A szó a latin singularis – ból ered, melynek jelentése: különösség, egyediség.
A csillagászati/gravitációs szingularitás egy olyan régió, ahol a gravitációs mező és a téridő görbülete végtelenné válik, az anyag pedig végtelen sűrűségűvé és nulla térfogatú pontba sűrűsödik.
Ez az a pont, ahol a fizika eléri határait. Minden törvény, minden egyenlet nulla vagy végtelen értéket eredményez. Az általunk ismert természeti törvények érvényüket vesztik: megszűnnek vagy fejlődésük végtelenbe tart.
A relativitáselmélet, amivel a bolygók és csillagok fizikai jelenségeit tudjuk levezetni, a szingularitás esetében végtelen értéket ad.
A kvantummechanika, amellyel az atomi világban tudunk eligazodni viszont a szingularitásban is jelen lévő gravitációval nem tud mit kezdeni.
A kvantumgravitáció elméletei oldhatják meg, vezethetik le, mi is pontosan a szingularitás, hogyan is működhet és képezhet hidat a relativitáselmélet és a kvantummechanika között. Ilyen például a húrelmélet vagy a hurok – kvantumgravitáció.
Kiragadva a példaként a húrelméletet: míg a szingularitás oka az elméletek szerint az anyag pontszerű objektummá préselődése, amivel végtelen sűrűségű anyagot kapunk, addig a húrelmélet azt mondja, nem pontokról van szó, hanem apró, rezgő, egydimenziós húrokról, amik gombolyaggá rendeződnek. Ezzel lesz a végtelen objektumból véges, amivel már tudunk mit kezdeni matematikailag.
Szingularitás, eseményhorizont és a fekete lyukak
A fekete lyukak óriáscsillagokból, szuperóriásokból keletkezhetnek. Amikor a csillag magjában leállnak a nukleáris fúziós folyamatok, a kifelé ható sugárnyomás megszűnik, és már nem képes ellensúlyozni a csillag saját súlyát. Egyfajta gravitációs összeomlás történik, így jön létre a szingularitás a fekete lyukak közepén.
A fekete lyuk a téridő olyan tartománya, ahol a gravitáció akkora erővel bír, hogy semmilyen anyag, de még a fény sem képes elszökni onnan. Elméleti alapjait Albert Einstein általános relativitáselmélete adja, a határát pedig az eseményhorizont jelöli ki.
A szingularitást az úgynevezett eseményhorizont takarja el előlünk.
Az eseményhorizont a fekete lyuk külső határa, felszíne. Azok a fénysugarak alkotják, melyek a fekete lyuk középpontjától állandó távolságban lebegnek és éppen nem sikerült kiszabadulniuk a fekete lyukból (a magába omlott csillag felszínét elhagyó fény egy része). Itt éri el a szökési sebesség a fénysebességet. Ha ezen bármi túllép, a központ felé zuhan.
Néhány, úgynevezett aktív fekete lyuk körül akkréciós korong látható. Ez egy átmeneti jelenség, ami a fekete lyuk „táplálkozásának” következménye. Az aktív fekete lyukak folyamatosan anyagot szippantanak be a környezetükből, ezért a korongjuk hevesen világít (röntgen- és látható fényben). Az ITT annyiszor emlegetett Doppler – effektus következtében az akkréciós korong egyik oldala mindig fényesebb. A korong hatalmas sebességgel forog, az egyik oldala felénk mozog (kékeltolódás és fényesedés), a másik pedig távolodik tőlünk (vöröseltolódás és halványodás)
A fentiből következik, hogy vannak alvó, inaktív fekete lyukak. Ezek körül nincs akkréciós korong, ugyanis ha egy fekete lyuk környezetéből elfogy az anyag (nincs gázfelhő vagy közel lévő csillag), a korong kiürül és eltűnik. Ilyenkor a fekete lyuk teljesen sötétté és láthatatlanná válik. Az univerzumban lévő fekete lyukak túlnyomó többsége ebben az „alvó” állapotban van. Onnan tudjuk, hogy léteznek és ott vannak ahol, mert ugyanakkora gravitációs hatást fejtenek ki a környezetükben lévő égitestekre, mint összeomlása előtt a adott csillag, amelyikből születtek.
A szingularitás tehát a fekete lyuk közepe, az esemény horizont az a határ, ahonnan már nincs visszaút, az akkréciós korong pedig az ezeket körülevő forró, gázgyűrű.
Csupasz szingularitás és a kozmikus cenzúra
A csupasz szingularitás lényegében egy eseményhorizont nélküli fekete lyuk, vagyis a végtelen sűrűségű pontot nem takarná el semmi előlünk. Einstein általános relativitáselméletét alapul véve elméletileg létezhet ilyen objektum.
1916 – ban Karl Schwarzschild (Németország, 1873. október 9 – Németország, 1916. május 11) fizikus és matematikus, matematikai úton leírta a gömbszimmetrikus (nem forgó) fekete lyukakat, ahol a szingularitást már elrejtette a horizont. 1963 – ban pedig Roy Kerr (Új – Zéland, 1934. május 16 – ) matematikus megoldotta az egyenleteket a forgó fekete lyukakra is. A Kerr – féle matematikai képlet megmutatta, hogy ha egy objektumot egy bizonyos kritikus határ felett pörgetünk meg, az eseményhorizont teljesen eltűnik, és a szingularitás „csupasszá” válik.
Azonban, ha a természetben létezne a csupasz szingularitás, akkor a belőle származó kiszámíthatatlan, véletlenszerű hatások, részecskék vagy sugárzások léphetnének ki a mi univerzumunkba, ami lerombolná az okság elvét (minden eseménynek – oknak – megvan a maga következménye – okozata -, és az ok mindig megelőzi az okozatot az időben) és a fizika jósolhatóságát.
A szingularitás ugyanis: „… egy olyan régió, ahol a gravitációs mező és a téridő görbülete végtelenné válik, az anyag pedig végtelen sűrűségűvé és nulla térfogatú pontba sűrűsödik. Ez az a pont, ahol a fizika eléri határait. Minden törvény, minden egyenlet nulla vagy végtelen értéket eredményez. Az általunk ismert természeti törvények érvényüket vesztik: megszűnnek vagy fejlődésük végtelenbe tart.”
Sir Roger Penrose (Anglia, 1931. augusztus 8 – ) matematikus és elméleti fizikus alkotta meg a kozmikus cenzúra elméletét. Eszerint a természet törvényei gondoskodnak arról, hogy a szingularitások mindig rejtve maradjanak, és az általuk okozott kiszámíthatatlan események ne szabadulhassanak ki.
Ez a kozmikus cenzúra pedig nem más, mint az eseményhorizont, amely elrejti a szingularitást.
A valóságban azonban eddig nem fedeztünk fel csupasz szingularitást az űrben. A legtöbb számítógépes szimuláció pedig azt mutatja, hogy ha egy fekete lyukat megpróbálnánk túlpörgetni, a fekete lyuk inkább visszaveri az anyagot, mielőtt az eseményhorizontja eltűnhetne.
A jelenlegi, legszélesebb körben elfogadott kozmológiai modell szerint a Világegyetem is egy szingularitásból született.
Amit egyébként nem takart el eseményhorizont…
Erről bővebben ITT olvashatsz majd a következő #tudományoskedd – en. =)
Be a Nerdy Bird!
