Уравнения Максвелла раскрывают тайны черных дыр и пространства-времени

Гравитационные волны, представляющие собой колебания пространства-времени, несущие энергию и возникающие при ускоренном движении массивных объектов, с момента их первого прямого детектирования в 2015 году стали ключевым инструментом для изучения фундаментальных сил природы. Они рождаются в ходе катастрофических космологических событий, таких как слияния двойных черных дыр, и их анализ позволяет углубить понимание гравитации, которая в рамках общей теории относительности Эйнштейна интерпретируется не как сила в ньютоновском смысле, а как следствие искривления пространства-времени под воздействием массы и энергии. Особый интерес для физиков представляют условия сильного гравитационного поля, где гравитация проявляет нелинейные свойства, и исследование этих свойств является критически важным для проверки и возможного пересмотра существующих теорий.

В этом контексте группа исследователей из Калифорний технологического института предложила принципиально новый подход к моделированию гравитации. В своей работе, опубликованной в журнале Physical Review Letters, они отказались от традиционного прямого использования уравнений общей теории относительности и вместо этого применили математический аппарат, обычно зарезервированный для электромагнетизма, — уравнения Максвелла.

Как пояснил старший автор статьи Элиас Р. Мост, данное исследование было мотивировано двумя факторами. Во-первых, у команды уже был обширный опыт успешного моделирования динамики обычных электрических и магнитных полей в окрестностях компактных объектов, таких как черные дыры, что позволило им хорошо понять и визуализировать их поведение. Во-вторых, гравитация в ее стандартной формулировке часто оказывается чрезвычайно сложной для интуитивного представления и анализа, особенно в аспектах, которые можно было бы уподобить магнитным явлениям.

Исследователи исходили из гипотезы, что гравитационное взаимодействие в определенных аспектах может быть описано аналогично электромагнитным полям. Они разработали методологию, которая позволяет переосмыслить данные, полученные в результате сложных компьютерных симуляций общей теории относительности, которые разрабатывались научным сообществом на протяжении последних пятидесяти лет. Ключевым нововведением стала не сама симуляция, а интерпретация ее результатов через призму электродинамики. Ученые вывели специальные выражения, которые позволили им на основе стандартных данных релятивистских моделей рассчитать условные «гравитационные» электрическое и магнитное поля.

Результаты этого моделирования подтвердили состоятельность подхода. Оказалось, что динамику гравитации, описываемую общей теорией относительности, действительно можно эффективно изучать с помощью формализма, родственного уравнениям Максвелла. Этот метод уже позволил получить новую интерпретацию движения частиц в искривленном пространстве-времени и, что особенно важно, более четко выявить и локализовать проявления нелинейности гравитации, которые доминируют в условиях чрезвычайно сильных полей, например, при слияниях черных дыр.

Одним из наиболее нетривиальных открытий, сделанных с помощью этого подхода, стала демонстрация того, что гравитационные волны могут проявлять свойства, аналогичные турбулентности. В отличие от света, гравитационные волны при определенных условиях могут взаимодействовать, проходя друг через друга. Это взаимодействие, которое сложно описать математически в рамках традиционных гравитационных моделей, оказалось подчиняющимся тем же математическим формулам, что и хорошо изученная турбулентность в магнитогидродинамике. Это открывает новые перспективы для анализа нелинейной динамики гравитационных волн.

В перспективе данная работа закладывает основу для новых направлений исследований. Она предлагает мощный инструментарий для проверки пределов применимости общей теории относительности и для детального изучения нелинейных гравитационных эффектов. Команда ученых планирует в ближайшие месяцы продолжить исследование, сфокусировавшись именно на турбулентных аспектах гравитационных волн, используя установленные параллели с электродинамикой для проникновения в суть одного из самых загадочных проявлений гравитации.