Сингулярность в физике: 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

Что такое сингулярность? Дословно это слово переводится как единственный и особенный. Но, думаю, не за таким объяснением вы сюда пришли. Данная особенность встречается в различных науках и обладает какими-либо уникальными свойствами. То есть что-то особенное и единственное в своем роде – перевод этого слова доподлинно передает его значение. Сингулярности бывают нескольких видов:

Космологическая

Гравитационная

Математическая

Технологическая

Биологическая

Разберем их немного поподробнее.

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

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.

Почему топовым физикам не нравятся голые сингулярности / Хабр

Роджер Пенроуз стал лауреатом Нобелевской премии по физике 2020 года за теоремы о формировании черных дыр, которые он доказал совместно с Хокингом еще в 1960-70х годах. Поздравляем!

Однако главной заслугой Пенроуза в этом направлении является то, что он в свое время сделал теорию гравитации Эйнштейна (общую теорию относительности) мейнстримом. До Пенроуза считалось, что теорией относительности не стоит заниматься молодым физикам. В ней не осталось интересных проблем. Это старая, созданная еще в 1916 г., теория уже исследована вдоль и поперек.

Пенроуз показал, что это не так. Он развил новые математические методы (диаграммы Пенроуза) и получил множество интересных результатов. Он положил начало золотому веку черных дыр, кульминацией которого принято считать открытие эффекта испарения черных дыр посредством излучения Хокинга. Одним из результатов того плодотворного периода является и его гипотеза космической цензуры, согласно которой голые сингулярности запрещены Природой.

Сингулярности

Сингулярностью называется точка (или область) в которой некоторая величина становится бесконечной. В отличие от нуля, бесконечность с физической точки зрения — это плохо. Бесконечность нельзя измерить никаким прибором, она ненаблюдаема и поэтому нефизична.

Однако с математической точки зрения в бесконечностях нет ничего особенного. Георг Кантор даже создал для них арифметику. Но для нашего последующего изложения целесообразно привести пример математического объекта, имеющего точку с бесконечной кривизной — сингулярностью. Простейшим примером является конус:

Если найти количественную меру кривизны в виде тензора кривизны Римана, то окажется, что он равен нулю везде кроме одной единственной точки — вершины конуса, где кривизна становится бесконечной. Это и есть сингулярность. В данном случае с физической точки зрения ничего страшного не происходит, поскольку реальные конусы состоят из атомов и идеально острой вершины менее радиуса атома сделать не получится.

Общая теория относительности описывает гравитацию как искривление пространства-времени. Математически гравитационное поле характеризуется метрикой, которая находится решением уравнения Эйнштейна при заданных условиях. Так для сферически-симметричных гравитирующих тел (планеты, звезды, черные дыры) метрика, называемая метрикой Шварцшильда, выглядит следующим образом:

Заметьте, что при радиусе метрика становится сингулярной. Множитель при обращается в ноль, а при в бесконечность. Данный радиус называется горизонтом событий черной дыры.

Мы наблюдаем так называемую координатную сингулярность. Если найти тензор кривизны из данной метрики, то он не будет бесконечным на горизонте событий. Вообще-то он будет стремиться к нулю при увеличении массы черной дыры. Данная сингулярность является следствием выбранной системы координат. От нее можно избавиться перейдя к другим координатам.

Но в центре черной дыры () кривизна получится бесконечной. Это и есть сингулярность черной дыры.

До Пенроуза считалось, что это просто особенность математики и в реальных условиях никакой черной дыры не может образоваться. Сам термин «черная дыра» был введен Джоном Уилером только в 1967 г. Однако теоремы Пенроуза и Хокинга показали, что для некоторых звезд формирование черных дыр неизбежно. И как только горизонт событий сформировался, все что находится за ним обречено двигаться по направлению к сингулярности и закончить свое существование там. Избежать попадание в сингулярность всего, что находится за горизонтом событий невозможно.

По аналогии с рассмотренным примером с конусом можно конечно сказать, что появление сингулярности — это математическая особенность общей теории относительности. Квантовые эффекты должны сгладить бесконечную плотность в точке. И это один из возможных вариантов. Однако Пенроуз мыслил по-другому.

Голые сингулярности

Роджер Пенроуз предположил, что в рассмотренной нами метрике Шварцшильда сингулярность оказалась окруженной горизонтом событий не случайно. Горизонт призван скрывать сингулярность от наблюдателей. Согласно общей теории относительности он работает как однонаправленный шлюз, пропуская материю и свет только в одну сторону. Выбраться из черной дыры невозможно. И Пенроуз предположил, что это закон Природы:

Все сингулярности в Природе должны быть скрыты за горизонтами событий

Будучи европейцем, ценящим европейские ценности, Пенроуз решил назвать данную идею принципом космической цензуры.

Для метрики Шварцшильда гипотеза тривиально верна. Однако ценность ее в том, что если предположить ее верность, то она может служить фильтром, позволяющим отделить реально возможные конфигурации пространства-времени от искусственных, не реализуемых в Природе.

