Когда пространство-время кристаллизуется, рождается черная дыра

Фото из открытых источников

Давно известно, что вода замерзает. При нулевой температуре беспорядочный хаос молекул жидкости внезапно превращается в правильный, повторяющийся узор в виде кристалла льда в результате процесса, который физики называют фазовым переходом. Это одно из самых известных явлений в природе. Гораздо менее известна идея о том, что пространство и время могут делать то же самое, и когда это происходит, возникает не лед, а черная дыра.

Может показаться, что это так, но это не научная фантастика, это вывод нового исследования, опубликованного в журнале Physical Review Letters учеными из Венского технического университета и Франкфуртского университета имени Гёте. Впервые они вывели точную математическую формулу, описывающую один из этих странных теоретических объектов в физике, известный как кристалл пространства-времени.

Черные дыры, как их понимает большинство людей, образуются в результате бурного процесса. Массивная звезда исчерпывает топливо, ее ядро коллапсирует под действием собственной гравитации, и в результате образуется объект настолько плотный, что даже свет не может из него вырваться. Но теория относительности Эйнштейна допускает нечто гораздо более тонкое, а именно микроскопические черные дыры. Они возникают не в результате катастрофического коллапса, а из тонкого критического состояния, момента идеального равновесия, в котором пространство-время организуется в структурированный, повторяющийся узор, прежде чем, с добавлением мельчайшего количества энергии, превратиться в черную дыру.

Представьте, что вы держите воду при температуре ровно ноль градусов, прямо на границе между жидкостью и твердым веществом. В этом критическом состоянии малейшее движение определяет всё. На долю градуса холоднее — и вы получите лед, на долю градуса теплее — и вы получите воду, и пространственно-временной кристалл находится именно на этой границе. Если его оставить в покое, он растворится обратно в обычное пространство-время. Добавьте малейшее количество энергии, и вся структура коллапсирует в черную дыру. Процесс, который её создает, называется критическим коллапсом, и это одно из самых интригующих явлений в теоретической физике.

«Наша методика оказалась удивительно стабильной. Это дает нам новый способ изучения явлений, связанных с черными дырами, которые ранее нельзя было анализировать аналитически», — говорит Флориан Экер из Венского технического университета.

Компьютерное моделирование еще в 1993 году предполагало возможность этого, но за тридцать лет никому не удалось описать это точной математической формулой. Уравнения оказались довольно сложными, пока команда из Вены и Франкфурта не нашла способ, который никто раньше не пробовал.

Вместо того чтобы решать проблему в привычных нам четырех измерениях пространства и времени, они решили ее в бесконечном множестве измерений! Подождите, что?? Это звучит так, будто должно усложнить задачу, но, что удивительно, на самом деле делает ее проще. В пределе бесконечного множества измерений некоторые математические сложности, делающие задачу неразрешимой в четырех измерениях, просто исчезают. Как только решение существует в бесконечном множестве измерений, его можно аккуратно перенести обратно во вселенную, в которой мы на самом деле живем.