Что Эйнштейн не мог предвидеть в чёрных дырах? Новое открытие обнаруживает «слепое пятно» физики

Представьте себе, что в самом сердце физики уже сто лет идёт тихая «холодная война». На одной стороне — Альберт Эйнштейн и его общая теория относительности (ОТО), величественная и элегантная симфония, описывающая гравитацию, планеты, звёзды и галактики. На другой — квантовая механика, причудливый, вероятностный и невероятно точный язык субатомного мира. Обе теории гениальны в своих масштабах. Но стоит им встретиться, и начинается хаос.

А эпицентр этой битвы, место, где оба мира сталкиваются с оглушительной силой, — это чёрная дыра. Именно там, в её недрах, теория Эйнштейна даёт сбой, указывая на то, что мы упускаем нечто фундаментальное. И вот, кажется, группа учёных нашла способ заглянуть за кулисы, используя саму теорию относительности как проводника в неизведанный квантовый мир.

Два мира, одна Вселенная: почему Эйнштейн и кванты не дружат?

Чтобы понять всю соль новой работы, нужно вспомнить, в чём, собственно, проблема.

Общая теория относительности описывает гравитацию как искривление ткани пространства-времени. Массивные объекты вроде звёзд продавливают эту ткань, как шар для боулинга — батут, а планеты катаются по этим изгибам. Это мир плавных линий, непрерывных полей и строгой предсказуемости.

Квантовая механика, напротив, — это царство прерывистости и вероятности. Энергия здесь передаётся не сплошным потоком, а отдельными «пакетиками» — квантами. Частицы могут одновременно находиться в нескольких местах, а само наблюдение меняет результат эксперимента. Это мир «цифровой», а не «аналоговый».

Попытка применить гладкую математику ОТО к «зернистому» квантовому миру приводит к абсурду. Уравнения выдают бесконечности, теряя всякий физический смысл. Физикам нужна теория, которая бы объединила эти два языка, — так называемая «квантовая гравитация». Но её пока нет.

Чёрная дыра: место, где физика сдаётся

И нигде эта потребность не ощущается так остро, как в сердце чёрной дыры — в сингулярности. Согласно ОТО, это точка с бесконечной плотностью и нулевым объёмом, где вся масса рухнувшей звезды сжата в ничто.

«Бесконечность» для физика — это не просто большое число. Это красный флаг, сигнализирующий: «Здесь ваша теория больше не работает!». Очевидно, что в таких экстремальных условиях, где гигантская масса сосредоточена в микроскопическом пространстве, должны вступать в игру законы квантового мира. Но как их описать, если у нас нет нужных инструментов?

А что, если пойти с другого конца?

Именно здесь команда учёных под руководством Ксавье Кальме из Университета Сассекса предложила гениальный обходной путь. Их логика проста: мы не знаем, как выглядит окончательная теория квантовой гравитации. Но мы точно знаем одно: на больших расстояниях, вдали от экзотических объектов, она должна выглядеть в точности как старая добрая общая теория относительности Эйнштейна. Ведь ОТО прекрасно описывает движение планет и свет далёких галактик, и любая новая теория обязана с этим считаться.

Позвольте объяснить на аналогии. Представьте, что вы видите идеально гладкую мраморную статую (это ОТО). Вы не знаете, какими инструментами пользовался скульптор, но, присмотревшись под микроскопом, вы можете заметить крошечные, едва различимые царапины и шероховатости. Изучив их, вы сможете многое сказать о резцах и молотках, которыми он работал.

Кальме и его коллеги поступили так же. Они взяли уравнения Эйнштейна для чёрной дыры и начали вычислять, какие крошечные «квантовые поправки» должны в них появиться. По сути, они искали те самые «царапины» на гладкой поверхности теории относительности. Это позволило им получить первые внятные решения для чёрных дыр, учитывающие эффекты квантовой гравитации, — и всё это без самой теории!

Не такие уж «лысые»: загадка «квантовых волос»

Эта работа не возникла на пустом месте. Она — продолжение другой интригующей идеи Кальме, известной как теория «квантовых волос».

Долгое время считалось, что чёрные дыры невероятно просты. У них есть всего три характеристики: масса, заряд и вращение. Всё остальное — из чего они образовались, какая информация в них упала — исчезает без следа. Это назвали «теоремой об отсутствии волос». Чёрные дыры, мол, «лысые».

Но это породило знаменитый информационный парадокс. Квантовая механика утверждает, что информация не может исчезнуть. А куда она девается в чёрной дыре, особенно если та со временем испаряется благодаря излучению Хокинга?

Теория «квантовых волос» предлагает изящный ответ: информация не исчезает. Она «впечатывается» в гравитационное поле чёрной дыры в виде мельчайших квантовых флуктуаций. Эти флуктуации — и есть те самые «волосы», которые делают каждую чёрную дыру уникальной. Новые расчёты, выполненные командой, как раз и описывают природу этих гравитационных «волос», придавая этой смелой гипотезе математическую основу.

Шаг в темноту, но с фонариком

Конечно, это ещё не победа. У метода есть ограничения. Чем ближе мы подбираемся к загадочной сингулярности, тем сильнее становятся квантовые эффекты и тем менее надёжными становятся расчёты, основанные на «поправках» к ОТО. Чтобы заглянуть в самое сердце тьмы, нам по-прежнему нужна полноценная теория всего.

Но знаете что? Это огромный шаг вперёд. Физики перестали биться головой о стену в попытке с нуля создать великую объединённую теорию. Вместо этого они нашли способ использовать уже имеющиеся знания, чтобы осторожно, шаг за шагом, освещать путь в неизведанное. Это не штурм крепости, а скорее тонкая работа разведчика, который наносит на карту вражескую территорию, находясь на безопасном расстоянии.

Работа команды Кальме показывает, что даже без финального ответа можно добиваться удивительных результатов. Они нащупали тропинку там, где, казалось, теория Эйнштейна ставит жирную точку, и эта тропинка может однажды привести нас к пониманию самых глубоких тайн Вселенной.