Sendu inn spurningu

Hér getur þú sent okkur nýjar spurningar um vísindaleg efni.

Hafðu spurninguna stutta og hnitmiðaða og sendu aðeins eina í einu. Einlægar og vandaðar spurningar um mikilvæg efni eru líklegastar til að kalla fram vönduð og greið svör. Ekki er víst að tími vinnist til að svara öllum spurningum.

Persónulegar upplýsingar um spyrjendur eru eingöngu notaðar í starfsemi vefsins, til dæmis til að svör verði við hæfi spyrjenda. Spurningum er ekki sinnt ef spyrjandi villir á sér heimildir eða segir ekki nægileg deili á sér.

Spurningum sem eru ekki á verksviði vefsins er eytt.

Að öðru leyti er hægt að spyrja Vísindavefinn um allt milli himins og jarðar!

=

Hefur tilvist sérstæðu verið staðfest í stjarnvísindum?

Enska orðið singularity hefur verið þýtt sem 'sérstæða' eða 'sérgildi' á íslensku. Þetta hugtak kemur upp í þyngdarfræði Einsteins þar sem jöfnur almennu afstæðiskenningarinnar eru ólínulegar og hafa lausnir þar sem sveigja tímarúmsins og orkuþéttleiki efnisins stefna á óendanlegt einhvers staðar í tímarúminu.

Dæmi um slíkt er í lausn Schwarzschilds sem lýsir svonefndu svartholi (e. black hole), það er að segja tímarúmi umhverfis punktmassa. Í því tilfelli er sérstæðan hulin bak við sjóndeildarflöt (e. event horizon), sem er nokkurs konar yfirborð svartholsins. Eins og nafnið bendir til markar sjóndeildarflöturinn endimörk þess svæðis í tímarúminu sem athugendur fjarri svartholinu geta greint ljósmerki frá. Ef athugandi fer inn fyrir sjóndeildarflötinn liggur sérstæðan óhjákvæmilega í framtíð hans, jafnvel þótt hann nálgist ljóshraða í viðleitni sinni til að forðast hana.

Annað dæmi um sérstæðu er að finna í heimslíkönum sem kennd eru við Friedmann, Robertson og Walker og lýsa alheimi í útþenslu eftir miklahvell (e. big bang). Í þessu tilfelli er sérstæðan miklihvellur sjálfur og hún liggur því í fortíð allra athugenda.

Spurt er hvort tilvist „sérstæðu” hafi fengist staðfest. Svar afstæðiskenningarinnar er tvímælalaust „já”. Á sjöunda áratug síðustu aldar notuðu þeir Stephen Hawking og Roger Penrose jöfnur afstæðiskenningarinnar til að sanna mikilvægar „sérstæðusetningar” sem tóku af öll tvímæli í þessum efnum. Fram að þeim tíma höfðu menn deilt um það hvort sérstæður á borð við þær sem nefndar voru hér á undan væru aðeins fyrir hendi í einstökum lausnum á jöfnum kenningarinnar þar sem gert væri ráð fyrir nákvæmum samhverfum, eins og til dæmis kúlusamhverfu í lausn Schwarzschilds, til að einfalda jöfnurnar. Hawking og Penrose sýndu hinsvegar fram á að það er regla fremur en undantekning að sérstæður séu fyrir hendi í lausnum afstæðiskenningarinnar. Setningar þeirra byggja á mjög almennum skilyrðum, eins og að orkuþéttleiki sé hvergi neikvæður, en allar athuganir benda til að þeim sé fullnægt í okkar eigin alheimi.

Mælingar á ljósi frá fjarlægum vetrarbrautum benda eindregið til þess að alheimur okkar sé í útþenslu og hafi átt sér upphaf í óhemju þéttu og heitu ástandi. Athuganirnar sýna ennfremur að sérstæðusetning Hawking og Penrose um heimslíkön á við um okkar heim og því má álykta að miklihvellur hafi verið sérstæða í skilningi afstæðiskenningarinnar.

Það er erfiðara að staðfesta tilvist svarthola með mælingum því að það felst í eðli þeirra að lítil sem engin geislun berst frá þeim sjálfum. Með óbeinum athugunum má þó greina áhrif þeirra á nánasta umhverfi sitt. Þó nokkur dæmi er að finna um uppsprettur geislunar sem eru bundnar á braut um massamikla hnetti sem sjást ekki sjálfir.

Ef massi hulduhnattarins er meiri en sem nemur tvisvar til þrisvar sinnum massa sólarinnar er talið útilokað að um sé að ræða kulnaða nifteindastjörnu, eða nokkurn annan hnött þar sem aðdráttur þyngdarinnar er í jafnvægi við þrýsting vegna annara víxlverkana. Ef massi kulnaðs hnattar er yfir ákveðnu marki getur ekkert komið í veg fyrir að hann hrynji saman undan eigin þyngd og samkvæmt jöfnum afstæðiskenningarinnar bíða hans þá þau örlög að verða að svartholi. Nokkur tilfelli eru þekkt þar sem massi hulduhnattarins er metinn á bilinu sex til tíu sinnum massi sólarinnar og eru miklar líkur á að þar sé um svarthol að ræða.

