Гравитациска сингуларност

Гравитациската сингуларност или сингуларност во просторот на времето е локација во просторот на времето каде гравитациско поле на вселенското тело станува бесконечен на начин кој не зависи од координатниот систем. Количините кој се користат за да се измери силата на гравитациското поле се  скаларните инвариантни кривини во просторот на времето, која вклучува мерење и на густина на материјата. Бидејќи таквите количини стануваат бесконечни во рамките на сингуларноста, законите на просторот во време не можат да постојат.

Анимиранaта симулација на гравитациска леќа предизвикани од Шварцшилдова црна дупка, која поминува во линија на видливост планарна, со  позадинската галаксија. Околу и во времето на точното поклопување (syzygy), забележани се крајни зкривувања на светлината

Гравитациските сингуларности, се главно сметани во рамките на општата релативност, каде што густината очигледно станува непрегледена во центарот на црната дупка, и во рамките на астрофизиката и космологијата како најрана состојба во универзумот, за време на Биг Бенг. Многу физичари се неодлучни, дали предвидувањето на сингуларноста значи дека тие всушност постојат (или постојат на почетокот на Биг Бенг), или дека сегашното знаење е недоволно за да се опише она што се случува во такви екстремни густини.

Општата релативност предвидува дека секој предмет се урива над одредена точка (за ѕвездите ова е  Шварцшилдовиот полупречник) и ќе се формира црна дупка, каде во внатрешноста на сингуларноста (опфатени со некој настан во хоризонтот) ќе биде формирана. Пенроуз-Хогингова теорема за сингулрноста, ја дефинираат сингуларноста дека има геодезија која не може да продолжи на мазен начин. Престанок на таква геодезија се смета за посебност.

Почетната состојба на универзумот, на почетокот на Биг Бенг, е предвидена со современи теории за да биде сингуларност. Во овој случај, универзумот не се распадна во црната дупка, бидејќи моментално познатите пресметки и границите на густина за гравитацискиот колапс обично се засноваат на објекти со релативно константна големина, како што се ѕвездите, и не мора да се применуваат на ист начин за брзо проширување простор, како што е Биг Бенг. Ниту општата релативност, ниту квантната механика во моментов не можат да ги опишат најраните моменти на Биг Бенг, но генерално, квантната механика не дозволува честички да населуваат простор помал од нивните бранови должини. 

Интерпретација

Многу теории во физиката имаат математички сингуларности. Равенките за овие физички теории предвидуваат дека топчето на масата на некоја количина станува бесконечно или се зголемува без ограничување. Ова е генерално знак за исчезнато парче во теоријата, како во Ултравиолетова катастрофа, повторна нормализација и нестабилност на атомот на водород предвиден со формулата на Ламор.

Некои теории, како што е теоријата на квантната гравитација на јамката, сугерираат дека сингуларностите можеби не постојат. Ова исто така важи и за такви класични  теории за полето како што се равенките на Ајнштајн-Максвел-Дирак. Идејата може да се наведе во форма која поради квантните гравитациски ефекти имаат минимално растојание по кое силата на гравитацијата повеќе не продолжува да се зголемува со тоа што растојанието помеѓу масите станува пократко или алтернативно, проникнувачките бранови на честички ги маскираат гравитациските ефекти кои ќе се почувствуваат на некое растојание.

Видови

Постојат различни типови на особености, секој со различни физички одлики кои имаат одлики што се однесуваат на теориите во кои тие првично произлегоа, како што е различниот облик на сингуларности, конусен и закривен. Тие, исто така, се претпоставува дека ќе се појават без хоризонтот на настани, структури кои обележуваат еден дел од просторот од друг во кој настаните не можат да влијаат на минатото на хоризонтот. Овие се наречени голи.

Конусна

Конусната сингуларност се јавува кога има точка каде што границата на секоја инвариантна количина на дифеоморфизам е конечна, каде просторот на време не е мазен во точката на самата граница. Така просторот на времето изгледа како конус околу оваа точка,каде што сингуларноста се наоѓа на врвот на конусот. Метриката може да биде конечна насекаде ако се користи соодветен координатен систем.

Еден пример за таква конусна посебност е космичката низа и шварцшилдовата црна дупка

Кривини

Едноставна илустрација на црната дупка која не се врти и нејзината сингуларност

Решенијата за равенките на општата релативност или друга теорија за гравитација (како што е супергравитацијата) често резултираат со наидувања на точки каде што метриката оди до бесконечност.  Сепак, многу од овие точки се целосно редовни, а бесконечностите се само резултат на користење на несоодветен координатен систем во овој момент.  Со цел да се тестира дали постои одредена точка, треба да се провери дали во овој момент диффеоморфизмот на  инвариантните величини (т.е. скаларите) стануваат бесконечни. Таквите количини се исти во секој координатен систем, така што овие бесконечности нема да "исчезнат" со промена на координатите.

