Eles têm uma superfície? Afinal, todos estão acostumados à idéia de um buraco negro como uma singularidade do evento escondido da nossa visão pelo horizonte. No entanto, estudando a termodinâmica dos buracos negros, os físicos chegaram à conclusão de que se comportam não como objetos tridimensionais, mas como objetos bidimensionais. Por exemplo, o número de componentes de um buraco negro como sistema termodinâmico é proporcional ao quadrado do raio do horizonte de eventos e não ao seu cubo. Mas essa "dica transparente" geralmente é atribuída a problemas, como: Para onde vão as informações que falharam no horizonte de eventos? Se uma das duas partículas emaranhadas quânticas cruza o horizonte de eventos, com o que a restante é emaranhada?
No entanto, é possível mostrar que essa superfície é bastante material, usando efeitos bem conhecidos da teoria da relatividade. Portanto, do ponto de vista de um observador externo estacionário, nenhum objeto que caia em um buraco negro jamais atravessará o horizonte de eventos, porque quando você o aproxima, o tempo no quadro de referência associado ao objeto diminui em relação ao observador externo, devido ao fato de que em campo gravitacional próximo a corpos maciços, o tempo, mesmo para corpos imóveis, flui mais lentamente do que fora do campo. A velocidade de um objeto desse tipo em relação ao observador externo aumenta primeiro e depois diminui. Ao se aproximar do horizonte de eventos, o tempo para tal objeto quase para, portanto, para superar o resto do ponto de vista de um observador externo, ele precisará de um período infinitamente longo.
Por outro lado, no quadro de referência associado ao objeto em queda, tudo acontecerá muito rapidamente. No entanto, não será possível atravessar o horizonte de eventos, mas por um motivo diferente. À medida que a velocidade do movimento se aproxima da velocidade da luz, as distâncias na direção da viagem são reduzidas. Portanto, ao se mover ao longo do raio, o horizonte de eventos de um esférico se transformará em um disco plano, e os eventos do movimento do horizonte de eventos e do centro do furo se tornarão simultâneos. Portanto, esse objeto não pode estar entre o horizonte de eventos e o centro em nenhum momento no tempo. Além disso, do ponto de vista desse objeto, um buraco se aproxima dele com uma velocidade tendendo à velocidade da luz. Portanto, sua massa também deve tender ao infinito. Isso leva a um aumento no raio do horizonte de eventos (raio do disco) e a "agravar" as soluções das equações de movimento.
Para o amador, esses argumentos para os dois casos extremos são suficientes para entender que, em qualquer quadro de referência externo, nada pode estar dentro do horizonte de eventos, então não há espaço e não pode haver massa. No entanto, provar com precisão isso está longe de ser fácil. O fato é que a substância real, via de regra, entra em um buraco real, não no raio, mas numa espiral. Para um observador externo estacionário, esse é outro mecanismo para desacelerar a queda e, no quadro de referência conectado à matéria, tudo é muito complicado, porque seria necessário provar que o comprimento da espiral não aumenta mais rápido que a contração relativística de seu comprimento. Além disso, essa espiral após o ponto de interseção do horizonte de eventos aparece em um espaço inexistente além da aplicação das equações da gravidade.
Mas antes de provar, precisamos das equações corretas. Do ponto de vista de um observador externo, um buraco e um objeto que caem nele são um sistema fechado para o qual a lei de conservação de energia deve ser cumprida. Portanto, a massa deste sistema no referencial externo deve permanecer constante durante a queda e, para isso, a massa de cada corpo deve permanecer constante. No entanto, à medida que o objeto acelera, sua massa de acordo com a teoria especial da relatividade deve aumentar. Portanto, é necessário compensar esse aumento pelo fato de a energia potencial do objeto diminuir na mesma quantidade e, portanto, a energia de massa total permanecer constante. Então a massa do objeto estacionário no campo gravitacional deve diminuir à medida que se aproxima do objeto maciço e, no limite do evento para o observador externo, ele tende a zero. Portanto, não há eventos de massa dentro do horizonte. A substância incidente retém massa, mas não pode atravessar esse horizonte, e a massa da substância imóvel restante da supernova seria zerada ao cruzar. Acontece que não apenas a luz, mas também a gravidade não pode sair por causa do horizonte de eventos, o que é lógico, porque (ondas gravitacionais) também se propagam à velocidade da luz.
