ფარდობითობის ზოგადი თეორია – შავი ხვრელები და თხუნელას ორმოები

 რა არის ფარდობითობის ზოგადი თეორია (ფზთ)?

 ფზთ, ექვივალენტურობისა და ზოგადი კოვარიანტულობის პრინციპებს ეფუძნება. პირველი (სუსტი პრინციპი), ინერტული (დაკავშირებული მოძრაობასთან) და გრავიტაციული (დაკავშიერბული გრავიტაციასთან) მასების პროპორციულობას ნიშნავს და საშაულებას იძლევა (ძლიერი პრინციპი) არ გავარჩიოთ ერთმანეთისგან გრავიტაციული ველი და აჩქარებული მოძრაობა. კლასიკური მაგალითია – ლიფტი. თუ ის დედამიწის მიმართ თანაბარი აჩქარებით ზევით მოძრაობს, მასში მყოფი დამკვირვებელი ვერ განსაზღვრავს, მეტი სიძლიერის გრავიტაციულ ველშია თუ თანაბარი აჩქარებით მოძრაობს (ექვივალენტობის პრინციპი; მოკლედ – მატერია – ენერგია).

 მეორე პრინციპი (ზოგადი კოვარიანტულობის), განტოლებებით ფზთ-ს სახის შენარჩუნებას ნიშნავს, ფარდობითობის სპეციალური თეორიის გარდაქმნებში, რომელიც აინშტაინმა და სხვა მეცნიერებმა 1905 წელს შეიმუშვეს. იდეებმა ექვივალენტურობისა და კოვარიანტულობის შესახებ, ერთიანი დრო-სივრცის განხილვის აუცილებლობამდე მიგვიყვანა, რომელიც მასიური სხეულების ზემოქმედებით მრუდდება. სწორედ ეს განასხვავებს ფზთ-სა და ყოველთვის ბრტყელი სივრცის მქონე ნიუტონის კლასიკურ თეორიას.

 ოთხგანზომილებიან სივრცეში, ფზთ-ს განტოლებათა ამოსახსნელად ზღვრული და კოორდინატული პირობების მოცემულობაა აუცილებელი, ასევე ენერგია-იმპულსის ტენზორი. ეს უკანასკნელი, მატერიის განაწილებას აღწერს სივრცეში და როგორც წესი, ფზთ-ში გამოყენებულ მდგომარეობის განტოლებასთან არის დაკავშირებული. გარდა ამისა, ფზთ-ს განტოლებები მათში კოსმოლოგიური მუდმივას შეყვანას უშვებს, რომელსაც ხშირად ბნელ ენერგიასა და მასთან დაკავშირებულ სკალარულ ველს უკავშირებენ (მოკლედ კოსმოლოგიური მოდელის შესახებ).

 შავი ხვრელები

 1916 წელს გერმანელმა კარლ შვარცშილდმა, ფზთ-ს განტოლებათა პირველი ამონახსნი გამოიყვანა, რომელიც ნულოვანი მუხტის მქონე, ცენტრულ-სიმეტრიულად განაწილებული მასის მიერ წარმოქმნილ გრავიტაციულ ველს აღწერს. ამ ამონახსნში ე.წ. გრავიტაციული რადიუსი შედიოდა – სფერულ-სიმეტრიულად განაწილებული მატერიით შედგენილი ობიექტის ზომა, რომლის დატოვება ფოტონებსაც (ელექტრომაგნიტური ველის სინათლის სიჩქარით მოძრავი კვანტები) კი არ შეუძლია.

