Здравствуйте, уважаемые читатели блога сайт. В разговорах с людьми мы иногда слышим редкое, непонятное большинству, слово «сингулярность» . Для придания значимости собственной персоне, человек вворачивает подобные словечки, но точно ответить, что оно означает, не в состоянии.

Дословный перевод с латыни найти несложно. Слово singularis означает особенный, единственный, указывает на уникальность какого-либо события, существа, явления. Кажется, куда проще, но тут начинаются непонятности.

Это понятие применимо в разных сферах жизни человека, науки, техники, философии. В каждой области оно объясняется специфично. Неискушенному гражданину кажется, что речь идет о совсем непохожих вещах. Нет согласия даже в понимании значения слова.

Значение слова

Словно специально, чтобы запутать все окончательно, ученые умы придумали несколько разновидностей сингулярности . Согласно википедии бывают:

Сингулярность понятным языком

Да, легче не стало! Вы растеряны и возмущены: «Что это, простыми словами объяснить нельзя?». Давайте попробуем. Возьмем для примера два упомянутых выше трактования и объясним все это максимально просто (на пальцах):

1. Гравитационная . Предположим, на дороге открытый люк. Дорожное покрытие – это пространство, кромка люка – горизонт событий (граница искривления пространства или более красиво — горизонт событий). Все, что происходит внутри ямы, вы не видите, но дыра образована сингулярным объектом.Вы бросаете в люк один камень, промахнулись – камень остался в нашем пространстве. Следующий – попали, он пролетел границу горизонта и попал в зону сингулярности (неопределенности);
2. Космологическая . Вообразите маленький мячик с нереально высокой температурой и плотностью. В какой-то момент он с огромной силой взрывается, образуя кучу осколков, частиц и пыли. Представьте все, что происходило с мячом в момент взрыва? Это называют состоянием сингулярности.

Два распространенных толкования этого явления способны описать его основные отличительные признаки:

Соответствие чего-то хотя бы одному из этих признаков говорит о том, что перед вами сингулярность.

Наиболее ярко по обоим признакам сингулярность иллюстрирует черная дыра . Считается, что в ее центре показатели всех физических характеристик бесконечны, законы физики не действуют, а время течет по неизвестным нам правилам. Поскольку предсказать поведение такого объекта невозможно, то и прогнозирование утрачивает всякий смысл.

Думаете, что все описанное далеко во времени, пространстве и нас не касается? Я покажу вам, что это не так.

Сингулярность в нашей жизни

Большинство процессов в обществе, экономике, истории, биологии происходит по условиям, предполагающим точку сингулярности в определенный момент времени. В основе развития этого явления лежит закон гиперболы. Прямо сейчас вокруг нас приближаются к своей развязке процессы, которые зарождались миллиарды лет назад.

Человечество и мировой продукт

Самый понятный пример – возрастание численности населения Земли и прирост мировых запасов продукта. Связи, обусловленные определенными условиями, строились тысячелетиями. Если сейчас оставить эти зависимости без изменения и продолжить их в будущее, очень скоро мы подойдем к точке сингулярности.

Количество людей на планете и мировой продукт были давно подсчитаны учеными. Еще два-три десятилетия назад стало понятно, что число людей увеличивается по квадратичной гиперболе, а производство продукции – по простой, то есть в 2 раза медленнее.

Прогнозы показывали, что в период с 2005 по 2020 год настанет время точки сингулярности. То есть сегодня мы внутри этого явления. Скажите, вы наблюдаете вокруг всеобъемлющее изобилие и богатство?

И снова технологическая сингулярность

Та самая точка, когда сложность развивающихся технологий будет недоступна человеческому пониманию, не за горами. Предположительно мы встретим ее с 2030 до 2045 года. Сценарий вероятных событий известен всем из фантастических фильмов.

Биологические революции

Сингулярность в биологии Земли дело привычное. происходила при гиперболическом росте популяции до какого-то момента. К примеру, динозавры были хозяевами планеты. Но после революционных событий их почти не осталось. Разве что крокодилы скромно занимают несущественную нишу.

Когда ученые мужи проанализировали периодичность дат революций, происходивших в биологии, а потом добавили к этой информации человеческие волнения, они заметили четкую связь с точкой сингулярности в районе 2010—2050 годов.

Сингулярность в истории

Это явление случалось довольно часто. Вспомните истории государств и империй. Скажем, Древний Рим в начале своего развития развивался по закону гиперболы.

Рост населения стал причиной захвата территорий, определил некоторое техническое развитие. Так продолжалось до нескольких эпидемий чумы, когда умерло до трети населения. После этого человечество задумалось о плотности жителей в одном месте.

Попытки восстановить количество людей позволили империи продержаться еще какое-то время. Но все равно государство по многим причинам распалось. Итак, алгоритм – резкий рост, нарушение равновесия, небольшие колебания, смена баланса ресурсов и гибель.

Похожие предопределенности были обнаружены в:

1. науке;
2. демографии;
3. экономике;
4. культуре и других областях человеческой жизни.

Выводы

В указанный исторический промежуток должно произойти что-то неимоверно важное, сравнимое с выходом живых организмов на сушу, что в корне изменит будущее.

Только не говорите, что все пропало и нам уготована участь крокодилов. Ведь и Рим не исчез бесследно. Да и мы отличаемся от динозавров. Мы можем думать, делать прогнозы, искать решения и адаптировать среду под свои потребности.

Главное, понимать что происходит и вовремя менять условия игры, чтобы не допускать необратимых процессов.

Потому что сингулярность – это точка с бесконечной плотностью, где нарушены все законы физики, а предположения о будущем неизвестны. В ней все теряет смысл. И осмысление происходящего тоже не имеет значения.

Удачи вам! До скорых встреч на страницах блога сайт

Вам может быть интересно

Дефиниция - это искусство кратко и понятно давать определения Что такое теория и чем хороши теоретические методы познания Аспект - использование в разговорной речи и научная трактовка Что такое отрезок Что такое закон Что такое нормативные правовые акты и какие бывают НПА Как правильно пишется ВРЯД ЛИ Что такое легитимность простыми словами Что такое кульминация Логика - это основа и законы правильного мышления Что такое АУЕ - расшифровка и значение, справка о субкультуре Что такое композиция

На сегодняшний момент вопрос о том, что такое сингулярность, волнует не только людей, интересующихся наукой, но и лучших ученых мира. Этот термин нам встречается в математике, физике, астрономии, космологии и прочих точных науках. Его трактовка немного варьируется, но принцип остается прежним. Потому сейчас мы поочередно рассмотрим, что такое сингулярность с различных точек зрения, и выясним, чем так интересно для исследователей это загадочное явление.

Общая трактовка термина

Перед тем как мы начнем углубляться в тайны Вселенной, обратимся к истории мироздания. Самой правильной на нынешней момент версией возникновения мира является теория Большого взрыва. В момент зарождения всего того, что нас окружает, была лишь одна-единственная точка сингулярности. Ее размеры точно неизвестны, но для понимания ученые часто сравнивают ее с горошиной. При этом не стоит думать, что этот мини-шарик можно было бы удержать в руке. Его масса равнялась массе всех звезд и галактик, которые сегодня есть в космосе. Более того, температура этой горошины просто зашкаливала, а сила гравитации в ней была выше, чем у ныне существующих черных дыр. Иными словами, точка сингулярности - это единица пространства-времени, в которой заключалась вся материя, наполняющая нашу Вселенную.

Как появилось время?

Непременно стоит выделить, что под термином «материя» подразумевается не только космическое пространство, состоящее из миллиардов астрономических единиц, но и все временные отрезки. Да, представить себе это сложно, но чтобы понять, что такое сингулярность, нужно представить себе время как пространственное измерение, в котором можно перемещаться как вперед, так и назад. Все это неразрывно связано с кривизной пространства, о которой мы поговорим ниже. Ученым также неизвестно, в течение какого времени по земным меркам существовала эта горошина. Парадоксально то, что в таком сжатом состоянии в любом измерении бесконечность равна нулю. Позже точка сингулярности стала расти, температура в ней падала, частицы отталкивались друг от друга. Так время отделилось от остальных измерений и перестало быть пространственной единицей. Потому сегодня оно может идти только вперед.

Космологические понятия

Как известно, наука космология занимается изучением эволюции Вселенной. Тут рассматриваются все так называемые эпохи, которые последовали после Большого взрыва. Именно в соответствии с этой теорией ученые выдвинули гипотезу о том, что Вселенная возникла из сингулярности. При этом период существования последней установить невозможно. Исходя из этого, до сих пор тщательно прорабатываются две наиболее правдоподобные версии. Первая заключается в том, что наш мир статичен. Большой взрыв произошел в определенный момент, когда все частицы, находящиеся в состоянии бесконечного сжатия, резко оттолкнулись друг от друга. Кроме того, сингулярность Вселенной до момента взрыва характеризовалась наличием материи и антиматерии. В наши дни ученые не обнаружили ни единой античастицы. Вторая версия строится на том, что Большой взрыв - это настоящее космоса. Установлено, что галактики постоянно удаляются друг от друга, следовательно, процесс расширения мира продолжается по сей день.

Сингулярность в космологии

В эволюции космоса, как это ни странно, нет места действующим на Земле физическим формулам и законам. Это явление наглядно нам демонстрирует космологическая сингулярность. Конечно же, на практике выяснить, в каком состоянии в момент зарождения мира пребывала материя, невозможно, но теоретически ученые высчитали парадоксальные закономерности. Первое - кривизна пространства-времени. Это означает, что проложить ровную геодезическую линию или угол в сфере сингулярности невозможно. Второе - это, как мы уже говорили, совсем иное время. Тут можно попасть в любую точку на временном отрезке. Космологическая сингулярность, по мнению ученых, - точка отсчета, которая именуется Большим взрывом. В этот период плотность и температура вещества близились к бесконечным. Одновременно мера хаоса стремилась к нулю, умножая на себя две предыдущие единицы. С точки зрения земной физики температура и плотность не могут одновременно пребывать в бесконечном состоянии. И это лишь один из множества парадоксов, которые ученые так и не могут разгадать.

Старая и новая теория

Много лет назад Альберт Эйнштейн подарил миру знаменитую теорию относительности, которую ныне называют теорией гравитации. Благодаря ей мы сегодня описываем все явления в пространстве и времени, которые нас окружают. В соответствии с теорией физические объекты не могут обладать сингулярностью. То есть на практике никакое вещество или материя не могут иметь массу, плотность или температуру, равную бесконечности. А вот математика слывет как теоретическая наука, потому в ней есть место функциям с бесконечными значениями. Накладывая одну область знаний на другую, мы получаем примерные расчеты того, что могло происходить в момент Большого взрыва. Это, как уже говорилось, точки с бесконечными физическими величинами. Такое явление получило название физическая или космическая сингулярность. Но ее законы несопоставимы с теорией относительности. Объяснить такое явление может новая теория квантовой гравитации. Это где изучается поведение света, его свойства и значимость во Вселенной. Самой теории еще не существует, но имеются определенные расчеты и предпосылки, которые могут стать ее основой.

Разгадываем тайны гравитации

В астрофизике существует такое понятие, как скорость убегания. Оно используется для того, чтобы определить степень разгона, с которой определенный объект сможет сопротивляться К примеру, ракета с учетом ее массы должна двигаться со скоростью около 12 км/с, чтобы покинуть атмосферу Земли. Но если бы наша планета имела диаметр не 12 742 километра, а один сантиметр, то для преодоления поля притяжения нужно было бы двигаться со скоростью большей, чем В таком случае Землю окружала бы не привычная нам сила тяготения, а гравитационная сингулярность. Конечно же, все так как если наша планета примет подобные размеры, она превратится в черную дыру. Но такой опыт дает возможность понять, каково значение гравитации во Вселенной.

От чего зависит сила тяготения?

Чем ближе атомы располагаются друг к другу, тем плотнее вещество. Если молекулы как-либо взаимодействуют между собой, то происходит процесс нагревания, следовательно, температура этого вещества повышается. В земных условиях такие процессы происходят в определенных рамках, потому мы давно изобрели формулы, позволяющие рассчитать поведение любого химического элемента. Все потому, что сила земного притяжения не дает частицам сближаться меньше, чем на определенное расстояние, и отдаляться более, чем на конкретную величину. В открытом космосе, где наблюдаются пустоши между галактиками, пространство особенно разряжено, это называется вакуумом. Тут гравитации нет в принципе, потому малое количество материи пребывает в хаосе. Возле очень плотных объектов (гигантские голубые звезды, квазары, а также черные дыры) сила притяжения поднимается до нереальных для нас, землян, величин. Частицы тут расположены настолько близко друг к другу, что образуется явление, которое называется "гравитационная сингулярность". Это та самая основа, влияющая на искажение пространства и степень кривизны.

