Singularitate gravitațională
From Wikipedia, the free encyclopedia
Singularitatea gravitațională este, cel puțin teoretic, un punct cu un volum ce tinde spre zero și o densitate ce tinde spre infinit. Altfel spus, este un punct de concentrație infinită și cu o forță gravitațională imensă. Se presupune că găurile negre ar avea în centrul lor o singularitate gravitațională, atrăgând prin gravitație absolut tot ce se află împrejur, inclusiv lumina. În astfel de puncte legile fizicii newtoniene nu se mai aplică.
În teoria clasică a gravitației lui Newton există posibilitatea fundamentală a unei singularități. Niciun semnal nu se poate propaga din interiorul unei singularități, dar influența gravitațională a acesteia este permanent prezentă în exterior și depinde numai de cantitatea totală de masă, de impulsul unghiular și de sarcina electrică din componența singularității. Singularitățile pot fi detectate prin influența gravitației lor puternice în imediata vecinătate.[1]
În teoria clasică a gravității lui Newton, un argument energetic ne spune că există o viteză de evadare de la suprafața oricărui obiect.
În teoria newtoniană, gravitația este descrisă de potențial. Similar, în relativitatea generală (RG) soluția exterioară simetrică (independentă de timp), numită spațiu-timpul Schwarzschild, depinde numai de masa obiectului interior. Raza Schwarzschild în RG este raza maximă a unei suprafețe sub care lumina nu mai poate scăpa în afară. Această ”rază a orizontului” este, coincidență, aceeași ca raza critică pentru obiectele din „singularitățile” newtoniene.
Singularitățile gravitaționale în RG sunt locații în spațiu-timp unde câmpul gravitațional devine infinit. Curburile invariabile scalare ale spațiu-timpului includ o măsură a densității materiei. Unii fizicieni și filosofi consideră că, deoarece densitatea materiei tinde spre infinit în singularitate, legile spațiu-timpului nu mai sunt valabile acolo.
O singularitate gravitațională aproape unanim acceptată în astrofizică și cosmologie, ca cea mai timpurie stare a universului, este Big Bang (BB).[2] Nici în acest caz legile cunoscute ale fizicii nu mai sunt valabile.[3]
Relativitatea generală prezice că orice obiect care colapsează dincolo de un anumit punct (pentru stele, raza Schwarzschild) formează o GN cu o singularitate, cu o limită de acțiune definită de un orizont al evenimentelor (OE).[4] Teoremele de singularitate ale lui Penrose-Hawking afirmă că în acest caz geodezicele se termină în singularitate.[5]
Teoria gravitației cuantice în buclă sugerează că singularitățile nu pot exista [6] pentru că, datorită efectelor gravitației cuantice, există o distanță minimă dincolo de care forța de gravitație nu mai crește.
Soluția Schwarzschild la ecuațiile din RG descrie o gaură neagră (GN) ne-rotitoare, neîncărcată. În sistemele de coordonate convenabile, o parte a metricei devine infinită la OE. Într-o GN rotativă (GN Kerr) singularitatea apare pe un inel, putând să devină, teoretic, o ”gaură de vierme”. [2]
Un tip special de singularitate este ”singularitatea goală” care, deși este interzisă de ipoteza cenzurii cosmice, în 1991 fizicienii Stuart Shapiro și Saul Teukolsky au efectuat simulări pe calculator ale unui plan de rotație a prafului cosmic rezultând că RG ar putea permite singularități „goale”.[7] De altfel, ipoteza cenzurii cosmice afirmă că pot exista singularități realiste (fără simetrii perfecte, materie cu proprietăți realiste) dar sunt ascunse în siguranță în spatele orizontului și astfel invizibile.[Note 1][2]
Stephen Hawking a sugerat că GN pot radia energia, conservând astfel entropia și rezolvând problemele de incompatibilitate cu a doua lege a termodinamicii. Aceasta înseamnă că GN au o viață cosmică limitată”.[8]
Paul Townsend afirmă că singularitățile sunt o caracteristică generică a RG și inevitabile în cazul în care unui corp a trecut de-o anumită etapă[9] și, de asemenea, la începutul unei clase largi de universuri în expansiune.[10] În prezent se cercetează structura generică a acestor entități (de exemplu, conjuenctura BKL).[11] Ipoteza cenzurii cosmice afirmă că toate singularitățile viitoare realiste (fără simetrii perfecte, materie cu proprietăți realiste) sunt ascunse în siguranță în spatele orizontului și astfel invizibile
În privința definiției singularităților există un dezacord net: deși modifică geometria locală, apar dificultăți în a vorbi de ele ca despre un lucru care se găsește într-o anumită locație în spațiu-timp, motiv pentru care unii fizicieni și filosofi propun să se vorbească de ”spațiu-timpuri singulare” în loc de ”singularități”. Cele mai importante definiții se referă fie la căi incomplete, fie la ideea ”punctelor lipsă” din spațiu-timp, fie o idee care combină cele două concepte de mai sus, respectiv a unei structuri singulare cu comportament ”patologic” (deformarea spațiu-timpului care se manifestă el însuți ca un câmp gravitațional).[4]