При разных конфигурациях начальных условий возможно получить разные сингулярности, например в форме кольца в метрике Керра. Также не составляет труда подобрать такие условия, что сингулярность получится голой — не окруженной горизонтом. Пенроуз надеется, что в реальных условиях Природа не может такого допустить.

Это схоже с тем как Курт Гедель получил решения уравнения Эйнштейна с замкнутыми времениподобными кривыми в которых время течет по кругу. Однако такие траектории в пространстве-времени никогда не получаются в реальных условиях эволюции нашей Вселенной. Другой пример — это начальная конфигурация клеточного автомата, которая не могла быть получена никакой предыдущей эволюцией. Принцип космической цензуры (если верен) позволяет отделить такие фейковые конфигурации от гипотетически возможных.

На данный момент идея Пенроуза остается в статусе гипотезы, то есть еще не доказана и может оказаться ложной. Но, как и в случае гипотезы Римана, имеется множество нетривиальных примеров, говорящих в пользу принципа космической цензуры.

Гипотеза слабой гравитации

В 2007 году молодой гарвардский физик-теоретик Любош Мотль с соавторами опубликовал известную сейчас работу в которой излагается схожая гипотеза, получившая название weak gravity conjecture. Из аргументов теории струн они предположили, что гравитация должна являться наиболее слабой силой Природы.

Любош Мотль — один из авторов гипотезы слабой гравитации

Опять же, с первого взгляда может показаться, что гипотеза тривиально верна. Ведь нам уже известно, что гравитация — это самая слабая из сил Природы. Но ведь нельзя исключить, что существуют и другие, еще не открытые силы. К тому же, как и в случае принципа космической цензуры, несложно придумать такие эффективные квантовые теории поля в которых гипотеза оказывается неверна.

Также как и принцип космической цензуры, гипотеза слабой гравитации в случае верности может служить в качестве фильтра. Она позволяет выбрать из множества допустимых квантовых теорий поля те, которые не противоречат теории струн и, следовательно, заслуживают внимания.

Удивительно, но гипотеза слабой гравитации тесно связана с принципом космической цензуры Пенроуза. Было показано, что последнее следует из первого. Но это не точно)

*P.S. Продвижение европейских ценностей и политкорректности в США привело к тому, что Любош Мотль был вынужден покинуть Гарвард и разорвать контакты с научным сообществом на пике своей научной карьеры, в том же 2007 г.

В этом он схож с другим гением — математиком Александром Гротендиком, который оставил мир науки по политическим причинам когда ему было всего 42.*

Идея сингулярности перед Большим взрывом устарела / Хабр

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Физики впервые увидели признаки треугольной сингулярности

Бізнес

Технології

Физики, просматривая старые данные ускорителей элементарных частиц, обнаружили свидетельства очень неуловимого, никогда ранее не наблюдаемого процесса: так называемой сингулярности треугольника.

Треугольная сингулярность, впервые представленная российским физиком Львом Ландау в 1950-х годах, относится к редкому субатомному процессу, когда частицы обмениваются идентичностями, прежде чем улететь друг от друга.

В этом сценарии две частицы, называемые каонами, образуют два угла треугольника, а частицы, которые они меняют местами, образуют третью точку треугольника.

«Участвующие частицы обменивались кварками и в процессе меняли свою идентичность», — говорится в заявлении соавтора исследования Бернхарда Кетцера из Института радиационной и ядерной физики им. Гельмгольца при Боннском университете.

Это называется сингулярностью, потому что математические методы описания взаимодействий субатомных частиц не работают.

Если эта странная перемена идентичности частиц действительно произошла, это могло бы помочь физикам понять сильную силу, которая связывает ядра вместе.

В 2015 году физики, изучающие столкновения частиц в ЦЕРНе в Швейцарии, подумали, что они мельком увидели короткоживущий экзотический набор частиц, известный как тетракварк. Но новое исследование предлагает другую интерпретацию — что-то еще более странное.

Вместо того, чтобы формировать новую группу, пара частиц обменивалась идентичностями перед отлетом. Этот обмен идентичностью известен как сингулярность треугольника, и этот эксперимент мог неожиданно дать первое свидетельство этого процесса.

Эксперимент COMPASS (общий мюонный и протонный аппарат для структуры и спектроскопии) в ЦЕРН изучает сильное взаимодействие. Хотя у силы есть очень простая задача (удерживать протоны и нейтроны вместе), сама сила головокружительно сложна, и физикам было трудно полностью описать ее поведение во всех взаимодействиях.

Итак, чтобы понять сильное взаимодействие, ученые из COMPASS сталкивают частицы вместе на сверхвысоких энергиях внутри ускорителя, называемого суперпротонным синхротроном. Затем они смотрят, что происходит.

Они начинаются с пиона, который состоит из двух основных строительных блоков: кварка и антикварка. Сильное взаимодействие удерживает кварк и антикварк внутри пиона.