Гравитация и поведение материи

В область сингулярности материя не засасывается. Туда притягивается только космический ветер и микроскопические частицы. Но человек чисто теоретически может по доброй воле отправиться в такие области. Они располагаются в квазарах и в черных дырах и, увы, для живых существ являются смертоносными с точки зрения биологии. Попадая в область большой приливной силы, тело начнет растягиваться как вдоль, так и поперек. В результате очертания человека окутают сферу и будут вращаться в ней. Теоретически, если глаза еще будут видеть и передавать сигнал в одновременно сможет лицезреть все свои части тела, включая лицо, которое будет вращаться перед ним, превышая скорость света. Понятно, что в таком виде человеческое тело существовать не может, но ведь это касается земной физики. Однако подобный пример дает нам возможность представить, что такое сингулярность с практической точки зрения. Было бы интересно предположить, что мы как биологический вид сможем принять эти новые физические законы и существовать в таких формах, образуя новые миры для себя.

Течение времени

О том, что такое время, можно спорить вечно. Сегодня его определяют как процесс прохождения физиологических, физических и психических процессов для живых организмов и материи нашего мира. Но свойства времени, его скрытые возможности так и не изучены. Мы воспринимаем его как нечто субъективное, и это тщательно можно отследить, вспоминая свои прошедшие годы. Когда мы проживали первый год жизни, этот отрезок для нас был равен 100 процентам. Он был единственным, что у нас есть, всей жизнью и опытом. На второй свой день рождения один год уже стал 50 процентами, на третий - лишь третью. К 80-летнему возрасту один год уже был лишь 1/80 частицей жизни и ничего практически не значил. Так случалось потому, что в течение первого года все, что мы видели, было новым. В дальнейшем нам попадались уже все более и более привычные вещи и явления. Потому и казалось, что детство тянется невероятно долго, а зрелые годы пролетают моментально. Это наглядный пример того, как восприятие одного человека искажает течение времени. А что же будет, если взглянуть на этот термин с астрономической точки зрения?

Время в начале времен

Это было небольшое отступление, которое дало возможность понять все то, что мы видим. Находясь запертыми в рамках физики и, более того, своего собственного восприятия, нам сложно представить, что мир был и может быть совсем другим. Так вот, сингулярность времени имела такое же место в космологии, как и сингулярность пространства. Сейчас для преодоления отрезка в 1 километр со скоростью 5 км/ч потребуется 0,2 часа. Чтобы долететь от Земли до Сатурна, необходимо затратить несколько лет. Но как быть с временем, если все расстояние, которое имеется в мире, равно 1 сантиметру? Умножая столь ничтожные параметры на бесконечно большую плотность и массу, мы получаем кривизну пространства-времени. Это означает, что в момент, когда Вселенная была сингулярной, могло происходить все то, что мы видим сейчас. События, возможно, перемешивались, невероятно искажались и сопоставлялись. Проще выражаясь, любой материальный объект мог заглянуть как в прошлое Земли или другой планеты, так и в ее будущее.

Технологии и вступление в новую эру

Существует и так называемая теория сингулярности, согласно которой наша планета скоро превратится в большой биотехнический интеллект. По мнению исследователей, к середине 21-го века будет создан компьютер, возможности которого превзойдут возможности мозга. Искусственный разум, естественно, возьмет верх над менее развитыми существами. В этот момент наступит Такое название было придумано потому, что неизвестно, чем такой прогрессивный скачок в области науки закончится и удастся ли выжить человечеству.

Червоточины

Сингулярность черной дыры, из которой, собственно, и состоит этот космический объект, - одна из самых больших загадок мира. Сама кротовая нора на самом деле выглядит не как яма с воронкой и узким тоннелем, а как сфера, образованная гигантской силой гравитации. О черных дырах мы уже говорили выше, определяя их как смертоносные объекты во Вселенной. Сила их сжатия невероятно велика, потому на горизонте событий искривляется пространство и останавливается время. Сингулярность черной дыры сравнима с теорией Большого взрыва. Досконально не изучено, но считается, что сила сжатия внутри червоточины такая же, как в момент зарождения мира. Вот почему бытует теория о том, что черные дыры - это эволюция новых Вселенных, которые существуют параллельно с нашей.

Приложение, объясняющее часть теории

В общих чертах теорию и бесконечной плотности дает понять игра «Сингулярность». Прохождение миссии связано с перемещением в пространстве и времени, где эти два понятия едины. Герой передвигается между 1950 годом и 2010-м, исправляя ошибки советских ученых и спасая современных каторжников, заключенных на острове, окруженном радиацией. Если погрузиться в этот мир, то постепенно можно понять, что значит время в пространственном измерении.

Подведение итогов

Изучение всех тайн космоса, которые касаются гравитации, дает возможность понять, что теория относительности нас предельно ограничивает. Конечно же, это невероятная находка для земных условий, но если речь идет об изучении иных пространств, то стоит отбросить все стереотипы. Такое понятие, как "сингулярность", переворачивает восприятие звука, световых импульсов, кривизны пространства и длительности времени. Но встречается оно пока что только в математической теории, а в физической практике не находит себе объяснения. Наиболее детально ныне исследуется сингулярность черной дыры, но считается, что эта область хоть и сжата до бесконечности, это не самая сколлапсированная точка Вселенной.

Вселенную, в которой мы живём, описывает Космологическая стандартная модель . Согласно этой модели, наш мир появился около тринадцати миллиардов лет назад в результате Большого взрыва некоего сверхплотного состояния нашей Вселенной - сингулярности. Что предшествовало этому событию, как возникла сингулярность, откуда появилась её масса, было совершенно непонятно - теории такого состояния нет. Неясна была и дальнейшая судьба расширяющейся Вселенной: станет ли её расширение продолжаться вечно, или оно сменится сжатием вплоть до очередной сингулярности.

Теория космогенеза, разработанная недавно российскими исследователями и впервые доложенная в мае прошлого года на международной конференции в Физическом институте им. П. Н. Лебедева Российской академии наук, показывает, что сингулярность - естественный продукт эволюции массивной звезды, превратившейся в чёрную дыру. Одна-единственная чёрная дыра способна дать многочисленное «потомство» в последующих вселенных. И этот процесс идёт непрерывно, ветвясь, подобно Древу Мира из скандинавских легенд. Многолистная гипервселенная бесконечна и в пространстве, и во времени.

