Симуляция на суперкомпьютере COSMOS, проведённая теоретическими физиками из Кембриджа и Лондонского университета королевы Марии, показала, что чёрные дыры, формирующиеся во Вселенной, имеющей более четырёх измерений, должны распадаться на голые сингулярности. Правда, этому свойству будут подвержены только чёрные дыры особой формы.
Голая сингулярность – это точка бесконечной плотности, вблизи которой общая теория относительности становится несостоятельной, то есть, теряет предсказательную способность.
Английский физик Роджер Пенроуз сформулировал "принцип космической цензуры", гласящий, что «природа питает отвращение к голой сингулярности». Впоследствии физики высказывали и другие гипотезы: Стивен Хокинг уточнил, что сингулярности, если они могут существовать, непременно должны быть скрыты от наблюдателя – например, горизонтом чёрной дыры. Этот принцип был назван «слабой формой космической цензуры».
В нашем четырехмерном пространстве-времени чёрные дыры обладают сферической формой (а также, возможно, могут формироваться объекты в виде кольца с нулевой толщиной, но ненулевым радиусом, под названием «кольцеобразная сингулярность» или «сингулярность Керра»).
Поскольку в ОТО не делается никаких утверждений по поводу количества существующих измерений, физики периодически подвергают теорию проверкам в пространствах с большим количеством измерений, чтобы, например, проверить существование в них космической цензуры. В 2002 году физики Эмпаран и Реалл рассчитали, что в пространстве с более чем четырьмя измерениями могут существовать и несферические чёрные дыры – например, чёрные кольца.
Исследованием поведения таких колец и занимались британские теорфизики. Симуляция на суперкомпьютере показала, что эти кольца нестабильны. Чаще всего они коллапсируют в обыкновенную сферическую чёрную дыру, но очень тонкие кольца могут превращаться в подобие бус, где утолщения разделяются всё более и более тонкими струнами. Вся эта конструкция в конце концов распадается и приводит к образованию голых сингулярностей.
«Пока сингулярность прячется за горизонтом событий, она никому не мешает и ОТО держится. Принцип космической цензуры говорит о том, что это происходит всегда,- поясняет соавтор работы [Markus Kunesch], студент из Кембриджа. – Пока принцип верен, мы успешно предсказываем будущее вблизи чёрных дыр. Ведь физика, по сути, пытается предсказывать будущее на основании имеющихся знаний о текущем состоянии Вселенной».
«Существование голых сингулярностей ломает всю ОТО,- поясняет соавтор работы, Саран Таньясаванэкул [Saran Tunyasuvunakool], другой студент. – А если ОТО ломается, всё встаёт с ног на голову, поскольку у неё пропадает предсказательная способность. И тогда её уже нельзя использовать как самостоятельную теорию, объясняющую Вселенную».
Суперкомпьютер COSMOS находится в Кембридже, и имеет вычислительную мощность в 38.6 TFLOPS, и основан на системах SGI UV2000 с 1856 ядрами Intel Xeon E5-2600, 14.8 TB RAM и 31-м сопроцессором Intel® Xeon PhiTM.
Комментарии (62)
VotTakVot
24.02.2016 03:43+3Кто знает хорошие научно-популярные статьи про СТО, ОТО и ЧД, так сказать «для чайников»?
RicoX
24.02.2016 09:41+6Попробуйте начать с Лукра, хоть и не научным языком, но доходчиво и для чайников.
bejibx
24.02.2016 10:13+2Лучше прочитайте книгу Леонарда Сасскинда "Битва при черной дыре. Мое сражение со Стивеном Хокингом за мир, безопасный для квантовой механики", там все эти вопросы раскрываются на достаточно постом языке.
BigBeaver
24.02.2016 11:44+2Лучше начать с "кратчайшей истории времени" Хокинга. А потом Сасскинда, как тут верно советуют.
AssaNix
24.02.2016 19:54Недавно читал "Гиперпространство" Митио Каку. Очень интересная и познавательная книга, в которой доходчиво объясняются открытия современной теоретической физики.
Я, конечно, не специалист, чтобы судить о достоверности представленной в книге информации, но захватывает и увлекает на многие часы безудержного чтения и возбуждает любопытство в дальнейшем искать информации по этой тематике.
sanatik
26.02.2016 18:58Про статьи не скажу, но есть отличная книга Элегантная Вселенная Б. Грина. Без нагромождения формул и максимально понятно простым людям.
Cryvage
27.02.2016 01:20Лично мне понравилась книга Брайана Грина «Элегантная Вселенная». Про теорию относительности там очень хорошо расписано.
Oxigenium
27.02.2016 01:20Попробуйте «Теория относительности для миллионов». Книга простым языком поясняет принципы относительности и эквивалентности, путём простых логических суждений объясняя теоретические расчёты.
kond
27.02.2016 01:21Я бы посоветовал Брайана Грина: «Скрытая реальность. Параллельные миры и глубинные законы космоса» и «Элегантная Вселенная. Суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории».
Сам сейчас читаю — достаточно понятно и очень увлекательно. Вообще тут этого физика достаточно часто упоминают.
Anastasia_mf
27.02.2016 01:21Книгу могу посоветовать. «Грин Брайан. Элегантная Вселенная. Суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории»
Там в первых главах все достаточно просто и понятно объясняется
dolbanutik
27.02.2016 01:21Посмотрите в книжном клубе «элементов» — совершенно замечательные книги, пусть и не статьи. Уверен, сможете подобрать для себя книги как и по современной физике так и астрономии.
yftul
27.02.2016 01:22По тематике ЧД эта книга возможно будет интересной:
www.astronet.ru/db/msg/1180462
Randl
24.02.2016 03:54+1Всерьез верить, что ТО это самодостаточная теория, по-моему несколько наивно. Оставим в стороне квантовую механику, неужели кто и правда думает что за пару сотен лет изучения можно точно и непротиворечиво описать всю Вселенную?
Другое дело, что вот так вот найти теоретическое нарушение ТО — это круто. Я скорее ожидал практическое опровержение, наблюдение каких-то редких событий, в описании которых ТО ошибется где-нибудь в десятом знаке после запятой…
forgotten
24.02.2016 08:53+3Тем не менее, ОТО — самодостаточная теория. Она вообще единственная в данный момент теория, не впадающая в т.н. «cosmological fallacy» — т.е. способна описывать всю Вселенную целиком, а не какой-то выделенный фрагмент. Квантовая механика и струнные теории этим похвастаться не могут.
Rikkitik
24.02.2016 10:57Теория струн как раз может (пока) всё что угодно, и в этом её проблема: критерий научности — фальсифицируемость, то есть возможность поставить эксперимент, который может опровергнуть какой-то постулат теории. Струны же сейчас — вроде абстрактного математического аппарата: можно всё объяснять ими, можно чем-то другим, разницы в результатах нет, "а если нет разницы, зачем платить больше".
forgotten
24.02.2016 12:20Тем не менее, даже с учетом практически бесконечного горзионта, струнные теорию впадают в cosmological fallacy, поскольку строит свой аппарат индуктивным образом: представим какой-то маленький участок пространства в некотором внешнем поле, опишем действующие в нём силы, а затем экстраполируем на всю Вселенную; проблема в том, что экстраполировать-то нельзя — если мы рассматриваем всю Вселенную целиком, никаких внешних полей быть не может.
forgotten
24.02.2016 12:22Прелесть ОТО в том, что она в принципе описывает всю Вселенную целиком. Все взаимодействия в ОТО выводятся из энергий и импульсов самих объектов, без привлечения каких бы то ни было внешних объектов.
Randl
24.02.2016 13:09Ну так и Ньютоновская физика до какого то момента отлично описывала всю обозримую «вселенную» и еще некоторое время описывала её с некоторой погрешностью.
forgotten
24.02.2016 13:39+1Нет, никогда не описывала. Ньютоновская физика описывает инерциальные системы отсчёта — те, которые движутся равномерно непрерывно или покоятся. Т.к. двигаться или покоиться можно строго относительно чего-то внешнего, всю Вселенную ньютоновская физика описать не могла.
fenixrus
26.02.2016 18:57Ну моё мнение — ОТО описывает лишь физику вне досягаемости влияния чёрной дыры, а там уже нужно использовать какие-то другие теории, будто теории связанные с квантовой механикой и д.р.
