Что такое космологическая сингулярность?
Здравствуйте, уважаемые любители космоса!
Космологическая сингулярность — давайте ка я вам расскажу что это такое.
Чтобы понять, что такое сингулярность, представьте, что сила гравитации сжимает вас в бесконечно маленькую точку, так что вы буквально не занимаете объема.
Это звучит невозможно… и это так.
Эти «сингулярности» обнаруживаются в центрах черных дыр и в начале Большого взрыва.
Эти особенности не представляют собой что-то физическое.
Скорее, когда они появляются в математике, они говорят нам, что наши физические теории рушатся, и нам нужно заменить их более понятными.
Художественная иллюстрация черной дыры. Центр черной дыры является примером сингулярности.
Что такое сингулярность?
Сингулярности могут возникать где угодно, и они удивительно распространены в математике, которую физики используют для понимания Вселенной.
Проще говоря, сингулярности — это места, где математика «неправильно себя ведет», обычно генерируя бесконечно большие значения.
Во всей физике есть примеры математических сингулярностей: обычно всякий раз, когда в уравнении используется 1/X, когда X стремится к нулю, значение уравнения стремится к бесконечности.
Однако большинство этих сингулярностей обычно можно разрешить, указав, что в уравнениях отсутствует какой-либо множитель, или отметив физическую невозможность когда-либо достичь точки сингулярности.
Другими словами, они, вероятно, не являются «настоящими».
Но в физике есть сингулярности, не имеющие простых разрешений.
Самыми известными являются гравитационные сингулярности, бесконечности, которые появляются в общей теории относительности Эйнштейна (ОТО), которая в настоящее время является нашей лучшей теорией того, как работает гравитация.
В общей теории относительности есть два вида сингулярностей: координатные сингулярности и истинные сингулярности.
Координатные сингулярности возникают, когда бесконечность появляется в одной системе координат (особый выбор для записи разделения во времени и пространстве), но исчезает в другой.
Например, физик Карл Шварцшильд (Karl Schwarzschild) применил общую теорию относительности к простой системе сферической массы, такой как звезда.
Он обнаружил, что решение содержит две особенности, одну в самом центре и одну на некотором расстоянии от центра, известном сегодня как радиус Шварцшильда.
В течение многих лет физики думали, что обе сингулярности сигнализируют о крахе теории, но это не имело значения, пока радиус сферической массы был больше, чем радиус Шварцшильда.
По данным Государственного университета Сан-Хосе, все, что нужно физикам, это чтобы ОТО предсказала гравитационное влияние вне массы.
Но что произойдет, если объект будет сжат ниже его собственного радиуса Шварцшильда?
Тогда эта сингулярность окажется за пределами массы, и это будет означать, что ОТО разрушается в той области, в которой не должно быть.
Вскоре было обнаружено, что сингулярность на радиусе Шварцшильда была координатной сингулярностью.
Изменение системы координат устраняет сингулярность, сохраняя ОТО и позволяя ему по-прежнему делать достоверные прогнозы, пишет астрофизик Итан Сигел (Ethan Siegel) в Forbes.
Где возникают гравитационные сингулярности?
Но сингулярность в центрах сферических масс осталась.
Если вы сжимаете объект ниже его радиуса Шварцшильда, то его собственная гравитация становится настолько интенсивной, что он просто продолжает сжиматься сам по себе, вплоть до бесконечно крошечной точки, согласно National Geographic.
Десятилетиями физики спорили о том, возможен ли коллапс в бесконечно маленькую точку или какая-то другая сила способна предотвратить полный коллапс.
В то время как белые карлики и нейтронные звезды могут удерживать себя бесконечно долго, любой объект, масса которого превышает массу Солнца примерно в шесть раз, будет иметь слишком сильную гравитацию, подавляющую все остальные силы и схлопывающуюся в бесконечно маленькую точку: настоящая сингулярность, согласно НАСА.
Черная дыра «спагеттизирует» звезду. На видео показаны кровавые подробности того, как черная дыра пожирает звезду.
Что такое голые сингулярности?
Это то, что мы называем черными дырами: точка бесконечной плотности, окруженная горизонтом событий, расположенным на радиусе Шварцшильда.
Согласно журналу «Quanta», горизонт событий «защищает» сингулярность, не позволяя внешним наблюдателям увидеть ее, если они не пересекают горизонт событий.
