Кіріспе
Жалпы салыстырмалылық теориясындағы гравитациялық сингулярлықтар туралы негізгі нәтижелер – Пенроуз-Хокинг сингулярлық теоремалары (Роджер Пенроуз және Стивен Хокингтің есімдерімен аталады) – гравитацияның қашан сингулярлықтар тудыратыны деген сұраққа жауап беруге бағытталған жалпы салыстырмалылық теориясының нәтижелер жиынтығы. Пенроуз сингулярлық теоремасы – жартылай Риман геометриясының теоремасы және оның жалпы салыстырмалылыққа қатысты түсіндірмесі қара тесіктердің пайда болуында гравитациялық сингулярлықтың болатынын болжайды. Хокинг сингулярлық теоремасы Пенроуз теоремасына негізделген және ол Ұлы жарылыс жағдайындағы гравитациялық сингулярлық ретінде қарастырылады. Пенроуз 2020 жылы "қара тесіктердің пайда болуы жалпы салыстырмалылық теориясының берік болжамы екенін ашқаны үшін" физика саласындағы Нобель сыйлығымен марапатталды, осы сыйлықты ол Рейнхард Генцельмен және Андреа Гецпен бөлісті.
The Penrose–Hawking singularity theorems (after Roger Penrose and Stephen Hawking) are a set of results in general relativity that attempt to answer the question of when gravitation produces singularities. The Penrose singularity theorem is a theorem in semi Riemannian geometry and its general relativistic interpretation predicts a gravitational singularity in black hole formation. The Hawking singularity theorem is based on the Penrose theorem and it is interpreted as a gravitational singularity in the Big Bang situation. Penrose was awarded the Nobel Prize in Physics in 2020 "for the discovery that black hole formation is a robust prediction of the general theory of relativity", which he shared with Reinhard Genzel and Andrea Ghez.
Түсіндіру және мән
Жалпы салыстырмалылық теориясында сингулярлық – бұл объектілердің немесе жарық сәулелерінің шекті уақыт ішінде жете алатын, онда қисықтық шексіз болатын немесе кеңістік-уақыт манифольдты қасиетін тоқтатып беретін нүкте. Сингулярлықтарды барлық қара тесік кеңістіктерінде, Шварцшильд метрикасында, Райснер-Нордстрем метрикасында, Керр метрикасында және Керр-Ньюман метрикасында, сондай-ақ скалярлық өріс энергиясы немесе космологиялық тұрақтысы жоқ барлық космологиялық шешімдерде кездестіруге болады. Біздің өткендегі Ұлы жарылыс сингулярлығынан не шығатынын немесе болашақта қара тесік сингулярлығына түсіп кеткен бақылаушыға не болатынын болжау мүмкін емес, сондықтан олар физикалық заңдарды өзгертуді талап етеді. Пенроузға дейін сингулярлықтардың тек ең жасанды жағдайларда ғана пайда болатыны ойластырылатын. Мысалы, жұлдыздың қара тесікке құлауы кезінде, егер жұлдыз айналып тұрса және демек, бұрыштық импульсқа ие болса, центробектік күш гравитацияға қарсы тұрып, сингулярлықтың пайда болуын тоқтатуы мүмкін еді. Сингулярлық теоремалары бұл мүмкін емес екенін және оқиғалар горизонты қалыптасқаннан кейін сингулярлық әрқашан қалыптасатынын дәлелдейді. Құлап бара жатқан жұлдыз мысалында, жалпы салыстырмалылық теориясындағы барлық материя мен энергия гравитациялық тартымның көзі болғандықтан, қосымша бұрыштық импульс жұлдыздың жиырылғанда оны одан да күштірек тартады: оқиғалар горизонтының сыртындағы бөлігі ақырында Керр қара тесігіне орналасады (қараңыз, «Шаш жоқ» теоремасы). Оқиғалар горизонтының ішіндегі бөлік міндетті түрде бір жерде сингулярлыққа ие болады. Дәлел біршама конструктивті – сингулярлықты горизонттың ішіндегі беттен жарық сәулелерін қадағалап табуға болатынын көрсетеді. Бірақ дәлелдемеде қандай типтегі сингулярлық пайда болатыны көрсетілмейді: кеңістіктік, уақытқа ұқсас, нөлдік, орбиталық, метрикадағы секіріс үзілісі. Ол тек уақытқа ұқсас геодезиялық сызықтар бойынша болашаққа қарай қозғалғанда, олар құратын аймақтың шекарасын беттегі нөлдік геодезиялық сызықтар тудыра алмайтынын кепілдейді. Бұл шекараның ештен пайда болуы керек немесе бүкіл болашақ белгілі бір шекті кеңейтуде аяқталуы керек дегенді білдіреді. Жалпы салыстырмалылық теориясының қызықты «философиялық» ерекшелігі сингулярлық теоремаларымен ашылады. Жалпы салыстырмалылық теориясы сингулярлықтардың сөзсіз пайда болатынын болжағандықтан, теория сингулярлыққа ұшыраған материяға не болатынын нақтыламаса, толық болмайды. Жалпы салыстырмалылықты Эйнштейн-Максвелл-Дирак жүйесі сияқты бірыңғай өріс теориясына дейін кеңейтуге болады, онда мұндай сингулярлықтар пайда болмайды.
to a unified field theory, such as the Einstein–Maxwell–Dirac system, where no such singularities occur.