В отличие от других фундаментальных сил природы, которые ослабевают с расстоянием, сильная сила тем сильнее, чем дальше друг от друга удаляются кварки (представьте кварки в пионе, прикрепленные резинкой — чем больше вы их разрываете, тем труднее становится).

Затем ученые ускоряют этот пион почти до скорости света и врезают его в атом водорода. Это столкновение разрывает сильную силовую связь между кварками, высвобождая всю накопившуюся энергию.

«Это превращается в материю, которая создает новые частицы», — сказал Кетцер. «Таким образом, подобные эксперименты дают нам важную информацию о сильном взаимодействии».

Еще в 2015 году COMPASS проанализировал рекордные 50 миллионов таких столкновений и обнаружил интригующий сигнал. После этих столкновений новая частица появлялась менее чем в 1% случаев.

Они окрестили частицу «a1 (1420)» и первоначально думали, что это новая группа из четырех кварков — тетракварк. Однако этот тетракварк был нестабильным, поэтому затем распался на другие.

Кварки обычно входят группами по три (которые составляют протоны и нейтроны) или парами (например, пионы), так что это было большим делом. Группа из четырех кварков была действительно редкой находкой. Но новый анализ, опубликованный в августе в журнале Physical Review Letters, предлагает еще более странную интерпретацию.

Вместо того, чтобы на короткое время создать новый тетракварк, все эти столкновения пионов привели к чему-то неожиданному: легендарной сингулярности треугольника. Вот что думают исследователи, стоящие за новым анализом.

Пион врезается в атом водорода и распадается на части, при этом вся мощная силовая энергия производит поток новых частиц. Некоторые из этих частиц являются каонами, которые представляют собой еще один вид кварк-антикварковой пары.

Очень редко, когда создаются два каона, они начинают путешествовать разными путями. В конце концов эти каоны распадутся на другие, более стабильные частицы. Но прежде чем они это сделают, они обмениваются друг с другом одним из своих кварков, трансформируясь в процессе.

Это кратковременный обмен кварками между двумя каонами, имитирующий сигнал тетракварка.

«Участвующие частицы обменивались кварками и в процессе меняли свою идентичность», — сказал Кетцер, который также является участником трансдисциплинарной исследовательской области «Строительные блоки материи и фундаментальных взаимодействий» (TRA Matter).

«Результирующий сигнал выглядит точно так же, как от тетракварка». Если вы нанесете на карту пути отдельных частиц после первоначального столкновения, пара каонов образует две ноги, а обмениваемые частицы образуют третью между ними, в результате чего на диаграмме появляется треугольник, отсюда и название.

Хотя физики предсказывали сингулярности треугольников более полувека, это ближе всего к реальному наблюдению из любого эксперимента.

Тем не менее, это все еще не открытие. Новая модель процесса, включающего особенности треугольников, имеет меньше параметров, чем модель тетракварка, и предлагает лучшее соответствие данным. Но это не окончательно, поскольку исходная модель тетракварка все еще могла объяснить данные. Тем не менее, это интригующая идея. Если он сохранится, это будет мощное испытание сильного ядерного взаимодействия, поскольку появление сингулярностей треугольника — это предсказание нашего понимания этой силы, которое еще предстоит полностью изучить.

Что такое сингулярность? | Живая наука

Художественная иллюстрация черной дыры. Центр черной дыры является примером сингулярности.
(Изображение предоставлено: solarseven через Getty Images)

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.

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 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. Все, что нужно физикам, это чтобы ОТО предсказала гравитационное влияние вне массы, согласно 9.0015 Государственный университет Сан-Хосе (открывается в новой вкладке).

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 предсказания 9.0015 астрофизик Итан Сигел пишет в Forbes (открывается в новой вкладке).

Где возникают гравитационные сингулярности?

(Изображение предоставлено: MARK GARLICK через Getty)

(открывается в новой вкладке)

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 9. 0015 National Geographic (открывается в новой вкладке).

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 другие силы и схлопывающуюся в бесконечно маленькую точку: настоящая сингулярность, согласно НАСА (откроется в новой вкладке).

Что такое голые сингулярности?

Это то, что мы называем черными дырами: точка бесконечной плотности, окруженная горизонтом событий, расположенным на радиусе Шварцшильда. Горизонт событий «защищает» сингулярность, не позволяя внешним наблюдателям увидеть ее, если они не пересекают горизонт событий, согласно Quanta Magazine (открывается в новой вкладке).

Физики долгое время считали, что в ОТО все подобные сингулярности окружены горизонтами событий, и эта концепция была известна как гипотеза космической цензуры, названная так потому, что предполагалось, что какой-то процесс во Вселенной предотвращает (или «цензурирует») сингулярности. от возможности просмотра. Однако компьютерное моделирование и теоретическая работа повысили вероятность открытых (или «голых») сингулярностей. Обнаженная сингулярность была бы именно такой: сингулярностью без горизонта событий, полностью наблюдаемой из внешней вселенной. Существуют ли такие открытые сингулярности, по-прежнему является 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 Физика Вселенной (открывается в новой вкладке).