Еден пример е шварцшилдовото решението, која опишува  невртечка, неоптоварена црна дупка. Во координатните системи погодни за работа во региони далеку од црната дупка, дел од метриката станува бесконечна на хоризонтот на настаните. Сепак, времетраењето на хоризонтот на настаните е редовно. Редовноста станува очигледна кога се менува во друг координатен систем (како што се координатите на Крускал), каде што метриката е совршено мазна. Од друга страна, во центарот на црна дупка, каде што метриката станува бесконечна, решенијата сугерираат дека постои една единственост. Постоењето на посебност може да биде потврдена, но треба да се напомене дека Kretschmann scalar, како корен на Riemann tensor односно ${\displaystyle }$која е инвариантен дефиоморфизам, е бесконечна.

Додека во не вртечката црна дупка на сингуларност, се случува во една точка во моделот на координати, која се нарекува "точка на сингуларност", во вртечката црна дупка, позната како Kerr црна дупка. Специфичноста се случува на прстен (кружна линија), познат и како "прстен на сингуларноста ". Ваквата посебност може исто така да теоретски стане црвоточина.

Генерално, просторот на времето се смета за сингуларност ако тоа се геодезични нецелосни, што значи дека има честички кои се во слободен пад чие движење не може да се утврди надвор од конечното време, што претставува точка на постигнување на сингуларноста.. На пример, било кој набљудувач во внатрешноста на настаните во хоризонтот, не-вртечката црна дупка, ќе падне во центарот на рамките на конечниот период на време. Класичната верзија на Биг Бенг, космолошкиот модел на вселената содржи каузална сингуларност на почетокот на времето (t=0), каде што сите времиња-како геодизијата немаат екстензии во минатото. Екстраполирањето назад кон ова хипотетичко време со големина нула, резултира со универзум со сите просторни димензии на нулта големина, бесконечна густина и бесконечна температура.

Гола сингуларност

До пред почетокот на 1990-тите години, насекаде се знаело дека општата релативност, ја крие секоја сингуларност позади секој настан во хоризонтот, што ја прави голата сингуларност невозможна. Ова е познато како космичка цензурирана хипотеза. Сепак, во 1991 година, физичарите Стјуарт Шапиро и Саул Теуколски, извршиле компјутерски симулации на вртечки авион, која посочи дека општата релативност може да овозможи  "голи" сингуларности. Како навистина ќе изгледаат овие предмети, е непознато. Ниту, пак, не е познато дали сингуларностите сè уште ќе се појават ако упростените претпоставки за симнување се отстранети. Сепак, се претпоставува дека светлината која влегува во сингуларност на сличен начин ќе ја прекине својата геодезија, со што голиот сингуларност ќе изгледа како црна дупка..

Исчезнувањето на хоризонтите на настаните постојат во мерењето на Кер, што претставува црна дупка во постојано вртење во вакуум. Поточно, ако аголниот моментум е доволно висок, хоризонтите на настаните можат да исчезнат. Трансформирање на Кер метричката на Бојер-Линдквист координати, може да се покаже дека координатите (што не е полупречник) на хоризонтот на настани е  ${\displaystyle }$, каде ${\displaystyle }$и ${\displaystyle }$. Во овој случај, "настан хоризонти исчезнуваат", што значи дека решенија се сложени за ${\displaystyle }$или ${\displaystyle }$.

${\displaystyle }$, каде ${\displaystyle }$и ${\displaystyle }$. Од трите можни случаи за релативни вредности на ${\displaystyle }$ и ${\displaystyle }$, случај каде што ${\displaystyle }$ причинува и ${\displaystyle }$ за да бидат сложени. Ова значи дека мерката е редовна за сите позитивни вредности на ${\displaystyle }$или со други зборови, сингуларноста нема настани во хоризонтот.

Ентропијата

Пред Стивен Хокинг да дојде до концептот на ХОкинговото зрачење, прашањето за црни дупки со ентропија беше избегнато. Сепак, овој концепт покажува декацрната дупка може да зрачи (можеби, негативна) енергија, која ја зачувува ентропијата и ги решава проблемите со некомпатибилност со вториот закон за термодинамика. Ентропијата, сепак, имплицира топлина и затоа температурата. Губењето на енергија, исто така, сугерира дека црни дупки не траат вечно, туку испаруваат или полека се распаѓаат. Малите црни дупки имаат тенденција да бидат потопли, додека поголемите имаат тенденција да бидат поладни. Сите познати кандидати за црна дупка се толку големи што нивната температура е далеку под нивото на космичкото зрачење, така што сите тие имаат тенденција да добијат ентропична енергија и нема да почнат да ја губат својата енергија сè додека не се достигне космолошки црвено поместување од повеќе од еден милион , наместо на илјадници или така од позадината зрачење формирана.