Kopš zinātnieki pirmo reizi atklāja melno caurumu esamību mūsu Visumā, mēs visi esam domājuši: kas varētu pastāvēt ārpus šī briesmīgā tukšuma plīvura? Turklāt kopš brīža, kad pirmo reizi tika ierosināta vispārējās relativitātes teorija, zinātnieki bija spiesti domāt, kas varēja pastāvēt pirms Visuma dzimšanas - t.i., pirms lielā sprādziena?
Interesanti, ka šie divi jautājumi ir nācies atrisināt (pēc formas) ar teorētisku eksistenci, kas zināma kā gravitācijas singularitāte - punkts telpā-laikā, kurā tiek sagrauti fizikas likumi, kā mēs tos zinām. Un, lai gan joprojām pastāv izaicinājumi un neatrisināti jautājumi par šo teoriju, daudzi zinātnieki uzskata, ka zem notikumu horizonta un Visuma sākuma plīvura tas bija tas, kas pastāvēja.
Definīcija:
Zinātniskā ziņā gravitācijas singularitāte (vai telpas-laika singularitāte) ir vieta, kur gravitācijas lauka mērīšanai izmantotie lielumi kļūst bezgalīgi tādā veidā, kas nav atkarīgs no koordinātu sistēmas. Citiem vārdiem sakot, tas ir punkts, kurā visi fizikālie likumi nav atšķirami viens no otra, kurā telpa un laiks vairs nav savstarpēji saistītas realitātes, bet gan nesaraujami saplūst un zaudē jebkādu neatkarīgu nozīmi.
Teorijas izcelsme:
Singularitātes vispirms tika noteiktas Einšteina vispārējās relativitātes teorijas rezultātā, kā rezultātā teorētiski pastāvēja melnie caurumi. Būtībā teorija paredzēja, ka jebkura zvaigzne, kas pārsniedz noteiktu masas punktu (aka Schwarzschild rādiusu), iedarbinās tik intensīvu gravitācijas spēku, ka tā sabruks.
Šajā brīdī nekas nespēs izbēgt no tā virsmas, ieskaitot gaismu. Tas ir saistīts ar faktu, ka gravitācijas spēks pārsniegtu gaismas ātrumu vakuumā - 299 792 458 metrus sekundē (1 079 252 888,8 km / h; 670 616 629 jūdzes stundā).
Šīs parādības sauc par Čandrasekara limitu, kas nosaukts pēc Indijas astrofiziķa Subrahmanjana Čandrasekara, kurš to ierosināja 1930. gadā. Pašlaik tiek uzskatīts, ka šīs robežas pieņemtā vērtība ir 1,39 saules masas (ti, 1,39 reizes lielāka par mūsu saules masu), kas iznāk līdz milzīgam 2,765 x 1030 kg (vai 2765 triljoni triljonu tonnu).
Vēl viens mūsdienu vispārējās relativitātes aspekts ir tāds, ka lielā sprādziena laikā (t.i., Visuma sākotnējā stāvoklī) bija singularitāte. Rodžers Penrozs un Stīvens Hokings abi izstrādāja teorijas, kas mēģināja atbildēt, kā gravitācija varētu radīt singularitātes, kuras galu galā saplūda kopā un kļuva pazīstamas kā Penrozes – Hokingas singularitātes teorijas.
Saskaņā ar Penrose Singularity Theorem, kuru viņš ierosināja 1965. gadā, laikam līdzīga singularitāte notiks melnajā caurumā, kad matērija sasniedz noteiktus enerģijas apstākļus. Šajā brīdī telpas-laika izliekums melnajā caurumā kļūst bezgalīgs, tādējādi pārvēršot to ieslodzītā virsmā, kur laiks pārstāj darboties.
Hjūkinga singularitātes teorēma tam pievienoja, norādot, ka kosmosam līdzīgā singularitāte var rasties, kad matērija tiek piespiesta līdz punktam, izraisot matērijas pārvaldošo likumu sadalīšanos. Hokings to savlaicīgi izsekoja līdz Lielajam sprādzienam, kurš, viņaprāt, bija bezgalīga blīvuma punkts. Tomēr Hokings vēlāk to pārskatīja, apgalvojot, ka vispārējā relativitāte sabojājas reizēs pirms Lielā sprādziena, un tāpēc tā nevarēja paredzēt, ka tā varētu izcelties.
