Albert Einsteinin vallankumouksellinen yleinen suhteellisuusteoria kuvaa painovoimaa kaarevuutena avaruuden ajan kankaassa. Davisin Kalifornian yliopiston matemaatikot ovat keksineet uuden tavan rypistää tuota kangasta pohtiessaan aaltoaaltoja.
"Osoitamme, että avaruusaika ei voi olla paikallisesti tasainen pisteessä, jossa kaksi iskuaallot törmäävät", sanoo UC Davisin matematiikan professori Blake Temple. "Tämä on uudenlainen singulaarisuus yleisessä suhteellisuusteoriassa."
Temple ja hänen yhteistyökumppaninsa tutkivat matematiikkaa siitä, kuinka täydellisessä nesteessä olevat aallot vaikuttavat avaruusajan kaarevuuteen. Heidän uudet mallinsa todistavat, että singulaarisuudet ilmestyvät paikoissa, joissa iskut aallot törmäävät. Voglerin matemaattiset mallit simuloivat kahta törmäystä. Reintjes seurasi yhtälöiden analyysiä, jotka kuvaavat sitä, mitä tapahtuu, kun iskut aallot ylittävät. Hän nimitti singulaarisuuden luonut "säännöllisyyden singulariteetin".
"Mikä on yllättävää", Temple kertoi Space Magazine -lehteelle, että jotain niin arkipäivää kuin aaltojen vuorovaikutus voi aiheuttaa niin äärimmäistä kuin avaruusajan singulaarisuus - vaikkakin hyvin lievä uudenlainen singulaarisuus. Yllättävää on myös se, että ne muodostavat Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian teoreettisimmissa yhtälöissä täydellisen nesteen yhtälöt. "
Tulokset esitetään Templen kahdessa tutkinnossa jatko-opiskelijoiden Moritz Reintjesin ja Zeke Voglerin kanssa Proceedings of the Royal Society A -lehdessä.
Einstein mullisti modernia fysiikkaa yleisellä suhteellisuusteorialla, joka julkaistiin vuonna 1916. Lyhyesti sanottuna teoria kuvaa avaruutta neljäulotteisena kankaana, jota voi vääntää energia ja energian virtaus. Painovoima osoittaa itsensä tämän kankaan kaarevuutena. "Teoria alkaa oletuksella, että avaruusaika (4-ulotteinen pinta, ei 2-ulotteinen kuin pallo) on myös" paikallisesti tasainen ", Temple selittää. ”Reintjesin lause todistaa, että iskumaaltovuorovaikutuksen kohdalla se [avaruusaika] on liian” rypistynyt ”ollakseen paikallisesti tasainen.”
Yleisesti ajattelemme mustaa reikää olevan sen ainutlaatuisuus. Mutta tämä on vain osa selitystä. Mustan aukon sisällä avaruusajan kaarevuudesta tulee niin jyrkkä ja äärimmäinen, ettei mikään energia, edes valo, ei pääse ulos. Temple sanoo, että singulaarisuus voi olla hienovaraisempi silloin, kun vain väliaikamerkkiä ei voida tehdä paikallisesti näyttäväksi missä tahansa koordinaattijärjestelmässä.
”Paikallisesti tasainen” tarkoittaa tilaa, joka näyttää olevan tasainen tietystä näkökulmasta. Näkemyksemme maan pinnasta on hyvä esimerkki. Maa näyttää tasaiselta merimieheltä keskellä merta. Maapallon kaarevuus ilmenee vasta, kun siirrymme kaukana pinnasta. Einsteinin teoria yleisestä suhteellisuudesta alkaa oletuksella, että avaruusaika on myös paikallisesti tasainen. Iskut aallot luovat äkillisen muutoksen tai epäjatkuvuuden nesteen paineessa ja tiheydessä. Tämä luo hypyn avaruusajan kaarevuuteen, mutta ei tarpeeksi ryhmän malleissa näkyvän rypistymisen luomiseksi, Temple sanoo.
Tyylikkäin osa Temppelin löytöstä on, että kaikki, hänen aikaisempi työnsä iskuaalloilla Ison räjähdyksen aikana sekä Voglerin ja Reintjesin työn yhdistelmä, sopivat yhteen.
Suuntausta on niin paljon ”, Temple sanoo. ”Tämä on todella tyylikkäin osa minua.
Pidän siitä, että se on niin hieno. Ja pidän siitä, että Shockwave-teorian matemaattinen kenttä, joka on luotu käsittelemään ongelmia, joilla ei ollut mitään tekemistä yleisen relatiivisuuden kanssa, on johtanut meidät uudenlaisen avaruusajan singulaarisuuden löytämiseen. Mielestäni tämä on hyvin harvinainen asia, ja kutsuisin sitä kerran sukupolven löytöksi. "
Vaikka malli näyttää hyvältä paperilla, Temple ja hänen tiiminsä ihmettelevät, kuinka jyrkät kaltevuudet avaruuden aikana "säännöllisyyden ainutlaatuisuudella" voivat aiheuttaa odotettua suurempia vaikutuksia todellisessa maailmassa. Yleinen suhteellisuusteoria ennustaa, että painovoima-aallot voivat syntyä massiivisten esineiden, kuten mustien reikien, törmäyksessä. "Mietimme, voisiko räjähtävä tähtien iskuaalto, joka osuu romahtavan iskun romahtamisen etureunaan, stimuloida odotettua voimakkaampia painovoima-aaltoja", Temple sanoo. "Tämä ei voi tapahtua pallomaisessa symmetriassa, jonka lausemme olettaa, mutta periaatteessa se voi tapahtua, jos symmetria olisi hieman rikki."
Kuvateksti: Avaruusajan purkautumisen taiteilijan luovutus Ison räjähdyksen alussa. John Williams / TerraZoom
