Was ist eine Singularität? Was ist in der Mitte eines Schwarzen Lochs? Speziell in Bezug auf die Raumzeit

Da ich also Raum-Zeit wirklich nur in zwei Dimensionen wie ein Blatt von etwas denken kann, könnten meine Annahmen von Anfang an falsch sein. Ich habe mir ein YouTube-Video über Schwarze Löcher angesehen, und es gab einen Scherz über Schwarze Löcher und deren Verformung der Raumzeit, bis zu dem Punkt, an dem der Erzähler etwas in der Art sagte: „Im Zentrum des Schwarzen Lochs befindet sich nichts als die Schwerkraft hat so viel Raum - Zeit verzogen , dass es diese ‚Pinhole‘ ist wie beeinflussen , dass das Blackhole- Verhalten“verursacht .

Meine Fragen sind:

1. Wenn ein Stern stirbt und in einem Schwarzen Loch zusammenbricht, was ist in seiner Mitte? Die Masse des Sterns verdichtete sich auf die Länge der Diele oder etwas ähnlich Kleines? Gibt es wirklich nichts in der Mitte eines Schwarzen Lochs? Sicherlich ist der Kern in etwas wirklich Kleines zusammengebrochen, oder?
2. Was ist mit Singularität gemeint? Ist es nur die Verwerfung der Raum-Zeit, die es so macht?

Dies ist eher eine Frage für den Physik-Stapel, aber ich werde es versuchen, da es ziemlich einfach ist.

Sie müssen etwas verstehen, bevor wir beginnen. Der theoretische Rahmen, den wir abschätzen und beantworten müssen, heißt Allgemeine Relativitätstheorie, wie er von Einstein 1915 vorgeschlagen wurde. Er beschreibt Dinge wie Schwerkraft, Schwarze Löcher oder fast alle Phänomene, bei denen es um große Massen- oder Energiedichten geht .

In der Physik gibt es ein weiteres Kapitel namens Quantenmechanik. Dies beschreibt normalerweise, was in sehr kleinen Maßstäben passiert - Dinge, die winzig klein sind.

Sowohl GR als auch QM sind auf ihre Weise in Ordnung. Beide sind gegen die Realität getestet und funktionieren sehr gut. Aber sie sind nicht miteinander kompatibel. Das heißt: Sie können ein Phänomen nicht gleichzeitig aus einer GR- und einer QM-Perspektive beschreiben. Oder das heißt: Wir haben keinen zusammenhängenden Satz von Gleichungen, den wir aufschreiben und dann entweder eine GR-ähnliche Sicht der Realität oder eine QM-ähnliche Sicht daraus "extrahieren" könnten.

Das Problem ist, dass der Mittelpunkt eines Schwarzen Lochs sowohl eine sehr hohe Massendichte als auch eine sehr hohe Schwerkraft (und damit genau im Bereich von GR) und sehr klein (und damit "quantenartig") ist. Um damit richtig umzugehen, müssten wir GR und QM in Einklang bringen und mit beiden gleichzeitig arbeiten. Dies ist mit der gegenwärtigen Physik nicht möglich.

Wir müssen uns vorerst so ziemlich an GR halten, wenn es um schwarze Löcher geht. Dies bedeutet im Grunde, dass alles, was wir über das Zentrum eines Schwarzen Lochs sagen, wahrscheinlich unvollständig ist und einer weiteren Überarbeitung unterliegt.

Ein Stern stirbt, fällt in ein Schwarzes Loch, was ist in der Mitte? Die Masse des Sterns verdichtete sich auf die Länge der Diele oder etwas ähnlich Kleines? Gibt es wirklich nichts in der Mitte eines Schwarzen Lochs? Sicherlich ist der Kern in etwas zusammengebrochen, nur wirklich klein, oder?

Der Allgemeinen Relativitätstheorie zufolge bricht sie bis ins Nichts zusammen. Nicht nur "sehr klein", sondern immer kleiner, bis es genau null ist. Die Dichte wird unendlich.

Sie können nicht "Dielenlänge" sagen, weil wir GR und QM nicht kombinieren können, sondern nur nicht wissen, wie. Alles, was wir hier haben, ist GR, und GR sagt, es geht den ganzen Weg runter.

Es ist durchaus möglich, dass die Singularität nicht physikalisch ist, sondern nur mathematisch - mit anderen Worten, was sich im Zentrum befindet, ist nicht wirklich Null. Insbesondere die Quantenmechanik würde von Dingen der Größe Null beleidigt. Das können wir aber nicht mit Sicherheit sagen, da unser Wissen hier unvollständig ist.

