Космическая сингулярность. Космологическая сингулярность. Общая трактовка термина

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.

В философии слово «сингулярность», произошедшее от латинского «singulus» - «одиночный, единичный», обозначает единичность, неповторимость чего-либо - существа, события, явления. Больше всего над этим понятием размышляли современные французские философы - в частности, Жиль Делез. Он трактовал сингулярность как событие, порождающее смысл и носящее точечный характер. «Это поворотные пункты и точки сгибов; узкие места, узлы, преддверия и центры; точки плавления, конденсации и кипения; точки слез и смеха, болезни и здоровья, надежды и уныния, точки чувствительности». Но при этом, оставаясь конкретной точкой, событие неизбежно связано с другими событиями. Поэтому точка одновременно является и линией, выражающей все варианты модификации этой точки и ее взаимосвязей со всем миром.

Когда человек создаст машину, которая будет умнее человека, история станет непредсказуемой, потому что невозможно предугадать поведение интеллекта, превосходящего человеческий

В других науках термин «сингулярность» стал обозначать единичные, особые явления, для которых перестают действовать привычные законы. Например, в математике сингулярность - это точка, в которой функция ведет себя нерегулярно - например, стремится к бесконечности или не определяется вообще. Гравитационная сингулярность - это область, где пространственно-временной континуум настолько искривлен, что превращается в бесконечность. Принято считать, что гравитационные сингулярности появляются в местах, скрытых от наблюдателей - согласно «принципу космической цензуры», предложенному в 1969 году английским ученым Роджером Пенроузом. Он формулируется так: «Природа питает отвращение к голой (т.е. видимой внешнему наблюдателю) сингулярности». В черных дырах сингулярность скрыта за так называемым горизонтом событий - воображаемой границей черной дыры, за пределы которой не вырывается ничего, даже свет.

Но ученые продолжают верить в существование где-то в космосе «голых» сингулярностей. А самый яркий пример сингулярности - состояние с бесконечно большой плотностью материи, возникающее в момент Большого взрыва. Этот момент, когда вся Вселенная была сжата в одной точке, остается для физиков загадкой - потому, что он предполагает сочетание взаимоисключающих условий, например, бесконечной плотности и бесконечной температуры.

В сфере IT ждут прихода другой сингулярности - технологической. Ученые и писатели-фантасты обозначают этим термином тот переломный момент, после которого технический прогресс ускорится и усложнится настолько, что окажется недоступным нашему пониманию. Исходно этот термин предложил американский математик и писатель-фантаст Вернор Виндж в 1993 году. Он высказал следующую идею: когда человек создаст машину, которая будет умнее человека, история станет непредсказуемой, потому что невозможно предугадать поведение интеллекта, превосходящего человеческий. Виндж предположил, что это произойдет в первой трети XXI века, где-то между 2005 и 2030 годами.

В 2000 году американский специалист по развитию искусственного интеллекта Елиезер Юдковски также высказал гипотезу о том, что, возможно, в будущем появится программа искусственного интеллекта, способная совершенствовать саму себя со скоростью, во много раз превосходящей человеческие возможности. Близость этой эры, по мнению ученого, можно определить по двум признакам: растущая техногенная безработица и экстремально быстрое распространение идей.

«Вероятно, это окажется самой стремительной технической революцией из всех прежде нам известных, - писал Юдковски. - Свалится, вероятнее всего, как снег на голову - даже вовлеченным в процесс ученым… И что же тогда случится через месяц или два (или через день-другой) после этого? Есть только одна аналогия, которую я могу провести - возникновение человечества. Мы очутимся в постчеловеческой эре. И несмотря на весь свой технический оптимизм, мне было бы куда комфортнее, если бы меня от этих сверхъестественных событий отделяли тысяча лет, а не двадцать».

