Η επαναστατική γενική θεωρία της σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν περιγράφει τη βαρύτητα ως μια καμπυλότητα στον ιστό του χωροχρόνου. Μαθηματικοί στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Ντέιβις, έχουν βρει έναν νέο τρόπο για να τσαλακώσουν αυτό το ύφασμα ενώ συλλογίζονται τα ωστικά κύματα.
«Δείχνουμε ότι ο χωροχρόνος δεν μπορεί να είναι τοπικά επίπεδος σε ένα σημείο όπου δύο κρουστικά κύματα συγκρούονται», λέει ο Blake Temple, καθηγητής μαθηματικών στο UC Davis. «Αυτό είναι ένα νέο είδος μοναδικότητας στη γενική σχετικότητα».
Ο Temple και οι συνεργάτες του μελετούν τα μαθηματικά για το πώς τα κρουστικά κύματα σε ένα τέλειο ρευστό επηρεάζουν την καμπυλότητα του χωροχρόνου. Τα νέα τους μοντέλα αποδεικνύουν ότι οι ιδιομορφίες εμφανίζονται στα σημεία όπου συγκρούονται τα ωστικά κύματα. Τα μαθηματικά μοντέλα του Vogler προσομοίωσαν δύο κρουστικά κύματα που συγκρούονται. Ο Reintjes ακολούθησε μια ανάλυση των εξισώσεων που περιγράφουν τι συμβαίνει όταν τα ωστικά κύματα διασταυρώνονται. Ονόμασε τη μοναδικότητα που δημιούργησε μια «ικανότητα κανονικότητας».
«Αυτό που προκαλεί έκπληξη», είπε ο Temple στο Universe Today, «είναι ότι κάτι τόσο εγκόσμιο όσο η αλληλεπίδραση των κυμάτων θα μπορούσε να προκαλέσει κάτι τόσο ακραίο όσο μια χωροχρονική ιδιομορφία — αν και ένα πολύ ήπιο νέο είδος μοναδικότητας. Επίσης εκπληκτικό είναι ότι σχηματίζουν στις πιο θεμελιώδεις εξισώσεις της θεωρίας της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν, τις εξισώσεις για ένα τέλειο ρευστό.
Τα αποτελέσματα αναφέρονται σε δύο εργασίες του Temple με μεταπτυχιακούς φοιτητές Moritz Reintjes και Zeke Vogler στο περιοδικό Proceedings of the Royal Society A.
Ο Αϊνστάιν έφερε επανάσταση στη σύγχρονη φυσική με τη γενική θεωρία της σχετικότητας που δημοσιεύτηκε το 1916. Η θεωρία περιγράφει εν συντομία το διάστημα ως ένα τετραδιάστατο ύφασμα που μπορεί να στρεβλωθεί από την ενέργεια και τη ροή της ενέργειας. Η βαρύτητα εμφανίζεται ως καμπυλότητα αυτού του υφάσματος. «Η θεωρία ξεκινά με την υπόθεση ότι ο χωροχρόνος (μια 4-διάστατη επιφάνεια, όχι δισδιάστατη σαν σφαίρα), είναι επίσης «τοπικά επίπεδος», εξηγεί ο Temple. «Το θεώρημα του Reintjes αποδεικνύει ότι στο σημείο της αλληλεπίδρασης κρουστικών κυμάτων, ο [χωροχρόνος] είναι πολύ «τσαλακωμένος» για να είναι τοπικά επίπεδος».
Συνήθως πιστεύουμε ότι μια μαύρη τρύπα είναι μια ιδιομορφία που είναι. Αλλά αυτό είναι μόνο ένα μέρος της εξήγησης. Μέσα σε μια μαύρη τρύπα, η καμπυλότητα του χωροχρόνου γίνεται τόσο απότομη και ακραία που καμία ενέργεια, ούτε καν το φως, δεν μπορεί να διαφύγει. Ο Temple λέει ότι μια ιδιομορφία μπορεί να είναι πιο λεπτή όπου μόνο ένα κομμάτι χωροχρόνου δεν μπορεί να γίνει για να φαίνεται τοπικά επίπεδο σε οποιοδήποτε σύστημα συντεταγμένων.
