Czarne dziury zwykle kojarzą się z umierającymi gwiazdami lub centrami galaktyk - duże, dramatyczne, trudne do przeoczenia. Ale fizyka, zawsze psując zabawę, mówi, że nie ma ścisłego dolnego limitu rozmiaru. W odpowiednich warunkach mikroskopijne czarne dziury mogą powstać, gdy czasoprzestrzeń wchodzi w dziwny, krytyczny stan i organizuje się w powtarzalny, kryształowy wzór. Tak, kryształy czasoprzestrzeni. To teraz rzecz.

Naukowcy z Goethe University Frankfurt i TU Wien w końcu wymyślili, jak opisać ten proces matematycznie. Po raz pierwszy w historii wyprowadzili dokładny wzór na to zjawisko, używając, jak to określają, zasadniczo "papieru i ołówka". Bo po co używać superkomputera, skoro można to zrobić po staroświecku?

Pomysł sięga 1993 roku, kiedy symulacje komputerowe po raz pierwszy zasugerowały, że czarne dziury mogą spontanicznie powstawać w wyniku krytycznego zapadania się - stanu delikatnie zrównoważonego, w którym najmniejsze pchnięcie energii może zrobić całą różnicę. Pomyśl o wodzie w temperaturze zero stopni Celsjusza: mała zmiana powoduje zamarznięcie w kryształki lodu. Podobnie, w warunkach krytycznych, krzywizna czasoprzestrzeni może ułożyć się w powtarzalny wzór w przestrzeni i czasie, tworząc "kryształ czasoprzestrzeni".

Ten kryształ jest, jak to ujmuje prof. Daniel Grumiller z TU Wien, "bardzo osobliwym i fascynującym obiektem". To niestabilny stan pośredni, który może pójść w dwóch kierunkach: może się po prostu rozpuścić, pozostawiając zwykłą czasoprzestrzeń ze swobodnie poruszającymi się cząstkami, albo - jeśli dodasz odrobinę energii - zamienia się w czarną dziurę. Bo oczywiście, że tak.

Przez dziesięciolecia fizycy zmagali się z odtworzeniem symulacji za pomocą równań. Przełom nastąpił, gdy zespół spróbował sprytnego obejścia: zrobili matematykę w więcej wymiarach, niż ma nasz wszechświat. Nasz wszechświat ma cztery wymiary (trzy przestrzeni, jeden czasu), ale nic nie stoi na przeszkodzie, aby pisać równania dla pięciu, czterdziestu dwóch, a nawet nieskończenie wielu wymiarów. Co zaskakujące, problem staje się łatwiejszy, gdy podbijesz wymiary do nieskończoności. To jak rozwiązywanie labiryntu przez przejście przez ścianę.

Zespół najpierw rozwiązał problem w nieskończonych wymiarach, a następnie sprawdził, czy rozwiązanie można przełożyć z powrotem na cztery wymiary. Ta matematyczna objazdowa droga pozwoliła im wydobyć informacje o krytycznym zapadaniu, które wcześniej były niezwykle trudne do uzyskania analitycznie.

"Nasza technika okazuje się niezwykle stabilna" - mówi Florian Ecker z TU Wien. "W zależności od pożądanej precyzji, możemy systematycznie ulepszać nasze wzory za pomocą dodatkowych metod przybliżonych." Tak więc fizycy mają teraz nowe narzędzie do badania powstawania czarnych dziur i innych ekstremalnych zachowań czasoprzestrzeni bez polegania wyłącznie na symulacjach komputerowych. Bo nic tak nie mówi "postęp" jak robienie więcej ołówkiem.

Badania zostały dostarczone przez Vienna University of Technology. Uwaga: Treść może być edytowana pod kątem stylu i długości - i w tym przypadku, z hojną dawką sarkazmu.