Revoluční obecná teorie relativity Alberta Einsteina popisuje gravitaci jako zakřivení ve struktuře časoprostoru. Matematici na University of California v Davisu přišli s novým způsobem, jak tuto látku posunout, zatímco přemýšlí o rázových vlnách.
"Ukazujeme, že časoprostor nemůže být místně plochý v místě, kde se střetnou dvě rázové vlny," říká Blake Temple, profesor matematiky na UC Davis. "Toto je nový druh singularity v obecné relativitě."
Temple a jeho spolupracovníci studují matematiku toho, jak rázové vlny v dokonalé tekutině ovlivňují zakřivení časoprostoru. Jejich nové modely dokazují, že singularita se objevuje v místech, kde se nárazové vlny srazí. Matematické modely Voglera simulovaly srážky dvou rázových vln. Reintjes následoval analýzu rovnic, které popisují, co se stane, když se rázové vlny zkříží. Daboval singularitu a vytvořil „singularitu pravidelnosti“.
„Co je překvapivé,“ řekl Temple časopis Space Magazine, „je to, že něco tak světského, jako by interakce vln mohlo způsobit něco tak extrémního, jako je časoprostorová singularita - i když velmi mírný nový druh singularity. Překvapivé je také to, že tvoří v nejzákladnějších rovnicích Einsteinovy teorie obecné relativity, rovnice pro dokonalou tekutinu. “
Výsledky jsou publikovány ve dvou článcích Temple s postgraduální studenty Moritz Reintjes a Zeke Vogler v časopise Proceedings of Royal Society A.
Einstein revolucionizoval moderní fyziku svou obecnou teorií relativity zveřejněnou v roce 1916. Teorie stručně popisuje prostor jako čtyřrozměrnou strukturu, kterou lze deformovat energií a tokem energie. Gravitace se projevuje jako zakřivení této látky. „Teorie začíná předpokladem, že časoprostor (čtyřrozměrný povrch, ne dvojrozměrný jako koule), je také„ místně plochý “, vysvětluje Temple. „Reintjesova věta dokazuje, že v bodě interakce rázové vlny je [spacetime] příliš„ zvrásněný “, aby mohl být místně plochý.“
Běžně považujeme černou díru za jedinečnost, jakou je. Ale to je jen část vysvětlení. Uvnitř černé díry je zakřivení časoprostoru tak strmé a extrémní, že žádná energie, dokonce ani světlo, nemůže uniknout. Temple říká, že jedinečnost může být jemnější, pokud nemůže být provedena jen částečková kontrola časoprostoru, aby vypadala místně v jakémkoli souřadném systému.
„Místně plochý“ označuje prostor, který se zdá být plochý z určité perspektivy. Náš pohled na Zemi z povrchu je dobrým příkladem. Země vypadá plochě na námořníka uprostřed oceánu. Křivost Země se projeví až tehdy, když se vzdálíme od povrchu. Einsteinova teorie obecné relativity začíná předpokladem, že časoprostor je také místně plochý. Rázové vlny vytvářejí náhlou změnu nebo diskontinuitu tlaku a hustoty tekutiny. Tím se vytvoří skok v zakřivení časoprostoru, ale to nestačí k vytvoření „zvlnění“, které je vidět v modelech týmu, říká Temple.
Nejúžasnější částí nálezu pro Temple je to, že všechno, jeho dřívější práce na rázových vlnách během Velkého třesku a kombinace práce Voglera a Reintjese, zapadají do sebe.
Existuje tolik serendipity, “říká Temple. "To je pro mě opravdu ta nejlepší část."
Líbí se mi, že je tak jemná. A líbí se mi, že matematické pole teorie rázových vln, vytvořené k řešení problémů, které neměly nic společného s obecnou relativitou, nás vedlo k objevu nového druhu časoprostorové singularity. Myslím, že je to velmi vzácná věc, a já bych to nazval jednou v objevu generace. “
Zatímco model vypadá dobře na papíře, Temple a jeho tým přemýšleli, jak by strmé gradienty v „časoprostoru“ u singularity „pravidelnosti“ mohly v reálném světě způsobit větší než očekávané efekty. Obecná relativnost předpovídá, že gravitační vlny mohou být způsobeny kolizí masivních objektů, jako jsou černé díry. "Zajímalo by nás, zda explodující hvězdná rázová vlna zasáhla implodující šok na přední hraně kolapsu, by mohla stimulovat silnější než očekávané gravitační vlny," říká Temple. "To se nemůže stát ve sférické symetrii, což předpokládá naše věta, ale v zásadě by se to mohlo stát, kdyby byla symetrie mírně narušena."
Titulek obrázku: Umělecké ztvárnění rozvinutí časoprostoru na začátku Velkého třesku. John Williams / TerraZoom
