Теоретики описали место с неопределенным будущим

Численное моделирование указало физикам на область черных дыр, где должна нарушаться предсказуемость физических законов. В таком регионе последующие состояния системы могут не являться следствием текущих, что невозможно в ньютоновской механике и классической электродинамике. Статья с результатами опубликована в журнале Physical Review Letters.

Обычно физические теории говорят о детерминизме мира, предсказуемости будущего: если известны начальные условия, то, зная физические законы, можно вычислить состояние на любой момент в будущем. Такой теорией, например, является механика Ньютона. То же самое справедливо и для классической электродинамики: точно зная распределение электрических и магнитных полей в пространстве, можно определить их состояние в любой другой момент, воспользовавшись уравнениями Максвелла. Даже в квантовой механике уравнение Шредингера не допускает случайности: если нам точно известна волновая функция в начальный момент, то оно однозначно говорит о ее временной эволюции на любом промежутке времени.

В новой работе группа теоретиков под руководством Витора Кардозу из Лиссабонского университета рассматривает ситуацию коллапса заряженной звезды в черную дыру и моделирует это явление в рамках общей теории относительности. В результате выясняется, что в этом процессе может возникать область, физику которой нельзя предсказать, зная начальное состояние звезды.

Согласно одной из теорем в рамках общей теории относительности, существует максимальная область пространства-времени, которую однозначно определяют данные начальные условия. Теоретически, эта область может не являться всем существующим пространством, то по определению получается, что есть области, состояние которых не определяется взятыми начальными условиями. Английский ученый Роджер Пенроуз сформулировал гипотезу, которая получала название принципа сильной космической цензуры. Он утверждает, что такого происходить не может, то есть однозначная определяемая область не является частью некоего большего пространства.

Формирование заряженной черной дыры, описываемой метрикой Райсснера — Нордстрема, с первого взгляда нарушает этот принцип, так как в таком случае внутри черной дыры формируется горизонт Коши, до которого пространство-время остается гладким, а за него может быть продолжено бесконечным количеством способов. Но с другой стороны эта поверхность является нестабильной и любое возмущение разрушает ее, приводит к образованию сингулярности и справедливости принципа космической цензуры.

В новой работе исследуется коллапс звезды в черную дыру с близким к предельному зарядом с учетом космологической постоянной (Λ-члена в уравнениях Эйнштейна). Λ-член очень мал и учитывается обычно только в космологических работах, но было показано, что положительное значение Λ приводит к более устойчивому горизонту Коши. В результате даже с учетом возмущений расхождение параметров пространства-времени на горизонте Коши не велико, что позволяет решать уравнения Эйнштейна даже на самом горизонте. Это нарушает принцип сильной космической цензуры.

Полученный в ситуации предельного заряда и положительного Λ-члена разрыв кривизны на горизонте Коши оказывается похож на ударную волну в жидкости. Получается, что достаточно крепкое тело могло бы проникнуть сквозь него. Можно представить наблюдателя, прыгающего в черную дыру и пересекающего горизонт Коши. В таком случае его будущего получается неопределенным.

Доказательство верности проведенного анализа еще потребуется, так как авторами рассмотрена только линейная теория возмущений. Также стоит отметить, что астрофизических черных дыр с предельными зарядами не может образовываться, так как не существует так сильно заряженных звезд. Тем не менее горизонт Коши также возникает в случае вращающихся черных дыр, хотя они и обладают меньшим количеством симметрий. Также в работе не учитывались гипотетические квантовые эффекты, которые могут быть сильны в таких областях.