Связав гравитацию с физикой плазмы, исследователи показали, что пространство-время может сохранять структуры, которые выдерживают даже экстремальные космические искажения.
Пространство-время не должно быть предсказуемым, но ученые, возможно, только что обнаружили правила, которые оно не может нарушать.
В теории общей относительности Эйнштейна ткань Вселенной постоянно изгибается, растягивается и эволюционирует чрезвычайно сложным образом. Физики долгое время пытались определить что-либо, что оставалось бы неизменным в этом хаосе.
Новое исследование предполагает, что пространство-время может сохранять скрытые геометрические структуры по мере своей эволюции, предоставляя первые убедительные доказательства того, что гравитация подчиняется глубоким, заложенным изначально ограничениям.
«Мы выявили фундаментальные правила, ограничивающие эволюцию пространства-времени. Эти правила действуют как встроенные ограничения самой гравитации, помогая нам предсказывать поведение экстремальных систем, таких как пары вращающихся черных дыр, когда гравитация становится очень сильной», — сказал Лука Комиссо, один из авторов исследования и специалист по плазменной астрофизике из Колумбийского университета.
Если это подтвердится, это может изменить подход ученых к изучению экстремальных космических явлений, таких как слияния черных дыр и гравитационные волны, где предсказание поведения всегда было чрезвычайно сложной задачей.
Переосмысление гравитации с помощью плазменной линзы
Для понимания сути исследования необходимо сначала ознакомиться с одним из правил физики плазмы. В электропроводящих жидкостях, таких как плазма, линии магнитного поля могут «замораживаться» в жидкости.
Таким образом, они могут двигаться и скручиваться, но нелегко разрываются или снова соединяются, если выполняются определенные условия, подобные закону Ома. Комиссо и его команда задались вопросом, может ли гравитация вести себя подобным образом.
Для проверки этого предположения они переписали уравнения поля Эйнштейна (основные уравнения, описывающие гравитацию) таким образом, чтобы они напоминали уравнения, используемые в нелинейной электродинамике. Это позволило им рассматривать пространство-время скорее как динамическую среду, подобную жидкости, несущей электромагнитные поля.
Благодаря такой переформулировке они смогли напрямую применять идеи из физики плазмы для изучения эволюции гравитационных структур.
Когда пространство-время отказывается разрушаться
Используя этот подход, авторы исследования обнаружили, что пространство-время может содержать линии гравитационного поля — математические структуры, описывающие организацию гравитации. Эти структуры могут оставаться связанными во времени, что известно как «замороженность».
Это происходит только при выполнении определённого условия, аналогичного идеальной версии закона Ома. Они также выявили сохраняющиеся величины, такие как гравитационный поток и гравитационная спиральность.
Это топологические свойства, то есть они зависят от способа соединения структур, а не от их точной формы. Проще говоря, это узел на веревке. Вы можете растянуть или скрутить веревку, но узел останется, если его намеренно не развязать.
Аналогичным образом, эти сохраняющиеся величины действуют как невидимые правила, которым пространство-время должно следовать по мере своей эволюции. Именно этим данное исследование отличается от более ранних работ. Традиционно физики полагались на крупномасштабные симуляции с тщательно подобранными начальными условиями для моделирования таких систем, как слияние черных дыр.
Хотя эти методы и полезны, они не всегда выявляют универсальные принципы. Выявляя величины, остающиеся постоянными в самом пространстве-времени, эта новая концепция указывает на более глубокие и общие законы, управляющие гравитацией.
Скрытая книга правил для вселенной
Если эти выводы подтвердятся, они могут изменить представление ученых о самых экстремальных средах Вселенной. Системы, в которых присутствует сильная гравитация, такие как черные дыры, нейтронные звезды и гравитационные волны, могут подчиняться топологическим правилам, которые делают их поведение более предсказуемым, чем считалось ранее.
Это может усовершенствовать модели, используемые такими обсерваториями, как LIGO, Virgo и предстоящей миссией LISA, целью которой является более чувствительное обнаружение гравитационных волн из космоса.
В то же время, эта работа имеет свои ограничения. «Замороженное» поведение зависит от идеальных условий, а реальные астрофизические системы не всегда могут им соответствовать. Также остается неясным, как эти структуры ведут себя в более сложных условиях, где материя и излучение сильно взаимодействуют с гравитацией.
Авторы исследования надеются, что будущие исследования дадут ответы на эти вопросы, а также помогут исследователям «понять, в какой степени совершенно разные явления, которые могут происходить в плазме, могут также происходить в невакуумном пространстве-времени».
Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Sourse: interestingengineering.com
