Фузболи — це гіпотетичні об'єкти в теорії суперструн, призначені для повного квантового опису чорних дір, які в свою чергу є передбаченими загальною теорією відносності.
Гіпотеза нечіткої кулі, або ж фузболу, усуває сингулярність у центральній області чорної діри, постулюючи, що весь простір усередині горизонту подій є протяжним фізичним об’єктом, тобто кулею зі струн. Ці струни розглядаються як фундаментальні складові матерії та світла у відповідній теорії струн. Відповідно до теорії, вони являють собою енергетичні структури, що здійснюють складні коливання як у трьох звичних просторових вимірах, так і в додаткових вимірах.
Модель нечіткої кулі пропонує розв’язання двох ключових відкритих проблем фізики чорних дір:
По-перше, вона усуває гравітаційну сингулярність, яка, згідно із загальною теорією відносності, повинна існувати всередині горизонту подій. У межах сингулярності кривина простору-часу формально прямує до нескінченності, через що загальна теорія відносності не здатна описати подальшу еволюцію матерії та енергії, що потрапляють у цю область. У сучасній фізиці сингулярність зазвичай не розглядається як фізично реальний об’єкт, а теорії квантової гравітації, зокрема теорія суперструн, мають пояснити її справжню природу.
По-друге, гіпотеза нечіткої кулі пропонує розв’язання інформаційного парадоксу чорної діри. Відповідно до цього парадоксу, квантова інформація про матерію, що падає в чорну діру, виявляється замкненою за горизонтом подій і, на перший погляд, повністю зникає з Всесвіту після випаровування чорної діри внаслідок випромінювання Гокінга. Такий сценарій суперечив би фундаментальному принципу квантової механіки, який вимагає збереження квантової інформації.
Оскільки жодні прямі експериментальні докази не підтверджують ні теорію струн загалом, ні теорію пухнастиків зокрема, обидві є продуктами виключно розрахунків та теоретичних досліджень[краще джерело ]. Однак існування фузболів можна перевірити за допомогою гравітаційно-хвильової астрономії.
Фізичні властивості
Теорія струн та композиція Самір Д. Матур з Університету штату Огайо опублікував вісім наукових статей у період між 2001 і 2012 роками, за участі постдокторанта Олега Луніна, який зробив внесок у перші дві роботи. У цих статтях пропонується розглядати чорні діри як сферичні протяжні об’єкти з кінцевим об’ємом, що складаються зі струн.
Це відрізняється від класичної інтерпретації чорних дір, у якій у їхніх центрах передбачається сингулярність — нульвимірна точка з нульовим об’ємом, де вся маса чорної діри зосереджена з формально нескінченною щільністю. Така сингулярність оточена горизонтом подій, розташованим на значній відстані, нижче якого світло не може покинути чорну діру.
Усі варіації теорії струн стверджують, що фундаментальні складові субатомних частинок, включаючи носії сили (наприклад, фотони та глюони), насправді є струнами енергії, які набувають своєї ідентичності та відповідних мас, вібруючи в різних режимах та частотах. Концепція фузболів корениться в певному варіанті теорії суперструн, який називається Тип IIB, яка стверджує, що струни є як "відкритими" (двосторонні сутності), так і "закритими" (циклічні сутності), і що існує просторово-часові виміри, де п'ять із шести додаткових просторових вимірів «компактифіковані».
На відміну від уявлення про чорну діру як сингулярність, маленьку пухнасту кульку можна розглядати як надщільну нейтронну зорю, в якій нейтрони зазнали фазового переходу та розклалися, звільнивши кварки, що їх складають. Відповідно, вважається, що фузболи є кінцевою фазою виродженої матерії.
Матур підрахував, що фізичні поверхні пухнастих куль мають радіус, що дорівнює радіусу горизонту подій класичних чорних дір. Таким чином, радіус Шварцшильда для чорної діри зоряної маси у 6,8 мас Сонця — або так званого фузбола — становить приблизно 20 км за умови нехтування обертанням.
Також було встановлено, що горизонт подій у моделі нечіткої кулі на надзвичайно малих масштабах (ймовірно, порядку кількох планківських довжин) набуває розмитої структури, яка нагадує туман, що й зумовлює назву «пухнаста куля».
У класичній моделі чорних дір об’єкти, що перетинають горизонт подій на шляху до сингулярності, розглядаються як такі, що потрапляють у область сильно викривленого простору-часу, де швидкість втечі перевищує швидкість світла. Ця область є сферою, що не має внутрішньої структури. Додатково стверджується, що в самій сингулярності, або ж центрі класичної чорної діри, простір-час зазнає катастрофічного руйнування, оскільки нескінченна щільність відповідає умовам, що потребують нескінченної швидкості втечі; такі стани є несумісними з відомою фізичною теорією.
Водночас у рамках гіпотези нечіткої кулі передбачається, що як струни, з яких складаються як матеріальні частинки, так і фотони, падають на її поверхню та поглинаються нею. Ця поверхня розташована на горизонті подій — межі, на якій швидкість втечі дорівнює швидкості світла.
Фузбол є чорною дірою. В свою чергу простір-час, фотони та все інше, що не є надто близьким до його поверхні, вважається, зазнають впливу точно так само, як і класична модель чорних дір із сингулярністю в центрі. Ці дві теорії розходяться лише на квантовому рівні. Це означає, що класичні чорні діри та фузболи відрізняються лише своїм внутрішнім складом та тим, як вони впливають на віртуальні частинки, що утворюються поблизу їхніх горизонтів подій. Прихильники ж вважають, що «пухнасті кулі» є справжнім квантовим описом чорних дір.
Щільність Пухнасті кулі стають менш щільними зі збільшенням маси через ефект часткового натягу. Коли матерія або енергія (струни) падає на пухнасту кулю, відбувається не просте додавання нових струн, а їх злиття або з’єднання. У цьому процесі вся квантова інформація про струни переходить до більш протяжних і складніших струнних конфігурацій.
Через частковий натяг сила натягу струн експоненціально зменшується, оскільки зі зростанням кількості мод коливань вони набувають більшої складності та релаксують до значних довжин.
Формули теорії струн Матура та Луніна дають значення радіусів поверхні пухнастих куль, які точно збігаються з радіусами Шварцшильда, обчисленими Карлом Шварцшильдом за допомогою іншого математичного підходу 87 років раніше.
Оскільки об’єм пухнастих куль є функцією радіуса Шварцшильда (2953 м на для чорної діри, яка не обертається), такі об’єкти характеризуються змінною густиною, яка зменшується обернено пропорційно квадрату маси. Тобто подвоєння маси відповідає подвоєнню діаметра, що дає збільшення об’єму у вісім разів і, відповідно, зменшення густини в чотири рази.
Типова пухнаста куля масою мала б середню густину близько . Це усереднене значення об’ємної густини. Аналогічно до нейтронних зір, Сонця та планет, густина пухнастої кулі є неоднорідною: вона зменшується від центра, де є максимальною, до поверхні, де є меншою.
Фрагмент такої необертової пухнастої кулі розміром із краплю води в середньому мав би масу приблизно двадцять мільйонів метричних тон, що еквівалентно масі гранітної кулі діаметром близько 243 метрів.
Хоча такі густини майже неймовірно екстремальні, вони, математично кажучи, є нескінченно далекими від нескінченної густини. Хоча густини типових пухнастих куль зоряної маси є екстремальними — приблизно такими ж, як і нейтронних зір — їх густини на багато порядків менші за планківську густину (), яка еквівалентна масі Всесвіту, упакованій в об'єм одного атомного ядра.
Оскільки середня густина пухнастих кульок (та ефективна густина класичних чорних дір) зменшується обернено пропорційно квадрату їхньої маси, пухнасті кулі, що перевищують насправді менш щільні ніж нейтронні зорі, що мають мінімально можливу щільність. Завдяки правилу обернених квадратів маси-щільності, пухнасті кулі навіть не обов'язково повинні мати неймовірні щільності.
Надмасивні чорні діри, які знаходяться в центрі практично всіх галактик, можуть мати доволі скромні щільності. Наприклад, Стрілець A*, чорна діра в центрі галактики Чумацький Шлях, має масу 4,3 мільйонів .
Модель «пухнастої кулі» передбачає, що надмасивна чорна діра, яка не обертається, з такою ж масою, як Стрілець A*, має середню щільність «лише» в 51 раз більшу, ніж у золота. Більше того, при 3,9 мільярдів (досить велика надмасивна чорна діра), необертова пухнаста куля мала б радіус 77 астрономічних одиниць — приблизно такого ж розміру, як і ударна хвиля геліосфери Сонячної системи — та середню щільність, що дорівнює щільності атмосфери Землі на рівні моря (1,2 кг/м3).
Колапс нейтронної зорі Чорні діри (або фузболи) утворюються різними механізмами, більшість із яких пов’язані з надзвичайно енергійними подіями втрати маси, такими як наднові, кілонові та гіпернові . Однак нейтронна зоря, що акреціює шляхом повільного перетікання речовини від зорі-компаньйона, при перевищенні критичної межі маси Mmax зазнає раптового (і відносно «непомітного» з точки зору енергетичного вибуху) гравітаційного колапсу, перетворюючись на чорну діру або фузбол.
Нейтронні зорі мають максимально можливу масу, відому як межа Толмана-Оппенгеймера-Волкова. Ця межа точно не відома, але вважається, що вона знаходиться у діапазоні мас між та . Якщо нейтронна зоря перевищує цю масу, тиск нейтронного виродження більше не може протистояти силі гравітації, і вона швидко руйнується, доки не почнеться якийсь новий фізичний процес.
У класичній загальній теорії відносності колапс нейтронної зорі досягає критичної щільності та утворює горизонт подій; для зовнішнього Всесвіту вона стає чорною дірою, і колапс продовжується до гравітаційної сингулярності. У моделі «пухнастої кулі» адрони в її ядрі (нейтрони та, можливо, невелика кількість протонів і мезонів) розпадаються на те, що можна вважати кінцевою стадією виродженої матерії: кулю струн, яку, за прогнозами моделі «пухнастої кулі», можна вважати справжнім квантовим описом не лише чорних дір, але й теоретичних кваркових зірок, що складаються з кваркової матерії.
Інформаційний парадокс Класичні чорні діри створюють проблему для фізики, відому як інформаційний парадокс чорних дір ; згідно з гіпотезою «пухнастої кулі», такого парадоксу немає. Парадокс вперше був порушений у 1972 році Якобом Бекенштейном, а пізніше популяризований Стівеном Гокінгом . Інформаційний парадокс виникає з вимоги квантової механіки про те, що квантова інформація має бути збережена, що суперечить вимозі загальної теорії відносності про те, що якщо чорні діри мають сингулярності в своїх центрах, квантова інформація має бути гаснута з простору-часу. Цей парадокс можна розглядати як суперечність між двома дуже різними теоріями: загальною теорією відносності, яка описує найбільші явища у Всесвіті, пов'язані з гравітацією, та квантовою механікою, яка описує найменші явища. Теорія «пухнастої кулі» прагне вирішити цю суперечність, оскільки теорія суперструн типу IIB, на якій вона базується, є квантовим описом гравітації, що називається супергравітацією .
Чорна діра, яка живиться переважно зоряною атмосферою (протонами, нейтронами та електронами) сусідньої зорі-компаньйона, повинна, якби вона підкорялася відомим законам квантової механіки, мати квантовий склад, відмінний від іншої чорної діри, яка живиться лише світлом (фотонами) від сусідніх зір та космічним мікрохвильовим фоном. Це узгоджується з фундаментальним принципом як класичної, так і квантової фізики: стан системи в певний момент часу повинен, принаймні принципово, визначати її стан у будь-який інший момент часу.
Однак наслідки загальної теорії відносності для класичних чорних дір є проблематичними. Чорні діри можуть ставати дедалі масивнішими через поглинання матерії та світла, проте між ними не повинно існувати жодних відмінностей у квантовому складі. Якщо сингулярності мають нульовий об’єм, то чорні діри фактично не можуть зберігати квантову структуру.