По мнению физиков, червоточина в форме гусеницы может соединить две запутанные черные дыры
Согласно новому математическому моделированию, две квантово запутанные черные дыры могут быть соединены червоточиной сегментированной и бугристой структуры, так называемой «гусеницей Эйнштейна-Розена». В то время как предыдущие теории, популяризированные фантастическим кино, описывали гладкий и ровный туннель, эта модель предполагает пространственно-временную структуру, отражающую случайные и хаотические характеристики, присущие самим черным дырам.
Внутренняя структура черных дыр остается одной из великих загадок современной физики, поскольку гравитация в них настолько экстремальна, что даже свет не может ее покинуть. Это означает, что внутренние процессы недоступны для прямого наблюдения: наши астрономические инструменты могут улавливать только свет, излучаемый аккреционными дисками — периферийными областями, где материя еще излучает.
Многие теории пытались раскрыть эту тайну. Некоторые предполагают, что объединение общей теории относительности Эйнштейна и квантовой механики — задача, над которой физики бьются десятилетиями, — позволило бы смоделировать внутренность черных дыр. Другими словами, для этого потребовалась бы полная теория квантовой гравитации, которая еще не сформулирована.
Существующие математические модели показывают, что внутренний размер черной дыры был бы пропорционален ее сложности, то есть сложности ее квантовых составляющих. Исследователи задались вопросом, может ли это правило применяться и к червоточинам, соединяющим две черные дыры. Действительно, червоточина, соединяющая две квантово запутанные черные дыры, могла бы дать представление об их внутренней структуре.
Червоточины, или мосты Эйнштейна-Розена, — это туннели, соединяющие две удаленные точки пространства-времени. В квантовой запутанности две частицы, образующие «пару Эйнштейна-Подольского-Розена», остаются неразрывно связанными, независимо от расстояния между ними. Некоторые физики предполагали, что эти два явления могут быть эквивалентны в случае двух запутанных черных дыр.
Новая математическая модель, разработанная исследователями из Университета Брандейса (Массачусетс) и Института Бальсеро (Аргентина), частично подтверждает эту гипотезу. Моделируя две запутанные черные дыры, они наблюдали, что задействованные процессы оказались гораздо сложнее, чем предполагалось ранее. Для математического описания внутренней части червоточины, соединяющей две запутанные черные дыры, исследователи разработали модель, частично связывающую квантовую физику и гравитацию. Хотя этот подход остается неполным, он оказывается достаточно реалистичным для воспроизведения некоторых физических процессов.
Исследователи сначала разработали упрощенную теоретическую модель гладкой и регулярной червоточины, основанную на упорядоченном квантовом состоянии, связывающем две черные дыры. Затем они вычислительным путем смоделировали пару хаотических черных дыр, чье состояние запутанности было намеренно усложнено, после чего вывели соответствующую геометрию червоточины.
Моделирование показало, что для сохранения стабильности системы, несмотря на квантовый беспорядок, червоточина должна быть длинной, извилистой и иметь неоднородности в распределении материи, напоминая тело гусеницы — отсюда и название «гусеница Эйнштейна-Розена». Эти результаты демонстрируют прямую математическую связь между квантовым хаосом черных дыр и структурой червоточины. Другими словами, чем более случайным и хаотичным является квантовое состояние черных дыр, тем более сложной становится соединяющая их червоточина.
Эти результаты могут иметь серьезные последствия для некоторых теорий, таких как «парадокс файрвола». Согласно ему, внутренность черной дыры не была бы гладкой и стабильной, а пространство-время могло бы разрываться на ее периферии под воздействием завесы энергии, называемой «файрволом». Новая модель, напротив, предполагает, что даже когда квантовая запутанность является хаотической и случайной, червоточина может оставаться стабильной, и классические законы гравитации продолжают в ней действовать.
Исследование опубликовано в журнале .