Daži jaunāki priekšlikumi arī liek domāt, ka Visums nesākās kā singularitāte. Tie ietver tādas teorijas kā Loop Quantum Gravity, kas mēģina kvantu fizikas likumus apvienot ar gravitācijas spēku. Šī teorija apgalvo, ka kvantu gravitācijas efektu dēļ ir minimālais attālums, kuru pārsniedzot gravitācija vairs nepalielinās, vai ka daļiņu viļņu savstarpēji caururbjošie maskē gravitācijas efektus, kas būtu jūtami no attāluma.
Singularitātes veidi:
Divi vissvarīgākie telpas-laika singularitātes veidi ir zināmi kā izliekuma singularitātes un koniskās singularitātes. Singularitātes var arī iedalīt atkarībā no tā, vai uz tām attiecas notikumu horizonts. Pirmajā gadījumā jums ir izliekums un konisks; tā kā pēdējā gadījumā jums ir tā dēvētās neapbruņotās atšķirības.
Par izliekuma singularitāti vislabāk liecina melnais caurums. Melnā cauruma centrā telpas laiks kļūst par viendimensionālu punktu, kurā ir milzīga masa. Tā rezultātā gravitācija kļūst bezgalīga un telpas-laika līknes bezgalīgi, un fizikas likumi, kā mēs tos zinām, pārstāj darboties.
Koniskas atšķirības rodas, ja ir punkts, kurā katra vispārējā kovariācijas daudzuma robeža ir ierobežota. Šajā gadījumā telpas laiks izskatās kā konuss ap šo punktu, kur singularitāte atrodas konusa galā. Šādas koniskas singularitātes piemērs ir kosmiskā virkne - hipotētiska viendimensionāla punkta tips, kas, domājams, ir izveidojies agrīnā Visuma laikā.
Un, kā minēts, pastāv neapbruņotā singularitāte - tāda veida savdabība, kas nav paslēpta aiz notikumu horizonta. Tos pirmo reizi 1991. gadā atklāja Šapiro un Teukolskis, izmantojot datormodelējošas putekļu rotējošas plaknes simulācijas, kas norādīja, ka vispārējā relativitāte varētu atļaut “neapbruņotu” īpatnības.
Šajā gadījumā būtu redzams, kas faktiski atklājas melnajā caurumā (t.i., tā savdabība). Šāda atšķirība teorētiski būtu tāda, kāda pastāvēja pirms Lielā sprādziena. Atslēgas vārds šeit ir teorētisks, jo paliek noslēpums, kā šie objekti izskatās.
Pagaidām noslēpums paliek tas, vai īpatnības un kas patiesībā slēpjas zem melnā cauruma plīvura. Laikam ejot, ir cerība, ka astronomi spēs sīkāk izpētīt melnos caurumus. Ir arī cerība, ka nākamajās desmitgadēs zinātnieki atradīs veidu, kā kvantu mehānikas principus apvienot ar gravitācijas spēku, un tas vēl vairāk parādīs, kā darbojas šis noslēpumainais spēks.
Vietnes Space Magazine mums ir daudz interesantu rakstu par gravitācijas atšķirībām. Šeit ir 10 interesanti fakti par melnajiem caurumiem, kā varētu izskatīties melnais caurums ?, Vai lielais sprādziens bija tikai melns caurums?, Ardievas lielais sprādziens, Sveiks, melnais caurums ?, Kas ir Stefans Hokings ?, un kas ir otrā pusē melnais caurums?
Ja vēlaties iegūt vairāk informācijas par savdabīgumu, skatiet šos rakstus no NASA un Physlink.
Astronomijas cast ir dažas atbilstošas epizodes par šo tēmu. Šeit ir 6. epizode: vairāk pierādījumu par lielo sprādzienu un 18. epizode: melni caurumi lieli un mazi un 21. epizode: Atbildēti jautājumi par melnajiem caurumiem.
Avoti:
- Wikipedia - gravitācijas singularitāte
- Stefans Hokings - laika sākums
- Visuma fizika - īpatnības
- Einšteins tiešsaistē - Kosmosa laika īpatnības
