31.10.2025, Брайан Коберлейн, briankoberlein.com
Когда речь заходит о чёрных дырах, почти всегда говорят о горизонте событий и сингулярности. В конце концов, именно это определяет чёрную дыру, верно? Но всё зависит от того, что вы подразумеваете под чёрной дырой. Некоторые утверждают, что чёрной дыре не нужна сингулярность, а это может означать, что у неё вообще нет горизонта событий.
Прежде чем углубиться в изучение чёрных дыр, давайте сначала разберёмся между этими двумя типами. С одной стороны, существуют теоретические чёрные дыры, описанные в общей теории относительности. Это решения уравнений поля ОТО Эйнштейна, известные как метрики. Первая метрика чёрных дыр была открыта Карлом Шварцшильдом и описывает простую невращающуюся чёрную дыру. С течением времени были найдены и другие метрики, например, метрика Керра, открытая в 1963 году Роем Керром и описывающая незаряженную вращающуюся чёрную дыру. Именно эта метрика используется для визуализации всех захватывающих сцен в таких фильмах, как «Интерстеллар».
С другой стороны, есть чёрные дыры, которые мы непосредственно наблюдали, такие как M87* и чёрная дыра в центре нашей галактики, SagA*. Телескоп горизонта событий собрал большой объём данных об этих двух чёрных дырах, и благодаря этому мы знаем, что они вращаются и имеют окологоризонтную структуру, которая — в пределах наших наблюдений — идеально согласуется с моделью Керра. Конечно, ни одно из наших наблюдений не может заглянуть внутрь чёрной дыры, поэтому мы не знаем наверняка, есть ли у неё сингулярность. Аналогично, мы не можем видеть сам горизонт событий, поскольку любой свет, пересекающий горизонт событий, оказывается запертым навсегда. Поэтому, так как у нас нет доказательств того, что у чёрных дыр нет сингулярностей и горизонтов событий, любые альтернативные модели, согласующиеся с текущими наблюдениями, также теоретически возможны.
Это важно, потому что, хотя сингулярности и горизонты событий естественным образом присутствуют в метриках чёрной дыры, они также вызывают всевозможные проблемы. Простая сингулярность — это математическая точка бесконечной плотности и нулевого объёма, где законы физики нарушаются. Это настолько проблематично, что физики прибегли к гипотезе космической цензуры, утверждая, что сингулярности всегда скрыты горизонтом событий, поэтому нам не нужно о них беспокоиться. Но у горизонтов событий есть свои проблемы. Поскольку любой объект, пересекающий горизонт событий, никогда не сможет покинуть чёрную дыру, информация, содержащаяся в нём, навсегда теряется для Вселенной, создавая информационный парадокс. И так по кругу.
Один из способов решить эту проблему — найти модель чёрной дыры без сингулярности и горизонта событий. В конце концов, общая теория относительности — это классическая теория, подобная ньютоновской динамике. Реальная Вселенная имеет квантовую природу, поэтому нам действительно необходима квантовая теория гравитации. И есть некоторые свидетельства того, что квантовая физика может решить эти проблемы. Принцип неопределённости Гейзенберга гласит, что невозможно иметь точную массу в определённой точке, поэтому квантовая теория, вероятно, предотвращает образование сингулярностей, а излучение Хокинга может позволить энергии и информации покинуть чёрную дыру со временем.
Большинство теоретических исследований этих идей сосредоточено на квантовой стороне вещей. Например, в петлевой квантовой гравитации квантовая пена пространства-времени может означать, что чёрные дыры образуют «планковскую звезду» внутри горизонта событий, а не сингулярность.(1) Похожая модель, известная как «пушистый комок», появляется в теории струн, где сингулярность заменяется клубком вырожденных струн.(2) Существуют также альтернативные общей теории относительности классические теории, которые могут устранить проблемы ОТО.
