Еще в 1993 году компьютерные симуляции показали, что на грани превращения в черную дыру ткань реальности может образовывать странную структуру, напоминающую пульсирующий кристалл. Спустя более 30 лет физикам из Австрии и Германии удалось впервые описать этот феномен аналитически — то есть математически строгими формулами. Правда, для этого им пришлось пойти на хитрость и вообразить Вселенную с бесконечным количеством измерений.
Обычно черные дыры ассоциируются со смертью сверхмассивных звезд, чье ядро коллапсирует под действием собственной гравитации. Однако Общая теория относительности Эйнштейна допускает существование черных дыр абсолютно любого размера. Микроскопические объекты такого рода не могут родиться из звезд, но вполне могли появиться вскоре после Большого взрыва, когда Вселенная представляла собой сверхплотный и хаотичный «бульон» из частиц.
Поддержать нас на Boosty
Поддержать нас на Дзен
Именно в таких экстремальных условиях пространство-время может достигать так называемых критических состояний.
Когда геометрия пространства-времени приближается к этому критическому порогу, она начинает вести себя подобно материи во время фазового перехода. Соавтор исследования Даниэль Грумиллер (Daniel Grumiller) сравнивает этот процесс с замерзанием воды. При нуле градусов крошечного возмущения достаточно, чтобы хаотично движущиеся молекулы воды мгновенно выстроились в строгую решетку ледяного кристалла.
Нечто подобное происходит и с гравитацией. В теории относительности любая масса искривляет пространство. Кристиан Эккер (Christian Ecker) напоминает, что крупные объекты делают это заметно (как в случае с гравитационным линзированием света вокруг галактик), но микроскопические массы делают то же самое, просто в меньших масштабах.
Если баланс массы и энергии оказывается идеальным, искривление самоорганизуется в регулярный повторяющийся узор — кристалл пространства-времени (физики называют это свойство дискретным самоподобием).
Такая структура балансирует на лезвии ножа. Это промежуточная и крайне нестабильная фаза: если система предоставлена сама себе, геометрия вскоре «растает», оставив обычное плоское пространство с разлетающимися частицами. Но стоит добавить в нее хотя бы каплю энергии, как развитие пойдет по совершенно другому сценарию. Неприметный пространственно-временной кристалл необратимо сколлапсирует в микроскопическую черную дыру.
Ученые знали об этом феномене (он известен как критический коллапс Чоптуика) со времен первых успешных вычислений на суперкомпьютерах в начале 1990-х. Но симуляция процесса — это не его математическое понимание. Три десятилетия теоретики пытались вывести точные уравнения, описывающие этот механизм на бумаге. Задача казалась нерешаемой из-за чудовищной сложности нелинейных уравнений Эйнштейна.
Команда из Вены и Франкфурта нашла элегантный математический обходной путь. Вместо того чтобы биться головой о четырехмерную стену (три пространственных измерения плюс одно временное), они устремили количество измерений во Вселенной к бесконечности.
«Ничто не мешает нам написать физические уравнения для пяти, сорока двух или бесконечного множества измерений», — констатирует Эккер.
Здравый смысл подсказывает, что бесконечное число измерений должно окончательно превратить уравнения в нерешаемую кашу, но в гравитационной физике сработал обратный принцип. В пределе большого числа измерений (large-D limit) сложнейшие уравнения парадоксальным образом упрощаются, многие переменные нивелируют друг друга. Именно в этой воображаемой бесконечномерной Вселенной исследователи наконец-то смогли вывести точную замкнутую аналитическую формулу критического коллапса. Вычислительные кластеры для этого не понадобились — хватило ручки и листа бумаги.
Математические трюки — это прекрасно, но жить нам приходится в четырехмерной реальности. К счастью, полученное решение оказалось поразительно устойчивым. Флориан Эккер (Florian Ecker) отмечает, что теперь, имея на руках идеальную математическую основу для бесконечности, физики могут использовать методы последовательных приближений, чтобы постепенно «спустить» эти уравнения обратно до нашей четырехмерной Вселенной.
Потенциально это дает теоретикам совершенно новый аналитический аппарат для изучения первичных черных дыр. Тех самых реликтовых объектов, которые могли массово появляться из «кристаллов пространства-времени» на заре времен и которые сегодня считаются одними из главных кандидатов на роль неуловимой темной материи.
Поддержать нас на Boosty
Поддержать нас на Дзен
Читайте также: Квантовая связь и черная дыра: что будет, если бросить за горизонт событий одну из запутанных частиц?
Комментировать можно ниже в разделе “Добавить комментарий”.