Гипотезы, которые изменяют или заменяют общую теорию относительности, чтобы дать нам замену сингулярности черной дыры, включают планковские звезды (сильно сжатая экзотическая форма материи), гравазвезды (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 носят гипотетический характер, и верный ответ должен дождаться квантовой теории гравитации.

Что такое сингулярность Большого Взрыва?

(Изображение предоставлено Shutterstock)

(открывается в новой вкладке)

Теория Большого взрыва, предполагающая, что общая теория относительности верна, является современной космологической моделью истории Вселенной. Он 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.

Одно из возможных решений сингулярности Большого Взрыва — 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 Live Science Бруно Бенто, 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 скоро найдут решение, и получают удовольствие от своей работы. 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».

Дополнительные ресурсы:

Ваше место во Вселенной (открывается в новой вкладке), Пол Саттер (Прометей: 2018)
Большой взрыв: самое важное научное открытие всех времен и почему вам нужно об этом знать (открывается в новой вкладке), Саймон Сингх (Harper Perennial: 2005)
Каковы доказательства Большого взрыва? на ютубе

Пол М. Саттер — профессор-исследователь в области астрофизики в Университете Стоуни-Брук Университета штата Нью-Йорк и Институте Флэтайрон в Нью-Йорке. Он регулярно появляется на телевидении и в подкастах, в том числе «Спросите космонавта». Он является автором двух книг: «Твое место во Вселенной» и «Как умереть в космосе», а также регулярно публикуется на Space.com, Live Science и других ресурсах. Пол получил докторскую степень по физике в Университете Иллинойса в Урбана-Шампейн в 2011 году и провел три года в Парижском институте астрофизики, после чего прошел стажировку в Триесте, Италия.

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?

Довольно интересно, что эти два вопроса были решены (некоторым образом) с теоретическим существованием чего-то, известного как Гравитационная сингулярность — точка 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 под завесой горизонта событий и в начале Вселенной существовало именно это.

