Azóta, hogy a tudósok először fedezték fel fekete lyukak létezését univerzumunkban, mindannyian elgondolkodtunk: mi lehet a szörnyű üresség fátyolán túl? Ezenkívül az általános relativitáselmélet első javaslatának kezdete óta a tudósokat arra kényszerítették, hogy vajon mi létezhetne az univerzum születése előtt - azaz a Nagyrobbanás előtt?
Érdekes módon ez a két kérdés (divat után) megoldódott valami, a Gravitációs Singularitás néven ismert elméleti létezésével - egy olyan pont a téridőben, ahol a fizika törvényei, ahogyan tudjuk, megsemmisülnek. És bár ennek az elméletnek továbbra is vannak kihívásai és megoldatlan kérdései, sok tudós úgy gondolja, hogy ez volt az esemény láthatárának fátyol alatt és a Világegyetem elején.
Meghatározás:
Tudományos szempontból a gravitációs szingularitás (vagy a tér-idő szingularitás) olyan hely, ahol a gravitációs mező mérésére használt mennyiségek végtelenek olyan módon, amely nem függ a koordinátarendszertől. Más szavakkal, ez egy olyan pont, amelyben az összes fizikai törvény megkülönböztethető egymástól, ahol a tér és az idő már nem kapcsolódnak egymáshoz kapcsolódó realitásokhoz, hanem megkülönböztethetetlenül egyesülnek és megszűnnek független jelentéseik.
Az elmélet eredete:
A szingularitásokat először Einstein általános relativitáselméletének eredményeként feltételezték, amely a fekete lyukak elméleti létezését eredményezte. Lényegében az elmélet azt jósolta, hogy minden olyan csillag, amely túllép egy tömeg egy bizonyos pontján (más néven: a Schwarzschild sugár), olyan intenzív gravitációs erőt fog kifejteni, hogy összeomlik.
Ezen a ponton semmi sem képes megmenekülni a felületétől, beleértve a fényt is. Ennek oka az a tény, hogy a gravitációs erő meghaladná a fénysebességet vákuumban - 299 792 458 méter másodpercenként (1 079 252 888,8 km / h; 670,616,629 mph).
Ezt a jelenséget Chandrasekhar-korlátnak nevezik, amelyet az 1930-ban javaslatot tevő Subrahmanyan Chandrasekhar indiai asztrofizikus nevében adtak. Jelenleg ennek a határnak az elfogadott értéke 1,39 napenergia (azaz napunk tömegének 1,39-szerese), ami egy óriási 2,765 x 10-es méretű30 kg (vagy 2765 trillió billió tonnát).
A modern általános relativitás másik aspektusa az, hogy a nagy robbanás idején (azaz a világegyetem kezdeti állapota) szingularitás volt. Roger Penrose és Stephen Hawking egyaránt kifejlesztettek olyan elméleteket, amelyek megkísérelték megválaszolni, hogy a gravitáció hogyan hozhat létre szingularitásokat, amelyek végül összeolvadtak, hogy Penrose – Hawking szingularitás-tételeknek nevezzék.
Az 1965-ben javasolt Penrose-szingularitási tétel szerint az időszerű szingularitás akkor fordul elő egy fekete lyukon belül, amikor az anyag eléri bizonyos energiafeltételeket. Ezen a ponton a fekete-lyukon belüli téridő görbülete végtelenné válik, így csapdába eső felületre fordul, ahol az idő megszűnik.
A Hawking-szingularitás-tétel hozzátette, hogy kijelenti, hogy egy űrszerű szingularitás akkor fordulhat elő, amikor az anyagot erőszakos erővel összenyomják, ami az anyagot szabályozó szabályok lebontását okozza. Hawking visszavezette ezt időben a Nagyrobbanásig, amely állítása szerint végtelen sűrűségű pont volt. Hawking azonban később ezt felülvizsgálta, állítva, hogy az általános relativitáselmélet a Nagyrobbanást megelőző esetekben leromlik, és ezért a szingularitás nem jósolható meg.
