Учёные впервые математически описали «кристаллы пространства-времени» и их превращение в чёрные дыры

Исследователи впервые получили точные аналитические решения уравнений Альберта Эйнштейна, описывающие гипотетические «кристаллы пространства-времени» и их превращение в микроскопические чёрные дыры. Примечательно, что расчёты были выполнены без масштабного компьютерного моделирования — исключительно математическими методами, на бумаге или доске. Это редкий случай в современной теоретической физике, где сложнейшие уравнения удалось решить аналитически, а не численно.

Согласно общей теории относительности, масса и энергия искривляют пространство-время — именно это искривление мы воспринимаем как гравитацию. Однако большинство известных решений уравнений Эйнштейна описывают либо однородные вселенные, либо локализованные объекты вроде звёзд и чёрных дыр. Но существуют и более экзотические теоретические модели, которые допускают, что пространство-время может образовывать регулярные структуры, напоминающие кристаллическую решётку.

Кристаллы из ткани реальности

Авторы работы сравнивают такое состояние с переохлаждённой водой — жидкостью, которая остаётся жидкой при температуре ниже точки замерзания, но может мгновенно превратиться в лёд даже из-за незначительного внешнего воздействия, например лёгкого сотрясения или попадания пылинки. Аналогичным образом, по мысли учёных, кристалл пространства-времени способен находиться в неустойчивом состоянии, будучи чрезвычайно чувствительным к малейшим возмущениям. Достаточно небольшого толчка — и структура рушится.

Два сценария конца кристалла

Расчёты показали, что добавление даже очень небольшого количества энергии может запустить один из двух сценариев. В первом случае кристаллическая структура пространства-времени распадается, превращаясь в поток излучения — своего рода «световой взрыв» на уровне фундаментальной геометрии Вселенной. Во втором случае происходит гравитационный коллапс: кристалл схлопывается сам в себя, образуя микроскопическую чёрную дыру.

По словам авторов работы, такие чёрные дыры, образовавшиеся из кристаллов пространства-времени, должны быть устойчивыми с точки зрения классической физики — то есть они не будут распадаться сами по себе согласно законам общей теории относительности. Однако из-за крайне малых размеров (предположительно, на планковском масштабе — около 10^{-35} метра) они будут очень горячими. И согласно теории, предложенной Стивеном Хокингом, такие микроскопические чёрные дыры быстро испарятся за счёт собственного излучения — так называемого излучения Хокинга.

Зачем это нужно науке

Хотя существование кристаллов пространства-времени пока остаётся чисто гипотетическим — их никто никогда не наблюдал и, возможно, никогда не сможет наблюдать напрямую, — новые математические решения представляют большую ценность для фундаментальной физики. Они позволяют лучше понять поведение подобных экзотических объектов и, что важнее, могут оказаться полезными для дальнейших попыток объединить общую теорию относительности (которая описывает гравитацию и крупные масштабы) и квантовую физику (которая описывает микромир). Эта задача — создание квантовой теории гравитации — остаётся одной из главных нерешённых проблем современной науки.

Возможно, кристаллы пространства-времени так и останутся красивым математическим упражнением. А возможно, они когда-нибудь помогут физикам заглянуть за горизонт событий и понять, из чего на самом деле соткана ткань нашей реальности. Пока же у нас есть точные уравнения и удивительный вывод: пространство-время может быть не только гладким и текучим, но и твёрдым, упорядоченным — почти живым в своей кристаллической правильности. И оно способно умирать, превращаясь в чёрные дыры. Как будто сама Вселенная дышит, создавая и разрушая свои сокровенные структуры.