Десятилетиями существование экстремальных чёрных дыр считалось математически невозможным. Новое доказательство опровергает это. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже
Введение
Чтобы понять Вселенную, учёные обращаются к её аномалиям. «Всегда хочется знать о крайних случаях — особых случаях, которые лежат на грани», — сказал Карстен Гундлах, физик-математик из Саутгемптонского университета.
Чёрные дыры – загадочные крайности космоса. Внутри них материя упакована так плотно, что, согласно общей теории относительности Эйнштейна, ничто не может оттуда вырваться. Десятилетиями физики и математики использовали их, чтобы исследовать пределы своих представлений о гравитации, пространстве и времени.
Но даже у чёрных дыр есть крайние случаи, и эти случаи могут дать свои собственные выводы. Чёрные дыры вращаются в пространстве. Когда вещество падает в них, они начинают вращаться быстрее; если у этого вещества есть заряд, они также приобретают электрический заряд. В принципе, чёрная дыра может достичь точки, в которой её заряд или вращение максимально возможно, учитывая её массу. Такая чёрная дыра называется «экстремальной» — крайностью из крайностей.
Эти чёрные дыры обладают некоторыми странными свойствами. В частности, так называемая поверхностная гравитация на границе, или горизонте событий, такой чёрной дыры равна нулю. «Это чёрная дыра, поверхность которой больше не притягивает», — сказал Гундлах. Но если слегка подтолкнуть частицу к центру чёрной дыры, она не сможет вырваться.
В 1973 году выдающиеся физики Стивен Хокинг, Джеймс Бардин и Брэндон Картер утверждали, что экстремальные чёрные дыры не могут существовать в реальном мире — что просто не существует правдоподобного способа их образования. Тем не менее, последние 50 лет экстремальные чёрные дыры служат полезными моделями в теоретической физике. «У них есть хорошая симметрия, которая упрощает расчёты», — сказал Гаурав Кханна из Университета Род-Айленда, и это позволяет физикам проверять теории о загадочной связи между квантовой механикой и гравитацией.
В 1973 году Стивен Хокинг и два других выдающихся физика выдвинули гипотезу, что экстремальные черные дыры никогда не смогут образоваться.
Теперь два математика доказали, что Хокинг и его коллеги ошибались. Новая работа, представленная в двух недавних статьях Кристофа Келя из Массачусетского технологического института и Райана Унгера из Стэнфордского университета и Калифорнийского университета в Беркли, демонстрирует, что в известных нам законах физики нет ничего, что могло бы предотвратить образование экстремальной чёрной дыры.
Их математическое доказательство «красивое, технически инновационное и физически удивительное», — сказал Михалис Дафермос, математик из Принстонского университета (и научный руководитель Келя и Унгера). Оно намекает на потенциально более богатую и разнообразную Вселенную, в которой «экстремальные чёрные дыры могут существовать астрофизически», добавил он.
Это не значит, что они таковыми являются. «То, что существует математическое решение с хорошими свойствами, не обязательно означает, что природа его использует», — сказал Кханна. «Но если мы каким-то образом найдём такое решение, это действительно заставит нас задуматься о том, чего мы лишаем». Он отметил, что такое открытие может поднять «довольно радикальные вопросы».
Закон невозможности
До доказательства Келя и Унгера имелись веские основания полагать, что экстремальные черные дыры не могут существовать.
В 1973 году Бардин, Картер и Хокинг сформулировали четыре закона поведения чёрных дыр. Они напоминали четыре давно известных закона термодинамики — набор непреложных принципов, гласящих, например, что Вселенная становится всё более неупорядоченной со временем и что энергия не может быть создана или уничтожена.
В своей работе физики доказали первые три закона термодинамики чёрных дыр: нулевой, первый и второй. Более того, они предположили, что третий закон (как и его аналог в стандартной термодинамике) также будет верен, хотя им пока не удалось это доказать.
Этот закон гласил, что поверхностная гравитация чёрной дыры не может уменьшиться до нуля за конечное время — другими словами, что не существует способа создать экстремальную чёрную дыру. В поддержку своего утверждения трио утверждало, что любой процесс, который позволил бы заряду или спину чёрной дыры достичь экстремального предела, также потенциально может привести к полному исчезновению её горизонта событий. Широко распространено мнение, что чёрные дыры без горизонта событий, называемые голыми сингулярностями, не могут существовать. Более того, поскольку известно, что температура чёрной дыры пропорциональна её поверхностной гравитации, чёрная дыра без поверхностной гравитации также не имела бы температуры. Такая чёрная дыра не испускала бы тепловое излучение — то, что, как позже предположил Хокинг, должны были бы делать чёрные дыры.