Теоремалардың элементтері
Тарихта манифольдтың қисықтығы мен оның топологиясы арасында тығыз байланыс бар. Боннет-Майерс теоремасы толық Риман манифольдының Риччи қисықтығы әр жерде белгілі бір оң тұрақтыдан жоғары болса, онда ол компактты болуы керек екенін айтады. Риччидің оң қисықтығы шарты ең қолайлы түрде былай түйінделеді: әрбір геодезия үшін жақын жерде бастапқыда параллель геодезия болады, ол созылғанда оған қарай иіледі, ал екеуі белгілі бір шекті ұзындықта қиылысады. Екі жақын параллель геодезия қиылысқанда (қосымша нүктеге қараңыз), олардың бірінің созылуы енді соңғы нүктелер арасындағы ең қысқа жол емес. Себебі екі параллель геодезиялық жол бірдей ұзындықта созылғаннан кейін міндетті түрде соқтығысады, және егер бір жол қиылысқа дейін созылса, екіншісі арқылы соңғы нүктелерді геодезиялық емес, бірақ бірдей ұзындықтағы жолмен қосуға болады. Демек, геодезиялық ең қысқа жол болуы үшін көршілес параллель геодезияларды ешқашан қиып алмауы керек. Кішкентай сферадан бастап, шекарадан параллель геодезияларды жіберсек, және манифольдтың Риччи қисықтығы оң тұрақтымен төменнен шектелген болса, онда геодезиялардың ешқайсысы біраз уақыттан кейін ең қысқа жол емес, себебі олардың барлығы көршісімен соқтығысады. Бұл, белгілі бір уақыттан кейін барлық жаңа нүктелерге жетілгенін білдіреді. Егер байланысты манифольдтағы барлық нүктелер кішкентай сферадан шекті геодезиялық қашықтықта болса, онда манифольд компактты болуы керек. Роджер Пенроуз салыстырмалылық теориясында да осыған ұқсас аргумент келтірді. Егер жарық сәулелерінің жолдары – нөлдік геодезиялар болашаққа қарай бағытталса, онда аймақтың болашағындағы нүктелер туындайды. Егер нүкте аймақтың болашағының шекарасында болса, онда ол тек жарық жылдамдығымен, одан кем емес, бара отырып жетуге болады, сондықтан нөлдік геодезиялар аймақтың болашағының бүкіл шекарасын қамтиды. Нөлдік геодезиялар қиылысқанда, олар енді болашақтың шекарасында емес, болашақтың ішінде болады. Егер барлық нөлдік геодезиялар соқтығысса, онда болашақтың шекарасы болмайды. Салыстырмалылық теориясында геодезиялардың соқтығысу қасиеттерін анықтайтын Риччи қисықтығы энергия тензорымен анықталады, ал оның жарық сәулелеріне проекциясы энергия-импульс тензорының нөлдік проекциясына тең және әрқашан теріс емес. Бұл паралельді нөлдік геодезиялардың конгруэнциясының көлемі азайғаннан кейін шекті уақыт ішінде нөлге жетеді дегенді білдіреді. Көлем нөлге жеткенде, қандай да бір бағытта құлдырау болады, сондықтан әрбір геодезия көршісімен қиылысады. Пенроуз барлық шығу (және кіру) жарық сәулелері бастапқыда жиналатын сфера болғанда, осы аймақтың болашақ шекарасы шекті кеңейтуден кейін аяқталады деген қорытындыға келді, себебі барлық нөлдік геодезиялар жиналады. Бұл маңызды, өйткені қара тесіктің шешімінің көкжиегі ішіндегі кез келген сферадан шығатын жарық сәулелерінің барлығы біріне-бірі жақын келеді, сондықтан осы аймақтың болашақ шекарасы немесе компактты, не ешқайсысынан туындамайды. Ішкі әлемнің болашағы шекті ұзартудан кейін аяқталады немесе бастапқы сфераға қайтаруға болмайтын жаңа жарық сәулелері арқылы пайда болатын шекараға ие болады.
Бірегейліктің табиғаты
Сингулярлық теоремалар шексіз қисықтықтардың болуын көрсету үшін геодезиялық толық еместік ұғымын қолданады. Геодезиялық толық еместік – уақыт-кеңістік арқылы бақылаушылардың қозғалыс жолдары бар деген идея, олардың ұзындығын бақылаушы өзінің бойымен жүргендегі уақыт бойынша шектеулі мерзімге ғана ұзартуға болады. Демек, геодезияның соңында бақылаушы сингулярлыққа түсіп, немесе жалпы салыстырмалылық теориясының заңдарының жұмыс ілемейтін басқа да патологиялық жағдайларға тап болуы мүмкін.
Өзгертілген ауырлық
Өзгертілген гравитацияда Эйнштейннің өріс теңдеулері қолданылмайды, демек, осы сингулярлықтар міндетті түрде туындамайды. Мысалы, шексіз туындылы гравитацияда, нөлдік энергия шарты орындалса да, энергия тығыздығы теріс болуы мүмкін.