HVAD ER EN SINGULARITET?

Send

Lige siden forskere først opdagede eksistensen af sorte huller i vores univers, har vi alle undret os: hvad kunne der muligvis eksistere uden for det forfærdelige tomrums slør? Desuden er forskere blevet tvunget til at undre sig, lige siden teorien om generel relativitet blev første gang foreslået, hvad der kunne have eksisteret før universets fødsel - dvs. før Big Bang?

Interessant nok er disse to spørgsmål kommet til at blive løst (efter en måde) med den teoretiske eksistens af noget kendt som en Gravitational Singularity - et punkt i rum-tid, hvor fysikkens love, som vi kender dem, nedbrydes. Og selvom der stadig er udfordringer og uløste spørgsmål omkring denne teori, mener mange videnskabsfolk, at det var hvad der eksisterede under slør af en begivenhedshorisont og i begyndelsen af universet.

Definition:

I videnskabelige termer er en tyngdekraft-singularitet (eller rum-tid-singularitet) et sted, hvor de mængder, der bruges til at måle tyngdefeltet, bliver uendelige på en måde, der ikke afhænger af koordinatsystemet. Med andre ord er det et punkt, hvor alle fysiske love ikke kan skelnes fra hinanden, hvor rum og tid ikke længere er indbyrdes forbundne realiteter, men smelter sammen, der ikke kan skelnes og ophører med at have nogen uafhængig betydning.

Teoriens oprindelse:

Singulariteter blev først beregnet som et resultat af Einsteins teori om generel relativitet, hvilket resulterede i sorte hulers teoretiske eksistens. I det væsentlige forudsagde teorien, at enhver stjerne, der nåede ud over et bestemt punkt i sin masse (også kaldet Schwarzschild Radius), ville udøve en tyngdekraft så intens, at den ville kollapse.

På dette tidspunkt ville intet være i stand til at undslippe dens overflade, inklusive lys. Dette skyldes, at tyngdekraften ville overstige lysets hastighed i vakuum - 299.792.458 meter pr. Sekund (1.079.252.848,8 km / t; 670.616.629 mph).

Dette fænomen er kendt som Chandrasekhar Limit, opkaldt efter den indiske astrofysiker Subrahmanyan Chandrasekhar, der foreslog det i 1930. På nuværende tidspunkt antages den accepterede værdi af denne grænse at være 1,39 solmasser (dvs. 1,39 gange massen af vores sol), som fungerer til en kæmpe 2.765 x 10³⁰ kg (eller 2.765 billioner billion metriske tons).

Et andet aspekt af moderne generel relativitet er, at på tidspunktet for Big Bang (dvs. universets oprindelige tilstand) var en singularitet. Roger Penrose og Stephen Hawking udviklede begge teorier, der forsøgte at besvare, hvordan tyngdekraften kunne frembringe singulariteter, som til sidst fusionerede sammen for at være kendt som Penrose – Hawking Singularity Theorems.

I henhold til Penrose Singularity Theorem, som han foreslog i 1965, vil en tidslignende singularitet forekomme i et sort hul, når materien når visse energiforhold. På dette tidspunkt bliver rumtidens krumning i det sorte hul uendelig, hvilket gør det til en fanget overflade, hvor tiden ophører med at fungere.

Hawking Singularity Theorem tilføjede dette ved at oplyse, at en rumlignende singularitet kan forekomme, når materie med magt komprimeres til et punkt, hvilket får de regler, der styrer materie til at bryde sammen. Hawking spores dette tilbage i tiden til Big Bang, som han hævdede var et punkt med uendelig tæthed. Imidlertid revideret Hawking senere dette for at hævde, at den generelle relativitet bryder sammen til tider før Big Bang, og at der derfor ikke kunne forudsiges nogen entydighed af det.

Nogle nyere forslag antyder også, at universet ikke begyndte som en singularitet. Disse inkluderer teorier som Loop Quantum Gravity, der forsøger at forene lovgivningen om kvantefysik med tyngdekraften. Denne teori siger, at der på grund af kvante tyngdekrafteffekter er en minimal afstand, over hvilken tyngdekraften ikke længere fortsætter med at stige, eller at interpenetrerende partikelbølger maskerer tyngdekraftseffekter, der kunne mærkes på afstand.

Typer af singulariteter:

De to vigtigste typer rum-tid-singulariteter er kendt som Curvature Singularities og Conical Singularities. Singulariteter kan også opdeles, afhængigt af om de er dækket af en begivenhedshorisont eller ej. I tilfælde af førstnævnte har du krumningen og den koniske; mens i sidstnævnte har du det, der er kendt som Naked Singularities.

En krumningssangularitet eksemplificeres bedst af et sort hul. I midten af et sort hul bliver rumtid et endimensionelt punkt, der indeholder en enorm masse. Som et resultat bliver tyngdekraften uendelige og rum-tidskurver uendeligt, og fysikkens love, som vi kender dem, ophører med at fungere.

Koniske singulariteter opstår, når der er et punkt, hvor grænsen for enhver generel covariansmængde er begrænset. I dette tilfælde ser rumtid ud som en kegle omkring dette punkt, hvor singulariteten er placeret ved spidsen af keglen. Et eksempel på en sådan konisk singularitet er en kosmisk streng, en type hypotetisk, en-dimensionelt punkt, der menes at have dannet sig i det tidlige univers.

Og som nævnt er der Naked Singularity, en type singularitet, som ikke er skjult bag en begivenhedshorisont. Disse blev først opdaget i 1991 af Shapiro og Teukolsky ved hjælp af computersimuleringer af et roterende støvplan, der indikerede, at generel relativitet muligvis kunne give "nøgne" entaliteter.

I dette tilfælde ville det, der faktisk transpirerer inden i et sort hul (dvs. dets singularitet) være synligt. En sådan singularitet ville teoretisk være det, der eksisterede før Big Bang. Nøgleordet her er teoretisk, da det forbliver et mysterium, hvordan disse objekter ville se ud.

For øjeblikket forbliver singulariteter og hvad der faktisk ligger under sløret af et sort hul et mysterium. Når tiden går, håbes det, at astronomer vil være i stand til at studere sorte huller mere detaljeret. Man håber også, at forskere i de kommende årtier vil finde en måde at flette kvantemekanikens principper med tyngdekraft på, og at dette vil kaste yderligere lys over, hvordan denne mystiske styrke fungerer.

Vi har mange spændende artikler om gravitationsangivelser her på Space Magazine. Her er 10 interessante fakta om sorte huller, hvordan ser et sort hul ud ?, Var Big Bang bare et sort hul ?, farvel Big Bang, hej sort hul ?, Hvem er Stephen Hawking ?, og hvad er der på den anden side af et sort hul?

Hvis du vil have mere information om singularitet, kan du tjekke disse artikler fra NASA og Physlink.

Astronomy Cast har nogle relevante episoder om emnet. Her er afsnit 6: Mere bevis for Big Bang og afsnit 18: Black Holes Big and Small og Episode 21: Black Hole Spørgsmål besvaret.

Kilder: