В 1993 году канадский ученый Мэттью Чоптуик, моделируя коллапс скалярного поля, обнаружил нечто странное. Если точно подобрать энергию (на грани между образованием черной дыры и рассеянием), пространство-время начинает пульсировать с повторяющимся ритмом — наподобие кристаллической решетки. Это решение было получено численно, но не существовало формулы, которая бы описывала его аналитически. Физики считали задачу чрезвычайно сложной из-за нелинейности уравнений Эйнштейна и нестационарности процесса.

Команда ученых из Института Гёте и Технического университета Вены применила нестандартный трюк, позволив количеству пространственных измерений возрастать к бесконечности. При этом математическом допущении уравнения Эйнштейна — Клейна — Гордона упрощаются до аналитически решаемой формы. Затем физики вернулись обратно к нашим четырем измерениям, последовательно добавляя поправки. Результат сошелся с исходными численными данными Чоптуика. Впервые было получено точное аналитическое описание, сообщает Science Blog.

«Иногда крошечной, казалось бы, незначительной причины достаточно, чтобы вызвать огромные и значительные изменения», — сказал профессор Даниэль Грюмиллер, один из руководителей научной группы, сравнив это явление с превращением воды в лед, когда температура опускается до ноля градусов.

При этом кристалл пространства-времени находится в неустойчивом равновесии. Как поясняет Грумиллер, «он может просто раствориться, оставив после себя обычное пространство-время с движущимися частицами. Но если добавить крошечную энергию, эволюция пойдет по совершенно другому пути — неприметный кристалл превратится в черную дыру».

Все это имеет прямое отношение к космологии. В первые доли секунды после Большого взрыва условия были настолько экстремальными, что подобный критический коллапс мог происходить спонтанно, порождая первичные черные дыры. Это одни из кандидатов на роль темной материи, но их теоретическое описание было приблизительным. Новая аналитическая формула дает точный инструмент, позволяющий рассчитать, сколько таких дыр должно было образоваться и с какими массами.

Помимо того, ученые пришли к любопытным выводам: оказывается, возможные не любые пульсации пространства-времени. Большинство отсеивается из-за условий на внутренних границах структуры. Это объясняет, почему численные эксперименты за последние 30 лет позволяли увидеть только одно критическое решение, а не целое семейство. Физическая причина кроется в свойствах нелинейных волн, которые не могут самоорганизоваться в произвольный кристалл.

Предложенный метод оказался удивительно устойчивым и может быть применен к другим задачам, где гравитация и нелинейные поля создают критические переходы.

Современная наука считает, что наша Вселенная развернута в трех пространственных и одном временном измерении. Однако по предположению физика Гюнтера Клетечки, время — единственная ткань времени, а пространство возникает из него, как вторичное явление. Также он утверждает, что время существует в трех измерениях, а не в одном, которое мы воспринимаем как непрерывное движение вперед.