Сингулярная точка это


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


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. 

Сингулярная точка это
Черная дыра / ©Wikimedia Commons

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. 

Сингулярная точка это
Черная дыра / ©Wikimedia Commons

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.

Сингулярная точка это
©Wikimedia Commons

Сингулярность оголяется

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

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

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


Сингулярная точка это
Голая сингулярность / ©Wikimedia Commons

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

Как (не) попасть в сингулярность

Рассуждая логически, можно прий­ти к выводу о том, что оказаться внутри сингулярности мы не сможем никогда – вплоть до момента окончательной гибели Вселенной. Давайте представим частицу, притянутую черной дырой. Вот она, ускоряясь, по спирали приближается к ней. Чем сильнее гравитация и выше скорость, тем, согласно уравнениям того же Эйнштейна, сильнее замедляется течение времени. Наконец наша частица пересекает горизонт событий. 

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

Но ведь даже черные дыры не вечны. Как показал Стивен Хокинг еще в 1970-х, в результате сложной игры гравитации и квантовых эффектов у горизонта событий все черные дыры понемногу испаряются и рано или поздно исчезают. Быть может, исчезнет и частица, так и не добравшись до сингулярности. Но тут снова появляются парадоксы почище тех, что встретились Алисе в Стране Чудес. Например – где же находится эта частица? 

Сингулярная точка это
©Wikimedia Commons

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.

Сингулярная точка это
©Wikimedia Commons

Источник: naked-science.ru

Космологическая сингулярность

Космология называет сингулярностью начало Вселенной. Именно из нее раздался Большой взрыв. В этот момент все мироздание было лишь бесконечно малой точкой с бесконечно большой плотностью и температурой. Теория относительности Эйнштейна предсказывала гравитационную сингулярность, одним из примеров которой стала космологическая. Наверное, будет непросто представить, как огромные звезды и планеты сжимаются до размеров меньше атомных, но еще сложнее уложить в голове то, что вся Вселенная «вышла» из такой же точки. Это наиболее вероятный вариант зарождения всего живого, так как он был просчитан математически, а не просто предположен. Однако, есть некоторые вопросы, на которые даже ОТО не в состоянии ответить.

  • Невозможно узнать, в каких условиях находилась сингулярность, давшая жизнь нашей Вселенной. На большом белом экране?
  • Каким образом она вообще смогла сгенерировать бесконечный поток энергии и вещества. Хотя с учетом ее невообразимых температур, все возможно.
  • Почему Вселенная не однородна, хотя по законам физики должна была быть такой?
  • Почему на сингулярность вообще не распространяются никакие законы физики? Как в таком случае мы можем узнать, что было до Большого взрыва?

Наличие космологической сингулярности в начале времен было доказано Стивеном Хокингом еще в 1967-ом. Однако даже он говорил, что она не подчиняется физическим законам. Сами бесконечные плотности и температуры являются невозможными. Такая плотность означает, что энтропия стремится к нулю, а это не может сосуществовать с подобными температурами. На сегодняшний день, космологическая сингулярность, пожалуй, самый главный вопрос. Еще больше ученых раздражает тот факт, что ни одно событие, произошедшее после Большого взрыва, не дает абсолютно никакой информации о том, что было до него. Однако ответить на этот вопрос научное сообщество все же пытается. Вот так:

  • Некоторые считают, что объяснить, как появилось время и что было до начала вселенной поможет теория петлевой квантовой гравитации. Но что-то пока нет.
  • Другие (ученые, разумеется) говорят, что квантовые эффекты могут нарушить главную опору доказательства Хокинга – условие энергодоминантности.
  • Есть и другие теории гравитации, которые не опираются на сингулярность. В них материя, сжатая до предела, не притягивается, а отталкивается.
Космологическая сингулярность
Космологическая сингулярность

Гравитационная сингулярность

Гравитационная сингулярность – это тоже некая точка пространственно-временном континууме, через которую нельзя провести геодезическую прямую. Энергетическая плотность и кривизна, описывающие гравитационное поле в такой сингулярности принимают бесконечное значение. ОТО говорит о том, что гравитационные особенности принимают участие в образовании черных дыр. Сингулярность располагается за горизонтом событий, где ее невозможно обнаружить. Да и увидеть ее своими глазами все равно нельзя, поэтому пока что это лишь очередная теория. Может быть, когда теория петлевой квантовой гравитации обзаведется большей доказательной базой, можно будет каким-либо образом описать поведение материи вокруг сингулярности и ее саму.