Ich benutze Wörter wie "Größe" (was Raum impliziert) und "wird" (was Zeit impliziert). Aber sowohl Raum als auch Zeit im Kontext eines Schwarzen Lochs sind sehr stark verzerrt. Das "Werden" eines Schwarzen Lochs bis zum Punkt der Größe Null ist nur für den unglücklichen Beobachter Realität, der sich darin verfängt. Für einen entfernten, externen Beobachter wird dieser Prozess jedoch verlangsamt und bis zum Plus der Unendlichkeit ausgedehnt (erst nach unendlich langer Zeit ist er abgeschlossen). Beide Beobachter sind richtig, übrigens.

---

BEARBEITEN:

Wenn wir also sagen "Dichte ist unendlich und Größe ist Null in der Singularität", bezieht sich diese Sprache auf den unglücklichen Beobachter, der mitten in den anfänglichen Zusammenbruch des Sterns hineingezogen wird.

Aus der Sicht des entfernten Beobachters ist ein Schwarzes Loch jedoch immer noch ein Massenstück (der ursprüngliche Stern) in einem Volumen ungleich Null (der Ereignishorizont des BH). Für diesen Beobachter ist die Dichte dieses Objekts endlich und seine Größe ist definitiv nicht Null. Aus dieser Perspektive endet alles, was in den BH fällt, nie ganz mit dem Fallen, sondern verlangsamt sich immer mehr.

Beide Beobachter sind richtig. Denken Sie also daran, wenn ich von "unendlicher Dichte" spreche, ist das die Sichtweise des inneren Betrachters.

---

Was ist eine Singularität? Ist es nur das Verziehen der Raumzeit, das es so macht?

Sie erhalten eine Singularität, wenn die Gleichungen durch Null geteilt werden oder wenn sich die Gleichungen an diesem Punkt irgendwie verhalten. In der Wissenschaft gibt es viele verschiedene Arten von Singularitäten.

http://en.wikipedia.org/wiki/Mathematical_singularity

Im Zusammenhang mit einem Schwarzen Loch wird das Zentrum als Gravitationssingularität bezeichnet, da nach den GR-Gleichungen angenommen wird, dass Dichte und Gravitation unendlich werden.

GR sagt: Wenn Sie einen Stoffklumpen haben, der groß genug ist, beginnt er so schwer in sich zusammenzufallen, dass nichts mehr dagegen spricht. Es fällt und fällt in sich selbst, ohne jegliche Begrenzung. Wenn Sie diesen Prozess extrapolieren, können Sie leicht erkennen, dass die Größe des Prozesses gegen Null und die Dichte gegen unendlich tendiert.

---

BEARBEITEN:

Anders ausgedrückt: Wenn die Dichte groß genug wird, ist die Schwerkraft so groß, dass keine andere Kraft stark genug ist, um ihr zu widerstehen. Es zerschlägt einfach alle Hindernisse, die die Materie aufwirft, um einem weiteren Zerschlagen entgegenzuwirken. Dieser Materieklumpen zerquetscht sich einfach selbst, seine eigene Schwerkraft zieht ihn immer kleiner zusammen ... und immer kleiner ... und so weiter. Nach den aktuellen Theorien gibt es nichts, was das aufhalten könnte (QM könnte es aufhalten, aber wir können es nicht beweisen, weil wir die Mathematik nicht haben). Es dreht sich also nur in einem Teufelskreis immer größerer Schwerkraft, der sich selbst vergrößert.

Raum und Zeit sind innerhalb des Ereignishorizonts wirklich pathologisch. Wenn Sie schon drinnen sind, gibt es keinen Ausweg. Das liegt nicht daran, dass man nicht schnell genug ausziehen kann, sondern daran, dass es wirklich keinen Ausweg gibt . Egal in welche Richtung Sie sich drehen, Sie blicken auf die zentrale Singularität - sowohl räumlich als auch zeitlich. Es ist keine Flugbahn denkbar, die Sie ausgehend vom Inneren des Ereignishorizonts nach außen zeichnen könnten. Alle Flugbahnen weisen auf die Singularität. Alle Ihre möglichen Zukünfte enden an der zentralen Singularität, wenn Sie sich im Ereignishorizont befinden.

---

Warum wird das Zentrum eines Schwarzen Lochs "Singularität" genannt? Weil alle möglichen Diskontinuitäten und Divisionen durch Null aus den Gleichungen herausspringen, wenn Sie Mathe bis an die Grenze treiben und versuchen, das Zentrum eines Schwarzen Lochs innerhalb eines GR-Rahmens zu beschreiben.

http://en.wikipedia.org/wiki/Gravitational_singularity

Physiker mögen im Allgemeinen keine Singularitäten. In den meisten Fällen ist dies ein Hinweis darauf, dass der mathematische Apparat ausgefallen ist, und zu diesem Zeitpunkt sind einige andere Berechnungen erforderlich. Oder es könnte darauf hindeuten, dass dort eine neue Physik stattfindet, die die alte Physik ersetzt.

