CO TO JEST OSOBLIWOŚĆ?

Send

Odkąd naukowcy po raz pierwszy odkryli istnienie czarnych dziur w naszym wszechświecie, wszyscy zastanawialiśmy się: co mogłoby istnieć poza zasłoną tej strasznej pustki? Ponadto, odkąd po raz pierwszy zaproponowano teorię ogólnej teorii względności, naukowcy byli zmuszeni zastanawiać się, co mogło istnieć przed narodzinami Wszechświata - tj. Przed Wielkim Wybuchem?

Co ciekawe, te dwa pytania zostały rozwiązane (po pewnym czasie) dzięki teoretycznemu istnieniu czegoś znanego jako osobliwość grawitacyjna - punkt czasoprzestrzeni, w którym łamią się prawa fizyki, jakie znamy. I choć wciąż istnieją wyzwania i nierozwiązane problemy dotyczące tej teorii, wielu naukowców uważa, że pod zasłoną horyzontu zdarzeń i na początku Wszechświata tak właśnie było.

Definicja:

Z naukowego punktu widzenia osobliwość grawitacyjna (lub osobliwość czasoprzestrzenna) to miejsce, w którym wielkości używane do pomiaru pola grawitacyjnego stają się nieskończone w sposób, który nie zależy od układu współrzędnych. Innymi słowy, jest to punkt, w którym wszystkie prawa fizyczne są nierozróżnialne od siebie, w których przestrzeń i czas nie są już wzajemnie powiązanymi rzeczywistościami, lecz łączą się nierozróżnialnie i przestają mieć jakiekolwiek niezależne znaczenie.

Pochodzenie teorii:

Osobliwości zostały po raz pierwszy przypuszczone w wyniku teorii ogólnej teorii względności Einsteina, która zaowocowała teoretycznym istnieniem czarnych dziur. W gruncie rzeczy teoria przewidywała, że każda gwiazda sięgająca poza pewien punkt swojej masy (aka. Promień Schwarzschilda) wywiera siłę grawitacji tak intensywną, że zapada się.

W tym momencie nic nie byłoby w stanie uciec ze swojej powierzchni, w tym światła. Wynika to z faktu, że siła grawitacji przekraczałaby prędkość światła w próżni - 299 792 458 metrów na sekundę (1 079 252 848.8 km / h; 666.666.629 mph).

Zjawisko to znane jest jako Limit Chandrasekhar, nazwany na cześć indyjskiego astrofizyka Subrahmanyana Chandrasekhara, który zaproponował go w 1930 roku. Obecnie przyjmuje się, że przyjęta wartość tego limitu wynosi 1,39 Masy Słonecznej (tj. 1,39 masy Słońca), co daje imponującą wartość 2,765 x 10³⁰ kg (lub 2765 bilionów bilionów ton metrycznych).

Innym aspektem współczesnej ogólnej teorii względności jest to, że w czasie Wielkiego Wybuchu (tj. Początkowego stanu Wszechświata) istniała osobliwość. Zarówno Roger Penrose, jak i Stephen Hawking opracowali teorie, które próbowały odpowiedzieć na pytanie, w jaki sposób grawitacja może wytwarzać osobliwości, które ostatecznie połączyły się, aby być znane jako Twierdzenia o osobliwości Penrose'a-Hawkinga.

Zgodnie z twierdzeniem Penrose'a o osobliwości, które zaproponował w 1965 roku, podobna do czasu osobliwość pojawi się w czarnej dziurze, ilekroć materia osiągnie określone warunki energetyczne. W tym momencie krzywizna czasoprzestrzeni w czarnej dziurze staje się nieskończona, zamieniając ją w uwięzioną powierzchnię, na której czas przestaje funkcjonować.

Twierdzenie Hawking Singularity dodało do tego stwierdzenie, że osobliwość podobna do przestrzeni kosmicznej może wystąpić, gdy materia jest ściskana siłą do punktu, powodując załamanie reguł rządzących materią. Hawking prześledził to w czasie do Wielkiego Wybuchu, który, jak twierdził, był punktem o nieskończonej gęstości. Jednak Hawking później to zrewidował, twierdząc, że ogólna teoria względności załamuje się czasami przed Wielkim Wybuchem, a zatem nie można przewidzieć osobliwości.

