Mehr als ein Jahrhundert nach ihrer Formulierung enthüllen die Säulen der Allgemeinen Relativitätstheorie weiterhin ihre Geheimnisse. Ein Team von Physikern der Columbia University und die Universidad Adolfo Ibáñezhat gerade in der Zeitschrift veröffentlicht Körperliche Untersuchung D Eine Entdeckung, die unser Verständnis der Schwerkraft auf den Kopf stellt.
Sie identifizierten einen Mechanismus namens Gravitations-Wiederverbindungdas beschreibt, wie die Strukturen des Gravitationsfeldes sind können brechen und sich neu formieren und dabei ihre Energie auf die umgebende Materie übertragen.
Diese Entdeckung, die aus einer Umschreibung von Einsteins Gleichungen resultiert und von der Plasmaphysik inspiriert ist, könnte Licht auf die heftigsten kosmischen Ereignisse werfen.
Woraus besteht diese „gravitative Wiederverbindung“ genau?
Gravitationsrekonnektion ist ein theoretischer Prozess, bei dem die Strukturen eines Schwerefeldes entstehen brechen auseinander, bevor sie sich in einer anderen Konfiguration wieder verbinden, wobei erhebliche Energie freigesetzt wird.
Um dieses Konzept zu verstehen, bieten Forscher eine bemerkenswerte Analogie an mit einem in der Astrophysik bekannten Phänomen: der magnetischen Rückverbindung.
In einem Plasma (einem Gas aus geladenen Teilchen) können magnetische Feldlinien bis zur Bruchstelle gedehnt und verdreht werden. Wenn sie sich wieder verbinden, geben sie die angesammelte Energie in Form von Explosionen wie Sonneneruptionen frei.
Forscher vermuten, dass Gravitationsfelder erleiden ein ähnliches Schicksal. Unter extremen Bedingungen verbiegen sie nicht nur die Raumzeit, sie können auch „brechen“.
Dieser Bruch ist auf eine topologische Neuordnung zurückzuführen die Gravitationsenergie in kinetische Energie für Materie umwandelt. Dies ist eine grundlegend neue Möglichkeit der Schwerkraft, über einen Energieübertragungsmechanismus mit dem Universum zu interagieren bisher ungeahnt.
Wie kam es zu dieser Entdeckung aus Einsteins Gleichungen?
Dieser Durchbruch ist das Ergebnis einer mathematischen Neuinterpretation. Physiker haben kürzlich eine neue Formulierung der Einstein-Gleichungen entwickelt. Obwohl diese neuen Versionen mathematisch gleichwertig sind, verwenden sie unterschiedliche Variablen, die durch einen erstaunlichen Zufall dazu führen, dass die Gesetze der Schwerkraft denen ähneln, die Plasmen regeln.
Durch die Anwendung der analytischen Werkzeuge seiner Disziplin auf die Schwerkraft konnte sein Team „verborgene Einschränkungen“ in den Gleichungen hervorheben. Diese in der ursprünglichen Formulierung unsichtbaren Regeln bestimmen, wie sich die Raumzeit entwickeln, verdrehen und biegen kann.
Diese Umschreibung ergab, dass ideale Bedingungen gegeben waren unterbrochen werden, ist eine erneute Verbindung möglich.
Was ist der konkrete Unterschied bei Magnetfeldern?
Der Hauptunterschied liegt in der Geometrie des Spielfeldes. Magnetismus wirkt in einem dreidimensionalen Raum, in den Feldlinien eingeschrieben sind.
Die Schwerkraft wird durch die Geometrie der Raumzeit beschriebendie vier Dimensionen hat (drei Raum- und eine Zeitdimension). Und diese zusätzliche Dimension verändert alles.
Anstelle von Linien webt die Schwerkraft Felder (Feldblätter), zweidimensionale planare Strukturen die sich in der Raumzeit erstrecken.
Somit ist die gravitative Wiederverbindung nicht das Aufbrechen einfacher Linien, sondern das Zerreißen und Neuordnen dieser riesigen Blätter.
Letztere sind keine mathematischen Konstruktionen, sondern ihre explosive Dynamik beschreibt einen sehr realen physikalischen Prozess: die brutale Übertragung von Energie von reiner Schwerkraft auf MaterieDadurch wird es beschleunigt und erhitzt.
Was sind die konkreten Anwendungen dieser Theorie?
Die gravitative Wiederverbindung bleibt vorerst eine theoretische Entdeckung. Sein Potenzial liegt in seiner Fähigkeit, uns dabei zu helfen, die katastrophalsten Ereignisse zu modellieren des Universums.
Um die Kollision zweier Schwarzer Löcher zu verstehen, sind Astrophysiker derzeit auf umfangreiche Simulationen auf Supercomputern angewiesen. Diese Berechnungen sind außerordentlich komplex, da die Schwerkraft so stark ist, dass die Raumzeit stark verzerrt wird.
Diese neue Theorie bietet eine Reihe grundlegender Regeln für das Verhalten der Schwerkraft. Es könnte es ermöglichen, bestimmte Muster der Raum-Zeit-Entwicklung vorherzusagen, ohne alles berechnen zu müssen.
Dadurch lässt sich die Form der durch diese Verschmelzungen erzeugten Gravitationswellen, dieser Schwingungen der Raumzeit, besser vorhersagen die Detektoren wie LIGO messen können.