Το 'τοπικά επίπεδος' αναφέρεται σε χώρο που φαίνεται να είναι επίπεδος από μια συγκεκριμένη προοπτική. Η άποψή μας για τη Γη από την επιφάνεια είναι ένα καλό παράδειγμα. Η Γη φαίνεται επίπεδη σε έναν ναύτη στη μέση του ωκεανού. Μόνο όταν απομακρυνόμαστε από την επιφάνεια, η καμπυλότητα της Γης γίνεται εμφανής. Η θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν ξεκινά με την υπόθεση ότι ο χωροχρόνος είναι επίσης τοπικά επίπεδος. Τα κρουστικά κύματα δημιουργούν μια απότομη αλλαγή, ή ασυνέχεια, στην πίεση και την πυκνότητα ενός ρευστού. Αυτό δημιουργεί ένα άλμα στην καμπυλότητα του χωροχρόνου, αλλά όχι αρκετό για να δημιουργήσει το «τσαλάκωμα» που φαίνεται στα μοντέλα της ομάδας, λέει ο Temple.
Το πιο ωραίο μέρος του ευρήματος για τον Temple είναι ότι όλα, η προηγούμενη δουλειά του στα κρουστικά κύματα κατά τη διάρκεια του Big Bang και ο συνδυασμός του έργου του Vogler και του Reintjes, ταιριάζουν μεταξύ τους.
Υπάρχει τόση ηρεμία», λέει ο Temple. «Αυτό είναι πραγματικά το πιο ωραίο κομμάτι για μένα.
Μου αρέσει που είναι τόσο λεπτό. Και μου αρέσει που το μαθηματικό πεδίο της θεωρίας κρουστικών κυμάτων, που δημιουργήθηκε για να αντιμετωπίσει προβλήματα που δεν είχαν καμία σχέση με τη Γενική Σχετικότητα, μας οδήγησε στην ανακάλυψη ενός νέου είδους χωροχρονικής ιδιομορφίας. Νομίζω ότι αυτό είναι ένα πολύ σπάνιο πράγμα, και θα το έλεγα μια ανακάλυψη μια φορά σε μια γενιά».
Ενώ το μοντέλο φαίνεται καλό στο χαρτί, ο Temple και η ομάδα του αναρωτιούνται πώς οι απότομες κλίσεις στον χωροχρόνο σε μια «ικανότητα κανονικότητας» θα μπορούσαν να προκαλέσουν μεγαλύτερα από τα αναμενόμενα αποτελέσματα στον πραγματικό κόσμο. Η Γενική Σχετικότητα προβλέπει ότι τα κύματα βαρύτητας μπορεί να παραχθούν από τη σύγκρουση μεγάλων αντικειμένων, όπως οι μαύρες τρύπες. «Αναρωτιόμαστε αν ένα εκρηκτικό αστρικό ωστικό κύμα που χτυπά ένα εκρηκτικό σοκ στην προπορευόμενη άκρη μιας κατάρρευσης, μπορεί να διεγείρει ισχυρότερα από τα αναμενόμενα κύματα βαρύτητας», λέει ο Temple. 'Αυτό δεν μπορεί να συμβεί στη σφαιρική συμμετρία, την οποία υποθέτει το θεώρημά μας, αλλά κατ' αρχήν θα μπορούσε να συμβεί εάν η συμμετρία ήταν ελαφρώς σπασμένη.'
Λεζάντα εικόνας: Καλλιτεχνική απόδοση της εξέλιξης του χωροχρόνου στην αρχή του Big Bang. Τζον Γουίλιαμς/ TerraZoom