Физики нашли неожиданную связь между черными дырами и экзотическими квантовыми материалами, совершив простой на первый взгляд трюк — поменяв местами пространство и время в математических уравнениях. Это открытие может кардинально изменить наше понимание того, что происходит внутри черных дыр.
Исследование, опубликованное в журнале Physics Letters B, сосредоточилось на так называемой BTZ черной дыре — упрощенной модели, существующей в трехмерном пространстве-времени вместо обычного четырехмерного. Эта модель, названная в честь физиков Баньядоса, Тейтельбойма и Занелли, служит своеобразной «лабораторией» для изучения свойств черных дыр, поскольку математически она гораздо проще реальных черных дыр, но сохраняет их ключевые особенности.
Автор исследования решил провести необычный эксперимент: что произойдет, если в уравнениях, описывающих BTZ черную дыру, поменять местами координаты пространства и времени? Как оказалось, этот на первый взгляд абстрактный математический трюк привел к поразительным результатам.
Обычно в черной дыре время и пространство ведут себя по-разному в зависимости от того, находитесь ли вы снаружи или внутри горизонта событий. Снаружи время течет привычно, а пространственные измерения остаются пространственными. Но внутри горизонта роли меняются — время начинает вести себя как пространственная координата. Когда исследователь явно поменял местами эти координаты в уравнениях, он обнаружил новое описание внутренней области черной дыры, которое удивительно напоминало внешнюю область, только с переставленными ролями пространства и времени.
Это открытие привело к более глубокому пониманию квантовой структуры черных дыр. В современной физике черные дыры часто описываются с помощью так называемых термополевых дублетов — особых квантовых состояний, которые связывают черную дыру с двумя копиями квантовой теории поля на ее границе. Новое исследование показало, что для полного описания черной дыры нужны два независимых термополевых дублета: один для внешней области, а другой для внутренней с переставленными ролями времени и пространства.
Самым неожиданным открытием стало то, что получившаяся математическая структура описывает так называемое неориентируемое пространство-время. Это означает, что в таком пространстве невозможно последовательно определить, где «лево», а где «право» во всех точках одновременно. Представьте себе ленту Мёбиуса — если муравей будет ползти по ней, то в какой-то момент он окажется на «обратной» стороне, хотя пересекать края не будет.
Еще более удивительным оказалось то, что эта неориентируемая структура черной дыры тесно связана с математическими объектами, которые физики используют для описания экзотических квантовых материалов — так называемых симметрийно-защищенных топологических фаз. Эти материалы обладают необычными свойствами, которые защищены от внешних воздействий их топологической структурой.
Связь между черными дырами и топологическими материалами открывает совершенно новые возможности для понимания квантовой природы гравитации. Возможно, внутренности черных дыр имеют больше общего с экзотическими квантовыми состояниями материи, чем считалось ранее. Это может помочь решить давние загадки черных дыр, включая знаменитый парадокс информации — проблему того, что происходит с информацией, падающей в черную дыру.
Новое исследование также предлагает инструменты для изучения различных областей пространства-времени как взаимосвязанных секторов, а не как отдельных изолированных регионов. Это может привести к более целостному пониманию того, как квантовая механика и гравитация работают вместе в самых экстремальных условиях Вселенной.
Работа открывает путь к объединению идей из квантовой гравитации, голографии и физики конденсированного состояния, приближая нас к более полному пониманию квантовой природы пространства и времени. Возможно, секреты черных дыр кроются не только в космосе, но и в лабораториях, где физики изучают необычные свойства квантовых материалов.