Какво ще стане, ако размените времето и пространството? Ново откритие свързва черните дупки с квантовия свят
Падането в черна дупка е един от най-драматичните и плашещи сюжети, които физиката ни рисува. Преминавайки хоризонта на събитията, точката, от която няма връщане, вие навлизате в област, в която законите на познатия свят се разпадат. Пространството и времето трансформират функциите си: напредването напред във времето става толкоз неизбежно, колкото и напредването към центъра на черната дупка в пространството. Това към този момент не е избор, а орис.
Но какво ще стане, в случай че погледнем на тази странна инверсия не като на присъда, а като на… ключ? Едно скорошно изследване, оповестено в Physics Letters B, предлага тъкмо това – напълно нов метод да се огледа на вътрешното действие на черната дупка. Като разменя пространството и времето в уравненията, физикът открива не просто математически куриоз, а скрита действителност, която свързва гравитацията с екзотични области на квантовата физика.
Игрова галактика за огромни хрумвания
За да схванат най-сложните мистерии на Вселената, учените постоянно основават „ модели-играчки “ – опростени системи, в които могат да тестват смели хрумвания, без да се постанова да вършат тромави калкулации. Един подобен модел е черната дупка BTZ, наречена на своите основатели Банядос, Тейтелбойм и Занели.
Това не е гигантската черна дупка в центъра на нашата вселена. BTZ дупката съществува в предполагаем (2+1)-измерен свят (две измерения на пространството и едно на времето) с негативна кривина. Звучи нереално, само че точно тази елементарност я прави съвършен научен полигон. Върху него физиците усъвършенстват концепциите си за квантовата гравитация и холографския принцип – концепцията, че цялата информация за един тримерен размер може да бъде кодирана на неговата двуизмерна граница.
Пространствено-времева диаграма на оптимално разширената черна дупка BTZ Карта, обърната с главата надолу
Ключовата концепция на новото проучване е гениална в своята елементарност: какво ще стане, в случай че не просто приемем обстоятелството, че функциите на пространството и времето в черната дупка са разменени, а съзнателно ги заменяем в математическото изложение на цялата система?
Това е все едно да се изгубите и да обърнете картата с главата надолу. На пръв взор няма смисъл. Но във физиката този трик разкрива изумително нещо. Оказа се, че познатият ни „ външен “ свят на черната дупка има прикрит близнак – пълноценна „ вътрешна “ област, която се разказва с съвсем същите уравнения, само че с преобърнати пространство и време.
Това не са просто две разнообразни гледни точки към едно и също нещо. Това изобретение подсказва, че черната дупка BTZ не е индивидуален обект, а самобитна симбиоза на два свята: външен, в който я следим отдалеко, и вътрешен, живеещ по „ огледални “ закони.
Свързване на половината Евклидова геометрия с половината Лоренцова геометрия при r=0 Две души в една черна дупка
Тази двоякост има дълбоки квантови последствия. Физиците от дълго време употребяват концепцията за „ термополево дублирано положение “ (TFD), с цел да опишат безконечната черна дупка. Опростено казано, TFD положението е квантов мост, който свързва две обособени вселени посредством червеева дупка, създавайки единна система. То разказва външната геометрия на черната дупка.
Новото проучване демонстрира, че това не е задоволително. Ако една черна дупка има и „ вътрешен “ свят с обърнати координати, той също би трябвало да има свое лично TFD положение. Оказва се, че за цялостното изложение на една черна дупка ни е належащо не едно, а две самостоятелни, само че допълващи се квантови положения. Едното разказва нейната „ осанка “, а другото – „ вътрешността “. Заедно те кодират цялата геометрия, което може да бъде значима стъпка към решаването на известния информативен абсурд – загадката какво се случва с информацията, погълната от черната дупка.
Вакуумното (основно) положение, дуално по отношение на вътрешното решение на BTZ Разходка по лентата на Мьобиус
Най-странната част стартира, когато разгледаме геометрията на цялата система – като композиция от външен и вътрешен свят. Математическият уред, описващ тази комбинирана действителност (статистическа сума), демонстрира, че имаме работа с неориентирано пространство-време.
Какво значи това? Представете си лентата на Мьобиус, известната примка с една повърхнина. Ако започнете да се движите по нея, най-после ще се върнете в началната точка, но… с главата надолу. Не сте пресекли никакви граници, само че ориентацията ви се е трансформирала. Неориентираното пространство е разнообразие, в което няма световно разбиране за дясно и ляво или за горе и долу.
Предположението, че пространство-времето на черна дупка може да има това свойство, опонира на общоприетите модели на гравитацията. Може би точно в тези топологични странности и се крият ключовете към нови квантови резултати, които до момента са ни убягвали.
Външният (бял) и вътрешният (сив) бранш на цялостната черна дупка BTZ Неочакван съюз: гравитацията и физиката на материалите
И тук стигаме до най-вълнуващото умозаключение на публикацията. Оказва се, че математиката, описваща тази неориентирана черна дупка, е поразително сходна с тази, употребена в напълно друга област – физиката на кондензираното положение, която учи свойствата на материалите.
В тази област съществува понятието „ предпазени от симетричност топологични етапи “ (SPT фази). Това са екзотични положения на материята, чиито свойства се дефинират не от локалния ред на атомите, а от световната „ форма “ или топология на техните квантови положения. Подобни материали са устойчиви на дребните недостатъци и разстройства, като свойствата им са предпазени от световната симетричност. Класически образец за топологично свойство е разликата сред багела и топката. Колкото и да стискате една багела, в нея все ще има дупка – това е нейното фундаментално свойство.
Изследването допуска, че квантовото положение вътре в черната дупка може да е тъкмо такава SPT фаза. Това е зашеметяваща мисъл: мистериозният вътрешен свят на гравитационно движещ се обект може да има обща природа с квантовите положения в свръхмодерните материали тук, на Земята.
Евклидово показване на интеграла върху траекториите на вакуумното (основно) положение Какво значи всичко това?
Този теоретичен труд е освен това от елегантно математическо упражнение. Той построява мост сред видимо несвързани области: общата доктрина на относителността, квантовата информация и физиката на материалите.
Тя ни дава нови принадлежности за мислене за това какво се случва оттатък хоризонта на събитията. Загатва, че квантовата природа на пространство-времето може да е доста по-странна и топологично комплицирана, в сравнение с сме предполагали. И може би точно в това ненадейно обединяване на другите дисциплини се крие пътят към единна доктрина, която най-сетне ще сплоти гравитацията и квантовия свят.
