Kryształy czasoprzestrzenne istnieją. Fizycy właśnie opisali je wzorem

„Woda w temperaturze zero stopni Celsjusza balansuje na granicy: wystarczy minimalna zmiana, by cząsteczki spontanicznie ułożyły się w regularną, powtarzającą się sieć, tworząc kryształ lodu” – mówi Florian Ecker, fizyk z Politechniki Wiedeńskiej. Podobna przemiana może zachodzić w samej tkance Wszechświata. Zgodnie z najnowszymi badaniami, opisanymi na łamach Physical Review Letters, naukowcom udało się po raz pierwszy wyprowadzić dokładny wzór matematyczny opisujący tak zwany kryształ czasoprzestrzenny – stan czasoprzestrzeni, który w odpowiednich warunkach może zapaść się w czarną dziurę.

Czym jest kryształ czasoprzestrzenny?

→ Czytaj też: Noblista zlecił dowód Claude’owi. Model AI sam wyprowadził matematyczne rozumowanie

Ogólna teoria względności Einsteina mówi, że masa zakrzywia czasoprzestrzeń. W ekstremalnych warunkach to zakrzywienie może samo z siebie organizować się w powtarzający się wzorzec – rodzaj krystalicznej struktury samej geometrii Wszechświata. Fizycy nazywają ten proces kolapsem krytycznym. Kryształ czasoprzestrzenny jest jednak wyjątkowo niestabilny. Może albo rozpuścić się w zwykłą, gładką czasoprzestrzeń, albo – jeśli dostarczy mu się choć odrobinę energii – nieodwracalnie zapaść się w czarną dziurę.

Trzy dekady bez rozwiązania

→ Czytaj też: Czy czas może „drżeć”? Kontrowersyjna teoria grawitacji szykuje się do testu

Hipotezę o krytycznym kolapsie sformułował w 1993 roku Matthew Choptuik na podstawie symulacji komputerowych. Przez ponad trzydzieści lat nikt nie potrafił opisać tego zjawiska analitycznie – czyli wyprowadzić dokładnych wzorów wyłącznie przy pomocy matematyki, bez uciekania się do numerycznych przybliżeń. Przełom przyszedł z nieoczekiwanej strony. Zespół fizyków z Uniwersytetu Goethego we Frankfurcie i Politechniki Wiedeńskiej – Christian Ecker, Florian Ecker i Daniel Grumiller – wykorzystał możliwość zapisania równań Einsteina dla dowolnej liczby wymiarów.

„Nasz wszechświat ma cztery wymiary – trzy przestrzenne i jeden czasowy. Nic jednak nie stoi na przeszkodzie, by zapisać równania Einsteina dla dowolnie wielu wymiarów” – wyjaśniają naukowcy.

Przy nieskończonej liczbie wymiarów kluczowe elementy równań upraszczają się dramatycznie, a cała złożoność kolapsu krytycznego daje się ująć w jednej funkcji czasu. Uzyskane rozwiązania opisują nieskończoną rodzinę „dyskretnie samopodobnych” struktur, czyli właśnie kryształów czasoprzestrzennych, w których wzorzec geometryczny powtarza się ze stałym okresem.

Od nieskończoności do rzeczywistości

Największym wyzwaniem było sprawdzenie, czy rozwiązanie dla nieskończenie wielu wymiarów można przełożyć na nasz czterowymiarowy Wszechświat. I to się udało. „W zależności od wymaganej precyzji możemy systematycznie udoskonalać nasze wzory za pomocą dodatkowych aproksymacji. Daje nam to nową metodę badania zjawisk związanych z czarnymi dziurami, których wcześniej nie udało się analizować” – tłumaczy Florian Ecker.

Mikroskopijne czarne dziury z początków Wszechświata

Odkrycie jest niezwykle istotne dla kosmologii. Mikroskopijne czarne dziury mogły powstawać tuż po Wielkim Wybuchu, gdy Wszechświat był gęstym chaosem cząstek. Dziś znane są jako pierwotne czarne dziury, a na ich temat kosmolodzy prowadzą gorące spory. Dotychczas brakowało narzędzi matematycznych, by opisać ich powstawanie w ramach ogólnej teorii względności. Nowy model dostarcza właśnie takiego narzędzia.

Co więcej, kryształy czasoprzestrzenne mogą okazać się czymś więcej niż tylko matematyczną ciekawostką. Jeśli udałoby się potwierdzić ich istnienie we wczesnym Wszechświecie, mogłyby stanowić brakujące ogniwo między fizyką kwantową a ogólną teorią względności. Na razie jednak są tworem czysto teoretycznym – choć, jak podkreślają autorzy, pierwszy raz opisanym ścisłym językiem matematyki.

To nie koniec historii. Fizycy zapowiadają, że ich technika może zostać zastosowana do innych zagadek związanych z czarnymi dziurami – na przykład do analizy tego, co dzieje się wewnątrz horyzontu zdarzeń. Być może wkrótce dowiemy się, czy kryształy czasoprzestrzenne są jedynie matematycznym cieniem, czy realnym zjawiskiem, które ukształtowało Wszechświat u zarania jego istnienia.