Ra-Jah
26.02.2016 18:57Проблема в том, что любое редкое событие можно подогнать под ТО, чем ученые успешно и занимаются много лет. Задача состоит в том, чтобы создать такую теорию, которая могла бы конкурировать с ТО.
forgotten
24.02.2016 08:51+4Существование голых сингулярностей ломает всю ОТО,- поясняет соавтор работы, Саран Таньясаванэкул [Saran Tunyasuvunakool], другой студент. – А если ОТО ломается, всё встаёт с ног на голову, поскольку у неё пропадает предсказательная способность. И тогда её уже нельзя использовать как самостоятельную теорию, объясняющую Вселенную
Огромное количество физических теорий ломается, если добавить или вычесть дополнительное измерение в пространстве, начиная, например, с уравнений Максвелла. Не очень понятно, на основании чего авторами делаются такие широкие обобщения.
I-denis
24.02.2016 08:59Я правильно понимаю, что голая сингулярность — это чд с 0 радиусом и бесконечной массой?
vanxant
24.02.2016 09:52+5Нет. Сингулярность — это сугубо математический объект. Это вырожденное решение системы уравнений ОТО, в котором все параметры обращаются либо в 0, либо в бесконечность. Физически сингулярностей не существует, ну по крайней мере в том виде, в котором их описывает ОТО. При приближении к сингулярности должны вскрываться существенные квантовые эффекты, о которых мы пока не имеем ни малейшего понятия. А формулы ОТО как бы честно говорят нам, что в таких условиях они просто не работают, и что желающим поправить Эйнштейна дерзким физикам копать надо здесь.
Можно привести пример. Закон Ома знаете? Ну там U=I*R, вот это всё. Какова будет сила тока, если включить в розетку 230В проводник с сопротивлением строго 0? Закон Ома сам по себе тут пасует, хотя на практике любой электрик вам сразу скажет, что просто выбьет УЗО, и ток будет 0. Но это современный электрик знает про УЗО, а Ом — нет.
Что касается ЧД, то в нашей наблюдаемой вселенной сингулярности в принципе могут образовываться только внутри черных дыр. А проблема дерзких физиков в том, что горизонт ЧД ничего не выпускает наружу. В том числе не выпускает никакую информацию об объектах, которые образуются вместо сингулярности.mayorovp
24.02.2016 11:52+2Справедливости ради, УЗО без тока утечки не выбьет
vanxant
24.02.2016 13:47Не, ну так-то да, надо было говорить о плавком предохранителе… только в цепях между щитком и розеткой их обычно не бывает.
Но на то она и аналогия, чтобы не обращать внимания на детали.legioner
24.02.2016 18:30+2правильно они называются "тепловой расцепитель" — "автомат", в простонародье.
vanxant
24.02.2016 12:01Продолжая аналогию с УЗО: мы не знаем, как устроено "гравитационное УЗО", но догадываемся, что оно должно быть.
Создать что-либо близкое к сингулярности в лаборатории мы не можем, даже теоретически не знаем как.
Поэтому учёные ищут варианты, при которых это "УЗО" оказывается "голым", т.е. не окруженным ничего-не-выпускающим горизонтом событий ЧД. Чтобы его можно было найти и пронаблюдать.
t-nick
27.02.2016 01:21-1Поправочка, не УЗО, а автоматический выключатель. УЗО имеет несколько иное назначение и принцип работы — отключение сети при наличии тока утечки (например если человек прикоснулся к фазному проводу).
Что касается закона Ома, то реальный источник напряжения, коим является розетка, имеет внутреннее сопротивление, состоящее из сопротивления проводов до генератора и сопротивления обмоток генератора. Так что деления на 0 не будет. Даже если вся цепь имеет нулевое сопротивление (например в экспериментах с замкнутым сверхпроводником), то там ток все равно ограничивается наличием индуктивности.
