Революционная общая теория относительности Альберта Эйнштейна описывает гравитацию как искривление в ткани пространства-времени. Математики из Калифорнийского университета в Дэвисе придумали новый способ смять эту ткань, обдумывая ударные волны.
«Мы показываем, что пространство-время не может быть локально плоским в точке, где сталкиваются две ударные волны», - говорит Блейк Темпл, профессор математики в Калифорнийском университете в Дэвисе. «Это новый тип сингулярности в общей теории относительности».
Темпл и его сотрудники изучают математику того, как ударные волны в идеальной жидкости влияют на кривизну пространства-времени. Их новые модели доказывают, что особенности появляются в точках столкновения ударных волн. Математические модели Фоглера имитировали столкновение двух ударных волн. Затем Рейнджес провел анализ уравнений, описывающих, что происходит, когда ударные волны пересекаются. Он назвал сингулярность созданной «сингулярностью регулярности».
«Что удивительно, - сказал Темпл Журнал Space Magazine, - это то, что нечто столь же приземленное, как взаимодействие волн, может вызвать нечто столь же экстремальное, как сингулярность пространства-времени - хотя и очень мягкий новый тип сингулярности. Удивительно также то, что они образуют в самых фундаментальных уравнениях теории относительности Эйнштейна уравнения для идеальной жидкости ».
Результаты представлены в двух статьях Темпл с аспирантами Морицем Рейнтесом и Зиком Фоглером в журнале «Труды Королевского общества А.».
Эйнштейн произвел революцию в современной физике с его общей теорией относительности, опубликованной в 1916 году. Короче говоря, теория описывает пространство как четырехмерную ткань, которая может быть деформирована энергией и потоком энергии. Гравитация проявляет себя как кривизна этой ткани. «Теория начинается с предположения, что пространство-время (четырехмерная поверхность, а не двумерная, как сфера) также является« локально плоским », объясняет Темпл. «Теорема Рейнджеса доказывает, что в момент взаимодействия с ударной волной оно [пространство-время] слишком« смято », чтобы быть локально плоским».
Мы обычно думаем о черной дыре как об особой, какой она есть. Но это только часть объяснения. Внутри черной дыры искривление пространства-времени становится настолько крутым и экстремальным, что никакая энергия, даже свет, не может вырваться. Темпл говорит, что сингулярность может быть более тонкой, когда нельзя сделать просто кусочек пространства-времени, чтобы выглядеть локально плоским в любой системе координат.
«Локально плоский» относится к пространству, которое кажется плоским с определенной точки зрения. Наш взгляд на Землю с поверхности является хорошим примером. Земля выглядит плоской для моряка посреди океана. Только когда мы удаляемся от поверхности, кривизна Земли становится очевидной. Теория общей теории относительности Эйнштейна начинается с предположения, что пространство-время также локально плоское. Ударные волны создают резкое изменение или разрыв в давлении и плотности жидкости. Темпл говорит, что это создает скачок в искривлении пространства-времени, но не настолько, чтобы создать «извилины», видимые в моделях команды.
Самая крутая часть открытия для Храма заключается в том, что все, его ранняя работа над ударными волнами во время Большого взрыва и сочетание работ Фоглера и Рейнджеса, совмещаются.
Здесь так много случайностей », - говорит Темпл. «Это действительно самая крутая часть для меня.
Мне нравится, что это так тонко. И мне нравится, что математическое поле теории ударных волн, созданное для решения проблем, не имеющих ничего общего с общей теорией относительности, привело нас к открытию нового типа сингулярности пространства-времени. Я думаю, что это очень редкая вещь, и я бы назвал это открытием раз в поколение ».
Несмотря на то, что модель хорошо выглядит на бумаге, Темпл и его команда задаются вопросом, как крутые градиенты в пространстве-времени с «сингулярностью регулярности» могут привести к большим, чем ожидалось, эффектам в реальном мире. Общая теория относительности предсказывает, что гравитационные волны могут возникать при столкновении массивных объектов, таких как черные дыры. «Мы задаемся вопросом, может ли взрывающаяся звездная ударная волна, поражающая взрывной удар на переднем крае коллапса, стимулировать более сильные, чем ожидалось, гравитационные волны», - говорит Темпл. «Это не может произойти в сферической симметрии, как предполагает наша теорема, но в принципе это может произойти, если симметрия будет слегка нарушена».
Подпись к изображению: Художник представил развёртывание пространства-времени в начале Большого взрыва. Джон Уильямс / TerraZoom