Древо Мира

КОСМОЛОГИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ

«В начале было Слово, и Слово было у Бога, и Слово было Бог». Коротко и чётко, но непонятно. К счастью, помимо теологии существует и космология - наука о Вселенной. Космологическая картина мира носит, по определению, объективный, внерелигиозный характер и поэтому интересна любому человеку, который ценит факты.

Вплоть до начала XX века космология оставалась умозрительной дисциплиной: это была ещё не физика, опирающаяся на эмпирический опыт и независимый эксперимент, а натурфилософия, базирующаяся на взглядах, в том числе и религиозных, самого учёного. Только с появлением современной теории гравитации, известной как ОТО - общая теория относительности, космология получила теоретическую базу. Многочисленные открытия как в астрономии, так и в физике дали нашей героине наблюдательные обоснования. Важным подспорьем для теории и наблюдений стал численный эксперимент. Заметим, что, вопреки некоторым утверждениям, между ОТО, с одной стороны, и наблюдениями и экспериментом - с другой противоречий нет. Ведь на основе ОТО не только вычислили величину отклонения луча света в поле тяготения Солнца, что, прямо скажем, не принципиально важно для народного хозяйства, но и рассчитывают орбиты планет и космических аппаратов, а также технические параметры ускорителей, включая Большой адронный коллайдер. Конечно, это не означает, что ОТО - истина в последней инстанции. Однако поиски новой теории гравитации идут в направлении обобщения уже имеющейся, а не отказа от неё.

Определение, которое мы дали космологии - науке о Вселенной, - довольно широкое. По справедливому замечанию Артура Эддингтона, вся наука - это космология. Поэтому логично пояснить на конкретных примерах, какие задачи и проблемы относятся к космологическим.

Построение модели Вселенной - это, безусловно, космологическая задача. В настоящее время общепринято, что Вселенная однородна и изотропна в больших масштабах (более 100 мегапарсек). Такая модель называется фридмановской по имени её первооткрывателя Александра Фридмана. В малых же масштабах вещество Вселенной подвержено процессу гравитационного скручивания за счёт гравитационной неустойчивости - сила притяжения, действующая между телами, стремится собрать их вместе. В конечном счёте это приводит к возникновению структуры Вселенной - галактик, их скоплений и т. д.

Вселенная нестационарна: она расширяется, причём с ускорением (инфляционно) из-за наличия в ней тёмной энергии - разновидности материи, давление которой отрицательно. Космологическую модель описывают несколько параметров. Это количество тёмной материи, барионов, нейтрино и число их сортов, значения постоянной Хаббла и пространственной кривизны, форма спектра начальных возмущений плотности (совокупности возмущений разных размеров), амплитуда первичных гравитационных волн, красное смещение и оптическая толща вторичной ионизации водорода, а также другие, менее значимые параметры. Каждый из них заслуживает отдельного разговора, определение каждого - целое исследование, и всё это относится к задачам космологии. Космологический параметр - не только число, но и физические процессы, управляющие миром, в котором мы живём.

РАННЯЯ ВСЕЛЕННАЯ

Возможно, ещё более важная космологическая проблема - вопрос о происхождении Вселенной, о том, что же было в Начале.

На протяжении столетий учёные представляли Вселенную вечной, бесконечной и статичной. То, что это не так, обнаружили в 20-х годах XX века: нестационарность решений уравнений гравитации была теоретически выявлена уже упоминавшимся А. А. Фридманом, а наблюдения (с верной интерпретацией) выполнены почти одновременно несколькими астрономами. Методически важно подчеркнуть, что само пространство никуда не расширяется: речь идёт об объёмном расширении крупномасштабного потока материи, растекающегося во все стороны. Говоря о Начале Вселенной, мы имеем в виду вопрос о происхождении этого космологического потока, которому был дан начальный толчок на расширение и придана определённая симметрия.

Идея вечной и бесконечной Вселенной трудами многих исследователей XX века, порой вопреки их личным убеждениям, сдала свои позиции. Открытие глобального расширения Вселенной означало не только то, что Вселенная нестатична, но и то, что её возраст конечен. После долгих споров о том, чему он равен, и многих важных наблюдательных открытий утвердилось число: 13,7 миллиарда лет. Это очень мало. Ведь два миллиарда лет назад по Земле уже что-то ползало. К тому же радиус видимой Вселенной слишком велик (несколько гигапарсек) для столь небольшого возраста. По-видимому, громадный размер Вселенной связан с другим - инфляционным - этапом расширения, который происходил в прошлом и сменился стадией замедленного расширения, управляемого гравитацией излучения и тёмной материи. Позднее наступает ещё один этап ускоренного расширения Вселенной, которым управляет уже тёмная энергия. Уравнения ОТО показывают, что при ускоренном расширении размер космологического потока возрастает очень быстро и оказывается больше светового горизонта.

Возраст Вселенной известен с точностью 100 миллионов лет. Но, несмотря на такую «невысокую» точность, мы (человечество) можем уверенно проследить процессы, протекавшие чрезвычайно близко по времени к «моменту рождения Вселенной» - порядка 10^-35 секунды. Это возможно потому, что динамика физических процессов, происходящих на космологических расстояниях, связана только с гравитацией и в этом смысле абсолютно ясна. Имея в наличии теорию (ОТО), мы можем экстраполировать Космологическую стандартную модель в современной Вселенной в прошлое и «посмотреть», как она выглядела в молодости. А выглядела она просто: ранняя Вселенная была строго детерминирована и представляла собой ламинарный поток материи, расширяющейся от сверхбольших плотностей.

СИНГУЛЯРНОСТЬ

Тринадцать миллиардов лет - это примерно 10^17 секунд. А «естественное» начало космологического потока при такой экстраполяции совпадает с планковским временем - 10^-43 секунды. Итого 43 + 17 = 60 порядков. Говорить о том, что было раньше 10^-43 секунды, бессмысленно, поскольку в силу квантовых эффектов планковский масштаб - это минимальный интервал, для которого понятие непрерывности и протяжённости применимо. На этом месте многие исследователи опускали руки. Мол, дальше пройти нельзя, поскольку у нас нет теории, мы не знаем квантовой гравитации и т.д.

