Revolucionarna splošna relativnostna teorija Alberta Einsteina opisuje gravitacijo kot ukrivljenost v tkivu prostor-časa. Matematiki na kalifornijski univerzi Davis so izumili nov način, kako to tkanino zgubati, medtem ko razmišljajo o udarnih valovih.
'Pokažemo, da prostor-čas ne more biti lokalno raven na točki, kjer trčita dva udarna valova,' pravi Blake Temple, profesor matematike na UC Davis. 'To je nova vrsta singularnosti v splošni relativnosti.'
Temple in njegovi sodelavci preučujejo matematiko, kako udarni valovi v popolni tekočini vplivajo na ukrivljenost prostor-časa. Njihovi novi modeli dokazujejo, da se singularnosti pojavljajo na mestih, kjer udarni valovi trčijo. Voglerjevi matematični modeli so simulirali trčenje dveh udarnih valov. Reintjes je nadaljeval z analizo enačb, ki opisujejo, kaj se zgodi, ko se udarni valovi križajo. Poimenoval je, da je singularnost ustvarila »singularnost pravilnosti«.
»Presenetljivo je,« je Temple povedal za Universe Today, »da bi nekaj tako vsakdanjega, kot je interakcija valov, lahko povzročilo nekaj tako ekstremnega, kot je prostorsko-časovna singularnost – čeprav zelo blago novo vrsto singularnosti. Presenetljivo je tudi, da se tvorijo v najbolj temeljnih enačbah Einsteinove splošne teorije relativnosti, enačbah za popolno tekočino.
O rezultatih poroča Temple v dveh prispevkih s podiplomskimi študenti Moritzom Reintjesom in Zekeom Voglerjem v reviji Proceedings of the Royal Society A.
Einstein je revolucioniral sodobno fiziko s svojo splošno teorijo relativnosti, objavljeno leta 1916. Teorija na kratko opisuje prostor kot štiridimenzionalno tkanino, ki jo je mogoče ukriviti z energijo in pretokom energije. Gravitacija se kaže kot ukrivljenost te tkanine. 'Teorija se začne s predpostavko, da je prostor-čas (4-dimenzionalna površina, ne 2-dimenzionalna kot krogla) tudi 'lokalno raven,' pojasnjuje Temple. 'Reintjesov izrek dokazuje, da je na točki interakcije udarnega valovanja [prostor-čas] preveč 'zguban', da bi bil lokalno raven.'
Običajno si o črni luknji razmišljamo kot o singularnosti, kar je. Toda to je le del razlage. Znotraj črne luknje ukrivljenost prostor-časa postane tako strma in ekstremna, da nobena energija, niti svetloba, ne more uiti. Temple pravi, da je lahko singularnost bolj subtilna, če le delček prostora-časa ni mogoče narediti, da bi izgledal lokalno ravno v katerem koli koordinatnem sistemu.
'Lokalno raven' se nanaša na prostor, ki se z določene perspektive zdi raven. Naš pogled na Zemljo s površja je dober primer. Zemlja mornarju sredi oceana izgleda ravna. Šele ko se premaknemo daleč od površja, postane ukrivljenost Zemlje očitna. Einsteinova teorija splošne relativnosti se začne s predpostavko, da je prostor-čas tudi lokalno raven. Udarni valovi povzročijo nenadno spremembo ali prekinitev tlaka in gostote tekočine. To ustvarja skok v ukrivljenosti prostor-časa, vendar ne dovolj, da bi ustvarilo 'zvijanje', ki ga vidimo v modelih ekipe, pravi Temple.
Najbolj kul del ugotovitve za Temple je, da se vse, njegovo prejšnje delo na udarnih valovih med Velikim pokom in kombinacija Voglerjevega in Reintjesovega dela, ujema.
Toliko je naključja,« pravi Temple. »To je zame res najbolj kul del.
Všeč mi je, da je tako subtilna. Všeč mi je, da nas je matematično področje teorije udarnih valov, ustvarjeno za reševanje problemov, ki niso imeli nobene zveze s splošno relativnostjo, pripeljalo do odkritja nove vrste singularnosti prostor-čas. Mislim, da je to zelo redka stvar in bi jo imenoval odkritje enkrat v generaciji.'
Medtem ko je model na papirju videti dobro, se Temple in njegova ekipa sprašujeta, kako lahko strmi gradienti v prostor-času pri »singularnosti pravilnosti« povzročijo večje učinke od pričakovanih v resničnem svetu. Splošna teorija relativnosti predvideva, da bi gravitacijski valovi lahko nastali zaradi trka masivnih predmetov, kot so črne luknje. 'Sprašujemo se, ali lahko eksplozijski zvezdni udarni val, ki zadene implodirajoči udar na sprednjem robu kolapsa, spodbudi gravitacijske valove, ki so močnejši od pričakovanih,' pravi Temple. 'To se ne more zgoditi v sferični simetriji, kar predvideva naš izrek, načeloma pa bi se lahko zgodilo, če bi simetrija rahlo prekinjena.'
Napis slike: Umetniška upodobitev razpletanja prostor-časa na začetku Velikega poka. John Williams/ TerraZoom
