Тайна «кристалла пространства-времени»: найдена формула его превращения в черную дыру

Группа физиков под руководством профессора Даниэля Грумиллера из Венского технического университета, а также исследователи Кристиан Эккер и Флориан Экер из Франкфуртского университета имени Гёте, обнаружили математическую формулу, описывающую образование «кристаллов пространства-времени» и их последующее превращение в черные дыры. Результаты этого теоретического исследования, которое позволяет по-новому взглянуть на природу гравитационного коллапса, были опубликованы в научном журнале Physical Review Letters.

Общая теория относительности Эйнштейна описывает гравитацию как искривление пространства и времени под действием массы. В то время как привычные нам черные дыры рождаются в результате коллапса массивных звезд, теория допускает существование куда более экзотических и микроскопических версий этих объектов. Эти гипотетические черные дыры могли возникать в хаотичной ранней Вселенной, вскоре после Большого взрыва, из так называемых критических состояний материи.

Ученые из Австрии и Германии сосредоточились на изучении явления, известного как критический коллапс. По своей сути он напоминает фазовый переход, например, замерзание воды. Достаточно небольшого изменения температуры, и жидкая вода, молекулы которой движутся беспорядочно, превращается в лед с его строгой кристаллической решеткой.

Аналогичным образом, при определенных условиях само искривление пространства-времени может спонтанно организоваться в правильную, повторяющуюся структуру, которую физики образно называют «кристаллом пространства-времени».

Этот кристалл представляет собой крайне нестабильное промежуточное состояние. Он находится на грани: малейшее добавление энергии способно направить эволюцию системы по двум совершенно разным путям.

В первом случае структура просто «тает», возвращаясь в состояние обычного пространства с хаотично движущимися частицами. Во втором случае, при добавлении ничтожной доли энергии, этот эфемерный кристалл необратимо схлопывается, порождая черную дыру.

Хотя подобное поведение было предсказано компьютерным моделированием еще в 1993 году, математически описать его долгое время не удавалось из-за чрезвычайной сложности уравнений Эйнштейна в привычном для нас четырехмерном пространстве-времени.

Чтобы обойти эту проблему, исследователи применили остроумный математический прием. Они рассмотрели поведение пространства-времени не в четырех, а в гипотетическом мире с бесконечным числом измерений. Как ни парадоксально, при стремлении числа измерений к бесконечности многие сложные уравнения искажения пространства-времени значительно упрощаются, что позволяет получить точные аналитические решения.

После того как формула была выведена для абстрактной бесконечномерной вселенной, команда разработала метод последовательного переноса этого решения обратно, в нашу реальную четырехмерную вселенную, используя систематические приближения. Это позволило впервые описать критический коллапс не с помощью численного моделирования, а строгой математической формулой, выведенной «на бумаге».

В результате работа физиков предоставила новый мощный аналитический инструмент для изучения экстремальных гравитационных явлений. Полученная формула не только подтверждает старую гипотезу о возможности рождения микроскопических черных дыр из «кристаллов пространства-времени», но и открывает путь к аналитическому описанию процессов, которые ранее можно было изучать только с помощью сложного компьютерного моделирования. Это существенно приближает теоретическую физику к пониманию того, как могли возникать первичные черные дыры на заре существования Вселенной.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях