КАКВО Е СИНГУЛЯРНОСТ?

Send

Откакто учените откриха за пръв път съществуването на черни дупки в нашата Вселена, всички се чудехме: какво е възможно да съществува извън завесата на тази страшна празнота? Освен това, откакто за първи път е предложена теорията за общата относителност, учените са били принудени да се чудят какво би могло да съществува преди раждането на Вселената - тоест преди Големия взрив?

Интересното е, че тези два въпроса бяха разрешени (след мода) с теоретичното съществуване на нещо, известно като Гравитационна сингулярност - точка в пространството-времето, в която законите на физиката, както ги познаваме, се разпадат. И макар да остават предизвикателства и нерешени въпроси за тази теория, много учени смятат, че под завесата на хоризонт на събитията и в началото на Вселената това е съществувало.

Определение:

В научно отношение гравитационната сингулярност (или пространствено-времевата сингулярност) е място, където величините, които се използват за измерване на гравитационното поле, стават безкрайни по начин, който не зависи от координатната система. С други думи, това е момент, в който всички физически закони са неразличими един от друг, където пространството и времето вече не са взаимосвързани реалности, а се сливат неразривно и престават да имат независимо значение.

Произход на теорията:

Сингулярностите бяха първоначално предсказани в резултат на Теорията на общата относителност на Айнщайн, която доведе до теоретичното съществуване на черни дупки. По същество теорията предвиждаше, че всяка звезда, достигаща определена точка от своята маса (известна още като радиусът на Шварцшилд), ще упражнява гравитационна сила, толкова интензивна, че да се срине.

В този момент нищо не би било в състояние да избяга от повърхността му, включително светлината. Това се дължи на факта, че гравитационната сила би надвишила скоростта на светлината във вакуум - 299 792 458 метра в секунда (1,079,252,848.8 км / ч; 670 616 629 мили / ч).

Този феномен е известен като Chandrasekhar Limit, кръстен на индийския астрофизик Субраманян Chandrasekhar, който го предложи през 1930 г. В момента се приема, че приетата стойност на тази граница е 1,39 слънчеви маси (т.е. 1,39 пъти по-голяма от масата на нашето Слънце), т.е. което работи до огромните 2.765 х 10³⁰ кг (или 2765 трилиона трилиона метрични тона).

Друг аспект на съвременната Обща относителност е, че по времето на Големия взрив (т.е. първоначалното състояние на Вселената) е било единство. Роджър Пенроуз и Стивън Хокинг разработиха теории, които се опитаха да отговорят как гравитацията може да произведе сингулярности, които в крайна сметка се сляха заедно, за да бъдат известни като теоремите за сингулярност на Пенроуз - Хокинг.

Според теоремата за сингулярността на Пенроуз, която той предложи през 1965 г., във времето в черна дупка ще се появи сингулярност, подобна на времето, когато материята достигне определени енергийни условия. В този момент кривината на пространство-време в черната дупка става безкрайна, като по този начин я превръща в хваната повърхност, където времето престава да функционира.

Теоремата за сингулярността на Хокинг добавя към това, като заявява, че подобна на космоса сингулярност може да възникне, когато материята е принудително компресирана до точка, което води до разрушаване на правилата, които управляват материята. Хокинг проследи това назад във времето до Големия взрив, който според него беше точка с безгранична плътност. По-късно Хокинг преразгледа това, за да твърди, че общата относителност се разпада в моменти преди Големия взрив и следователно не може да се предвиди особеност.

Някои по-нови предложения също предполагат, че Вселената не е започнала като единство. Това включва теории като Loop Quantum Gravity, която се опитва да унифицира законите на квантовата физика с гравитацията. Тази теория гласи, че поради квантовите гравитационни ефекти има минимално разстояние, отвъд което гравитацията вече не се увеличава или че взаимнопроникващите вълни от частици маскират гравитационни ефекти, които биха се почувствали на разстояние.

Видове сингулярности:

Двата най-важни типа сингулярности в пространството и времето са известни като Сингълности на кривината и Конусни сингулярности. Сингулярностите също могат да бъдат разделени според това дали са обхванати от хоризонт на събитията или не. В случая с първия имате кривината и конусовидността; като има предвид, че в последната, вие имате това, което е известно като Голи сингулярности.

Сингулярността на кривината е най-добре показана от черна дупка. В центъра на черна дупка пространството-времето се превръща в едномерна точка, която съдържа огромна маса. В резултат на това гравитацията става безкрайна, а пространството и времето се криви безкрайно, а законите на физиката, както ги познаваме, престават да действат.

Коничните особености възникват, когато има точка, в която границата на всяко общо количество на ковариация е ограничена. В този случай пространството-времето изглежда като конус около тази точка, където сингулярността е разположена на върха на конуса. Пример за такава конична сингулярност е космическа струна, вид хипотетична едноизмерна точка, за която се смята, че се е образувала по време на ранната Вселена.

И както споменахме, съществува Голата сингулярност, вид сингулярност, която не е скрита зад хоризонт на събитията. Те са открити за първи път през 1991 г. от Шапиро и Теуколски с помощта на компютърни симулации на въртяща се равнина от прах, което показва, че общата относителност може да позволи "голи" особености.

В този случай това, което всъщност се превръща в черна дупка (т.е. нейната сингулярност), ще бъде видимо. Подобна особеност теоретично би била това, което е съществувало преди Големия взрив. Ключовата дума тук е теоретична, тъй като остава загадка как биха изглеждали тези обекти.

За момента особеностите и това, което всъщност се крие под завесата на черна дупка, остава загадка. С течение на времето се надява, че астрономите ще могат да изучават черните дупки по-подробно. Надява се също, че в следващите десетилетия учените ще намерят начин да обединят принципите на квантовата механика с гравитацията и това да хвърли допълнителна светлина върху това как действа тази тайнствена сила.

Имаме много интересни статии за гравитационните особености тук в Space Magazine. Ето 10 интересни факта за черните дупки, как би изглеждала една черна дупка?, Големият взрив беше само черна дупка?, Довиждане Голям взрив, Здравей, черна дупка? черна дупка?

Ако искате повече информация за уникалността, вижте тези статии от НАСА и Physlink.

Astronomy Cast има някои подходящи епизоди по темата. Ето епизод 6: Още доказателства за Големия взрив и Епизод 18: Черни дупки големи и малки и Епизод 21: Отговорени въпроси с черна дупка.

Източници: