Квантовая сингулярность


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.


вероятно 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.
смологическая 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. Теория относительности подразумевает, что сингулярности должны возникать в процессе формирования чёрной дыры. Если они находятся под горизонтом событий, то наблюдать их нельзя.
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.
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.

Источник: light-science.ru


Квантовая сингулярность
Иллюстрация нашей космической истории, от Большого взрыва и до сегодняшнего дня, в контексте расширяющейся Вселенной. Большому взрыву предшествовало состояние космической инфляции, но идея о том, что перед этим должна была существовать сингулярность, ужасно устарела.

Почти все слышали о Большом взрыве. Но если попросить разных людей, от обывателей до космологов, закончить предложение: «Вначале было…», вы получите множество различных ответов. Один из наиболее распространённых – «сингулярность», то есть, момент, когда вся материя и энергия Вселенной сконцентрировались в одной точке. Температура, плотность и энергия были бы сколь угодно, бесконечно большими, и это могло совпадать с зарождением самого пространства и времени.

Но эта картина не просто неверна, она уже лет 40, как устарела! Мы совершенно уверены в том, что с горячим Большим взрывом не было связано никакой сингулярности, и у пространства и времени могло вообще не быть момента зарождения. Вот, что нам известно, и откуда.


Квантовая сингулярность
Астрономическое наблюдение GOODS-Север, проведённое при помощи телескопа Хаббл, позволило рассмотреть некоторые из наиболее удалённых галактик, которые мы когда-либо видели, многие из которых уже находятся на недостижимом для нас расстоянии. Заглядывая всё дальше и дальше, мы обнаруживаем, что наиболее удалённые галактики удаляются от нас всё быстрее и быстрее, благодаря расширению Вселенной.

Сегодняшняя Вселенная заполнена галактиками во всех направлениях и на разных расстояниях. В среднем, чем дальше от нас галактика, тем быстрее она удаляется от нас. Это происходит не из-за реального движения галактик в локальном для них космосе; всему виной расширение самой ткани пространства.

Такое предсказание было одним из необычных результатов, полученных из Общей теории относительности в 1922 году советским физиком Александром Фридманом, которое потом было подтверждено в наблюдениях Эдвина Хаббла и других учёных в 1920-х. Это означает, что с течением времени материя Вселенной рассредоточивается и становится менее плотной, поскольку объём Вселенной увеличивается. Это также означает, что в прошлом Вселенная была плотнее, горячее и более однородной.


Квантовая сингулярность
Экстраполировав развитие назад, мы приходим к ранним более горячим и плотным состояниям. Приводит ли всё это к сингулярности, в которой перестают работать законы физики?

Экстраполировав развитие назад во времени, вы начнёте замечать несколько важных изменений Вселенной. В частности:

  • Вы прибудете в эру, в которой у гравитации не было времени, чтобы сформировать из материи достаточно большие комки для появления звёзд и галактик.
  • Затем вы прибудете туда, где Вселенная была настолько горячей, что не могла сформировать нейтральные атомы.
  • Затем будет состояние, в котором даже ядра атомов будут разбиваться на части.
  • Затем – где будут спонтанно появляться пары частиц материи-антиматерии.
  • Затем – где отдельные протоны и нейтроны будут распадаться на кварки и глюоны.

Квантовая сингулярность
В сингулярности ломается обычная физика, включая и момент самого начала Вселенной. Однако, у достижения сколь угодно горячего и плотного состояния есть свои последствия, многие из которых не подтверждаются наблюдениями.


Каждый шаг представляет Вселенную всё более молодую, маленькую, плотную и горячую. Продолжая экстраполяцию, мы увидим, что плотность и температура вырастает до бесконечных значений, в момент, когда вся материя и энергия Вселенной содержалась в одной точке: в сингулярности. Горячий Большой взрыв, как о нём думали изначально, представлял собой не просто горячее, плотное и расширяющееся состояние, но и тот момент, когда все законы физики переставали работать. Это было зарождение пространства и времени, способ заставить всю Вселенную внезапно появиться из ниоткуда. Это был изначальный акт творения: сингулярность, связываемая с Большим взрывом.

