De revolutionaire algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein beschrijft de zwaartekracht als een kromming in het weefsel van de ruimtetijd. Wiskundigen van de University of California, Davis hebben een nieuwe manier bedacht om die stof te kreuken terwijl ze nadenken over schokgolven.
'We laten zien dat ruimtetijd niet lokaal vlak kan zijn op een punt waar twee schokgolven samenkomen', zegt Blake Temple, professor wiskunde aan UC Davis. 'Dit is een nieuw soort singulariteit in de algemene relativiteitstheorie.'
Temple en zijn medewerkers bestuderen de wiskunde van hoe schokgolven in een perfecte vloeistof de kromming van de ruimtetijd beïnvloeden. Hun nieuwe modellen bewijzen dat singulariteiten verschijnen op de punten waar schokgolven botsen. Voglers wiskundige modellen simuleerden twee botsende golven. Reintjes vervolgde met een analyse van de vergelijkingen die beschrijven wat er gebeurt als de schokgolven elkaar kruisen. Hij noemde de singulariteit een 'regularity singularity'.
"Wat verrassend is," vertelde Temple aan Space Magazine, "is dat zoiets alledaags als de interactie van golven iets extreems kan veroorzaken als een ruimtetijd singulariteit - zij het een zeer milde nieuwe vorm van singulariteit. Ook verrassend is dat ze in de meest fundamentele vergelijkingen van Einsteins algemene relativiteitstheorie vormen, de vergelijkingen voor een perfecte vloeistof. "
De resultaten worden gerapporteerd in twee artikelen van Temple met afgestudeerde studenten Moritz Reintjes en Zeke Vogler in het tijdschrift Proceedings of the Royal Society A.
Einstein zorgde voor een revolutie in de moderne fysica met zijn algemene relativiteitstheorie die in 1916 werd gepubliceerd. De theorie beschrijft in het kort de ruimte als een vierdimensionaal weefsel dat kan worden vervormd door energie en de stroom van energie. De zwaartekracht laat zich zien als een kromming van deze stof. 'De theorie begint met de aanname dat de ruimtetijd (een vierdimensionaal oppervlak, niet tweedimensionaal zoals een bol) ook' plaatselijk vlak 'is, legt Temple uit. "De stelling van Reintjes bewijst dat op het punt van de schokgolfinteractie het [ruimtetijd] te" gekreukt "is om plaatselijk plat te zijn."
We beschouwen gewoonlijk een zwart gat als een bijzonderheid die het is. Maar dit is slechts een deel van de verklaring. In een zwart gat wordt de kromming van de ruimtetijd zo steil en extreem dat geen energie, zelfs geen licht, kan ontsnappen. Temple zegt dat een singulariteit subtieler kan zijn waar slechts een stukje ruimtetijd kan worden gemaakt om er lokaal plat uit te zien in elk coördinatensysteem.
'Lokaal vlak' verwijst naar ruimte die vanuit een bepaald perspectief vlak lijkt te zijn. Ons zicht op de aarde vanaf de oppervlakte is een goed voorbeeld. De aarde ziet er plat uit voor een zeeman midden op de oceaan. Pas als we ver van het oppervlak afgaan, wordt de kromming van de aarde duidelijk. Einsteins algemene relativiteitstheorie begint met de aanname dat de ruimtetijd ook lokaal vlak is. Schokgolven veroorzaken een abrupte verandering of discontinuïteit in de druk en dichtheid van een vloeistof. Dit zorgt voor een sprong in de kromming van de ruimtetijd, maar niet genoeg om het 'gekreukel' in de modellen van het team te creëren, zegt Temple.
Het coolste van de vondst voor Temple is dat alles, zijn eerdere werk aan schokgolven tijdens de oerknal en de combinatie van het werk van Vogler en Reintjes, bij elkaar passen.
Er is zoveel toeval ', zegt Temple. 'Dit is echt het coolste voor mij.
Ik vind het leuk dat het zo subtiel is. En ik vind het leuk dat het wiskundige veld van de shockwave-theorie, gecreëerd om problemen aan te pakken die niets te maken hadden met algemene relativiteit, ons heeft geleid tot de ontdekking van een nieuw soort ruimtetijd-singulariteit. Ik denk dat dit zeer zeldzaam is en ik zou het een once in a generation-ontdekking noemen. "
Hoewel het model er op papier goed uitziet, vragen Temple en zijn team zich af hoe de steile hellingen in de ruimtetijd met een 'regelmaat singulariteit' in de echte wereld grotere dan verwachte effecten zouden kunnen veroorzaken. Algemene relativiteitstheorie voorspelt dat zwaartekrachtsgolven kunnen worden veroorzaakt door de botsing van massieve objecten, zoals zwarte gaten. 'We vragen ons af of een exploderende stellaire schokgolf die een imploderende schok raakt aan de voorrand van een instorting, sterker dan verwachte zwaartekrachtgolven zou kunnen stimuleren', zegt Temple. "Dit kan niet gebeuren in sferische symmetrie, wat onze stelling aanneemt, maar in principe zou het kunnen gebeuren als de symmetrie enigszins gebroken was."
Onderschrift: Artist vertolking van het ontrollen van ruimtetijd aan het begin van de Big Bang. John Williams / TerraZoom
