Физики переписали учебники: сингулярность чёрной дыры оказалась не точкой, а поверхностью

Физики-теоретики Эндрю Хэмилтон из Университета Колорадо в Боулдере и Тайлер Макмакен из Университета Мэри показали, что сингулярность внутри чёрной дыры Шварцшильда — это не точка бесконечной плотности, как принято изображать в учебниках, а плоская трёхмерная поверхность, пишет Physical Review D (PRD).

Ещё в 1930-х годах сингулярность невращающейся чёрной дыры представляли точкой, к которой стягивается всё вещество. В 1960-х для вращающихся чёрных дыр Керра выяснили, что центробежные силы превращают сингулярность в кольцо — но для простых чёрных дыр Шварцшильда картина точки сохранялась как удобная и понятная модель.

Ещё в 1998 году Хэмилтон, строя визуализации падения в чёрную дыру для студентов, заметил, что вместо точки получается поверхность, но не смог объяснить эффект. Разгадку нашли, проследив траектории двух наблюдателей, падающих в одну чёрную дыру с противоположных сторон. Если сингулярность — точка, оба должны оказаться в одном и том же месте.

Но искривлённое пространство-время не позволяет свету или любому другому сигналу перемещаться между падающими наблюдателями: они навсегда теряют причинную связь и никогда не смогут узнать о судьбе друг друга. Из этого следует, что они не могут сойтись в одной точке пространства-времени. Противоречие исчезает, если сингулярность — плоская трёхмерная пространственно-подобная поверхность, которую каждый наблюдатель достигает в своей точке.

По словам авторов, вывод касается и вращающихся чёрных дыр Керра: их кольцевая сингулярность при реалистичном коллапсе тоже превращается в пространственно-подобную поверхность на внутреннем горизонте.

Почему это открытие меняет физику

Чёрные дыры — одни из самых загадочных объектов во Вселенной. Их гравитация настолько сильна, что ничто, даже свет, не может покинуть их пределы. В центре чёрной дыры, согласно классической теории относительности, находится сингулярность — область, где законы физики перестают работать, плотность становится бесконечной, а пространство-время схлопывается в точку. Именно эта «точка» десятилетиями была головной болью физиков: она означает, что общая теория относительности Эйнштейна даёт сбой и требует квантового дополнения.

Новая работа Хэмилтона и Макмакена предлагает радикально иное решение. Если сингулярность — не точка, а пространственно-подобная поверхность, это не только устраняет математическое противоречие, но и меняет подход к созданию квантовой теории гравитации. По словам Хэмилтона, «квантовая гравитация — центральный вопрос теоретической физики, и именно на сингулярных поверхностях чёрных дыр она и происходит в нашей Вселенной».

Представьте себе, что вы падаете в чёрную дыру. Вместо того чтобы быть раздавленным в бесконечно малой точке, вы достигаете плоской поверхности — огромного «пространственного листа». Это похоже на то, как если бы вы упали с небоскрёба и вместо удара о землю приземлились на бесконечный батут, который простирается во все стороны. Каждый падающий наблюдатель достигает своей собственной точки на этой поверхности, и они никогда не встречаются, потому что свет между ними не проходит.

Это открытие не только пересматривает природу чёрных дыр, но и даёт физикам новую математическую отправную точку для объединения общей теории относительности с квантовой механикой. Следующий шаг — понять, что происходит на этой поверхности с точки зрения квантовой физики, и возможно, это станет ключом к «теории всего», которую ищут учёные уже более полувека.