Сингулярность это в астрономии


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 y^2 = x^3 + x^2 имеет особенность — самопересекается;

Пример математической сингулярности кривой

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.

Что вы думаете о сингулярности? Оставляйте свое мнение в комментариях.

Если Вам понравилась статья поставьте лайк и подпишитесь на канал НАУЧПОП . Оставайтесь с нами, друзья! Впереди ждёт много интересного!

Источник: zen.yandex.ru

Возникновение понятия


Космологическая сингулярность является частным случаем гравитационной сингулярности. Если мы привыкли рассматривать материю как некоторое гладкое и бескрайнее пространство (многообразие), то в области гравитационной сингулярности пространство-время искривляется. В 1915 — 1916 г. великий физик Альберт Эйнштейн опубликовал свою общую теорию относительности, согласно которой гравитационные эффекты существуют не как следствие работы каких-либо сил, возникающих между телами или в полях, а вследствие искажения самого пространства-времени. При помощи своих уравнений Эйнштейн смог описать связь кривизны пространства-времени и материи, которая находится в нем.

Позже, в 1967-м году Стивен Хокинг использовал уравнения Эйнштейна для общей теории относительности, которые описывают динамику Вселенной, чтобы получить их решения для прошедшего времени. То есть  он определил состояние Вселенной в изначальный момент ее существования, и доказал, что таковой момент действительно есть.

Гравитационная сингулярность

Точно описать гравитационную сингулярность пока не удается по той причине, что многие известные величины в ее пределах устремляются к бесконечности либо становятся неопределенными. Например, плотность энергии выбранной системы отсчета этой области или скалярная кривизна.


Благодаря трудам физиков-теоретиков мы имеем строгие доказательства того, что в сердцах черных дыр, а именно за горизонтом событий должна располагаться такая гравитационная сингулярность, иначе черная дыры просто не сформировалась бы. К сожалению, наблюдать что-либо находящееся за горизонтом событий невозможно в принципе, хотя есть предположения, что существуют черные дыры, сингулярность которых немного выходит за его пределы и может быть наблюдаема. Космологическая же сингулярность называется «голой», так как теоретически ее можно было бы увидеть.

Источник: SpaceGid.com

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 тео¬рии 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 прий¬ти 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: pikabu.ru

Продолжаем объяснять смысл часто употребляемых выражений, которые зачастую используются в разговорной речи в абсолютно неправильном значении. Что происходило в момент Большого Взрыва, что такое «принцип космической цензуры» и что станет с историей в постчеловеческую эру?

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.

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.

You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.