Любая черная дыра имеет горизонт событий и сингулярность в самом ее центре. И, если одно из них, как вы уже знаете, увидеть невозможно, то другое мы уже наблюдали на первой настоящей фотографии сверхмассивной черной дыры. Что происходит внутри всей этой каши законами физики не опишешь. По сути там просто разрывается пространственно-временной континуум. Некоторые ученые даже называют это кротовой норой и говорят, что там можно осуществить проход в другую точку космоса или даже в иной мир. Сможем ли мы когда-либо путешествовать через «кротовые норы»? Кто знает. Эта самая червоточина в пространстве-времени работает именно через сингулярность. Должна работать. Теории гласят, что, войдя в черную дыру здесь, вы как пробка вылетите из белой где-то в далекой-далекой галактике. При этом вернуться уже не сможете, или сможете, но это все равно не будет иметь значения, так как вы только что совершили два прыжка в пространстве и времени. И если, первое никто кроме вас не почувствовал, то вот насчет второго, наоборот – вы не заметили, а на Земле прошли тысячелетия. Вот так вот.

Хотите еще немного безумных теорий? Пожалуйста. Считается, уж не знаю, кем, что, раскрутив черную дыру до некоторой скорости (невероятно высокой), то горизонт событий может как бы «открутиться» от нее. А, если сингулярность не будет ничем закрыта, ее можно будет увидеть. Не глазами, скорее всего, но все же это будет гораздо проще чем внутри самого черного из всех черных веществ во Вселенной. Это как будто искать квантовую иголку в стоге вселенского сена.

Но раскрутить черную дыру не так уж и просто. Для этого ее постоянно нужно будет «подкармливать» новой материей, а это уже так себе возможно из-за точной границы, быстрее которой дыра вращаться уже не сможет. Обычно предполагается, что подобный опыт будет проводится на объекте, который и без того вращается очень быстро. Но что, если дыра еще не набрала свою скорость? В таком случае раскрутить ее будет гораздо проще, чтобы открыть сингулярность. Не исключено, что в космосе уже имеются черные дыры с обнаженной сингулярностью. Фи, как некрасиво.

Сингулярность в математике

Математическая особенность – снова точка с определенными характеристиками. Та, график функции в которой стремится к бесконечности, то бишь критическая. Изобразить такое схематически будет бесконечно тяжелой задачей… такая себе шутка.

Технологическая сингулярность

Я бы не брался называть эту сингулярность технологической. Она скорее фантастическая или как минимум футуристическая. Как вы уже поняли из каждого пункта, описанного выше, особенность – это точка, где что-то так или иначе стремится к бесконечности. Вот и некоторые умы считают, что технологический прогресс когда-нибудь достигнет того момента (точки), когда человек уже не сможет его понять (бесконечно технологичным, выходящим за пределы восприятия человеческого разума).

Этой самой точкой невозврата может стать изобретение полноценного искусственного интеллекта, который сам сможет воспроизводить себе подобных. Тот, кто действительно хочет это сделать, явно не знает про Скайнет. Также началом этого может быть интеграция компьютера в человеческое тело или, наоборот, внедрение человеческого разума в машину, проще говоря, создание киборгов. Шутки шутками, но несколько ученых вполне серьезно говорят о том, что такое случится уже в ближайшие 15-30 лет.

Сингулярность в биологии

Биологическая особенность самая безобидная. Это понятие вообще не часто встретишь, и обычно оно обозначает обобщение процесса эволюции.

Выводы

Последние три сингулярности в нашем списке имеют вполне осязаемые величины. Математические расчеты можно произвести лично, технологии даже «пощупать», а за биологию и эволюцию даже пояснять не нужно. Но вот как быть с гравитационной сингулярностью? Космологическая – это, в принципе, то же самое. Здесь дела обстоят иначе – эту особенность нельзя увидеть, оценить, просчитать, не говоря уже о пощупать. Более того, сейчас даже невозможно доказать ее существование. Если через все это разорванное месиво пространства и времени можно путешествовать, то как при этом самому не превратиться в космический кисель? Возможно, когда-нибудь ученые найдут ответы на все подобные вопросы. И вместе с ними мы наконец узнаем наверняка, что такое сингулярность.

Источник: kosmolog.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.