Крошечные черные дыры могут образоваться, когда пространство-время на короткое время образуется в странную кристаллоподобную структуру. Фото: AI/ScienceDaily.com
В физике теоретически возможны черные дыры, значительно уступающие по массе своим галактическим собратьям. Они могут возникать, когда пространство-время на короткое время входит в необычное критическое состояние, обретая повторяющийся кристаллоподобный узор. Ученым из Университета Гете во Франкфурте и Венского технического университета впервые удалось описать этот процесс математически, выведя точную формулу с помощью нетрадиционного подхода.
В отличие от привычных черных дыр, рождающихся при коллапсе массивных звезд или покоящихся в центрах галактик, у микроскопических объектов отсутствует строгий нижний предел массы. Они способны появиться в особых состояниях, когда даже ничтожная добавка энергии становится решающей: система либо рассеивается, либо схлопывается. Подобные условия, как полагают исследователи, могли существовать в ранней Вселенной вскоре после Большого взрыва, когда материя и энергия пребывали в хаотическом переплетении, что потенциально вело к образованию первичных черных дыр.
Компьютерное моделирование уже демонстрировало принципиальную возможность возникновения таких структур, однако главная трудность заключалась в поиске математического описания. Исследователям наконец удалось разработать формулу, которую можно вычислить аналитически — как выражаются ученые, используя лишь бумагу и карандаш.
Тонкая грань: как незначительное изменение провоцирует гравитационный крах
Профессор Даниэль Груммиллер из Венского технического университета поясняет: иногда самой малой причины достаточно, чтобы вызвать огромные и драматические перемены. Он проводит аналогию с водой при температуре 0 градусов Цельсия: стоит чуть изменить условия, и молекулы самопроизвольно выстраиваются в правильную кристаллическую решетку льда. Нечто подобное, согласно теории относительности Эйнштейна, может происходить и с пространством-временем.
Материя влияет на геометрию пространства-времени, поэтому изменения в распределении частиц способны менять его кривизну. Как отмечает Кристиан Эккер из Института теоретической физики Франкфуртского университета имени Гёте, большие объекты, такие как звезды, искривляют пространство-время настолько сильно, что отклоняют лучи света, однако и меньшие массы вызывают искривление, хотя и в меньшей степени.
В экстремальных условиях кривизна может складываться в повторяющийся узор, названный исследователями «кристаллическим пространством-временем». Этот процесс приводит к тонко сбалансированному состоянию, известному как крайний коллапс. Даниэль Груммиллер описывает такой кристалл как своеобразный промежуточный объект, находящийся на распутье: он может либо раствориться, оставив обычное пространство-время со свободно перемещающимися частицами, либо при добавлении ничтожной энергии необратимо превратиться в черную дыру.
Компьютерное моделирование впервые показало возможность спонтанного рождения черных дыр в ходе такого критического поведения еще в 1993 году. Физики долго пытались воспроизвести этот процесс математически, но вывод формулы оказывался исключительно сложным. В конечном счете исследователям из Вены и Франкфурта удалось обойти препятствие, применив нетрадиционный математический подход.
ичество измерений, в которых они выполняли вычисления.
«Наша Вселенная имеет четыре измерения — три измерения пространства и одно измерение времени», — сказал он. радость Кристиан Экер. «Но в принципе ничто не мешает нам записать физическое уравнение для большего числа измерений — пяти измерений, сорока двух измерений или даже бесконечного множества».
Может показаться, что добавление размеров еще больше усложнит и без того сложную задачу. Удивительно, но может произойти и обратное. Исследователи обнаружили, что некоторые алгоритмы обработки становятся намного проще, когда количество измерений становится бесконечным.
Решение четырехмерной физики с бесконечными размерностями
Команда сначала анализирует проблему в этой гипотетической ситуации с бесконечными измерениями. Затем исследователи смогут выяснить, можно ли перенести полученное решение обратно во Вселенную с помощью датчика измерения, включая четырехмерное пространство-время, в котором мы живем.
Этот математический обход позволяет получить научно обоснованную информацию о критическом коллапсе, которую ранее было чрезвычайно трудно получить аналитически.
"Наша техника оказалась стабильной. В зависимости от желаемой точности мы можем систематически улучшить нашу формулу, используя дополнительные методы аппроксимации», — сказал он. — говорит Флориан Экер из Венского технического университета. «Это дает нам новый метод изучения границ, границ с черными дырами, которые ранее были невозможны аналитически».
Этот подход может дать физикам новый способ изучения формирования черных дыр и других экстремальных пространств-времени, не полагаясь полностью на счетное компьютерное моделирование.