Eine letzte Sache: Nur weil wir keine kombinierte GR / QM-Theorie haben, um das Zentrum der Schwarzen Löcher vollständig zu beschreiben, heißt das nicht, dass eine reine GR-Forschung in diesem Bereich "falsch" oder "nutzlos" ist. Das heißt nicht, dass man sich vorstellen könnte, dass eine willkürliche Fantasie in einem Schwarzen Loch stattfindet.

Heutzutage beginnen Astronomen , kosmische Objekte zu beobachten, die Schwarzen Löchern sehr ähnlich sind , und ihre beobachteten Eigenschaften stimmen sehr gut mit den Vorhersagen von GR für solche Dinge überein. Die Forschung auf diesem Gebiet muss also fortgesetzt werden, da sie eindeutig auf dem richtigen Weg ist, zumindest so, wie wir es heute in der Astronomie nachweisen können.

Wie andere gesagt haben, ist eine Singularität mathematisch, wenn versucht wird, durch Null zu teilen. Nehmen Sie zum Beispiel ein Schwarzschild-Schwarzes Loch. Dies ist ein schwarzes Loch ohne elektrische Ladung oder Drehimpuls. Es ist die einfachste Art von Schwarzem Loch.

$$\mathrm{d}s^2 = -c^2\mathrm{d}t^2 + \mathrm{d}x^2 + \mathrm{d}y^2 + \mathrm{d}z^2$$ Dies ist die Metrik, die in der speziellen Relativitätstheorie verwendet wird.

Metriken können jedoch auch in einer Vielzahl von Koordinatensystemen ausgedrückt werden. Nehmen wir zum Beispiel die Schwarzschild-Metrik , die die Raumzeit außerhalb eines massiven Körpers beschreibt. In sphärischen Koordinaten ist es

$$\mathrm{d}s^2 = -\left(1-\frac{r_s}{r}\right)c^2\,\mathrm{d}t^2 + \left(1-\frac{r_s}{r}\right)^{-1}\mathrm{d}r^2 + r^2\left(\mathrm{d}\theta^2+\sin^2\theta\,\mathrm{d}\phi^2\right)$$ Es gibt andere Möglichkeiten, diese Metrik zu schreiben, die meinen nächsten Punkt verbessern, aber dieses Formular funktioniert immer noch. In dieser Metrik gibt es zwei Singularitäten:$r = 0$ und $r = r_s$, woher $r_s$wird der Schwarzschild-Radius genannt. Eine Singularität ist im Grunde ein Punkt in der Gleichung, an dem Sie gezwungen sind, durch Null zu teilen$y = 1/x$. Sie erreichen eine Singularität bei$x = 0$). Es gibt jedoch nur eine echte physikalische Singularität$r = 0$während $r = r_s$wird eine Koordinatensingularität genannt , die sich aus unserer Wahl der Koordinaten ergibt. Es gibt verschiedene Arten, die Schwarzschild-Metrik auszudrücken, um dies klarer zu machen. Ein Beispiel sind die Eddington-Finkelstein-Koordinaten.

$r = 0$ist die einzig wahre physikalische Singularität, wie ich oben sagte; Wir können dies aus der Analyse des Riemannschen Krümmungstensors ersehen, auf die ich nicht eingehen werde, weil ich gelernt habe, dass ich Tensoren nicht genau erklären kann und weil sie für meine Antwort nicht von zentraler Bedeutung sind.

Die Lösungen für Einsteins Gleichungen für Schwarze Löcher sagen also im Grunde nur aus, dass eine Singularität ein Punkt ist, an dem eine unendliche Krümmung in Raum und Zeit vorliegt. Wir kennen ihre Existenz nur durch mathematische Gleichungen im Gegensatz zu direkten experimentellen Entdeckungen. Singularitäten können aber auch einfach Ergebnisse von Gleichungen sein, die sich nicht auf die allgemein genannten Singularitäten der "unendlichen Krümmung" beziehen. Singularitäten in Gleichungen sind nicht immer Singularitäten in der physikalischen Welt.

2) Was ist eine Singularität? Ist es nur das Verziehen der Raumzeit, das es so macht?

Eine Singularität ist ein Punkt in der Raumzeit, an dem die aktuellen physikalischen Modelle, die wir zur Beschreibung von Kräften und des Verhaltens von Partikeln verwenden, zerfallen, dh uns keine Informationen geben (oder uns alle Informationen geben) und daher keine Vorhersagen getroffen werden können. Auch eine Singularität kann aus verschiedenen Perspektiven beschrieben werden:

• Eine Raum-Zeit-Singularität ist ein Zusammenbruch in der geometrischen Struktur von Raum und Zeit.

• In der Allgemeinen Relativitätstheorie ist eine Singularität ein Ort, den Objekte oder Lichtstrahlen in einer endlichen Zeit erreichen können, in der die Krümmung unendlich wird oder die Raumzeit aufhört, vielfältig zu sein.

Aber alles geht auf das zurück, was ich am Anfang erwähnte.