 შვარცშილდისეული სფერო, იგივე მოვლენათა ჰორიზონტია, ხოლო ამ ჰორიზონტით შემოსაზღვრული ობიექტი – შავი ხვრელი (შავი ხვრელების საიდუმლო). ფზთ-ს ჩარჩოებში, ხვრელისკენ მოძრავი სხეულის აღქმა, დამკვირვებლის პოზიციაზეა დამოკიდებული. სხეულთან დაკავშირებული დამკვირვებლისთვის, შვარცშილდისეულ სფერომდე მიღწევა, ზღვრული მნიშვნელობის საკუთარი დროის განმავლობაში მოხდება. გარეშე დამკვირვებლისთვის, მოვლენათა ჰორიზონტთან მიახლოება უსასრულოდ გაგრძელდება და შვარცშილდისეულ სფეროზე დაუსრულებელი ვარდნის სახე ექნება. როგორ ხდება მასიური ობიექტის გადაქცევა შავ ხვრელად? კონსერვატიული და ყველაზე უფრო აღიარებული პასუხი ამ კითხვაზე, 1939 წელს, ფიზიკოს-თეორეტიკოსებმა რობერტ ოპენჰაიმერმა და მისმა ასპირანტმა ჰართლანდ სნაიდერმა მოგვცეს(პირველი ატომური ბომბის შემქმნელები).

 1930-იან წლებში ასტრონომები დაინტერესდნენ ვარსკვლავის ბედით, რომლის წიაღში ბირთვული საწვავი ამოიწურა. მზისმაგვარი ვარსკვლავები გარდაიქმნება თეთრ ჯუჯებად. თეთრი ჯუჯა, დედამიწის ზომისაა, ატომები მასში მაქსიმალურად მჭიდროდაა ჩაპრესილი, ნივთიერების სიმკვრივე ნახევარ მილიარდჯერ აღემატება წყლისას, შედარებით სტაბილურ მდგომარეობას ასეთი ვარსკვლავი ერთმანეთთან ახლოს ჩაპრესილი ელექტრონების (დეგენერირებული გაზი) ურთიერთ განზიდვის ძალით ინარჩუნებს. კიდევ უფრო მასიურების შემთხვევაში, გრავიტაცია ძლევს ელექტრომაგნეტიზმს და ნეიტრონულ ვარსკვლავებად აქცევს მათ (ზეახალი ვარსკვლავი).

 თეთრი ჯუჯას ზღვრული მასა, რომელიც ნეიტრონულ ვარსკვლავად გადაქცევის საშაულებას არ აძლევს მას, პირველად, 1932 წელს ინდოელმა ასტროფიზიკოსმა სუბრამანიან ჩანდრასეკარმა დაადგინა (1,4 მზის მასა; ჩანდრასეკარის ზღვარი).

 მასის ზედა ზღვარი, რომლის დროსაც არ ხდება შავი ხვრელის გაჩენა, ოპენჰაიმერ-ვოლკოვისეული ზღვარი ეწოდება (1,5-3,0 მზის მასა (ნეიტრონული ვარსკვლავების მასის ზედა ზღვარი)).

 თხუნელას ორმო

 ფიზიკურად, თხუნელას ორმო წარმოადგენს ტუნელს, რომელიც ერთმანეთისგან დაშორებულ ორ დრო-სივრცულ წერტილს, ან სხვადასხვა სამყაროს (მულტისამყაროს კონცეფციის ჩარჩოებში) ორ წერტილს აკავშირებს ერთმანეთთან. გამოყოფენ გავლად და გაუვლად თხუნელას ორმოებს.

 მათემატიკური თვალსაზრისით, თხუნელას ორმო ჰიპოთეტური ობიექტია, ფზთ-ს განტოლებათა განსაკუთრებული, არასინგულარული (ზღვრული და ფიზიკური არსის მქონე) ამონახსნი. ჩვეულებრივ, თხუნელას ორმოებს, გამრუდებული ორგამზომილებიანი სიბრტყის სახით გამოსახავენ. მის ერთ-ერთ მხარეს მოხვედრა ჩვეულებრივი ხერხითაც შეიძლება და მათი შემაერთებელი ტუნელითაც, რაც მანძილის მნიშვნელოვნად შემოკლების საშუალებას იძლევა.