Однако на самом деле нельзя сказать, что Вселенная «родилась» прямо с этим возрастом. Вполне возможно, что поток материи «проскочил» сверхплотное состояние за весьма короткое (планковское) время, то есть что-то заставило его пройти тот кратковременный этап. И тогда никакого логического тупика с планковским временем и постоянной Планка нет. Надо просто понять, что могло предшествовать началу космологического расширения, по какой причине и что «протащило» гравитирующую материю через состояние сверхбольшой плотности.

Ответ на эти вопросы, на наш взгляд, лежит в природе гравитации. Квантовые эффекты играют здесь второстепенную роль, видоизменяя и модифицируя понятие сверхплотной материи в течение краткого интервала времени. Конечно, сегодня мы не знаем всех свойств эффективной материи [эффективной эта «материя» называется потому, что в неё включены также параметры, описывающие возможные отклонения гравитации от ОТО. Напомним в этой связи, что современная наука оперирует раздельными физическими понятиями материи и пространства-времени (гравитации). В экстремальных условиях вблизи сингулярности такое деление условно - отсюда и термин «эффективная материя».] в экстремальных условиях. Но, учитывая краткий период этого этапа, мы в состоянии описать весь динамический процесс, опираясь лишь на известные законы сохранения энергии и импульса и считая, что они всегда выполняются в среднем метрическом пространстве-времени, независимо от того, какая квантовая «теория всего» будет создана в будущем.

КОСМОГЕНЕЗИС

В истории космологии было несколько попыток обойти проблему сингулярности и заменить её, например, концепцией рождения Вселенной как целого. Согласно гипотезе рождения из «ничего», мир возник из «точки», сингулярности, - сверхплотной области с очень высокой симметрией и всем остальным, что только можно придумать (метастабильность, неустойчивость, квантовый подбарьерный переход к фридмановской симметрии и др.). В этом подходе проблема сингулярности не решалась, а сингулярность постулировалась в виде исходного сверхплотного вакуумоподобного состояния (см. «Наука и жизнь» №№ 11, 12,1996г.).

Предпринимались и другие попытки «уйти» от сингулярности, однако их цена всегда была высокой. Взамен приходилось постулировать малопонятные конструкции либо сверхплотных (субпланковских) состояний материи, либо «отскоков» фридмановского потока от высокой плотности (смена сжатия на расширение), либо другие гипотетические рецепты поведения высокоплотной материи.

Сингулярность никому не нравится. Физическая картина мира предполагает видоизменяющийся, эволюционирующий, но постоянно существующий мир. Мы предлагаем иначе взглянуть на сингулярность и исходить из того, что сильно сжатые состояния, в которые при определённых условиях попадает и которые проходит динамическая гравитационно взаимодействующая система (в простейшем случае - звезда), объективны и естественны для гравитации. Сингулярные области как временные мосты или цепочки соединяют более протяжённые домены нашего мира. Если это так, то надо понять, что заставляет материю попадать в особые сингулярные состояния и как она из них выходит.

Как уже упоминалось, космологическое расширение начинается с космологической сингулярности - мысленно обращая время вспять, мы неизбежно приходим к моменту, когда плотность Вселенной обращается в бесконечность. Это положение мы можем считать очевидным фактом, опирающимся на КСМ и ОТО. Приняв его как данность, зададимся простым вытекающим отсюда вопросом: как возникает сингулярность, как гравитирующая материя попадает в сверхсжатое состояние? Ответ на удивление прост: к этому приводит процесс гравитационного сжатия массивной системы (звезды или другой компактной астрофизической системы) в конце её эволюции. В результате коллапса образуется чёрная дыра и, как следствие, - её сингулярность. То есть коллапс заканчивается сингулярностью, а космология начинается с сингулярности. Мы утверждаем, что это цепочка единого непрерывного процесса.

Вопрос о происхождении Вселенной, после нескольких проб, попыток его постановки и различных трактовок, приобрёл в XXI веке прочную научную основу в виде КСМ и её однозначной экстраполяции в прошлое по рельсам ОТО. Отталкиваясь в рассмотрении этой проблемы от единственной известной нам Вселенной, мы не должны забывать об общем физическом принципе, связанном с именем Николая Коперника. Когда-то считали, что Земля - центр мироздания, потом его связывали с Солнцем, позднее выяснилось, что наша Галактика не единственная, а лишь одна среди очень многих (только видимых галактик почти триллион). Логично предположить, что и вселенных очень много. То, что мы ничего пока не знаем о других, связано с большим размером нашей Вселенной - её масштаб заведомо превышает горизонт видимости.

Размер (масштаб) Вселенной - это размер причинно-связанной области, растянутый за время её расширения. Размер видимости - это расстояние, которое «прошёл» свет за время существования Вселенной, его можно получить, перемножив скорость света и возраст Вселенной. То, что Вселенная на больших масштабах изотропна и однородна, означает, что начальные условия в удалённых друг от друга областях Вселенной были сходными.

Мы уже упоминали, что этот большой масштаб объясняется наличием инфляционной стадии расширения. В доинфляционный период Большого взрыва расширяющийся поток мог быть совсем маленьким и вовсе не иметь черты фридмановской модели. А вот как сделать из малого потока большой - это не проблема космогенезиса, а технический вопрос существования конечной промежуточной стадии инфляции, способной расширить поток подобно тому, как увеличивается поверхность надуваемого воздушного шарика. Главная проблема космогенезиса не в размере космологического потока, а в его появлении. Подобно тому, как существует хорошо известный способ образования сжимающихся потоков материи (гравитационный коллапс), должен быть достаточно общий и простой физический механизм гравитационной генерации («зажигания») расширяющихся потоков материи.

ИНТЕГРИРУЕМЫЕ СИНГУЛЯРНОСТИ

Итак, как проникнуть «за» сингулярность? И что же там за ней?

