特異点とは何ですか？

Send

科学者が宇宙にブラックホールの存在を最初に発見して以来、私たちは皆、この恐ろしい空洞のベールを越えて何が存在するのだろうかと考えてきました。さらに、一般相対性理論の理論が最初に提案されて以来、科学者たちは宇宙の誕生前、つまりビッグバンの前に何があったのだろうかと考えざるを得ませんでした。

興味深いことに、これらの2つの質問は（ファッションの後に）重力特異点として知られているものの理論的な存在によって解決されるようになりました。これは、時空の物理学の法則が壊れるポイントです。そして、この理論には課題と未解決の問題が残っていますが、多くの科学者は、事象の地平線のベールの下、そして宇宙の初めにはこれが存在していたと信じています。

定義：

科学用語では、重力の特異点（または時空の特異点）は、重力場の測定に使用される量が座標系に依存しない方法で無限になる場所です。言い換えれば、すべての物理法則は互いに区別できず、空間と時間はもはや相互に関連している現実ではなく、区別がつかないほど統合され、独立した意味を持たなくなります。

理論の起源：

特異点は、アインシュタインの一般相対性理論の結果として最初に予測され、その結果ブラックホールが理論的に存在するようになりました。本質的に、理論は、質量の特定のポイント（別名、シュヴァルツシルト半径）を超えて到達する星は、重力が非常に強くなり、崩壊するであろうと予測しました。

この時点では、光を含め、その表面から逃げることができるものは何もありません。これは、重力が真空中の光速– 299,792,458メートル/秒（1,079,252,848.8 km / h; 670,616,629 mph）を超えるためです。

この現象はチャンドラセカール限界と呼ばれ、1930年に提案したインドの天体物理学者スブラマニアンチャンドラセカールにちなんで名付けられました。現在、この制限の許容値は1.39太陽質量（つまり、私たちの太陽の質量の1.39倍）と考えられています。なんと2.765 x 10³⁰ kg（または2,765兆兆トン）。

現代の一般相対性理論のもう1つの側面は、ビッグバンの時代（つまり、宇宙の初期状態）が特異点だったということです。ロジャーペンローズとスティーブンホーキングはどちらも、重力が特異点を生成する方法に答えようとする理論を開発しました。それは、結局、ペンローズホーキング特異点定理として知られるように結合しました。

1965年に彼が提案したペンローズ特異点定理によれば、物質が特定のエネルギー条件に到達するたびに、ブラックホール内で時間のような特異点が発生します。この時点で、ブラックホール内の時空の曲率は無限になり、時間の機能が停止する閉じ込められた表面になります。

ホーキング特異点定理は、物質が点に強制的に圧縮されたときに空間のような特異点が発生し、物質を支配する規則が破綻する可能性があると述べてこれに追加しました。ホーキングはこれをビッグバンまでさかのぼって追跡し、ビッグバンは無限の密度のポイントであると彼は主張した。しかし、ホーキングは後でこれを修正して、ビッグバンの前に時々一般相対性理論が破綻すると主張し、それによって特異性を予測することはできなかった。

最近のいくつかの提案はまた、宇宙が特異点として始まったのではないことを示唆しています。これらには、量子物理学の法則を重力で統一しようとするループ量子重力のような理論が含まれます。この理論は、量子重力効果のために、重力がそれ以上増加しなくなる最小距離がある、または相互浸透粒子波が遠くで感じられるであろう重力効果をマスクすると述べています。

特異点のタイプ：

時空特異点の2つの最も重要なタイプは、曲率特異点と円錐特異点として知られています。特異点は、それらがイベント期間にカバーされているかどうかによっても分割できます。前者の場合、曲率と円錐があります。一方、後者では、裸の特異点と呼ばれるものがあります。

Curvature Singularityは、ブラックホールによって最もよく例示されます。ブラックホールの中心では、時空は巨大な質量を含む1次元の点になります。その結果、重力は無限になり、時空曲線は無限になり、物理法則は私たちが知っているように機能しなくなります。

円錐特異点は、すべての一般共分散量の限界が有限である点がある場合に発生します。この場合、時空はこの点の周りの円錐のように見えます。特異点は円錐の先端にあります。そのような円錐特異点の例は、宇宙のひもであり、宇宙の初期に形成されたと考えられている一種の仮想的な1次元の点です。

そして、前述したように、裸の特異点があります。これは、イベントの地平線の背後に隠されていない特異点の一種です。これらは1991年に、一般相対性理論が「裸の」特異点を可能にするかもしれないことを示した塵の回転面のコンピューターシミュレーションを使用してシャピロとトゥコルスキーによって1991年に発見されました。

この場合、ブラックホール内で実際に発生するもの（つまり、その特異点）が表示されます。このような特異点は、理論的にはビッグバン以前から存在していたものです。これらのオブジェクトがどのように見えるかは謎のままなので、ここでのキーワードは理論的です。

現時点では、特異点と、ブラックホールのベールの下に実際にあるものは謎のままです。時間が経つにつれ、天文学者がブラックホールをより詳細に研究できるようになることが期待されます。今後数十年で、科学者が量子力学の原理を重力と融合する方法を見つけ、これがこの不可思議な力がどのように作用するかについてさらに解明することも期待されています。

Space Magazineには、重力の特異点に関する興味深い記事が多数あります。ブラックホールに関する10の興味深い事実、ブラックホールはどのように見えますか？ビッグバンはブラックホールでしたか？、さようならビッグバン、ハローブラックホール？、スティーブンホーキングとは誰ですか？ブラックホール？

特異点の詳細については、NASAとPhyslinkの記事をご覧ください。

天文学キャストは、主題に関するいくつかの関連するエピソードを持っています。エピソード6：ビッグバンのさらなる証拠とエピソード18：大小のブラックホールとエピソード21：ブラックホールの質問への回答。

出典：