Magasabb dimenziók

Ahol megdől a relativitás-elmélet...

A születése óta eltelt 100 év során az általános relativitáselmélet minden tesztnek megfelelt - nemrég még az Einstein által megjósolt gravitációs hullámok sikeres detektálását is bejelentették. Egy új, szuperszámítógéppel végzett szimuláció azonban megdöbbentő eredményt adott.

_{2016.02.22 16:21ma.hu}

Kinyomtatom

+Nagyobb betűméret-Kisebb betűméret

Kiderült, hogy egy furcsa, gyűrű alakú fekete lyuk sértheti az általános relativitáselmélet törvényeit, de csak akkor, ha univerzumunknak legalább öt dimenziója van. A University of Cambridge és a Queen Mary University of London kutatói Pau Figueras vezetésével sikeresen szimuláltak egy nagyon vékony, gyűrű alakú fekete lyukat, amelyben egy sor "dudort" idővel egyre vékonyodó szálak kötnek össze. A szálak végül annyira elvékonyodnak, hogy miniatűr fekete lyukakká esnek szét, hasonlóan ahhoz, ahogyan a vékony vízsugár vízcseppekké szakad. A gyűrű alakú fekete lyukakat 2002-ben "fedezték fel" elméleti fizikusok, de ez az első alkalom, hogy szuperszámítógépek segítségével a dinamikájukat is sikerült szimulálni - írja a csillagaszat.hu a ScienceDaily cikkére hivatkozva. Az ilyen típusú fekete lyukak kialakulása az ún. "csupasz szingularitások" megjelenéséhez vezet, amelyek azonban sértik az általános relativitáselmélet egyenleteit.

_{Pau Figueras, Markus Kunesch, and Saran Tunyasuvunakool / University of Cambridge}

^{Gyűrű alakú vékony fekete lyuk (“fekete gyűrű”) szimulációja. Az objektum dinamikája olyan, hogy bizonyos esetekben a dudorokat összekötő vékony szálak egyre vékonyabbak lesznek, míg végül miniatűr fekete lyukakká szakadnak szét. A folyamatról itt láthatunk egy animációt.}

A gravitációra vonatkozó jelenlegi ismereteink ez utóbbi egyenleteken nyugszanak: a csillagok korának megbecslésétől kezdve a tájékozódásunkat segítő GPS készülékek működéséig sok minden az Einstein-féle egyenleteken alapul. Az elmélet többek között azt állítja, hogy az anyag meggörbíti maga körül a téridőt, és amit mi gravitációs vonzásnak érzékelünk, az tulajdonképpen ennek a görbületnek a hatása. A születése óta eltelt 100 év során az általános relativitáselmélet minden tesztnek megfelelt – két héttel ezelőtt az Einstein által megjósolt gravitációs hullámok sikeres detektálását is bejelentették. Az elmélet alkalmazhatóságának határait többek között a fekete lyukak belsejében lévő szingularitások jelölik ki.

A szingularitásban a téridő görbülete végtelen naggyá válik, így a fizika fekete lyukon kívül jól működő törvényei itt érvényüket vesztik. Az általános relativitáselmélet szerint a szingularitások a fekete lyukak belsejében léteznek, de azokat jótékonyan elrejti előlünk az eseményhorizont, amely mögül még a fény sem tud kijutni, így kívülről a mögötte lévő tartomány nem is észlelhető. Valójában nem tudjuk, hogy milyen egy fekete lyuk belseje. A kutatás egyik résztvevője, Markus Kunesch magyarázata szerint amíg a szingularitás rejtve marad az eseményhorizont mögött, nem okoz gondot, és az általános relativitáselmélet törvényei működnek. A sejtés az, hogy ez a “kozmikus cenzúra” mindig működik (cosmic censorship conjecture), így biztonsággal jelezhetjük előre, hogy mi fog történni egy fekete lyukon kívül, végső soron a jelenlegi állapotából kiindulva megjósolhatjuk az univerzum jövőjét.

Mi van azonban akkor, ha a sejtés nem igaz, és létezhet szingularitás az eseményhorizonton kívül is (ún. csupasz szingularitás). Ha így lenne, akkor az nem csak látható lenne, de olyan állapotot (végtelen nagy sűrűség) reprezentálna, ahol a fizika törvényei csődöt mondanak. Az elméleti fizikusok sejtése szerint ilyen csupasz szingularitások magasabb dimenziókban létezhetnek. Jelen kutatás másik résztvevője, Saran Tunyasuvunakool szerint azonban ekkor minden a feje tetejére állna, hiszen az elmélet elvesztené az előrejelző képességét, többé nem tekinthetnénk az univerzumot önállóan is magyarázni képes teóriának.

Az általános relativitáselmélet univerzuma négydimenziós, három tér- és egy idődimenzióval, ezek együtt alkotják az ún. téridőt. Vannak azonban ennél bonyolultabb univerzumot leíró elgondolások is, például a húrelmélet, amely szerint akár 11 dimenzió is létezhet. A további dimenziók lehetnek nagyok és kiterjedtek, vagy kicsik és felcsavarodottak, detektálni azonban mindenképpen rendkívül nehéz azokat. Mivel mi csak három térdimenzió érzékelésére vagyunk képesek, erre egyedüli lehetőséget egyelőre a nagyon nagy energiájú kísérletek biztosíthatnak csak, amilyenek például a Nagy Hadronütköztetőben (LHC) is folynak.

Az Einstein-féle elmélet nem szabja meg, hogy hány dimenzió létezhet, így az elméleti fizikusok magasabb dimenziókba is kiterjesztették azt, és vizsgálják, hogy a “kozmikus cenzúra” itt is működik-e. Az ötdimenziós gyűrű alakú, vékony fekete lyukak felfedezése és dinamikájuknak a modellezése azt sejteti, hogy nem, azaz magasabb dimenziókban létezhetnek csupasz szingularitások.

Figuerasnak és kollégáinak a COSMOS szuperszámítógéppel sikerült magasabb dimenziókban szimulálni az Einstein-féle elmélet működését, aminek eredményeként nem csak az derült ki, hogy ezek a furcsa "fekete gyűrűk" instabilak, de az is, hogy mi lesz velük. A szimulációk során a legtöbb esetben a fekete gyűrű gömbbé roskadt össze, így a szingularitás az eseményhorizont mögött maradt. A nagyon vékony fekete gyűrűk azonban annyira instabillá válhattak, hogy azokból egyre vékonyodó szálakkal összekötött dudorok alakultak ki, a szálak pedig végül csupasz szingularitásokká szakadtak. Ha magasabb dimenziókban nem működik a kozmikus cenzúra, akkor Tunyasuvunakool szerint annak kell utánajárnunk, hogy mi teszi különlegessé a négydimenziós univerzumunkat, amelyben a széles körben elfogadott nézet szerint viszont kifejti a hatását. Ha végül azonban mégsem bizonyulna igaznak, akkor más utat kell keresnünk az univerzum magyarázatára. Ilyen lehet az elméleti fizika nagy célja, a kvantumgravitáció törvényeinek megalkotása, amelyek a szingularitásoktól messze ugyan csak közelítenék az Einstein-egyenleteket, azokhoz közel azonban egészen új fizikát írnának le.

Hozzáadom a könyvjelzőhözKüldd ide: DeliciousKüldd ide: DiggKüldd ide: FacebookKüldd ide: myspaceKüldd ide: twitter