В 1986 году физик Вернер Израэль, казалось, поставил точку в этом вопросе, опубликовав доказательство третьего закона. Допустим, вы хотите создать экстремальную чёрную дыру из обычной. Вы можете попытаться сделать это, увеличив её вращение или добавив больше заряженных частиц. Доказательство Израэля, казалось, демонстрировало, что это не может заставить поверхностную гравитацию чёрной дыры упасть до нуля за конечное время.
Как в конечном итоге выяснили Келе и Унгер, в аргументации Израиля скрывался изъян.
Смерть Третьего Закона
Келе и Унгер не ставили перед собой задачу поиска экстремальных чёрных дыр. Они наткнулись на них совершенно случайно.
Они изучали образование электрически заряженных чёрных дыр. «Мы поняли, что можем это сделать» — создать чёрную дыру — «для любого отношения заряда к массе», — сказал Келе. Это включает случай, когда заряд максимально высок, что является отличительным признаком экстремальной чёрной дыры.
Дафермос признал, что его бывшие студенты открыли контрпример к третьему закону Бардина, Картера и Хокинга: они показали, что действительно могут превратить типичную черную дыру в экстремальную за конечный промежуток времени.
Келе и Унгер взяли за основу чёрную дыру, которая не вращается и не имеет заряда, и смоделировали, что может произойти, если поместить её в упрощённую среду, называемую скалярным полем, которая предполагает наличие фоновых равномерно заряженных частиц. Затем они воздействовали на чёрную дыру импульсами этого поля, добавляя ей заряд.
Эти импульсы также передавали чёрной дыре электромагнитную энергию, увеличивая её массу. Посылая рассеянные низкочастотные импульсы, математики обнаружили, что могут увеличивать заряд чёрной дыры быстрее, чем её массу, — именно то, что им было нужно для завершения доказательства.
Обсудив свой результат с Дафермосом, они внимательно изучили доказательство Израэля 1986 года и выявили его ошибку. Они также построили два других решения уравнений общей теории относительности Эйнштейна, которые предполагали различные способы добавления заряда к чёрной дыре. Опровергнув гипотезу Бардина, Картера и Хокинга в трёх различных контекстах, работа не должна оставить никаких сомнений, сказал Унгер: «Третий закон мёртв».
Пара также показала, что образование экстремальной чёрной дыры не откроет путь к голой сингулярности, как опасались физики. Напротив, экстремальные чёрные дыры, по-видимому, находятся на критическом пороге: добавьте нужное количество заряда к плотному облаку заряженной материи, и оно схлопнется, образуя экстремальную чёрную дыру. Добавьте больше, и вместо того, чтобы схлопнуться в голую сингулярность, облако рассеется. Чёрная дыра вообще не образуется. Келе и Унгер воодушевлены этим результатом так же, как и своим доказательством возможности существования экстремальных чёрных дыр.
«Это прекрасный пример того, как математика возвращает физике значение», — сказала Елена Джорджи, математик из Колумбийского университета.
Невозможное стало видимым
Хотя Келе и Унгер доказали, что теоретически возможно существование экстремальных черных дыр в природе, нет никаких гарантий, что это действительно так.
Во-первых, теоретические примеры обладают максимальным зарядом. Но чёрные дыры с заметным зарядом никогда не наблюдались. Гораздо более вероятно увидеть быстро вращающуюся чёрную дыру. Келе и Унгер хотят построить пример, который достигает экстремального порога по спину, а не по заряду.
Но работа со спином гораздо сложнее с математической точки зрения. «Для этого нужно много новых математических данных и новых идей», — сказал Унгер. Он и Келе только начинают исследовать эту проблему.
Между тем, более глубокое понимание экстремальных чёрных дыр может дать более глубокое понимание околоэкстремальных чёрных дыр, которые, как считается, в изобилии присутствуют во Вселенной. «Эйнштейн не считал чёрные дыры реальными, [потому что] они слишком странные», — сказал Кханна. «Но теперь мы знаем, что Вселенная кишит чёрными дырами».
По аналогичным причинам, добавил он, «мы не должны отказываться от экстремальных чёрных дыр. Я просто не хочу ограничивать творческий потенциал природы».
Исправление: 25 августа 2024 г.
Первоначально в этой статье утверждалось, что физик Джон Бардин выдвинул гипотезу о невозможности существования экстремальных чёрных дыр. Именно Джеймс Бардин, а не его отец Джон, выдвинул это утверждение в статье 1973 года, написанной совместно со Стивеном Хокингом и Брэндоном Картером.
Источник: www.quantamagazine.org