Темой технологической сингулярности вдохновлялись писатели жанра «киберпанк» - например, она встречается в романе Уильяма Гибсона «Нейромант». Она показана и в популярном романе современного фантаста Дэна Симмонса «Гиперион» - там описывается мир, помимо людей, населенный Искинами - то есть, носителями искусственного интеллекта, которые вступают в конфликт с человечеством.

Как говорить

Неправильно «Это был сингулярный случай, когда механизм вышел из-под контроля». Правильно - «единичный».

Правильно «Я уверен, рано или поздно Вселенная снова схлопнется в сингулярность».

Правильно «Мне нравится этот роман - лучшее описание технологической сингулярности из всех, что я читал».

Типа, это кто-то видел...

После такой интенсивной предварительной подготовки можно уже, наконец, изложить последовательно весь процесс. Хотя фрагментарно он уже частично представлен текстом, расположенным выше. А теперь, для заинтересовавшихся, последовательно, обо всем по порядку. В "разбирательстве" нам поможет следующий рисунок:

Все сферы, показанные на рисунке, показывают Вселенную на разных этапах ее развития. Центральная часть рисунка, для наглядности, представлена в невообразимо более крупном масштабе, чем периферийная. Фактически они отличаются по размеру примерно на 50 порядков(!)

Эпизодические проявления квантовых свойств ложного вакуума разных масштабов невообразимо долго происходили (а почему бы и нет?) в самых разных точках всего исполинского объема мира (который теперь можно назвать Мегавселенной). В том числе, и в центральной области будущей нашей Вселенной, условно изображенной на рисунке черным шаром наименьшего размера. Но накапливаемой здесь, практически в одной точке, (и по чистому совпадению событий) при этом энергии, не хватало для каких-либо серьезных последствий.

Как раз это и является ответом (и автор работы уверен - ответом правильным) на вопрос, на который, казалось бы, вообще невозможно ответить: что было до Большого взрыва. Разговорам о "бессмысленности" самой постановки такого вопроса, о "невозможности никакого до" пора уже отправиться на свалку истории науки.

Последствий уверенно не возникало, пока количество энергии (и бестелесных, не имеющих массы покоя, элементарных частиц) не достигало предела, условно обозначенного на рисунке объемом белой центральной сферы с радиусом re .

Не следует забывать, что в неразрывной связи с элементами материи (элементарными частицами и энергиями) в рассматриваемом объеме возникали и присутствовали и все присущие природе силы (взаимодействия): гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное ядерное. Некоторые авторы трактуют их в качестве единой тогда силы.

В тех редчайших случаях, когда энергии было немного больше (но лишь на крайне непродолжительное время), система приходила в неустойчивое энергетическое состояние. А когда однажды она достигла таки критического значения, условно показанного внутренней сферой с радиусом rо (темно-оранжевого цвета), состояние этого энергетического сгустка мгновенно стало сингулярным. И он тот час же, как принято говорить, взорвался. Это и стало "нулевой" точкой отсчета, только начиная с которой и занимаются космологией практически все исследователи.

На самом деле, как показано выше, немало чего происходило и раньше, вплоть до естественно-исторической бесконечности. Разговорам об отсутствии времени "в ту эпоху" тоже пора отправляться на свалку. Оно не существовало только в нашей, тогда еще даже не родившейся, системе отсчета.

Второе "на самом деле" относится к тому, что при всех ужасающих количествах энергии, сконцентрированной в сингулярном сгустке, никакого взрыва при его расширении, по сути, и не было . Никаких ударных волн (ни аккустических, ни световых), никаких выделений, никаких разрушений чего-либо. Какой же это взрыв? Произошло просто мгновенное расширение исходного сингулярного узелка энергии/ вещества до невообразимых размеров.

Упомянутое только что практически мгновенное расширение представляет собой главный феномен и изюминку всей новой теории. Оно является инфляционным (в терминологии авторов идеи), а по сути - показательным (антилогарифмическим), с очень высокой степенью основания (2 = +100%).

За счет такого прогрессивного "пожирания" расстояний, наша Вселенная (а все, о чем мы до сих пор говорили, и было ее, родимой, основанием) в микроскопические доли секунды достигла тех самых вселенских масштабов (слово то - не случайное!), в которых мы и привыкли ее воспринимать. Точнее, тех, в которых она была 13,75 млрд.лет назад (ведь именно тогда она и возникла).

Пользуясь случаем (причем, случаем - буквально!) материя нашла возможность практически мгновенно распространиться в почти беспредельные дали. (Но только почти).

Считается, что физической основой такой стремительности, кроме энергетической перенасыщенности , был полный отрыв бозонов гравитации (частиц, отвечающих за наличие этой самой гравитации в материальном мире) от остального, стремительно расширяющегося сингулярного содержимого, что еще больше ускорило темп распространения. (Гравитационное воздействие - самое слабое, хотя и самое дальнедействующее среди всех природных сил).

Только вот вопрос: как и КОГДА бозоны гравитации смогли "потом" заполнить собой весь объем Вселенной? При нынешних реальных ее размерах им пришлось бы перемещаться со скоростями, в несколько раз превышающими скорость света.

Получается, что все наши прежние представления о том, что Вселенная "стремительно, почти со скоростью света" распространялась несколько минут, а потом естественным образом (за счет гравитации) "стала постепенно замедляться", в корне ошибочны и неверны . Если бы все происходило по такому сценарию, Вселенная была бы в несколько раз меньше, чем она существует на самом деле.

Итак, вся Вселенная в ничтожные доли секунды достигла размера, ограниченного на рисунке радиусом Ri .

В последующий период времени инфляция, по мнению одних исследователей, прекратилась, а по мнению других - вошла в свой второй, менее стремительный этап.

Вторая точка зрения, по мнению автора сайта, не имеет серьезных оснований. Нет физических причин для "более медленного" протекания инфляционного расширения. Не открыты какие-то особые физические процессы с новым "характерным временем удвоения" чего-либо (а нужно - именно кварков, т.е., фрагментов элементарных частиц). Да и нужды (для объяснения происходящего) в них нет. А даже и будь они, то гиперинфляция все равно прошла бы так стремительно, что этого "нового этапа" никто и не заметил бы.

А как только из энергии гиперинфляционного процесса произошло выделение элементарных частиц, имеющих массу покоя, образовались раздельные понятия пространства и времени. И для всех частиц стала невозможной даже скорость света. А это автоматически означает конец гиперинфляции Вселенной.

Такую резкую перемену состояния можно толковать и тем, что сила тяготения (бозоны) догнала все, ранее ею не надолго отпущенное.

Поскольку везде в гипотетическом огненном шаре было одинаково горячо (а он сам был величиной чуть ли не с половину нынешней Вселенной), необходимо признать, что "взрыв" происходил везде и одновременно , по всему объему, без ярко выраженного центра. Разве что где-то он был чуть сильнее или чуточку слабее (из-за неравномерности движения частиц).

Но еще целых 3 минуты (вечность, по сравнению с микродолями на первой секунде) в расширяющейся далее практически со скоростью света Вселенной ничего существенного в ней не происходило. Кроме ее расширения и связанного с этим охлаждения.

Когда температура горячей смеси из частиц и взаимодействий "упала" до 555 млрд. градусов(!) (это как раз и случилось примерно к исходу третьей минуты), в расширяющемся огненном облаке появились ядра атомов водорода (протоны) и отдельные, чисто спонтанные атомы гелия.

Этот процесс в практически неизменном виде продолжался 380 тысяч нынешних земных лет(!) И эта временная веха приметна только тем, что свет (фотоны), наконец, начал реально опережать фронт распространения самого взрыва (если его можно называть этим словом) и стал видимым для абстрактного стороннего наблюдателя.

И только к концу первого миллиарда лет появились следующие новости - из накопившегося в огромных количествах водорода, к тому времени - уже остывшего, начали формироваться первые газовые звезды и галактики .

В дальнейшем новая модель Вселенной почти ничем не отличается от прежней, с "чистым" взрывом, распространяющимся из одной точки. В обеих моделях Вселенная расширялась и продолжает расширяться . Другое дело, как и по каким причинам. (См. данного раздела).

А вот последняя новость из мира космологии, непосредственно отражающая характер расширения Вселенной. С помощью американского космического рентгеновского телескопа "Чандра " точно установлено, что в первые 7 - 8 миллиардов лет Вселенная расширялась, но скорость этого расширения замедлялась. А в последние 6 миллиардов лет она только ускоренно расширяется. Значит, нашлись силы, посильнее собственных сил гравитации. (Об этом будет еще говориться далее).

За время жизни Вселенной уже в космических масштабах реальный ее размер (по данным на 2013 год) стал примерно в пять раз больше, чем исходный, именно в котором и произошел старт гиперинфляции. (Весьма сомнительные, с точки зрения автора сайта, данные). Видимо, она в этот период перешла в свою качественно иную фазу, что позволяет самым горячим сторонникам теории инфляции предполагать, что новая инфляция(?) Вселенной продолжается еще и в наше время (и будет продолжаться едва ли не до бесконечности). Она, мол, и "поддает жару" Большому взрыву, до полного исчерпания внутренней энергии ложного вакуума, родившего весь этот фейерверк…
Это уже смахивает на нео-догматизм. Или слепую веру. Потрудились бы хотя бы соответствующую модель развития Вселенной представить!

Основное время Большого взрыва в новом понимании этого термина уходит не на покрытие больших расстояний, а на совместный распад ложного вакуума, породившего сингулярность, "горение" продуктов, образовавшихся при одновременном повсеместном взрыве и их постепенное остывание.

На практике - это обычное остывание реликтового тепла Вселенной, только в такой непривычной трактовке.

И в очередной раз уточним, что покрытие огромных расстояний в ничтожные доли секунды при инфляции Вселенной не противоречит постулатам Эйнштейна, так как на рассматриваемом этапе ее развития еще не существует никаких пространственно-временных форм материи (они только начинают возникать). Естественно, нет и понятия скорости.

Самый большой радиус R на показанном выше рисунке условно показывает текущий размер Вселенной. Там же, ненасыщенными оттенками коричневого цвета условно показано пространство (и распределенное в нем вещество) с тремя его измерениями, а оттенками голубого - время (опять-таки, условно).

P.S. Противоречивость многих промежуточных выводов в данной главе объясняется противоречивостью, а, главное, недостаточностью исходных данных. Зато это является прекрасным поводом для самостоятельных размышлений.

Все вышерассмотренные заключения следуют из теории, пока не учитываются квантовые явления, протекающие в черной дыре.Допустим, что наблюдатель находится на поверхности звезды, испытывающей гравитационный коллапс. При приближении к источнику сильного гравитационного поля возникают приливные гравитационные силы, которые испытывает любое тело, имеющее конечные размеры. Это происходит из-за того, что сильные поля тяготения всегда неоднородны по составу и поэтому на различные точки таких тел действуют неодинаковые силы тяготения.

В процессе падения противоборствующие силы давления вещества звезды уже не оказывают никакого сопротивления нарастающей силе тяготения, поэтому поверхность звезды достигнет гравитационного радиуса, пересечет его и будет неудержимо продолжать сжиматься дальше.

Так как процесс сжатия остановиться не может, то за короткий промежуток времени (по часам на поверхности звезды) звезда сожмется в точку, а плотность вещества станет бесконечной, т.е. звезда достигает сингулярного состояния.

При приближении к сингулярному состоянию приливные гравитационные силы также стремятся к бесконечности. Это значит, что любое тело будет разорвано приливными силами. Если тело находится под горизонтом, то избежать сингулярности невозможно.

Для черной дыры, например, с массой в десять масс Солнца время падения в сингулярность составляет всего одну стотысячную долю секунды. Любые попытки вырваться из черной дыры приведут к уменьшению промежутка времени вхождения в сингулярное состояние. Чем меньше масса и размер черной дыры, тем больше приливные силы на ее горизонте.

Например, для черной дыры с массой в тысячу масс Солнца приливные силы соответствуют давлению 100 атм. В окрестности сингулярного состояния огромные приливные силы приводят к изменению физических свойств.

Если переходить из внешнего пространства через поверхность горизонта внутрь черной дыры, то в формулах, описывающих четырехмерное пространство-время, координата времени заменяется радиальной пространственной координатой , т.е. время превращается в радиальное пространственное расстояние, а это расстояние и есть время.

Расстояние от горизонта до центра черной дыры, конечно, значит, и промежуток времени, в течение которого могут существовать тела внутри черной дыры, конечен. Например, для черной дыры с массой в 10 масс Солнца он составляет t »10 - 4 с. Внутри черной дыры к сингулярности сходятся все стрелы времени, и любое тело будет разрушено, а пространство и время распадаются на кванты.

Так, квант времени характеризуется величиной t pl »10 - 44 с, а планковская длина кванта pl »10 - 33 см.

Следовательно, непрерывный поток времени в сингулярности состоит из квантов времени, подобно тому, как поток воды в струе при ее прохождении через сито разбивается на мельчайшие капельки. В связи с этим не имеет смысла спрашивать, что будет потом.

Понятия "раньше" и "позже" полностью теряют смысл: квант времени разделить на еще меньшие части принципиально невозможно, как нельзя, например, разделить на части фотон.

При переходе к квантовым процессам все в большей степени проявляется связь энергии и времени.

Однако в дальнейшем при описании процессов не обойтись без понятия физического вакуума и его квантовых свойств.

Согласно современным представлениям вакуум не является пустотой, а представляет собой "море" всевозможных виртуальных частиц и античастиц, которые не проявляются как реальные частицы.

Этот вакуум "кипит", непрерывно порождая на короткое время пары виртуальных частиц и античастиц, которые мгновенно исчезают. В реальные частицы и античастицы они превратиться не могут.

В соответствии с соотношением неопределенностей Гейзенберга , произведение времени жизни Dt виртуальной пары частиц на их энергию DW порядка постоянной Планка h.

Если же на физический вакуум наложить какое-либо сильное поле (например, электрическое, магнитное и т.д.), то под воздействием его энергии некоторые виртуальные частицы могут стать реальными, т.е. в сильном поле происходит рождение реальных частиц из физического вакуума за счет энергии этого поля.

Например, в сильном электрическом поле из вакуума рождаются электроны и позитроны. При изучении свойств физического вакуума около вращающейся черной дыры теоретически доказано, что должно происходить рождение квантов излучения за счет энергии вихревого поля тяготения.

Так как виртуальные частицы и античастицы рождаются в вакууме на некотором расстоянии друг от друга, то в случае наличия вихревого поля тяготения черной дыры частица может родиться вне горизонта, а ее античастица под горизонтом. Это означает, что частица может улететь в космическое пространство, античастица же упадет в черную дыру.

Следовательно, они уже никогда не могут вновь соединиться и аннигилировать. Поэтому в пространстве возникнет поток частиц, излученный черной дырой, который уносит с собой часть ее энергии. Это приведет к уменьшению массы и размеров черной дыры. Такой процесс излучения подобен тому, когда поверхность тела нагрета до определенной температуры.

Так, для черной дыры в 10 масс Солнца температура составляет »10 - 8 К. Чем, больше масса черной дыры, тем меньше ее температура, и, наоборот, чем меньше масса, тем выше температура. Так, черная дыра с массой m »10 12 кг и размером в атомное ядро будет иметь мощность квантового испарения »10 10 Вт на протяжении »10 10 лет при температуре T»10 11 К. Когда масса черной дыры уменьшится до m»10 6 кг, а температура достигнет Т»10 15 К, процесс излучения приведет к взрыву и за 0,1 с выделится количество энергии, сравнимой со взрывом 10 6 мегатонных водородных бомб.