Квантовая сингулярность
Звёзды и галактики, которые мы видим сегодня, не существовали всегда. Чем дальше мы пройдём назад по времени, тем ближе к сингулярности будет подходить Вселенная – но у экстраполяции есть свои ограничения.

Однако, если бы всё было именно так, и Вселенная в прошлом имела сколь угодно высокие температуры, у такого состояния было бы несколько явных признаков, которые можно было бы наблюдать и сегодня. В остаточном свечении Большого взрыва были бы температурные флуктуации огромных амплитуд. Видимые нами флуктуации были бы ограничены скоростью света, они появлялись бы только на масштабах, не больших космического горизонта. Должны были остаться реликты космоса высоких энергий, такие, как магнитные монополи.


И всё же, флуктуации температуры не превышают 1/30 000, что в тысячи раз меньше, чем предсказывает сингулярный Большой взрыв. Флуктуации, превышающие горизонт, существуют, что надёжно подтверждено спутниками WMAP и Планк. А ограничения на существование магнитных монополей и других реликтов сверхвысоких энергий чрезвычайно сильны. Отсутствие признаков их наличия имеет серьёзные последствия: во Вселенной никогда не было сколь угодно высоких температур.

Квантовая сингулярность
Флуктуации реликтового излучения настолько малы и настолько характерны, что из них определённо следует тот факт, что в начале Вселенной повсюду была одна и та же температура. Размер флуктуаций в 1/30 000 совершенно не соответствует Большому взрыву произвольной температуры.

Должна быть какая-то граница. Мы не можем экстраполировать назад сколь угодно далеко, к горячему и плотному состоянию со сколь угодно большой температурой. Есть ограничение на то, как далеко мы можем зайти, и при этом правильно описать нашу Вселенную. В начале 1980-х появилась теория, по которой до того, как наша Вселенная была горячей, плотной, расширяющейся, охлаждающейся, и заполненной материей и излучением, она испытывала состояние инфляции. Наличие фазы космической инфляции должно было означать, что Вселенная:

  • была заполнена присущей пространству энергией,
  • что привело к быстрому, экспоненциальному росту,
  • который растянул Вселенную до плоского состояния,
  • придал ей одинаковые повсюду свойства,
  • с квантовыми флуктуациями небольшой амплитуды,
  • растянувшимися на все масштабы (даже превышающие горизонт),
  • а затем инфляция закончилась.

Квантовая сингулярность
Инфляция заставляет пространство экспоненциально расширяться, что может довольно быстро привести к тому, что изначально искривлённое или негладкое пространство покажется плоским. Если даже Вселенная искривлена, радиус её кривизны как минимум в сотни раз больше того, что мы можем обнаружить.

Когда инфляция заканчивается, она превращает энергию, присущую до этого самому пространству, в материю и излучение, что и порождает горячий Большой взрыв. Но это не приводит ко сколь угодно горячему Большому взрыву – только к такому, который достигает максимальной температуры в сотни раз меньшей, чем температура, способная породить сингулярность. Иначе говоря, она приводит к горячему Большому взрыву, возникающему из инфляционного состояния, а не из сингулярности.

Информация, существующая в нашей наблюдаемой части Вселенной, которую мы можем измерить, благодаря наличию к ней доступа, соответствует лишь последним 10-33 секундам инфляции, и всему, что случилось после этого. Если вы захотите спросить, как долго длилась инфляция – мы не имеем понятия на это счёт. Она продолжалась, по крайней мере, немного дольше 10-33 секунд, но продолжалась ли она немного дольше этого, сильно дольше, или шла бесконечное количество времени – это не просто неизвестно, это в принципе нельзя узнать.

Квантовая сингулярность
Космическая история известной Вселенной показывает, что происхождением всей материи и всего света внутри неё мы обязаны окончанию инфляции и началу горячего Большого взрыва. С тех пор 13,8 млрд лет шла космическая эволюция. Такую картину развития подтверждают большинство источников.

Что же породило инфляцию? На эту тему ведётся множество исследований и рассуждений, однако никто этого не знает. Не существует свидетельств, на которые можно было бы опереться, никаких наблюдений, которые можно было бы сделать, никаких экспериментов, которые можно было бы провести. Некоторые люди делают ошибочные заявления вроде:

У нас была теория сингулярности Большого взрыва, породившей горячую, плотную, расширяющуюся Вселенную, до того, как мы узнали об инфляции; инфляция представляет собой просто промежуточный этап. Поэтому, у нас получается следующее: сингулярность, инфляция, горячий Большой взрыв.

Есть множество графиков и картинок, созданных ведущими космологами, иллюстрирующих данный сценарий. Но это не означает, что он верен.

Квантовая сингулярность
Иллюстрация флуктуаций плотности (скаляр) и гравитационных волн (тензор), появившихся по окончанию инфляции. Предположение о существовании сингулярности до инфляции не обязательно будет верным.

Есть очень серьёзные основания полагать, что это не так! Мы можем математически продемонстрировать невозможность появления инфляционного состояния из сингулярности. И вот, почему: пространство во время инфляции расширяется с экспоненциальной скоростью. Представьте себе, как работает экспонента: по прошествии определённого количества времени Вселенная удваивает размер. Пройдёт в два раза больше времени, она удвоится два раза, то есть станет в четыре раза больше. Подождите три таких промежутка времени, и она удвоится три раза, то есть станет в 8 раз больше. Подождите 10 или 100 таких отрезков времени, и эти удвоения сделают Вселенную в 210 или 2100 раз больше.

Что означает, что если мы пойдём назад в прошлое на тот же отрезок времени, или в два, или в три, или в 10 или в 100 раз больший, Вселенная будет всё меньше и меньше, но никогда не достигнет нуля. Она, соответственно, будет составлять половину, четверть, 1/8, 2-10, 2-100 от первоначального размера. Но не важно, как далеко во времени мы зайдём, мы никогда не придём к сингулярности.

Квантовая сингулярность
Синяя и красная линия – традиционный сценарий Большого взрыва, когда всё начинается в момент времени t=0, включая и само пространство-время. В инфляционном сценарии (жёлтый) мы никогда не приходим к сингулярности, в которой пространство принимает сингулярное состояние. Оно может стать сколько угодно малым в прошлом, а время продолжается бесконечно. Определить длительность этого состояния пытаются условие отсутствия границ Хокинга-Хартла и теорема Борда-Гута-Виленкина, но их нельзя назвать окончательными.

Среди космологов хорошо известна теорема, демонстрирующая неполноту прошлого инфляционного состояния. Это означает, что все частицы, существующие во Вселенной, испытывающей инфляцию, рано или поздно встретятся при экстраполяции назад по времени. Это, однако, не означает, что сингулярность обязательно существовала – просто инфляция не описывает всё, что происходило в истории Вселенной, например, её рождение. Нам также известно, что инфляция не может появиться из сингулярного состояния, поскольку испытывающий инфляцию участок всегда должен начинать с конечного размера.

Квантовая сингулярность
Флуктуации пространства-времени на квантовом масштабе во время инфляции растягиваются по всей Вселенной, и порождают несовершенства в плотности и гравитационных волнах. Возникла ли инфляция из сингулярности, или нет, нам неизвестно.

Каждый раз, когда вы видите диаграмму, статью или историю о «сингулярности большого взрыва» или ещё какой-то сингулярности, существовавшей до инфляции, знайте, что вы имеете дело с устаревшим мышлением. Идея о сингулярности Большого взрыва потеряла актуальность, как только мы поняли, что перед горячим и плотным состоянием Большого взрыва существовало другое состояние – космическая инфляция – которое подготовило и запустило Большой взрыв. В самом начале пространства и времени, возможно, могла существовать сингулярность, из которой появилась инфляция – но гарантий этого нет. В науке есть вещи, которые можно проверить, измерить, предсказать, подтвердить или опровергнуть – например, инфляция, породившая горячий Большой взрыв. Всё остальное – не более чем досужие домыслы.

И это – последний на Хабре перевод статьи Итана Сигеля (и в принципе статьи на тему космологии), поскольку тематику ресурса было решено сконцентрировать на разработке и IT.

Источник: habr.com

Алексей Левин
«Популярная механика» №11, 2014

Новая модель мироздания позволяет обойтись без квантовой сингулярности и космологической инфляции.

Основной вопрос космологии можно сформулировать буквально в трех словах: откуда возникла Вселенная? Для стандартного ответа хватит и двух: из квантовой сингулярности. Так называют особое состояние материи, где нет ни пространства, ни времени и не действуют известные физические законы. Принято считать, что оно оказалось неустойчивым и дало начало трехмерному пространству, наполненному квантовыми полями и рожденными ими частицами. Этот выход из сингулярности называют Большим взрывом и берут за начало отсчета возраста Вселенной.

Что такое эта сингулярность, никто толком не знает. Если «проиграть» космологические уравнения назад во времени к нулевой точке, плотность энергии и температура обратятся в бесконечность и потеряют физический смысл. Обычно сингулярность описывают как хаотическую квантовую флуктуацию вакуума, которая сделала возможным появление гравитации и других физических полей. Теоретики приложили немало усилий, пытаясь понять, как именно это могло произойти, но пока без особых успехов.

Не взрыв, а коллапс

Некоторые космологические модели вообще обходятся без сингулярности, но они в меньшинстве. А вот недавно трое канадских ученых выступили с весьма любопытной моделью Большого взрыва, не требующей гипотезы квантового хаоса. Профессор физики и астрономии Университета Ватерлоо Роберт Манн и его коллеги допускают, что наша Вселенная могла появиться как побочный продукт гравитационного стягивания космической материи, которое закончилось рождением черной дыры. Их ключевая идея состоит в том, что эта материя существовала в пространстве не с тремя, а с четырьмя измерениями. Новорожденная дыра, опять-таки четырехмерная, окружила себя трехмерной оболочкой, которая и стала зародышем Вселенной. Она позаимствовала от материнского четырехмерия не только тяготение, но и прочие поля и частицы, которые зажили самостоятельной трехмерной жизнью. Так что наш мир возник не из Большого взрыва, а из его противоположности, Большого коллапса!

Откуда взялась эта оболочка? «Обычная» черная дыра окружена замкнутой двумерной поверхностью, горизонтом событий. Частица, упавшая внутрь горизонта, уже не сможет вернуться обратно, и даже фотоны из-под горизонта тоже не преодолеют этот непроницаемый барьер. Если дыра неподвижна, горизонт имеет сферическую форму, а у вращающихся дыр эта сфера сплюснута у полюсов. Поскольку горизонт имеет нулевую толщину, внутри него, естественно, нет никакого вещества. Но это в трехмерном пространстве. Четырехмерная дыра тоже обладает горизонтом событий, чья размерность на единицу меньше ее собственной. Следовательно, ее горизонт — это трехмерное пространство. Согласно гипотезе канадских физиков, оно и может дать начало нашей Вселенной.

Для материи четырехмерного пространства, запертой внутри горизонта черной дыры, эта трехмерная область будет единственным миром, полностью отсеченным от четырехмерного окружения. Можно допустить, что втянутая внутрь горизонта материя будет вести себя по всем законам трехмерия. Новая модель позволяет обойтись без распространенной гипотезы космологической инфляции, предложенной в начале 1980-х, которая все еще сталкивается с серьезными нерешенными проблемами. В частности, непонятна природа физического поля, которое, как предполагается, запустило ускоряющееся расширение новорожденной Вселенной.

Отскок мира

Но если не принимать в расчет квантовые эффекты, горизонт трехмерной дыры стабилен, тогда как наша Вселенная расширяется. Модель Манна объясняет и это: «Гравитационный коллапс в четырехмерном пространстве не только породит черную дыру, но и вызовет «отскок» не провалившейся в нее материи и ее разлет по всем направлениям. Нечто подобное происходит при взрывах сверхновых, которые разбрасывают свои оболочки по окружающему пространству. Как показывают вычисления, эта материя может создать трехмерный слой вокруг горизонта, который будет расширяться и тянуть за собой сам горизонт. В результате возникнет единое расширяющееся пространство нашей Вселенной. Модель можно модифицировать таким образом, что она предскажет ускорение этого расширения, которое стандартная космология объясняет с помощью темной энергии».

Новая модель допускает опытную проверку. Гравитационное воздействие четырехмерия на нашу Вселенную должно вызвать определенные флуктуации реликтового излучения, спектр которых можно предсказать.

Источник: elementy.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

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