Физики долгое время думали, что в ОТО все сингулярности, подобные этой, окружены горизонтами событий, и эта концепция была известна как гипотеза космической цензуры — названа так потому, что предполагалось, что какой-то процесс во Вселенной препятствовал (или «подвергал цензуре») возможности просмотра сингулярностей.
Однако компьютерное моделирование и теоретическая работа повысили вероятность открытых (или «голых») сингулярностей.
Открытая сингулярность была бы именно такой: сингулярность без горизонта событий, полностью наблюдаемая из внешней вселенной.
Вопрос о том, существуют ли такие выявленные особенности, продолжает оставаться предметом серьезных дискуссий.
Что на самом деле находится в центре черной дыры?
Поскольку это математические сингулярности, никто не знает, что на самом деле находится в центре черной дыры.
Чтобы понять это, нам нужна теория гравитации за пределами ОТО.
В частности, нам нужна квантовая теория гравитации, которая могла бы описать поведение сильной гравитации в очень малых масштабах, согласно физике Вселенной.
Гипотезы, которые модифицируют или заменяют общую теорию относительности, чтобы дать нам замену сингулярности черной дыры, включают звезды Планка (экзотическая форма материи с высокой степенью сжатия), гравизвезды (тонкая оболочка материи, поддерживаемая экзотической гравитацией) и звезды темной энергии (экзотическое состояние энергии вакуума, которое ведет себя как черная дыра).
На сегодняшний день все эти идеи являются гипотетическими, и истинный ответ должен ждать квантовой теории гравитации.
Что такое сингулярность Большого взрыва?
Теория Большого взрыва, предполагающая, что общая теория относительности верна, является современной космологической моделью истории Вселенной.
Она также содержит сингулярность.
В далеком прошлом, примерно 13,77 миллиарда лет назад, согласно теории Большого Взрыва, вся Вселенная была сжата в бесконечно маленькую точку.
Физики знают, что этот вывод неверен.
Хотя теория Большого взрыва чрезвычайно успешно описывает историю космоса с того момента, как и в случае с черными дырами, наличие сингулярности говорит ученым, что теория — опять же, ОТО — неполна и нуждается в обновлении.
Одним из возможных решений сингулярности Большого взрыва является теория причинных множеств.
Согласно теории причинных множеств пространство-время не является гладким континуумом, как в ОТО, а скорее состоит из дискретных фрагментов, называемых «атомами пространства-времени».
Поскольку ничто не может быть меньше одного из этих «атомов», сингулярности невозможны, сказал Бруно Бенто (Bruno Bento), физик, изучающий эту тему в Ливерпульском университете в Англии.
Бенто и его сотрудники пытаются заменить самые ранние моменты Большого взрыва, используя теорию причинных множеств.
После этих начальных моментов «где-то далеко Вселенная становится достаточно большой и «хорошо себя ведет», так что континуальное пространственно-временное приближение становится хорошим описанием, и ОТО может воспроизвести то, что мы видим», — сказал Бенто.
Хотя не существует общепризнанных решений проблемы сингулярности Большого взрыва, физики надеются, что они скоро найдут решение, и они наслаждаются своей работой.
Как сказал Бенто: «Меня всегда восхищала вселенная и тот факт, что в реальности так много вещей, которые у большинства людей ассоциируются с научной фантастикой или даже фэнтези».
Если у вас остались вопросы или вы хотите оставить комментарий по этой статье - напишите его в разделе комментариев ниже.
До скорых встреч! Заходите!
Комментарии к этой статье:
Фактическая сингулярность есть даже в классической электродинамике и СТО, где имеется требование того, что бы электрон был точечным — и это ведёт к тому, что собственная энергия и масса электрона получаются бесконечными в расчете, хотя в эксперименте электрон имеет конечную и массу и собственную энергию.
Всякие подгонки расчетов под конечный результат с помощью «перенормировок» и т.п. манипуляций,если считать себя честным, надо расценивать как обыкновенное мошенничество — и ничего более. И честный расчет должен давать те значения , что и определяются в эксперименте. Но даже привлечение квантовой теории на спасает от бесконечностей и эта реальная сингулярность на деле говорит, что современная физика так же «заблудилась», как в своё время » заблудилась» теория Птоломея-Аристотеля с постановкой Земли в центр Солнечной системы и с «подгонками» орбит планес с помощью разных дифферентов и эпициклов.
Нынешняя физика с её «перенормировками» очень сильно напоминает эту ситуацию с теорией Птоломея-Аристотеля
Нас ещё ждут перевороты в физике, равные по значению теории Коперника — Ньютона по сравнению с теориями Птоломея — Аристотеля.