Rewolucyjna ogólna teoria względności Alberta Einsteina opisuje grawitację jako krzywiznę w strukturze czasoprzestrzeni. Matematycy z University of California w Davis opracowali nowy sposób marszczenia tej tkaniny, jednocześnie zastanawiając się nad falami uderzeniowymi.
„Pokazujemy, że czasoprzestrzeń nie może być lokalnie płaska w punkcie, w którym zderzają się dwie fale uderzeniowe” - mówi Blake Temple, profesor matematyki na Uniwersytecie Kalifornijskim w Davis. „To nowy rodzaj osobliwości w ogólnej teorii względności.”
Temple i jego współpracownicy badają matematykę wpływu fal uderzeniowych w doskonałym płynie na krzywiznę czasoprzestrzeni. Ich nowe modele dowodzą, że osobliwości pojawiają się w miejscach zderzenia fal uderzeniowych. Modele matematyczne Voglera symulowały zderzenie dwóch fal uderzeniowych. Reintjes przeprowadził analizę równań opisujących, co dzieje się, gdy fale uderzeniowe krzyżują się. Nazwany osobliwością stworzył „osobliwość regularności”.
„Co jest zaskakujące” - powiedział Temple dla czasopisma „Space Magazine” - to, że coś tak przyziemnego jak interakcja fal może spowodować coś tak ekstremalnego jak osobliwość czasoprzestrzenna - aczkolwiek bardzo łagodny nowy rodzaj osobliwości. Zaskakujące jest również to, że tworzą one w najbardziej fundamentalnych równaniach ogólnej teorii względności Einsteina, równania dla idealnego płynu.
Wyniki zostały przedstawione w dwóch artykułach Temple z doktorantami Moritzem Reintjesem i Zeke Vogler w czasopiśmie Proceedings of the Royal Society A.
Einstein zrewolucjonizował współczesną fizykę swoją ogólną teorią względności opublikowaną w 1916 r. W skrócie teoria opisuje przestrzeń jako czterowymiarową tkaninę, która może być wypaczona przez energię i przepływ energii. Grawitacja ukazuje się jako skrzywienie tej tkaniny. „Teoria zaczyna się od założenia, że czasoprzestrzeń (4-wymiarowa powierzchnia, a nie 2-wymiarowa jak kula), jest również„ lokalnie płaska ”, wyjaśnia Temple. Twierdzenie „Reintjesa” dowodzi, że w momencie oddziaływania fali uderzeniowej [czasoprzestrzeń] jest zbyt „pomarszczona”, by być lokalnie płaskim ”.
Powszechnie myślimy o czarnej dziurze jako o jej osobliwości. Ale to tylko część wyjaśnienia. Wewnątrz czarnej dziury krzywizna czasoprzestrzeni staje się tak stroma i ekstremalna, że nie może uciec żadna energia, nawet światło. Temple mówi, że osobliwość może być bardziej subtelna, w przypadku której nie można zrobić tylko plamy czasoprzestrzeni, aby wyglądała lokalnie płasko w żadnym układzie współrzędnych.
„Lokalnie płaskie” odnosi się do przestrzeni, która z pewnej perspektywy wydaje się płaska. Nasz widok Ziemi z powierzchni jest dobrym przykładem. Ziemia wygląda płasko dla marynarza na środku oceanu. Dopiero gdy oddalimy się od powierzchni, zakrzywienie Ziemi stanie się widoczne. Teoria ogólnej teorii względności Einsteina zaczyna się od założenia, że czasoprzestrzeń jest lokalnie płaska. Fale uderzeniowe powodują nagłą zmianę lub nieciągłość w ciśnieniu i gęstości płynu. To powoduje skok krzywizny czasoprzestrzeni, ale niewystarczający do stworzenia „marszczenia” widocznego w modelach zespołu, mówi Temple.
Najfajniejszą częścią odkrycia dla Temple jest to, że wszystko, jego wcześniejsze prace nad falami uderzeniowymi podczas Wielkiego Wybuchu oraz połączenie pracy Voglera i Reintjesa, pasują do siebie.
Tyle jest szczęścia - mówi Temple. „To dla mnie naprawdę najfajniejsza część.
Podoba mi się, że jest tak subtelny. Podoba mi się, że matematyczne pole teorii fal uderzeniowych, stworzone w celu rozwiązania problemów, które nie miały nic wspólnego z ogólną teorią względności, doprowadziło nas do odkrycia nowego rodzaju osobliwości czasoprzestrzennej. Myślę, że to bardzo rzadka rzecz i nazwałbym to odkryciem jednego pokolenia ”.
Podczas gdy model dobrze prezentuje się na papierze, Temple i jego zespół zastanawiają się, jak strome gradienty w czasoprzestrzeni przy „osobliwości regularności” mogą powodować większe niż oczekiwane efekty w świecie rzeczywistym. Ogólna teoria względności przewiduje, że fale grawitacyjne mogą być wytwarzane przez zderzenie masywnych obiektów, takich jak czarne dziury. „Zastanawiamy się, czy eksplodująca gwiezdna fala uderzeniowa uderzająca w implodujący szok na skraju zawalenia może stymulować silniejsze niż oczekiwano fale grawitacyjne”, mówi Temple. „Nie może się to zdarzyć w symetrii sferycznej, co zakłada nasze twierdzenie, ale w zasadzie mogłoby się zdarzyć, gdyby symetria została nieco złamana”.
Podpis pod zdjęciem: Odwzorowanie przez artystę czasoprzestrzeni na początku Wielkiego Wybuchu. John Williams / TerraZoom
