Jak powstaje kryształ czasoprzestrzeni? Trop wiedzie w mrok

Zagadka, która trapi badaczy od 30 lat

Fizycy od ponad 30 lat próbowali matematycznie uchwycić jeden z najbardziej osobliwych momentów w teorii względności: granicę, przy której czasoprzestrzeń może przejść w mikroskopijną czarną dziurę. Teraz zespół badaczy z Wiednia i Frankfurtu twierdzi, że znalazł sposób na opisanie zjawiska, które dotąd udawało się badać głównie za pomocą superkomputerów. Pomógł im nietypowy „skrót” przez wszechświat z bardzo dużą, w granicy wręcz nieskończoną liczbą wymiarów.

Tak rodzi się mikroskopijna czarna dziura

Czarne dziury nie są dla fizyków nowością. To obszary czasoprzestrzeni, których z powodu ekstremalnie silnej grawitacji nie może opuścić nawet światło. Obok gigantycznych czarnych dziur, znanych z centrów galaktyk, fizyka dopuszcza jednak także ich mikroskopijne wersje.

Naukowcy badający proces powstawania czarnych dziur odkryli, że na granicy między zapadaniem się materii a jej rozproszeniem pojawia się niezwykły stan krytyczny. W tym stanie czasoprzestrzeń tworzy powtarzalny matematyczny wzór, który badacze porównują do kryształu. Nie jest to jednak fizyczny obiekt, lecz szczególna struktura opisana przez równania grawitacji. Dotychczas zjawisko obserwowano przede wszystkim w symulacjach komputerowych. Teraz fizycy z Goethe University Frankfurt i TU Wien po raz pierwszy przedstawili jego analityczny opis, wykorzystując nowatorską metodę matematyczną pozwalającą wyprowadzić ścisłe wzory z wcześniej znanych wyników numerycznych.

Kryształ czasoprzestrzeni nie jest zwykłym kryształem

Zacznijmy od początku. Wszyscy znamy doskonale: proces zamarzania wody. Kiedy temperatura spada poniżej zera, ciecz zamienia się w lód. Cząsteczki wody układają się wtedy w regularny wzór, tworząc kryształ.

Coś podobnego, zgodnie z teorią względności Alberta Einsteina, mogłoby przytrafić się także w przestrzeni i czasie – w warunkach kiedy dochodziłoby do powstawania mikroskopijnych czarnych dziur. Jak to działa?

Teoria względności Einsteina prowadzi do dziwnego wzoru

Kiedy cząstki się przemieszczają, wpływają na czasoprzestrzeń. Tak jak woda może przejść z nieuporządkowanej cieczy w regularny kryształ, tak teoria względności dopuszcza sytuację, w której krzywizna czasoprzestrzeni układa się w powtarzalną strukturę. Wzór powtarza się w czasie i przestrzeni. Właśnie dlatego badacze mówią o swoistym krysztale czasoprzestrzeni. Cały proces wiąże się z tak zwanym krytycznym zapadaniem.

Kryształ czasoprzestrzeni jest bardzo osobliwym i fascynującym obiektem. To rodzaj stanu pośredniego, niestabilnego punktu, który może ewoluować w dwóch różnych kierunkach. Może po prostu ponownie się rozpaść, pozostawiając zwykłą czasoprzestrzeń wypełnioną swobodnie poruszającymi się cząstkami. Jeśli jednak doda się niewielką ilość energii, ewolucja przebiega zupełnie inaczej: niepozorny kryształ czasoprzestrzeni zamienia się w czarną dziurę.

– powiedział Daniel Grumiller, jeden z autorów badania, na łamach Uniwersytetu Technicznego w Wiedniu.

Problem sprzed 30 lat wraca w nowej formie

Sama idea badania krytycznego zapadania nie jest nowa. Nowy jest sposób, w jaki fizycy opisali jeden z jego najtrudniejszych przypadków.

Już w 1993 roku powstały symulacje komputerowe, które pokazały, jak może wyglądać proces prowadzący do powstania czarnej dziury w stanie krytycznym. Od tamtej pory badacze starali się opisać to zjawisko matematycznie i znaleźć odpowiednie równania. Przez ponad 30 lat próby nie przynosiły w pełni satysfakcjonującego rozwiązania. Teraz zespół z Wiednia i Frankfurtu sięgnął po trzy rzeczy: kartkę, ołówek i nietypowy pomysł.

Wiele wymiarów, prostsza czarna dziura

Badacze postanowili zapisać równania fizyczne nie w czterech wymiarach, w których opisujemy nasz Wszechświat, lecz w znacznie większej liczbie wymiarów. Na pierwszy rzut oka powinno to utrudnić sprawę. W praktyce stało się odwrotnie.

Jak wynika z pracy opublikowanej w Review Letters, w granicy bardzo dużej liczby wymiarów część wyjątkowo złożonych problemów okazuje się prostsza. Dlatego naukowcy sprawdzają, czy podobne rozwiązania można wykorzystać także przy mniejszej liczbie wymiarów, bliższej opisowi naszego Wszechświata.

Matematyczny objazd przez Wszechświat

Właśnie tak fizycy mogli uzyskać wgląd czterowymiarowy Wszechświat. Skorzystali ze swego rodzaju matematycznego „objazdu” przez teoretyczny Wszechświat, który ma nieskończenie wiele wymiarów.

Nasza technika okazuje się niezwykle stabilna. W zależności od pożądanej dokładności możemy systematycznie ulepszać nasze wzory za pomocą dodatkowych metod przybliżeniowych. Daje nam to nową metodę badania zjawisk związanych z czarnymi dziurami, których wcześniej nie dało się analizować analitycznie.

– zakończył Florian Ecker z TU Wien.

Kartka, ołówek i granica czarnej dziury

Najważniejszym odkryciem w fizyce wcale nie jest kryształ czasoprzestrzeni lecz to, w jaki sposób naukowcy zdołali przedstawić proces powstawania mikro czarnych dziur za pomocą tak prostego sposobu. Istotniejsze jest to, że badacze zdołali opisać matematycznie szczególny próg, przy którym czasoprzestrzeń może przejść w mikroskopijną czarną dziurę. Zwykła kartka, ołówek, odrobina sprytu i niecodzienne podejście pozwoliły zamienić problem znany głównie z symulacji komputerowych w analityczny opis. A to daje nadzieję, że podobne metody pomogą w przyszłości badać także inne zjawiska, które dotąd wymykały się prostszemu opisowi.

Warto przeczytać: Czarna dziura łamie prawa fizyki. Rośnie szybciej niż powinna