Что будет, если поменять местами пространство и время? Новое открытие связывает черные дыры с квантовым миром

Падение в черную дыру — один из самых драматичных и пугающих сценариев, которые рисует нам физика. Пересекая горизонт событий, точку невозврата, вы попадаете в область, где законы привычного мира ломаются. Пространство и время меняются ролями: движение вперед во времени становится таким же неизбежным, как движение к центру черной дыры в пространстве. Это уже не выбор, а судьба.

Но что, если посмотреть на эту странную инверсию не как на приговор, а как на… ключ? Недавнее исследование, опубликованное в Physics Letters B, предлагает именно такой, совершенно новый взгляд на внутреннее устройство черной дыры. Поменяв в уравнениях пространство и время местами, физик обнаружил не просто математический курьез, а скрытую реальность, которая связывает гравитацию с экзотическими областями квантовой физики.

Игрушечная вселенная для больших идей

Чтобы разобраться в самых сложных загадках Вселенной, ученые часто создают «игрушечные модели» — упрощенные системы, где можно проверить смелые идеи без громоздких вычислений. Одной из таких моделей является черная дыра BTZ, названная в честь ее создателей — Баньядоса, Тейтельбойма и Дзанелли.

Это не та гигантская черная дыра, что находится в центре нашей галактики. BTZ-дыра существует в гипотетическом (2+1)-мерном мире (два измерения пространства и одно времени) с отрицательной кривизной. Звучит абстрактно, но именно эта простота делает ее идеальным теоретическим полигоном. На ней физики оттачивают идеи о квантовой гравитации и голографическом принципе — концепции, согласно которой вся информация о трехмерном объеме может быть закодирована на его двумерной границе.

Карта, перевернутая вверх ногами

Ключевая идея нового исследования гениальна в своей простоте: а что, если не просто принять факт смены ролей пространства и времени внутри черной дыры, а сознательно поменять их местами в математическом описании всей системы?

Это похоже на то, как если бы вы, заблудившись, перевернули карту. На первый взгляд — бессмыслица. Но в физике такой трюк вскрыл поразительную вещь. Оказалось, что у привычного нам «внешнего» мира черной дыры есть скрытый двойник — полноценная «внутренняя» область, которая описывается почти теми же уравнениями, но с перевернутыми пространством и временем.

Это не просто два разных взгляда на одно и то же. Это открытие предполагает, что черная дыра BTZ — это не единый объект, а своего рода симбиоз двух миров: внешнего, где мы наблюдаем ее издалека, и внутреннего, живущего по «зеркальным» законам.

Две души в одной черной дыре

Эта двойственность имеет глубокие квантовые последствия. Физики давно используют концепцию «термополевого дублированного состояния» (TFD), чтобы описать вечную черную дыру. Если упрощать, TFD-состояние — это квантовый мост, который связывает две отдельные вселенные через кротовую нору, создавая единую систему. Оно описывает внешнюю геометрию черной дыры.

Новое исследование показывает, что этого недостаточно. Если у черной дыры есть и «внутренний» мир с перевернутыми координатами, ему тоже должно соответствовать свое TFD-состояние. Получается, для полного описания одной черной дыры нужно не одно, а два независимых, но взаимодополняющих квантовых состояния. Одно описывает ее «снаружи», другое — «изнутри». Вместе они кодируют всю геометрию целиком, что может стать важным шагом к решению знаменитого информационного парадокса — загадки о том, что происходит с информацией, поглощенной черной дырой.

Прогулка по ленте Мёбиуса

Самое странное начинается, когда мы рассматриваем геометрию всей системы целиком — как комбинацию внешнего и внутреннего миров. Математический аппарат, описывающий эту объединенную реальность (статистическая сумма), указывает на то, что мы имеем дело с неориентируемым пространством-временем.

Что это значит? Представьте себе ленту Мёбиуса — знаменитую петлю с одной поверхностью. Если вы начнете двигаться по ней, то в итоге вернетесь в исходную точку, но… вверх ногами. Вы не пересекали никаких границ, но ваша ориентация изменилась. Неориентируемое пространство — это многообразие, где нет глобального понятия «право» и «лево» или «верх» и «низ».

Предположение, что пространство-время черной дыры может обладать таким свойством, бросает вызов стандартным моделям гравитации. Возможно, именно в этих топологических странностях и скрываются ключи к новым квантовым эффектам, которые до сих пор от нас ускользали.

Неожиданный союз: гравитация и физика материалов

И вот мы подходим к самому захватывающему выводу работы. Оказалось, что математика, описывающая эту неориентируемую черную дыру, поразительно похожа на ту, что используется в совершенно другой области — физике конденсированного состояния, изучающей свойства материалов.

В этой области есть понятие «симметрийно-защищенных топологических фаз» (SPT-фаз). Это экзотические состояния материи, свойства которых определяются не локальным порядком атомов, а глобальной «формой» или топологией их квантовых состояний. Такие материалы устойчивы к мелким дефектам и возмущениям, их свойства защищены глобальной симметрией. Классический пример топологического свойства — разница между бубликом и шаром. Как бы вы ни сжимали бублик, в нем останется дырка — это его фундаментальное свойство.

Исследование предполагает, что квантовое состояние внутри черной дыры может быть именно такой SPT-фазой. Это ошеломляющая мысль: загадочный внутренний мир объекта, управляемого гравитацией, может иметь общую природу с квантовыми состояниями в сверхсовременных материалах здесь, на Земле.

Что все это значит?

Эта работа — больше чем просто элегантное математическое упражнение. Она строит мост между, казалось бы, не связанными областями: общей теорией относительности, квантовой информацией и физикой материалов.

Она дает нам новые инструменты для размышлений о том, что происходит за горизонтом событий. Она намекает, что квантовая природа пространства-времени может быть гораздо более странной и топологически сложной, чем мы думали. И, возможно, именно в этом неожиданном союзе разных дисциплин и скрывается путь к созданию единой теории, которая наконец объединит гравитацию и квантовый мир.