Niektóre nowsze propozycje sugerują również, że Wszechświat nie zaczął się jako osobliwość. Należą do nich teorie, takie jak Loop Quantum Gravity, która próbuje ujednolicić prawa fizyki kwantowej z grawitacją. Teoria ta stwierdza, że z powodu efektów grawitacji kwantowej istnieje minimalna odległość, powyżej której grawitacja przestaje się zwiększać, lub że przenikające się fale cząstek maskują efekty grawitacyjne, które byłyby odczuwalne z pewnej odległości.

Rodzaje osobliwości:

Dwa najważniejsze rodzaje osobliwości czasoprzestrzennych są znane jako osobliwości krzywizny i osobliwości stożkowe. Osobliwości można również podzielić według tego, czy są objęte horyzontem zdarzeń, czy nie. W przypadku tego pierwszego masz krzywiznę i stożek; podczas gdy w tym drugim masz tak zwane nagie osobliwości.

Osobliwość krzywizny najlepiej ilustruje czarna dziura. W centrum czarnej dziury czasoprzestrzeń staje się jednowymiarowym punktem, który zawiera ogromną masę. W rezultacie grawitacja staje się nieskończona, a czasoprzestrzeń wygina się w nieskończoność, a prawa fizyki, jakie znamy, przestają działać.

Stożkowe osobliwości występują, gdy istnieje punkt, w którym granica każdej ogólnej ilości kowariancji jest skończona. W tym przypadku czasoprzestrzeń wygląda jak stożek wokół tego punktu, w którym osobliwość znajduje się na końcu stożka. Przykładem takiej stożkowej osobliwości jest kosmiczny sznurek, rodzaj hipotetycznego jednowymiarowego punktu, który, jak się uważa, uformował się we wczesnym Wszechświecie.

I, jak wspomniano, istnieje Naked Singularity, rodzaj osobliwości, który nie jest ukryty za horyzontem zdarzeń. Zostały one po raz pierwszy odkryte w 1991 roku przez Shapiro i Teukolsky'ego za pomocą komputerowych symulacji wirującej płaszczyzny pyłu, która wskazała, że ogólna teoria względności może pozwolić na „nagie” osobliwości.

W tym przypadku to, co faktycznie dzieje się w czarnej dziurze (tj. Jej osobliwość), byłoby widoczne. Taka osobliwość teoretycznie byłaby tym, co istniało przed Wielkim Wybuchem. Kluczowe słowo tutaj jest teoretyczne, ponieważ pozostaje tajemnicą, jak wyglądałyby te obiekty.

Na razie osobliwości i to, co faktycznie kryje się pod zasłoną czarnej dziury, pozostaje tajemnicą. Z biegiem czasu mamy nadzieję, że astronomowie będą mogli badać czarne dziury bardziej szczegółowo. Mamy również nadzieję, że w nadchodzących dziesięcioleciach naukowcy znajdą sposób na połączenie zasad mechaniki kwantowej z grawitacją, co rzuci jeszcze więcej światła na działanie tej tajemniczej siły.

Mamy wiele interesujących artykułów o osobliwościach grawitacyjnych tutaj w Space Magazine. Oto 10 interesujących faktów na temat czarnych dziur, jak wyglądałaby czarna dziura ?, Czy wielki wybuch to tylko czarna dziura? czarna dziura?

Jeśli chcesz uzyskać więcej informacji na temat osobliwości, sprawdź te artykuły z NASA i Physlink.

Astronomy Obsada ma kilka odpowiednich odcinków na ten temat. Oto odcinek 6: Więcej dowodów na wielki wybuch i odcinek 18: Czarne dziury duże i małe oraz odcinek 21: Pytania z czarnej dziury, na które odpowiedziano.

Źródła: