Когда звезды прекращают вырабатывать водород в конце своей жизни, они коллапсируют, значит, что они представляют собой области в пространстве-времени, где гравитация настолько сильна, что никакая материя или свет не могут вырваться наружу. Это происходит из-за гравитационного коллапса, внезапного катастрофического разрушения, когда звезда с большой массой выгорает и не может противостоять собственной гравитации, сжимаясь в бесконечно плотную точку, известную как черная дыра. Ее гравитационное притяжение настолько велико, что, пройдя горизонт событий, границу в пространстве-времени, за которой никакие события не могут повлиять на наблюдателя снаружи. Ничто уже не может вырваться за его пределы. Однако ученые из Англии и Испании предположили, что черные дыры при определенных условиях могут трансформироваться в «белые дыры» — теоретические объекты, которые выбрасывают вещество, энергию и даже время обратно во Вселенную.
В качестве мысленного эксперимента они изучили черную дыру особого типа — плоскую антидеситтеровскую черную дыру с упрощенной геометрией. Антидеситтеровская чёрная дыра – это гипотетический объект, представляющий собой чёрную дыру, существующую в антидеситтеровском пространстве. Антидеситтеровское пространство – это пространство с отрицательной кривизной, в отличие от положительной кривизны в пространстве Минковского, где мы живём. Антидеситтеровская чёрная дыра может иметь электрический заряд и, в отличие от обычных чёрных дыр, способна к испарению, испусканию элементарных частиц чёрной дырой, при котором масса чёрной дыры уменьшается. из-за квантового эффекта Хокинга. И применили к ней принцип унитарности. В квантовой механике унитарность означает, что общая вероятность всех возможных результатов системы всегда должна равняться единице. Этот принцип гарантирует, что информация никогда не теряется, даже в хаотической среде черной дыры.
Как обнаружили исследователи, классическая сингулярность не может существовать при условии соблюдения принципа унитарности. Внутренняя часть черной дыры должна перейти в квантовое состояние, в котором сингулярность будет заменена областью интенсивных квантовых флуктуаций, известной как «квантовый отскок», микроскопических случайных изменений в энергии и пространстве-времени. Эти флуктуации, связанные с квантовой механикой, проявляются в виде испускания излучения Хокинга и могут влиять на свойства черной дыры, например, ее испарение. Пространство и время здесь не заканчиваются, а переходят в белую дыру.
«Гипотетически, можно заставить наблюдателя — гипотетическое существо — пройти сквозь черную дыру, через то, что мы считаем сингулярностью, и выйти по другую сторону белой дыры, — сказал Штеффен Гилен, один из авторов исследования. — Понятие наблюдателя весьма абстрактное, но, теоретически, такое может произойти».
В прошлом физики уже предполагали, что черные дыры могут переходить в белые дыры. Новое исследование отличается тем, что закладывает конкретную математическую основу того, как это может произойти. Кроме того, исследователи показали, что этот процесс соответствует принципам квантовой механики.
Если черные дыры на самом деле не заканчиваются сингулярностью, ученым придется изменить представление об этой экстремальной среде. К тому же, возникают новые пути решения давних загадок, таких как информационный парадокс черных дыр, загадка, связанная с тем, что, согласно теории относительности Эйнштейна, чёрные дыры поглощают всё, что попадает в них, и больше ничего не вытекает наружу, включая информацию. Однако, согласно квантовой механике, информация не должна исчезать, а должна быть сохранена. Когда чёрная дыра испаряется (излучение Хокинга), информация, казалось бы, теряется, что противоречит квантовой механике.
Несколько лет назад математики уже приводили доказательство отсутствия сингулярности в черных дырах. Теория петлевой квантовой гравитации, подхода к квантовой гравитации, который рассматривает пространство-время как дискретное, раздельное, прерывистое, состоящее из отдельных частей или состоящее из квантовых "петлей". В отличие от классической общей теории относительности, которая рассматривает пространство-время как непрерывное и деформируемое, ПКГ предполагает, что пространство-время имеет минимальную длину - Планковскую длину, и что физические величины, такие как площадь и объем, являются дискретными, позволила им расширить гравитационную физику за пределы общей теории относительности.