 ორგანზომილებიანობაში, თხუნელას ორმოს ორი ყელი, წერტილებია, საიდანაც იწყება და მთავრდება ტუნელი, მათ წრის ფორმა აქვს. სამგანზომილებიანობაში, თხუნელას ორმოს ყელი სფეროს ჰგავს. ისინი, დრო-სივრცის ორ სხვადასხვა წერტილში გაჩენილი სინგულარობებია, რომლებიც მეტი განზომილების ჰიპერსივრცით მიიზიდება ერთმანეთისკენ და თხუნელას ორმოს წარმოქმნის. ეს, დრო-სივრცული ტუნელია, მასში მოგზაურობით არა მარტო სივრცეში, არამედ დროშიც ვიმოგზაურებთ (დრო დროზე ჩქარა მიქროდა, დრო არაფერზე ფიქრობდა; კიდევ დროში მოგზაურობაზე).

 ფზთ-ს განტოლებათა ამონახსნები თხუნელას ორმოებთან დაკავშირებით, პირველად, 1916 წელს ლუდვიგ ფლამმა წარმოადგინა, თუმცა, გრავიტირებადი მატერიის გარეშე. 1939 წლს ალბერტ აინშტაინმა და ნათან როზენმა, ფლამისაგან დამოუკიდებლად, ანალოგიური ამონახსენი მიიღეს. ამ ნამუშევრით ისინი ცდილობდნენ გაეერთიანებინათ გრავიტაცია და ელექტრომაგნეტიზმი, ხოლო შვრაცშილდისეული სინგულარობისგან თავი დაეღწიათ (უცნაური სინგულარობა).

 1962 წელს ამერიკელმა ფიზიკოსებმა ჯონ უილერმა და რობერტ ფულერმა თეორიულად დაადგინეს, რომ ფლამისეული თხუნელას ორმო და აინშტაინ-როზენისეული ხიდი სწრაფად იხურება და მასში გავლა შეუძლებელია. ფზთ-ს განტოლებათა ამონახსენი გავლადი თხუნელას ორმოთი, პირველად, 1986 წელს ამერიკელმა ფიზიკოსმა ქიფ თორნმა წარმოადგინა. მისეული თხუნელას ორმო, უარყოფითი საშუალო სიმკვრის მატერიით არის შევსებული, რომელიც ტუნელის დაკეტვას ეწინააღმდეგება. ასეთი თვისებების მქონე ნაწილაკები ჯერ არავის უნახავს, შეიძლება, ბნელი მატერიის შემადგნლობაში იყოს რაიმე მსგავსი (დაკონსერვებული დრო).

 გრავიტაცია დღეს

 შვარცშილდისეული მარტივი ამონახსნებისგან განსხვავებით, დღეს უკვე მბრუნავი და დამუხტული შავი ხვრელებიც არის აღწერილი. შავი ხვრელების თანამიმდევრულმა მათემატიკურმა თეორიამ და მასთან დაკავშირებულმა სინგულარობამ, ბრიტანელი მათემატიკოსის, როჯერ პენროუზის ნაშრომებში ჰპოვა განვითარება.

 მასში აღწერილია ვარსკვლავის ევოლუციის მიყვანა შავ ხვრელად გადაქცევამდე და სინგულარობის გაჩენამდე, დრო-სივრცის განსაკუთრებულ მდგომარეობამდე, სადაც ფზთ ფიზიკური თვალსაზრისით არაკორექტულ ამონახსნებს იძლევა (დედამიწისხელა ტელესკოპით შავი ხვრელის „ვარცხნილობას“ დავინახავთ).

 ამის მერე მალევე, ბრიტანელ სთივენ ჰოკიგთან ერთად მან გვიჩვენა, რომ შორეულ წარსულში სამყარო უსასრულო სიმკვრივის მდგომარეობაში იყო. ფზთ-ში გაჩენილი და ხსენებული ორი მეცნიერის მიერ აღწერილი სინგულარობა, თანამედროვე ფიზიკის წარმოდგენებით ვერ იხსნება, კერძოდ – რა იყო დიდ აფეთქებამდე (რა იყო დიდ აფეთქებამდე?). დამატებითი ჰიპოთეზებისა და თეორიების, მაგალითად, კვანტური მექანიკისა და სიმების თეორიის გარეშე ვერც თხუნელას ორმოებთან დაკავშირებული თეორია განვითარდება (მოკლედ კვანტური გრავიტაციის პრობლემის შესახებ; ფარდობითობის თეორია).