Теорията за гравитацията на Алберт Айнщайн, популярна още като Обща теория на относителността, е известна с това, че е непълна. Както доказва нобеловият лауреат по физика Роджър Пенроуз, когато материята се срине под собственото си гравитационно привличане, резултатът е сингулярност - точка с безкрайна плътност или кривина.

В сингулярността пространството, времето и материята се смаляват и разтягат до небитието. Законите на физиката, които познаваме, претърпяват пълен срив.

Ако можехме да наблюдаваме сингулярности, нашите физични теории не биха могли да се използват за предсказване на бъдещето от миналото. С други думи, науката би станала невъзможна. Пенроуз също така осъзнава, че природата може да притежава лек за тази съдба - черните дупки.

Определяща характеристика на черната дупка е нейният хоризонт на събитията - еднопосочна мембрана в пространство-времето. Обектите - включително светлината, - които пресичат хоризонта на събитията, никога не могат да го напуснат поради невероятно силното гравитационно привличане на черната дупка.

Във всички известни математически описания в ядрото на черните дупки има сингулярности.

Пенроуз постулира, че всички сингулярности на гравитационния колапс са „облечени“ от хоризонта на събитията на черните дупки, което означава, че никога не бихме могли да наблюдаваме такава. Когато сингулярността е вътре в хоризонта на събитията, физиката в останалата част на Вселената се развива както обикновено.

Това предположение на Пенроуз, че няма „голи“ сингулярности, се нарича космическа цензура. След половин век тя остава недоказана и е един от най-важните отворени проблеми в математическата физика. В същото време намирането на примери за случаи, в които предположението не се потвърждава, се оказва също толкова трудно. Квантовата механика, която управлява микрокосмоса на частиците и атомите, подкрепя космическата цензура.

Черните дупки се влияят до известна степен от квантовата механика, но това влияние обикновено се пренебрегва от физиците. Например Пенроуз изключва тези ефекти в работата си, както и теорията, която позволява на учените да измерват пулсациите в пространство-времето, наречени гравитационни вълни, от черните дупки.

Когато те са включени, учените наричат черните дупки „квантови черни дупки“. Те дълго време представляваха допълнителна загадка, тъй като не знаем как работи предположението на Пенроуз в квантовата сфера.

Моделът, при който и материята, и пространство-времето се подчиняват на квантовата механика, често се смята за фундаментално описание на природата. Това може да бъде „теория на всичко“, или теория на „квантовата гравитация“.

Въпреки огромните усилия експериментално потвърдената теория на квантовата гравитация остава недостижима. Широко разпространено е очакването, че всяка жизнеспособна теория на квантовата гравитация би трябвало да разреши проблема с особеностите в класическата теория, като евентуално покаже, че те са просто артефакт на непълно описание. Така че е разумно да се очаква, че квантовите ефекти не би трябвало да влошат проблема дали някога бихме могли да наблюдаваме сингулярност.

Това е така, защото теоремата на Пенроуз за сингулярността прави определени предположения за природата на материята, а именно, че материята във Вселената винаги има положителна енергия.

Тези предположения обаче могат да бъдат нарушени по квантовомеханичен път - знаем, че отрицателната енергия може да съществува в квантовата сфера в малки количества (т.нар. ефект на Казимир).

Без пълноценна теория на квантовата гравитация е трудно да се отговори на тези въпроси. Но може да се постигне напредък, като се разгледа „полукласическа“, или „частично квантова“ гравитация, при която пространство-времето се подчинява на общата теория на относителността, но материята се описва с квантова механика.

Въпреки че определящите уравнения на полукласическата гравитация са известни, решаването им е съвсем друга история. В сравнение с класическия случай разбирането ни за квантовите черни дупки е много по-малко пълно.

От това, което знаем за квантовите черни дупки, те също развиват сингулярности, но очакваме, че в полукласическата гравитация би трябвало да съществува подходящо обобщение на класическата космическа цензура, а именно квантова космическа цензура.

Досега не е установена формулировка на квантовата космическа цензура, макар че има някои улики. В някои случаи една гола сингулярност може да се модифицира от квантови ефекти, които да забулят сингулярностите; те се превръщат в квантово облечени. Това е така, защото квантовата механика играе роля в хоризонта на събитията.

Първият такъв пример е представен от физиците Роберто Емпаран, Алесандро Фабри и Неманя Калопер през 2002 г. Сега всички известни конструкции на квантови черни дупки имат тази характеристика, което предполага, че съществува по-строга формулировка на квантовата космическа цензура.

Тясно свързано с космическата цензура е неравенството на Пенроуз. Това е математическа зависимост, която, ако приемем, че има космически ценз, гласи, че масата или енергията на пространство-времето е свързана с площта на хоризонтите на черните дупки, които се съдържат в него. Следователно нарушаването на неравенството на Пенроуз би означавало, че е нарушена космическата цензура.

Следователно квантовото неравенство на Пенроуз може да се използва за строго формулиране на квантовата космическа цензура. Един екип от изследователи предложи такова неравенство през 2019 г. Макар и обещаващо, тяхното предложение е много трудно да се провери за квантови черни дупки в режими, в които квантовите ефекти са силни.

Квантовото неравенство на Пенроуз ограничава енергията на пространство-времето по отношение на общата ентропия - статистическа мярка за безпорядъка на дадена система
на черните дупки и квантовата материя, които се съдържат в него. Това добавяне на ентропията на квантовата материя гарантира, че квантовото неравенство е вярно дори когато класическата версия се разпада (в квантови мащаби).

Това, че общата енергия на тази система не може да бъде по-ниска от общата ентропия, е естествено и от гледна точка на термодинамиката. За да се предотврати нарушаването на втория закон на термодинамиката - че общата ентропия никога не намалява.

Когато се въведе квантова материя, нейната ентропия се добавя към ентропията на черната дупка, подчинявайки се на обобщения втори закон. С други думи, неравенството на Пенроуз може да се разбира и като граница на ентропията - надхвърли ли се тази граница, в пространство-времето се развиват голи сингулярности.

Така, макар че пространството и времето могат да свършат в сингулярности, квантовата механика пуска своеобразна завеса пред тази съдба.

Снимка: Unsplash/Event Horizon Telescope/Wiki Commons, CC BY-SA

Виж още: Lenovo Yoga 7 2-in-1 14IML9 – удоволствие и мощ две в едно (РЕВЮ)