Что происходит внутри черной дыры? Физики нанесли на карту бушующий там хаос

30 июл 2025, 13:04

Что происходит, когда вы пересекаете горизонт событий черной дыры? Этот вопрос, будоражащий воображение не одного поколения, долгое время упирался в глухую стену — сингулярность. Это не просто точка в центре, а скорее пропасть в нашем понимании Вселенной, место, где законы общей теории относительности Эйнштейна перестают работать. Но сегодня, вооружившись новыми математическими инструментами и переосмыслив смелые идеи полувековой давности, ученые подбираются к этой загадке как никогда близко. И то, что они там находят, — это не тихое забвение, а неистовый, хаотичный танец самого пространства-времени.

Проблема на миллиард световых лет: Сингулярность

Чтобы понять всю грандиозность задачи, нужно осознать, что такое сингулярность на самом деле. Это не физический объект, а математический парадокс. Общая теория относительности (ОТО), блестяще описывающая гравитацию как искривление пространства-времени, предсказывает, что в центре черной дыры кривизна становится бесконечной, а плотность — безграничной. Для физики «бесконечность» — это сигнал тревоги, знак того, что теория достигла своего предела.

Иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com

С другой стороны, у нас есть квантовая механика, описывающая мир на микроуровне. Она утверждает, что у Вселенной есть «минимальное разрешение» — планковская длина. Говорить о расстояниях меньше этого значения бессмысленно. Получается, у нас есть две величайшие теории XX века, которые входят в клинч именно в самом сердце черной дыры: одна требует гладкого и непрерывного пространства, другая — зернистого и квантованного. Примирить их — значит создать теорию квантовой гравитации, святой Грааль современной физики. И, как ни странно, ключ к этому может лежать в хаосе.

Забытая симфония хаоса: Вселенная-миксмастер

Еще в конце 1960-х, в «золотой век» изучения черных дыр, советские физики Владимир Белинский, Исаак Халатников и Евгений Лифшиц (БХЛ), а параллельно с ними американец Чарльз Мизнер, выдвинули радикальную гипотезу. Они предположили, что по мере приближения к сингулярности пространство-время не сжимается равномерно в точку. Вместо этого оно начинает вести себя как содержимое бешено работающего блендера.

Слева: схематическая эволюция локального элемента объема в режиме БХЛ. Форма элемента, параметризованная (x, y), эволюционирует хаотически, по мере того как объем стремится к нулю в сингулярности. Коллапс объема параметризуется τ. Справа: полуклассические собственные функции оператора ∂_τ являются нечетными автоморфными формами для группы SL(2, ℤ). Показанная собственная функция имеет ε ≈ 44.78 и построена по данным из https://www.lmfdb.org/. arXiv:2502.02661 [hep-th]
Автор: Sean A. Hartnoll, Ming Yang Источник: arxiv.org

Представьте себе: пространство в одном направлении стремительно растягивается, в то время как в двух других оно так же стремительно сжимается. Затем, в случайный момент, направления меняются. То, что было сжато, начинает расширяться, и наоборот. Этот процесс, названный БХЛ-хаосом, превращает внутренность черной дыры не в гладкий конус, ведущий к забвению, а в бурлящий котел, где само понятие стабильного направления или расстояния теряет смысл.

Эта идея была гениальной, но имела слабое место. Чтобы математически описать этот хаос, ученым пришлось сделать одно важное допущение: что вблизи сингулярности каждая точка пространства становится причинно «рассцепленной» с соседними. Сильнейшая гравитация изолирует их друг от друга, и каждая начинает свою собственную хаотичную «жизнь». Это было элегантное упрощение, но оставался вопрос: а что если это рассцепление — лишь математический трюк, а не реальное свойство гравитации Эйнштейна? Из-за этой неуверенности и сложности расчетов идея о «Вселенной-миксмастере» на долгие годы отошла на второй план.

