Ein Crinkle in der Falte der Raumzeit

Albert Einsteins revolutionäre allgemeine Relativitätstheorie beschreibt die Schwerkraft als eine Krümmung im Gefüge der Raumzeit. Mathematiker an der University of California in Davis haben einen neuen Weg gefunden, um diesen Stoff zu zerknittern, während sie über Stoßwellen nachdenken.

„Wir zeigen, dass die Raumzeit an einem Punkt, an dem zwei Stoßwellen kollidieren, nicht lokal flach sein kann“, sagt Blake Temple, Professor für Mathematik an der UC Davis. "Dies ist eine neue Art von Singularität in der allgemeinen Relativitätstheorie."

Temple und seine Mitarbeiter untersuchen die Mathematik, wie Stoßwellen in einer perfekten Flüssigkeit die Krümmung der Raumzeit beeinflussen. Ihre neuen Modelle beweisen, dass Singularitäten an den Stellen auftreten, an denen Stoßwellen kollidieren. Voglers mathematische Modelle simulierten zwei Stoßwellen, die kollidierten. Reintjes führte anschließend eine Analyse der Gleichungen durch, die beschreiben, was passiert, wenn sich die Stoßwellen kreuzen. Er nannte die Singularität eine "Regelmäßigkeits-Singularität".

"Was überrascht", sagte Temple gegenüber dem Space Magazine, "ist, dass etwas so Alltägliches wie das Zusammenspiel von Wellen etwas so Extremes wie eine Raumzeit-Singularität verursachen könnte – wenn auch eine sehr milde neue Art von Singularität." Überraschend ist auch, dass sie in den grundlegendsten Gleichungen von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie die Gleichungen für eine perfekte Flüssigkeit bilden. “

Die Ergebnisse werden in zwei Artikeln von Temple mit den Doktoranden Moritz Reintjes und Zeke Vogler in der Zeitschrift Proceedings of the Royal Society A veröffentlicht.

Einstein revolutionierte die moderne Physik mit seiner 1916 veröffentlichten allgemeinen Relativitätstheorie. Kurz gesagt beschreibt die Theorie den Raum als ein vierdimensionales Gewebe, das durch Energie und Energiefluss verzerrt werden kann. Die Schwerkraft zeigt sich als Krümmung dieses Gewebes. „Die Theorie beginnt mit der Annahme, dass die Raumzeit (eine 4-dimensionale Oberfläche, nicht 2-dimensional wie eine Kugel) auch„ lokal flach “ist“, erklärt Temple. "Der Satz von Reintjes beweist, dass es zum Zeitpunkt der Stoßwellenwechselwirkung [Raumzeit] zu" zerknittert "ist, um lokal flach zu sein."

Wir denken gewöhnlich an ein Schwarzes Loch als eine Singularität, die es ist. Dies ist jedoch nur ein Teil der Erklärung. In einem Schwarzen Loch wird die Krümmung der Raumzeit so steil und extrem, dass keine Energie, nicht einmal Licht, entweichen kann. Temple sagt, dass eine Singularität subtiler sein kann, wenn nicht nur ein Fleck Raumzeit in einem Koordinatensystem lokal flach aussehen kann.

"Lokal flach" bezieht sich auf einen Raum, der aus einer bestimmten Perspektive flach erscheint. Unser Blick auf die Erde von der Oberfläche aus ist ein gutes Beispiel. Die Erde sieht für einen Seemann mitten im Ozean flach aus. Erst wenn wir uns weit von der Oberfläche entfernen, wird die Krümmung der Erde sichtbar. Einsteins allgemeine Relativitätstheorie beginnt mit der Annahme, dass die Raumzeit auch lokal flach ist. Stoßwellen erzeugen eine abrupte Änderung oder Diskontinuität des Drucks und der Dichte einer Flüssigkeit. Dies schafft einen Sprung in der Krümmung der Raumzeit, aber nicht genug, um das "Knistern" zu erzeugen, das in den Modellen des Teams zu sehen ist, sagt Temple.

Der coolste Teil der Entdeckung für Temple ist, dass alles, seine früheren Arbeiten zu Stoßwellen während des Urknalls und die Kombination von Voglers und Reintjes 'Arbeiten, zusammenpassen.

Es gibt so viel Zufall “, sagt Temple. „Das ist wirklich der coolste Teil für mich.
Ich mag es, dass es so subtil ist. Und ich mag es, dass das mathematische Feld der Stoßwellentheorie, das geschaffen wurde, um Probleme anzugehen, die nichts mit der Allgemeinen Relativitätstheorie zu tun haben, uns zur Entdeckung einer neuen Art von Raumzeit-Singularität geführt hat. Ich denke, das ist eine sehr seltene Sache, und ich würde es eine einmalige Entdeckung nennen. "

Während das Modell auf dem Papier gut aussieht, fragen sich Temple und sein Team, wie die steilen Gradienten in der Raumzeit bei einer „Regelmäßigkeitssingularität“ in der realen Welt größere als erwartete Auswirkungen haben könnten. Die allgemeine Relativitätstheorie sagt voraus, dass Gravitationswellen durch die Kollision massiver Objekte wie Schwarzer Löcher erzeugt werden könnten. "Wir fragen uns, ob eine explodierende Sternschockwelle, die an der Vorderkante eines Zusammenbruchs auf einen implodierenden Schock trifft, stärkere als erwartete Gravitationswellen stimulieren könnte", sagt Temple. "Dies kann nicht in sphärischer Symmetrie geschehen, wie unser Theorem annimmt, aber im Prinzip könnte es passieren, wenn die Symmetrie leicht gebrochen würde."

Bildunterschrift: Künstlerische Wiedergabe der Entfaltung der Raumzeit zu Beginn des Urknalls. John Williams / TerraZoom

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