Гипотеза гравитационной сингулярности

Гравитационная сингулярность — никогда в нигде

Гипотеза гравитационной сингулярности
Пространство-время – та сцена, на которой разворачивается вся история Вселенной: с момента Большого Взрыва, через рождение Млечного Пути, Солнца и расцвет динозавров – к Александру Македонскому и электронным научно-популярным журналам. К нему часто добавляют слово континуум, от латинского «непрерывное» – но кое-где и пространство-время обрывается.

 Здесь теряют силу привычные законы физики.  Здесь время выглядит иначе. Здесь даже нельзя сказать «здесь», поскольку здесь нет и пространства. Это – область нигде и никогда. Это – гравитационная сингулярность.   Со времен древних греков пространство казалось чем-то неизменным, постоянным, однородным, а время – не связанной с ним циклической спиралью вечного возвращения и повторения.

К эпохе научно-технических революций эти представления лишь укрепились. Декартова система координат расчертила мир тремя взаимно перпендикулярными осями, время выпрямилось в отдельную, независимую от пространства (и вообще ни от чего) прямую стрелу. Во многом мы до сих пор живем в тех представлениях, возникших еще в XVIII веке.

    Революционность взглядов Эйнштейна во многом состояла в понимании двух важных фактов, переворачивающих взгляды и на время, и на пространство. Во-первых, они взаимосвязаны и представляют собой единый пространственно-временной континуум. А во-вторых, континуум этот вовсе не неизменен и не постоянен: он деформируется в присутствии любой формы энергии, в том числе – в виде массы.

    Классический способ представить этот обновленный Эйнштейном мир дает пример из геометрии. Представьте себе двухмерное пространство – туго натянутую сетку, на которую положен тяжелый бильярдный шар. Запустите мимо него теннисный мяч: шар немного растянул сетку, и мяч в своем движении отклонится, словно притянутый им, а возможно, даже «упадет» на него.

Гравитация в эйнштейновском понимании может рассматриваться как геометрическое свойство пространства-времени, его искажение, возникающее под действием энергии (массы). Даже просто вращающееся массивное тело увлекает за собой «сетку» пространства-времени.

    Мысленно расширьте этот пример на четыре измерения (три пространственных плюс одно временное) – и вы получите примерную геометрическую модель реального пространства-времени. Обратите внимание: где есть масса (энергия) – там нет прямых координатных осей, да и само время перестает быть прямолинейным и равномерным для всех наблюдателей.

Представление о прямой оказывается просто математической абстракцией: самая прямая вещь, которую мы знаем из физики, – это траектория светового луча, движение фотона – но и оно искажается под действием гравитации. Притянутая материя локально движется по прямой, однако в глобальном рассмотрении эта прямая в гравитационном поле оказывается кривой.

  Но что если мы бросим на сетку из нашего геометрического примера не бильярдный шар, а что-нибудь потяжелее? Гантель, двухпудовую гирю. Скорее всего, наш демонстрационный экспонат не выдержит и лопнет, а в центре его останутся лишь дыра, нити, обрывки пространства-времени нашей модели. Нечто вроде сингулярности.

    Даже в философском смысле сингулярность – антоним континуальности (непрерывности, отсутствия лакун, квантованности, разделенности на фрагменты – NS). Сингулярность – нечто, происходящее лишь однажды. Точка, к которой события стремились, пока не разрешились уникальным исходом. Взрыв, слияние, освобождение.

В точках сингулярности математические функции резко меняют свое поведение: устремляются в бесконечность, переламываются, внезапно обращаются в ноль. Если переменная Х стремится к нулю, а функция от Х – к бесконечности, знайте: вы уже в сингулярности. В области, где обрывается непрерывная (континуальная) геометрия пространства-времени – и происходит нечто совсем уж невообразимое.

    Удивительно, что Общая теория относительности сама обозначает границы своей применимости: в сингулярности «не работает» и она. При этом теория не только указывает на саму возможность существования гравитационных сингулярностей, но в некоторых случаях делает их вообще обязательными.

Речь, в частности, о черных дырах – объектах колоссальной плотности, которая делает их невероятно массивными для своих размеров.    Черная дыра может иметь массу, сравнимую с массой крупной планеты или с миллиардом крупных звезд, но эта масса определяет лишь величину той области вокруг нее, где царит одна лишь гравитация – и откуда не вырваться ничему, ни веществу, ни излучению, ни информации.

Размер этой «области невозврата» называется радиусом Шварцшильда, а ограничивает ее горизонт событий, условная линия, по одну сторону которой Вселенная живет своими законами, а по другую властвует сингулярность.
Черная дыра   Принято говорить, что в сингулярности «законы физики теряют силу».

Это не так – просто привычные законы здесь неприменимы, как неприменимы законы классической механики к миру квантовых частиц. По красочному выражению немецкого профессора Клауса Уггла, поведение математических уравнений и функций в сингулярности «становится патологическим». Заметить этот момент достаточно просто – достаточно наблюдать поведение свободно падающих частиц.

    Независимо ни от вида самой частицы, ни от того, где именно она падает, она стремится двигаться по максимально прямой траектории, которая только существует в данных условиях. В пустом космосе, у поверхности Земли или за границей горизонта событий частица меняет траекторию лишь под действием других сил, в том числе гравитации. Но в сингулярности гравитационное поле возрастает до бесконечности, и свободно падающая частица просто… перестает существовать.    Прямые здесь обрываются (это свойство сингулярности называется геодезической неполнотой), а с ними обрывается и судьба частицы. Как показал еще около 40 лет назад великий математик Роджер Пенроуз, геодезическая неполнота должна возникать внутри любой черной дыры. Впоследствии его выкладки развил Стивен Хокинг, расширив эти представления до целой Вселенной. 

Черная дыра

  Да, вначале была сингулярность. Еще в 1967 году Хокинг строго доказал, что если взять любой вариант решения уравнений Общей теории относительности и «развернуть их» назад во времени, то при любом раскладе в расширяющейся Вселенной мы придем к ней, к сингулярности. Из бесконечного провала этой «космологической праматери» и распустился цветок нашего пространства-времени.    Впрочем, при всей своей красоте «теоремы сингулярности Пенроуза – Хокинга» лишь указывают на возможность их существования. О том же, что происходит там, внутри, что можно «увидеть» в сердце черной дыры и чем была Вселенная до Большого Взрыва, они не говорят ровным счетом ничего. Возьмем хотя бы космологическую сингулярность Хокинга: она должна иметь одновременно бесконечную плотность и бесконечную температуру, совместить которые пока никак не получается. Ведь бесконечная температура означает бесконечную энтропию, меру хаоса системы – а бесконечная плотность, наоборот, указывает на хаос, стремящийся к нулю.   Впрочем, это далеко не единственная странность вокруг сингулярности. Среди диковинных гипотез, построенных на строгой основе общей тео­рии относительности, стоит вспомнить идею существования «голых сингулярностей» – не окруженных горизонтом событий, а значит и вполне наблюдаемых извне.    По мнению некоторых физиков, голая сингулярность может появляться из обычной черной дыры. Если черная дыра вращается чрезвычайно быстро, сингулярность вместо точки может приобрести кольцеобразную форму тора, окруженного горизонтом событий. Чем быстрее дыра вращается, тем сильнее сходятся внешний и внутренний горизонты – и в какой-то момент они могут слиться, исчезнув.    К сожалению, в реальности наблюдать голую сингулярность пока не удается, зато в фантастике она встречается регулярно. Одна из населенных разумными существами колоний в культовой киносаге «Звездный крейсер «Галактика» вращается не вокруг звезды или планеты, а вокруг такой голой сингулярности.    Стоит сказать, что Роджер Пенроуз ввел в космологию принцип космической цензуры, предположение, согласно которому голых сингулярностей во Вселенной быть не может. Ученый образно сформулировал свой подход: «Природа не терпит голых сингулярностей». Этот принцип до сих пор остается недоказанным и не опровергнутым окончательно.

Голая сингулярность 

  Рассуждая логически, можно прий­ти к выводу о том, что оказаться внутри сингулярности мы не сможем никогда – вплоть до момента окончательной гибели Вселенной. Давайте представим частицу, притянутую черной дырой. Вот она, ускоряясь, по спирали приближается к ней. Чем сильнее гравитация и выше скорость, тем, согласно уравнениям того же Эйнштейна, сильнее замедляется течение времени. Наконец наша частица пересекает горизонт событий.    Сколько у нее ушло на это времени? Для стороннего наблюдателя это могут быть годы. Но вот частица устремляется к сингулярности в центре дыры – пространство-время вокруг нее буквально встает на дыбы, время для частицы практически останавливается. Можно представить это и наоборот: время Вселенной в сравнении с ней ускоряется практически бесконечно.    Но ведь даже черные дыры не вечны. Как показал Стивен Хокинг еще в 1970-х, в результате сложной игры гравитации и квантовых эффектов у горизонта событий все черные дыры понемногу испаряются и рано или поздно исчезают. Быть может, исчезнет и частица, так и не добравшись до сингулярности. Но тут снова появляются парадоксы почище тех, что встретились Алисе в Стране Чудес. Например – где же находится эта частица?   С точки зрения теоретической физики, черные дыры – пустые. Да, их ограничивает горизонт событий, но за ним нет ничего, что можно было бы измерить, обозначить, зафиксировать – а значит, нет ничего вообще. Вся масса черной дыры сосредоточена в сингулярности – бесконечно малой точке, окруженной сферой, полной почти метафизической тьмы.   Некоторые теоретики полагают, что Вселенная не терпит не только голой сингулярности, но и разрывов пространства-времени. Поэтому каждая сингулярность является червоточиной – своего рода провалом, туннелем, соединяющим одну область мира с какой-то другой «прямым ходом», образно называемым «кротовой норой» или «червоточиной». Но это лишь гипотеза, и неизвестно, появится ли у нас когда-нибудь хотя бы возможность подтвердить ее или опровергнуть. 

 
Главный вопрос остается: что там, внутри сингулярности? Что наступает после того, как сама ткань пространства-времени мнется, растягивается, дыбится, пока не разрывается окончательно? Ответить на него проще простого: неизвестно.

