Szingularitás (csillagászat)

A fizika és a csillagászat , a szingularitás egy olyan hely, ahol a gravitáció olyan erős, hogy a görbület a tér-idő elágazik , ami köznyelvben „végtelen”. Ez azt jelenti, hogy ezeken a helyeken a téridő mutatója is eltér, és a szingularitás nem része a téridőnek. Az olyan fizikai mennyiségeket, mint a tömegsűrűség, amelyek kiszámításához a mutató szükséges, ott nem határozzuk meg.

Geodéziai vonalak , amelyek megfelelnek a szingularitás egy véges hosszúságú, így téridő okozati geodetically hiányos.

A relativitáselmélet általános elmélete szerint a téridőben vannak szingularitások nagyon általános körülmények között, amint azt Stephen Hawking és Roger Penrose mutatták az 1960-as években ( szingularitási tétel ). A szingularitások matematikai szingularitásokként fogalmazhatók meg , és többek között függhetnek. speciális tömegértékeken  , szögimpulzuson  vagy egyéb paramétereken. A határérték kérdéses fizikai törvénye , amely kritikus paraméterérték , nincs meghatározva, érvénytelen és alkalmatlan a kapcsolatok leírására. A szingularitások lehetnek pontszerűek, vagyis végtelenül kicsiek vagy nem pontszerűek, amikor is a téridő annyira meghajlik az objektum körül, hogy a méretinformációk nem helyezhetők érdemi kapcsolatba a környező tér metrikáival. ${\ displaystyle M}$${\ displaystyle J}$${\ displaystyle r \ to r _ {\ mathrm {c}}}$${\ displaystyle r _ {\ mathrm {c}}}$

Feltételezzük, hogy a szingularitások megmutatják az általános relativitás határait, és ennek leírására egy másik modellt ( pl. Kvantum gravitációt ) kell használni.

A szingularitások típusai

Az ebben a cikkben tárgyalt szingularitásokat valós, belső vagy görbületi szingularitásoknak is nevezzük, jelezve, hogy ezek a téridő fizikai tulajdonságai. A koordinátától független mennyiség, a téridő görbülete elválik bennük. Meg kell különböztetni az úgynevezett koordináta-szingularitásoktól , amelyek csupán a kiválasztott koordináták matematikai tulajdonságai. Ez utóbbit egy megfelelő koordináta transzformációval " el lehet transzformálni". Ez nem lehetséges, az igazi , lényeges szingularitás , itt egy új elmélet (új fizikai törvény) van szükség.

A szingularitásokat, például egy normál fekete lyukon belül , egy eseményhorizont veszi körül , amely elvben kivonja a tárgyat a megfigyelés elől. Nem világos, hogy léteznek -e eseményhorizont nélküli szingularitások (úgynevezett meztelen szingularitások ) is. Roger Penrose kozmikus cenzorának hipotézise tárgya, hogy a szingularitásokat az eseményhorizontok védik, vagyis nincsenek meztelen szingularitások . Nem bizonyított, és az általános relativitáselmélet egyik legnagyobb nyitott problémáját képviseli.

Asztrofizika és kozmológia

Az asztrofizikában és a kozmológiában a szingularitás kifejezést gyakran szinonimában használják a fekete lyukra, vagy az ősrobbanás elméletekben a kezdeti szingularitásra .

Mindkét esetben Einstein téregyenletei a magyarázathoz használt fizikai törvények. Az ezen egyenletek alapjául szolgáló elmélet ( Albert Einstein általános relativitáselmélete) azonban „klasszikus elmélet”, nem pedig kvantumelmélet . Ezért nagyon kicsi hosszúságú skálákon ( Planck-hossz ) elveszíti érvényességét , és itt kezdődik a kvantumgravitáció elméletének tartománya . Az ilyen elmélet keretein belül azonban nagyon keveset tudunk a szingularitások belső állapotáról vagy szerkezetéről.

Kezdeti szingularitás

Az ősrobbanás-elméletekben a tér-idő matematikai szingularitásban „indul”. Az első fizikailag leírható időpontot ebből a szingularitásból a lehető legrövidebb időintervallumra helyezzük, mégpedig a Planck-időre, amely körülbelül ^10–43 másodperc . Az ősrobbanás-elméletek nem írják le magát az ősrobbanást, hanem csak a világegyetem fejlődését e kor óta. A kezdeti matematikai szingularitásban a tér és az idő még nincs jelen. A kiterjedésre vagy időtartamra vonatkozó információkat tehát a fizika határozza meg.

