях одновременно. Так, компьютерная черная дыра оказалась одновременно и массивной и нет (прямо как знаменитый кот Шредингера).
Черные дыры могут обладать квантовыми свойствами, являясь своего рода котами Шредингера
Результаты также подтверждают предположения физика-теоретика Джейкоба Бекенштейна о том, что масса черных дыр может быть только определенного значения в определенный момент времени. Напомним, что субатомные частицы способны существовать в нескольких состояниях одновременно - но лишь до момента взаимодействия с внешним миром. А оно, к слову, является результатом измерения или наблюдения, которое переводит частицу в одно из возможных состояний.
До сих пор никто не вдавался в квантовую природу черных дыр. Но если попытаться выяснить какой является структура сингулярности в центре черной дыры, наши выводы очень важны, - пишут авторы исследования.
Новое открытие также означает, что ткань пространства-времени вокруг сингулярности искривляется до бесконечности. По этой причине законы физики в том виде, в каком мы их знаем, попросту не работают. Выходит подобно коту Шредингера масса черной дыры может быть как огромной, так и нулевой одновременно.
Существование черных дыр удалось доказать несколько лет назад
Необходимо отметить, что свежий взгляд на природу этих таинственных объектов в будущем поможет понять что именно происходит внутри черной дыры. И как бы фантастично не выглядели такие эксперименты, они могут привести к самым неожиданным открытиям. Хорошим примером является основополагающая работа Стивена Хокинга об излучении черных дыр, подробнее можно прочитать здесь.
За горизонтом событий
Так как внимание к фундаментальной роли квантовых частиц в возникновении пространства-времени растет, наши представления о природе Вселенной меняются. Еще совсем недавно считалось что черные дыры не вращаются, а сингулярность - бесконечно плотная точка коллапсирующий материи (это слово используется для описания точки, которая бесконечно мала и бесконечно плотна).
Но так как черные дыры вращаются, современные модели предполагают что их сингулярности представляют собой бесконечно тонкие кольца. И если горизонт событий мы хорошо себе представляем, о сингулярности почти ничего неизвестно (и мы не представляем как она выглядит).
В 2017 году физики доказали существование гравитационных волн, распространившихся в результате столкновения двух сверхмассивных черных дыр
Поскольку черные дыры - это абсолютная граница между тем, что мы знаем, и тем, чего не знаем, их истинная природа остается для нас загадкой. По этой причине миру необходимы новые необычные исследования, способные бросить вызов устоявшимся представлениям о Вселенной. В конечном итоге изучение черных дыр может примирить ОТО и квантовую механику, став основой единой теории всего.
Считается, что в сингулярности ткань пространства-времени изгибается до бесконечности, а законы физики - в том виде, в каком мы их понимаем - нарушаются.
Среди наиболее интересных предположений о содержимом черных дыр можно выделить червоточины - туннели в пространстве-времени, которые могут являться порталами в другие миры и измерения. Подробнее о том, могут ли черные дыры соединять разные Вселенные мы рассказывали ранее, не пропустите!
