Сингулярность в физике это: Просто о сложном: что такое сингулярность? |

Содержание

«Что такое сингулярность, если говорить простым языком?» — Яндекс Кью

Что такое сингулярность, или почему история человечества однажды станет непредсказуемой — T&P

«Теории и практики» продолжают объяснять смысл часто употребляемых выражений, которые зачастую используются в разговорной речи в абсолютно неправильном значении. В очередном выпуске рубрики — 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.

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».

Варламова Дарья

Что такое сингулярность? — Universe Today

С тех пор, как ученые впервые обнаружили существование черных дыр в нашей Вселенной, мы все задавались вопросом: что может существовать за завесой этой ужасной пустоты? Кроме того, с тех пор, как была впервые предложена общая теория относительности, ученые были вынуждены задаться вопросом, что же могло существовать до рождения Вселенной, то есть до Большого взрыва?

Достаточно интересно, что эти два вопроса были решены (некоторым образом) с теоретическим существованием чего-то, известного как Гравитационная сингулярность — точки в пространстве-времени, где законы физики, какими мы их знаем, нарушаются. И хотя в этой теории остаются вызовы и нерешенные вопросы, многие ученые считают, что именно это существовало под покровом горизонта событий и в начале Вселенной.

Определение:

В научных терминах гравитационная сингулярность (или пространственно-временная сингулярность) — это место, где величины, используемые для измерения гравитационного поля, становятся бесконечными таким образом, что это не зависит от системы координат. Другими словами, это точка, в которой все физические законы неотличимы друг от друга, где пространство и время больше не являются взаимосвязанными реальностями, а сливаются неразличимо и перестают иметь какое-либо самостоятельное значение.

Впечатление этого художника изображает быстро вращающуюся сверхмассивную черную дыру, окруженную аккреционным диском. Авторы и права: ESA/Hubble, ESO, M. Kornmesse

Происхождение теории:

Впервые сингулярности были сформулированы в результате общей теории относительности Эйнштейна, которая привела к теоретическому существованию черных дыр. По сути, теория предсказывала, что любая звезда, превышающая определенную точку в своей массе (также известную как радиус Шварцшильда), будет оказывать настолько сильное гравитационное воздействие, что разрушится.

В этот момент ничто не сможет покинуть его поверхность, включая свет. Это связано с тем, что гравитационная сила превысит скорость света в вакууме — 299 792 458 метров в секунду (1 079 252 848,8 км/ч; 670 616 629 миль в час).

Это явление известно как предел Чандрасекара, названный в честь индийского астрофизика Субрахманьяна Чандрасекара, который предложил его в 1930 году. В настоящее время считается, что принятое значение этого предела составляет 1,39 солнечных масс (т.е. 1,39раз больше массы нашего Солнца), что составляет колоссальные 2,765 x 10 ³⁰ кг (или 2765 триллионов триллионов метрических тонн).

Другой аспект современной общей теории относительности заключается в том, что во время Большого Взрыва (т.е. в начальном состоянии Вселенной) была сингулярность. Роджер Пенроуз и Стивен Хокинг разработали теории, которые пытались ответить на вопрос, как гравитация может создавать сингулярности, которые в конечном итоге объединились и стали известны как теоремы Пенроуза-Хокинга о сингулярности.

Теория большого взрыва: история Вселенной, начинающаяся с сингулярности и расширяющаяся с тех пор. Фото: grandunificationtheory.com

Согласно теореме Пенроуза о сингулярности, которую он предложил в 1965 году, сингулярность, подобная времени, возникает внутри черной дыры всякий раз, когда материя достигает определенных энергетических состояний. В этот момент искривление пространства-времени внутри черной дыры становится бесконечным, что превращает ее в захваченную поверхность, где время перестает функционировать.

Теорема Хокинга о сингулярности дополняет это, утверждая, что пространственная сингулярность может возникнуть, когда материя принудительно сжимается в точку, что приводит к нарушению правил, управляющих материей. Хокинг проследил это во времени до Большого взрыва, который, как он утверждал, был точкой бесконечной плотности. Однако позже Хокинг пересмотрел это, заявив, что общая теория относительности иногда нарушается до Большого взрыва, и, следовательно, с ее помощью нельзя предсказать сингулярность.

Некоторые более поздние предположения также предполагают, что Вселенная не начиналась как сингулярность. К ним относятся такие теории, как петлевая квантовая гравитация, которая пытается объединить законы квантовой физики с гравитацией. Эта теория утверждает, что из-за эффектов квантовой гравитации существует минимальное расстояние, за которым гравитация больше не продолжает увеличиваться, или что взаимопроникающие волны частиц маскируют гравитационные эффекты, которые будут ощущаться на расстоянии.

Типы сингулярностей:

Два наиболее важных типа пространственно-временных сингулярностей известны как сингулярности кривизны и конические сингулярности. Сингулярности также можно разделить в зависимости от того, покрываются ли они горизонтом событий или нет. В случае первого у вас есть Кривизна и Конусность; тогда как в последнем у вас есть то, что известно как Обнаженные сингулярности.

