Albert Einsteins revolusjonerende generelle relativitetsteori beskriver tyngdekraften som en krumning i romtidens stoff. Matematikere ved University of California, Davis har kommet på en ny måte å knuse stoffet på mens de grubler over sjokkbølger.
"Vi viser at romtid ikke kan være lokalt flat på et punkt der to sjokkbølger kolliderer," sier Blake Temple, professor i matematikk ved UC Davis. "Dette er en ny type singularitet i generell relativitet."
Temple og hans samarbeidspartnere studerer matematikken for hvordan sjokkbølger i en perfekt væske påvirker romtidens krumning. Deres nye modeller beviser at singulariteter vises på punktene der sjokkbølger kolliderer. Voglers matematiske modeller simulerte to sjokkbølger som kolliderte. Reintjes fulgte opp med en analyse av ligningene som beskriver hva som skjer når sjokkbølgene krysser. Han kalte singulariteten skapte en "regularitet singularitet."
Temple som fortalte Space Magazine, "det som er overraskende," er at noe så verdifullt som samspillet mellom bølger kan forårsake noe så ekstremt som en romtids-singularitet - om enn en veldig mild ny type singularitet. Overraskende er også at de danner de mest grunnleggende likningene av Einsteins teori om generell relativitet, ligningene for en perfekt væske. "
Resultatene er rapportert i to artikler av Temple med hovedfagsstudenter Moritz Reintjes og Zeke Vogler i tidsskriftet Proceedings of the Royal Society A.
Einstein revolusjonerte moderne fysikk med sin generelle relativitetsteori som ble publisert i 1916. Teorien beskriver kort sagt rom som et firedimensjonalt stoff som kan bli vrengt av energi og strømmen av energi. Tyngdekraften viser seg som en krumning av dette stoffet. Teorien begynner med antakelsen om at romtid (en 4-dimensjonal overflate, ikke to dimensjonal som en sfære), også er "lokalt flat," forklarer Temple. "Reintjes 'teorem beviser at det på tidspunktet for sjokkbølgesamarbeid er [romtid] for" krøllet "til å være lokalt flatt."
Vi tenker ofte på et svart hull som en singularitet som det er. Men dette er bare en del av forklaringen. Inne i et svart hull blir romtidens krumning så bratt og ekstrem at ingen energi, ikke engang lys, kan slippe unna. Temple sier at en singularitet kan være mer subtil der det bare ikke kan gjøres en oppdatering av romtiden for å se lokalt flatt i noe koordinatsystem.
“Lokalt flatt” refererer til plass som ser ut til å være flat fra et visst perspektiv. Vårt syn på jorden fra overflaten er et godt eksempel. Jorden ser flat ut mot en sjømann midt i havet. Det er først når vi beveger oss langt fra overflaten at jordens krumning blir tydelig. Einsteins teori om generell relativitet begynner med antagelsen om at romtid også er lokalt flat. Sjokkbølger skaper en brå endring, eller diskontinuitet, i trykket og tettheten til en væske. Dette skaper et hopp i romtidens krumning, men ikke nok til å skape den "knirrende" sett i teamets modeller, sier Temple.
Den kuleste delen av funnet for Temple er at alt, hans tidligere arbeid med sjokkbølger under Big Bang og kombinasjonen av Voglers og Reintjes 'arbeid, passer sammen.
Det er så mye serendipity, sier Temple. “Dette er virkelig den kuleste delen for meg.
Jeg liker at det er så subtilt. Og jeg liker at det matematiske feltet til sjokkbølgeteori, opprettet for å løse problemer som ikke hadde noe med generell relativitet å gjøre, har ført oss til oppdagelsen av en ny type romtids-singularitet. Jeg tror dette er en veldig sjelden ting, og jeg vil kalle det en oppdagelse en gang i en generasjon. "
Mens modellen ser bra ut på papiret, lurer Temple og teamet på hvordan de bratte gradientene i romtiden ved en "regularitet-singularitet" kan gi større effekter enn forventet i den virkelige verden. Generell relativitet forutsier at tyngdekraften kan produseres ved kollisjon av massive gjenstander, for eksempel sorte hull. "Vi lurer på om en eksploderende stjernesjokkbølge som treffer et imploderende sjokk i forkant av et kollaps, kan stimulere sterkere enn forventet tyngdekraftsbølger," sier Temple. "Dette kan ikke skje i sfærisk symmetri, som vårt teorem antar, men i prinsippet kan det skje hvis symmetrien var litt ødelagt."
Bildetekst: Kunstner gjengivelse av avviklingen av romtiden ved begynnelsen av Big Bang. John Williams / TerraZoom
