В журнале Physical Review Letters вышла работа, которая может серьезно изменить наше понимание гравитации. Группа исследователей предполагает, что пространство-время не является полностью хаотичным и непредсказуемым, как часто казалось. В нем действуют скрытые правила, которые ограничивают, как именно оно может изгибаться и эволюционировать.
Согласно общей теории Эйнштейна, пространство-время условно является динамической структурой: оно искривляется под действием массы, растягивается и продолжает изменяться. Из-за этой сложности физики долго задавались вопросом, существуют ли в этой системе устойчивые, сохраняющие стабильные характеристики.
Идея пришла из физики плазмы
Плазма — это четвертое состояние вещества, горячий ионизированный газ, в котором электроны и ионы свободно летают. Вы можете представить его как вещество внутри Солнца, в короне или в искусственных установках для термоядерного синтеза.
В плазме наблюдается характерный эффект: магнитные силовые линии связаны с потоком вещества и движутся вместе с ним. Они деформируются вместе с ним, изгибаются и растягиваются, но при этом не разрываются и не исчезают.
Ученые предположили, что с гравитацией может происходить нечто похожее.
Как переписали уравнения Эйнштейна
Команда под руководством Луки Комиссо из Колумбийского университета решила по-новому взглянуть на уравнения общей теории относительности. Исследователи переписали их в форме, похожей на уравнения электродинамики плазмы. В этой интерпретации пространство-время можно представить как среду, похожую на жидкость, в которой распространяются гравитационные структуры.
В таком описании в пространстве-времени выделяются особые линии гравитационного поля. При определенных условиях они ведут себя подобно магнитным линиям в плазме: движутся вместе с веществом и сохраняют связь с ним, не «отрываясь» от потока.
Что значит «замороженные» структуры?
Главный вывод: некоторые геометрические структуры пространства-времени могут сохраняться в течение долгого времени. Они не разрушаются хаотично, а «живут» по определенным правилам.
Это работает при условиях, похожих на идеальный закон Ома в электричестве — когда система почти без потерь и разрывов. Ученые нашли величины, которые остаются постоянными. Среди них — гравитационный поток и спиральность. Последняя — это топологическое свойство, которое описывает, насколько «закручены» и связаны между собой элементы структуры.
Для наглядности авторы используют простую аналогию: представьте обычный узел на веревке. Вы можете сколько угодно тянуть веревку, скручивать ее, растягивать и менять форму — но сам узел никуда не денется, пока вы его специально не развяжете. Точно так же некоторые конфигурации в пространстве-времени могут сохраняться, даже когда вокруг все сильно искривляется.
Зачем это нужно, особенно для черных дыр
До сих пор при моделировании сложных процессов, например слияния двух черных дыр, физики в основном опирались на мощные компьютерные симуляции. В них задаются начальные условия, после чего система рассчитывается шаг за шагом. Такой подход работает, но не дает общего понимания происходящего.
Новая работа предлагает другой подход. Если есть величины, которые сохраняются сами по себе, то поведение системы можно заранее ограничивать и предсказывать.
«Мы выявили фундаментальные правила, которые ограничивают эволюцию пространства-времени. Эти правила действуют как встроенные ограничения самой гравитации. Они помогут нам предсказывать, как будут вести себя экстремальные системы, например пары вращающихся черных дыр, когда гравитация становится очень сильной», — объяснил Лука Комиссо.
Что это дает на практике?
Если результаты подтвердятся, моделирование слияний черных дыр, нейтронных звезд и распространения гравитационных волн станет проще и точнее. Это особенно важно для обсерваторий LIGO и Virgo, которые уже ловят гравитационные волны, и для будущей космической миссии LISA, которая будет еще чувствительнее.
Ученые признают, что пока неясно, насколько сильно эти «замороженные» структуры проявляются в реальных, сложных условиях (например, в пространстве-времени с веществом, а не в чистом вакууме). Но уже сейчас работа дает свежий взгляд: пространство-время — это не просто хаотичная динамическая арена, а система с внутренними правилами сохранения.
В итоге физики могут получить не только удобный инструмент для расчетов, но и более глубокое понимание самой природы гравитации.
Физики измерили гравитацию точнее, чем когда-либо ранее
Российские астрономы-«археологи» восстановили историю черных дыр
Подписывайтесь и читайте «Науку» в MAX