Возвращение из небытия: Новые инструменты для старой загадки

Все изменилось с приходом XXI века. С одной стороны, колоссальный рост вычислительной мощности позволил моделировать уравнения Эйнштейна с невиданной ранее точностью, обходясь без старых упрощений. С другой — в арсенале теоретиков появился поистине волшебный инструмент: AdS/CFT-соответствие, или голографический принцип.

Если говорить просто, это своего рода математический «словарь», позволяющий переводить чрезвычайно сложные задачи о гравитации в одной (более многомерной) Вселенной на язык более простых задач о взаимодействии частиц, где гравитации нет вообще. Это как иметь два описания одного и того же объекта: одно — в виде сложной трехмерной скульптуры (мир с гравитацией), а другое — в виде плоской голограммы на ее границе (мир без гравитации). Решив задачу на голограмме, можно перевести ответ обратно и понять, что происходит со скульптурой.

Именно этот подход применил Шон Хартнолл из Кембриджа со своей командой. Они «перевели» вопрос о внутренностях черной дыры на язык конформной теории поля (CFT) и, к своему удивлению, увидели там ту же самую картину хаоса, что предсказывали БХЛ и Мизнер полвека назад. Это был прорыв. Оказалось, что хаос — не артефакт старых допущений, а фундаментальное свойство гравитации в экстремальных условиях.

Слева: Волновая форма в объеме обращается в ноль на границах домена SL(2, ℤ), которые показаны на рисунке в виде линий. Они сгущаются по направлению к конформной границе гиперболической плоскости при y = 0, так что граничная волновая функция ψ(x) обращается в ноль во всех рациональных числах. См. обсуждение в [49, 50]. Справа: взаимосвязь между различными представлениями состояния. В объеме волновая форма Маасса сначала определяется как Ψ(x, y). Запись в объемных полярных координатах (ρ, θ) и преобразование Меллина ρ ↔ t дают ξ-функцию на критической оси. Граничное значение волновой формы Маасса дает волновую функцию ψ(x) состояния |ψ⟩ в CQM в координатном базисе |x⟩. Волновая функция φ(t) в базисе собственных состояний дилатации |t⟩ пропорциональна ξ-функции. Представление в терминах определенных полилогарифмических волновых функций |ψs⟩ дает L-функцию на вещественной оси. Эта L-функция строится с использованием коэффициентов Фурье исходной волновой формы Маасса. arXiv:2502.02661 [hep-th]
Автор: Sean A. Hartnoll, Ming Yang Источник: arxiv.org

От гипотезы к реальности: Что мы знаем сегодня?

Сегодняшние исследования подтверждают: БХЛ-хаос реален. Более того, ученые обнаруживают в нем поразительные закономерности. Последние работы Хартнолла и его коллег показывают, что если усреднить все эти хаотичные «отскоки» пространства-времени, то в них проступают четкие математические структуры, связанные с так называемыми модулярными формами.

Это невероятно важный результат. Он означает, что хаос внутри черных дыр — не просто бессмысленный шум. Это сложная система со своей скрытой логикой и языком. Это уже не просто работающий блендер, а скорее сложнейший часовой механизм, детали которого движутся по пока не до конца понятным, но строго определенным правилам.

Заключение: Ключ к квантовой гравитации?

Что все это значит для нас, живущих далеко от этих космических монстров? Прямое наблюдение хаоса внутри черной дыры невозможно по определению — ничто не может покинуть горизонт событий. Но в этом и заключается красота теоретической физики. Ей не нужно видеть, чтобы понимать.

Обнаружение упорядоченной структуры в хаосе у сингулярности — это потенциальный «Розеттский камень» для объединения гравитации и квантовой механики. Возможно, именно язык этих модулярных форм и есть тот универсальный синтаксис, на котором можно записать единые законы Вселенной. Поняв правила этого безумного танца на краю бесконечности, мы можем, наконец, разгадать, из чего соткана сама ткань реальности. И хотя мы никогда не увидим этот танец своими глазами, его отголоски могут навсегда изменить наше представление о космосе и нашем месте в нем.

Опубликовано: Мировое обозрение Источник