Einnig má nefna að nákvæmar mælingar á brautarhreyfingum sólstjarna nærri miðju ýmissa vetrarbrauta gefa til kynna að í miðjunni sitji ógnarstórir hulduhnettir með massa sem nema milljónum eða jafnvel hundruðum milljóna sólarmassa, og þá kemur vart annað til greina en að það séu svarthol.

Afstæðiskenningin styður afdráttarlaust tilvist sérstæðna en hafa verður í huga að þyngdarfræðin er byggð á tilraunum eins og aðrar greinar eðlisfræðinnar. Afstæðiskenningin segir vel fyrir um niðurstöður mælinga í sólkerfinu og í ýmsum öðrum kerfum sem stjarneðlisfræðingar kanna með athugunum sínum en sveigja tímarúmsins er að jafnaði fremur lítil í slíkum kerfum og nálgast engan veginn það sem gerist í nágrenni sérstæðu.

Eðlilegt er að taka með fyrirvara ályktanir sem dregnar eru af kenningu langt utan þess sviðs sem hún hefur fengist staðfest á í tilraunum, einkum þegar kenningin staðhæfir að ýmsar mælistærðir stefni á óendanlegt. Flestir eðlisfræðingar eru þó á því að lýsing afstæðiskenningarinnar á fyrirbærum eins og svartholum og miklahvelli sé mjög nærri lagi nema rétt í nágrenni við sérstæður en þar þurfi að koma til nýjar kenningar, sem meðal annars taka til áhrifa skammtafræði á þyngdaraflið. Jafnvel þótt slíkar kenningar leysi upp sérstæðurnar í þeim skilningi að sveigja tímarúmsins og aðrar mælistærðir stefni ekki lengur á óendanlegt, þá má gera ráð fyrir að nágrenni sérstæðu verði áfram ákaflega óvinsamlegt umhverfi fyrir ólánsama athugendur.

Með öðrum orðum eru sérstæður líklega ekki til ef við krefjumst þess að þar stefni sveigja rúmsins á óendanlegt. Hins vegar telja flestir sem um þessi mál fjalla að til séu fyrirbæri þar sem sveigjan er slík að hún gæti eins verið óendanleg hvað varðar eðlisfræðilegar athuganir. Þá er eðlilegt að tala um sérstæðu jafnvel þótt ströngustu stærðfræðilegu skilyrðum sé ekki fullnægt.



Áhugasömum lesendum er bent á eftirfarandi bækur til frekari fróðleiks:

  • Afstæðiskenningin eftir Albert Einstein.
  • Ár var alda eftir Steven Weinberg.
  • Ljósið eftir Richard P. Feynman.
  • Saga Tímans eftir Stephen W. Hawking
  • The Elegant Universe eftir Brian Greene.

Fyrstu fjórar bækurnar hafa komið út á íslensku hjá hinu íslenzka bókmenntafélagi.

Einnig má benda á áhugaverða gagnvirka vefsíðu um svarthol: Space Telescope Science Institute: Black Holes: Gravity's Relentless Pull.



Mynd af Karl Schwarzschild: University of St Andrews, School of Mathematical and Computational Sciences

Mynd af Stephen Hawking: BBC Radio 4

Mynd af Roger Penrose: World of Escher

Útgáfudagur

22.11.2001

Spyrjandi

Baldur Bjarki Guðbjartsson

Höfundur

Lárus Thorlacius

prófessor í eðlisfræði við HÍ

Tilvísun

Lárus Thorlacius. „Hefur tilvist sérstæðu verið staðfest í stjarnvísindum?“ Vísindavefurinn, 22. nóvember 2001. Sótt 22. júní 2018. http://visindavefur.is/svar.php?id=1966.

Lárus Thorlacius. (2001, 22. nóvember). Hefur tilvist sérstæðu verið staðfest í stjarnvísindum? Vísindavefurinn. Sótt af http://visindavefur.is/svar.php?id=1966

Lárus Thorlacius. „Hefur tilvist sérstæðu verið staðfest í stjarnvísindum?“ Vísindavefurinn. 22. nóv. 2001. Vefsíða. 22. jún. 2018. <http://visindavefur.is/svar.php?id=1966>.

Chicago | APA | MLA

Sendu inn spurningu
eða

Vísindadagatalið

Geir Gunnlaugsson

1951

Geir Gunnlaugsson er prófessor í hnattrænni heilsu við Félags- og mannvísindadeild Háskóla Íslands. Rannsóknaráherslur hans falla undir fræðasvið barnalækninga, lýðheilsu og hnattrænnar heilsu.