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 90 101 30 90 102 кг (или 2 765 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 пойманную 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, управляющие общей теорией 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 Хартланда 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 условие слабой энергии, наличие захваченной поверхности обязательно подразумевает, что пространство-время содержит сингулярность. Таким образом, при минимальных предположениях о материи, содержащейся в пространстве-времени, Пенроуз пришел к выводу, что, как только возникает ловушка, формирование пространственно-временной сингулярности неизбежно. 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. Например, вместе с Хокингом Пенроуз обобщил свою теорему сингулярности, чтобы применить ее ко Вселенной в целом. В результате им удалось показать, что наша Вселенная сама должна содержать в себе сингулярность глубоко в своем прошлом, из которой в Большом Взрыве возникла вся материя и энергия.
Тот факт, что сингулярности обычно возникают в общей теории относительности Эйнштейна, еще больше подстегнул поиски теории квантовой гравитации, такой как теория струн. Такая теория квантовой гравитации заменит теорию Эйнштейна в достаточно малых масштабах таким образом, чтобы это было совместимо с квантовой механикой. Есть надежда, что эта теория также устранит сингулярности пространства-времени, которые в настоящее время досаждают внутренностям черных дыр.
Что происходит в центре черной дыры?
Художественная иллюстрация черной дыры.
(Изображение предоставлено Shutterstock)
Paul M. Sutter is an astrophysicist at SUNY Stony Brook and the Flatiron Institute, host of Ask a Spaceman and Space Radio , and author of How to Die в космосе . Саттер написал эту статью в журнале Expert Voices: Op-Ed & Insights на Space.com.
Сингулярность в центре черной дыры — это абсолютная ничейная земля: место, где материя сжата до бесконечно крошечной точки, и все представления о времени и пространстве полностью разрушены. И его на самом деле не существует. Что-то должно заменить сингулярность, но мы точно не знаем, что.
Давайте рассмотрим некоторые возможности.
Связанные: Черные дыры Вселенной (изображения)
Планковские звезды
Возможно, глубоко внутри черной дыры материя не сжимается в бесконечно маленькую точку. Вместо этого может существовать наименьшая возможная конфигурация материи, наименьший возможный карман объема.
Это называется Планковская звезда , и это теоретическая возможность, предусмотренная петлевой квантовой гравитацией, которая сама по себе является весьма гипотетическим предложением о создании квантовой версии гравитации. -35 метров). Весь материал, когда-либо попадавший в черную дыру, сжимается в шар ненамного больше этого. Совершенно микроскопический, но определенно не бесконечно крошечный.
Это сопротивление продолжающемуся сжатию в конечном итоге вынуждает материал не разрушаться (то есть взрываться), делая черные дыры лишь временными объектами. Но из-за экстремальных эффектов замедления времени вокруг черных дыр, с нашей точки зрения, во внешней вселенной требуются миллиарды, даже триллионы лет, прежде чем они станут бумами. Итак, у нас все готово.
Связанный: Что такое гравитация?
Гравастары
Еще одна попытка уничтожить сингулярность — та, которая не опирается на непроверенные теории квантовой гравитации — известна как гравастар. Это настолько теоретическое понятие, что моя программа проверки орфографии даже не распознала это слово.
Отличие черной дыры от гравастара в том, что вместо сингулярности гравастар заполнен темной энергией . Темная энергия — это вещество, которое пронизывает пространство-время, заставляя его расширяться наружу. Это звучит как научная фантастика, но это реальность: темная энергия в настоящее время действует в большом космосе, заставляя всю нашу вселенную расширяться с ускорением.
Когда материя падает на гравазвезду, она не может проникнуть за горизонт событий (из-за всей этой темной энергии внутри) и поэтому просто болтается на поверхности. Но за пределами этой поверхности гравазвезды выглядят и ведут себя как обычные черные дыры. (Горизонт событий черной дыры — это ее точка невозврата — граница, за которую ничто, даже свет, не может выйти.)
Однако недавние наблюдения слияния черных дыр с помощью детекторов гравитационных волн потенциально исключили существование гравазвезд, поскольку слияние гравазвезд будет давать другой сигнал, чем слияние черных дыр, и такие устройства, как LIGO ( Лазерный интерферометр Гравитационно-волновая обсерватория ) и Дева получает все больше и больше примеров с каждым днем. Хотя гравазвезды не совсем бесполезны в нашей вселенной, они определенно находятся на тонком льду.
Вселенная: от Большого взрыва до сегодняшнего дня за 10 простых шагов
Истории по теме:
Давайте проверим
Планковские звезды и гравазвезды могут иметь удивительные имена, но реальность их существования вызывает сомнения. Так что, возможно, есть более приземленное объяснение сингулярностей, основанное на более детализированном и реалистичном взгляде на черные дыры в нашей вселенной .
Идея единой точки бесконечной плотности исходит из нашей концепции стационарных, невращающихся, незаряженных, довольно скучных черных дыр. Настоящие черные дыры имеют гораздо более интересные характеры, особенно когда они вращаются.
Вращение вращающейся черной дыры растягивает сингулярность в кольцо. И согласно математике общей теории относительности Эйнштейна (это единственная математика, которая у нас есть), как только вы проходите через кольцевую сингулярность, вы входите в червоточину и выскакиваете через белую дыру (полярная противоположность черная дыра, куда ничто не может проникнуть, а материя устремляется наружу со скоростью света) в совершенно новый и захватывающий участок Вселенной.
Одна проблема: внутренности вращающихся черных дыр катастрофически нестабильны. И это согласно той же самой математике, которая приводит к предсказанию путешествия в новую вселенную.
Проблема с вращающимися черными дырами в том, что они вращаются. Сингулярность, вытянутая в кольцо, вращается с такой фантастической скоростью, что обладает невероятной центробежной силой. А в ОТО достаточно сильные центробежные силы действуют как антигравитация: толкают, а не тянут.
Это создает границу внутри черной дыры, называемую внутренним горизонтом. За пределами этой области излучение падает внутрь к сингулярности, вызванное сильным гравитационным притяжением. Но излучение выталкивается антигравитацией вблизи кольцевой сингулярности, а точка поворота — внутренний горизонт. Если бы вы столкнулись с внутренним горизонтом, вы бы столкнулись со стеной бесконечно энергичного излучения — вся прошлая история Вселенной, выброшенная вам в лицо менее чем за мгновение ока.
Формирование внутреннего горизонта сеет семена разрушения черной дыры. Но вращающиеся черные дыры определенно существуют в нашей Вселенной, так что это говорит нам о том, что наша математика неверна и происходит что-то странное.
