Неожиданный поворот теории струн: черные дыры могут быть дефектами пространства-времени

Пол М. Саттер, Universe Today, 17 мая 2023 г.

Команда физиков-теоретиков, используя теорию струн, открыла новую структуру в пространстве-времени, известную как «топологический солитон». Сторонним наблюдателям эти структуры кажутся черными дырами, но на самом деле они представляют собой дефекты в ткани Вселенной, лишенные какой-либо материи или сил.

Физики-теоретики открыли новую структуру пространства-времени, названную «топологическим солитоном». Напоминая для удаленного наблюдателя черные дыры, эти структуры на самом деле являются дефектами в ткани Вселенной и лишены горизонта событий. Это открытие потенциально может помочь подтвердить теорию струн, хотя на данный момент оно остается недоказанным.

Команда физиков-теоретиков обнаружила странную структуру в пространстве-времени, которая для внешнего наблюдателя выглядела бы в точности как черная дыра, но при ближайшем рассмотрении оказалась бы совсем не такой: это были бы дефекты в самой ткани Вселенной.

Общая теория относительности Эйнштейна предсказывает существование черных дыр, образующихся при коллапсе гигантских звезд. Но та же самая теория предсказывает, что их центрами являются сингулярности, точки бесконечной плотности. Поскольку мы знаем, что во Вселенной на самом деле не может быть бесконечной плотности, мы воспринимаем это как знак того, что теория Эйнштейна неполна. Но после почти столетия поисков расширений мы так и не подтвердили лучшую теорию гравитации.

Художественный взгляд на двойную систему черных дыр. Фото: LIGO/Калифорнийский технологический институт/MIT/Стейт Сонома (Аврора Симоннет)

Но у нас есть кандидаты, включая теорию струн. В теории струн все частицы Вселенной на самом деле представляют собой микроскопические вибрирующие петли струны. Чтобы поддерживать большое разнообразие частиц и сил, которые мы наблюдаем во Вселенной, эти струны не могут просто вибрировать в наших трех пространственных измерениях. Вместо этого должны существовать дополнительные пространственные измерения, которые свернуты в многообразия, настолько маленькие, что ускользают от повседневного внимания и экспериментов.

Эта экзотическая структура в пространстве-времени дала группе исследователей инструменты, необходимые для идентификации нового класса объектов, который они называют топологическим солитоном. В своем анализе они обнаружили, что эти топологические солитоны представляют собой стабильные дефекты в самом пространстве-времени. Для их существования не требуется никакой материи или других сил – они так же естественны для ткани пространства-времени, как трещины во льду.

Исследователи изучили эти солитоны, исследуя поведение света, проходящего рядом с ними. Поскольку они являются объектами экстремального пространства-времени, они искривляют пространство и время вокруг себя, что влияет на путь света. Для удаленного наблюдателя эти солитоны будут выглядеть точно так же, как мы предсказываем появление черных дыр. У них были бы тени, кольца света, произведения. Изображения, полученные с помощью телескопа «Горизонт событий», и обнаруженные сигнатуры гравитационных волн будут вести себя одинаково.

It’s only once you got close would you realize that you are not looking at a black holeA black hole is a place in space where the gravitational field is so strong that not even light can escape it. Astronomers classify black holes into three categories by size: miniature, stellar, and supermassive black holes. Miniature black holes could have a mass smaller than our Sun and supermassive black holes could have a mass equivalent to billions of our Sun." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> черная дыра. Одной из ключевых особенностей черной дыры является ее горизонт событий, воображаемая поверхность, пересечь которую вы не сможете. Топологические солитоны, поскольку они не являются сингулярностями, не имеют горизонта событий. Таким образом, в принципе вы можете подойти к солитону и держать его в руке, при условии, что вы пережили столкновение.

Эти топологические солитоны представляют собой невероятно гипотетический объект, основанный на нашем понимании теории струн, которая еще не доказала, что она является жизнеспособным обновлением нашего понимания физики. Однако эти экзотические объекты служат важными тестовыми исследованиями. Если исследователям удастся обнаружить важную наблюдательную разницу между топологическими солитонами и традиционными черными дырами, это может проложить путь к поиску способа проверки самой теории струн.