Структуру пространства-времени удобно исследовать, мысленно запуская в него свободные пробные частицы и наблюдая, как они движутся. Согласно нашим расчётам, геодезические траектории [кратчайшие расстояния в пространстве определённой структуры. В евклидовом пространстве это прямые, в римановом - дуги окружности и т.д.] пробных частиц свободно распространяются во времени через сингулярные области определённого класса, которые мы назвали интегрируемыми сингулярностями. (В сингулярности расходится плотность или давление, но интеграл по объёму от этих величин конечен: масса интегрируемой сингулярности стремится к нулю, поскольку она занимает ничтожный объём.) Пройдя чёрную дыру, геодезические траектории оказываются в пространственно-временнОм домене (от франц. domaine - область, владение) белой дыры, который расширяется со всеми признаками космологического потока. Эта пространственно-временная геометрия едина, и её логично определить как чёрно-белую дыру. Космологический домен белой дыры расположен в абсолютном будущем по отношению к родительскому домену чёрной дыры, то есть белая дыра - естественное продолжение и порождение чёрной.

Эта новая концепция родилась совсем недавно. Создатели оповестили о её появлении в мае 2011 года на научной конференции, посвящённой памяти А. Д. Сахарова, проходившей во флагмане российской физики - Физическом институте им. П. Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН).

Каким же образом это возможно и почему ранее такой механизм космогенезиса не рассматривался? Начнем с ответа на первый вопрос.

Найти чёрную дыру несложно, их вокруг множество - в чёрных дырах сосредоточено несколько процентов всей массы звёзд Вселенной. Хорошо известен и механизм их возникновения. Часто можно услышать, что мы живём на кладбище чёрных дыр. Но можно ли это назвать кладбищем (концом эволюции), или за горизонтами событий чёрных дыр начинаются иные зоны (домены) нашего сложного мира, иные вселенные?

Мы знаем, что внутри чёрной дыры находится особая сингулярная область, в которую «сваливается» всё вещество, пойманное ею, и где гравитационный потенциал устремляется в бесконечность. Однако природа не терпит не только пустоты, но и бесконечностей или расходимости (хотя больших чисел никто не отменял). Мы смогли «пройти» область сингулярности, потребовав, чтобы гравитационные (метрические) потенциалы в ней, а значит, и приливные силы оставались конечными.

Расходимость метрических потенциалов можно устранить, сгладив с помощью эффективной материи сингулярность, что ослабляет её, но не ликвидирует полностью. (Такую интегрируемую сингулярность можно сравнить с поведением тёмного вещества при приближении к центру галактики. Его плотность стремится к бесконечности, но заключённая внутри уменьшающегося радиуса масса стремится к нулю из-за того, что объём внутри этого радиуса уменьшается быстрее, чем растёт плотность. Такая аналогия не абсолютна: галактический касп, область с расходящейся плотностью, - это пространственная структура, а сингулярность чёрной дыры возникает как событие во времени.) Поэтому, хотя плотность и давление расходятся, приливные силы, воздействующие на частицу, конечны, поскольку зависят от полной массы. Это и позволяет пробным частицам свободно проходить сингулярность: они распространяются в непрерывном пространстве-времени, и для описания их движения информация о распределении плотности или давления не требуется. А с помощью пробных частиц можно описывать геометрию - строить системы отсчёта и измерять пространственные и временные интервалы между точками и событиями.

ЧЁРНО-БЕЛЫЕ ДЫРЫ

Итак, пройти сингулярность можно. И следовательно, можно «увидеть», что же находится за ней, по какому такому пространству-времени продолжают распространяться наши пробные частицы. А попадают они в область белой дыры. Уравнения показывают, что происходит своеобразная осцилляция: поток энергии из сжимающейся области чёрной дыры продолжается в расширяющуюся область белой. Импульс не спрячешь: коллапс инвертируется в антиколлапс с сохранением полного импульса. И это уже иная вселенная, поскольку белая дыра, заполненная материей, обладает всеми свойствами космологического потока. Это значит, что и наша Вселенная, возможно, порождение какого-то другого мира.

Картина, следующая из полученных решений уравнений гравитации, складывается такая. Родительская звезда коллапсирует в материнской вселенной и формирует чёрную дыру. В результате коллапса вокруг звезды возникают разрушительные приливные гравитационные силы, которые деформируют и разрывают вакуум, рождая в пустом до того пространстве материю. Эта материя из сингулярной области чёрно-белой дыры попадает в другую вселенную, расширяющуюся под действием гравитационного импульса, полученного в ходе коллапса родительской звезды.

Совокупная масса частиц в такой новой вселенной может быть сколь угодно большой. Она может значительно превышать массу родительской звезды. При этом масса образующейся (родительской) чёрной дыры, измеренная наблюдателем, находящимся во внешнем пространстве материнской вселенной, конечна и близка к массе сколлапсировавшей звезды. Здесь нет парадокса, поскольку разница масс компенсируется гравитационной энергией связи, имеющей отрицательный знак. Можно сказать, что новая вселенная находится в абсолютном будущем по отношению к материнской (старой) вселенной. Иначе говоря, туда попасть можно, а обратно уже не вернёшься.

АСТРОГЕННАЯ КОСМОЛОГИЯ, ИЛИ МНОГОЛИСТНАЯ ВСЕЛЕННАЯ

Такой сложный мир напоминает Древо Жизни (генеалогическое древо, если угодно). Если в процессе эволюции во Вселенной возникают чёрные дыры, то через них частицы могут попасть в другие ветви (домены) мироздания - и так далее по временным гирляндам чёрно-белых дыр. Если же чёрные дыры по тем или иным причинам не образуются (например, не рождаются звёзды), возникает тупик - генезис (творение) новых вселенных в этом направлении прерывается. Но при благоприятном стечении обстоятельств поток «жизни» может возобновиться и расцвести даже из одной чёрной дыры - для этого необходимо создать условия для производства новых поколений чёрных дыр в последующих вселенных.

Как могут возникать «благоприятные обстоятельства» и от чего они зависят? В нашей модели это связано со свойствами эффективной материи, рождающейся под действием экстремальной гравитации вблизи сингулярностей чёрно-белых дыр. По сути, речь идёт о нелинейных фазовых переходах в квантово-гравитационной материальной системе, имеющих характер флуктуации и, следовательно, подверженных случайным (бифуркационным) изменениям. Следуя вразрез с крылатой фразой Эйнштейна, можно сказать, что «Бог кидает кости», а дальше эти кости (начальные условия) могут сложиться в детерминированные домены новых вселенных, а могут и остаться неразвитыми «эмбрионами» космогенезиса. Здесь, как и в жизни, действуют свои законы естественного отбора. Но это уже предмет дальнейших исследований и будущих работ.