29.01.2017 в 00:23

Понравился наш сайт? Присоединяйтесь или подпишитесь (на почту будут приходить уведомления о новых темах) на наш канал в МирТесен!

1

Показы: 1 Охват: 0 Прочтений: 0

Источник: https://s30091788455.mirtesen.ru/blog/43744267994

Сингулярность: добро пожаловать в нигде

Гипотеза гравитационной сингулярности

Пространство-время — та сцена, на которой разворачивается вся история Вселенной: с момента Большого Взрыва, через рождение Млечного Пути, Солнца и расцвет динозавров — к Александру Македонскому и электронным научно-популярным журналам.

К нему часто добавляют слово континуум, от латинского «непрерывное» — но кое-где и пространство-время обрывается. Здесь теряют силу привычные законы физики. Здесь время выглядит иначе. Здесь даже нельзя сказать «здесь», поскольку здесь нет и пространства.

Это — область нигде и никогда. Это — гравитационная сингулярность.

Притяжение геометрии

Со времен древних греков пространство казалось чем-то неизменным, постоянным, однородным, а время — не связанной с ним циклической спиралью вечного возвращения и повторения. К эпохе научно-технических революций эти представления лишь укрепились.

Декартова система координат расчертила мир тремя взаимно перпендикулярными осями, время выпрямилось в отдельную, независимую от пространства (и вообще ни от чего) прямую стрелу.

Во многом мы до сих пор живем в тех представлениях, возникших еще в XVIII веке.

Революционность взглядов Эйнштейна во многом состояла в понимании двух важных фактов, переворачивающих взгляды и на время, и на пространство. Во-первых, они взаимосвязаны и представляют собой единый пространственно-временной континуум. А во-вторых, континуум этот вовсе не неизменен и не постоянен: он деформируется в присутствии любой формы энергии, в том числе — в виде массы.

Классический способ представить этот обновленный Эйнштейном мир дает пример из геометрии. Представьте себе двухмерное пространство — туго натянутую сетку, на которую положен тяжелый бильярдный шар.

Запустите мимо него теннисный мяч: шар немного растянул сетку, и мяч в своем движении отклонится, словно притянутый им, а возможно, даже «упадет» на него.

Гравитация в эйнштейновском понимании может рассматриваться как геометрическое свойство пространства-времени, его искажение, возникающее под действием энергии (массы). Даже просто вращающееся массивное тело увлекает за собой «сетку» пространства-времени.

Мысленно расширьте этот пример на четыре измерения (три пространственных плюс одно временное) — и вы получите примерную геометрическую модель реального пространства-времени. Обратите внимание: где есть масса (энергия) — там нет прямых координатных осей, да и само время перестает быть прямолинейным и равномерным для всех наблюдателей.

Представление о прямой оказывается просто математической абстракцией: самая прямая вещь, которую мы знаем из физики, — это траектория светового луча, движение фотона — но и оно искажается под действием гравитации.

Притянутая материя локально движется по прямой, однако в глобальном рассмотрении эта прямая в гравитационном поле оказывается кривой.

Разрывая сети

Но что если мы бросим на сетку из нашего геометрического примера не бильярдный шар, а что-нибудь потяжелее? Гантель, двухпудовую гирю. Скорее всего, наш демонстрационный экспонат не выдержит и лопнет, а в центре его останутся лишь дыра, нити, обрывки пространства-времени нашей модели. Нечто вроде сингулярности.

Даже в философском смысле сингулярность — антоним континуальности (непрерывности, отсутствия лакун, квантованности, разделенности на фрагменты — NS). Сингулярность — нечто, происходящее лишь однажды. Точка, к которой события стремились, пока не разрешились уникальным исходом. Взрыв, слияние, освобождение.

В точках сингулярности математические функции резко меняют свое поведение: устремляются в бесконечность, переламываются, внезапно обращаются в ноль. Если переменная Х стремится к нулю, а функция от Х — к бесконечности, знайте: вы уже в сингулярности.

В области, где обрывается непрерывная (континуальная) геометрия пространства-времени — и происходит нечто совсем уж невообразимое.

Удивительно, что Общая теория относительности сама обозначает границы своей применимости: в сингулярности «не работает» и она.

При этом теория не только указывает на саму возможность существования гравитационных сингулярностей, но в некоторых случаях делает их вообще обязательными.

Речь, в частности, о черных дырах — объектах колоссальной плотности, которая делает их невероятно массивными для своих размеров.

Черная дыра может иметь массу, сравнимую с массой крупной планеты или с миллиардом крупных звезд, но эта масса определяет лишь величину той области вокруг нее, где царит одна лишь гравитация — и откуда не вырваться ничему, ни веществу, ни излучению, ни информации. Размер этой «области невозврата» называется радиусом Шварцшильда, а ограничивает ее горизонт событий, условная линия, по одну сторону которой Вселенная живет своими законами, а по другую властвует сингулярность.

Гравитационная плюс космологическая

Принято говорить, что в сингулярности «законы физики теряют силу». Это не так — просто привычные законы здесь неприменимы, как неприменимы законы классической механики к миру квантовых частиц.

По красочному выражению немецкого профессора Клауса Уггла, поведение математических уравнений и функций в сингулярности «становится патологическим».

Заметить этот момент достаточно просто — достаточно наблюдать поведение свободно падающих частиц.

Независимо ни от вида самой частицы, ни от того, где именно она падает, она стремится двигаться по максимально прямой траектории, которая только существует в данных условиях.

В пустом космосе, у поверхности Земли или за границей горизонта событий частица меняет траекторию лишь под действием других сил, в том числе гравитации.

Но в сингулярности гравитационное поле возрастает до бесконечности, и свободно падающая частица просто… перестает существовать.

Прямые здесь обрываются (это свойство сингулярности называется геодезической неполнотой), а с ними обрывается и судьба частицы. Как показал еще около 40 лет назад великий математик Роджер Пенроуз, геодезическая неполнота должна возникать внутри любой черной дыры. Впоследствии его выкладки развил Стивен Хокинг, расширив эти представления до целой Вселенной.

Да, вначале была сингулярность. Еще в 1967 году Хокинг строго доказал, что если взять любой вариант решения уравнений Общей теории относительности и «развернуть их» назад во времени, то при любом раскладе в расширяющейся Вселенной мы придем к ней, к сингулярности. Из бесконечного провала этой «космологической праматери» и распустился цветок нашего пространства-времени.

Впрочем, при всей своей красоте «теоремы сингулярности Пенроуза — Хокинга» лишь указывают на возможность их существования. О том же, что происходит там, внутри, что можно «увидеть» в сердце черной дыры и чем была Вселенная до Большого Взрыва, они не говорят ровным счетом ничего.

Возьмем хотя бы космологическую сингулярность Хокинга: она должна иметь одновременно бесконечную плотность и бесконечную температуру, совместить которые пока никак не получается.

Ведь бесконечная температура означает бесконечную энтропию, меру хаоса системы — а бесконечная плотность, наоборот, указывает на хаос, стремящийся к нулю.

Сингулярность оголяется

Впрочем, это далеко не единственная странность вокруг сингулярности. Среди диковинных гипотез, построенных на строгой основе общей тео­рии относительности, стоит вспомнить идею существования «голых сингулярностей» — не окруженных горизонтом событий, а значит и вполне наблюдаемых извне.

По мнению некоторых физиков, голая сингулярность может появляться из обычной черной дыры. Если черная дыра вращается чрезвычайно быстро, сингулярность вместо точки может приобрести кольцеобразную форму тора, окруженного горизонтом событий. Чем быстрее дыра вращается, тем сильнее сходятся внешний и внутренний горизонты — и в какой-то момент они могут слиться, исчезнув.

К сожалению, в реальности наблюдать голую сингулярность пока не удается, зато в фантастике она встречается регулярно. Одна из населенных разумными существами колоний в культовой киносаге «Звездный крейсер „Галактика“ вращается не вокруг звезды или планеты, а вокруг такой голой сингулярности.

Стоит сказать, что Роджер Пенроуз ввел в космологию принцип космической цензуры, предположение, согласно которому голых сингулярностей во Вселенной быть не может. Ученый образно сформулировал свой подход: „Природа не терпит голых сингулярностей“. Этот принцип до сих пор остается недоказанным и не опровергнутым окончательно.

Как (не) попасть в сингулярность

Рассуждая логически, можно прий­ти к выводу о том, что оказаться внутри сингулярности мы не сможем никогда — вплоть до момента окончательной гибели Вселенной. Давайте представим частицу, притянутую черной дырой.

Вот она, ускоряясь, по спирали приближается к ней. Чем сильнее гравитация и выше скорость, тем, согласно уравнениям того же Эйнштейна, сильнее замедляется течение времени.

Наконец наша частица пересекает горизонт событий.

Сколько у нее ушло на это времени? Для стороннего наблюдателя это могут быть годы. Но вот частица устремляется к сингулярности в центре дыры — пространство-время вокруг нее буквально встает на дыбы, время для частицы практически останавливается. Можно представить это и наоборот: время Вселенной в сравнении с ней ускоряется практически бесконечно.

Но ведь даже черные дыры не вечны.

Как показал Стивен Хокинг еще в 1970-х, в результате сложной игры гравитации и квантовых эффектов у горизонта событий все черные дыры понемногу испаряются и рано или поздно исчезают.

Быть может, исчезнет и частица, так и не добравшись до сингулярности. Но тут снова появляются парадоксы почище тех, что встретились Алисе в Стране Чудес. Например — где же находится эта частица?

С точки зрения теоретической физики, черные дыры — пустые. Да, их ограничивает горизонт событий, но за ним нет ничего, что можно было бы измерить, обозначить, зафиксировать — а значит, нет ничего вообще. Вся масса черной дыры сосредоточена в сингулярности — бесконечно малой точке, окруженной сферой, полной почти метафизической тьмы.

Что у нее внутри?

Некоторые теоретики полагают, что Вселенная не терпит не только голой сингулярности, но и разрывов пространства-времени.

Поэтому каждая сингулярность является червоточиной — своего рода провалом, туннелем, соединяющим одну область мира с какой-то другой „прямым ходом“, образно называемым „кротовой норой“ или „червоточиной“.

Но это лишь гипотеза, и неизвестно, появится ли у нас когда-нибудь хотя бы возможность подтвердить ее или опровергнуть.

Главный вопрос остается: что там, внутри сингулярности? Что наступает после того, как сама ткань пространства-времени мнется, растягивается, дыбится, пока не разрывается окончательно? Ответить на него проще простого: неизвестно.

Источник: https://weekend.rambler.ru/read/38913459-singulyarnost-dobro-pozhalovat-v-nigde/

Гипотеза гравитационной сингулярности

Гипотеза гравитационной сингулярности

Определение 1

Гравитационная сингулярность (или пространственно-временная сингулярность) – это пространственно-временная область, через которую невозможно провести гладкую геодезическую линию.

В понятии математической сингулярности, сингулярность определяется как точка (подмножество), где функция ведет себя непредсказуемо, устремляется в бесконечность.

Основными признаками сингулярности можно считать следующие:

  1. Область, в которой некоторая величина (процесс) устремляется в бесконечность, например, кривизна пространства или плотность энергии.
  2. Наличие границы, за которой отсутствует смысл в прогнозировании будущего хода событий.

Самым распространенным и ярким примером сингулярности может служить черная дыра с ее бесконечной плотностью. Так как в черной дыре:

  • Все физические параметры за горизонтом событий этого космического объекта считают бесконечными.
  • Привычные нам законы физики, в чёрной дыре не выполняются, так как большинство теорий в физике рассматривает пространство – время как гладкое многообразие с отсутствующим краем.
  • Правила хода времени внутри данного объекта нам не известны.
  • Возможность предсказания поведения черной дыры не представляется возможным, соответственно создание прогнозов теряет смысл.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Проблема сингулярности в общей теории относительности

Большинство современных ученых полагает, что общая теория относительности, которая является стройным описанием геометрии мира, ведет к картине пространства и времени в которой неизбежно возникают сингулярности.

Сам А. Эйнштейн пытался бороться против таких «изъянов» своей теории, так он предлагал несколько решений проблем сингулярности, например:

  • «мост» Эйнштейна — Розена,
  • модель устойчивых (без коллапса) скоплений звезд,
  • несингулярное схлопывание Вселенной в результате наличия неоднородностей.

Современное состояние дел в науке говорит о том, что следует принять наличие сингулярностей как свойство Вселенной.

Существует теорема, в которой доказывается, что в прошлом должны были присутствовать сингулярности, которые связаны с коллапсом Вселенной, а в будущем наличие сингулярностей определят коллапсы звезд.

Проблема сингулярности появляется в общей теории относительности с момента, в который Фридман получил нестационарные космологические решения уравнений ОТО. Большие классы уравнений Эйнштейна сингулярны.

В рамках теории Эйнштейна сингулярности неизбежны при образовании черных дыр за их горизонтом событий. В этом случае черную дыру невозможно наблюдать со стороны.

Часть сингулярностей можно наблюдать, такие сингулярности называют голыми. К классу голых сингулярностей относят космологические сингулярности.

Математически гравитационную сингулярность в ОТО можно определить как множество особенных точек относящихся к решениям уравнений Эйнштейна. В таком случае сингулярность делят на:

  • координатную,
  • истинно гравитационную.

Координатные сингулярности появляются в случае неудачного выбора координатных условий при решении уравнений. Эта проблема устраняется, если выполнить преобразования координат.

Так, координатную сингулярность получают, если рассматривают сферу Шварцшильда ($r=r_s$) в координатах Шварцшильда в пространстве — времени его же имени.

В этом случае составляющие метрического тензора устремляются в бесконечность.

Истинные гравитационные сингулярности невозможно устранить координатным преобразованием. Истинной гравитационной сингулярностью является многообразие $r=0$ при решении, как описано выше.

Допустим, что до современной фазы расширения Вселенная находилась на стадии сжатия. В этот период увеличивались локальные неоднородности и появлялись отдельные сингулярности. При этом большая доля материи, не имеющая сингулярностей, перешла к расширению и стала нашей Вселенной.

Наличие сингулярностей в рамках прошлого любой точки в самый ранний момент времени, при очень большой плотности материи, служит ограничением для расстояний между сингулярностями.

Можно предположить, что совокупность геодезических линий, приходящих к сингулярностям (то есть являются неполными), обладают нулевой мерой. В этом случае можно считать эти сингулярности физически не значимыми.

Но это не верно, так как наличие данных сингулярностей ведет к образованию горизонта Коши, и соответственно, невозможности прогнозирования.

Так можно было бы пытаться решить проблему энтропии в модели пульсирующей Вселенной, так как в каждом цикле сингулярности вносили бы отрицательную энергию.

Теоремы о сингулярностях говорят о том, что общая теория относительности предсказывает, наличие у них предельно сильного гравитационного поля. Что имелось в прошлом и подтверждает наличие микроволнового фонового излучения, имеющего спектр абсолютно черного тела (период горячей и плотной ранней Вселенной).

В настоящее время нет возможности наблюдать сингулярность. Предполагают, что ее описание даст теория квантовой гравитации.

Голая сингулярность

Определение 2

Голая сингулярность – это гравитационая сингулярность с отсутствующим горизонтом событий. Эта теоретическая область пространства, в которой нарушен принцип причинности.

Замечание 1

Нарушение принципа причинности означает, что существует область, в которой можно наблюдать будущее или прошлое.

Наличие голых сингулярностей предсказывается обще теорией относительности.

В соответствии с принципом Р. Пенроуза (принцип космической цензуры) космические сингулярности имеются полностью исключительно в прошлом или только в будущем, поэтому их невозможно наблюдать.

С. Хокинг предположил, что имеются некоторые сингулярности (названные голыми), способные находиться в настоящем, но при этом от наблюдения их закрывают горизонты черных дыр. Ученый допустил, что некоторый наблюдатель способен проникнуть в голую сингулярность, но он не сможет сообщить о том, что увидел, так как не сможет выбраться из черной дыры.

Значение обнаружения голых сингулярностей состоит в том, что это может служить доказательством увеличения плотности до бесконечно больших значений.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/fizicheskie_gipotezy/gipoteza_gravitacionnoy_singulyarnosti/

Что такое сингулярность?

Гипотеза гравитационной сингулярности

Каждый человек, которому приходилось встречать слово «сингулярность», пытался понять, что же это на самом деле. В переводе с латинского данное слово означает «единственный». Следует отметить, что понятие используется не только в астрономии, но и других науках, поэтому сингулярность может быть гравитационной, математической, биологической и т.д.

Согласно математическому объяснению термин представляет собой точку, где что-то стремится к бесконечности. Кроме того, существует еще одно объяснение, которое было выдвинуто британцем Аланом Тюрингом. Он считал, что математическая сингулярность представляет собой модель, за рамками которой нет никакого смысла пытаться что-то предсказывать.

Если же смотреть с философской точки зрения, то под сингулярностью можно понимать все мироздание в небольшой точке.

Космологическая сингулярность

Здесь понимают состояние, в котором находилась Вселенная во время Большого взрыва.

Некоторые ученые придерживаются теории о том, что Вселенная появилась из атома вещества, который характеризовался огромными показателями температуры и плотности.

Однако, у такой теории есть немало противников, которые склонны считать, что хаос не может равняться нулю при высоких температурах. Другими словами, в космологической сингулярности не работают законы физики.

Данное состояние Вселенной было предсказано Альбертом Эйнштейном в его теории относительности. Согласно данной теории не только Солнце и другие большие небесные объекты представляли собой точку, а вся Вселенная была такой.

Появление Вселенной из сингулярности в результате «Большого Взрыва» . Источник изображения:

Происхождение из сингулярности Вселенной математически просчитано и признано одной из основных версий возникновения всего.

Однако эта гипотеза по-прежнему не способна объяснить некоторые вопросы. Например, сторонники этой версии не могут пока понять, где конкретно находилась точка, из которой появилось все.

Кроме того, остается неясным, как в результате «взрыва» возникло такое количество энергии и материи.

Также не объясняется и неоднородность нашей Вселенной. По законам физики, Вселенная должна была бы прийти к однородности, однако о ней даже не шло и речи в первоначальном газе .

Учитывая тот факт, что в сингулярности нет физических законов, можно описать все, что происходило только после Большого взрыва, но никак не до него. Космологическая сингулярность была внимательно рассмотрена в 1967 году Стивеном Хокингом.

Согласно законам физики нереально, чтобы плотность и температура обладали бесконечными значениями из-за того, что при бесконечности плотности хаос стремиться к нулевому значению, а это невозможно при бесконечно высокой температуре.

После серии опубликованных физиком-теоретиком работ, космологическая сингулярность превратилась в одну из ключевых проблем отрасли.

Гравитационная сингулярность

Гравитационная сингулярность представляет собой точку в пространстве и времени, сквозь которую нельзя провести геодезическую линию.

Величины (например, скалярная кривизна или плотность энергии), характеризующие гравитационное поле, при рассмотрении гравитационной сингулярности становятся неопределенными или бесконечными .

Согласно теории Альберта Эйнштейна, сингулярность появляется при образовании черной дыры, и ее нельзя обнаружить в том случае, если она находится за горизонтом событий.  Что касается Большого взрыва, то при нем была голая сингулярность, которую можно было бы «увидеть», если оказаться недалеко.

Но, поскольку в современной физике сингулярность описывается только как теоретический объект, то и не было бы возможным наблюдать ее в реальности.

Черная дыра — сингулярность окруженная горизонтом событий. Источник изображения: 123rf.com

Все черные дыры обладают двумя характеристиками — сингулярностью, являющейся центром черной дыры и горизонтом событий, находящемся вокруг сингулярности.

В черных дырах искривляется и рвется ткань пространства-времени и все известные нам физические законы перестают работать. По мнению некоторых ученых с помощью черных дыр реально переместиться сквозь пространство-время в другую Вселенную.

Модель описывающая такое перемещение называется «мостом Эйнштейна-Розена».

Математическое представление моста Эйнштейна-Розена в виде графика непроходимой кротовой норы Лоренца (Шварцшильда). Источник изображения: wikimedia.

org

Согласно этой модели, в сингулярности пересекаются Вселенные, а она образует своеобразный подпространственный туннель, который соединяет между собой черную и белую дыры.

Из-за того что сингулярность скрывается за горизонтом событий, то каким-либо образом визуально наблюдать ее невозможно. Однако, теоретиками разрабатываются модели (реалистичные и не очень), при которых обнаружение сингулярности становится возможным.

Так, согласно одной из теорий, если увеличивать скорость вращения черной дыры, то при достижении определенного порога скорости горизонт событий и сингулярность могут отделиться друг от друга.

Художественное представление голой сингулярности. Источник изображения: cse.unsw.edu.au

Для того, чтобы разогнать вращение черной дыры будет необходимо дополнительно увеличивать и ее массу, а это практически невозможно из-за существования порога, после которого вращение дыры становится никак невозможным.

Но если предположить, что дополнительная масса будет введена в черную дыру, которая уже вращается с очень высокой скоростью или ее вращение только-только началось, то при таких обстоятельствах возможность разгона вращения черной дыры до обнажения ее сингулярности становится возможным.

Теоретически в нашей Вселенной есть такие черные дыры, у которых горизонт событий не окутывает сингулярность.

Технологическая сингулярность

Данный термин имеет отношение, в первую очередь, к футурологии, стремящейся предопределить будущее. В качестве базы берутся определенные тенденции в технологии, экономике или социальной сфере, после чего осуществляется их экстраполирование.

Технологическая сингулярность — гипотетический момент, после которого, по мнению некоторых теоретиков, технический прогресс будет настолько стремительным и сложным, что станет невозможным для человеческого понимания. Источник изображения: kaskus.co.

id

Согласно теории технологической сингулярности, уже в скором времени наступит момент, когда человеческий разум окажется неспособным понять прогресс. Такое реально только после успешной разработки искусственного интеллекта, который сможет обучать сам себя. Такого же результата стоит ожидать от симбиоза человека и компьютерных технологий.

Некоторые ученые считают, что момент технологической сингулярности настанет уже в 2030 году.

Математическая сингулярность

В математическом понимании сингулярность — это точка, в которой функция или уравнение стремится к бесконечности. Или же возможны ситуации, при которых функция отличается иными непостоянности поведения.

Примеры математических сингулярностей:

1) в (0,0) кривая заданная функцией y2 = x3 + x2 имеет особенность — самопересекается;

Пример математической сингулярности кривой y2 = x3 + x2 . Источник изображения: dic.academic.ru

2) У функции f(x) = 1 / x есть особенная точка в ноле, там функция стремится к положительной бесконечности в правой части и к отрицательной бесконечности в левой части.

Пример математической сингулярности на графике функции y=1/x . Источник изображения: dic.academic.ru

Понятие сингулярности в области биологии

В биологии данный термин применяется крайне редко. Обычно он используется при рассмотрении обобщений в процессе эволюции.

Таким образом, сингулярность представляет собой неизученное явление. Математические, технологические и биологические варианты обладают осязаемыми параметрами, а вот с отличительными особенностями остальных вариантов все намного сложнее.

В теоретической физике тяжело оперировать терминами, которые невозможно пощупать или оценить. Верить результатам математических расчетов есть смысл только тогда, когда изучаемые объекты материальны.

Это существенно усложняет изучение сингулярности, ведь она не только не материальна, но и не доказана на данный момент. Поэтому даже ее теоретическое использование остается под вопросом.

Источник: https://zen.yandex.ru/media/id/5af18cff8c8be36795a8504e/5baf1e3fa94f3f00aee2af2c

Гравитационные волны, сингулярность и рождение галактик: о чем говорится в диссертации Хокинга

Гипотеза гравитационной сингулярности
Диссер в три абзаца Кристина Чернова |  25 октября 2017, 17:10

Сайт Кембриджского университета вышел из строя из-за большого числа желающих прочесть диссертацию физика Стивена Хокинга, которая впервые появилась в открытом доступе. «Делая мою диссертацию открытой, я надеюсь, вдохновить людей по всему миру, чтобы они посмотрели на звезды, а не себе под ноги», — говорит Хокинг. «Футурист» подготовил краткое содержание.

О чем она вообще?

​В своей диссертации Хокинг рассматривал последствия расширения Вселенной и причины образования галактик, а также доказал неизбежность сингулярности в космологических моделях.

«Каждое поколение стоит на плечах тех, кто был до них, как и я, как молодой доктор философии, студент Кембриджа, вдохновленный работами Исаака Ньютона, Джеймса Клерка Максвелла и Альберта Эйнштейна», — говорится в заявлении Хокинга. «Замечательно слышать, сколько людей уже проявили интерес к загрузке моей диссертации — надеюсь, теперь они не будут разочарованы тем, что у них наконец есть доступ к ней!»

Аннотация

«Рассматриваются некоторые последствия расширения Вселенной. В главе 1 показано, что это расширение создает серьезные трудности для теории гравитации Хойла-Нарликара. В главе 2 рассматриваются возмущения расширяющейся однородной и изотропной вселенной. Вывод состоит в том, что галактики не могут образовываться в результате роста возмущений.

В этом приближении также исследуется распространение и поглощение гравитационного излучения. В главе 3 гравитационное излучение в расширяющейся Вселенной рассматривается методом асимптотических разложений. Выводятся поведение «отслаивания» и асимптотическая группа. Глава 4 посвящена возникновению сингулярностей в космологических моделях.

Показано, что сингулярность неизбежна при выполнении некоторых очень общих условий».

Введение

В этой части Хокинг доказывает актуальность своей работы. В то время идея расширения Вселенной только набирала популярность. Хокинг пишет, что многие серьезные теоретики (в их числе Альберт Эйнштейн) предполагали, что мир статичен и существует в таком состоянии бесконечно долго.

«Если бы звезды излучали радиацию в текущих значениях бесконечно долго, им бы понадобился вечный источник энергии. Тогда и поток радиации был бы бесконечен. Если же, напротив, они бы обладали ограниченным источником энергии, целая Вселенная сейчас находилась бы в состоянии термодинамического равновесия. Но это не так», — опровергает эту точку зрения Хокинг.

В связи с этим он перечисляет возможные космологические модели.

1) Вселенная возникла из некоторого начального сингулярного (бесконечно плотного) состояния и с тех пор непрерывно расширяется — теория Большого взрыва

2) Вселенная, возникнув из сингулярности Большого Взрыва, проходит период расширения, после чего гравитационное взаимодействие останавливает расширение и начинается обратное сжатие Вселенной в сингулярность — циклическая или осцилляционная модель

3) Вселенная просто расширяется бесконечно долго.

Далее Хокинг говорит о том, что Вселенная расширяется по принципу однородности и изотропии. Это означает, что ее расширение не зависит от точки и направления наблюдения. Он опирается на уравнение Робертсона и Уокера, которое демонстрирует этот принцип, и использует его во всех последующих главах.

Это уравнение — не самая длинная формула в работе Хокинга

Глава 1: теория гравитации Хойла-Нарликара

Теория гравитации Хойла-Нарликара вписывается в квазистационарную модель Вселенной — но расширение Вселенной создает для этой модели трудности, что и доказывает Хокинг.

В частности, он утверждает, что с учетом расширения вселенной теория Хойла-Нарликара предполагает существование частиц с отрицательной массой. Это не может быть антиматерией, так как масса ее частиц положительна.

Введение частиц с отрицательной массой создает больше трудностей, чем способно решить, заключает ученый.

Глава 2: возмущения в расширяющейся однородной и изотропной вселенной

Здесь Хокинг рассматривает возмущения в расширяющейся Вселенной, учитывая ее свойства. Математическим путем Хокинг приходит к выводу, что галактики не могут образоваться при росте изначально небольших неоднородностей во Вселенной. Тем не менее, инфляционная теория, согласно которой галактики образовались из квантовых флуктуаций, сейчас является одной из важнейших теорий в космологии.

Глава 3: гравитационные волны

В этой главе Хокинг моделирует свойства гравитационных волн, существование которых предполагалось, но которые еще не были открыты на практике (ученый осторожно подмечает, что это делает работу «слегка академичной»). Он показывает, как расширение Вселенной влияет на то, как гравитация перемещает свою энергию в виде волн.

Глава 4: сингулярность

В этой главе Хокинг применяет явление сингулярности к различным моделям: неизотропной однородной Вселенной, неоднородным моделям, закрытым и открытым системам, и, наконец, так называемым ловушечным поверхностям.

Здесь он доказывает, что сингулярность неизбежна, какую бы модель мы ни взяли — черную дыру или Вселенную до Большого взрыва. В 1970 году Хокинг и Пенроуз вместе создали наиболее сильную теорему о сингулярности.

Что говорят физики?

Астрофизик Майкл Тернер из Университета Чикаго утверждает, что зачастую диссертации не являются лучшими работами у талантливых ученых. Это демонстрирует вторая глава диссертации Хокинга.

Однако последующие главы выдают в нем талантливого математика: в третьей главе он точно рассчитывает свойства гравитационных волн, а в четвертой он демонстрирует, что Вселенная расширяется, что впоследствии выльется в теорему сингулярности Пенроуза-Хокинга.

Она легла в основу современной системы представлений о природе гравитационных аномалий во Вселенной.

«По сути, он доказал, что Большой взрыв действительно был», — говорит Тернер.

Наиболее важные открытия Хокинг совершил уже после защиты докторской. Однако это не помешало его диссертации стать наиболее востребованной работой из всех материалов сайта Кембриджского университета, чья электронная библиотека содержит 200 000 цифровых объектов.

«Увлекательно наблюдать, как люди вроде Хокинга ищут себя», — говорит профессор физики Гарварда Энди Штурмингер. «Это великолепная диссертация, но ее сложно сравнить с тем, что сделал Хокинг вскоре после ее защиты».

  0   0   0 Теги диссертация Стивен Хокинг космология содержание

Источник: https://futurist.ru/articles/1209

Booksm
Добавить комментарий