Néhány újabb javaslat azt is sugallja, hogy az Univerzum nem szingularitásként kezdődött. Ide tartoznak az olyan elméletek, mint a Loop Quantum Gravity, amely megkísérelte a kvantumfizika törvényeit a gravitációval egyesíteni. Ez az elmélet kijelenti, hogy a kvantitatív gravitációs hatások miatt van egy minimális távolság, amelyen a gravitáció már nem növekszik tovább, vagy hogy az áthatolódó részecskehullámok elfedik a gravitációs hatásokat, amelyeket távolról érezhetnének.
A szingularitások típusai:
A tér-idő szingularitások két legfontosabb típusát görbület-szingularitásoknak és kúpos szingularitásoknak nevezik. A szingularitásokat meg lehet osztani annak alapján is, hogy egy eseményhorizont lefedi-e őket vagy sem. Az előbbi esetben a görbület és a kúp alakod van; míg az utóbbiban vannak meztelen szingularitások.
A görbület szingularitását legjobban egy fekete lyuk szemlélteti. A fekete lyuk közepén a téridő egydimenziós ponttá válik, amely hatalmas tömeget tartalmaz. Ennek eredményeként a gravitáció végtelenné válik, a tér-idő görbe végtelenül, és a fizika törvényei, amint tudjuk, megszűnnek.
Kúpos szingularitások akkor fordulnak elő, amikor van egy pont, ahol minden általános kovarianciamennyiség korlátozott. Ebben az esetben a téridő úgy néz ki, mint egy kúp ezen a ponton, ahol a szingularitás a kúp végén található. Egy ilyen kúpos szingularitás példa egy kozmikus húr, egy hipotetikus egydimenziós pont típusa, amelyről azt gondolják, hogy a korai világegyetem alatt kialakult.
És amint már említettük, létezik a meztelen szingularitás is, egy olyan szingularitás, amelyet nem rejt el az eseményhorizont mögött. Ezeket először 1991-ben Shapiro és Teukolsky fedezte fel egy forgó poros sík számítógépes szimulációjával, amely jelezte, hogy az általános relativitás lehetővé teszi a „meztelen” szingularitásokat.
Ebben az esetben látható lesz az, ami valójában egy fekete lyukon belül fordul elő (azaz szingularitása). Ilyen szingularitás elméletileg az lenne, amely létezett a Nagyrobbanás előtt. A kulcsszó itt az elmélet, mivel rejtély marad, hogy ezek a tárgyak hogyan néznének ki.
A szingularitások és a fekete lyuk fátyolja alatt rejlő rejtély egyelőre rejtély marad. Az idő múlásával remélhetőleg a csillagászok képesek lesznek részletesebben tanulmányozni a fekete lyukakat. Remélhetőleg az is, hogy a következő évtizedekben a tudósok megtalálják a módját a kvantummechanika alapelveinek a gravitációval történő összeolvadására, és ez továbbvilágítja, hogy ez a titokzatos erő hogyan működik.
Sok érdekes cikk található a gravitációs szingularitásokról itt a Space Magazine-ban. Itt található 10 érdekes tény a fekete lyukakról: Milyen lenne egy fekete lyuk ?, volt a Big Bang csak egy fekete lyuk ?, búcsút Big Bang, Hello Black Hole ?, ki az a Stephen Hawking?, És mi a másik egy fekete lyuk?
Ha további információt szeretne a szingularitásról, nézd meg ezeket a NASA és a Physlink cikkeket.
A Csillagászat Cast néhány releváns epizódot tartalmaz a témában. Íme: 6. epizód: További bizonyítékok a nagyrobbanáshoz és a 18. epizód: Nagy és kicsi fekete lyukak és 21. epizód: Megválaszolt kérdések a fekete lyukról.
Forrás:
- Wikipedia - Gravitációs szingularitás
- Stephen Hawking - az idő kezdete
- Az univerzum fizikája - szingularitások
- Einstein Online - Az űridő szingularitásai
