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.

Хронологическое будущее для точки p

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 осуществляется 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.

habr.com