A vida de um buraco negro é algo análogo ao de uma estrela do tipo solar. Quando uma estrela dessas fica sem hidrogênio, aumenta de tamanho (para o Sol, o raio máximo pode estar próximo da órbita da Terra), descarrega as conchas de gás e depois se contrai em uma anã branca. Esse aumento de tamanho com a diminuição da temperatura e, portanto, as forças que impedem que a estrela seja comprimida, à primeira vista, parece antinatural. Também parece antinatural que, à medida que o raio do horizonte de eventos aumenta, como um trator com uma faca, ele empurra a massa para fora do centro da estrela, concentrando-a na frente dela.
As equações da teoria geral da relatividade (GR) são a igualdade do tensor de Einstein, que é um operador diferencial de segundo grau do tensor de curvatura do espaço g, ao tensor de massa de energia multiplicado por uma constante. Em princípio, nada impede a substituição das massas “corretas” nessas equações, levando em consideração a energia potencial (veja acima) e as mudanças na dimensionalidade do espaço (veja abaixo), mas a forma existente do tensor de energia da massa está provocando erros demais. Por exemplo, resolvendo equações em um sistema de coordenadas externo, substitua a massa do sistema de coordenadas interno (local) (sem subtrair a energia potencial), a velocidade do externo e a tensão (se forem consideradas) novamente do interno. Além disso, para considerar corretamente a energia potencial, é preciso conhecer a curvatura do espaço, ou seja, as correções nos componentes do tensor de energia de massa devem depender do tensor de curvatura g, que viola a beleza das equações: o espaço à esquerda é a matéria à direita. Mas aqui não é bonito - seria certo.
O tensor de energia de massa foi introduzido a partir da condição de que, após a transição para outros sistemas de referência, as leis de conservação de energia, momento e momento angular sejam cumpridas. Essas próprias leis seguem o teorema de Noether se houver grupos de simetria correspondentes no espaço. No entanto, no caso geral de um espaço Riemanniano curvo, esses grupos de simetria estão ausentes. Portanto, Einstein e Klausifilts tentaram provar que, uma vez que a restrição na forma de equações da teoria geral da relatividade (GR) é imposta ao espaço, um caso especial de espaço curvo é realizado no qual esses grupos de simetria estão presentes. Assim, eles tentaram provar a validade das leis de conservação usando equações derivadas usando as mesmas leis. Mas mesmo nesta prova, como demonstrou Logunov nos anos setenta do século XX, foi cometido um erro matemático.
O fato de que nem tudo está em ordem nas equações da relatividade geral foi descoberto mais de uma vez. Como resultado, várias teorias alternativas da gravidade foram criadas, nas quais tentavam superar as deficiências identificadas. No entanto, eles não obtiveram ampla distribuição não apenas por razões físicas, mas também por razões psicológicas semelhantes àquelas pelas quais a capitalização de bitcoin excede a capitalização da maioria das criptomoedas alternativas, embora tecnologicamente elas sejam quase todas melhores que o bitcoin. Se uma pessoa se depara com algo muito complexo, incompreensível e difícil de verificar, então, como regra geral, ela não tenta superar essa dificuldade, mas segue o caminho batido, confiando nas autoridades e até mesmo percebendo que está enganado, prefere ser enganado junto com todos, assim como antes. Assim, na teoria dos buracos negros, predominam aquelas idéias que são baseadas na solução inicial das equações da relatividade geral, apesar de todos os seus problemas e absurdos.
Do ponto de vista físico, três erros levaram a esses problemas. Primeiro, a teoria dos buracos negros surgiu da solução de Schwarzschild das equações da relatividade geral para o campo criado pelo ponto material. Essa é a primeira solução mais exigida para essas equações e, antes da descoberta das ondas gravitacionais, quase todas as confirmações experimentais da relatividade geral diziam respeito a ela. Descreve bem o campo gravitacional das estrelas e o campo dos buracos negros, com exceção da região próxima ao horizonte de eventos. No entanto, esta é uma solução para uma massa concentrada em um ponto. Esse modelo abstrato inicialmente, antes de resolver, assume uma singularidade, e resolver equações "confirma" a presença dessa singularidade. O erro é que, inicialmente, supõe-se que exista massa onde não possa estar.
Em segundo lugar, a massa é substituída nas equações sem levar em consideração a energia potencial.
Em terceiro lugar, todo o espaço de um buraco negro, com a possível exceção da própria singularidade, é inicialmente considerado um espaço-tempo quadridimensional, ou seja, a mudança na dimensão do espaço não é considerada.
De onde surgiu a oportunidade de mudar a dimensão? No sistema de referência associado a um objeto que cai ao longo do raio, o horizonte de eventos se transforma em um disco. Tendo atingido seu objeto, aparece no espaço bidimensional, porque todos os comprimentos entre objetos físicos na direção do movimento tendem a zero. Portanto, ele não pode voar para fora deste disco, mesmo que não colide com a matéria lá. Com essa transição, o eixo espacial “desaparecido” é transformado no eixo do tempo, de modo que o espaço externo se torne passado para a matéria na superfície do buraco negro.
É significativo que uma mudança na dimensão do espaço ocorra um pouco antes do objeto atingir o horizonte de eventos. Se tal transição ocorreu ao atingir o próprio horizonte, quase toda a massa do buraco negro seria concentrada no horizonte de eventos, mas a massa de substância imóvel no horizonte de eventos do ponto de vista de um observador externo é zero, ou seja, para um observador externo, esse buraco negro teria massa quase zero. Isso é uma conseqüência da tendência da velocidade do objeto incidente à velocidade da luz. No entanto, de acordo com a dupla teoria da relatividade especial, devido à viscosidade do vácuo físico (interação com partículas virtuais), o limite de velocidade para um objeto real é a segunda velocidade da luz, um pouco menor do que a utilizada nas equações da teoria da relatividade e que corresponde ao horizonte de eventos.
Assim, existe um mecanismo físico que “salva do infinito” devido às forças de viscosidade do vácuo físico e à diminuição da dimensionalidade do espaço. Como resultado, a massa do buraco negro é concentrada em sua superfície, localizada a uma pequena distância fora do horizonte de eventos. Esta distância pode depender da distribuição de massas sobre a superfície, isto é, a superfície de um buraco negro pode ter um alívio que afeta a radiação Hawking, que resolve problemas conhecidos com a perda de informações e emaranhamento quântico e está de acordo com a termodinâmica dos buracos negros.
Esse modelo explica naturalmente a assimetria da matéria e da antimatéria na superfície de um buraco negro. Tudo o que caiu nesta superfície a partir do exterior é uma substância. Para ele, o tempo segue uma direção, correspondendo à direção do movimento para o centro de um observador externo "tridimensional" (doravante, a dimensão do espaço é indicada pelo número de eixos espacialmente similares). As antipartículas, conhecidas por "moverem-se" no tempo na direção oposta, podem se formar em pequenas quantidades nos processos de interação dessa substância bidimensional. Nesse caso, antipartículas de energias suficientemente altas que podem ser formadas, por exemplo, durante o colapso de uma substância bidimensional em um buraco negro com uma superfície unidimensional, podem escapar do espaço bidimensional para o tridimensional circundante.
