Исследование показывает, что гравитация может разрываться и восстанавливаться, как магнитные поля

Что общего между гравитацией и магнитными полями?

Расчеты принадлежат физикам Луке Комисо из Колумбийского университета и Фелипе Асенхо из Университета Адольфо Ибаньеса в Чили. Согласно их выводам, гравитационные поля при определенных условиях могут разрываться и соединяться в новые конфигурации, подобно магнитным полям, пишет ScienceAlert.

Мы не изменяем общую теорию относительности и не вводим новую физику за ее пределами. Мы определяем физические принципы, которые более века оставались незамеченными, 
– прокомментировал физик Колумбийского университета Лука Комисо.

Как гравитация может "пересоединяться"?

Согласно теории относительности, гравитация описывается полем, то есть искривлением пространства-времени, создаваемым массой и энергией. Оно влияет на движение материи и света. Уравнения этой теории позволяют предсказывать как искривление лучей звезд, так и гравитационные волны от столкновений черных дыр, а также не раз выдержали проверку.

Магнитные поля на Солнце работают иначе. Их переплетенные линии пронизывают заряженную солнечную плазму, могут разрываться и соединяться заново. Этот процесс называют магнитным пересоединением, и именно он высвобождает энергию солнечных вспышек.

Исследователи давно подозревали, что гравитация имеет общие черты с магнитными полями, поскольку уравнения Эйнштейна можно переписать в форме, похожей на уравнения электромагнетизма. Однако до конца аналогии они не видели.

Все изменилось после предыдущей работы, которую Комисо и Асенхо опубликовали совместно с Маркарменом Винклером из Университета Адольфо Ибаньеса. Расчеты показали, что при определенных условиях гравитационные связи между различными участками как бы "замораживаются" и сохраняются, даже когда пространство-время изменяется. В плазме магнитные поля ведут себя точно так же.

Затем ученые вернулись к уравнениям Эйнштейна и проверили, что произойдет, если эти условия будут нарушены. Оказалось, что поля могут пересоединяться в новые конфигурации. Процесс соответственно назвали гравитационным пересоединением.

По словам Комисо, гравитационное поле образует не линии в трехмерном пространстве, а листы в четырехмерном пространстве-времени (три измерения пространства и одно – время). Как и линии магнитного поля, они не являются физическими объектами, а представляют собой математические структуры, помогающие представить поле. Они могут растягиваться, изгибаться и при определенных условиях разрываться и соединяться по-другому. Это не означает, что пространство-время разрывается. Изменение касается лишь того, как соединены различные его участки.

Зачем это нужно, если увидеть это явление невозможно?

Почувствовать или заметить такой эффект вряд ли удастся. Даже гравитационные волны от столкновения черных дыр изменяют длину плеч детектора LIGO (4 километра) менее чем на ширину протона.

Польза открытия в другом. Суперкомпьютеры уже моделируют изменения пространства-времени во время слияния черных дыр или коллапса звезд, но сами расчеты не объясняют, как именно передается энергия. С Солнцем то же самое. Физики могут смоделировать поведение плазмы, а магнитное пересоединение объясняет, почему она высвобождает энергию.

Так же как магнитное пересоединение изменило наше понимание того, как высвобождается магнитная энергия в плазме, гравитационное пересоединение может стать столь же мощным подходом к пониманию того, как гравитационные поля эволюционируют и обмениваются энергией и импульсом с материей, 
– добавил Комисо.

Где искать следы гравитационного пересоединения?

Пока что это лишь теоретическая возможность, а не явление, наблюдаемое в природе. Исследователи предполагают, что оно может происходить в различных астрофизических условиях, например, при слиянии черных дыр или коллапсе звезд. Комисо добавляет, что численные симуляции помогут определить условия, при которых оно возникает, и проследить, как оно развивается.

Особенно интересная возможность заключается в том, что пересоединение может оставлять характерный след в гравитационных волнах слияния черных дыр. Тогда симуляции подскажут, что именно искать в данных. По словам физика, его команда заложила теоретическую основу, но еще должна выяснить, при каких точных условиях этот процесс происходит в природе и какую роль он играет в астрофизических явлениях. Именно на этот вопрос ученые хотят ответить в дальнейшем.