КАК ИЗБЕЖАТЬ СИНГУЛЯРНОСТИ

В своё время была предложена концепция осциллирующей, или циклической, Вселенной, основанная на гипотезе «отскоков». Согласно ей, Вселенная существует в виде бесконечного числа циклов. Её расширение сменяется сжатием почти до сингулярности, вслед за чем опять наступает расширение, и ряд таких циклов уходит в прошлое и будущее. Не очень понятная концепция, поскольку, во-первых, нет наблюдательных свидетельств, что однажды расширение нашего мира сменится сжатием, а во-вторых, неясен физический механизм, заставляющий Вселенную совершать такие колебательные движения.

Другой подход к происхождению мира связан с гипотезой самовосстанавливающейся Вселенной, предложенной много лет живущим в США российским учёным А. Д. Линде. Согласно этой гипотезе, мир можно представить как кипящий котёл. Глобально Вселенная - это горячий бульон с высокой плотностью энергии. В нём возникают пузыри, которые либо схлопываются, либо расширяются, причём, при определённых начальных условиях, длительное время. Предполагается, что характеристики (любые, какие только можно придумать, включая набор фундаментальных констант) пузырей возникающих миров имеют некоторый спектр и широкий диапазон. Здесь возникает много вопросов: откуда взялся такой «бульон», кто его заварил и что поддерживает, насколько часто реализуются начальные условия, приводящие к появлению вселенных нашего типа, и др.

КАК МОГУТ ОБРАЗОВЫВАТЬСЯ ИНТЕГРИРУЕМЫЕ СИНГУЛЯРНОСТИ

По мере приближения к сингулярности нарастающие приливные силы действуют на вакуум физических полей, деформируют и разрывают его. Происходит, как говорят, поляризация вакуума и рождение частиц материи из вакуума - его пробой.

Такая реакция физического вакуума на внешнее интенсивное воздействие быстропеременного гравитационного поля хорошо известна. Это, по сути, эффект квантовой гравитации - гравитационные натяжения трансформируются в материальные поля, происходит перераспределение физических степеней свободы. Сегодня подобные эффекты умеют считать в приближении слабого поля (так называемый квазиклассический предел). В нашем же случае речь идёт о мощных нелинейных квантово-гравитационных процессах, где необходимо принимать во внимание обратное гравитационное влияние рождённой эффективной материи на эволюцию средней метрики, определяющей свойства четырёхмерного пространства-времени (когда квантовые эффекты в гравитации становятся сильными, метрика становится «дрожащей» и о ней можно говорить только в среднем смысле).

Это направление требует, конечно, дальнейших исследований. Однако уже сейчас можно предположить, что, согласно принципу Ле Шателье, обратное влияние приведёт к такой перестройке метрического пространства, что рост приливных сил, вызывающий неограниченное рождение эффективной материи, пресечётся и, следовательно, метрические потенциалы перестанут расходиться и останутся конечными и непрерывными".

Доктор физико-математических наук Владимир Лукаш,
Кандидат физико-математических наук Елена Михеева,
Кандидат физико-математических наук Владимир Строков (Астрокосмический центр ФИАН),

В определённый момент времени в прошлом, когда плотность энергии (материи) и кривизна пространства-времени были очень велики - порядка планковских значений. Это состояние, вместе с последующим этапом эволюции Вселенной, пока плотность энергии (материи) оставалась высокой, называют также Большим Взрывом . Космологическая сингулярность является одним из примеров гравитационных сингулярностей , предсказываемых общей теорией относительности (ОТО) и некоторыми другими теориями гравитации .

Возможность возникновения этой сингулярности при продолжении назад во времени любого решения ОТО , описывающего динамику расширения Вселенной , было строго доказано в 1967 году Стивеном Хокингом . Также он писал:

Результаты наших наблюдений подтверждают предположение о том, что Вселенная возникла в определённый момент времени. Однако сам момент начала творения, сингулярность, не подчиняется ни одному из известных законов физики.

Например, не могут быть одновременно бесконечными плотность и температура , т. к. при бесконечной плотности мера хаоса стремится к нулю, что не может совмещаться с бесконечной температурой.

Проблема существования космологической сингулярности является одной из наиболее серьёзных проблем физической космологии. Дело в том, что никакие наши сведения о том, что произошло после Большого Взрыва, не могут дать нам никакой информации о том, что происходило до этого.

Попытки решения проблемы существования этой сингулярности идут в нескольких направлениях: во-первых, считается, что квантовая гравитация даст описание динамики гравитационного поля, свободного от сингулярностей , во-вторых, есть мнение, что учёт квантовых эффектов в негравитационных полях может нарушить условие энергодоминантности , на котором базируется доказательство Хокинга , в-третьих, предлагаются такие модифицированные теории гравитации , в которых сингулярность не возникает, так как предельно сжатое вещество начинает расталкиваться гравитационными силами (так называемое гравитационное отталкивание), а не притягиваться друг к другу.

Напишите отзыв о статье "Космологическая сингулярность"