Каждый, кто сталкивался с термином «сингулярность», стремился осознать, а что же это такое? Если сделать дословный перевод с латыни, то окажется, что это единичность какого-то события, существа, явления. Понятие сингулярности (особенности) распространено во многих областях науки и техники, и обладает определённой специфичностью. В зависимости от этого, сингулярность может быть:

• математической;
• гравитационной;
• космологической;
• технологической;
• биологической.

Но если смотреть более философски, то сингулярность - это всё мироздание в крошечной точке. И это не только всё вещество Вселенной, но и наша жизнь, с её осознанием, значимостью и чувствами.

Космологическая сингулярность

Иначе, это то состояние, которое имела Вселенная в самый первый миг Большого взрыва. Оно характеризуется наличием бесконечных значений плотности и температуры вещества. Это состояние, ставшее примером сингулярности гравитационной, предсказано Эйнштейном в положениях общей теории относительности. Невероятно сложно представить, что Солнце можно сжать до размеров атомного ядра, но ещё труднее вообразить, что вся Вселенная была спрессована до точки, размер которой был много меньше этого ядрышка. Тем не менее, Вселенная возникла из такого объекта, именуемого сингулярностью. Этот вариант событий математически просчитан и является основной теорией возникновения окружающего мира. Но имеются определённые трудности, не объясняемые этой теорией.

1. Никто не знает, где именно располагалась та точка, из сердцевины которой родилась наша Вселенная.
2. Не понятно, каким образом эта особенность «родила» бескрайние количества энергии и материи.
3. Неоднородность Вселенной тоже не совсем понятна. По всем канонам, она должна была стать однородной, но этой однородности не было даже в первичном газе.
4. Известные нам физические законы, помогающие описывать привычный для нас мир, в случае сингулярности не работают. Из этого следует, что возможно описание только тех событий, что случились после Большого взрыва, но не сам взрыв и не преддверие его.

Сам факт возникновения космологической сингулярности, – если продолжить обратно во времени решение, которое описывает динамику расширения Вселенной, – доказан С. Хокингом в 1967 году. Но он отметил, что сингулярность выбивается из сводов законов физики. Невозможно, чтобы плотность и температура в одно время имели бесконечные значения. Бесконечная плотность подразумевает, что мера хаоса (энтропия) устремляется к нулю, а это не стыкуется с бесконечной температурой. Космологическая сингулярность (и сам факт её существования) стала одной из главнейших проблем космологии. Это вытекает из того, что все имеющиеся сведения о случившемся после Большого взрыва не дают абсолютно никакой информации о тех явлениях, что предшествовали этому грандиозному событию. Но решить эту проблему учёный мир пытается беспрестанно, и попытки эти происходят в разных направлениях:

• Допускается, что описать динамику поля, где нет данных особенностей, будет возможно при помощи квантовой гравитации, теория которой пока не построена;
• Считается, что если учесть квантовые эффекты в полях негравитационных, можно нарушить условие энергодоминантности, а именно на него сделан упор у Хокинга;
• Наличествуют иные теории гравитации, не апеллирующие сингулярностью. В них вещество, сжатое до предела, при помощи сил гравитации испытывает не притяжение, а отталкивание.

Гравитационная сингулярность

Если говорить сухим языком физических терминов, то это - точка, находящаяся в пространстве-времени, через которую нет возможности ровно проложить геодезическую линию. Зачастую гравитационная сингулярность делает бесконечными или неопределёнными величины, которые описывают гравитационное поле. К этим величинам относятся, например, плотность энергии или скалярная кривизна. подразумевает, что сингулярности должны возникать в процессе формирования чёрной дыры. Если они находятся под горизонтом событий, то наблюдать их нельзя. В случае же Большого взрыва имеет место голая сингулярность – её наблюдение вполне возможно, если, конечно, оказаться рядом. К сожалению, непосредственно увидеть её невозможно, поэтому она, исходя из уровня развития современной физики, является только теоретическим объектом. Когда будут разработаны положения квантовой гравитации, появится возможность описания пространства-времени вблизи этих объектов.

Каждая чёрная дыра обладает двумя основными чертами – горизонтом событий и сингулярностью, которая и есть центр этой дыры. Здесь происходит искажение, а также разрыв пространства-времени. По сути, законы физики тут теряют логику. Существуют теории, что в таких точках вполне возможно осуществить переход в другие миры. Разработана математическая модель – «мост Эйнштейна-Розена», подтверждающая такой вариант. Это возможно сделать посредством скачка сквозь сингулярность. Именно здесь пересекаются слои Вселенной, образуя подобие подпространственного перехода. Он является соединением двух дыр – чёрной и белой. Это своеобразная машина времени, а сам факт перехода не вступает в противоречия с принципом причинности. Прыжки через сингулярность вращающейся чёрной дыры сделают реальными путешествия во времени в любых его направлениях. Поскольку чёрная дыра окружена горизонтом событий, то сингулярность увидеть в обнажённом состоянии нельзя. Но всё-таки создаются модели, с разной степенью реалистичности позволяющие это сделать.

Если раскрутить чёрную дыру до определённой скорости, горизонт событий может отделиться. Однако тут есть некоторые трудности. Чтобы раскрутить чёрную дыру, нужно в неё вливать дополнительную массу, что не очень реально из-за наличия чёткого предела, сверх которого вращение дыры невозможно. Но обычно принимается положение, что масса добавляется в уже очень быстро вращающуюся дыру. А если предположить, что вращение только началось? Такой вариант позволяет раскрутить чёрную дыру до состояния, когда её сингулярность станет открытой. Вполне вероятно, что во Вселенной путешествуют чёрные дыры, щеголяющие голой сингулярностью.

Сингулярность в математике

Математическое понятие данной особенности – это некоторая точка, в которой для математической функции характерно стремление к бесконечности. Либо функция обладает другими нерегулярностями поведения (в частности, критическая точка).

Технологическая сингулярность

Это понятие относится в основном к области футурологии, учения, пытающегося спрогнозировать будущее. За основу в этом случае берутся некоторые имеющиеся тенденции в технологии, экономике, социальных явлениях, а потом производится их экстраполяция. Считается, что вскоре наступит момент, когда прогресс в науке и технике станет недоступен пониманию человеческого разума. Вероятно, это станет реальным после того, как появится возможность создания искусственного интеллекта и наладится выпуск машин, воспроизводящих самих себя. К такому же результату приведёт интеграция человека с вычислительными машинами или же резкое изменение функциональности мозга человека с применением биотехнологий. Это и станет технологической сингулярностью, которую некоторые учёные предрекают в скором будущем. В. Видж считает, что это случится уже в 2030 году, а Р. Курцвейл отодвигает революцию на год 2045-й.

Сингулярность в биологии

В биологии это понятие используется не часто. Обычно оно применяется в качестве некоторых обобщений в эволюционном процессе.

Выводы и значение

Если математическая, техническая и биологическая сингулярности имеют вполне осязаемые параметры, то с особенностями других вариантов дело обстоит сложнее. Трудно оперировать понятиями, которые нельзя «пощупать» и оценить. Математические расчёты – вещь надёжная, но только в том случае, если объекты исследований достаточно материальны. С сингулярностью всё иначе. Она не только не материальна, но ещё пока и не доказана. Поэтому и применение её, даже гипотетическое, вызывает вопросы. Если можно путешествовать сквозь неё, чтобы попасть в другие измерения, то как остаться целым, проходя сквозь гравитационные Сциллу и Харибду? Вероятно, у физиков со временем найдутся ответы на все вопросы. И мы обязательно узнаем их и наконец-то поймём, что же такое сингулярность.