當我們想到黑洞時，我們可能會想像一個巨大的宇宙泰坦，貪婪地吞噬任何不幸落入其引力影響範圍內的物質。更深入地思考，我們可能會想像這種掠奪性的宇宙野獸是由大質量恆星核心的爆炸性塌陷形成的。也許我們還想像一個位於星系中心的超大質量黑洞，它是由較小黑洞之間的多次合併形成的，其質量達到太陽的數百萬甚至數十億倍。
無論這張圖有多準確，許多科學家長期以來一直懷疑它只是黑洞的冰山一角，這僅代表一類「天文物理黑洞」。這些研究人員推測，黑洞也可以以更小的尺寸形成，不需要大質量恆星或先前黑洞對的存在和死亡。特別是，許多科學家認為，質量與中型小行星相當的小黑洞可能是由大爆炸後充滿宇宙的熾熱緻密物質的密度波動直接形成的。這些物體仍然是假設的，因為它們存在的證據已被證明難以捉摸。然而，這並沒有阻止研究人員思考非天體物理黑洞及其形成途徑。
法蘭克福歌德大學和維也納理工大學 (TU Wien) 科學家的一項新研究表明，當空間和時間本身的結構（被稱為「時空」的四維實體）經歷臨界坍縮並組織成規則的晶體狀排列時，就會形成微小的黑洞。儘管這個想法並不是全新的，但該團隊已成為第一個用數學方法描述這種轉變的團隊。更令人震驚的是，他們只用了一支筆和一張紙！
雖然天體物理黑洞是由宇宙中一些最巨大、最猛烈的事件形成的，例如核心塌縮的超新星或黑洞合併，這些事件使時空結構與引力波產生迴響，可以在數百萬甚至數十億光年之外“聽到”，但研究小組發現，這些關鍵的板塊只能在黑洞誕生時出現。
維也納工業大學的團隊成員丹尼爾·格魯米勒 (Daniel Grumiller) 告訴 Space.com：“有時，一個看似微不足道的小原因足以引起巨大而戲劇性的變化。” “如果你有一個空間晶體，並且注入任意少量的能量，這些微小的黑洞就會形成——有點像當你稍微冷卻水並搖動它使其結晶時所得到的。”
格魯米勒進一步解釋說，當液態水達到冰點時，只需要很小的變化就能使水分子自發性地以規則的方式排列並形成冰晶。研究小組推測，即使時空結構發生微小的變化，也可能形成重複的模式，導致空間晶體的出現。這可能會啟動嚴重崩潰的過程。
格魯米勒說：“你可以將臨界空間晶體想像成冰點下的水；儘管它仍然是水，但它已經‘了解’了冰，微小的擾動可以將 0 攝氏度的水變成冰，反之亦然。”
進入左側舞台空間
愛因斯坦在 1915 年的引力理論（廣義相對論）中提出，質量粒子會導致時空結構彎曲。這意味著當粒子穿過時空時，它們會影響時空本身的結構。這是愛因斯坦重新思考重力的革命性的事情：對牛頓來說，空間和時間只是一個舞台，宇宙、能量和物質的演員在上面發揮自己的作用。對愛因斯坦來說，時空是生產的一部分。正是這種正面作用使得天文物理黑洞得以形成 和 他們的小對手。
「我們說時空是由質量彎曲的，」法蘭克福歌德大學理論物理研究所的克里斯蒂安·埃克說。 在一份聲明中說。 「像恆星這樣的大物體會強烈彎曲時空——例如，當光線被大質量恆星偏轉時，我們可以觀察到這一點。但較小的質量也會產生時空彎曲，只是程度較小。」然而，由於小黑洞比天體物理上的對應物更熱，它們會迅速將被稱為「霍金輻射」的熱輻射洩漏到寒冷的太空中；這些黑洞會迅速蒸發。
「這種空間晶體是一個非常特殊和迷人的物體。它是一種中間狀態，一個可以向兩個不同方向演化的不穩定點，」格魯米勒繼續說道。 「一段時間後，不穩定就會出現，時空晶體要么在輻射中消散，要么塌縮成一個小黑洞。如果晶體塌縮成黑洞，它將是經典穩定的。”
格魯米勒解釋說，這項研究帶來的一個驚喜是，在提出廣義相對論方程式的解時，他們對這個過程的數學描述是多麼簡單。
「我們為空間晶體提供了第一個紙筆解決方案。在我們的工作之前，只有數值模擬，但沒有愛因斯坦方程式的精確解，」格魯米勒說。 “我們感到驚訝的是，這些解決方案如此簡單，只需幾行程式碼即可完成，並且僅涉及基本函數 – 考慮到相應數值模擬的複雜性需要數千小時的計算機處理，這是非常出乎意料的。”
當然，這一切都很棒，但它證明了臨界黑洞會坍縮 能 存在，而這條路徑可能在大爆炸後立即在緻密、富含粒子的條件下產生了原始黑洞，但這並不能證明原始黑洞存在。
「如果我們幸運的話，我們的實驗同事將在某個時候探測到原始黑洞。但即使這種情況永遠不會發生，理解臨界坍縮也意味著理解廣義相對論中重要且概念豐富的部分，廣義相對論是我們目前最好的引力理論，」格魯米勒總結道。 “我們的下一步是找出我們對時空臨界晶體行為的各種猜想是否正確。”
該團隊的研究發表在該雜誌五月版上 物理評論論文。