A kezdeti szingularitásban a számunkra ismert természeti törvények nem lehettek érvényesek. A kezdeti szingularitás nem fekete lyuk volt. Nem volt eseményhorizontja, és nem volt körülötte külső tér.

Fekete lyukak

A fekete lyukak az őket körülvevő téridőre gyakorolt ​​hatásukkal jellemezhetők. A fekete lyukon belüli szingularitás számos tulajdonsága, mint például a sűrűsége , ugyanúgy nincs meghatározva, mint a kezdeti szingularitásé .

Karl Schwarzschild volt az első, aki megoldást ( külső Schwarzschild-megoldást ) tudott adni a mezőegyenletekre. Megoldása leírja a töltés nélküli forgást, azaz. H. statikus fekete lyukak, amelyek valójában nem léteznek, és a központi pontban egyesekké válnak (pont-szingularitás). A Kruskal-koordinátákban a pont szingularitás hiperboloid által leírt sokasággá válik . Tehát látható, kifejezetten, hogy az nincs szingularitás itt a eseményhorizont magát .

Roy Kerr új-zélandi matematikus csak 1963-ban talált másik megoldást ( Kerr-megoldást ) a fekete lyukak forgatására , amelyek az egyenlítői síkban egydimenziós gyűrűben egyesessé válnak. A szingularitás sugara megfelel a Kerr paraméternek. Még általánosabb megoldás további elektromos ponttöltéssel vezet a Kerr-Newman metrikához .

A külső Schwarzschild-megoldás a Kerr-megoldás speciális esete (a Kerr paraméter a = J c / ( G M ²) = 0, azaz nincs forgás). A maximálisan forgó fekete lyukakhoz, i. azaz ha az eseményhorizont fénysebességgel forog, akkor a  = 1. Az a  > 1-es pörgésű tárgyaknak ezért olyan kiterjesztéssel kell rendelkezniük, amely nagyobb, mint a tömegüknek megfelelő gravitációs sugár, különben az eseményhorizont feloldódik és lesz egy meztelen szingularitás lenne kívülről látható a sarkok és az egyenlítő. Az a tény, hogy a meztelen szingularitásokat az eseményhorizontok védik a külső megfigyelők elől, a Kozmikus Cenzúra Hipotézisének tárgya . Általában nem bizonyított, és megkövetelheti az ismert fizikai elméletek bővítését, de érvényességét bizonyítják numerikus szimulációk, matematikai elemzések és gondolkodási kísérletek.

irodalom

• Szingularitás. In: Fizikai lexikon. Spektrum Akademischer Verlag, hozzáférés: 2018. április 8 . 
• Stephen Hawking : Az idő rövid története . Rowohlt, 1988, ISBN 3-498-02884-7 ( korlátozott előnézet a Google könyvkeresőben). 
• Stephen Hawking : Az univerzum dióhéjban . Hoffmann és Campe, 2002, ISBN 3-455-09400-7 ( korlátozott előnézet a Google könyvkeresőben). 

Egyéni bizonyíték

1. ↑ Jan A. Aertsen, Andreas Speer: Tér és térfelfogások a középkorban . Walter de Gruyter, 2013, ISBN 978-3-11-080205-4 , p. 6 ( books.google.de ). 
2. ↑ Dirk Evers: Tér, anyag, idő: A teremtés teológiája párbeszédben a tudományos kozmológiával . Mohr Siebeck, 2000, ISBN 978-3-16-147412-5 , pp. 100 ( books.google.de ). 
3. ↑ Eugenie Samuel Reich: A fekete lyukak centrifugálási sebessége leszorult.
4. ↑ Harvard Smithsonian Asztrofizikai Központ: A szupermasszív fekete lyuk szupergyorsan forog
5. ↑ NASA: A NuSTAR a fekete lyuk fényének ritka elmosódását látja
6. Em Jeremy Hsu: A fekete lyukak a fény sebességének közelében forognak
7. ↑ Joakim Bolin, Ingemar Bengtsson: Kerr fekete lyukainak szögletes momentuma. 2., 10., 11. o.
8. ^ William Wheaton: Egy fekete lyuk forgási sebessége
9. ↑ Matt Visser: A Kerr téridő: Rövid bevezetés. 28. o.
10. ↑ Gerald Marsh: A végtelen vörös-eltolódás felületei Kerr oldat , o. 7. arXiv : GR-QC / 0.702.114