Сингулярность кривизны лучше всего иллюстрируется черной дырой. В центре черной дыры пространство-время становится одномерной точкой, содержащей огромную массу. В результате гравитация становится бесконечной, а пространство-время бесконечно изгибается, а законы физики, какими мы их знаем, перестают действовать.

Конические особенности возникают, когда есть точка, где предел каждой общей ковариационной величины конечен. В этом случае пространство-время выглядит как конус вокруг этой точки, где сингулярность находится на вершине конуса. Примером такой конической сингулярности является космическая струна, тип гипотетической одномерной точки, которая, как полагают, сформировалась в ранней Вселенной.

И, как уже упоминалось, существует Голая Сингулярность, разновидность сингулярности, которая не скрыта за горизонтом событий. Впервые они были обнаружены в 1991 Шапиро и Теукольского с использованием компьютерного моделирования вращающейся плоскости пыли, которые показали, что Общая теория относительности может допускать «голые» сингулярности.

В этом случае было бы видно то, что на самом деле происходит внутри черной дыры (то есть ее сингулярность). Теоретически такая сингулярность существовала до Большого взрыва. Ключевое слово здесь теоретическое, поскольку остается загадкой, как будут выглядеть эти объекты.

На данный момент сингулярности и то, что на самом деле находится под завесой черной дыры, остается загадкой. Есть надежда, что со временем астрономы смогут более подробно изучать черные дыры. Также есть надежда, что в ближайшие десятилетия ученые найдут способ объединить принципы квантовой механики с гравитацией, и это прольет свет на то, как действует эта загадочная сила.

У нас есть много интересных статей о гравитационных сингулярностях здесь, во Вселенной Сегодня. Вот 10 интересных фактов о черных дырах, как должна выглядеть черная дыра?, Был ли Большой взрыв просто черной дырой?, Прощай, Большой взрыв, привет, черная дыра?, Кто такой Стивен Хокинг? черная дыра?

Если вам нужна дополнительная информация о сингулярности, ознакомьтесь со статьями NASA и Physlink.

Astronomy Cast имеет несколько соответствующих эпизодов на эту тему. Вот Эпизод 6: Дополнительные доказательства Большого взрыва, Эпизод 18: Большие и маленькие черные дыры и Эпизод 21: Ответы на вопросы о черной дыре.

Источники:

Википедия – Гравитационная сингулярность
Стивен Хокинг – Начало времен
Физика Вселенной – Сингулярности
Эйнштейн Онлайн – Сингулярности пространства-времени

Нравится:

Нравится Загрузка. ..

Теорема сингулярности (Нобелевская премия по физике 2020 г.) образование является надежным предсказанием общей теории относительности Эйнштейна.

