Миллиарды пикселей вместо размытого пятна: учёные впервые «увидели» внутренность чёрной дыры

03.04.2025 23:05:00 | iXBT.com

Физики из Университета Южной Калифорнии совершили прорыв в понимании чёрных дыр, предложив модель их скрытой структуры с беспрецедентной детализацией. Работа вводит концепцию «суперлабиринтов» — теоретических конструкций, которые способны описать микроскопическое устройство этих объектов так, как раньше не позволяли ни теория Эйнштейна, ни классическая квантовая механика. Исследование не только углубляет понимание природы пространства-времени, но и предлагает путь к объединению фундаментальных физических законов.

Согласно общей теории относительности, чёрная дыра — это «слепое пятно» с горизонтом событий, за которым исчезает свет и информация. Однако такая модель противоречит квантовой механике, требующей сложной внутренней структуры у любого объекта. Теория струн решает эту проблему через концепцию «фаззболов» — многомерных образований без чёткого горизонта, которые заменяют традиционные чёрные дыры. Николас Уорнер, ведущий автор исследования, вместе с коллегами показал, как построить эти структуры, используя «суперлабиринты» — сложные комбинации многомерных мембран (бран) в рамках М-теории. Последняя расширяет идеи струн, предполагая, что базовые элементы Вселенной могут быть не одномерными, а двумерными (М2-браны) или даже пятимерными (М5-браны).

На графике показаны линии постоянного энергетического потенциала, отражающие расположение двумерных мембран (M2-бран) — гипотетических объектов из теории струн. Тёмные контуры, построенные для двух точек с координатами (1,1) и (2,-1), иллюстрируют, как эти структуры взаимодействуют в многомерном пространстве, формируя основу «суперлабиринтов». Именно такие паттерны, согласно расчётам учёных, кодируют информацию внутри чёрных дыр, заменяя классический горизонт событий сложной микроскопической «тканью». Источник: Journal of High Energy Physics (2025). DOI: 10.1007/JHEP03(2025)120

Команда сфокусировалась на пересечении этих бран, которые формируют своего рода «субстрат», кодирующий информацию о поглощённой чёрной дырой материи. Для описания их взаимодействия учёные разработали «функцию лабиринта» — математический инструмент, решающий уравнения, схожие с теми, что управляют динамикой жидкостей или сложных оптических систем. Эта функция позволила не только воспроизвести энтропию чёрной дыры (меру её «хаоса»), но и приблизиться к описанию её микроскопических состояний — «пикселей», из которых складывается полная картина объекта.

«Если раньше мы видели чёрную дыру как размытое пятно, то суперлабиринты дают разрешение в миллиарды пикселей, — объясняет главный автор исследования, Николас Уорнер. — Это как различить каждую деталь фрески Микеланджело после столетий созерцания её силуэта». Подход устраняет ключевой парадокс: почему чёрные дыры в теории Эйнштейна выглядят «пустыми», хотя квантовая механика требует наличия сложной внутренней организации.

Перспективы работы выходят за рамки теории. Детальное описание микроструктуры чёрных дыр может стать мостом к квантовой гравитации — теории, объединяющей все фундаментальные взаимодействия. Хотя практическое применение пока далеко, методы исследования суперлабиринтов могут повлиять на разработку алгоритмов для квантовых компьютеров или анализ данных гравитационных обсерваторий вроде LIGO. Уорнер подчёркивает, что это лишь первый этап: чтобы создать полную карту «внутренностей» чёрной дыры, потребуются годы. Но если теория подтвердится, то человечество получит ключ не только к загадкам космоса, но и к новым технологиям, работающим на стыке физики и математики.

Подробнее