Para descrever essa transição para um estado bidimensional em equações da relatividade geral, as equações correspondentes ao eixo do tempo do espaço circundante devem degenerar na superfície do buraco negro, ou seja, linha superior e coluna esquerda da equação do tensor. Para isso, os efeitos da teoria da dupla relatividade especial devem ser adequadamente levados em consideração no tensor de energia da massa.
Como a transição de uma substância de um estado tridimensional para um estado bidimensional no raciocínio acima está associada à obtenção de uma velocidade próxima, mas menor que a velocidade da luz, e não com a curvatura do espaço, esse fenômeno, em princípio, também deve ocorrer durante a aceleração da matéria fora de um buraco negro. Além disso, se as partículas elementares têm uma geometria interna, que é assumida na teoria das supercordas e algumas outras teorias que reduzem a física à geometria, as partículas com geometria tridimensional se tornarão indistinguíveis das partículas com geometria bidimensional, que é uma projeção dessa geometria tridimensional em um plano. perpendicular à direção do movimento. Aqui estamos falando sobre a geometria da partícula nas dimensões do espaço circundante, e a própria partícula pode ter dimensões adicionais dobradas localmente. Sabe-se que existe um nível de energia no qual as interações eletromagnéticas e fracas são combinadas em uma única interação eletro-fraca, o que leva ao fato de que partículas que diferem apenas na carga de interação fraca se tornam indistinguíveis. É natural assumir a identidade dessas transições, ou seja, que uma diminuição na dimensão está associada à união de interações. Então, por analogia, pode-se supor que quando um nível de energia ainda mais alto é atingido, no qual a interação eletrofraca se combina com a forte, as partículas se tornam unidimensionais e com a energia da grande unificação, o único eixo de tempo permanece: todas as partículas sem dimensões dobradas localmente se transformam em quanta de tempo. Nesse caso, partículas com uma dimensão menor no espaço com uma dimensão maior serão relativísticas.
Agora imagine essa situação. No espaço quadridimensional, nos estágios iniciais de sua evolução, a matéria experimentou uma diminuição na dimensão. Isso pode ocorrer não apenas ao atingir a superfície de um buraco negro tridimensional no espaço externo quadridimensional, mas também, por exemplo, quando uma substância é ejetada de um buraco branco. Também haverá uma predominância de uma substância sobre a antimatéria, se antes de diminuir a dimensão essa substância se movia em uma direção. Nesse caso, as partículas tridimensionais se tornarão relativísticas no espaço quadridimensional inicial. No entanto, em relação um ao outro, eles podem se mover em baixas velocidades, o que lhes permitirá condensar em matéria bariônica, cuja evolução pode levar ao aparecimento de físicos nesta substância.
Esses físicos assumem naturalmente que eles estão em um sistema de coordenadas fixo, e partículas com geometria bidimensional e unidimensional serão consideradas relativísticas. As partículas “imóveis” (mais precisamente, não relativísticas) no espaço quadridimensional original também serão relativísticas para elas, porque a razão do tempo no espaço quadridimensional flui mais rápido que o tempo na tridimensional por um grande número de vezes e, portanto, até um pequeno componente de velocidade (para o observador “quadridimensional”) Do ponto de vista dos físicos localizados nele, as partículas “imóveis” na projeção no eixo do espaço tridimensional serão percebidas como a velocidade da luz. Ao mesmo tempo, eles descobrirão que essas partículas "estacionárias" não possuem antipartículas emparelhadas, e todos os pares partícula-antipartícula aniquilam com a formação precisamente dessas partículas "fixas" (devido à lei de conservação do momento no espaço quadridimensional original). Além disso, eles descobrirão que a massa de partículas em que os físicos consistem é o resultado da quebra de simetria, para explicar de que maneira eles terão que apresentar o campo de Higgs. Afinal, eles provavelmente não teriam uma explicação mais simples de que essa é uma massa comum devido ao movimento de partículas relativísticas no espaço quadridimensional inicial, que também é preservado no espaço tridimensional, mas parece uma consequência da quebra de simetria. Isso lembra alguma coisa?