RW Space

На пороге образования черной дыры пространство-время может стать совершенно необычным.

Именно здесь привычная физика может стать пугающе странной, а понимание того, как происходят космические процессы, часто требует более эзотерической математики и творческих решений.

Теперь физики впервые математически описали причуду геометрии пространства-времени на пороге образования черной дыры.

Здесь может возникнуть искривление самого пространства-времени.

в высокоупорядоченное повторяющееся состояние, напоминающее так называемые «кристаллы времени», экзотические состояния материи, которые повторяют атомные структуры во времени.

И здесь все становится еще страшнее. Всего лишь малейший толчок энергии, и эти кристаллоподобные структуры пространства-времени могут превратиться в микроскопические черные дыры.

«Иногда крошечной, казалось бы, незначительной причины достаточно, чтобы вызвать огромные и драматические изменения», — говорит физик Даниэль Грюмиллер из Венского технического университета в Австрии.

«Возьмем, к примеру, жидкую воду при температуре ноль градусов Цельсия. Достаточно очень небольшого изменения, чтобы вода замерзла. Молекулы воды затем самопроизвольно выстраиваются в регулярную структуру и образуют кристаллы льда».

На протяжении большей части Вселенная, физика ведет себя прекрасно. Общая теория относительности Эйнштейна описывает гравитацию с поразительной точностью — от планетарных орбит до сталкивающихся галактик.

Но на пороге образования черной дыры (известном как критический коллапс) гравитация становится настолько жесткой, что уравнения Эйнштейна становится практически невозможными для аналитического решения, что вынуждает физиков в значительной степени полагаться на компьютерное моделирование.

Этот порог описывает деликатный режим, в котором гравитация балансирует прямо на краю черной дыры. формирование. Это может произойти в любом случае: рассеиваться без происшествий или полностью схлопываться в черную дыру.

В 1993 году физик-теоретик Мэтью Чоптуйк совершил крупный прорыв.

С помощью компьютерного моделирования Чоптуйк обнаружил, что критическое состояние на пороге образования черной дыры демонстрирует так называемое дискретное самоподобие: повторяющиеся закономерности, которые эхом отражаются в пространстве-времени во все меньших и меньших масштабах.

«Этот кристалл пространства-времени представляет собой очень своеобразный и захватывающий объект», — говорит Грюмиллер.

«Это своего рода промежуточное состояние, нестабильная точка, которая может развиваться в двух разных направлениях. Он может просто снова раствориться, оставив после себя обычное пространство-время, наполненное свободно движущимися частицами.

«Но если добавить крошечное количество энергии, эволюция пойдет по совершенно другому пути: незаметный кристалл пространства-времени превращается в черную дыру».

За три десятилетия, прошедшие после новаторской работы Чоптуика, физики могли изучать эти кристаллы пространства-времени только вычислительно; из-за сложности решения уравнений Эйнштейна на критическом пороге коллапса никто не разработал математику для их описания.

Хитрость, как обнаружили Грумиллер и его коллеги, заключалась в том, чтобы мыслить за пределами относительно стандартных четырех измерений обычного пространство-время.

В нашей Вселенной пространство-время имеет три пространственных измерения и одно временное. Однако математически общая теория относительности может быть записана для любого количества измерений.

Исследователи подошли к проблеме с мышлением: что, если мы представим Вселенную с гораздо большим количеством измерений?

«Наша Вселенная имеет четыре измерения — три измерения пространства и одно измерение времени», — говорит физик Кристиан Экер из Института теоретической физики в Институте теоретической физики. Университет Гете во Франкфурте в Германии.

«Но в принципе ничто не мешает нам записывать физические уравнения для большего числа измерений — пяти измерений, сорока двух измерений или даже бесконечно многих».

Как бы странно это ни звучало, представление о том, что Вселенная имеет огромное количество измерений, на самом деле может облегчить решение уравнений Эйнштейна: гравитация становится менее растянутой и более локально концентрированной вблизи коллапсирующей области.

Представляя Вселенную, состоящую из В сотнях измерений исследователи смогли вывести аналитические формулы, которые на самом деле описывают повторяющиеся фрактальные структуры кривизны пространства-времени, которые спонтанно возникают во время коллапса черной дыры.

Уравнения работали не только в абсурдно многомерных вселенных.

Исследователи обнаружили, что одни и те же математические структуры сохраняются даже в гораздо более низких измерениях, предполагая, что эти причудливые кристаллоподобные состояния могут отражать что-то фундаментальное в гравитации.

По теме: Ученые открыли кристалл времени, открывающий новый способ упорядочения времени

Вселенная может содержать, а может и не содержать сотни скрытых измерений. Но представив, что это так, учёные могут получить представление о гравитационном вреде, который разворачивается в экстремальных режимах и в противном случае его было бы чрезвычайно трудно понять.

«Наша методика оказывается удивительно стабильной. В зависимости от желаемой точности мы можем систематически улучшать наши формулы, используя дополнительные методы аппроксимации», — говорит физик Флориан Эккер из Венского технического университета.

«Это дает нам новый метод изучения явлений, связанных с черными дырами, которые ранее невозможно было проанализировать аналитически».

Результаты были опубликованы в журнале Physical Review Letters.