Но, учитывая отсутствие наблюдаемых свидетельств квантовой гравитации, альтернативной теории относительности или теории струн, почему бы не остановиться на старом добром профессоре Эйнштейне? Что, если предположить, что общая теория относительности верна, но добавить ограничение, согласно которому сингулярности запрещены? Возможна ли такая метрика чёрной дыры? Да, и она известна как метрика Хейворда.(3)
Метрика Хейворда — это минимальное решение уравнений поля Эйнштейна со следующими ограничениями: статичность, асимптотическая плоскость, сферическая симметрия и несингулярность. Напротив, модель Шварцшильда для чёрной дыры — это минимальное решение, удовлетворяющее первым трём ограничениям. Таким образом, чёрная дыра Хейворда — это, по сути, невращающаяся чёрная дыра Шварцшильда без сингулярности. Однако это единственное отличие приводит к нескольким изменениям.
Самое очевидное изменение заключается в том, что у черной дыры Хейворда нет сингулярности. Вместо того, чтобы пространство постоянно искривлялось в точку схода, центр черной дыры локально плоский, как и любая область глубокого космоса. Более тонкое изменение заключается в том, что у черных дыр Хейворда нет горизонта событий. Вместо этого модель имеет кажущийся горизонт, который удерживает материю в течение длительного времени. Со временем материя и энергия могут постепенно улетучиваться. Это похоже на эффект излучения Хокинга, но без привлечения квантовой физики. Для сверхмассивных черных дыр этот эффект настолько мал, что черная дыра Хейворда была бы практически неотличима от черной дыры Шварцшильда. И это ключевой момент. Хотя все наши наблюдения за черными дырами согласуются со стандартными моделями, черные дыры Хейворда также согласуются с данными.
Конечно, есть одна большая загвоздка: нам неизвестен физический механизм, который бы предотвращал образование сингулярностей. Модель Хейворда просто запрещает их появление. Но если модель Хейворда верна, то все эти каверзные проблемы с сингулярностями и горизонтами событий могут оказаться… бессмысленными.
1) Ровелли, Карло и Франческа Видотто. «Планковские звёзды». International Journal of Modern Physics D 23.12 (2014): 1442026. ↩︎
2) Матур, Самир Д. «Предложение по разрешению парадокса информации о чёрных дырах». International Journal of Modern Physics D 11.10 (2002): 1537–1540. ↩︎
3) Хейворд, Шон А. «Образование и испарение несингулярных чёрных дыр». Physical Review Letters 96.3 (2006): 031103. ↩︎
Перевод: Александр Тарлаковский (блог tay-ceti)
Оригинал: Pointless
Комментарии (26)
LinkToOS
01.11.2025 12:26Простая сингулярность — это математическая точка бесконечной плотности и нулевого объёма, где законы физики нарушаются.
Простая сингулярность - такого нет в оригинале. Нет такой разновидности как "простая". Есть "гравитационная" и "космологическая". И они обе математические, в том смысле что это свойство модели объекта, а не свойство самого объекта. Свойства объекта нам неизвестны, и их нельзя выразить через известные физические законы.
Это настолько проблематично, что физики прибегли к гипотезе космической цензуры
Однажды вместо "видимая" или "наблюдаемая" сингулярность, использовали "naked". А как следствие "naked" появилось censorship. Ученые увлекаются болтологией, и появляются смешные термины.
Вредное явление на самом деле.утверждая, что сингулярности всегда скрыты горизонтом событий, поэтому нам не нужно о них беспокоиться.
Непонятно о чем речь. Возможно в данном случае имеется ввиду, что если в модели уже есть "горизонт событий", то не нужно дополнительно вводить "сингулярность". "Сингулярность" будет избыточна для этой модели, и никак не дополняет модель, а только подчеркивает ее неполноценность.
А вообще это запутанная ситуация. Сингулярность может вмещать в себя любое количество материи, обладающее любой массой. Никак нельзя определить сколько материи содержит сингулярность. Но мы знаем массу черной дыры, поскольку можем наблюдать ее гравитацию. А значит сюда включается и "масса" сингулярности, в чем бы она не выражалась.
Парадокс еще в том, что мы получаем информацию о массе из-за горизонта событий. Информация о массе передается "сквозь" горизонт событий с помощью гравитации.
Survtur
01.11.2025 12:26А точно она передаётся сквозь горизонт? Стороннему наблюдателю же кажется, что вся материя зависает на горизонте событий и никогда сквозь него не проходит.
Oncenweek
01.11.2025 12:26Это не совсем так: "зависает на горизонте событий" это только для модели с нулевой массой падающего тела, если падающее тело имеет не нулевую массу, то оно достсточно быстро оказывается так близко к горизонту, что радиус горизонта черной дыры вида "масса черной дыры без тела" + "масса падающего тела" оказывается больше, чем расстояние падающего тела от центра чд, и оно оказывается под горизонтом
phenik
01.11.2025 12:26А как следствие "naked" появилось censorship. Ученые увлекаются болтологией, и появляются смешные термины.
Вредное явление на самом делеДолжны же ученые защищать занимаемые позиции в учреждениях) Это подождите, скоро ЯМ научатся вводить новые понятия, и это перестанет быть прерогативой человека, сколько новых теорий появится... и попробуй докажи, что это их галлюцинации.
Есть "гравитационная" и "космологическая". И они обе математические, в том смысле что это свойство модели объекта, а не свойство самого объекта. Свойства объекта нам неизвестны, и их нельзя выразить через известные физические законы.
Совершенно верно, словно это первая сингулярность в формализмах физических теорий, их полно. Это признак их незавершенности связанный с эмпирической недоопределенностью. Когда в физических теориях исчезнет последняя сингулярность, все будет объяснено, и физическое познание реальности, как таковое, вероятно, завершится.
ANB777
01.11.2025 12:26Есть на свете три дыры: Термез, Кушка и Мары,
а четвертая дыра у проводницы Брест-Москва!
Tzimie
01.11.2025 12:26Резюме статьи. Хорошо бы, чтобы сингулярности не было. Давайте придумаем такую дыру и назовем ее решением Хейворда. Жаль, что нет никаких оснований, что бы такие решения существовали)
tarlakovsky Автор
01.11.2025 12:26Резюме статьи:
"Хотя все наши наблюдения за черными дырами согласуются со стандартными моделями, черные дыры Хейворда также согласуются с данными".
Spaceoddity
01.11.2025 12:26Реальная Вселенная имеет квантовую природу
Это вот откуда этот постулат взялся?))
Простая сингулярность — это математическая точка бесконечной плотности и нулевого объёма, где законы физики нарушаются. Это настолько проблематично, что физики
в качестве базы взяли ΛCDM-модель Вселенной с сингулярностью в момент Большого взрыва и не видят в этом никакой проблемы? ;)
UncaughtException
01.11.2025 12:26Я не физик, не имею профильного образования, и вообще редко пишу комментарии, но всё же:
Реальная Вселенная имеет квантовую природу
Откуда такие выводы? Квантовая физика — лишь очередная попытка объяснить или построить математическую модель нашей реальности.
любой объект, пересекающий горизонт событий, никогда не сможет покинуть чёрную дыру, информация, содержащаяся в нём, навсегда теряется для Вселенной, создавая информационный парадокс.
Насколько нам известно, это не так. Все известные нам чёрные дыры вращаются, поглощают материю, но излучают много энергии в виде джетов направленных +- вдоль оси вращения. Эмперически кажется, что ни энергия, ни информация никуда не теряются, и даже не нужна радиация Хоккинга.
Буду рад, если меня кто-то поправит или дополнит.
WaprOld
01.11.2025 12:26Квантовая физика...
Так ведь _любая_ физика, это попытка построить математическую модель мира. А квантовая хороша тем, что даёт наиболее точные предсказания из всех имеющихся.
... излучают энергию в виде джетов ...
Это не так. Энергию в виде джетов излучает вещество, падающее в ЧД, но ещё не пересекшее горизонт событий. Что с ним произойдёт после падения, никто не знает.
fixikus
01.11.2025 12:26А квантовая хороша тем, что даёт наиболее точные предсказания из всех имеющихся.
Ох уж эти сказки, ох уж эти сказочники...
Anarchist
01.11.2025 12:26По поводу информации - выглядит натягиванием совы на глобус. И в статье, на которую дан референс, тоже. Не нужно философам лезть в физику. Пусть о духовном пишут.
Spaceoddity
01.11.2025 12:26очень конструктивно!
fixikus
01.11.2025 12:26ото, а следовательно и квантовая физика построены на противоречиях, там конструктивизмом и не пахнет, одни бредни теоретиков
phenik
01.11.2025 12:26Как раз СТО и ОТО со своей спецификой и КМ построены на конструктах, первые пространственно-временном континууме, вторая на корпускулярно-волновом дуализме. Н. Бор даже ввел методологический принцип дополнительности описаний для обоснования введения таких конструктов в физические теории основываясь на конструктивизме следующем из теории познания Канта - 1, 2, 3.
fixikus
01.11.2025 12:26Доказательства где? Где определения? Где научный метод? Где логика и здравый смысл? Из вашего релетевистского понимания следует, что каждый может давать свои конструкты и строить свою теорию мироздания, нет определенности -> нет понимания о том, о чем идет речь.
Spaceoddity
01.11.2025 12:26Тут суть не в непротиворечивости и конструктивизме - а в описательной и предсказательной точности. Других задач эти теории и не решают - не приписывайте им своё субъективное понимание "как надо" ;)
fixikus
01.11.2025 12:26Мммм, вот оно что, предсказатели значит? А "как надо" по вашему? За 100 лет что предсказала эта теория? Где искривлятор пространства? Где общая теория мироздания? Нет ничего и не будет
Spaceoddity
01.11.2025 12:26А "как надо" по вашему?
Это не по моему, а по вашему ;)
За 100 лет что предсказала эта теория?
Какая именно? ОТО или КМ?
Где искривлятор пространства?
Что это и для чего? Я так догадываюсь вы кротовые норы рыть собрались?))
Где общая теория мироздания?
Нету. И не факт что вообще когда либо будет создана...
Нет ничего и не будет
Есть и будет. Или вы о чём-то своём - тут я не копенгаген))
fixikus
01.11.2025 12:26Какая именно? ОТО или КМ?
Обе эти две
Что это и для чего?
Действительно, для чего? Проще дальше на древнекитайских технологиях в космос летать
Нету. И не факт что вообще когда либо будет создана
Ну если и дальше забивать себе голову релятивестким мусором, то да, не появиться никогда
parashurama
01.11.2025 12:26физики очень гордые, видимо.
Нейрофизиологи вполне себе просят о помощи философов, в частности - академик Анохин, регулярно это делает на ежегодных докладах по нейрофизиологии.
fixikus
01.11.2025 12:26Релятивисты гордые, да, и нетерпимы к критике, так как в душе понимают, что занимаются ерундой
fixikus
01.11.2025 12:26То, что вы нашли в далеком космосе кляксу, а потом ее "доработали" с помощью графических инструментов до того состояния, которое "удовлетворяет" формулам вашей теории вообще ни очем не говорит. В законе всемирного тяготения в векторном виде есть знак минус, может сначала поймете откуда он там взялся и какие на то физические основания?
F_kapitanov
01.11.2025 12:26Спасибо за перевод и аккуратный обзор «несингулярных» чёрных дыр. Маленькая ремарка: в статической метрике Хейворда горизонты обычно есть (внешний/внутренний); «без горизонта» — это, как правило, динамический сценарий с долговечным кажущимся (trapping) горизонтом при испарении.
Мое мнение запрет сингулярности не постулируется «сверху», а следует из конечной информационной ёмкости границ: есть минимальный пиксель площади ℓ_², а сингулярность невозможна без «бесконечной» информации.
Формализация (на русском) здесь: Спецификация 6 — Формализация голографического принципа (тех. приложение к Статье 5) → https://medium.com/%40Captain_s/%D0%B4%D0%BE%D1%80%D0%BE%D0%B3%D0%B0-%D0%BA-%D0%BC%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%84%D0%B5%D1%81%D1%82%D1%83-%D1%83%D0%BD%D0%B8%D0%B2%D0%B5%D1%80%D1%81%D0%B0%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%BE%D0%B9-%D1%80%D0%B5%D0%B0%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B8-5e44120ab3fa
dragonnur
01.11.2025 12:26Первая метрика чёрных дыр была открыта Карлом Шварцшильдом и описывает простую невращающуюся чёрную дыру.
Первейшие метрики ЧД — это лет так на 125 раньше, гипотезы Лапласа и до него — Мичелла, кон. 18 в.
Oncenweek
Как-то статья на половине как будто оборвана - сначало, типичное для современного научпопа, введение "от печки", а когда оно, наконец заканчивается, остается один абзац без формул и один непонятный график без подписей к осям