Гипотеза "космической цензуры" утверждает, что они не должны существовать—но возможно ли, что мы уже обнаружили их и неверно истолковали их природу?
Черные дыры скрыты за горизонтами событий, “все, что происходит внутри горизонта, остается внутри горизонта.” Никакая информация не просачивается наружу.
Горизонт черной дыры приносит дополнительную пользу, скрывая смущение теории, которая его предсказывает. Материя, падающая в черную дыру, оказывается в сингулярности, где кривизна пространства-времени расходится и уравнения общей теории относительности Эйнштейна разрушаются. К счастью, наша неспособность определить местонахождение падающей материи, поскольку ее плотность расходится вблизи этой сингулярности, не оказывает никакого влияния на внешний мир, который остается защищенным горизонтом.
Но могут ли уравнения Эйнштейна породить “голые сингулярности", которые не скрыты за горизонтом? Если бы такие области пространства-времени воздействовали на нас, мы не смогли бы предсказать наше будущее с помощью общей теории относительности.
Чтобы избежать такого кризиса, физик Роджер Пенроуз выдвинул в 1969 году гипотезу космической цензуры, которая предполагает, что в природе могут существовать ограничения, запрещающие голые сингулярности. Если это так, то общая теория относительности может поддерживать детерминизм, ограничивая влияние регионов, будущее поведение которых невозможно предсказать.
Но действительно ли существует необходимость в космической цензуре? Мы знаем, что уравнения общей теории относительности Эйнштейна неполны, потому что в них отсутствует важнейший элемент современной физики, а именно квантовая механика. Полная теория квантовой гравитации, которой мы в настоящее время не располагаем, могла бы излечить сингулярности и позволить обычному детерминизму проявиться во всем пространстве-времени. В этой теории не было бы необходимости подвергать цензуре какую-либо область с помощью ограничений, выходящих за рамки фундаментальных физических принципов.
На самом деле, у нас уже есть сильный намек на то, что это может быть так. В 1974 году Стивен Хокинг показал, что черные дыры излучают свет. В ретроспективе его результат очевиден. Нет никакого способа ограничить частицы света, фотоны, в тюремной камере, которая меньше их длины волны, поскольку их положение не может быть локализовано с такой точностью. В результате флуктуации вакуума вблизи черной дыры производят фотоны, которые просачиваются наружу, потому что их длина волны больше, чем масштаб горизонта. Это так называемое "излучение Хокинга" обеспечивается гравитационной энергией связи виртуальных частиц, которые заканчиваются внутри черной дыры.
Испаряющиеся черные дыры - это голые сингулярности, поскольку они не полностью скрыты своим горизонтом событий. К сожалению, радиация слишком слаба, чтобы ее можно было обнаружить для астрофизических черных дыр более массивных, чем три солнца, с размером горизонта больше длины Манхэттена. Черные дыры астероидной массы, которые могли образоваться в ранней Вселенной, имеют горизонт меньше размера протона и могут взорваться в течение всего периода существования Вселенной. Хотя мы до сих пор не обнаружили испаряющихся черных дыр, они предсказываются простой полуклассической формулировкой квантовой гравитации.
Несмотря на этот хорошо известный пример, математики и философы все еще спорят о том, должна ли космическая цензура ограничивать рамки “разумных” пространств-времен в общей теории относительности. Параллельно компьютерные коды используются для решения уравнений Эйнштейна и поиска патологических голых сингулярностей в экстремальных условиях.
На недавнем коллоквиуме по инициативе Гарвардской организации "Черная дыра" один философ определил космическую цензуру как один из наиболее стимулирующих вопросов в современных исследованиях общей теории относительности. Когда он закончил лекцию, у меня был только один вопрос: “имея в виду эти математические и философские соображения, астрономы могли бы искать голые сингулярности в небе. Если мы их найдем, будет ли вообще нужна цензура?”
Вместо того чтобы искать причины избегать голых сингулярностей, мы должны лелеять возможность найти их как путь для изучения новой физики. Конечно, решающее неизвестное в этом отношении звучит так: "как выглядят голые сингулярности? -Из-за крайней кривизны пространства-времени в их окрестностях голые сингулярности могут образовывать высокоэнергетические частицы в мощном огненном шаре энергии. Наблюдаем ли мы такие огненные шары на небе? Возможно ли, что мы уже обнаружили голые сингулярности, но неверно истолковали их природу?
Одно из семейств задокументированных огненных шаров - это гамма-всплески. Эти астрофизические взрывы обычно ассоциируются с рождением черных дыр или столкновением нейтронных звезд, но не с голыми сингулярностями. Мы также наблюдаем быстрые радиовсплески, природа которых пока неизвестна.
Мы должны держать глаза открытыми. Если бы голые сингулярности были обнаружены нашими телескопами, они стали бы лучшими лабораториями для проверки теорий квантовой гравитации, таких как теория струн. Проблема заключается в том, что кандидаты в теории квантовой гравитации не предсказывают, как будут выглядеть такие источники. У них нет “кожи " в этой игре."Следовательно, наблюдатели должны вести нас вперед, в том числе и через сложную погоню за гравитационными волнами из сингулярности Большого взрыва.