Физики описали кристаллы пространства-времени, способные схлопнуться в черные дыры
Физики-теоретики вывели формулу, описывающую странное явление: пространство и время могут образовывать что-то вроде кристалла, способного схлопнуться в крошечную черную дыру. Расчеты исследователей приведены в журнале Physical Review Letters.
Как правило, черные дыры образуются в результате масштабных событий, например гибели массивной звезды. Однако в теории возможны и сколь угодно малые черные дыры — крошечные микроскопические объекты, возникающие из особых критических состояний при малейшем добавлении энергии. Такие состояния могли существовать вскоре после Большого взрыва, когда Вселенная была еще хаотической смесью частиц, — тогда они могли бы дать начало так называемым первичным черным дырам.
Сама теоретическая возможность существования подобных критических структур была продемонстрирована еще в компьютерных симуляциях. Теперь же исследователям удалось подтвердить эти результаты математической формулой — используя, по сути, лишь бумагу и карандаш.
Критический коллапс
«Иногда достаточно ничтожной, на первый взгляд незначительной причины, чтобы спровоцировать огромное и драматическое изменение. Возьмем, к примеру, жидкую воду при нуле градусов Цельсия. Малейшего изменения достаточно, чтобы она замерзла. При этом молекулы воды самопроизвольно выстраиваются в правильную структуру и образуют кристалл льда», — говорит профессор Даниэль Грумиллер из Венского технического университета.
Согласно теории относительности Альберта Эйнштейна, нечто очень похожее может происходить и с пространством-временем. Всякий раз, когда частицы перемещаются из одной точки в другую, они влияют на само пространство-время. «Мы говорим, что масса искривляет пространство-время. Крупные объекты сильно искривляют пространство-время — это видно, например, по отклонению лучей света вблизи массивных звезд. Но и меньшие массы тоже порождают искривление, просто в меньшей степени», — объясняет Кристиан Экер из Института теоретической физики Франкфуртского университета.
Подобно тому, как физика позволяет молекулам воды формировать из беспорядочной жидкости упорядоченный кристалл, теория относительности позволяет кривизне пространства-времени самоорганизоваться в регулярную структуру — периодический узор в пространстве и времени. Возникает своего рода «кристалл пространства-времени». Процесс, который приводит к такому состоянию, называется критическим коллапсом.
«Этот кристалл пространства-времени — крайне своеобразный и любопытный объект. Некое промежуточное состояние, неустойчивая точка, которая может развиваться двумя разными путями. Кристалл может просто раствориться вновь, оставив после себя обычное пространство-время, заполненное свободно движущимися частицами. Но если добавить немного энергии, эволюция пойдет по совершенно другому пути — неприметный кристалл пространства-времени превращается в черную дыру», — рассказывает Грумиллер.
Подтверждение старой гипотезы
Еще в 1993 году компьютерные симуляции подтвердили возможность спонтанного образования черных дыр таким путем. С тех пор физики пытались описать этот процесс математически и вывести корректные формулы — но это оказалось чрезвычайно сложно. Авторы решили проблему с помощью хитрого приема.
«В нашей Вселенной четыре измерения — три пространственных и одно временное. Но ничего не мешает нам записать физические уравнения для большего числа измерений — пяти, сорока двух или даже бесконечного множества», — замечает Экер.
Логично было бы ожидать, что теория при этом станет куда сложнее, но это не обязательно так — оказалось, в пределе бесконечного числа измерений некоторые чрезвычайно сложные вопросы становятся неожиданно простыми. Следующий шаг — проверить, можно ли привести полученное решение к меньшему числу измерений. Таким образом, исследователям удалось понять нашу четырехмерную Вселенную, сделав «крюк» через гипотетическую вселенную с бесконечным числом измерений.
«Наша методика оказалась на удивление устойчивой. В зависимости от желаемой точности мы можем систематически улучшать наши формулы с помощью дополнительных приближенных методов. Это дает нам новый способ изучения явлений, связанных с черными дырами, которые ранее нельзя было проанализировать аналитически», — добавил Флориан Экер из Венского технического университета.
