Våra första glimtar av fysiken som finns nära mitten av ett svart hål görs möjliga med hjälp av "loopkvantgravitation" - en teori som använder kvantmekanik för att utöka gravitationsfysiken bortom Einsteins allmänna relativitetsteori. Slinga kvantgravitation, har sitt ursprung i Penn State och utvecklades därefter av ett stort antal forskare över hela världen, öppnar upp ett nytt paradigm inom modern fysik. Teorin har dykt upp som en ledande kandidat för att analysera extrema kosmologiska och astrofysiska fenomen i delar av universum, som svarta hål, där ekvationerna för allmän relativitet upphör att vara användbara.

Tidigare arbete i loop-kvantgravitation som var mycket inflytelserik inom området analyserade Big Bangs kvantnatur, och nu utvidgar två nya artiklar av Abhay Ashtekar och Javier Olmedo vid Penn State och Parampreet Singh vid Louisiana State University dessa resultat till svarta håls interiörer. Tidningarna visas som "Redaktörsförslag" i tidskrifterna Fysiska granskningsbrev och fysisk granskning den 10 december, 2018 och uppmärksammades också i en Viewpoint-artikel i tidskriften Fysik .

"Den bästa teorin om gravitation som vi har idag är generell relativitet, men det har begränsningar, sa Ashtekar, Evan Pugh professor i fysik, innehavare av Eberly Family Chair in Physics, och chef för Penn State Institute for Gravitation and the Cosmos. "Till exempel, generell relativitetsteori förutspår att det finns platser i universum där gravitationen blir oändlig och rum-tiden helt enkelt tar slut. Vi hänvisar till dessa platser som "singulariteter". Men till och med Einstein höll med om att denna begränsning av allmän relativitet är ett resultat av det faktum att den ignorerar kvantmekaniken."

I mitten av ett svart hål är gravitationen så stark att enligt den allmänna relativitetsteorien, rum-tid blir så extremt krökt att krökningen till slut blir oändlig. Detta resulterar i att rumtiden har en taggig kant, bortom vilken fysiken inte längre existerar - singulariteten. Ett annat exempel på en singularitet är Big Bang. Att fråga vad som hände före Big Bang är en meningslös fråga i allmän relativitetsteori, eftersom rum-tiden tar slut, och det finns inget innan. Men modifieringar av Einsteins ekvationer som inkorporerade kvantmekanik genom loopkvantgravitation gjorde det möjligt för forskare att utöka fysiken bortom Big Bang och göra nya förutsägelser. De två senaste tidningarna har åstadkommit samma sak för det svarta hålets singularitet.

"Grunden för loop-kvantgravitationen är Einsteins upptäckt att rum-tidens geometri inte bara är ett skede där kosmologiska händelser utspelas, men det är i sig en fysisk enhet som kan böjas, ", sa Ashtekar. "Som en fysisk varelse består rum-tidens geometri av några grundläggande enheter, precis som materia är uppbyggd av atomer. Dessa geometrienheter - kallade "kvantexcitationer" - är storleksordningar mindre än vi kan upptäcka med dagens teknik, men vi har exakta kvantekvationer som förutsäger deras beteende, och en av de bästa platserna att leta efter deras effekter är i mitten av ett svart hål." Enligt allmän relativitetsteori, i mitten av ett svart hål blir gravitationen oändlig så allt som går in, inklusive den information som behövs för fysiska beräkningar, Är försvunnen. Detta leder till den berömda "informationsparadoxen" som teoretiska fysiker har brottats med i över 40 år. Dock, kvantkorrigeringarna av slingkvantgravitationen tillåter en frånstötande kraft som kan överväldiga även den starkaste dragningen av klassisk gravitation och därför kan fysiken fortsätta att existera. Detta öppnar en väg för att visa i detalj att det inte finns någon förlust av information i mitten av ett svarthål, som forskarna nu driver.

Intressant, även om slingkvantgravitationen fortsätter att fungera där den allmänna relativitetsteorien går sönder – svarta håls singulariteter, Big Bang – dess förutsägelser överensstämmer med den allmänna relativitetsteorien ganska exakt under mindre extrema omständigheter bort från singulariteten. "Det är mycket icke-trivialt att uppnå båda, sa Singh, docent i fysik vid Louisiana State. "Verkligen, ett antal utredare har undersökt det svarta hålets singularitets kvanta natur under det senaste decenniet, men antingen segrade singulariteten eller mekanismerna som löste den utlöste onaturliga effekter. Vårt nya arbete är fritt från alla sådana begränsningar."