Et sadelformet univers kunne undergrave den generelle relativitet

Forskere har vist, hvordan særpræg-som normalt kun findes i midten af ​​sorte huller og skjult for synet-kunne eksistere i stærkt buet tredimensionelt rum.

Forskerne, fra University of Cambridge, har brugt computersimuleringer til at forudsige eksistensen af ​​en såkaldt nøgen singularitet, som forstyrrer Einsteins generelle relativitetsteori. Det er første gang, at en nøgen singularitet, som får fysikkens love til at bryde ned, er blevet forudsagt i tredimensionelt rum. Resultaterne er rapporteret i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve .

Einsteins generelle relativitetsteori understøtter vores nuværende forståelse af tyngdekraften:alt fra estimering af stjernernes alder i universet, til de GPS-signaler, vi er afhængige af for at hjælpe os med at navigere, er baseret på hans ligninger. Delvis, teorien fortæller os, at sagen vrider sin omgivende rumtid, og det, vi kalder tyngdekraften, er effekten af ​​den kæde. I de 100 år siden den blev udgivet, generel relativitet har bestået hver test, der er blevet kastet på den, men en af ​​dens begrænsninger er eksistensen af ​​singulariteter.

En singularitet er et punkt, hvor tyngdekraften er så intens, at rummet, tid, og fysikkens love bryder sammen. Generel relativitetsteori forudsiger, at singulariteter eksisterer i centrum af sorte huller, og at de er omgivet af en begivenhedshorisont – 'point of no return' 'hvor tyngdekraften bliver så stærk, at flugt er umuligt, hvilket betyder, at de ikke kan observeres udefra.

I mere end 40 år har matematikere har foreslået, at hver gang singulariteter dannes, de vil altid være skjult for synet på denne måde - dette er kendt som 'kosmisk censur -formodning'. Hvis sandt, kosmisk censur betyder, at uden for sorte huller, disse singulariteter har ingen målbar effekt på noget, og forudsigelserne om generel relativitet forbliver gyldige.

I de seneste år, forskere har brugt computersimuleringer til at forudsige eksistensen af ​​'nøgne singulariteter' - det vil sige singulariteter, der eksisterer uden for en begivenhedshorisont. Nøgne singulariteter ville ugyldiggøre den kosmiske censurformodning og i forlængelse, generel relativitetens evne til at forklare universet som en selvstændig teori. Imidlertid, alle disse forudsigelser er blevet modelleret på universer, der findes i højere dimensioner. For eksempel, i 2016, to Cambridge Ph.D. studerende forudsagde eksistensen af ​​en nøgen singularitet, men deres forudsigelser var baseret på et femdimensionalt univers.

Den nye forskning, af Toby Crisford og Jorge Santos fra Cambridge's Department of Applied Mathematics and Theoretical Physics, har forudsagt eksistensen af ​​en nøgen singularitet i et fire-dimensionelt univers-tre rumlige dimensioner, plus tid - for første gang.

Deres forudsigelser viser, at en nøgen singularitet kan dannes i en særlig form for buet rum kendt som anti-de Sitter-rum, hvor universet har en karakteristisk 'sadel' form. Ifølge generel relativitet, universer kan have forskellige former, og anti-de Sitter-rummet er en af ​​disse mulige former.

Anti-de Sitter-rummet har en meget anden struktur end fladt rum. Især har den en grænse, som lys kan nå, på hvilket tidspunkt det reflekteres tilbage. "Det er lidt som at have en rumtid i en kasse, "sagde Crisford." Ved grænsen, æggets vægge, vi har friheden til at angive, hvad de forskellige felter laver, og vi bruger denne frihed til at tilføre energi til systemet og til sidst tvinge dannelsen af ​​en singularitet. "

Selvom resultaterne ikke er direkte anvendelige til vores univers, da 'tvinge' en singularitet ikke er en procedure, der er mulig at simulere i fladt rum, de åbner nye muligheder for at studere andre teorier for at forstå universet. En sådan teori kan indebære kvantegravitation, som giver nye ligninger tæt på en singularitet.

"Den nøgne singularitet, vi ser, vil sandsynligvis forsvinde, hvis vi skulle inkludere ladede partikler i vores simulering - det er noget, vi i øjeblikket undersøger, "sagde Santos." Hvis det er sandt, det kan indebære en forbindelse mellem den kosmiske censur -formodning og den svage tyngdekraft -formodning, der siger, at enhver konsistent teori om kvantegravitation skal indeholde tilstrækkeligt ladede partikler. I anti-de Sitter-rummet, den kosmiske censur -formodning kan blive reddet af den svage tyngdekraft -formodning. "