Вообразите, что пространство-время может... замёрзнуть

Мне нужно, чтобы ты кое-что представил.

Чёрные дыры ты наверняка знаешь — эти космические монстры, от которых не может ускользнуть даже свет. Обычно мы думаем о них как о чудовищно массивных объектах в центрах галактик или результатах взрывов сверхновых.

Но вот где начинается самое интересное: физика не требует, чтобы чёрная дыра была большой. Никакого минимального размера не существует. И вот, исследователи из Франкфуртского университета и Венского технического университета обнаружили кое-что удивительное о том, как могут формироваться совсем крошечные чёрные дыры. Ответ связан с так называемым «кристаллом пространства-времени».

Стоп, пространство-время может... замерзать?

Разберёмся по порядку. Ты знаешь, как вода при нуле градусов Цельсия вдруг превращается в лёд? В один момент — жидкость, в следующий — молекулы самопроизвольно выстраиваются в регулярную структуру, и получается кристалл.

Так вот, по мнению этих исследователей, само пространство-время способно на нечто подобное.

«Возьмём жидкую воду при нуле градусов, — объясняет профессор Даниэль Грумиллер из Венского технического университета. — Достаточно совсем небольшого изменения, чтобы вода замёрзла. Молекулы самопроизвольно выстраиваются в регулярный узор и формируют кристалл льда».

Нечто похожее, по всей видимости, может произойти и с пространством-временем. В исключительно специфических, критических условиях — условиях, которые, возможно, существовали буквально мгновения после Большого взрыва, когда всё было невероятно плотным и хаотичным — пространство-время способно организоваться в повторяющийся, похожий на кристалл узор. Кристалл пространства-времени.

И вот что по-настоящему безумно: этот кристалл нестабилен. Он балансирует на лезвии ножа, и лёгкое воздействие в любую сторону определяет его судьбу.

Космическая развилка

Представь: у тебя кристалл пространства-времени, идеально сбалансированный. Если его ничто не потревожит, он может просто раствориться обратно в обычное пространство-время, оставив после себя обычные частицы, дрейфующие вокруг. Но добавь совсем чуть-чуть энергии — буквально ничтожные количества — и вся структура схлопывается сама в себя.

В чёрную дыру.

«Этот кристалл пространства-времени — очень необычный и завораживающий объект, — говорит Грумиллер. — Это своего рода промежуточное состояние, нестабильная точка, которая может развиваться в двух направлениях».

Лично меня в этом что-то невероятно красивое. Вселенная на самом фундаментальном уровне работает на таких тончайших балансах, где малейший вклад может запустить совершенно разные исходы. Лёгкий толчок в одну сторону — и ты получаешь мирное пустое пространство. Толчок в другую — и ты получаешь сингулярность, из которой ничто не может вырваться.

Математика, которую разгадывали десятилетиями

Теперь здесь история почти так же интересна, как и сама физика. Учёные знали, что это теоретически возможно, уже десятки лет. Компьютерные симуляции показывали, что это может происходить ещё в 1993 году. Но была проблема: записать математические уравнения, описывающие этот процесс, оказалось невероятно сложно.

Подумай сам — ты пытаешься математически описать, как само пространство-время перестраивается, как гравитация ведёт себя в таких экстремальных условиях, как чёрная дыра возникает из ничего. Уравнения получаются жестокие.

Но исследователи нашли хитрый обходной путь. И честно говоря, то, что они сделали, напоминает почти математический фокус.

Магия бесконечных измерений

«Наша вселенная имеет четыре измерения — три пространственных и одно временное, — объясняет Кристиан Эккер из Франкфуртского университета. — Но в принципе ничто не мешает нам записать физические уравнения для большего числа измерений — пяти, сорока двух или даже бесконечного количества».

Вот что противоречит интуиции: вместо того чтобы усложнить задачу, переход к бесконечным измерениям её упростил. Сложнейшие вычисления, которые были практически невозможны в четырёх измерениях, вдруг стали посильными при бесконечном их количестве.

Команда затем могла работать в обратном направлении, шаг за шагом, проверяя, переносятся ли эти решения на нашу привычную четырёхмерную вселенную.

И это сработало.

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

Это даёт физикам совершенно новый аналитический инструмент для изучения чёрных дыр, которые раньше были математически недоступны.

Почему тебе стоит об этом знать?

Я понимаю, о чём ты можешь подумать: «Круто, но что это реально значит для меня?»

Во-первых, это напоминание о том, что вселенная гораздо страннее и прекраснее, чем мы обычно представляем. Само пространство-время — сцена, на которой разворачивается всё в космосе — может потенциально организовываться в узоры и проходить фазовые переходы, точно так же, как материя может замерзать в кристаллы или испаряться в газ.

Но есть и более практическая сторона. Первичные чёрные дыры — крошечные чёрные дыры, которые могли образоваться в ранней вселенной — остаются захватывающей возможностью, которую учёные активно ищут. Понимание того, как именно они могут формироваться, помогает понять, где и как их искать.

И честно? Порой чистое знание — это уже награда. Тот факт, что люди могут так глубоко заглянуть в ткань реальности и вывести уравнения, описывающие такие явления, как кристаллы пространства-времени — это, по-моему, подлинно вдохновляюще.

Суть

В следующий раз, когда увидишь, как в морозилке образуется кубик льда или смотришь, как на замёрзшем окне появляется узор из инея, найди минуту оценить эту параллель. Те же математические принципы, которые управляют тем, как молекулы воды выстраиваются в структуру, в принципе описывают и то, как сама ткань пространства-времени может сложиться в кристаллический узор — и как этот узор при определённых обстоятельствах может коллапсировать в один из самых экстремальных объектов во вселенной.

Физика — это безумно. И мы продолжаем находить новые способы понять, насколько безумна она на самом деле.