Onderzoekers hebben laten zien hoe singulariteiten - die normaal alleen in het centrum van zwarte gaten worden gevonden en aan het zicht worden onttrokken - kunnen bestaan ​​in sterk gekromde driedimensionale ruimte.

De onderzoekers, van de Universiteit van Cambridge, computersimulaties hebben gebruikt om het bestaan ​​van een zogenaamde naakte singulariteit te voorspellen, die interfereert met de algemene relativiteitstheorie van Einstein. Dit is de eerste keer dat een naakte singulariteit, waardoor de wetten van de fysica worden afgebroken, is voorspeld in de driedimensionale ruimte. De bevindingen worden gerapporteerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

Einsteins algemene relativiteitstheorie ondersteunt ons huidige begrip van zwaartekracht:alles, van de schatting van de leeftijd van de sterren in het universum, op de GPS-signalen waarop we vertrouwen om ons te helpen navigeren, is gebaseerd op zijn vergelijkingen. Gedeeltelijk, de theorie vertelt ons dat materie de omringende ruimtetijd vervormt, en wat we zwaartekracht noemen, is het effect van die schering. In de 100 jaar sinds het werd gepubliceerd, de algemene relativiteitstheorie heeft elke test doorstaan ​​die erop is gegooid, maar een van zijn beperkingen is het bestaan ​​van singulariteiten.

Een singulariteit is een punt waar de zwaartekracht zo intens is dat ruimte, tijd, en de wetten van de fysica vallen uiteen. De algemene relativiteitstheorie voorspelt dat er singulariteiten bestaan ​​in het centrum van zwarte gaten, en dat ze omgeven zijn door een waarnemingshorizon – het 'point of no return, ' waar de zwaartekracht zo sterk wordt dat ontsnappen onmogelijk is, wat betekent dat ze van buitenaf niet kunnen worden waargenomen.

Al meer dan 40 jaar, wiskundigen hebben voorgesteld dat wanneer singulariteiten zich vormen, ze zullen op deze manier altijd aan het zicht worden onttrokken - dit staat bekend als het 'kosmische censuurvermoeden'. Als het waar is, kosmische censuur betekent dat buiten zwarte gaten, deze singulariteiten hebben nergens een meetbaar effect op, en de voorspellingen van de algemene relativiteitstheorie blijven geldig.

In recente jaren, onderzoekers hebben computersimulaties gebruikt om het bestaan ​​van 'naakte singulariteiten' te voorspellen - dat wil zeggen, singulariteiten die buiten een gebeurtenishorizon bestaan. Naakte singulariteiten zouden het vermoeden van kosmische censuur ontkrachten en, door verlenging, het vermogen van de algemene relativiteitstheorie om het universum uit te leggen als een op zichzelf staande theorie. Echter, al deze voorspellingen zijn gemodelleerd naar universa die in hogere dimensies bestaan. Bijvoorbeeld, in 2016, twee Cambridge Ph.D. studenten voorspelden het bestaan ​​van een naakte singulariteit, maar hun voorspellingen waren gebaseerd op een vijfdimensionaal universum.

Het nieuwe onderzoek, door Toby Crisford en Jorge Santos van Cambridge's Department of Applied Mathematics and Theoretical Physics, heeft het bestaan ​​voorspeld van een naakte singulariteit in een vierdimensionaal universum - drie ruimtelijke dimensies, plus tijd - voor de eerste keer.

Hun voorspellingen laten zien dat zich een naakte singulariteit kan vormen in een speciaal soort gekromde ruimte die bekend staat als anti-de Sitter-ruimte, waarin het universum een ​​kenmerkende 'zadel'-vorm heeft. Volgens de algemene relativiteitstheorie universums kunnen verschillende vormen hebben, en anti-de Sitter-ruimte is een van deze mogelijke vormen.

Anti-de Sitter-ruimte heeft een heel andere structuur dan platte ruimte. In het bijzonder heeft het een grens die het licht kan bereiken, op welk punt het wordt teruggekaatst. "Het is een beetje alsof je een ruimtetijd in een doos hebt, "zei Crisford. "Bij de grens, de wanden van de doos, we hebben de vrijheid om te specificeren wat de verschillende velden doen, en we gebruiken deze vrijheid om energie aan het systeem toe te voegen en uiteindelijk de vorming van een singulariteit af te dwingen."

Hoewel de resultaten niet direct van toepassing zijn op ons universum, aangezien het 'forceren' van een singulariteit geen procedure is die in een platte ruimte kan worden gesimuleerd, ze bieden nieuwe mogelijkheden om andere theorieën te bestuderen om het universum te begrijpen. Een dergelijke theorie kan betrekking hebben op kwantumzwaartekracht, die nieuwe vergelijkingen in de buurt van een singulariteit oplevert.

"De naakte singulariteit die we zien, zal waarschijnlijk verdwijnen als we geladen deeltjes in onze simulatie zouden opnemen - dit is iets dat we momenteel onderzoeken, "zei Santos. "Als het waar is, het zou een verband kunnen betekenen tussen het vermoeden van kosmische censuur en het vermoeden van zwakke zwaartekracht, die zegt dat elke consistente theorie van kwantumzwaartekracht voldoende geladen deeltjes moet bevatten. In anti-de Sitter ruimte, het vermoeden van de kosmische censuur zou kunnen worden gered door het vermoeden van de zwakke zwaartekracht."