Гравитация как магнит: физики нашли в уравнениях Эйнштейна скрытые «взрывы» пространства-времени

Более столетия миновало с тех пор, как Эйнштейн подарил миру уравнения гравитации, но физики продолжают находить в них скрытые смыслы. Лука Комиссо из Колумбийского университета и Фелипе Асенхо из чилийского Университета Адольфо Ибаньеса представили новый взгляд на классическую теорию. Их работа выявила поразительное сходство между искривлением пространства-времени и процессами, происходящими в раскаленной плазме.

Ученые обнаружили, что гравитация способна на то же, что и магнитные поля на Солнце. В астрофизике хорошо известно явление магнитного пересоединения. Представьте силовые линии магнита: они могут растягиваться и скручиваться до предела, а затем резко рвутся и соединяются заново, но уже в другой конфигурации. В этот момент происходит взрыв — так возникают солнечные вспышки, выбрасывая колоссальную энергию в пространство.

Исследователи утверждают, что похожий механизм работает и в гравитации. Разница кроется в геометрии. Если магнитное поле состоит из одномерных линий, то четырехмерное пространство-время Эйнштейна описывается «силовыми листами». Это математические плоскости, которые движутся сквозь материю. Когда эти структуры разрываются и пересоединяются, энергия гравитационного поля переходит непосредственно в материю, вызывая бурные процессы.

К такому выводу физики пришли, переписав классические уравнения. Комиссо, посвятивший жизнь изучению плазмы, заметил, что в новой математической формулировке законы гравитации начинают выглядеть почти так же, как уравнения, описывающие газы в термоядерных реакторах. За последние годы была создана альтернативная версия уравнений Эйнштейна. Она математически идентична оригиналу, но использует иные переменные. Именно в этом виде скрытые ранее правила стали очевидны.

Эта переработка опиралась на более раннее исследование, опубликованное в Physical Review Letters, где был выявлен набор строгих ограничений на то, как пространство-время может растягиваться и искривляться. Асенхо поясняет, что в уравнениях Эйнштейна спрятаны фундаментальные правила эволюции, которые не видны при обычном взгляде. Выявив их, можно понять базовые законы поведения гравитационных полей без необходимости проводить громоздкие вычисления каждый раз.

На данный момент гравитационное пересоединение остается теоретической моделью. Однако ее потенциал огромен для понимания самых экстремальных событий во Вселенной — слияния черных дыр. Сегодня астрофизики полагаются на суперкомпьютерные симуляции: они задают начальные условия и смотрят, что выдаст машина. Полученные данные нужны детекторам вроде LIGO, которые ловят рябь пространства-времени — гравитационные волны.

Новый подход позволяет устанавливать фундаментальные закономерности там, где компьютер может просто застрять в расчетах. Комиссо полагает, что понимание разрывов гравитационных «листов» поможет точнее предсказать, сколько энергии выбрасывается при ударе черных дыр и какие специфические следы это должно оставлять в сигналах, регистрируемых на Земле. Это дает инструмент для поиска физических правил, которые традиционные численные модели могут упускать из виду. Если гипотеза подтвердится, ученые смогут по гравитационным волнам определять не только массу объектов, но и то, как именно рвалась ткань пространства в момент их столкновения.

Итоги работы ученых опубликованы в журнале Physical Review D.