WAS IST EINE SINGULARITäT?

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Seit Wissenschaftler die Existenz von Schwarzen Löchern in unserem Universum entdeckt haben, haben wir uns alle gefragt: Was könnte möglicherweise jenseits des Schleiers dieser schrecklichen Leere existieren? Darüber hinaus mussten sich Wissenschaftler seit dem ersten Vorschlag der Allgemeinen Relativitätstheorie fragen, was vor der Geburt des Universums - d. H. Vor dem Urknall - hätte existieren können.

Interessanterweise wurden diese beiden Fragen (auf eine Art und Weise) mit der theoretischen Existenz einer sogenannten Gravitations-Singularität gelöst - einem Punkt in der Raumzeit, an dem die Gesetze der Physik, wie wir sie kennen, zusammenbrechen. Und während es noch Herausforderungen und ungelöste Fragen zu dieser Theorie gibt, glauben viele Wissenschaftler, dass dies unter dem Schleier eines Ereignishorizonts und zu Beginn des Universums existierte.

Definition:

In wissenschaftlicher Hinsicht ist eine Gravitationssingularität (oder Raum-Zeit-Singularität) ein Ort, an dem die Größen, die zur Messung des Gravitationsfeldes verwendet werden, auf eine Weise unendlich werden, die nicht vom Koordinatensystem abhängt. Mit anderen Worten, es ist ein Punkt, an dem alle physikalischen Gesetze nicht voneinander zu unterscheiden sind, an dem Raum und Zeit keine miteinander verbundenen Realitäten mehr sind, sondern ununterscheidbar verschmelzen und keine unabhängige Bedeutung mehr haben.

Ursprung der Theorie:

Singularitäten wurden zuerst als Ergebnis von Einsteins Theorie der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt, was zur theoretischen Existenz von Schwarzen Löchern führte. Im Wesentlichen sagte die Theorie voraus, dass jeder Stern, der über einen bestimmten Punkt seiner Masse hinausreicht (auch bekannt als Schwarzschild-Radius), eine Gravitationskraft ausüben würde, die so stark ist, dass er zusammenbricht.

Zu diesem Zeitpunkt wäre nichts in der Lage, seiner Oberfläche zu entkommen, einschließlich Licht. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass die Gravitationskraft die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum überschreiten würde - 299.792.458 Meter pro Sekunde (1.079.252.848,8 km / h; 670.616.629 mph).

Dieses Phänomen ist als Chandrasekhar-Grenze bekannt, benannt nach dem indischen Astrophysiker Subrahmanyan Chandrasekhar, der es 1930 vorschlug. Derzeit wird angenommen, dass der akzeptierte Wert dieser Grenze 1,39 Sonnenmassen (dh das 1,39-fache der Masse unserer Sonne) beträgt. das ergibt satte 2.765 x 10³⁰ kg (oder 2.765 Billionen Billionen Tonnen).

Ein weiterer Aspekt der modernen Allgemeinen Relativitätstheorie ist, dass zur Zeit des Urknalls (d. H. Des Anfangszustands des Universums) eine Singularität war. Roger Penrose und Stephen Hawking entwickelten beide Theorien, die zu beantworten versuchten, wie Gravitation Singularitäten erzeugen kann, die schließlich zusammengeführt wurden, um als Penrose-Hawking-Singularitätssätze bekannt zu werden.

Nach dem Penrose-Singularitätssatz, den er 1965 vorschlug, wird eine zeitähnliche Singularität innerhalb eines Schwarzen Lochs auftreten, wenn Materie bestimmte Energiebedingungen erreicht. Zu diesem Zeitpunkt wird die Krümmung der Raum-Zeit innerhalb des Schwarzen Lochs unendlich und verwandelt es in eine eingeschlossene Oberfläche, auf der die Zeit nicht mehr funktioniert.

Der Hawking-Singularitätssatz fügte hinzu, dass eine raumähnliche Singularität auftreten kann, wenn Materie gewaltsam auf einen Punkt komprimiert wird, wodurch die Regeln, die die Materie regeln, zusammenbrechen. Hawking führte dies in der Zeit zurück auf den Urknall, von dem er behauptete, er sei ein Punkt unendlicher Dichte. Hawking überarbeitete dies jedoch später, um zu behaupten, dass die allgemeine Relativitätstheorie zeitweise vor dem Urknall zusammenbricht und daher keine Singularität von ihr vorhergesagt werden könnte.