Что на самом деле происходит внутри черной дыры? Мы не знаем, и самое страшное в том, что мы можем никогда не узнать.
Дополнительные ресурсы
Вы можете узнать больше о черных дырах на этой странице объяснения НАСА (откроется в новой вкладке). В этом материале BBC Earth также содержится хорошая базовая информация о черных дырах, а также описывается, что произойдет с вами, если вы попадете в одного из этих пожирающих свет монстров. А в Стэнфордской энциклопедии философии есть хороший подробный анализ черных дыр и сингулярностей.
- Ровелли, К. и Видотто, Ф., 2014. «Планковские звезды», Международный журнал современной физики D, Vol. 23, № 12. https://doi.org/10.1142/S0218271814420267
- Сакаи, Н. и др., 2014. «Тени Gravastar», Physical Review D, Vol. 90. https://journals.aps.org/prd/abstract/10. 1103/PhysRevD.90.104013
- Тейлор Э. и Уилер Дж. «Исследование черных дыр: введение в общую теорию относительности». Эддисон Уэсли Лонгман, 2000 г. https://www.amazon.com/Exploring-Black-Holes-Introduction-Relativity/dp/020138423X (открывается в новой вкладке)
Примечание редактора: Впервые эта история была опубликована 27 октября 2020 года. Она была обновлена и переиздана 8 февраля 2022 года. Что на самом деле происходит в центре черной дыры? askaspaceman.com (откроется в новой вкладке) . Спасибо Энди П., Бриттани, Джеффу Дж., Роберту С., Владимиру Б., Джеку С., @Grobillard и Джеймсу Л. за вопросы, которые привели к написанию этой статьи! Задайте свой вопрос в Твиттере, используя хэштег #AskASpaceman или подписавшись на Пола @PaulMattSutter (открывается в новой вкладке) и facebook.com/PaulMattSutter (открывается в новой вкладке) .
Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: community@space. com.
Пол М. Саттер — астрофизик из Университета штата Нью-Йорк в Стоуни-Брук и Института Флэтайрон в Нью-Йорке. Пол получил докторскую степень по физике в Университете Иллинойса в Урбана-Шампейн в 2011 году и провел три года в Парижском институте астрофизики, а затем стажировался в Триесте, Италия. регионов Вселенной до самых ранних моментов Большого Взрыва до охоты за первыми звездами. В качестве «агента к звездам» Пол уже несколько лет страстно вовлекает общественность в популяризацию науки. Он ведущий популярной программы «Спроси космонавта!» подкаста, автор книг «Твое место во Вселенной» и «Как умереть в космосе», часто появляется на телевидении, в том числе на канале «Погода», где он является официальным специалистом по космосу.
Каждая ли черная дыра содержит сингулярность?
Категория: Космос Опубликовано: 13 сентября 2013 г.
Художественное изображение черной дыры. Изображение общественного достояния, источник: Кристофер С. Бэрд.
В реальной Вселенной не , а черных дыр содержат сингулярности. В общем, сингулярности — это нефизический математический результат ошибочной физической теории. Когда ученые говорят о сингулярностях черных дыр, они говорят об ошибках, которые появляются в наших текущих теориях, а не о реально существующих объектах. Когда ученые и не ученые говорят о сингулярностях так, как будто они действительно существуют, они просто демонстрируют свое невежество.
Сингулярность — это точка в пространстве, в которой находится масса с бесконечной плотностью. Это привело бы к пространству-времени с бесконечной кривизной. Наличие сингулярностей в черных дырах предсказывает общая теория относительности Эйнштейна, которая замечательно справилась с сопоставлением экспериментальных результатов. Проблема в том, что в реальном мире никогда не существует бесконечностей. Всякий раз, когда из теории выскакивает бесконечность, это просто признак того, что ваша теория слишком проста для обработки крайних случаев.
Например, рассмотрим простейшую физическую модель, которая точно описывает, как волны распространяются по гитарной струне. Если вы двигаете такую струну на ее резонансной частоте, простейшая модель предсказывает, что вибрация струны будет экспоненциально возрастать со временем, даже если вы двигаете ее мягко. Строка действительно делает это… до определенного момента. Проблема в том, что экспоненциальная функция быстро стремится к бесконечности. Таким образом, модель предсказывает, что гитарная струна, работающая на своей резонансной частоте, со временем будет вибрировать мимо Луны, мимо звезд, в бесконечность, а затем обратно. Действительно ли струна бесконечно вибрирует только потому, что так говорит модель? Конечно нет. Струна рвется задолго до того, как вибрирует на Луне. Таким образом, появление бесконечности в модели указывает на то, что модель достигла своих ограничений. Простая модель волн на струне верна, пока вибрации малы. Чтобы избежать бесконечности в уравнениях, вам нужно построить лучшую теорию. Для вибрирующих гитарных струн все, что вам нужно сделать, это добавить в модель описание того, когда гитарные струны рвутся.
В качестве другого примера рассмотрим тонкий стеклянный кубок для питья. Если певец поет ноту правильной высоты, кубок начинает трястись все сильнее и сильнее. Простейшая модель предсказывает, что со временем кубок будет бесконечно трястись. В реальной жизни так не бывает. Вместо этого пение заставляет кубок разбиться на куски, когда тряска становится слишком сильной.
Каждая научная теория имеет свои ограничения. В пределах своей применимости хорошая теория очень хорошо соответствует экспериментальным результатам. Но выходите за пределы теории, и она начинает давать неточные или даже бессмысленные прогнозы. Физики надеются когда-нибудь разработать теорию всего, которая не имеет ограничений и будет точной во всех ситуациях. Но у нас пока этого нет. В настоящее время лучшими физическими теориями являются квантовая теория поля и общая теория относительности Эйнштейна. Квантовая теория поля очень точно описывает физику от размеров человека до мельчайших частиц. В то же время квантовая теория поля терпит неудачу в планетарных и астрономических масштабах и, по сути, вообще ничего не говорит о гравитации. Напротив, общая теория относительности точно предсказывает гравитационные эффекты и другие эффекты в астрономическом масштабе, но ничего не говорит об атомах, электромагнетизме или чем-либо в мелком масштабе. Использование общей теории относительности для предсказания орбиты электрона вокруг атомного ядра даст вам удручающе плохие результаты, и использование квантовой теории поля для предсказания орбиты Земли вокруг Солнца также даст вам плохие результаты. Но пока ученые и инженеры используют правильную теорию в правильных условиях, они в основном получают правильные ответы в своих исследованиях, расчетах и прогнозах.
Хорошо, что общая теория относительности не сильно пересекается с квантовой теорией поля. Для большинства астрономических и гравитационных вычислений можно обойтись только общей теорией относительности и игнорировать квантовую теорию поля. Точно так же для мелкомасштабных и электромагнитных расчетов можно обойтись квантовой теорией поля и игнорировать общую теорию относительности. Например, вы используете только квантовую теорию поля, чтобы описать, что делают атомы на солнце, но используете только общую теорию относительности, чтобы описать, что делает солнце в целом. Предпринимаются многочисленные попытки последовательно объединить квантовую теорию поля и общую теорию относительности в одну законченную теорию, но ни одна из этих попыток не была полностью закреплена или подтверждена экспериментами. До тех пор, пока не появится успешная теория всего, физики в основном могут обходиться использованием как общей теории относительности, так и релятивистской квантовой теории лоскутным одеялом. Этот подход в основном работает, потому что сферы достоверности обеих теорий не сильно пересекаются. Но этот подход не работает, когда астрономический объект коллапсирует до квантовых размеров, а именно это и есть черная дыра.
Черная дыра образуется, когда у массивной звезды заканчивается топливо, необходимое для уравновешивания гравитации, и она коллапсирует под действием собственной гравитации до очень малых размеров. Общая теория относительности предсказывает, что звезда коллапсирует в бесконечно маленькую точку с бесконечной плотностью. Но, как теперь должно быть ясно, такого зверя на самом деле не существует в реальном мире. Появление сингулярности черной дыры в ОТО просто указывает на то, что ОТО неточна при очень малых размерах, о которых мы уже знали. Вам нужна квантовая теория поля для описания объектов малых размеров. Но квантовая теория поля не включает гравитационные эффекты, которые являются главной особенностью черной дыры. Этот факт означает, что мы не будем точно знать, что происходит в черной дыре, пока ученые не смогут успешно создать новую теорию, точно описывающую небольшие размеры и сильные гравитационные эффекты одновременно. Что бы в итоге ни сказала нам новая теория, она совершенно точно не скажет, что в черных дырах есть сингулярности. Если бы это было так, то результат просто указывал бы на то, что новая теория так же плоха, как и старая. На самом деле одно из требований к будущей теории всего состоит в том, чтобы она не предсказывала сингулярности в черных дырах. В этом смысле внутренности черных дыр — последний рубеж теоретической физики. Почти все остальное во Вселенной можно точно описать (по крайней мере, в принципе) с помощью наших современных теорий.
Темы:
астрономия, черная дыра, дивергенция, общая теория относительности, гравитация, масса, квант, квантовая теория поля, резонанс, сингулярность, пространство-время
Реальны ли сингулярности? | НОВА
Трудно представить себе бесконечность: что-то, что по определению больше, чем все, что вы можете себе представить. Физикам приходится сталкиваться с невообразимым каждый день, и для этого у них есть инструменты. Но описывает ли их математика реальность?
Получайте электронные письма о предстоящих программах NOVA и соответствующем контенте, а также рекомендуемые отчеты о текущих событиях через призму науки.
Почтовый индекс
Математики нашли способ упаковать бесконечность в управляемые уравнения и теоремы как часть класса математических странностей, называемых «сингулярностями». Для математика сингулярность — это просто точка, в которой функция нарушается, как это происходит с 1/x, когда x приближается к нулю. Определяющим свойством особой точки является то, что невозможно предсказать, что происходит за ее пределами. Но являются ли сингулярности математических уравнений просто абстрактным понятием? Или они встречаются в природе?
Слово «сингулярность» было популяризировано в книге Рэя Курцвейла 2005 года, который использует его для обозначения надвигающейся революции в области искусственного интеллекта (ИИ). По словам Курцвейла, как только искусственный интеллект станет достаточно умным, чтобы улучшать своих собратьев, петля обратной связи приведет к неконтролируемому процессу. После этого все ставки сняты: никто не знает, что произойдет. Но технологическая сингулярность Курцвейла, если она сбудется, не будет настоящей сингулярностью. Нет закона природы, ограничивающего нашу способность предсказывать, что может произойти, когда ИИ преодолеет точку «сингулярности»; вместо этого мы ограничены пределами человеческого разума.
Хотя это звучит экзотично, математические сингулярности на самом деле распространены в решениях всех уравнений, кроме простейших в физике. Образование ударных волн и трещин и даже движение бильярдного шара, отскакивающего от твердой стены, могут содержать сингулярности. Хотя эти сингулярности соответствуют математическому определению, они также не реальны физически: они возникают из-за идеализированных предположений, которые физики делают, чтобы превратить беспорядочный мир реальности в аккуратный мир математики. В действительности не существует идеально острой трещины, абсолютно твердой стены и идеально локализованной ударной волны.
Вот еще один пример: выключайте воду из кухонного крана, пока она не начнет капать. Гидродинамическое уравнение, описывающее поверхность капель, имеет особенность в точке защемления: по одной капле нельзя предсказать, где будет следующая. Но и этой сингулярности можно избежать, применяя более подходящую теорию. Используя атомную физику, вы могли бы, в принципе, точно рассчитать, как поток воды распадается на части на уровне отдельных атомов. Таким образом, все эти сингулярности являются артефактами использования теории за пределами области ее применимости на таких коротких расстояниях, что потребовалась бы более точная теория.
Единственный тип сингулярности, который может быть реальным, — который физики не знают, как разрешить, — это тот, который появляется в общей теории относительности Эйнштейна, когда материя коллапсирует под действием гравитационного притяжения собственного веса. В общей теории относительности нет ничего, что могло бы помешать этому краху. Это будет продолжаться до тех пор, пока вся материя не окажется в одной точке бесконечной плотности материи и бесконечной кривизны пространства-времени: сингулярности.
Сингулярности, возникающие внутри черных дыр, представляют большую проблему для физиков. Пересечение горизонта событий черной дыры похоже на прыжок в реку перед водопадом, в месте, где вода течет быстрее, чем вы можете плыть. Что бы вы ни делали, в конечном итоге вас утянет вниз по водопаду. Точно так же все, что попадает в черную дыру, утягивается в сингулярность. И однажды там, он достигает своего конца.
В сингулярности черной дыры путь каждой частицы кажется тупиковым. Пространство-время останавливается в сингулярности, и никто не знает, что происходит в этой точке. Но мы не можем себе представить, как что-то может просто так закончиться. По этой причине пространство-время черной дыры называется «незавершенным», но в общей теории относительности нет способа завершить его. Это происхождение
проблема потери информации черной дырой
: именно горизонт делает информацию невосстановимой, но именно сингулярность в конечном счете уничтожает ее. Это большая головная боль для физиков, потому что такое уничтожение информации несовместимо с квантовой механикой.
Большой взрыв — это тоже сингулярность. Если запустить расширение Вселенной, которое мы наблюдаем сегодня

