|
Кристаллы пространства и времени
|
|
|
|
Команда из Вены и Франкфурта нашла формулу, описывающую странное явление: пространство и время могут образовывать своего рода "кристалл", который может превратиться в черную дыру. Результаты описаны в Physical Review Letters.
|
|
|
|
Наряду со знаменитыми гигантскими черными дырами, физика допускает и микроскопические версии. Они возникают из так называемых критических состояний, когда пространство-время самоорганизуется в правильную кристаллическую структуру в ходе процесса, известного как критический коллапс. Команде из Франкфуртского университета имени Гете и Венского технического университета впервые удалось описать это явление точной математической формулой, используя необычный математический трюк.
|
|
|
|
Черные дыры обычно образуются в результате впечатляющих событий, таких как гибель массивной звезды. Но теоретически возможны и черные дыры сколь угодно малого размера: крошечные микроскопические объекты, которые могут выходить из особых критических состояний при малейшем увеличении энергии. Такие состояния, возможно, существовали вскоре после Большого взрыва, когда Вселенная все еще представляла собой хаотическую смесь частиц, потенциально приводящую к возникновению так называемых первичных черных дыр.
|
|
|
|
Теоретическая возможность существования таких критических структур уже была продемонстрирована в ходе компьютерного моделирования. Теперь исследователям из Франкфуртского и Венского университета им. Гете удалось подтвердить эти результаты математической формулой, используя только бумагу и карандаш.
|
|
|
|
|
|
|
Критический коллапс
|
|
|
|
"Иногда крошечной, казалось бы, незначительной причины бывает достаточно, чтобы вызвать огромные и драматические перемены", - говорит профессор. Даниэль Грумиллер из Вены. - Возьмем, к примеру, жидкую воду при температуре ноль градусов по Цельсию. Достаточно совсем небольшого изменения температуры, чтобы вода замерзла. Затем молекулы воды самопроизвольно выстраиваются в правильную форму и образуют кристаллы льда."
|
|
|
|
Согласно теории относительности Альберта Эйнштейна, нечто очень похожее может происходить в пространстве и времени. Всякий раз, когда частицы перемещаются из одного места в другое, они влияют на само пространство-время. "Мы говорим, что пространство-время искривлено из-за массы", - объясняет Кристиан Экер из Института теоретической физики при Университете Гете во Франкфурте. "Крупные объекты, такие как звезды, сильно искривляют пространство—время - например, мы можем наблюдать это, когда лучи света отклоняются массивными звездами. Но меньшие массы также приводят к искривлению пространства-времени, только в меньшей степени."
|
|
|
|
Точно так же, как физика позволяет молекулам воды образовывать правильный кристалл из неупорядоченной жидкой воды, теория относительности позволяет искривлению пространства—времени организовываться в правильную структуру - повторяющийся узор в пространстве и времени. Возникает своего рода "пространственно-временной кристалл". Физики называют процесс, приводящий к такому состоянию, критическим коллапсом.
|
|
|
|
"Этот пространственно-временной кристалл - очень необычный и увлекательный объект", - говорит Грумиллер. "Это своего рода промежуточное состояние, нестабильная точка, которая может эволюционировать в двух разных направлениях. Он может просто раствориться снова, оставив после себя обычное пространство-время, заполненное свободно движущимися частицами. Но если добавить немного энергии, эволюция пойдет по совершенно иному пути: неприметный пространственно-временной кристалл превратится в черную дыру".
|
|
|
|
Подтверждая старую гипотезу
|
|
|
|
Компьютерное моделирование еще в 1993 году показало, что черные дыры могут образовываться спонтанно таким образом. С тех пор исследователи пытались описать этот процесс математически и вывести правильные формулы, но это оказалось чрезвычайно сложной задачей. Команда из Вены и Франкфурта теперь решила эту проблему с помощью замечательного трюка.
|
|
|
|
"Наша вселенная имеет четыре измерения — три измерения пространства и одно измерение времени", - объясняет Кристиан Экер. "Но, в принципе, ничто не мешает нам записывать физические уравнения для большего числа измерений — пяти, сорока двух или даже бесконечно большого".
|
|
|
|
Можно было бы ожидать, что таким образом теория значительно усложнится, но это не обязательно так. Команда показала, что в пределе бесконечно большого числа измерений некоторые очень сложные вопросы становятся на удивление простыми. Следующий шаг - проверить, можно ли перевести решение на меньшее число измерений. Таким образом, исследователи смогли получить представление о нашей четырехмерной вселенной, пройдя через гипотетическую вселенную с бесконечно большим числом измерений.
|
|
|
|
"Наша методика оказалась на удивление стабильной. В зависимости от желаемой точности мы можем систематически улучшать наши формулы, используя дополнительные методы аппроксимации", - говорит Флориан Экер из Венского университета. "Это дает нам новый метод изучения явлений, связанных с черными дырами, который ранее не поддавался аналитическому анализу".
|
|
|
|
Источник
|
