Замороженная геометрия: физики обнаружили, что гравитация подчиняется правилам магнитных полей

Исследователи Фелипе А. Асенхо и Лука Комиссо из Университета Адольфо Ибаньеса в Чили совместно с Колумбийским университетом обнаружили фундаментальные топологические ограничения, управляющие эволюцией пространства-времени. В своей работе, опубликованной в журнале Physical Review Letters, они показали, что структуры гравитационного поля сохраняются подобно линиям магнитного поля в электропроводящих жидкостях, что открывает новый взгляд на динамику черных дыр, гравитационных волн и эволюцию Вселенной.

Концепция пространства-времени как четырехмерного континуума, объединяющего три пространственных измерения с одним временным, была впервые описана в общей теории относительности Эйнштейна. С тех пор физики по всему миру исследуют этот динамический континуум, эволюция которого подчиняется сложным уравнениям поля Эйнштейна, связывающим материю и энергию с геометрией пространства-времени.

Несмотря на многочисленные теоретические исследования, выявление закономерностей, сохраняющихся в процессе эволюции пространства-времени, долгое время оставалось сложной задачей. Группа исследователей под руководством Фелипе А. Асенхо и Луки Комиссо подошла к этой проблеме с неожиданной стороны, применив идеи из нелинейной электродинамики — области физики, изучающей поведение электрических и магнитных полей в сложных материалах.

Их предыдущие совместные работы были посвящены динамике релятивистской плазмы, где они продемонстрировали, что топологические структуры магнитного поля и других жидкоподобных величин сохраняются в искривленных пространствах-временах. Вдохновляющим импульсом послужил коллоквиум Кипа Торна в Колумбийском университете, на котором обсуждались аналогии между гравитацией и движением жидкости.

Исследователи переписали стандартные уравнения поля Эйнштейна в форме, математически аналогичной уравнениям, описывающим электропроводящие жидкости. Это позволило им применить ту же процедуру, которая демонстрирует сохранение связности линий магнитного поля в плазме при выполнении закона Ома, для анализа гравитационного поля. В результате они показали, что при выполнении идеального условия, похожего на закон Ома, определенные геометрические структуры гравитационного поля остаются «вмороженными» в динамику пространства-времени.

Теоретическая модель предполагает существование стабильных и структурированных «сил поля», которые остаются связанными по мере эволюции континуума. Сохраняющийся гравитационный поток накладывает жесткие топологические ограничения на эволюцию пространства-времени, включая такие инварианты, как гравитационная спиральность. Под «топологическими ограничениями» здесь понимаются правила, связанные со свойствами геометрических объектов при их деформациях (растяжении, изгибе), которые остаются неизменными независимо от конкретной динамики. Эти правила могут лежать в основе общей нелинейной динамики пространства-времени, а их возможное нарушение при определенных условиях также может быть изучено в рамках предложенного подхода.

Исследователи полагают, что их работа открывает интересный способ понимания эволюции всей нелинейной динамики искривленных пространств-времен. В будущем эта теоретическая основа может быть применена к изучению сложных гравитационных систем, включая вращающиеся черные дыры, источники гравитационных волн и эволюцию космоса. Выявленные фундаментальные правила действуют как встроенные ограничения самой гравитации, помогая предсказывать поведение экстремальных систем, когда гравитация становится очень сильной.

Особое значение этот подход может иметь для улучшения компьютерных моделей, используемых при анализе данных гравитационно-волновых детекторов LIGO, Virgo и KAGRA, а также для подготовки к миссии космического детектора LISA, запуск которого запланирован на 2035 год. В дальнейших исследованиях ученые планируют изучить, в какой степени другие явления, наблюдаемые в плазме (например, пересоединение магнитных линий), могут иметь аналоги в невакуумном пространстве-времени.

В результата ученые теоретически доказали, что эволюция пространства-времени подчиняется топологическим законам сохранения, аналогичным законам для линий магнитного поля в электропроводящих жидкостях. Это открытие выявляет универсальные гравитационные инварианты, такие как гравитационная спиральность, которые накладывают жесткие ограничения на динамику искривленного пространства-времени и открывают новый математический аппарат для изучения черных дыр, гравитационных волн и эволюции Вселенной.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях