Одним из основных вопросов общей теории относительности, который отличает ее от других описаний Вселенной, например квантовой физики, является существование сингулярностей. Сингулярности — это точки, которые при математическом описании дают бесконечное значение и предполагают области Вселенной, где законы физики перестают существовать, т.е. точки в начале Вселенной и в центре черных дыр.
В новой статье в журнале Nuclear Physics B, опубликованной Роберто Касадио, Александром Каменщиком и Ибером Кунцем из Dipartimento di Fisica e Astronomia, Università di Bologna, Италия, высказывается предположение, что распространение трактовки сингулярностей в классической физике на квантовую физику может помочь разрешить это несоответствие между отраслями физики.
«Ни одно описание природы не является совершенным и полным. Каждая теория имеет свою область применимости, за пределами которой она разрушается и ее предсказания перестают иметь смысл», — говорит Касадио. В качестве примера он приводит теории Ньютона, которые все еще достаточно надежны, чтобы отправлять ракеты в космос, но терпят крах при описании очень малых или огромных масс.
Новый квантовый подход к проблеме сингулярностей может дать ответ на вопрос о том, что происходит в центре черной дыры, подобной той, что обнаружена в галактике M87. Credit: EHT
«Это серьезная проблема, поскольку общая теория относительности — теория, которая в настоящее время лучше всего описывает гравитационное взаимодействие, — предсказывает существование сингулярностей в самом общем виде», — говорит Касадио. «Это похоже на наличие дыры в пространстве, где ничего не может существовать, но в которую, тем не менее, попадают наблюдатели и все остальное».
Касадио предлагает представить это в виде листа бумаги с небольшим отверстием в нем. «Вы можете двигать кончиком ручки по бумаге, что представляет собой движение частицы, но если вы дойдете до отверстия, ваша ручка внезапно перестанет рисовать, и частицы внезапно исчезнут», — говорит он. «Это иллюстрирует, что сингулярности являются теоретическими препятствиями, мешающими нам полностью понять природу».
Касадио добавляет, что тот факт, что физика прекращает свое существование в сингулярностях, приводит к появлению вопросов, на которые нет ответов, таких как: Что на самом деле произошло в начале Вселенной? Родилось ли все из точки, которой на самом деле никогда не существовало? Что происходит с частицей, когда она попадает в центр черной дыры?
«Эти открытые вопросы — та самая причина, которая заставляет нас из любопытства продолжать это направление исследований», — говорит он. «Наш подход в значительной степени опирается на методы квантовой теории поля (КТП) — системы, объединяющей квантовую механику и специальную относительность и дающей начало очень успешной стандартной модели физики частиц».
Авторы использовали инструменты QFT для построения математического объекта, который может сигнализировать о наличии сингулярностей в экспериментально измеряемых величинах. Этот объект, названный ими «функциональным числом намотки», является ненулевым при наличии сингулярностей и исчезает при их отсутствии.
Такой подход позволил обнаружить, что некоторые сингулярности, предсказанные теоретически, не влияют на величины, которые в принципе можно измерить экспериментально, и поэтому остаются безобидными математическими конструкциями.
«Если бы наш формализм выдержал научную проверку и оказался правильным подходом, то это свидетельствовало бы о существовании очень глубокого физического принципа, так что выбор физических переменных не имеет особого значения», — заключает Касадио. «Это может иметь большое значение для нашего понимания физики, даже за пределами темы сингулярностей».
Ссылка: «Ковариантные сингулярности в квантовой теории поля и квантовой гравитации» Роберто Касадио, Александр Каменщик и Ибере Кунц, 26 июля 2021 г., Nuclear Physics B . DOI: 10.1016/j.nuclphysb.2021.115496