Статья Эмануэля Малека

Конец пространства-времени
Математический артефакт или физическое предсказание
Теорема Пенроуза о сингулярности
Природа пространственно-временной сингулярности
Большой взрыв и квантовая гравитация
Дополнительная информация разделил половину Нобелевской премии по физике 2020 года за открытие того, что образование черных дыр является надежным предсказанием общей теории относительности.
С момента своего создания в 1916 году общая теория относительности Эйнштейна неоднократно удивляла и смущала физиков. Например, в общей теории относительности пространство и время не абсолютны и не фиксированы, а смешаны и искажены присутствием материи и энергии. Согласно теории Эйнштейна, это искривление пространства-времени приводит к гравитационной силе. К 1960-м годам большинство физиков смирились со многими революционными чертами общей теории относительности. Однако одно из самых странных предсказаний общей теории относительности — существование черных дыр — все еще вызывало горячие споры.
Конец пространства-времени
Математические уравнения, лежащие в основе общей теории относительности, допускают решения, в которых материя настолько плотно упакована в маленькую область пространства-времени, что ничто, даже свет, не может выйти из этой области, называемой черной дырой. Черная дыра отделена от остального пространства-времени горизонтом событий, точкой невозврата. Согласно общей теории относительности, все, что пересекает горизонт событий, никогда не ускользнет и неизбежно упадет в центр черной дыры.
Что делает черные дыры еще более проблематичными для физиков, так это то, что глубоко внутри черной дыры существует сингулярность, и любой объект, упавший в черную дыру, в конце концов достигнет этой сингулярности. В сингулярности гравитационное поле становится бесконечно сильным и разрывает на части само пространство-время. Следовательно, согласно математике, управляющей общей теорией относительности, любой объект, достигший сингулярности, перестанет существовать — очень проблематичное последствие для физического мира.
Изображение черной дыры и сингулярности внутри нее. ©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
Математический артефакт или физическое предсказание
Эта патологическая природа сингулярности, тот факт, что пространство и время перестанут там существовать, чрезвычайно беспокоит общую теорию относительности. Однако до работы Пенроуза было неясно, могут ли черные дыры и сингулярности вообще существовать в природе или они являются просто математическим артефактом теории. На самом деле, все известные к этому моменту решения для черных дыр требовали идеального симметричного расположения, чего невозможно достичь в природе.
Поэтому многие физики долгое время считали, что черные дыры не образуются в реальном мире. Рассмотрим, как черная дыра могла бы образоваться в природе. Требуется поместить достаточно материи и энергии в ограниченную область пространства-времени, чтобы гравитационная сила преодолела любое давление или другие силы отталкивания, чтобы вызвать гравитационный коллапс, когда гравитационная сила становится настолько доминирующей, что вся материя сжимается во все меньшем пространстве. пока не образуется черная дыра. В то время как такой теоретический процесс гравитационного коллапса в черную дыру был описан уже в 1939 Роберта Оппенгеймера и Хартленда Суита Снайдера, они предположили, что материя состоит из идеализированной пыли, не оказывающей давления и расположенной совершенно сферически симметричным образом. Однако таких идеальных условий в природе никогда не встретишь.
Может ли поэтому малейшее отклонение от сферической симметрии или малейшее давление остановить образование черной дыры? Можно возразить, что при небольшом возмущении материя может больше не коллапсировать в одну и ту же точку, а вместо этого материя может перескочить. Более того, возможно, даже небольшое давление могло бы остановить формирование сингулярности. Сложная природа уравнений, управляющих общей теорией относительности, и недостаток современных вычислительных мощностей затрудняли ответ на этот вопрос.
Теорема Пенроуза о сингулярности
Пенроуз доказал, что сингулярности — и, соответственно, черные дыры — формируются в общей теории относительности без строгих предположений о симметрии и для общих свойств материи. Основная идея Пенроуза заключалась в том, чтобы сосредоточиться на том, как гравитационная сила влияет на свет. В общей теории относительности гравитация воздействует на свет и заставляет его отклоняться от его прямого пути. Следовательно, тяжелый объект будет вызывать гравитационное линзирование проходящего мимо него света. Подобно оптической линзе, гравитационная сила заставляет свет собираться в фокусе.
Когда сила гравитации достаточно сильна, эффект гравитационного линзирования может создать захваченную поверхность в пространстве-времени. Это двумерная замкнутая поверхность, подобная сфере, такая, что все лучи света, перпендикулярные поверхности, сходятся. Это контрастирует со сферической поверхностью в плоском пространстве-времени, где световые лучи, направленные наружу, будут расходиться. Иными словами, из-за гравитационного эффекта свет не может покинуть захваченную поверхность.
Иллюстрация, основанная на диаграмме Пенроуза, показывающая гравитационный коллапс и образование сингулярности на захваченной поверхности © Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
Пенроуз показал, что если вся материя имеет положительную плотность энергии, известную как слабое энергетическое состояние, наличие захваченной поверхности обязательно означает, что пространство-время содержит сингулярность. Таким образом, с минимальными предположениями о материи, содержащейся в пространстве-времени, Пенроуз пришел к выводу, что, как только возникает ловушка, неизбежно формирование пространственно-временной сингулярности. Это также означает, что сингулярности возникают в общей теории относительности вообще, даже без специальных симметрий. Например, в сценарии сферически-симметричного коллапса Оппенгеймера и Снайдера существует захваченная поверхность, которая сохраняется даже при нарушении сферического расположения материи.
Природа пространственно-временной сингулярности
Сила аргумента Пенроуза основывается на его минимальных предположениях, которые требуют только существования захваченной поверхности и слабого энергетического условия. В результате теорема о сингулярности применяется очень широко и показывает, что сингулярности возникают во многих ситуациях в общей теории относительности. Однако, поскольку аргумент Пенроуза настолько общий, он также не дает нам никакой информации о сингулярности, кроме ее существования. На самом деле аргумент Пенроуза не показывает, что должен существовать горизонт событий и, следовательно, черная дыра, окружающая сингулярность.
В некотором смысле теорема Пенроуза о сингулярности сделала общую теорию относительности еще более патологической. Он показал, что сингулярности — это надежное предсказание общей теории относительности, и их даже не нужно прятать внутри черных дыр. Поэтому кажется, что пространство-время в большинстве случаев будет иметь дыры там, где пространство и время заканчиваются и законы физики теряют применимость: голые сингулярности.
Чтобы опровергнуть эту нелепую установку, Пенроуз сформулировал гипотезу слабой космической цензуры, которая утверждает, что все сингулярности в пространстве-времени должны быть скрыты за горизонтом событий. Это защитило бы остальную часть пространства-времени от катастрофических последствий сингулярности горизонта событий черной дыры. Хотя широко распространено мнение, что это утверждение верно, его оказалось чрезвычайно трудно доказать, и оно продолжает оставаться активной областью исследований. Одна из проблем заключается в том, что трудно формализовать гипотезу таким образом, чтобы ее можно было (опровергнуть) без немедленного появления контрпримеров.
Сингулярность Большого взрыва и квантовая гравитация
Теорема Пенроуза о сингулярности подстегнула многие разработки в общей теории относительности.