назад

, то плотность материи должна была быть тем больше, чем моложе была Вселенная, вплоть до начального момента, когда плотность должна была быть бесконечно высокой: она должна была быть сингулярной.
Являются ли эти сингулярности реальными или это всего лишь следы разрыва между математикой и реальностью? Основываясь на своем опыте работы с другими системами, физики подозревают, что сингулярности в общей теории относительности — это предупреждение, намек на то, что нам нужна другая теория для описания физики в экстремальных ситуациях, когда гравитация очень сильна, а ее квантовые эффекты очень велики. Физики до сих пор не знают, как описать квантовые эффекты гравитации, но мы надеемся, что таким образом однажды мы разрешим сингулярности.
Ни один из наших измерительных приборов не может показать бесконечное значение. Мы не только никогда не наблюдали его, мы не знаем, как его наблюдать, мы даже не знаем, как придать смысл такому наблюдению. Поэтому физики рассматривают сингулярности как симптомы больной теории, нуждающейся в лечении. С сингулярностями можно было бы математически разобраться. Но исходя из прошлого опыта и интуиции, насколько нам известно на данный момент, природа не любит внезапных концов.

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

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

Теги

Что такое сингулярность

Космологическая сингулярность

Гравитационная сингулярность

Сингулярность в математике

Технологическая сингулярность

Сингулярность в биологии

Выводы

Почему топовым физикам не нравятся голые сингулярности / Хабр

Сингулярности

Голые сингулярности

Гипотеза слабой гравитации

Идея сингулярности перед Большим взрывом устарела / Хабр

Физики впервые увидели признаки треугольной сингулярности

Бізнес

Технології

Что такое сингулярность? | Живая наука

Что такое сингулярность?

Где возникают гравитационные сингулярности?

Что такое голые сингулярности?

Что на самом деле находится в центре черной дыры?

Что такое сингулярность Большого Взрыва?

Дополнительные ресурсы:

Что такое сингулярность? — Universe Today

Определение:

Происхождение теории:

Типы сингулярностей:

Нравится:

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

Сингулярность Большого взрыва и квантовая гравитация

Что происходит в центре черной дыры?

Планковские звезды

Гравастары

Давайте проверим

Дополнительные ресурсы

Каждая ли черная дыра содержит сингулярность?

Реальны ли сингулярности? | НОВА