Opisali matematycznie kryształy czasoprzestrzenne, które mogą zamienić się w czarną dziurę
Czarne dziury kojarzą się z kosmicznymi kataklizmami: eksplodującymi gwiazdami, pochłoniętymi galaktykami, niewyobrażalną skalą. Tymczasem fizyka dopuszcza istnienie mikroskopijnych czarnych dziur, obiektów, które mogą zrodzić się z ledwie uchwytnego impulsu energii, o ile najpierw zaistnieje pewien szczególny, krystaliczny stan czasoprzestrzeni. Fizycy z Uniwersytetu Goethego we Frankfurcie i Politechniki Wiedeńskiej jako pierwsi opisali ten stan dokładnym wzorem matematycznym.
Dobrze oddaje ten stan rzeczy analogia z lodem. Woda w temperaturze zero stopni Celsjusza balansuje na granicy: wystarczy minimalna zmiana, by cząsteczki spontanicznie ułożyły się w regularną, powtarzającą się sieć, tworząc kryształ lodu. Podobna przemiana może zachodzić w samej tkance wszechświata. Zgodnie z ogólną teorią względności Einsteina każda masa zakrzywia czasoprzestrzeń. W pewnych skrajnych warunkach to zakrzywienie może samo z siebie organizować się w powtarzający się wzorzec, rodzaj „kryształu czasoprzestrzennego". Fizycy nazywają ten proces kolapsem krytycznym.
Kryształ czasoprzestrzenny to stan wyjątkowo niestabilny. Może po prostu rozpłynąć się w zwykłą, spokojną czasoprzestrzeń. Ale jeśli dostarczymy mu choć odrobinę energii, ewolucja potoczy się zupełnie inaczej i powstaje czarna dziura. Takie mikroskopijne czarne dziury mogły powstawać tuż po Wielkim Wybuchu, gdy wszechświat był gęstym chaosem cząstek. Dziś znane są jako pierwotne czarne dziury, a na ich temat kosmolodzy prowadzą gorące spory.
Hipotezę o krytycznym kolapsie sformułował w 1993 roku Matthew Choptuik na podstawie symulacji komputerowych. Przez ponad trzy dekady nikomu nie udało się opisać tego zjawiska analitycznie, czyli wyprowadzić dokładnych wzorów wyłącznie przy pomocy matematyki, bez wspomagania się numerycznymi przybliżeniami.
Przełom przyszedł z nieoczekiwanej strony. Nasz wszechświat ma cztery wymiary – trzy przestrzenne i jeden czasowy. Nic jednak nie stoi na przeszkodzie, by zapisać równania Einsteina dla dowolnie wielu wymiarów.
Jak pokazali Christian Ecker, Florian Ecker i Daniel Grumiller, właśnie przy nieskończonej liczbie wymiarów pewne kluczowe elementy równań upraszczają się dramatycznie, a cała złożoność kolapsu krytycznego daje się ująć w jednej funkcji czasu.
Uzyskane rozwiązania analityczne opisują nieskończoną rodzinę „dyskretnie samopodobnych” struktur, czyli właśnie owych kryształów czasoprzestrzennych, w których wzorzec geometryczny powtarza się ze stałym okresem. Później naukowcy musieli sprawdzić, czy ich rozwiązanie można przełożyć na mniejszą liczbę wymiarów. I to się udało. W ten sposób badacze uzyskali wgląd w czterowymiarowy wszechświat poprzez hipotetyczny wszechświat o nieskończenie wielu wymiarach.
Nasz technika okazała się niezwykle stabilna. W zależności od wymaganej precyzji możemy systematycznie udoskonalać nasze wzory za pomocą dodatkowych aproksymacji. Daje nam to nową metodę badania zjawisk związanych z czarnymi dziurami, których wcześniej nie udało się analizować, mówi Florian Ecker.
Szczegóły badań opublikowano na łamach Physical Review Letters.
Komentarze (0)