Pentru a înțelege ce este o singularitate, haideți să ne imaginăm că forța gravitațională ne comprimă corpul până la un punct infinit de mic, astfel încât volumul ocupat devine practic zero. Aceasta pare imposibil… și chiar așa este. Aceste „singularități” se întâlnesc în centrul găurilor negre; la începutul universului (la Big Bang) a existat, de asemenea, o singularitate.
Singularitățile nu reprezintă ceva fizic, ci ele rezultă din calculele matematice și ne spun că legile fizicii nu mai sunt valabile, fiind necesară înlocuirea lor cu altceva.
Ce este o singularitate?
Singularitățile pot apărea oriunde și sunt destul de frecvente în calculele matematice pe care fizicienii le efectuează pentru a înțelege universul. Cu alte cuvinte, singularitățile apar acolo unde matematica „se comportă greșit”, de obicei prin generarea unor valori infinit de mari. Există exemple de singularități matematice în fizică: de obicei, ori de câte ori o ecuație folosește 1/X, iar X ajunge la 0, valoarea ecuației tinde spre infinit.
Totuși, majoritatea acestor singularități pot fi rezvolate subliniind că ecuațiilor le lipsește un anumit factor sau observând imposibilitatea fizică de a se ajunge în punctul de singularitate. Altfel spus, probabil că aceste singularități nu sunt „reale”.
Însă în fizică există singularități care nu au o rezolvare simplă. Cele mai faimoase sunt singularitățile gravitaționale – infiniturile care apar în teoria relativității generale a lui Einstein, care este cea mai bună teorie a noastră privind funcționarea gravitației.
În relativitatea generală, există două tipuri de singularități: singularități în sistem de coordonate și singularități adevărate. Singularitățile în sistem de coordonate apar atunci când infinitul apare într-un sistem de coordonate, dar dispare în altul.
De exemplu, fizicianul Karl Schwarzschild a aplicat relativitatea generală unui sistem simplu cu masa sferică, așa cum este o stea. El a descoperit că soluția conținea două singularități: una chiar în centru și alta la o anumită distanță față de centru, cunoscută astăzi sub denumirea de rază Schwarzschild. Timp de mulți ani, fizicienii au crezut că ambele singularități semnalează existența unor lipsuri în teorie, dar acest lucru nu conta atât timp cât raza masei sferice era mai mare decât raza Schwarzschild. Tot ceea ce astronomii aveau nevoie era ca relativitatea generală să prezică influența graviteției dincolo de masa sferică.
Însă ce s-ar întâmpla dacă obiectul ar fi fost comprimat dincolo de raza sa Schwarzschild? Atunci acea singularitate ar fi fost în afara masei și relativitatea generală nu s-ar mai fi aplicat în zone unde nu ar fi trebuit să se întâmple acest lucru. Ulterior s-a descoperit că singularitatea de la nivelul razei Schwarzschild era o singularitate în sistem de coordonate. Schimbarea sistemului de coordonate duce la înlăturarea singularității și validează funcționarea relativității generale, care poate face predicții corecte în continuare.
Unde apar singularitățile gravitaționale?
Cu toate acestea, singularitatea din centrul masei sferice rămânea. Dacă un obiect este comprimat dincolo de raza Schwarzschild, atunci gravitația sa devine atât de puternică încât obiectul continuă să se comprime în el însuși până la un punct infinit.
Timp de decenii, oamenii de știință au dezbătut dacă este posibil colapsul într-un un punct infinit de mic sau dacă există alte forțe capabile să preîntâmpine colapsul. În timp ce piticele albe și stelele neutronice rezistă colapsului un timp indefinit, orice obiect cu masa de peste șase ori mai mare decât raza Soarelui are o forță de gravitație prea mare, care depășește orice alte forțe și determină colapsul într-un punct infinit de mic – o singularitate adevărată.
Ce este o singularitate goală?
O gaură neagră este un punct cu densitate infinită, înconjurat de un orizont al evenimentelor situat la nivelul razei Schwarzschild. Orizontul evenimentelor „protejează” singularitatea, împiedicând observatorii din exterior să o vadă până când aceștia nu traversează orizontul evenimentelor.
Fizicienii au crezut de mult timp că, în relativitatea generală, toate singularitățile de acest fel sunt înconjurate de orizontul evenimentelor, iar acest concept a fost cunoscut sub denumirea de Ipoteza Cenzurii Cosmic (Cosmic Censorship Hypothesis) – numită astfel deoarece presupunea că un anumit proces din univers împiedică singularitățile să fie vizibile. Cu toate acestea, simulările pe calculator și calculele teoretice au sugerat posibilitatea existenței unor singularități expuse (sau „goale”). O singularitate goală ar fi o singularitate lipsită de orizontul evenimentelor și ar fi complet vizibilă din exterior. Existența unor astfel de singularități este încă subiect de dezbateri.
Ce este cu adevărat în centrul unei găuri negre?
Deoarece ele sunt singularități matematice, nimeni nu știe ce există cu adevărat în centrul unei găuri negre. Pentru a înțelege acest lucru avem nevoie de o teorie dincolo de relativitatea generală. În mod specific, avem nevoie de o teorie a gravitației cuantice, care să descrie comportamentul gravitației puternice la o scară minusculă.
Exemple de ipoteze care își propun să modifice sau să înlocuiască relativitatea generală sunt stelele Planck (forme exotice ale materiei super-comprimate) sau stelele din energie întunecată (o stare exotică a vidului care se comportă ca o gaură neagră). Până în preazent, toate aceste teorii sunt doar ipotetice și trebui să aștepte teoria gravitației cuantice pentru a primi un răspuns.
Ce este singularitatea Big Bang?
Teoria Big Bang, care consideră că relativitatea generală este adevărată, reprezintă modelul cosmologic modern al istoriei universului. Teoria conține și ea o singularitate. Potrivit acestei teorii, în trecutul foarte îndepărtat, în urma cu circa 13,77 miliarde de ani, întregul univers era comprimat într-un punct infinit de mic.
Fizicienii știu că această concluzie este incorectă. Deși teoria Big Bang are un succes enorm la descrierea cosmosului după acel moment și a găurilor negre, prezența singularității spune oamenilor de știință că teoria – și relativitatea generală – este incompletă și are nevoie de actualizări.
O posibilă soluționare a singularității Big Bang este teoria mulțimilor cauzale. Potrivit acestei teorii, spațiu-timpul nu este un continuum neted, așa cum este prezentat în relativitatea generală, ci este format din bucăți denumite „atomi spațiu-timp”. Deoarece nimic nu poate fi mai mic decât acești „atomi”, existența singularităților este imposibilă, spune Bruno Bento, fizician la Universitatea din Liverpool, Marea Britanie. Bento și colegii săi încearcă să înlocuiască primele momente ale Big Bang-ului cu teoria mulțimilor cauzale.
Deși nu există soluții universal accepate ale singularității Big Bang, oamenii de știință speră să găsească o rezolvare cât de curând.
Sursa: Live Science