Добавить новость
ru24.net
News in English
Ноябрь
2024

Naked singularities: how quantum black holes explain why we don’t see the end of space and time

0
Vadim Sadovski/Shutterstock

Albert Einstein’s theory of gravity, general relativity, is famously incomplete. As proven by physics Nobel laureate Roger Penrose, when matter collapses under its own gravitational pull, the result is a “singularity” – a point of infinite density or curvature.

At a singularity, space, time and matter are crushed and stretched into nonexistence. The laws of physics as we know them suffer a complete breakdown. If we could observe singularities, our physical theories couldn’t be used to predict the future from the past. In other words, science would become an impossibility.

Penrose also realised nature may hold a remedy for this fate – black holes. A defining feature of a black hole is its event horizon, a one-way membrane in space-time. Objects – including light – that cross the event horizon can never leave due to the black hole’s incredibly strong gravitational pull.

In all the known mathematical descriptions of black holes, singularities are present in their core. Penrose postulated that all the singularities of gravitational collapse are “clothed” by the event horizons of black holes – meaning we could never observe one. With the singularity inside the event horizon, physics in the rest of the universe is business as usual.

This conjecture of Penrose, that there are no “naked” singularities, is called cosmic censorship. After half a century, it remains unproven and one of the most important open problems in mathematical physics. At the same time, finding examples of instances where the conjecture doesn’t hold up has proven equally difficult.

In recent work, published in Physical Review Letters, we showed that quantum mechanics, which rules the microcosmos of particles and atoms, supports cosmic censorship.

Black holes

Black holes are influenced by quantum mechanics to some extent, but such influence is normally ignored by physicists. For example, Penrose excluded these effects in his work, as did the theory that enabled scientists to measure ripples in space-time called gravitational waves from black holes.

When they are included, scientists call the black holes “quantum black holes”. These have long provided a further mystery, as we don’t know how Penrose’s conjecture works in the quantum realm.

A model where both matter and space-time obey quantum mechanics is often considered the fundamental description of nature. This could be a “theory of everything” or a theory of “quantum gravity”. Despite tremendous effort, an experimentally verified theory of quantum gravity remains elusive.

It is widely expected that any viable theory of quantum gravity should resolve the singularities present in the classical theory – potentially showing they are simply an artefact of an incomplete description. So it’s reasonable to expect quantum effects should not make the problem of whether we could ever observe a singularity worse.

That’s because Penrose’s singularity theorem makes certain assumptions about the nature of matter, namely that the matter in the universe always has positive energy. However, such assumptions can be violated quantum mechanically – we know that negative energy can exist in the quantum realm in small amounts (called the Casimir effect).

Without a fully fledged theory of quantum gravity, it is difficult to address these questions. But progress can be made by considering “semi-classical” or “partially-quantum” gravity, where space-time obeys general relativity but matter is described with quantum mechanics.

Though the defining equations of semi-classical gravity are known, solving them is another story entirely. Compared to the classical case, our understanding of quantum black holes is much less complete.

From what we do know of quantum black holes, they also develop singularities. But we expect a suitable generalisation of classical cosmic censorship, namely, quantum cosmic censorship, should exist in semi-classical gravity.

Developing quantum cosmic censorship

So far, there is not an established formulation of quantum cosmic censorship, though there are some clues. In some cases, a naked singularity can become modified by quantum effects to shroud the singularities; they become quantum dressed. That’s because quantum mechanics plays a role in the event horizon.

First ever image of black hole. Event Horizon Telescope/Wiki Commons, CC BY-SA

The first such example was presented by physicists Roberto Emparan, Alessandro Fabbri and Nemanja Kaloper in 2002. Now, all known constructions of quantum black holes share this feature, suggesting a more rigorous formulation of quantum cosmic censorship exists.

Intimately linked to cosmic censorship is the Penrose inequality. This is a mathematical relationship that, assuming cosmic censorship, says the mass or energy of of space-time is related to the area of black hole horizons contained within it. Consequently, a violation of the Penrose inequality would strongly suggest a violation of cosmic censorship.

A quantum Penrose inequality could therefore be used to rigorously formulate quantum cosmic censorship. One team of researchers proposed such an inequality in 2019. While promising, their proposal is very difficult to test for quantum black holes in regimes where quantum effects are strong.

In our work, we discovered a quantum Penrose inequality that applies to all known examples of quantum black holes, even in the presence of strong quantum effects.

The quantum Penrose inequality limits the energy of space-time in terms of the total entropy – a statistical measure of a system’s disorder – of the black holes and quantum matter contained within it. This addition of quantum matter entropy ensures the quantum inequality is true even when the classical version breaks down (on quantum scales).

That the total energy of this system cannot be lower than the total entropy is also natural from the standpoint of thermodynamics. To prevent a violation of the second law of thermodynamics – that the total entropy never decreases.

When quantum matter is introduced, its entropy is added to the black hole’s, obeying a generalised second law. In other words, Penrose inequality can also be understood as bounds on entropy – exceed this bound, and the space-time develops naked singularities.

On logical grounds, it was not obvious that all known quantum black holes would satisfy the same, universal inequality, but we showed they do.

Our result is not a proof of a quantum Penrose inequality. But that such a result holds in the quantum domain as well as the classical one strengthens it. While space and time may end at singularities, quantum mechanics screen this fate from us.

Andrew Svesko receives funding the United Kingdom Research and Innovation (UKRI) via the Science and Technology Facilities Council (STFC) grant ST/X000753/1.

Antonia Micol Frassino receives funding from EU Horizon 2020 Research and Innovation Programme under the Marie Sklodowska-Curie Grant Agreement no. 101149470.

Juan F. Pedraza receives funding from the ‘Atracción de Talento’ program (Comunidad de Madrid) grant 2020-T1/TIC-20495 and from the Spanish Research Agency via grants CEX2020-001007-S and PID2021-123017NB-I00.

Robie Hennigar receives funding from “la Caixa” Foundation (ID 100010434) and European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under the Marie Sklodowska-Curie grant agreement No 847648 under fellowship code LCF/BQ/PI21/11830027.




Moscow.media
Частные объявления сегодня





Rss.plus



В Подмосковье росгвардейцы пришли на помощь пострадавшим в результате ДТП

В Подмосковье росгвардейцы пришли на помощь пострадавшим в результате ДТП

В Солнечногорске сотрудники Росгвардии почтили память коллег, погибших при исполнении служебного долга

В Подмосковье сотрудники Росгвардии задержали гражданку, находившуюся в федеральном розыске


Менеджер Песни. Менеджер Релиза Песни.

Волшебная новогодняя ночь для гостей Marins Park Hotel Нижний Новгород

Сеть клиник «Будь Здоров» запустила медицинского GPT-ассистента

Как Майли Сайрус нашла баланс между жизнью и карьерой?


The Evolution of Graphic Design: What Today’s Designers Offer

Lucas County Dogs for Adoption: 11/28

What to know before Stanford visits SJSU for Bill Walsh Legacy Game

Derek Chisora unveils plan for shock career change once he’s retired from boxing – but plans dream 50TH fight first


В Орле пешеход попал под колеса автобуса, перебегая дорогу в неположенном месте

Хотите встретить Новый год за границей? Есть бюджетные варианты

На Мытищинской хорде в Подмосковье построили 800-метровый путепровод

Алексей Тузов для Известий: Эксперт спрогнозировал рост цен на авто из-за увеличения утилизационного сбора


Plug In Digital перевыпустит Serial Cleaner на iOS и Android

The best-selling graphics card deals on Amazon right now, and which we recommend

Meet weird avians, save a kidnapped goddess, and explore a gorgeous lantern world inspired by Persian art in this very funny new indie adventure game

Riot is flexing its anticheat Vanguard by placing a bounty of up to $100,000 for anyone brilliant enough to find and report gaps in the system


Секретар Миколаївської міськради у робочий час у нетверезому стані рекламував свій бізнес


Алексей Тузов для Известий: Эксперт спрогнозировал рост цен на авто из-за увеличения утилизационного сбора

Водитель Mitsubishi насмерть сбил женщину на севере Москвы

Алексей Тузов для РБК Autonews:В России возник дефицит оригинальных запчастей

Time to Cashmere




Предвкушение волшебства: как Москву украшают к Новому году

Филиал № 4 ОСФР по Москве и Московской области напоминает: С начала года сотрудники контакт-центра Отделения СФР по Москве и Московской области проконсультировали более 880 тысяч граждан

Филиал № 4 ОСФР по Москве и Московской области информирует: Отделение СФР по Москве и Московской области оплатило свыше 243 тысяч дополнительных выходных дней по уходу за детьми с инвалидностью

Куда пропала "поэтесса-вундеркинд" Ника Турбина: Ранняя слава, подозрения в подлоге и трагический итог


Предвкушение волшебства: как Москву украшают к Новому году

Свыше 200 миллионов рублей фигурируют в деле экс-замминистра транспорта Семенова

Социальный фонд России объяснил, нужно ли менять старые СНИЛС 

Антиправительственные войска в Сирии захватили провинцию Идлиб


Шнайдер: договорились с Андреевой играть весь сезон вместе на ТБШ и WTA 1000

Кафельников назвал позором допинговые скандалы ведущих теннисистов

Джокович объяснил, почему выбрал Энди Маррея своим тренером

Стало известно место Рыбакиной в рейтинге лидеров WTA по призовым за сезон


Из пункта М в пункт П // «Ъ» напоминает, сколько времени уходило в разные времена на дорогу из Москвы в Петербург по воде, по земле и по воздуху

Алексей Тузов для Известий: Эксперт спрогнозировал рост цен на авто из-за увеличения утилизационного сбора

Столичные клубы закрыли после рейдов силовиков

В Ярославле дали прогноз погоды на новогоднюю ночь


Музыкальные новости

Милонов назвал бессовестной цену на билеты в Большой театр

Жители Екатеринбурга предложили проверить Филиппа Киркорова на ВИЧ

Как Дженнифер Лопес, Селена Гомес, Кейт Бекинсейл и другие отпраздновали День благодарения

Ольга Бузова, Ляйсан Утяшева, Михаил Галустян и другие на презентации нового сезона ТНТ



Замдиректора Росгвардии вручил медали победителям соревнований по самбо в Москве

Из пункта М в пункт П // «Ъ» напоминает, сколько времени уходило в разные времена на дорогу из Москвы в Петербург по воде, по земле и по воздуху

Алексей Тузов для РБК Autonews:В России возник дефицит оригинальных запчастей

Алексей Тузов для Известий: Эксперт спрогнозировал рост цен на авто из-за увеличения утилизационного сбора


В Подмосковье сотрудники Росгвардии задержали гражданку, находившуюся в федеральном розыске

Новогодний хит! от MYAKESH Слушайте «Новогоднюю»!

В Республике Татарстан пройдет региональный отборочный тур фестиваля детского творчества «Добрая волна»

Яндекс Лавка заработала в Узбекистане и Казахстане. Какие города ей уже там охвачены?


Алексей Тузов для Известий: Эксперт спрогнозировал рост цен на авто из-за увеличения утилизационного сбора

Водитель Mitsubishi насмерть сбил женщину на севере Москвы

Участника массовой драки на сочинской автомойке задержали в Москве. Им оказался мигрант из Армении.

Как подготовить машину к зиме


Посол Германии объяснил звонок Шольца Путину

Путин уточнил порядок прохождения контроля транспортных средств

Ядерный удар в ответ: Москва рассматривает новый опасный план - Sky News

Посол ФРГ назвал основную мысль Шольца в телефонном разговоре с Путиным





«Гнев врачуется временем»: зачем разводящимся супругам нужны три месяца на примирение

Российские разработчики покажут первую в РФ цифровую реанимацию

Онколог напомнил москвичам о важности проходить профилактические обследования ЖКТ

Больше всего в России вырос спрос на антидепрессанты в Москве и Петербурге


Βмecтο угля мοжeм тοпить муcοpοм – пapтия Зeлeнcκοгο пοдбaдpивaeт «гpοмaдян»


ЦСКА спас ничью в матче с "Рубином" в РПЛ, благодаря голу Лукина на 96-й минуте

Матвей Лукин: "ЦСКА не заслужил поражения, играли неплохо".

ЦСКА и "Рубин" огласили стартовые составы на матч 17-го тура РПЛ

Красавицы из Ульяновска завоевали гран-при конкурса «Топ-модель России-2024»


Сын Лукашенко рассказал, почему его называют главным оппозиционером в семье

Промышленность Беларуси и России выходит на новый уровень взаимодействия



Сергей Собянин. Главное за день

Собянин: Ежегодно реставрируется около 500 объектов культурного наследия

Собянин рассказал о памятниках архитектуры, которые реставрируют в Москве


Количество электромобилей в Москве может вырасти до 320 тыс к 2030 году

В Hybrid Platform появилась функция создания кастомных метрик

Состоялась внеочередная XXXI Конференция Якутского регионального отделения ЛДПР

Дерево с бородой растет в амурском лесничестве


Из пункта М в пункт П // «Ъ» напоминает, сколько времени уходило в разные времена на дорогу из Москвы в Петербург по воде, по земле и по воздуху

Элен Бадалян победила в шестом сезоне шоу «Ну-ка, все вместе!»

Антиправительственные войска в Сирии захватили провинцию Идлиб

В РФ отменяется пошлина на коксующийся уголь


В минстрое Поморья обсудили перспективы применения в регионе механизма комплексного развития территорий

Декабрь спрогнозировали россиянам синоптики

События Архангельской области признали лучшими в финале премии Russian Event Awards – 2024

В Архангельске определили чемпионов Поморья по настольному теннису


Россияне активно воруют масло из магазинов по всей стране

В России массово воруют масло: за неделю заведено около 50 дел

Названы ТОП 10 городов России по качеству жизни

«Жить стало лучше, жить стало веселее». Севастополь и Симферополь - в лидерах российского рейтинга по уровню жизни в 2024 году


В РФ отменяется пошлина на коксующийся уголь

Алексей Тузов для Известий: Эксперт спрогнозировал рост цен на авто из-за увеличения утилизационного сбора

Ученый раскрыл, в чем заключается главная проблема охраны Ладожского и Онежского озер

В Ярославле дали прогноз погоды на новогоднюю ночь












Спорт в России и мире

Новости спорта


Новости тенниса
ATP

Андреа Петкович заявила, что Синнера не включили в номинанты премии ATP из-за допинг-дела






Сколько стоит слетать из Якутска в Москву и Питер на Новый год

В Ярославле дали прогноз погоды на новогоднюю ночь

Свыше 200 миллионов рублей фигурируют в деле экс-замминистра транспорта Семенова

Социальный фонд России объяснил, нужно ли менять старые СНИЛС