Так что сингулярность в законе Ома можно найти только в условиях совсем далеких от реальности (считай она скрыта горизонтом событий).mayorovp
27.02.2016 09:09Да в этом законе вообще нет никакой сингулярности. В условиях когда сопротивление "совсем-совсем" равно нулю — напряжение на этом участке цепи просто не может возникнуть.
vanxant
27.02.2016 12:31Именно об этом и речь.
В тех "сингулярностях", которые возникают на бумаге внутри черной дыры, ровно то же самое.
Там действуют какие-то другие законы ("внутреннее сопротивление" квантов или фиг его знает чего). Просто в отличие от хорошо изученной электротехники мы этих законов ещё не знаем.
HappyLynx
27.02.2016 01:21Нет.
Если я правильно понял модель, то получается, что изначальная ЧД с торообразным горизонтом событий распадается на бусины, между которыми остаются всё утончающиеся рукава. При этом убывает как масса рукава, так и его объем, т.е. и масса и объем стремятся к нулю, вот только функция объема стремиться к нулю быстрее, чем функция массы. В итоге отношение массы участка рукава к его объему стремиться к бесконечности.
Хотя это мое восприятие на обывательском уровне, и оно может быть не верно.mayorovp
27.02.2016 09:12Объем пространства внутри горизонта событий — функция от массы. Он не может стремиться к нулю настолько быстрее чем масса, чтобы только из-за этого получилась голая сингулярность. Там есть что-то еще.
HappyLynx
29.02.2016 10:06Ну я и написал выше изложенное в том предположении, что при увеличении количества измерений эта функция зависимости объема от массы принимает такой вид, что таки может, и таки настолько. При этом приходится прибегать ко всяким изыскам навроде торообразных ЧД из-за того, что иным образом устремить массу к нулю по какой-то причине не получается, в т.ч. прибегая к теории испарения черных дыр.
msfs11
24.02.2016 09:34пытаться изобразить 5d черную дыру с помощью 2d изображения
tUUtiKKi13
24.02.2016 10:335D чёрную дыру в 2D анимированной гифке, которая отрисовывается в 2D на поверхности трёхмерного монитора и попадает снова на 2D сетчатку
mwizard
24.02.2016 10:52Кроме ОТО/СТО, есть более общие теории, типа superfluid vacuum theory и, в частности, quantum space theory, которые описывают голые сингулярности. Но qst требуется аудит со стороны научного сообщества.
rombell
24.02.2016 15:16Не понял. Когда я последний раз читал про чёрные дыры, горизонтом событий называли условную поверхность, определяемую как "скорость убегания равна скорости света". Для разных наблюдателей она вообще-то по-разному расположена. Для свободно падающего пробника её заметить невозможно, например. Она просто ничем не отличается от точек рядом.
Ну вот распадается кольцо на капли. С чего вдруг они оказываются голыми-то? Вращаются так быстро, что скорость убегания не будет достигать скорости света? Как-то не верится. Хотелось бы разъяснений
Kamikaze
24.02.2016 18:56Позабавила иллюстрация четырехмерной дыры, в двумерном пространстве монитора с помощью имитации трехмерного пространства пытаются проиллюстрировать четырехмерный объект.
lamerus
27.02.2016 01:14ОТО разрушается уже на горизонте обычной ЧД, какой смысл лепить в заголовке про пятимерные ЧД?
begemot_sun
27.02.2016 01:22+1Вся проблема в том, что численные расчеты происходят с конечной точностью.
Т.е. если они решали какие-то уравнения в виде приближенного решения с помощью мат моделирования, то вполне могли получить и бусы и сингулярности и т.п. рода объекты, хотя реальность может быть гораздо проще.
saboteur_kiev
27.02.2016 12:44-1"Что в пространстве с более чем четырьмя измерениями могут существовать и несферические чёрные дыры – например, чёрные кольца. "
С какой стати несферические? Может быть имеется в виду, что если смотреть на черную четырехмерную дыру трехмерным наблюдателем, он увидит кольца?
Но в четырехмерной вселенной, предполагается что и наблюдатель должен быть четырехмерный, следовательно он увидит четырехмерную сферу или как она там называется.
cbrwizard
У меня от статьи немного сломался мозг, но интересно, продолжайте]