Хронологическое будущее для точки p
Поведение малых возмущений гравитационного и электромагнитного полей внутри чёрной дыры — давний предмет исследований в Общей теории относительности (ОТО). Нам нужно очень точно знать, как затухают эти возмущения, чтобы продвинуться в понимании природы гравитации, от интерпретации данных зарегистрированных гравитационных волн до более фундаментальных вопросов — таких как детерминистический характер ОТО.
Появление горизонта Коши в астрофизических применениях вычислений Эйнштейна сигнализирует о возможном нарушении детерминизма в рамках ОТО. Как известно, горизонт Коши ограничивает «область предсказуемости»: За горизонтом Коши однозначные предсказания ни в классической, ни в квантовой теории невозможны, поскольку часть необходимой информации приходит туда из других областей пространства-времени, не пересекающихся с начальной частичной поверхностью Коши.
Другими словами, мы уже не можем предсказать будущее наблюдателя, который пересекает горизонт Коши, исходя из начальных условий до пересечения горизонта и уравнений Эйнштейна. Тем не менее, в контексте пространства-времени чёрной дыры (ЧД) можно ожидать, что возмущения внешней области могут бесконечно усиливаться, превращая горизонт Коши изнутри в сингулярность (конечная граница), за пределами которой уравнения поля перестают иметь смысл. Такое предположение обосновывается в гипотезе Пенроуза о принципе «космической цензуры».
Пенроуз сформулировал принцип следующим образом: «Природа питает отвращение к голой сингулярности». Это значит, что сингулярности пространства-времени появляются в таких местах, которые, подобно внутренним областям чёрных дыр, скрыты от наблюдателей.
Группа математиков из Калифорнийского университета в Беркли, Института теоретической физики «Периметр» (Канада), Института теоретической физики и Центра экстремальной материи и эмергентных феноменов из Утрехтского университета (Нидерланды) опубликовала научную работу, в которой объясняется, что принцип «космической цензуры» напрямую связан с тем, насколько сильно внешняя граница горизонта Коши подавляет возмущения гравитационного и электромагнитного полей. Анализ характера этих затуханий даёт возможность предположить, что происходит на внутренней границе горизонта Коши, где проявляется сингулярность — и что это означает для путешественника, который туда попадёт.
Конкретно, учёные изучили безмассовые скалярные поля снаружи чёрных дыр в модели Рейснера – Нордстрёма для пространства де Ситтера, то есть для релятивистской космологической модели. Скорость их затухания определяется квазинормальными модами чёрной дыры. Разумеется, измерения физических характеристик за пределами горизонта событий осуществл��ется чисто математическими методами: «Ни один физик не сможет попасть в чёрную дыру и измерить её, — говорит Питер Хинц из Беркли, один из авторов научной работы. — Этот вопрос действительно можно изучать только математически, но он имеет физические, почти философские последствия. С этой точки зрения уравнения Эйнштейна становятся математически более интересными».
Авторы научной работы идентифицировали три семейства мод в этих пространствах-временах. Одно семейство напрямую связано с фотонной сферой и хорошо описано. Второй тип мод своим существованием и временной шкалой тесно связан с горизонтом де Ситтера. Наконец, третье семейство доминирует в почти экстремально заряженных чёрных дырах — и оно также присутствует в асимптотически плоских вариантах пространства-времени.
Авторы говорят, что два последних варианта мод как будто остались незамеченными в существующей литературе по физике чёрных дыр. Поэтому в своей работе они дали детальное описание скалярных возмущений таких ЧД и обоснование гипотезы, что принцип «космической цензуры» нарушается в варианте ЧД с заряжённостью, близкой к экстремальной.
Что означает нарушение принципа «космической цензуры» в этих чёрных дырах? Это значит, что некоторые сингулярности могут быть доступны для внешнего наблюдателя — хотя и со странными последствиями для него.
Согласно моделированию, при проникновении в такую теоретическую чёрную дыру наблюдатель не прекратит своё существование, а будет стёрто его прошлое. Кроме того, перед ним откроется потенциально бесконечное количество возможных вариантов будущего, как у владельца Меча вероятностей из фантастического романа «Шрам» Чайны Мьевиля.
Наблюдатель никогда не сможет выйти из чёрной дыры и рассказать свою историю, но это не имеет значения, потому что никого из прошлого уже не будет существовать, как не будет и самого прошлого.
Научная статья опубликована 17 января 2018 года в журнале Physical Review Letters (doi: 10.1103/PhysRevLett.120.031103, pdf).
