Защо и най-смелите теории не могат да ни спасят от

Защо и най-смелите теории не могат да ни спасят от свършека на пространство-времето.

Пред физиците стоят две огромни загадки: раждането на Вселената и центърът на черната дупка.

Първата се възприема като миг във времето, а втората – като точка в пространството, само че и в двата случая познатата ни тъкан на пространство-времето като че ли се къса. Тези загадъчни положения се назовават сингулярности.

Сингулярностите са предсказания от общата доктрина на относителността на Алберт Айнщайн. Според тази доктрина клъстерите от материя или сила изкривяват пространство-времето, предизвиквайки гравитация. Ако задоволително количество материя се сгъсти в доста дребен размер, уравненията на Айнщайн плануват безпределно деформиране – и затова безпределно мощна гравитация.

Повечето физици обаче не имат вяра, че теорията на Айнщайн разказва съответно протичащото се в тези точки. Както споделя Хонг Лиу от Масачузетския софтуерен институт, сингулярностите са „ математически артефакти “, а не действителни обекти. Това са места, където общата доктрина на относителността стопира да работи. В една по-задълбочена, квантова доктрина на гравитацията се чака тези сингулярности да изчезнат – в последна сметка пространство-времето на Айнщайн е единствено приближение.

Но до момента в който учените се пробват да обединят квантовата физика с общата доктрина на относителността, сингулярностите се оказват упорити. Британският математик Роджър Пенроуз печели Нобелова премия, като още през 60-те години на предишния век потвърждава, че сингулярностите са неизбежни даже в една празна галактика, състояща се единствено от пространство-време. Най-новите проучвания демонстрират, че те се появяват и в по-реалистични условия. Например в една научна публикация се потвърждава, че сингулярностите се появяват даже при съществуването на квантови частици, въпреки и без тяхното въздействие върху пространство-времето. А наскоро беше потвърдено, че даже при дребни квантови изкривявания сингулярностите не изчезват – както в нашия свят.

Тази поредност от доказателства накара физиците да стигнат до заключението, че може би сингулярностите не са просто неуспех на уравненията. Може би в действителност има точки в нашата галактика, където тъканта на действителността се раздира – и времето стопира.

През 1916 година Карл Шварцшилд разказва структурата на пространство-времето със сингулярности. Оказва се, че това е ураган, в който кривината клони към безконечност. Обектите, попаднали там, не могат да се измъкнат, даже и светлината.

Едва десетилетия по-късно физиците признават, че тези невъзможни обекти – черните дупки – може би съществуват.

През 1939 година Опенхаймер и Снайдър пресмятат, че една идеална сферична звезда ще образува сингулярност при гравитационен колапс. Но в реалност звездите не са съвършени и физиците от дълго време се питат дали колапсът може да докара до сингулярност.

През 1965 година Пенроуз потвърждава, че идеалната геометрия не е нужна. Достатъчни са две условия: съществуването на „ уловена повърхнина “, от която светлината не може да се измъкне, и привличането на гравитацията (ако силата не е отрицателна). Поне един лъч светлина неизбежно прекъсва пътуването си в точката, където свършва пространство-времето. Това е сингулярността – не във връзка с кривината, а във връзка с неналичието на бъдеще.

Тази концепция отвори пътя към доказателства на по-общо равнище. Джеф Пенингтън назовава работата на Пенроуз „ може би най-важната работа по общата доктрина на относителността след Айнщайн “.

Стивън Хокинг доразвива тази концепция, като потвърждава, че когато Вселената се уголемява от една точка сега на Големия гърмеж, също поражда сингулярност.

Оттогава насам доказателствата за черните дупки и Големия гърмеж единствено се натрупват. Но значи ли това, че сингулярностите са действителни?

Много физици се съмняват в това. Уравненията дават безкрайни стойности – знак, че теорията не работи. Както показва Лиу, „ сингулярността е загуба на предсказуемост “.

Така че е нужна по-обща доктрина – най-вероятно квантова доктрина. Общата доктрина на относителността е класическа и тя позволява единствено една форма на пространство-времето. Квантовата материя може да се намира в няколко положения по едно и също време (суперпозиция) и затова пространство-времето също би трябвало да се подчинява на квантовите закони. Но какви са те, към момента не е известно.

Физиците разказват този път към квантовата гравитация като белене на лук: пласт по пласт. Колкото по-надълбоко се стига, толкоз повече взаимоотношения сред материята и пространство-времето могат да бъдат обяснени.

Пенроуз работи върху най-външния пласт – напълно класическия пласт. Но идващите пластове бяха поети от други.

През 2010 година Арон Уол преразгледа доказателството на Пенроуз, като употребява систематизирания втори закон на термодинамиката, обвързван с ентропията и площта на хоризонта на събитията на черна дупка. Той размени „ уловената повърхнина “ с „ квантова уловена повърхнина “ и потвърди, че сингулярности пораждат даже при квантовите частици – макар че пространство-времето остава класическо.

В началото на 2024 година Рафаел Бусо стига по-далеч. Той позволи, че пространство-времето може да реагира леко на квантови частици – както в нашата Вселена. И въпреки всичко: сингулярностите на никое място не са изчезнали.

Въпреки че е употребявал нереалистичен модел с безконечен брой частици, доста физици считат, че това е сериозен извод – сингулярности се появяват даже в по-квантови среди. По думите на Пенингтън „ единствено прибавянето на квантови корекции не води до унищожаване на сингулярностите “.

Но по какъв начин наподобяват те в „ ядрото на лука “ – в една същинска доктрина на квантовата гравитация? Може би те фактически изчезват – или водят към други светове. Някои теории допускат, че навътре в черна дупка се ражда „ бебе Вселена “ или че нашата Вселена не е зародила при Големия гърмеж, а при Големия отскок.

Физикът Сурджит Раджендран счита, че даже систематизираният втори закон може да бъде заобиколен – и тогава сингулярностите могат да бъдат избегнати.

Но Бусо и сътрудниците му считат, че този закон постоянно работи, а сингулярностите са същинските граници, където времето стопира и пространството изчезва.

Както споделя Нета Енгелхард от Масачузетския софтуерен институт: „ Сигурна съм, че вътре в черните дупки има някаква форма на сингулярност “.

Ако това е по този начин, фундаменталната доктрина на квантовата гравитация няма да отстрани сингулярностите, а ще ги изясни. Може би познатите категории – позиция, кривина, дълготрайност – ще изгубят своето значение.

Както споделя Пенингтън: „ Ако би трябвало да предсказвам, бих споделил, че положението, описващо самата сингулярност, не съдържа разбиране за време. “