Forskare har visat hur singulariteter-som normalt bara finns i mitten av svarta hål och dolda för syn-kan existera i mycket krökt tredimensionellt utrymme.

Forskarna, från University of Cambridge, har använt datasimuleringar för att förutsäga förekomsten av en så kallad naken singularitet, som stör Einsteins allmänna relativitetsteori. Detta är första gången som en naken singularitet, som får fysiklagarna att bryta ner, har förutsagts i tredimensionellt utrymme. Resultaten rapporteras i tidningen Fysiska granskningsbrev .

Einsteins allmänna relativitetsteori ligger till grund för vår nuvarande förståelse av gravitationen:allt från uppskattningen av stjärnornas ålder i universum, till GPS -signalerna som vi litar på för att hjälpa oss navigera, är baserad på hans ekvationer. Till viss del, teorin berättar för oss att materia förvränger sin omgivande rymdtid, och det vi kallar gravitation är effekten av den varpen. Under de 100 år sedan den publicerades, allmän relativitet har klarat alla test som har kastats på den, men en av dess begränsningar är förekomsten av singulariteter.

En singularitet är en punkt där tyngdkraften är så intensiv att rymden, tid, och fysikens lagar går sönder. Allmän relativitet förutspår att singulariteter finns i mitten av svarta hål, och att de är omgivna av en händelsehorisont - 'point of no return, där tyngdkraften blir så stark att flykt är omöjligt, vilket innebär att de inte kan observeras utifrån.

I mer än 40 år har matematiker har föreslagit att när singulariteter bildas, de kommer alltid att vara dolda för synen på detta sätt - detta är känt som 'kosmisk censurgissning'. Om sant, kosmisk censur betyder att utanför svarta hål, dessa singulariteter har ingen mätbar effekt på någonting, och förutsägelser om allmän relativitet förblir giltiga.

Under de senaste åren har forskare har använt datasimuleringar för att förutsäga förekomsten av 'nakna singulariteter' - det vill säga singulariteter som existerar utanför en händelsehorisont. Nakna singulariteter skulle ogiltigförklara den kosmiska censuren och, i förlängningen, allmänna relativitetens förmåga att förklara universum som en fristående teori. Dock, alla dessa förutsägelser har modellerats på universum som finns i högre dimensioner. Till exempel, 2016, två Cambridge Ph.D. studenter förutspådde att det fanns en naken singularitet, men deras förutsägelser baserades på ett femdimensionellt universum.

Den nya forskningen, av Toby Crisford och Jorge Santos från Cambridge Department of Applied Mathematics and Theoretical Physics, har förutsagt att det finns en naken singularitet i ett fyrdimensionellt universum-tre rumsliga dimensioner, plus tid - för första gången.

Deras förutsägelser visar att en naken singularitet kan bildas i ett speciellt slags krökt utrymme som kallas anti-de Sitter space, där universum har en distinkt "sadel" -form. Enligt allmän relativitet, universum kan ha olika former, och anti-de Sitter utrymme är en av dessa möjliga former.

Anti-de Sitter-utrymmet har en mycket annorlunda struktur än platt. I synnerhet har den en gräns som ljus kan nå, vid vilken tidpunkt det reflekteras tillbaka. "Det är lite som att ha en rymdtid i en låda, "sa Crisford." Vid gränsen, lådans väggar, vi har friheten att ange vad de olika fälten gör, och vi använder denna frihet för att tillföra energi till systemet och så småningom tvinga fram en singularitet. "

Även om resultaten inte är direkt tillämpliga på vårt universum, eftersom "tvinga" en singularitet inte är ett förfarande som är möjligt att simulera i platta utrymmen, de öppnar nya möjligheter att studera andra teorier för att förstå universum. En sådan teori kan innebära kvantgravitation, som ger nya ekvationer nära en singularitet.

"Den nakna singulariteten vi ser kommer sannolikt att försvinna om vi skulle inkludera laddade partiklar i vår simulering - det här är något vi för närvarande undersöker, "sa Santos." Om det är sant, det kan innebära en koppling mellan den kosmiska censuren och den svaga gravitationen, som säger att varje konsekvent teori om kvantgravitation måste innehålla tillräckligt laddade partiklar. I anti-de Sitter utrymme, den kosmiska censurföreställningen kan räddas av den svaga gravitationstanken. "