Примечания

Отрывок, характеризующий Космологическая сингулярность

– Нет, не хочу, – сказал Пьер, отталкивая Анатоля, и подошел к окну.
Долохов держал за руку англичанина и ясно, отчетливо выговаривал условия пари, обращаясь преимущественно к Анатолю и Пьеру.
Долохов был человек среднего роста, курчавый и с светлыми, голубыми глазами. Ему было лет двадцать пять. Он не носил усов, как и все пехотные офицеры, и рот его, самая поразительная черта его лица, был весь виден. Линии этого рта были замечательно тонко изогнуты. В средине верхняя губа энергически опускалась на крепкую нижнюю острым клином, и в углах образовывалось постоянно что то вроде двух улыбок, по одной с каждой стороны; и всё вместе, а особенно в соединении с твердым, наглым, умным взглядом, составляло впечатление такое, что нельзя было не заметить этого лица. Долохов был небогатый человек, без всяких связей. И несмотря на то, что Анатоль проживал десятки тысяч, Долохов жил с ним и успел себя поставить так, что Анатоль и все знавшие их уважали Долохова больше, чем Анатоля. Долохов играл во все игры и почти всегда выигрывал. Сколько бы он ни пил, он никогда не терял ясности головы. И Курагин, и Долохов в то время были знаменитостями в мире повес и кутил Петербурга.
Бутылка рому была принесена; раму, не пускавшую сесть на наружный откос окна, выламывали два лакея, видимо торопившиеся и робевшие от советов и криков окружавших господ.
Анатоль с своим победительным видом подошел к окну. Ему хотелось сломать что нибудь. Он оттолкнул лакеев и потянул раму, но рама не сдавалась. Он разбил стекло.
– Ну ка ты, силач, – обратился он к Пьеру.
Пьер взялся за перекладины, потянул и с треском выворотип дубовую раму.
– Всю вон, а то подумают, что я держусь, – сказал Долохов.
– Англичанин хвастает… а?… хорошо?… – говорил Анатоль.
– Хорошо, – сказал Пьер, глядя на Долохова, который, взяв в руки бутылку рома, подходил к окну, из которого виднелся свет неба и сливавшихся на нем утренней и вечерней зари.
Долохов с бутылкой рома в руке вскочил на окно. «Слушать!»
крикнул он, стоя на подоконнике и обращаясь в комнату. Все замолчали.
– Я держу пари (он говорил по французски, чтоб его понял англичанин, и говорил не слишком хорошо на этом языке). Держу пари на пятьдесят империалов, хотите на сто? – прибавил он, обращаясь к англичанину.
– Нет, пятьдесят, – сказал англичанин.
– Хорошо, на пятьдесят империалов, – что я выпью бутылку рома всю, не отнимая ото рта, выпью, сидя за окном, вот на этом месте (он нагнулся и показал покатый выступ стены за окном) и не держась ни за что… Так?…
– Очень хорошо, – сказал англичанин.
Анатоль повернулся к англичанину и, взяв его за пуговицу фрака и сверху глядя на него (англичанин был мал ростом), начал по английски повторять ему условия пари.
– Постой! – закричал Долохов, стуча бутылкой по окну, чтоб обратить на себя внимание. – Постой, Курагин; слушайте. Если кто сделает то же, то я плачу сто империалов. Понимаете?
Англичанин кивнул головой, не давая никак разуметь, намерен ли он или нет принять это новое пари. Анатоль не отпускал англичанина и, несмотря на то что тот, кивая, давал знать что он всё понял, Анатоль переводил ему слова Долохова по английски. Молодой худощавый мальчик, лейб гусар, проигравшийся в этот вечер, взлез на окно, высунулся и посмотрел вниз.

Сингулярное состояние в прошлом – очень не хорошее состояние с точки зрения физики. В этом состоянии значение физических величин либо ноль, либо бесконеч­ность. Размеры – ноль, гравитационные силы бесконечны, плотность бесконечна, тем­пература бесконечна и т.д. Очень нехорошее состояние – вся физика останавливается, считать нечего. Привлечение квантовой теории позволило не доходить до этой сингу­лярности, а остановиться чуть выше. Макс Планк в 1900-м году, когда открыл уже квант действия и ввел постоянную величину, которая теперь называется постоянной Планка, решил попробовать скомбинировать три фундаментальные физические вели­чины и посмотреть, что хорошего это может дать. Постоянная Планка, скорость света и гравитационная постоянная. Вроде физик, должен серьезными делами заниматься, а он решил покомбинировать – что получится. Ему удалось получить все измеримые основные физ. Величины: расстояние, которое теперь называется планковским, полу­чилось равным 10−33 см, время получилось равным 10−43 секунды, энергия – 1019 ГэВ, плотность – 1094г/см3 . Что это за величины? Сейчас это основные величины кото­рые определяют фундаментальный уровень, на котором будет происходить все самое интересное в самой фундаментальной физике: и объединение всех взаимодействий, и построение единое теории, и выяснения, как возникла Вселенная и т.д. Возможно, это не истина в последней инстанции, тем не менее. Обратите внимание на плотность. 1094г/см3. Это что? Это вообще физическая величина? Для сравнения, плотность воды 1 г/см 3, плотность металлов – 10 г/см3. Можно ли себе представить материю, реаль­ность которой имеет такую плотность? 10 -33 см. размер атомного ядра кто помнит? Самый главный, на мой взгляд, онтологический вопрос: существуют ли расстояния меньше планковской длины? Как понимать квантованность в данном случае? Вообще, что такое квант? Вопрос, на который никто не хочет отвечать и никто не хочет обсуж­дать. Что такое вантовая механика? Это что, гильбертов анализ? Это некие правила квантования? Или же это теория квантованных объектов, которые имеют дискретные и минимальные значения физических величин? Как понимать вот эти величины, ском­бинированные из трех физических констант? Большинство обсуждает эти величины, как нечто вполне реально существующее. Один крупный космолог Линде на одной из лекций в ФИАНе говорил так: «Планковский масштаб – это, конечно, вещи се­рьезные, но есть размеры и меньше этого масштаба. Размеры-то есть, но вот линейки и часы начинают вести себя очень плохо на этих масштабах. Линейки начинают ис­кривляться, часы отставать и т.д.». Какого-то нового видения этого уровня реальности пока не существует. А на этом уровне была вся наша Вселенная! Планковское время, как пишет один крупный теоретик в некоторых работах по квантовой космологии и квантовой гравитации, это своего рода некоторый планковский тик. Это действительно период времени. Это квант времени, а дальше как хотите. Что такое квант времени? Для сравнения, даже виртуальные частицы – это времена порядка 10−20 секунды. А здесь -43 степень. Считается, что на этом уровне и пространство и время, да и материя сама по себе становятся квантованными по своей природе. Пространство рассыпается на планковские ячейки.

Чтобы производить эксперименты с планковскими энергиями, необходимо постро­ить ускоритель, размеры которого будут сопоставимы с размерами галактики. Супер­коллайдер – 27 км, но до планковского масштаба далеко. Этот планковский масштаб говорит о том, что пространство, время и все остальное становится дискретным. Сол­нечная система тоже дискретна, но они становятся квантовыми. Какой смысл вводить? Если,следуя за Линде считать, что есть расстояния и меньше, то это концептуально не дает ничего интересного, предел будет ноль, мы должны допустить, что все должно уменьшаться до нуля, до сингулярности. Но это плохо, это уже не квантовая теория. Каких-то новых идей пока не существует. Тем не менее, на основе этих представлений сейчас пытаются построить принципиально новую теорию. причем, некоторые считают, что она принципиально новая, а некоторые пытаются скомбинировать квантовую меха­нику и ОТО. Пытаются строить теорию квантовой гравитации. Почему эта проблема интересна?