Первый шаг к квантовой гравитации — «святому Граалю» физики — может скрываться в квантовом рецепте создания черных дыр.

Такое предположение выдвинуто в новом исследовании, где к классической теории гравитации Эйнштейна (общей теории относительности, ОТО) 1916 года были добавлены квантовые поправки. Черные дыры играют здесь ключевую роль, поскольку они впервые появились именно как теоретическое решение уравнений Эйнштейна, лежащих в основе ОТО.

Эта квантовая поправка приводит к новому способу описания черных дыр и дает намек на путь к квантовой гравитации — объединению двух главных теорий физики.

Несмотря на то что ОТО остается лучшей моделью для описания гравитации и Вселенной в крупных масштабах, а квантовая физика идеально объясняет процессы в микромире, эти теории никак не удается объединить. И хотя обе существуют уже около века, многократно проверены и уточнены, теория квантовой гравитации до сих пор не создана.

При этом квантовая физика успешно описывает три из четырех фундаментальных взаимодействий: электромагнитное, сильное и слабое ядерные взаимодействия. Однако и она, и ОТО бессильны перед загадкой, скрывающейся в сердце черных дыр.

Черные дыры: где законы физики перестают работать

«Черные дыры — это области пространства, где гравитация настолько сильна, что ничто, даже свет, не может их покинуть. Обычно мы описываем их с помощью ОТО, где они возникают как решения уравнений Эйнштейна, — объясняет Ксавье Кальмет, ведущий автор исследования, теоретический физик из Университета Сассекса. — Однако в центре черной дыры находится сингулярность, где известные нам законы физики перестают работать».

В сингулярности плотность черной дыры стремится к бесконечности. Физики не любят бесконечности, поскольку они не имеют физического смысла, а их появление означает, что уравнения, описывающие законы Вселенной, дают сбой.

Таким образом, сингулярность в сердце черной дыры указывает на неполноту ОТО. Возможно, недостающим элементом как раз и является квантовая гравитация.

«Мы считаем, что ОТО работает только на больших, «макроскопических» масштабах, но на очень малых расстояниях, в микроскопическом мире, ее должна заменить квантовая теория гравитации, объединяющая уравнения Эйнштейна с квантовой физикой, — говорит Кальмет. — Это и есть «святой Грааль» теоретической физики».

Спрятан ли «святой Грааль» в черных дырах?

Физики уже давно ищут рецепт квантовой гравитации и теорию, которая объединит все фундаментальные взаимодействия. Наибольшие надежды возлагаются на теорию струн, заменяющую частицы крошечными вибрирующими «струнами». Она претендует на роль моста между ОТО и квантовой физикой, создавая основу для квантовой гравитации.

Однако пока нет способа экспериментально подтвердить эту теорию. Более того, она требует существования как минимум 11 измерений, а у нас нет никаких доказательств наличия измерений помимо трех пространственных и одного временного.

Удивительно, но для Кальмета и его коллег отсутствие единой теории не стало препятствием. Им было достаточно знать, что любая предлагаемая теория должна согласовываться с ОТО в больших масштабах.

«Хотя у нас пока нет теории квантовой гравитации, мы точно знаем, что какая бы она ни была — теория струн или что-то совершенно иное — на макроуровне она должна совпадать с ОТО, — поясняет Кальмет. — Этой информации достаточно, чтобы с помощью современных методов квантовой теории поля проводить расчеты в квантовой гравитации, не зная ее полной теории».

Используя эти методы, ученые смогли вычислить поправки к уравнениям Эйнштейна, которые должны выполняться в любой теории квантовой гравитации.

Новые черные дыры квантового мира

Кальмет и его команда обнаружили, что помимо черных дыр, возникающих из решений ОТО, должны существовать и квантовые черные дыры — совершенно новые объекты, предсказанные квантовой гравитацией.

«Мы можем аналитически построить эти решения вблизи горизонта событий — внешней границы черной дыры — и вдали от нее, — объясняет Кальмет. — Но наш подход не позволяет описать область вблизи сингулярности, поскольку там требуется полное знание квантовой гравитации».

Это означает, что ученые пока не могут сказать, будут ли квантовые черные дыры иметь ту же структуру, что и предсказанные ОТО.

«Тем не менее, важно показать, что в квантовой гравитации существуют новые решения для черных дыр, которых нет в ОТО, — подчеркивает Кальмет. — Это не просто небольшие поправки к старым решениям, а совершенно новые черные дыры, существующие в мире квантовой гравитации».

Таким образом, это исследование — важный шаг к пониманию того, как квантовая механика и гравитация взаимодействуют друг с другом.

Можно ли отличить классические черные дыры от квантовых?

К сожалению, даже Кальмет пока не знает, как отличить черные дыры, предсказанные ОТО, от их квантовых аналогов. Ведь мы наблюдаем черные дыры только с огромных расстояний.

«Астрофизические черные дыры, которые мы видим, вполне могут описываться нашими новыми решениями, а не решениями ОТО, — заключает ученый. — Поскольку обе теории совпадают на больших расстояниях, будет сложно предложить тесты, способные различить эти два типа решений».

А значит, тайны квантовой гравитации пока остаются под надежной защитой черных дыр.