Tento podivný „krystal časoprostoru“ se může náhle stát černou dírou

Foto: AI/ScienceDaily.com

Podivný krystal časoprostoru

Vědci z výzkumných organizací objevili podivný stav krystalu časoprostoru, který se může náhle proměnit v mikroskopickou černou díru. Fyzici konečně našli způsob, jak tento proces matematicky popsat.

Autor původního článku: redakce

Datum: 30. srpna 2026
Zdroj: Vienna University of Technology
Souhrn: Fyzici matematicky zachytili bizarní „krystal časoprostoru“, který se může buď rozpustit, nebo zhroutit do mikroskopické černé díry po pouhé malé změně energie. Jejich průlom přišel díky neobvyklému triku zahrnujícímu nekonečně mnoho dimenzí, což potenciálně poskytuje vědcům nový nástroj pro studium primordiálních a mikroskopických černých děr.

Formování mikroskopických černých děr

Mikroskopické černé díry mohou vznikat, když se časoprostor krátce organizuje do podivného, krystalovitého vzoru. Fyzika umožňuje existenci černých děr mnohem menších než obrovské objekty, které se obvykle nacházejí v centrech galaxií nebo vznikají při kolapsu masivních hvězd. Za správných podmínek by mohly vzniknout mikroskopické černé díry, když časoprostor vstoupí do neobvyklého kritického stavu a zorganizuje se do opakujícího se, krystalovitého vzoru.

Výzkumníci z Goethe University Frankfurt a TU Wien nyní našli způsob, jak tento proces matematicky popsat. Poprvé odvodili přesný vzorec pro tento jev pomocí nekonvenčního matematického přístupu.

Kritický kolaps a jeho důsledky

Nejznámější černé díry jsou spojeny s násilnými kosmickými událostmi, včetně smrti masivních hvězd. Teoreticky však neexistuje žádný přísný dolní limit velikosti. Extrémně malé černé díry by mohly vzniknout ze speciálních kritických stavů, ve kterých i malý přírůstek energie může určit, zda se systém rozptýlí nebo zhroutí. Takové podmínky mohly existovat v raném vesmíru, krátce po Velkém třesku, kdy byla hmota a energie zabalena do intenzivně chaotického prostředí. Takové okolnosti by mohly potenciálně produkovat primordiální černé díry.

Počítačové simulace již ukázaly, že tyto neobvyklé kritické struktury by měly být možné. Výzvou bylo najít matematický popis, který by mohl reprodukovat to, co simulace odhalily. Výzkumníci z Goethe University Frankfurt a TU Wien to nyní dokázali s formulí, kterou lze analyticky vyřešit, pomocí toho, co vědci popisují jako v podstatě papír a tužku.

Jak malá změna může vyvolat kolaps

„Někdy je malá, zdánlivě nevýznamná příčina dostatečná k vyvolání obrovské a dramatické změny,“ říká Prof. Daniel Grumiller z TU Wien. „Vezměte si například kapalnou vodu při nula stupních Celsia. Velmi malá změna stačí k tomu, aby voda zmrzla. Molekuly vody se pak spontánně uspořádají do pravidelného vzoru a vytvoří ledový krystal.“

Einsteinova teorie relativity naznačuje, že časoprostor může procházet něčím konceptuálně podobným. Hmota ovlivňuje geometrie časoprostoru a změny v rozložení částic mohou proto měnit jeho zakřivení. „Říkáme, že časoprostor je zakřivený hmotou,“ vysvětluje Christian Ecker z Institutu pro teoretickou fyziku na Goethe University Frankfurt. „Velké objekty, jako jsou hvězdy, zakřivují časoprostor silně – například to můžeme pozorovat, když jsou světelné paprsky odkloněny masivními hvězdami. Ale i menší hmoty produkují zakřivení časoprostoru, jen v menší míře.“

Za kritických podmínek se toto zakřivení může uspořádat do opakujícího se vzoru napříč prostorem a časem. Výzkumníci popisují výslednou strukturu jako druh „krystalu časoprostoru“. Proces, který produkuje tento jemně vyvážený stav, je známý jako kritický kolaps.

Predikce černé díry z roku 1993

Počítačové simulace poprvé naznačily v roce 1993, že černé díry by mohly vzniknout spontánně prostřednictvím tohoto druhu kritického chování. Fyzici strávili desetiletí pokusy reprodukovat proces pomocí matematických rovnic, ale odvození potřebných vzorců se ukázalo jako mimořádně obtížné.

Výzkumníci z Vídně a Frankfurtu našli způsob, jak tento problém obejít změnou počtu dimenzí, ve kterých prováděli výpočty. „Náš vesmír má čtyři dimenze – tři dimenze prostoru a jednu dimenzi času,“ vysvětluje Christian Ecker. „Ale v principu nic nebrání tomu, abychom psali fyzikální rovnice pro větší počet dimenzí – pět dimenzí, čtyřicet dva dimenzí nebo dokonce nekonečně mnoho.“

Řešení čtyřdimenzionální fyziky s nekonečnými dimenzemi

Mohlo by se zdát, že přidání dimenzí by již tak obtížný problém ještě více zkomplikovalo. Překvapivě se může stát opak. Výzkumníci zjistili, že určité složité výpočty se stávají mnohem jednoduššími, když se počet dimenzí blíží nekonečnu.

Tým nejprve analyzuje problém v tomto hypotetickém prostředí s nekonečně mnoha dimenzemi. Výzkumníci pak mohou zkoumat, zda lze výsledné řešení přeložit zpět do vesmíru s menším počtem dimenzí, včetně čtyřdimenzionálního časoprostoru, ve kterém žijeme. Tato matematická odbočka umožnila vědcům získat informace o kritickém kolapsu, které bylo dříve extrémně obtížné získat analyticky.

„Naše technika se ukazuje jako pozoruhodně stabilní. V závislosti na požadované přesnosti můžeme systematicky zlepšovat naše vzorce pomocí dalších aproximačních metod,“ říká Florian Ecker z TU Wien. „To nám dává nový způsob, jak studovat jevy související s černými dírami, které dříve nebylo možné analyzovat analyticky.“

Přístup by mohl poskytnout fyzikům nový způsob, jak studovat formování černých děr a další extrémní chování časoprostoru bez spoléhání se výhradně na numerické počítačové simulace.