В 1915 году Альберт Эйнштейн опубликовал свою основополагающую работу по общей теории относительности. Год спустя немецкий физик Карл Шварцшильд нашел точное решение уравнений гравитационного поля, которое подразумевало существование экстремальных объектов, ныне известных как черные дыры. Это объекты с массой настолько концентрированной, что ничто — даже свет — не может избежать их гравитационного притяжения, отсюда и термин «черный».
Однако постепенно стали возникать вопросы, которые вызывали жаркие научные споры. В 1960-х годах стало ясно, что кривизна пространства-времени в центре черной дыры становится поистине бесконечной. В этих сингулярностях законы физики, похоже, перестают действовать. Если бы эта сингулярность была реальной, а не просто математическим артефактом, это означало бы, что общая теория относительности в экстремальных условиях нарушается. Для большей части научного сообщества использование термина «сингулярность» стало своего рода белым флагом: это сигнал о том, что мы просто не знаем, что происходит в этой области.
Несмотря на продолжающиеся дебаты вокруг сингулярностей, научные доказательства существования черных дыр продолжают расти и достигают кульминации в виде Нобелевских премий по физике 2017 и 2020 годов. К тому же, в 2015 году астрономы находят доказательства существования гравитационных волн, возникающих от слияний двух черных дыр, а несколькими годами позже появляются и первые изображения горизонта событий черной дыры. Однако ни одно из этих наблюдений до сих пор не дало окончательного ответа на вопрос о природе сингулярности, пишет EurekAlert.
И это возвращает нас к мысли авторов статьи: мы можем описать физику черных дыр только до определенного расстояния от центра. За пределами этого лежит тайна — ситуация, неприемлемая для науки. Вот почему ученые ищут новую парадигму, в которой сингулярность «лечится» квантовыми эффектами, которые гравитация должна проявлять в таких экстремальных условиях. Так возникают модели черных дыр без сингулярностей, подобным тем, которые исследовались в работе Стефано Либерати и его коллег.
Междисциплинарная группа ученых описала три модели черных дыр: стандартную черную дыру, предсказанную классической общей теорией относительности, с сингулярностью и горизонтом событий; обычную черную дыру, которая устраняет сингулярность, но сохраняет горизонт; и имитацию черной дыры, которая воспроизводит внешние черты черной дыры, но не имеет ни сингулярности, ни горизонта событий.
В статье также описывается, как могут формироваться обычные черные дыры и имитаторы, как они могут трансформироваться друг в друга и, что самое важное, как астрономы смогут в будущем отличить их от стандартных черных дыр.
Это направление исследований имеет огромные перспективы: оно может привести к разработке квантовой теории гравитации, моста между общей теорией относительности, описывающей вселенную в больших масштабах, и квантовой механикой, которая управляет субатомным миром.
Поколениями физики бьются над проблемой объединения гравитации с единой теорией поля. Большой шаг в этом направлении удалось сделать ученым из Финляндии. Они разработали новую квантовую теорию гравитации, описывающую гравитацию таким образом, который совместим со стандартной моделью физики элементарных частиц.