Einige neuere Vorschläge legen auch nahe, dass das Universum nicht als Singularität begann. Dazu gehören Theorien wie die Schleifenquantengravitation, die versucht, die Gesetze der Quantenphysik mit der Gravitation zu vereinen. Diese Theorie besagt, dass es aufgrund von Quantengravitationseffekten einen Mindestabstand gibt, ab dem die Schwerkraft nicht mehr weiter zunimmt, oder dass sich durchdringende Teilchenwellen Gravitationseffekte maskieren, die in einiger Entfernung zu spüren wären.

Arten von Singularitäten:

Die beiden wichtigsten Arten von Raum-Zeit-Singularitäten sind als Krümmungs-Singularitäten und konische Singularitäten bekannt. Singularitäten können auch danach unterteilt werden, ob sie von einem Ereignishorizont abgedeckt werden oder nicht. Im ersteren Fall haben Sie die Krümmung und die konische; In letzterem Fall haben Sie sogenannte Naked Singularities.

Eine Krümmungs-Singularität lässt sich am besten durch ein Schwarzes Loch veranschaulichen. Im Zentrum eines Schwarzen Lochs wird die Raumzeit zu einem eindimensionalen Punkt, der eine riesige Masse enthält. Infolgedessen wird die Schwerkraft unendlich und die Raum-Zeit-Kurven unendlich, und die Gesetze der Physik, wie wir sie kennen, funktionieren nicht mehr.

Konische Singularitäten treten auf, wenn es einen Punkt gibt, an dem die Grenze jeder allgemeinen Kovarianzgröße endlich ist. In diesem Fall sieht die Raumzeit wie ein Kegel um diesen Punkt aus, an dem sich die Singularität an der Spitze des Kegels befindet. Ein Beispiel für eine solche konische Singularität ist eine kosmische Kette, eine Art hypothetischer eindimensionaler Punkt, von dem angenommen wird, dass er sich im frühen Universum gebildet hat.

Und wie bereits erwähnt, gibt es die Naked Singularity, eine Art Singularität, die sich nicht hinter einem Ereignishorizont verbirgt. Diese wurden erstmals 1991 von Shapiro und Teukolsky mithilfe von Computersimulationen einer rotierenden Staubebene entdeckt, die darauf hinwiesen, dass die Allgemeine Relativitätstheorie „nackte“ Singularitäten zulassen könnte.

In diesem Fall wäre sichtbar, was sich tatsächlich innerhalb eines Schwarzen Lochs abspielt (d. H. Seine Singularität). Eine solche Singularität wäre theoretisch das, was vor dem Urknall existierte. Das Schlüsselwort hier ist theoretisch, da es ein Rätsel bleibt, wie diese Objekte aussehen würden.

Für den Moment bleiben Singularitäten und das, was tatsächlich unter dem Schleier eines Schwarzen Lochs liegt, ein Rätsel. Mit der Zeit hoffen wir, dass Astronomen die Schwarzen Löcher genauer untersuchen können. Es ist auch zu hoffen, dass Wissenschaftler in den kommenden Jahrzehnten einen Weg finden werden, die Prinzipien der Quantenmechanik mit der Schwerkraft zu verbinden, und dass dies weitere Aufschluss darüber geben wird, wie diese mysteriöse Kraft funktioniert.

Wir haben hier im Space Magazine viele interessante Artikel über Gravitations-Singularitäten. Hier sind 10 interessante Fakten über Schwarze Löcher: Wie würde ein Schwarzes Loch aussehen? War der Urknall nur ein Schwarzes Loch? Auf Wiedersehen Urknall, Hallo Schwarzes Loch?, Wer ist Stephen Hawking? Und was ist auf der anderen Seite von ein schwarzes Loch?

Wenn Sie weitere Informationen zur Singularität wünschen, lesen Sie diese Artikel von NASA und Physlink.

Astronomy Cast hat einige relevante Episoden zu diesem Thema. Hier ist Episode 6: Weitere Beweise für den Urknall und Episode 18: Große und kleine schwarze Löcher und Episode 21: Beantwortete Fragen zum Schwarzen Loch.

Quellen: